우리얘기

얼마 전 미국에서 군용 투명망토를 개발해 화제가 됐습니다.

시연 장면을 보면 투명망토를 뒤집어 쓴 저격수가 주변의 배경색과 흡사해 멀리서 볼 때 찾기가 쉽지 않았는데요.

미군이 도입한 투명망토 시연 그래픽 / 출처=KBS

개인위장은 물론 크기에 따라 전차, 레이더 등의 장비 위장도 가능해 전술적 가치가 높을 전망입니다.

하지만 이 투명망토에도 치명적 단점이 있는데요. 바로 전력이 있어야만 투명 상태가 유지된다는 것입니다.

메타물질

투명망토가 실현 가능한 이유는 투명 기능의 근본 소재인 메타물질 때문입니다. 

투명망토의 소재인 메타물질의 작동 원리 / 출처=YTN

메타물질은 자연에서 발견되지 않는 특이한 광학적 성질을 얻기 위해 인위적으로 설계된 물질인데요.

이는 빛의 파장보다 짧은 구조물로 구성돼 투명망토나 고해상도 렌즈 제작에 활용되고 있습니다. 

그런데 메타물질의 변조된 광학적 특성을 유지하기 위해선 지속적인 자극, 즉, 전력이 공급돼야 하는데요. 전력이 소모되면 투명 상태도 사라지는 치명적인 약점을 갖고 있습니다.

메모리 메타물질

이를 극복할 수 있는 방법은 전력 공급이 멈춘 후에도 변조된 메타물질의 상태가 유지되는 것인데요. 이를 실현하는 소재를 메모리 메타물질이라고 합니다.

현재 세계적으로 연구가 진행되는 메모리 메타물질은 열적 자극에 의해 광특성이 조절되는 바나듐산화물 계열과 강한 광학적 자극에 의해 조절되는 저메늄-안티몬-텔루륨 등이 대표적인데요. 

바나듐산화물 기반 메모리 메타물질의 경우 상변화 온도가 60℃ 내외이기 때문에 고온 또는 열적으로 고립된 환경에서만 메모리 특성이 유지되고, 상온에서는 20분 정도만 가능합니다. 

KAIST가 개발한 상온 메모리 메타물질

KAIST 기계공학과 민범기 교수팀이 메타물질의 광학적 특성을 기억할 수 있는 메모리 메타물질과 이를 응용한 논리연산 메타물질을 개발했습니다.

메모리 메타물질의 구조도. 전극 배열(TTE), 강유전체, 그래핀, 메타원자, 폴리이미드 기판으로 구성되어 있고, k 방향으로 입사하는 빛의 전기장 (E)은 전극 배열과 수직임

기존 보고된 메모리 메타물질은 고온에서만 기억되거나 부피가 큰 광학적 장치에 의해서만 동작 가능해 현실적 응용에 한계를 보였는데요.

연구팀은 메타물질에 그래핀과 강유전체 고분자를 접목시키는 방법을 개발해 이를 극복했습니다.

연구팀이 사용한 강유전체 고분자는 탄소를 중심으로 불소와 수소가 결합한 분자인데요. 이는 외부 전압의 극성에 따라 회전하는 성질을 갖게 됩니다.

이 강유전체 고분자는 상온에서도 안정적으로 변화 상태를 유지할 수 있고요 그래핀과 접촉돼 메모리 성능이 개선된 것이 특징입니다.

강유전체에 의해 그래핀에 비휘발적 도핑이 되는 모식도. 전기 음성도가 작은 수소(H)와 전기음성도가 큰 불소(F)로 이루어진 영구 쌍극자가 인가하는 전압 극성에 따라 정렬함.

또 초박형 상태로 제작할 수 있어 천과 같은 모양을 만들 수 있고요.

무엇보다 다중 상태의 기억이 가능하고, 빛의 편광 상태도 기억할 수 있는 것으로 연구결과 증명됐습니다.

KAIST가 개발한 논리연산 메타물질

연구팀은 메모리 메타물질의 원리를 응용해 논리 연산이 가능한 논리연산 메타물질도 함꼐 개발했습니다. 

이 논리연산 메타물질은 단일 입력에 의해서만 변조 가능했던 기존 메타물질의 단점을 해결한 것인데요.

그래핀으로 두 개의 강유전체 층과 샌드위치 구조를 가진 메타물질을 제작하고, 두 전기적 입력의 논리연산 결과가 광학적 특성으로 출력되게 만든 구조를 활용했습니다.

이를 통해 다중 입력에 의한 조절이 가능해져 메타물질의 특성을 다양하게 변화시키거나 조절할 수 있는 방법론을 제시했습니다.

투과도의 다중상태 (00, 01, 10, 11)의 메모리 특성

이번 연구는 메모리 메타물질을 통해 저전력으로 구동 가능한 초박형 광학 소자 발전에 큰 역할을 할 것으로 기대됩니다.

한편 이번 연구에는 KAIST 기계공학과 김우영 박사와 김튼튼 박사, 김현돈 박사과정이 1저자로 참여했고요. 연구결과는 과학전문지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 2016년 1월 27일자 온라인 판에 게재됐습니다. 

(논문명 : Graphene-ferroelectric metadevices for nonvolatile memory and reconfigurable logic-gate operation)

 용 어 설 명

그래핀(graphene)

탄소의 동소체 중 하나이며 탄소 원자들이 모여 2차원 평면을 이루고 있는 구조로써, 각 탄소 원자들은 육각형의 격자를 이루며 육각형의 꼭짓점에 탄소 원자가 위치하고 있는 벌집구조 모양이다. 원자 1개의 두께로 이루어진 얇은 막으로, 두께는 0.2 ㎚(1㎚는 10억 분의 1m)로 엄청나게 얇으면서 물리적·화학적 안정성도 높다. 

강유전체(ferroelectric)

외부에서 인가되는 전기장에 의해 영구 쌍극자가 정렬하여 물질의 표면에 전하를 가질 수 있는 물질. 외부 전기장이 제거되면 정렬된 영구 쌍극자가 그 상태를 유지하는데, 양의 전하일 때와 음의 전하일 때 표면 전하의 극성이 다르므로 이를 디지털 신호의 0과 1에 대응하여 메모리 소자로 이용 가능함. 

메타물질(metamaterial)

자연계에 존재하지 않는 특성을 얻기 위해 빛의 파장보다 작은 인공 구조물들의 집합체. 예를들어, 300㎛ 파장의 빛에 대해서 수십 ㎛의 인공적으로 제작한 구조체들의 배열로 이루어진 경우, 300㎛ 파장에 대해서 메타물질로 동작할 수 있음. 인공 구조물의 모양, 배열, 크기에 따라 음굴절, 고굴절, 0굴절 물질 구현이 가능하며 고 해상도 렌즈 및 투명망토에 응용가능함.

메모리 메타물질(memory metamaterial)

메타물질은 외부에서 인가되는 기계적, 전기 및 자기적, 열적, 광학적 자극에 의해 광학적 특성이 변조가능한데, 일시적인 외부 자극에 의해 변조된 광학적 특성이 외부 자극을 제거시켜도 변조된 특성이 계속 유지되는 메타물질. 변조된 특성을 지속적으로 얻기 위해 지속적인 외부 자극을 인가해야할 경우, 에너지 소모가 크고, 전원 장치와 항상 연결되어야 하므로 메모리 메타물질은 이러한 에너지 낭비를 줄일 수 있음.

최근 우리나라 전체가 메르스 여파로 들썩였는데요.

KAIST 연구진이 단백질 효소를 이용해 메르스와 같은 신종 바이러스 병원균 감염 여부를 진단할 수 있는 기술을 개발에 눈길을 끌고 있습니다.

박현규  KAIST 생명화학공학과 교수팀이 개발한 기술은 특정 단백질이나 효소를 인식하는 물질 압타머(Aptamer)를 이용해 다양한 표적 DNA를 분석할 수 있는 기술을 개발했습니다.

압타머는 표적 물질과 결합할 수 있는 특성을 가진 DNA입니다.

기존 분자 비콘(Molecular beacon) 프로브 기반 유전자 분석은 분석 대상인 표적 DNA가 변경되면 이에 대응하는 새로운 분자 비콘 프로브가 필요하기 때문에 다양한 표적 DNA를 분석하는데 많은 비용이 소요되는 단점이 있었습니다.

이에 박현규 교수팀은 DNA 중합효소와 결합해 활성을 저해시키는 압타머를 고안했는데요.

이를 역으로 이용해 표적 DNA가 존재하는 경우에만 압타머가 DNA 중합효소와 결합하지 않고 활성을 유지할 수 있게 조절하는 기술을 최초로 개발한 것입니다.

표적핵산에 의한 DNA 중합효소 활성 변화를 이용해 표적 핵산을 검출한 모식도

이번에 개발된 기술은 조절된 DNA 중합효소의 활성이 핵산 신장 및 절단 반응을 일으키고,그 결과 형광 프로브(TaqMan probe)의 형광신호 측정이 가능한 것이 핵심인데요.

이를 통해 동일한 형광 프로브를 이용하면서도 다양한 표적 DNA를 민감하게 검출할 수 있는 새로운 유전자 진단 기술 개발이 가능해진 것입니다.

이를 활용하면 표적 DNA의 종류에 따라 새로운 프로브를 사용해야 했던 기존 기술과 달리 동일한 형광 프로브를 이용하기 때문에 다양한 표적핵산을 값싸고 손쉽게 검출할 수 있고요.

기술을 응용하면 여러 다른 병원균의 감염 여부까지 수월하게 파악할 수 있을 것으로 전망됩니다.

이번 연구는 메르스처럼 새로운 병원체에 대한 진단 키트를 용이하게 제작할 수 있어 여러 병원균에 대해 신속히 대응할 수 있고, 향후 유전자 진단 분야에서 새 원천기술로 널리 활용될 것으로 기대됩니다.

한편, 이번 연구결과는 영국왕립화학회가 발행하는 케미컬 커뮤니케이션즈(Chemical communications) 6월호 후면 표지논문으로 선정됐습니다. 

 용 어 설 명

압타머
저분자 화합물로부터 단백질까지 다양한 종류의 표적 물질에 대해서 높은 친화성과 특이성을 가지고 결합할 수 있는 작은 단일가닥 DNA

DNA 중합효소
DNA를 복제하여 증폭시키는 역할을 하는 효소

분자 비콘(Molecular beacon)
표적핵산에 상호보완적인 염기서열을 포함하는 헤어핀 구조의 DNA로서, 양 말단에 형광체와 소광체가 각각 달려있다.

TaqMan 프로브
5’ 말단과 3’ 말단에 각각 형광체와 소광체가 달린 짧은 단일가닥 DNA

KAIST 휴보 ‘DARPA 로보틱스 챌린지(DRC)' 우승!

‘이번 우승’은 많은 의미를 담고 있습니다.

가장 큰 의미는 당연히 ‘희망’이겠죠. 그리고 또 있습니다.

이번 우승 소식을 접하자마자 예전에 인터뷰 한 내용을 다시 찾아봤습니다.

세계를 깜짝 놀라게 한 휴보가 만들어지기까지의 과정을 알게 되면 다른 방향에서 다시 깜짝 놀라기 때문이죠.

아래는 2011년 인터뷰한 내용을 재구성 한 것입니다.  

휴먼형 보행로봇? 그까이꺼!

2000년, 오준호 KAIST 교수는 뉴스를 통해 일본의 휴먼형 로봇 '아시모'를 처음으로 보게 됩니다.

오 교수는 '저것이 가능할까?' 황당해 하면서도 한편으론 '나도 못할 것 없지'라고 생각했습니다.

그래서 오 교수는 (푼돈에 불과한) 연구비를 마련하기 위해 여기저기 제안서를 냈지만 '턱도 없다'며  거부당했습니다.

우리나라에 로봇 기반이 전혀 없는 상황에서 휴면형 로봇 개발은 불가능하다는 것이지요.

그는 동료 교수들 몇 명을 찾아가 각출하듯 6000만 원을 마련했습니다. 이 돈은 당시 'BK21 사업'을 통해 교수들에게 1000만 원 씩 지급된 일종의 보조금인데, 우여곡절 끝에 모을 수 있었다고 합니다.

그리고 2002년, 오 교수는 연구를 시작한지 단 6개월 만에 2족보행 로봇 'KHR-1'을 완성했습니다.

다른 나라 개발자가 알면 정말 까무러칠일이었지요.

여기에 자신감을 얻은 오 교수는 KHR-1을 학교측에 보여주면서 1년 연구비 1억 5000만 원을 신청했습니다.

오 교수의 결과물에 깜짝 놀란 학교측은 오히려 3년 과제로 선정해 제대로 해보자며 더 좋은 조건을 제시했습니다.

그러나 오 교수는 "일본이 이미 완성한 것을 3년이나 한다는 것은 자존심이 허락하지 않았다"면서 제안을 거절했다고 합니다.

그리고 이듬해 다시 연구에 착수한 오 교수.

이번에도 시작 6개월 만인 2003년 8월, 휴보의 전신인 'KHR-2'를 완성했고요. 

주변은 또 다시 깜짝 놀랐지요. 휴보의 탄생인 것입니다.

오 교수 표현으로는 이를 본 사람들이 '놀래서 자빠지더라'고 합니다.

가장 오랜 어릴때 기억은 호기심

 

오 교수의 취미인 '연구'는 그가 가장 더듬어 기억할 수 있는 어린시절부터 시작됩니다.

오 교수는 "3~4살 때 그런 기계에 매료됐던 기억이 생생하다"고 말합니다.

'꼬마 오 박사'는 할머니의 재봉틀이 움직이는 것부터 째깍째깍 움직이는 시계, 각종 공구 등을 보는 것 자체가 즐거웠습니다.

어린이에게 공포의 대상인 병원조차 '꼬마 오 박사'에게는 신기한 호기심의 대상이었다고 합니다.

병원에 간 꼬마 오 박사는 각종 진단기기와 장비들을 보는 것이 즐거워 무서운 것도 잊어버렸다고.

초등학교 3학년이 만든 다단계 로켓

이런 오 교수의 학창시절은 줄곧 탐구와 만들기의 연속이었습니다.

초등학교 때는 종이로 몸체를 만들고, 노즐부는 분필에 구멍을 뚫은 3단 로켓을 직접 만들었습니다.

추진체는 문방구에서 파는 빨간 종이화약을 사용했고, 나중엔 화려한 폭발효과를 내기위해 알루미늄 가루까지 넣은 흑색화약을 직접 만들기도 했습니다.

또 그의 연습장에는 작동 메커니즘을 담은 로봇이나 비행기 스케치로 가득했습니다.

중학교에 들어간 오 박사는 곧 전자공학에 빠져들었습니다.

지금처럼 조립 키트가 없던 시절이었기에 회로부품을 구하려고 청계천 고물상으로 출퇴근을 하다시피 했다고 합니다.

쇠를 깍아 만든 증기기관차

어느날은 증기기관차를 만들어보기로 했습니다.

집 근처의 공작기계 업체에 가서 직접 설계한 실린더를 쇠를 깍아 만들고, 추진력은 알코올램프로 끓인 증기를 이용했습니다.

또 발사목을 다듬어 비행기를 만들었고, 큰 연을 만들어 어디까지 날아가나 끝없이 날려보기도 했습니다.

렌즈를 구입해 직접 천체망원경을 만들어 목성 관찰에도 성공했습니다.

장판을 걷어내야했던 그의 공부방

그런 그의 공부방은 사실상 공장의 작업실과 같았다고 합니다.

나중엔 아예 장판을 걷어내 시멘트 바닥이었고, 책상도 치워버렸습니다.

대신 그 곳에는 온갖 연장이 가득한 선반과 작업대로 변했습니다.

학창시절 오 교수는 장래 희망은 당연히 이공계를 진학해 교수가 되는 것이었습니다.

그는 진로에 대해 고민을 해본 적이 없었다고 회상합니다.

그러나 학창시절 오 박사의 객관적인 성적은 그리 희망적이지 못했습니다.

아니 교수는 고사하고 웬만한 대학진학 조차 힘든 수준이었습니다.

수학과 과학만 특출나게 잘했지만, 국어, 사회, 영어 등 나머지 과목은 대부분 과락 수준이었습니다.

그래서 고교 2학년때가지 그의 성적은 한 학급 60명 중 50등 대를 벗어나본 적이 없었다고 합니다.

전교 꼴찌가 6개월만에 전국 20등

고교 2학년 시절.

그나마 좋아했던 수학마저 '시시하다'는 생각에 손을 놓고 말았습니다.

그러다가 '극한'을 접하면서 그는 득도하듯 커다란 충격을 받았다고 합니다.

그 때가 고등학교 2학년 여름 때입니다.

마치 학문의 원리를 깨친것 마냥 그는 미친듯 파고 들었습니다.

그리고 그동안 방치하다시피 했던 국어, 사회 등 다른 과목에도 빠져들며 자신의 호기심을 채웠습니다.

그렇게 6개월 동안 고교 3년 과정의 전 과목을 탐독했습니다.

그의 성적은 전교 꼴찌 수준에서 순식간에 전교 20위 권으로 급상승했습니다.

고 3이 되기 전 이미 고교 전 과정을 독학으로 끝낸 그는 다시 학억에 흥미를 잃었다고 합니다.

그래서 그는 고3 시절 플룻 등 악기를 배우며 소일했습니다.

오 교수는 물리학과로 진학해 순수 과학자가 되고 싶었지만, 선생님들이 의대나 공대를 추천했습니다.

그래서 진학한 곳이 연세대 기계공학과입니다.

서울대는 왜 안 갔냐고 물었더니, 독일어 때문이랍니다.

독일어에는 흥미가 없었다고. 

아엠 유어 파더! 아시모는 아버지가 없지만, 난 휴보 아버지

휴보의 아버지 오 교수는 현재(2011년 당시) 보다 개선된 성능의 휴보를 만들고 있습니다.

또 기술력을 인정받은 휴보는 미국 등 해외에서 연구용으로 발주 받아 수출도 되고 있습니다.

오 교수의 바램은 휴보가 전 세계 로봇 연구자들의 표준 플랫폼으로 사용되는 것입니다.

현재 오 교수는 휴보보다 안정화된 KHR-2+ 개발을 진행하면서 동시에 자신의 취미인 '또 다른 연구거리'를 찾고 있습니다.

 

 

오준호 교수와의 1문 1답 -천재 아닌가? "영재의 정의는 아이큐가 높은것인가? 나는 이렇게 정의한다. 그 일을 하고 싶은데 안하면 못배기는 사람이다. 나는 내 기억이 있는 한 기계를 좋아했다. 할머니 재봉틀이 너무너무 좋았고, 시계며 공구 등을 가지고 노는 것 자체가 재미있었다." -초등학교 시절은 어땠나? “3~4살때부터 기계에 매료됐던 기억이 생생하다. 오죽했으면 병원이 무서운게 아니라 장비들을 보고 오히려 신기해 했다. 모든 자연현상과 기술에 매료됐다. 초등학교 때 별명이 꼬마 박사였다. 그래서 더 아는척 하려고 백과사전도 찾아보고 공부도 더 열심히 했다.” -초등학교 때 기억에 남는 발명품은? “초등학교 3학년 때인가...몸체는 종이로 만들고 노즐은 분필에 구멍을 내어 만든 다단계 로켓을 만들었다. 추진체는 화약을 넣었는데, 화약을 구하기 힘들어서 직접 흑색화약 원료를 구입해 만들기도 했다. 나중엔 화려한 폭발효과를 내기 위해 알루미늄 가루까지 넣었다. 또 설계에도 취미가 있어서 로켓이나 비행기, 로봇 등의 작동 메커니즘을 그려보기도 했다.” -그렇다면 중학교 시절은? “중학교 들어가서는 라디오 전자공학에 빠졌다. 청계천, 세운상가, 고물상 등을 해매며 라디오, 전축, 무전기 등을 만었다. 당시에는 과학 어린이 잡지가 없던 시절이어서 전파공학 전공책을 구해 공부했다. 또 통나무를 깍아서 배를 만들거나 렌즈를 구해 천체망원경 만들어 목성을 관찰하기도 했다. 증기기관차를 만들었던 것이 기억에 남는다. 동네 공작기계 공장에 가서 실린더를 깍은 증기기관차였는데, 알콜램프로 물을 끓여 움직였다. 갖고 싶은게 있으면 으례 만들었다. 기성품은 재미가 없었다. 발사목을 깍아서 비행기를 만들기도 했다. 엄밀히 말하면 중학교 때는 만들었다기보다 부시면서 보낸것 같다. 신촌에서 신설동을 가는 버스가 청계천을 지나갈 때는 그냥 못지나가고 내렸다. 모든 엔지니어링에 대해 관심이 있었다.” -그 당시 생활이 궁금하다. “지금은 헐값인 전자 부품들이 그 때는 비쌌다. 트랜지스터 하나를 사면 여러 곳에 때었다 붙혔다를 많이 했다. 내 방에서 작업을 많이 하다보니 아예 장판을 걷어내고 신발을 신고 들어갔다. 책상도 치우고 공구 다이를 놓았다. 고물상을 방불케 했다. 그 방에서 화약이 터지기도 하고, 풍선으로 불꽃놀이도 했다. 언젠가는 큰 연을 만들어서 어디까지 날아가나 끝없이 날려보기도 했는데, 얼레를 공업용 와인더를 썼었다. 그 땐 백과사전이 내 가이드라인이었다.” -당시 장래 희망은? “당연히 박사까지 따는 것이고 직업은 교수였다. 이외의 진로에 대해 고민을 해본 적이 없다. 수학과 과학을 특히 잘했다. 그런데 고등학교 때 수학이 시시하다는 건방진 생각을 해 잠시 흥미를 잃기도 했다. 물리와 화학, 생물, 지구과학 등은 점수가 굉장히 좋았다. 반면 영어, 사회, 국어는 거의 빵점이었다. 반 60명 중 50등도 못했다. 그런데 내 동창들은 내가 그 당시 공부를 잘했다고 생각하더라.” -그러면 어떻게 대학을 갔나? “고 2때 극한을 배우면서 머리에 반짝 불이 들어왔다. 그날 수학의정석을 사서 독학하기 시작했다. 성적이 반 학기만에 전교 꼴찌그룹에서 전국 20등까지 순식간에 올라갔다. 그런데 사람들이 왜 서울대를 안갔냐고 물어보는데, 그 때는 독일어 때문에 그랬다. 독일어까지 하기는 싫었다. 고 3때는 놀아줄 사람이 없어서 심심했다. 그래서 풀릇 같은 악기를 배우며 소일했다.” -6개월만에 고등학교 전과정 공부를 마친 것인데? “천재 아니면 바보라고 생각했다. 시험 보는 것에는 흥미가 없었다. 그런 것을 뭐하러 하나 생각했다. 수학 문제를 푸는 게 무슨 의미가 있나? 그게 수학의 의미를 아는 것인가? 예를 들어 국어에서는 문단 나누기, 중요한 뜻 찾기..이런것을 왜 해야 하는지 이해할 수 없었다. 내 스스로 고집이 있었던 것 같다. 내가 어렸을 때 시계 뚜껑을 열고서 작동 원리를 봤다는 것이 중요한 것이다. 그 전에 내가 알고 있는 시계가 가는 원리는 아무 의미가 없는 것이다.” -그런데 어떻게 공부를 잘하게 됐나? 수험생이나 학부모가 관심있을 내용이다. “한 발 떨어져 문제의 본질을 보기 시작하니까 그렇게 싫어하던 국어와 사회 같은 과목의 성적이 순식간에 올랐다. 원래 외우는 것을 싫어했는데, 원리를 이해하니 그것도 너무 재밌더라. 구조를 알면 외울 필요도 없다. 연세대 물리학과를 가서 순수 과학자가 되고 싶었다. 그런데 기계과를 가게 됐다.” -대학생활은 어땠나? “대학에 간 나는 물 만난 고기였다. 배우면서 전율했다. 그동안 궁금해했던 것을 이해하면서 너무 재미있었다. 전 학년 수석이었다. 당시 최대 관심사항은 자동제어였다. 연결된 시스템, 구조적으로 움직이는 것, 이런 것들이다. 스터디 그룹 만들어서 토론도 하고, 3학때부터는 대학원 선배 실험실에서 살았다. 남들 도망갈 때 오히려 남아서 더 했다. 청계천에 가서 부품을 사와 실험장치를 만들어 주고, 계측장치, 전자 스위치 등 고장난 장치를 수리해줬다. 앞서 대일 청구권으로 들어온 일제 과학 기자제가 실험실에 쌓여 방치돼 있었다. 전자분야도 좋아했기 때문에 이것들을 수 없이 뜯어봤다.” -대학 졸업 후는? “미국 유학 전 2년동안 원자력연구소에서 근무했다. 그러다가 시스템자동제어(동역학자동제어)를 배우러 버클리대학을 갔다. 대학원에서 바이오메카니즘(생체공학)을 공부했다. 학위를 3년 반 만에 끝냈다. CNC 제어도 했다. 유학시절에도 장치 같은 것을 잘 만들어서 인기가 있었다. 노는 것에 관심이 많아 아마도 40%는 놀며 딴짓했던 것 같다. 집사람이 미국에서 공부하는 것을 보지 못했다고 하더라.” -KAIST 교수가 되어서는? “논문 쓰고 프로젝트 따는 것들에는 관심이 없었다. 솔직히 교수 초기에는 방향성이 없었다고 봐도 된다. 자동제어 이론, 무인항공기 등 그 때 그 때 관심있던 것들을 했다. 1990년 무렵에는 무인헬기의 호버링에 대한 연구를 했는데, 그 때는 아무도 안하던 분야였다. 흥미롭다면 몰두하는 경향이 있었다. 그래서 어플리케이션이 다양했다. 1993년에는 4족보행 로봇을 만들기도 했는데 발표조차 안했다. 앞서 탄소섬유 초경량로보트를 만들기도 했다.” -지금은 로봇 전문가인데? “로봇을 목적으로 배운적은 없다. 대신 많은 센서 개발을 해봤다. 1994년 경엔 초정밀가속도계를 러시아와 공동개발했다거나...리얼타임컨트롤 등도 있다. 로봇은 그동안 공부했던 것들을 종합적으로 적용하기 좋았던 것이다. 특허내고 논문 쓰는 것에는 흥미가 없었다. 로켓과 인공위성에 대해서도 공부했다.” -로봇 공학에 대해 설명한다면? “로봇을 구성하는 모든 분야 학문을 1990년대 중반까지 해봤다. 기계설계, 마이크로프로세서, 폼웨어, 실시간제어기술, 자동제어, 안정화, 센서기술, 계측기술(가속도, 관성센서), 자이로스코프 등 연구인지 취미인지 모르게 했다. 또 각종 센싱 기술 등을 15년 동안 다양하게 연마했기 때문에 무엇이든 만들 수 있었다. 오토메틱컨트롤 전문가가 되어 있었다. 이론이 갖춰졌기 때문에 가능한 것이었다.” -휴보는 어떻게 만들게 됐나? “로봇에는 관심이 없었던 시절이고, 로봇 학회도 가본적이도 없었다. 그런데 2000년 아시모가 발표되는 것을 TV로 봤다. 황당했다. 저것이 가능한가? 그렇게 1년을 생각해보니 못할 것도 없다고 생각했다. 돈이 필요해 여기저기 프로포즈 했는데, 모두들 택도 없다며 거절했다. 2000년부터 BK21이 시작됐는데, 교수에게 1000만 원을 주던 시절이다. 주로 컴퓨터 몇 대 사면 끝나는 돈이었다. 동료 교수 몇 명을 찾아가서 나에게 투자해라고 해 6000만 원을 만들었다. 2002년 KHR-1 최초로 만들었다. 시작 6개월만이다.” -당시 제자들까지 반대가 심했다고? “학생들은 이런거 왜 만드냐고 투덜댔다. 급기야 단체로 찾아와서 항의까지 했다. 만들어 보니까 재미있더만...그 학생들 출세해서 다들 교수됐다.” -로봇 개발 계획은 어떻게 발전했나? “KHR-1을 만들고 자신감이 확 생겼다. 그래서 학교에 1억 5000만 원을 신청했다. 처음엔 안주려고 하더니 로봇을 보여주니까 오히려 1년, 1억 5000만으로 되겠느냐며 3년 짜리로 재대로 해보자더라. 그래서 일본은 다 끝난 연구인데, 이걸 1년 이상 끌면 오히려 실패라며 내가 거절했다. 1억 5000만 원 중 5000만 원은 디자인 교수님에게 드렸다. 나머지 1억 원으로 휴보의 전신인 KHR-2를 만들었다. 2003년 초 시작해서 6개월만에 끝냈다.” -정부 과제로 선정되기까지 우여곡절이 있었다고? “2002년 7대 성장동력사업이 시작됐는데, 그 중 하나가 로봇이다. 당시 정보통신부 진 장관이 5년 이내에 아시모 수준의 로봇을 만들겠다고 정부에 보고했다 한다. 그러나 자체적으로 기술을 만들기 불가능하다고 판단해 일본, 유럽과 기술 제휴가 논의되고 있던 상황이었다. 이런 사실은 난 관심이 없어 모르고 있었다. 2003년 KAIST 내에서 KHR이 알려지기 시작했고, 곧 일본도 알게 됐다. 국내 정부 관계자들이 일본에 갔을때 일본인들이 오히려 KAIST에 로봇이 있는데 왜 왔냐고 했다더라. 그리고 정통부에서 연락이 왔다. 또 과학기술부 오 부총리가 KAIST에 와서 만찬을 했을 때, 당시 총장이 ‘오 교수가 로봇을 만들었는데 그럴듯 하다’고 말했다. 부총리가 갑자기 ‘볼 수 있냐’고 말하더니 그날 저녁 7시 반에 찾아왔다. 엎드려 이리저리 처다보더니 과기부는 이런거 지원안하고 뭐하고 있었냐는 등...과기부가 난리가 났다.” -정부 지원은? “2004년부터 정부 지원이 시작됐다. 2004년 3월부터 돈이 나왔다. 그리고 그해 11월 15일, 시작 1년 만에 휴보가 나왔다. 그해 12월 중순 홍보실에서 연락이 왔다. 하루 아침에 난리가 났다. 전 세계에서 인터뷰,가 밀려들고, 외국 정보기관에서도 왔다. 방문객도 굉장히 많았다. 이전까지 로봇은 일본의 전유물이라고 생각했던 것이다. 일본은 까무러치게 놀랐다. 오준호, 제가 언제 로봇을 했냐는거다. 그리고 또 1년만에 알보를 만들었다.” -KHR 시리즈를 간단히 설명한다면? “khr-1은 이족보행이 가능한 로봇을 만드는 것이다(286도수 컴퓨터-제어를 간단하기 하기 위해). khr-2는 완벽한 휴면로봇으로, 눈, 손가락, 멀티테스킹까지 되는 풀 시스템을 가볍게 만드는 것이다. khr-3(휴보)는 이것들을 세련되게 만드는 것이다. 현재는 안정화 된 khr-2+를 만드는 중이다. 휴보는 최초, 최고의 의미를 부여한 게 아니다. 아시모의 아버지는 없다. 조직이 만들었기 대문이다. 그렇지만 나는 휴보의 아버지이다.” -휴보의 의미는? “휴보를 브랜드 네임으로 간직하고 싶다. 그래야 아이덴티티가 있다. 현재 싱가폴이 2대, 미국이 6대를 가져다가 연구하고 있다.” -또 무엇으로 세상을 놀라게 할 것인가? 바램은? “긴본적인 관심은 시스템이다. 바램이 있다면 휴보나 휴보의 부품, 팔 다리기 다른 곳에도 쓰이고, 또 교육용이나 연구용으로 보급돼 세계 연구자들의 표준 플랫폼으로 사용되는 것이다. 그러면 휴보가 진정한 기술표준이 되는 것이다.”

휴보2 제원 항목 사항 본체 키 125 cm 중량 45 kg 자유도 40 DOF 이족보행 보행방식 무릅펴고 걷기, 뛰기 보행속도 1.8 km/h(걷기), 2.6km/h(뛰기) 제어부 주 제어기 Intel embedded PC, 933Mhz with CAN 모듈 부 제어기 2채널 BLCD 모터 구동 제어기 제어 아키텍쳐 CAN을 이용한 실시간 분산제어 액튜에이터 BLDC 모터 전원부 사용/충전시간 1시간/2시간반 배터리 48V 8Ah Li-ion Battery 센서부 FT 센서 발바닥 3축 힘/모멘트센서, 손목 3축 힘/모멘트 센서 IMU 센서 3축 각도, 각속도 센서 운영체계 운영체계 OS Windows XP with RTX Network 네트워크 방식 무선, 유선 지원 S/W 개발환경 Visual C++ 6.0 프로토콜 휴보에 특별화된 CAN 프로토콜

 

관련글
뛰는 로봇 휴보의 비밀은 발바닥에 있다? http://daedeokvalley.tistory.com/172
옷 벗은 휴보, 휴보 누드사진 http://daedeokvalley.tistory.com/181

 

 

허리가 아프다는 분들 재활치료 때 바른 자세로 걷는 게 개선의 지름길이라고 합니다.

올바른 걸음걸이는 발뒤꿈치부터 시작해 발의 중앙과 앞부분이 차례대로 닿아야 한다는 데요. 하지만 오랜 습관은 이를 어렵게 하지요.

한국표준과학연구원(KRISS) 질량힘센터 김종호 박사팀이 촉각센서와 LED를 이용해 올바른 걸음걸이를 확인할 수 있는 스마트 신발을 개발했습니다.

이 신발은 힘 또는 압력의 세기를 측정할 수 있는 촉각센서와 빛을 발하는 LED로 구성되는데요. 압력에 반응하는 촉각센서는 신발의 앞, 중간, 뒷부분에 각각 배치됐고, 이는 빨강, 초록, 파랑의 색 조합이 가능한 LED 6개와 연결돼 있습니다.
 

촉각센서와 LED가 융합된 모듈로 시범 제작된 신발

이 신발을 신고 바르게 걸으면 3가지 색이 모두 나타나고요. 그렇지 않을 경우, 일부만 색이 나오기 때문에 잘못된 보행습관을 알고 개선할 수 있는 것입니다.

특히, 이 신발이 기존 제품에 비해 갖는 가장 큰 차이점은 신발 위치에 따라 가해지는 압력을 구분하고, 이를 빨강, 초록, 파랑의 색 조합이 가능한 RGB LED로 가시화하는 것입니다. 

기존 유사 제품의 경우 단일 LED와 가속도센서로 연결돼 걸음걸이에 따른 다양한 색상 및 패턴을 구현하지 못했습니다.

또 이 신발에 사용된 촉각센서는 0.2mm 이내 두께를 갖는 필름형태로 깔창에 삽입돼 있고요. 사용자는 LED 모드를 변경해 자신만의 색과 패턴을 개성으로 표현할 수도 있습니다.
 

촉각센서와 LED가 융합된 모듈

이 신발은 스마트폰 어플이나 블루투스 기능을 이용해 신발의 각 위치별 촉각센서 반응을 실시간으로 확인할 수 있는데요.

스마트 신발과 연결된 스마트폰 어플 캡쳐 사진. 걸음걸이에 따른 발의 압력 위치가 그림으로 표현되고 이에 따른 정상걸음수를 확인 가능하다

이를 통해 보다 쉽게 자신의 보행 자세를 교정할 수 있고, 보행 모니터링으로 정상걸음의 횟수도 확인할 수 있습니다.

24시간 동안 지속되는 밧데리는 케이블로 충전할 수 있고요. 전력 소모를 줄이기 위해 촉각 센서만 작동시킬 수도 있습니다.

연구팀은 이번 연구와 관련해 7개 특허를 출원 및 등록 완료했고요. 추후 상용화를 위한 기술이전도 가능한 상태입니다.

아침 산책길에 이슬을 머금어 영롱하게 빛나는 거미줄.잘 보이지도 않을 정도로 가는 거미줄이지만, 그 강도는 놀랄만합니다.

거미줄은 강철에 버금가는 강도는 물론 매우 높은 인성까지 있어 기계적으로 매우 우수한 섬유인데요. 이를 이용하면 방탄복, 초고장력 케이블 등의 제품을 만들 수 있구요. 게다가 생체적합성을 지녀 상처의 봉합, 인공장기 제장 등에서 매우 유용하게 사용될 수 있습니다.

하지만 자연산 거미줄을 배양하는 것은 사실상 불가능한데요. 거미는 누에처럼 고치를 만들지도 않을 뿐만 아니라, 양식을 하려 해도 영역을 이루고, 다른 거미와 싸우는 습성 때문에 경제성이 없기 때문입니다.

이에 따라 세계의 많은 연구진들은 거미줄과 유사한 조직을 만드는 자연모사 인공섬유 개발에 열을 올리고 있는데요.

하지만, 박테리아 유전자에 거미줄 단백질을 삽입해 생체 섬유를 만들려는 시도는 시행착오에 의존해 진행된 실험이 대부분인 실정입니다.
 
거미줄 모사 인공 생체섬유 개발 성공

KAIST 기계공학과 유승화 교수팀은 컴퓨터 모델링을 이용해 거미줄을 모사한 인공 생체섬유를 최근 개발했습니다.
 

KAIST 기계공학과 유승화 교수팀이 합성에 성공한 인공거미줄

이번 연구로 앞으로 자연에서 생성되는 다양한 생체섬유의 합성과정에 대한 이해가 가능해져 거미줄에 버금가는 인공 생체섬유의 설계 제작을 앞당길 것으로 기대되는데요.

연구팀은 예측 가능한 모델링을 기반으로 다양한 단백질을 선제적으로 탐색하고, 인공 거미줄 설계 및 제작과정에 반영해 기존의 시행착오를 극복했습니다.

거미줄은 물속에서 안정성을 갖는 친수성과 반대로 물과 쉽게 결합되지 않는 소수성을 가진 영역이 교차로 존재하는 펩타이드 단백질이 가교를 이루며 결합한 구조인데요.

거미줄은 거미의 실 분비 기관인 실샘에 존재하는 단백질 용액이 실관을 통과하며 전단유동을 통해 고체화돼 형성됩니다.

연구팀은 새롭게 개발된 컴퓨터 모델을 이용해 다양한 종류의 단백질 용액의 전단유동 하에서의 변화를 조사, 이를 통해 단백질의 아미노산 체인이 충분히 길면서 적절한 비율의 소수성과 친수성 영역을 가질 때만 단백질 간의 연결도가 급격히 증가해 높은 강성과 강도를 갖는 생체섬유 합성이 가능하다는 것을 밝혔습니다.

전단유동 전후의 단백질 용액 모델링 결과 및 네트워크 연결도 분석 결과 - 균일하게 연결되어 있던 단백질 네트워크가, 전단유동을 거치면서 유체 흐름 방향으로 정렬된 더 높은 밀도의 연결도를 가진 네트워크로 바뀌는 것을 볼 수 있으며, 이로 인해 더 높은 강성과 강도를 갖게 된다. 모델링을 통해 이러한 네트워크 연결도 증가는 적절한 친수성-소수성 아미노산 비율을 갖고 길이가 충분히 긴 단백질에 대해서만 관찰되는 것을 확인하고, 이를 실험에 반영하여 인공 거미줄 합성에 성공하였다.

이를 통해 연구팀은 모델링으로 제시된 단백질을 박테리아의 유전자 조작으로 합성, 실관을 모사한 방적과정을 통해 인공 거미줄을 제작하는 데 성공했습니다.

연구팀은 강한 거미줄 생성 원리가 밝혀지기 시작했기 때문에 향후에는 실제 거미줄 강도에 버금가는 생체 섬유 제작이 가능할 것으로 전망하고 있는데요.

또 생체 적합성을 갖기 때문에 인체 내에서도 부작용이 발생하지 않아 바이오메디컬용으로 사용이 가능할 것으로 보고, 궁극적으로는 부작용이 없는 바이오메디컬에 특화된 생체 섬유 제작을 목표로 하고 있습니다.

이번 연구는 체계적 설계를 통한 인공 생체섬유의 제작이 가능함을 증명한 것으로, 향후 인공 생체섬유 합성의 새 가능성을 열은 것으로 평가받고 있습니다.

한편, 이번 연구에는 미국 매사추세스 공대, 플로리다 주립대, 터프츠 대학 등이 참여했고, 연구 결과는 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 5월 28일자 온라인 판에 게재됐습니다.

  용 어 설 명

전단유동
전단유동유체의 흐름방향과 수직하게 변하는 유속의 분포가 존재할 때, 유체 혹은 유체 내의 물질은 전단력을 느끼게 되는데, 이런 형태의 유체흐름을 전단유동이라고 한다. 유체와 고체의 마찰력 때문에 강물의 유속은 중앙부분이 가장자리보다 빠르고, 마찬가지로 주사기 바늘 속의 유체의 흐름도 가운데가 가장자리보다 빠른데, 이와 같은 유체의 흐름이 전단유동의 예이다. 
 

최근 해안가를 뒤덮는 해조류 괭생이모자반의 확산이 골칫거리로 떠오르고 있는데요.

괭생이모자반은 길이 3~5m로 암초에 붙어 사는 해조류로, 양식장을 덮치고 선박의 스크류에 감기는 등 피해를 일으키고 있습니다.

굉생이모자반은 해류를 타고 여기저기로 옮겨다니는 데다 서식 범위가 방대해 기초 자료조사 수집부터 어려움을 겪고 있는 실정입니다. 

천리안 해양관측위성 괭생이모자반 이동 경로 추적 분석 

최근 한국해양과학기술원(KIOST, 이하 해양과기원)이 천리안 해양관측위성으로 괭생이모자반의 이동 경로와 우리나라 해안에서 서식지를 분석해 눈길을 끌고 있습니다.  

천리안 인공위성이 관측한 우리나라 남해안 괘생이모자반 분포도 / 해양과기원 제공

천리안 해양관측 위성은 일반적으로 수 km 반경의 좁은 범위를 관측하는 저궤도 위성과 달리 한 번에 수천 km 영역을 한 번에 관측할 수 있는 정지궤도위성이기 때문입니다.

해양과기원은 천리안 해양관측위성이 보낸 자료를 분석한 결과 괭생이모자반이 지난 1월 4일 동중국해 지역에서 처음으로 발견됐고, 이어 2~5월 사이에 동중국해 전 지역 및 제주도 주변, 대마도 인근, 동해해역으로 확산되는 것을 확인했는데요.

지난달에는 남서쪽 해역에서 추가로 관측되고, 신안군 등 우리나라 서쪽 연안 인근 해역까지 접근한 것으로 파악됩니다.

천리안 인공위성이 관측한 우리나라 서해안 괘생이모자반 분포도 / 해양과기원 제공

해양과기원은 이 같은 위성자료 분석 정보를 관련 부처에 제공해 대처에 도움을 주고 있습니다.

세계 최초 정지궤도 해양위성이자 우리나라 최초 정지궤도 위성

천리안은 2003년부터 7년의 개발됐고, 2010년 프랑스 아리안 로켓에 실려 발사되었습니다.

천리안 위성 발사로 우리나라는 세계 7번째 독자 기상위성 보유국, 세계 최초 정지궤도 해양위성 보유국, 세계 10번째 통신위성 자체 개발국 등의 지위를 확보하였습니다.

천리안의 궤도진입과정 / 한국항공우주연구원 제공

천리안은 목표 위치인 동경 128.2도, 고도 3만 5800㎞ 적도 상공에 성공적으로 안착, 약 7개월의 운용시험 기간을 거친 후 지난 해 4월부터 기상, 해양영상 서비스 및 방송통신서비스를 제공하고 있습니다.

천리안 인공위성

한국항공우주연구원은 1년 365일 천리안의 위성상태 및 궤도상태를 감시하며, 각 기관에서 위성영상을 활용할 수 있도록 위성에 촬영임무명령을 보내고 있습니다.

이 명령에 따라 천리안은 매일 170여 장의 기상영상과, 8장의 해양영상을 전송하고 있습니다.

■ 기상임무

천리안 위성 확보로 우리나라는 단시간에 발생하는 돌발성 호우나 접근하는 태풍의 감시 및 분석능력이 강화되었으며, 항공, 농업, 해양 등 각 분야의 요구사항에 맞는 특화된 형태의 자료를 군, 방송국, 재난안전기관 등 19개 유관기관에서 활용하고 있습니다.

또 5개 나라 기상청에서 시스템을 구축해 천리안 기상영상을 수신하고 있으며, 한국국제협력단(KOICA)과 협력하여 스리랑카 기상청에 천리안 기상영상 수신시스템을 지원하고 있습니다.

■ 해양감시임무

국토해양부와 한국해양연구원 해양위성센터에서는 천리안으로부터 실시간 자료를 수신해 우리나라 연안 해양환경 감시 및 연구 등에 활용 중입니다.

천리안 해양자료처리시스템은 우리나라가 세계 최초로 개발한 소프트웨어 입니다.

천리안을 통해 우리나라는 정지궤도 해양위성 종주국으로써 NASA, ESA, JAXA를 비롯한 세계 39개국의 사용자에게 다양한 자료를 제공하고 검·보정 표준화 및 활용 신기술 개발 연구를 추진 중입니다.

해양재해 발견 시에는 국립해양조사원, 해경, 해군 등 관련기관에 즉시 통보하여 자연 재해에 조기 대응하도록 하고 있습니다.

또 향후 해양위성자료의 현업 활용을 강화하기 위해 수치모델과 연계하여 어장정보, 해양이변 감시 등 실생활에 필요한 해양예측자료를 생산할 예정입니다.

■ 통신임무

방송통신위원회와 ETRI는 순수 국내기술로 개발된 천리안 통신 탑재체를 활용하여 그동안 이용되지 않았던 Ka대역(상향 29.6∼30㎓, 하향 19.8∼20.2㎓)의 주파수 이용 및 전송기술 검증시험을 2년에 걸쳐 실시해오고 있습니다.

이에 대한 정부부처, 공공기관, 산업체, 대학 등 8개 기관(소방방재청, 기상청, KBS, 스카이라이프, KT, 한세, 나노트로닉스, 넷커스터마이즈)의 기술검증 결과, 강우에 따른 전파신호 감쇠정도, 기상정보 및 재난 재해 정보전달, 영상정보 전달 등에서 만족할 만한 결과를 얻고 있습니다.

2017년 임무 종료, 후속 위성 제작 중

천리안은 2017년까지 우리나라 정지궤도 상공을 지키며 기상, 해양관측, 통신서비스를 지속적으로 수행할 예정입니다.

천리안의 수명이 종료되는 2017년 이후 후속 임무 수행을 위해 교육과학기술부를 비롯해 국토해양부, 환경부, 기상청이 공동으로 기상, 해양, 환경관측을 위한 정지궤도복합위성을 개발 중입니다.

이 중 기상청은 2호 위성을 기상전용으로 개발하고 있어, 향후 정지궤도 위성은 임무별로 복수 제작될 전망입니다.

후속 기상위성은 천리안 위성이 기상관련 5개 채널을 갖춘 것에 비해 총 16개의 채널을 갖춰 기상 관측 능력을 대폭 향상된다고 합니다.

보톡스, 피부를 탱탱하게 만드는 물질로 잘 알려졌지요.

그럼 왜 그럴까요?

보톡스가 몸 속으로 들어가면 에너지를 전달하는 단백질인 '스네어(SNARE)'를 절단해버립니다.

그러면 소포가 세포막과 융합하지 못하면서 신경전달물질의 방출을 막고요. 이는 근육의 수축을 방해하는 결과를 가져와 피부에 주름이 생기지 않도록 작용하는 것입니다. 

2013년 노벨상의 주인공 '스네어(SNARE)'

'스네어(SNARE)' 단백질은 생체막 융합 현상에 가장 기본적인 작동 기계로, 제임스 로스먼(James Rothman), 랜디 셰크먼(Randy Shekman) 등이 1980년 대에 발견했습니다.

스네어 단백질은 신경전달물질이나 호르몬 등의 주요 물질이 자루 모양의 지질막인 소포(vesicles)에 담아 마치 택배처럼 전달하는 역할을 하는데요.  소포의 막을 열어 세포막과 융합하고 물질을 분출하는 방식으로 에너지를 전달하는 것입니다.

그리고 여기에 'NSF 단백질'이 작용해 스네어 단백질을 재활용할 수 있도록 만듭니다.

우리 몸 안에서는 이런  작용이 쉴새 없이 일어나기 때문에 단백질 등의 물질이 공급되면서 정상적인 기능을 할 수 있는 것입니다.

제임스 로스먼, 랜디 셰크먼, 토마스 쥐트호프 등은 이 같은 사실을 발견한 공로로 2013년 노벨 생리의학상을 수상했습니다.

하지만, 스네어 단백질과 NSF는 발견된지 30여 년이 지났음에도 NSF 단백질이 스네어 결합체를 어떤 방식으로 분해하고 재활용하는지에 대해서는 명확히 밝혀지지 않은 상태입니다.  

※ 하버드 대학에서 만든 세포내부의 모습을 재현한 영상 'The inner life of the cell' 중 세포 내부 골격 구조, ATP 결합, 걸어가는 키네신 이동 등을 표현한 부분입니다.  풀 영상은 여기로!

세계의 가설 뒤집은 KAIST 윤태영 교수

KAIST 물리학과 윤태영 교수 연구팀은 NSF 단백질이 스네어 결합체를 분해해 세포수송을 지속시키는 원리를 세계 최초로 규명했습니다.

신경전달물질의 분비가 끝난 후 NSF가 SNARE 단백질 복합체를 한 번에 분해하는 모습. 분해된 SNARE들은 다시 신경전달물질 분비를 일으키는데 이용됨

지금까지 과학자들은 NSF가 스네어 결합체를 분해할 때 끈을 조금씩 푸는 것처럼 점진적인 과정으로 진행되고, 따라서 하나의 스네어 결합체를 분해하는 데 연료 역할을 하는 유기화합물인 ATP가 수십 개가 필요할 것이라는 가설을 제기했었습니다.

ATP는 생체 단백질들의 연료원이 되는 물질로, 구성된 인산이 떨어지면서 ATP가 ADP로 변하면서 화학 에너지가 발생시키는데요. 세포의 여러 단백질들은 이를 에너지원으로 삼아 맡은 기능을 수행하게 됩니다.

하지만 윤태영 교수는 단분자 형광 기법과 자기집게 기술(magnetic tweezers)을 사용해 위 가설을 반박했는데요.

윤태영 교수는 단백질에 형광 염료를 달아 분자에서 나오는 신호를 파악하고 움직임을 관찰한 결과, ATP를 주입하면 NSF가 마치 매듭의 양 끝을 잡고 당기면 한 번에 풀리듯 스프링처럼 에너지를 저장했다가 스네어 결합체 전체를 단번에 폭발적으로 풀어내는 것을 확인했습니다.

다양한 단분자 생물물리 기법을 이용한 NSF/α-SNAP 에 의한 SNARE 복합체 분해 연구. NSF가 SNARE 복합체를 풀어내는 모델.

이 같은 연구 성과는 스네어 단백질이 신경세포 간 통신과 인슐린 분비 등에 중추적 역할을 하고 있어 알츠하이머와 같은 퇴행성 뇌질환, 당뇨병과 같은 대사질환 관련 연구는 물론 보톡스 등 피부미용 연구에도 큰 역할을 할 것으로 기대되고 있습니다.

특히, 이번에 규명된 NSF는 근육의 이동이나 단백질 분해, DNA의 복제 및 이동 등 신체에서 중요한 역할을 하는 AAA+ 단백질 그룹에 속해 있는 것으로 확인됐는데요.

이에 따라  NSF와 비슷한 구조의 AAA+ 단백질 그룹이 함께 동작할 것으로 예상되면서 향후 생물 현상 이해의 주춧돌이 될 것으로 전망됩니다.

또 이번 연구 성과는 생물물리 분야에서 우리나라가 최고수준의 기초과학 연구력을 보유하고 있음을 증명한 것으로, 여러 대사질환을 분자수준에서 이해할 수 있는 토대가 될 것으로 기대받고 있습니다.

한편, 이번 연구는 윤태영 교수 연구팀의 류제경 박사, 민두영 박사, 나상현 학생 등이 주도했고, 고등과학원의 현창봉 교수팀, 독일 막스플랑크연구소 라인하르트 얀(Reinhard Jahn) 교수팀, KAIST 의과학대학원 김호민 교수팀이 참여했습니다.

이번 연구 결과는 사이언스지 3월 27일자에 게재됐습니다.

  용 어 설 명

세포 수송
세포 안에서 특정 물질이 세포 소기관 사이에 이동하기 위해서 그 물질들이 함유된 소포체가 전달되고, 타겟이 되는 소기관에 소포체의 생체막이 타겟 생체막과 융합이 되어 그 물질들이 전달되게 된다. 이 현상을 생체막 수송이라고 한다.

단분자 생물 물리 기법
단분자 생물물리 기법은 크게 단분자 형광 기법과 단분자 힘 분광계 기법으로 나눠 볼 수 있다. 단백질의 기능을 단분자 수준에서 관찰하기 위해 단백질에 형광 염료를 달아놓고, 형광 한 분자에서 나오는 신호를 읽어 들임으로 단백질의 움직임을 관찰하는 기법이다. 단분자 힘 분광계는 단백질에 DNA 핸들을 부착하고, 이 DNA 핸들에 큰 Bead를 부착하여 이 Bead 를 빛, 자기장 등으로 조절하여 단백질에 힘을 가해주거나 움직임을 주게 만드는 기법이다. 이 기법을 사용하면 단분자 수준에의 실시간 구조 변화를 예측할 수 있게 된다.

스네어(SNARE) 단백질 
스네어 단백질은 생체막 융합 현상에 가장 기본적인 작동 기계이다. 2013년 노벨상 수상자인 제임스 로스먼(James Rothman), 랜디 셰크먼(Randy Shekman)에 발견이 되었다. 스네어 단백질은 네 개의 스네어 모티프가 만나서 밧줄처럼 꼬여서 생체막 융합 현상을 일으킨다. 신경 전달에 관여하는 신경 스네어는 뱀프 (VAMP)와 스냅25(SNAP25), 신택신(Syntaxin) 이 있고, 이 중 뱀프(VAMP) 와 신택신(Syntaxin) 은 막단백질로 생체막에 투과된 부분이 있다.

NSF
NSF 는 AAA+ ATPase 단백질 그룹 중 하나이다. AAA+ 단백질들은 근육의 이동, 퇴행성 뇌질환을 막기 위한 단백질 분해 작용, DNA 의 복제 및 이동 등 아주 많은 기능들을 한다. 특별히 NSF 는 생체막 융합이 일어난 이후 스네어 복합체가 다시 재활용이 되도록 밧줄처럼 꼬인 스네어 복합체를 ATP 연료의 가수분해 되는 에너지로 풀어낸다. 하나의 NSF 에는 3 개의 구역인 N 말단 구역, D1 구역, D2 구역으로 되어 있고, 단일 유닛이 6개가 합쳐져서 육합체 NSF가 만들어지게 된다. D1, D2 구역에는 ATP 부착되는 곳이 있다.

ATP
ATP 는 생체 단백질들의 연료 원이 되는 것으로 인산 세 개와 리보오스, 아데닌으로 되어 있다. 하나의 인산이 떨어져서 ATP 가 ADP 가 되면 화학 에너지가 발생이 되는데 세포의 여러 가지 단백질들은 이 에너지 원으로 특정 기능을 수행해 내게 된다.

한겨울에도 신선한 채소를 공급해주는 비닐하우스.

채소가 얼어 죽지 않고 성장할 수 있도록 실내온도를 높여야 하는데요.

어떻게 적정 온도를 유지할까요?

흔히들 보일러로 온도를 유지한다고 생각하는 경우가 많더라고요.

하지만 가장 보편적인 방법은 바로 ‘물’, 지하수입니다.

비닐하우스 지붕 사이로 지하수를 뿌려서 수막을 만들어 낮에 비닐하우스 안에 갇힌 열의 유출을 막는, 수막가온법입니다.

비싼 기름을 태우지 않아도 되니 시설재배 농민들에게는 아주 유용한 방법인데요.

지하수는 추운 겨울에도 평균 수온 15℃ 내외를 유지하기 때문입니다. 

그렇지만, 여기에도 문제가 있습니다.

우리나라는 연 강수량의 80~90%가 여름철에 집중되기 때문에 겨울은 극심한 갈수기를 겪기 일쑤, 지하수가 부족한 것입니다.

실제 우리나라 시설농가에서 수막가온을 위해 한 해 겨울동안 사용하는 지하수의 량은 무려 6억 9000만 톤, 우리나라 농업용 지하수 사용량의 40%를 차지하고요. 전체 지하수 사용량의 18%나 되는 양입니다.

때문에 매년 1월 경이면 지하수 부족으로 수막가온을 하기 어려워지고, 결국 보일러와 온풍기를 가동해야 하기 때문에 농민의 난방비 부담이 급증하게 됩니다. 

시설농가 물 걱정 더는 지하수 인공함양 수막재배법 개발

한국지질자연연구원 김용철 박사 연구팀은 최근 지하수위 복원 및 고갈을 방지하는 지하수 인공함양 기술인  ‘대수층 순환식 수막재배 시스템’을 개발했습니다.

대수층 순환식 수막재배 시스템

이 기술은 수막재배에 사용된 지하수와 수집한 빗물을 함께 지하로 환원, 지하수의 수위를 일정하게 보존해 재활용하는 것이 가능합니다.

게다가 지열을 안정적인 열원으로 사용해 주입된 물의 온도를 자연 지하수와 같은 15℃ 내외로 일정하게 유지할 수 있어 겨울철 시설농가의 난방비를 크게 절약할 수 있습니다.

대수층 순환식 수막재배 시스템 단공 주입/양수 복합관 단면도

지질연은 이번 연구결과를 토대로 충북 청주시 가덕면 상대리 실증연구부지에서 실증시험을 성공적으로 진행했습니다.

연구팀은 실증시설을 통해 수집된 빗물을 수막재배에 사용한 지하수와 집수시설 사여과장치와 코일여과장치로 정화하고, 하우스 내에 설치된 지하열교환관으로 가온한 후 지하로 주입해 저장했다가 다시 활용하는 방식으로 구현했습니다.

대수층 순환식과 비순환식 기간 동안 지하수위 변화 비교

여기에는 연구팀이 개발한 ‘주입-양수 복합관’이 적용, 주입과 양수를 동시에 성공했는데요.

이 복합관을 적용하면 기존 농가가 사용하는 지하수관정을 활용할 수 있어 추가 시추로 인한 비용이 들지 않는 장점이 있고요.

또 관정 수위센서에 의해 지하수위 모니터링과 자동운전이 가능합니다. 

비용 편익 분석 결과

시설농가 경제성 3배 향상

연구팀은 이번 연구결과와 기존 비순환식 수막시설과의 비용편익을 비교한 결과, 대수층 순환식 수막시설로 딸기를 재배할 경우 비순환식에 비해 경제성이 약 3배 높은 것으로 분석했습니다.

특히, 이 시스템을 사용하면 새벽에 갑작스런 급수 중단으로 인한 농작물 냉해 피해도 없어 농민이 안심하고 사용할 수 있을 것으로 기대됩니다.

연구팀은 이번 실증시험을 바탕으로 향후 기술표준화, 설치단가 절감, 보급형 시설 개발 등을 통해 상용화를 앞당길 계획입니다.

사물인터넷은 옷이나 책 등 모든 사물이 인터넷을 기반으로 서로 연결돼 사람과 사물 또는 사물과 사물 간의 정보를 주고 받을 수 있는 능력을 갖게 되는 것인데요.

이를 위해서는 무엇보다도 전자기기나 기판이 사물에 자연스럽게 장착될 수 있도록 웨어러블, 플렉서블 기술, 특히 가볍고 전력 소모가 적으면서도 유연성을 가진 소자 제작 기술이 필요합니다.

개시제를 이용한 화학 기상 증착법(iCVD) 개발

KAIST 생명공학과 임성갑 교수, 전기 및 전자공학과 유승협, 조병진 교수 공동 연구팀은 최근 10㎚(나노미터) 이하의 얇고 유연하게 휘어지면서도 균일한 두께를 유지하는 고분자 절연막을 개발해 사물인터넷 실현을 한 걸음 앞당겼습니다.

연구팀은 ‘개시제를 이용한 화학 기상 증착법(initiated chemical vapor deposition, iCVD)’을 이용한 고분자 절연막을 개발했는데요.

이 기술은 단량체(monomer)와 개시제(initiator)를 기화시켜 저진공의 반응기 안에 주입하고 열에너지로 활성화시켜 고분자를 필름 형태로 합성하는 방법으로, 기존 고분자 합성 방식과 달리, 용매나 첨가제가 필요 없어 고 순도 고분자를 쉽게 합성할 수 있고요. 또 낮은 공정 온도 특성으로 종이처럼 화학적, 물리적 자극에 약한 물질 위에도 도포할 수 있습니다. 

iCVD 공정의 모식도. (i) 재료물질 (initiator, monomer) 주입, (ii) 개시제의 활성화, (iii), (iv): 활성화된 개시제에 의한 고분자(polymer) 합성

연구팀이 iCVD로 구현된 박막은 절연 특성이 기존 고분자 박막으로는 구현할 수 없는 매우 높은 수준을 보이면서 플렉서블 전자 소자 등 차세대 전자 기술에 핵심적인 역할을 할 수 있을 것이로 기대됩니다.

기존 무기물 소재 절연막이나 전자소자 재료는 유연성이 부족하고, 고온에서만 공정이 가능해 열에 약한 다른 재료들과의 조합이 어려웠고요.

또 용액을 이용해 만든 기존 고분자 소재 절연막은 표면장력에 의한 뭉침 현상으로 균일도에 한계가 따르고, 잔류 불순물로 인해 절연 특성도 좋지 못한 경우가 많았습니다.

연구팀은기체 상태의 반응물을 이용해 고분자를 박막 형태로 합성하는 방법인 iCVD를 사용, 이 같은 문제를 극복했는데요.

연구 결과 액체 대신 기체 상태의 반응물을 이용해 균일도를 높이고 불순물을 최소화해, 10㎚ 이하의 얇은 두께에서도 무기물 기반 소재에 필적하는 절연성을 갖는 것으로 확인됐습니다.

연구진이 개발한 고분자 절연막을 이용하여 제작한 대면적, 고유연성 전자소자 (좌측)와 떼었다 붙였다 할 수 있는 전자소자 (우측) 이미지.

이에 따라 연구팀은 개발한 절연막을 유기반도체, 그래핀, 산화물반도체 등 차세대 반도체 기반 트랜지스터에도 적용, 우수한 이동도를 갖는 저전압 트랜지스터를 개발하는데 성공했습니다.

이를 바탕으로 연구팀은 우수한 유연성을 바탕으로 스티커 필름 형태의 전자 소자를 시연하는 데 성공했고, 또 동국대 노용영 교수팀과 협력해 iCVD 고분자 절연막이 대면적 유연 전자소자 기술에 적용할 수 있음도 확인했습니다.

이번 기술은 향후 다양한 미래형 전자기기 제작에 핵심 요소소재로 활용돼 기술경쟁력 우위 확보에도 큰 역할을 할 것으로 기대됩니다.

한편, 이번 연구 결과는 재료분야 국제 학술지인 ‘네이처 머티리얼스(Nature Materials)’ 3월 10일자 온라인 속보판에 게재됐습니다.

 용 어 설 명

개시제를 이용한 화학 기상 증착(Initiated chemical vapour deposition, iCVD)
단량체 (monomer)와 개시제 (initiator)를 기화하여 저진공의 반응기 안에 주입하고, 주입된 개시제를 열에너지로 활성화시켜 고분자를 필름 형태로 합성하는 방법. 기존의 고분자 합성 방식과는 달리, 용매 (solvent)나 첨가제 (additive)를 필요로 하지 않기 때문에 높은 순도를 가지는 고분자를 쉽게 합성할 수 있다는 장점을 갖고 있다. 또 낮은 공정 온도로 인하여 종이와 같은 화학적, 물리적 자극에 약한 물질 위에도 고분자를 도포할 수 있다.

절연막(insulator)
도체, 반도체와 달리 전자 또는 정공의 흐름을 막아 주는 역할을 하는 물질. 절연막은 소자 내부에서 가장 넓은 면적을 차지하면서도, 두께에 따라 그 절연 성능이 민감하게 변하는 특징이 있기 때문에 전자소자용 재료 중에서도 핵심 요소이다.

트랜지스터(Transistor) & 전계효과트랜지스터(Field effect transistor, FET)
트랜지스터는 전류의 증폭 작용과 스위칭 역할을 하는 반도체 소자로, IC 칩, 디스플레이와 같은 전자 기기의 핵심 구성 요소가 되는 중요한 소자이다. 트랜지스터는 구동 원리에 따라 다양한 종류로 나뉘는데, 이 중 전계효과트랜지스터 (FET)는 통상적으로 게이트, 소스, 드레인 전극과 반도체 (semiconductor), 절연막 (insulator)로 구성되며, 게이트 (gate) 전극에 전압을 걸어 반도체층 사이에 전자 (electron) 또는 정공 (hole)이 흐를 수 있도록 하는 원리로 전류를 제어하는 트랜지스터이다. FET의 저전력화를 위해서는 절연특성이 유지되는 한 절연막의 두께를 최대한 낮추는 것이 유리하다.