우리얘기

지금까지 세계의 연구자들은 나노구조체의 기계적 물성을 평가할 수 있는 방법을 찾기 위해 다각도로 연구했지만, 물성 값 도출에 큰 오차를 보이면서 결과의 해석에 큰 이견을 나타냈습니다.

박원일 교수

장재일 교수

<실리콘(Si) 나노선(nanowire)의 기계적 물성 분석 절차>

(a) (왼쪽부터) 원자힘현미경 굽힘 시험을 위해 준비한 나노선 모습, 시험모식도 및 시험 후 원자힘현미경 이미지(b) (오른쪽부터)나노압입 시험을 위해 준비한 나노선 모습, 시험모식도 및 시험 후 원자힘현미경 이미지.

또 지금까지 수행된 연구 중에서 다양한 크기 범위의 나노선에 대해 실험을 수행해 최근 논란이 가열되고 있는 기계적 물성에 미치는 나노선의 크기 효과를 체계적으로 정립했습니다.

<원자힘현미경(AFM, Atomic Force Microscope) 굽힘 시험 결과>

(a) 원자힘현미경 굽힘 시험으로부터 얻은 힘(force) - 변위(displacement) 곡선이며, 삽입된 이미지는 실험 전(위)과 후(아래)의 실리콘 나노선의 모습을 나타냄.(b) 굽힘 시험에서 사용되는 세 가지 모델을 (a)의 결과에 적용하여 얻은 탄성계수(elastic modulus)와 항복강도(yield strength)를 나노선 크기에 따라 체계적으로 비교함.

<나노압입(Nanoindentation) 시험 결과> 

(a) 나노압입 시험으로부터 얻은 하중(load)-변위(displacement) 곡선이며, 삽입된 이미지는 실험 전(위)과 후(아래)의 실리콘 나노선의 모습을 나타냄.(b) 사용된 압입자의 각도의 변화에 따라 나노선 크기에 따른 탄성계수(elastic modulus)와 항복강도(yield strength)를 비교함.

이번 연구결과는 재료공학분야에서 권위 있는 학술지인 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)' 1월호에 게재됐습니다.
(논문명 : Exploring Nanomechanical Behavior of Silicon Nanowires: AFM Bending Versus Nanoindentation)

<나노 구조체의 기계적 물성에 미치는 크기 효과 분석>
 

원자힘현미경 굽힘 시험을 이용하여 얻은 결과들을 기존 연구들과 비교하고 나노선의 크기 변화에 따른 탄성계수(왼쪽)와 항복강도(오른쪽)의 변화를 체계적으로 분석함.

 용   어   설   명

나노구조체
: 나노미터(10억분의 1m) 크기를 가지는 구조체를 가리키며, 대표적으로 0차원 나노구조체인 양자점(quantum dot), 1차원 나노구조체인 나노선(nanowire), 2차원 나노구조체인 그래핀(graphene)  등이 여기에 포함됨. 

나노구조체의 기계적 물성
: 나노구조체가 외부로부터 힘을 받았을 때 나타나는 거동 및 성질을 의미하며, 강도와 탄성 등이 이에 해당됨.

나노소자
: 나노 크기를 가지는 소재 및 구조체를 이용하고 나노기술을 통해 만든 미세  기능성 장치를 말함. 

나노선
: 일차원 나노구조체로서 단면의 지름이 수 나노미터~수십 나노미터 정도의 크기를 가지는 극미세선으로 이것을 만드는 기술은 세계를 변화시킬 신기술 가운데 하나로 꼽히며, 트랜지스터, 논리회로, 메모리, 화학감지용 센서(감지기), 레이저, 에너지 재생/저장 등 다양한 분야에 쓰임.

나노선의 크기효과
: 모든 재료는 나노크기로 작아질 때 물리적, 화학적 성질이 변하게 되는데, 기계적 물성(강도, 탄성 등) 또한 일반적인 크기의 경우와 완전히 다른 성질을 나타내게 됨.

원자힘현미경(AFM, Atomic Force Microscope) 굽힘 시험
: 원자간 힘을 이용하여 극미소 소재의 표면 정보를 구체적으로 분석할 수 있는 장비인 원자힘현미경(AFM)에 장착된 캔틸레버(cantilever)를 측면으로 이동시켜 나노선에 힘을 가하고 그때 얻어지는 굽힘의 정도로부터 나노선의 강도를 평가하는 방법임

나노선에 대한 AFM 굽힘 시험 모식도

나노압입(Nanoindentation) 시험
: 압입(indentation)시험을 이용한 소재의 강도(strength)측정 방법 중 하나로 작게는 수 나노미터(nm) 깊이까지 하중을 가하고, 이때 얻어지는 하중-변위 곡선을 해석함으로써 미소영역에 대한 기계적 물성을 쉽고 비파괴적인 방법으로 측정할 수 있음.

나노선에 대한 나노압입시험 모식도

뇌암 중에서도 가장 악성으로 꼽히는 신경교아세포종(Glioblastoma)은 세계보건기구(WHO)에서 정한 4등급 악성 종양으로, 진단 이후 1년도 살지 못하는 치명적인 질병으로, 우리나라 뇌암 환자의 45%를 차지합니다.

특히 암세포의 움직임이 활발하고 침투성도 우수해 전이가 빠르며, 외과적 수술로도 완치할 수 없습니다.

이에 대한 현재 유일한 치료제인 테모다르(Temodar)도 평균수명을 2.5개월 연장하는 수준입니다.

칼슘이 뇌암 세포의 활동과 전이에 매우 중요한 역할을 하는데, 칼슘 분비에 관여하는 수용체는 세포 내 소포체에 존재하는 'IP3R' 단백질입니다.

또한 이 박사는 하루에 커피 2~5잔을 마시면, 뇌암 세포의 전이가 거의 발생하지 않고, 생존율도 2배 증가한다는 사실을 동물(쥐)실험을 통해 입증했습니다.


■ 술이 뇌를 어떻게 망가뜨리나

이창준 박사는 지난해 9월 각종 정신질환의 원인을 밝히는 중요한 단서인 중추신경계의 '지속성 가바(Tonic GABA)' 분비의 근원이 버그만글리아(소뇌의 비신경세포로, 아교세포의 일종) 세포라는 사실을 최초로 규명하여 세계 최고 권위의 과학 전문지인 사이언스(Science)에 게재한 바 있습니다.

중추신경계는 흥분성 신경전달물질과 억제성 신경전달물질이 서로 조화롭게 작용하면서 인체가 정상적인 기능을 수행할 수 있도록 합니다.

이 가운데 주요 억제성 신경전달물질인 가바는 친화력이 높은 가바 수용체와 결합해 이를 활성화시킴으로써 신경계를 억제시키는데, 이것이 흥분성과 억제성의 균형을 유지하는 원리입니다.

그런데 가바 분비에 문제가 생겨 균형이 깨지면, 인체는 불균형과 과도한 흥분으로 인해 간질성 발작, 불면증, 운동성 소실 등의 이상 증상이 나타날 수 있고, 학습, 기억, 운동조절능력 등 인체의 기본적인 기능에도 심각한 문제를 초래할 수 있습니다.

술을 많이 마시면 몸의 중심을 잡기 어렵고 똑바로 걷기 힘든 것도 알코올에 의해 지속성 가바 수용체의 활성이 증가되어 불균형이 초래되었기 때문입니다.

그러나 이러한 중요성에도 불구하고 세계적인 연구자들은 그동안 중추신경계의 지속성 가바 분비 메커니즘을 명확히 밝혀내지 못했습니다.

이 박사의 연구결과는 관련 분야 교과서를 다시 쓰게 할 만큼 획기적인 발견으로, 또 다른 세계 최고 권위의 과학전문지인 네이처(Nature)에서도 이 논문을 해당분야의 주목할 만한 논문으로 소개했습니다.

교육과학기술부와 한국연구재단은 한국과학기술연구원(KIST) 이창준 박사(45)를 2011년도 '이달의 과학기술자상' 첫 번째 수상자로 선정했습니다.


  이창준 박사

▶소속 : 한국과학기술연구원

▶1985.09-1990.06  시카고대학 화학과 학사학위
     The University of Chicago-Chemistry/ B.Sc
▶1992.09-1996.05  콜럼비아대학 신경생리학 석사학위
     Columbia University-Neurophysiology/MS
▶1996.09-2001.05  콜럼비아대학 신경생리학 박사학위
     Columbia University-Neurophysiology/PhD

● 주요업적

- 업적 요약 : 지속성 억제물질의 근원과 음이온 채널(베스트로핀)을 통한 분비 기전을 세계 최초로 규명함으로써 비신경 세포인 아교세포의 새로운 기능을 밝혔습니다.

- 업적의 구체적 내역 : 이창준 박사팀은 지금까지 신경세포만 분비한다고 알려져 왔던 억제성 신호전달물질 가바가 비신경세포인 아교세포에서 분비된다는 사실을 세계 최초로 개발하여 학계뿐만 아니라 과학기술계의 큰 주목을 받고 있으며, 이는 지금까지 주목 받지 못했던 비신경세포의 새로운 기능을 찾아낸 성과로 인간 뇌의 90%를 차지하는 비신경세포가 인간의 뇌 기능에 중요한 기능을 한다는 가능성을 열어놓는 중요한 계기가 되어서 매우 독창적이고 비중 높은 기초순수 과학연구의 열매이며 이러한 연구결과가 뇌의 흥분성과 억제선 신호전달물질의 불균형으로 인한 신경계 질환 및 질병의 치료 가능성을 제시하였기에 생명과학 전반에 미치는 파급 효과가 매우 클 것으로 예상됩니다.

- 학술지 게재, 인용 등 논문관련 : 이 연구내용은 세계 최고 권위의 학술지인 Science지에 2010년 9월 게재되었고 Science지 뿐만 아닌 Nature지에도 11월 특집뉴스 (Special Issue)로 다루어졌습니다.

- 학문적, 경제적 파급효과 :  이번 연구를 통해 지속성 억제물질의 근원과 음이온 채널(베스트로핀)을 통한 분비 기전을 세계 최초로 규명함으로써 비신경세포인 아교세포의 새로운 기능을 밝히고, 불균형으로 인한 신경계 질환 및 질병의 치료 가능성을 제시, 이러한 새로운 사실은 교과서를 다시 쓰는 획기적인 발견으로 벌써 세계 과학계에 많은 여파를 일으키고 있습니다.