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

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. 
 

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.

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. 
 

세포공장은 세포의 유전자를 조작하여 원하는 화합물을 대량으로 생산하도록 만드는 미생물 기반의 생산 시스템입니다.

화석연료 고갈과 석유화학제품 사용으로 인한 환경오염 등 인류가 직면한 문제를 해결하기 위해 친환경적이고 지속가능한 바이오산업이 주목받고 있습니다.

특히 바이오에너지, 의약품, 친환경 소재 등을 생산할 수 있는 세포공장 개발이 그 핵심을 이루고 있습니다.

우수한 세포공장을 개발하기 위해서는 원하는 화합물을 생산하는 유전자 선별과 높은 생산 효율의 미생물을 찾는 과정이 병행되어야 합니다.

그러나 기존의 연구방식은 미생물의 유전자를 하나씩 조작하여 복잡하고 많은 시간이 소요되는 문제를 안고 있습니다.

■ KAIST 이상엽 특훈교수팀은 합성 조절 RNA 기술을 활용하여 세포공장(Biofactory)을 효율적이고 대규모로 구현하게 하는 새로운 기술을 개발했습니다.

이번 연구는 기존 방법과 달리 합성 조절 RNA를 이용해 균주 특이성이 없어 과거 수개월이 소요되던 실험을 수일로 단축시킬 수 있는 것이 특징입니다.

이상엽 교수팀은 합성 조절 RNA 기술을 활용한 이번 연구결과를 의약 화합물의 전구체로 사용되는 타이로신(tyrosine)과 다양한 석유화학 제품에 활용되는 카다베린(cadaverine) 생산에 도입하여 세계 최고의 수율로 생산할 수 있는 세포공장을 실현시켰습니다.

타이로신은 스트레스를 다스리고 집중력 향상 효과가 있는 아미노산이며, 카다베린은 폴리우레탄 등 다양한 석유화학 제품에 활용되는 기반물질입니다.

이번에 이상엽 교수팀이 개발한 방법을 적용한 타이로신 생산 수율은 21.9g/L, 카다베린 생산 수율은 12.6g/L 입니다.

이상엽 교수는 합성 조절 RNA기술로 다양한 물질을 생산하는 세포공장 개발이 활발해지고, 석유에너지로 대표되는 화학 산업이 바이오 산업으로 변해 가는데 촉매제 역할을 할 것으로 기대하고 있습니다.

조절 RNA 작용기작

최적 생산 균주 및 유전자 선별을 위한 조절 RNA 활용

이번 연구결과는 네이처 바이오테크놀로지 온라인 판(1월 20일)에 게재되었습니다.

미생물의 대사회로내 유전자에 영향을 미치는 합성 조절 RNA (루프모양) 의 작용기작

 
 용  어  설  명

세포 공장(Biofactory)
세포의 유전자를 조작하여 원하는 화합물을 대량으로 생산하도록 만든 것.
세포 공장은 화합물 생산을 조절하는 효소 및 다양한 유전자의 발현을 억제, 활성화 시키고 이로써 생산 수율을 향상시킴으로써 제작된다.
세포 공장이 향후 현재의 화학공장과 같은 수준으로 생산 수율이 향상될 경우 기존 화학산업을 바이오산업으로 변화시킬 수 있을 것으로 기대되는 기술이다.

합성생물학(Synthetic Biology)
기존 생명공학 기술은 자연계에 존재하는 생명체의 유전자를 변형하여 원하는 기능을 가지는 새로운 생명체를 개발하는 것인데, 이는 이미 존재하는 생명체의 특징을 한정된 범위 내에서만 변형이 가능하기에 개발의 한계가 존재한다.
이를 극복하기 위해 DNA, RNA, 유전자, 단백질 등 세포의 기본 구성 물질부터 세포내 대사회로, 유전자 회로까지 새롭게 설계하여 기존의 한계를 극복하는 새로운 생명체를 만들고자 하는 분야가 대두되었는데, 이것이 합성생물학이다.

합성 조절 RNA(Synthetic small regulatory RNA)
세포내 유전자 발현은 DNA에 기록된 정보가 mRNA로 전달되고, 이를 ribosome이 해독하여 단백질로 만드는 과정이다.
합성 조절 RNA는 mRNA에 상보적으로 결합함으로써 mRNA의 기능을 억제하는 동시에 단시간 내에 제거함으로써 유전자 발현을 중간에 차단하는 것이다.
기존 Antisense RNA와 달리 합성 조절 RNA는 길이가 100nt 정도로 짧으며, 세포내 RNA interference 기작을 이용함으로써 매우 높은 효율로 (>90%) 세포 발현을 억제 가능하며, 상보적 결합 강도를 디자인하여 발현 억제 정도를 조절 가능한 장점이 있다.

라이브러리(Library)
대용량 실험을 위해 실험할 유전자 혹은 화합물 등의 총체적 집합을 의미한다.
이 중에서 세포의 형질을 원하는 형태로 바꿔주는 유전자를 찾거나, 약물로써 효과가 있는 화합물 등을 탐색하게 된다.
여기서는 다양한 합성 조절 RNA를 제작하여 이를 라이브러리로 사용하였다.

<이상엽 교수> 1. 인적사항 ○ 소 속 : 카이스트 생명화학공학과  2. 학력   1986: 서울대학교 (학사: 화학공학 전공)      1987: Northwestern University (석사: 화학공학 전공)     1991: Northwestern University (박사: 화학공학 전공)     3. 경력사항   1994 - 1996: 카이스트 화학공학과 조교수     1997 - 2002: 카이스트 생명화학공학과 부교수    2002 - 현재: 카이스트 생명화학공학과 교수    2004 - 2010: LG 화학 석좌교수   2007 - 현재: 카이스트 특훈교수       2008 - 현재: 학장, 생명과학기술대학   2003 - 현재: 소장, 생물정보연구센터   2000 - 현재: 소장, 생물공정연구센터   2006 - 현재: 공동소장, 바이오융합연구소 4. 전문 분야 정보   이상엽 특훈교수는 가상세포 및 초고속분석기술을 이용하여 생명체를 연구하는 시스템 생물학과 재생가능한 바이오매스로부터 화학물질을 효율적으로 생산하는 분야인 대사공학의 세계적인 전문가다. 융합 연구를 통한 시스템 대사공학으로 ▲세계 최고 효율의 숙신산 생산 기술 개발 ▲필수 아미노산인 발린과 쓰레오닌의 고효율 맞춤형 균주 개발 ▲가상세포를 이용하여 강건성을 비롯한 생명체 연구 ▲최근에는 나일론의 원료가 되는 다이아민 생산 균주와 플라스틱 원료로서 기존의 석유를 대체할 수 있는 생분해성 고분자인 폴리유산 생산 균 개발, 강철보다 강한 거미줄 개발, ▲ 차세대 바이오 연료인 부탄올의 고효율 생산 균주 개발 등 바이오 리파이너리 및 바이오에너지 분야에서 세계적으로 주목 받는 연구 성과를 내고 있다.   카이스트에서 약 18년 동안 대사공학과 시스템생명공학에 관한 연구를 집중적으로 수행하여 그간 국내외 학술지논문 424편, proceedings논문 156편, 국내외 학술대회에서 1454편의 논문을 발표하였고, 기조연설이나 초청 강연을 385회 한 바 있으며, Metabolic Engineering(Marcel Dekker 사 발간), Systems Biology and Biotechnology of E. coli (Springer사 발간), Systems Metabolic Engineering (Springer사 발간) 등 다수의 저서가 있다. 그간 553건의 특허를 국내외에 등록 혹은 출원하였는데, 미국 엘머 게이든상과 특허청의 세종대왕상을 받는 등 기술의 우수성이 입증된 바 있다. 생분해성고분자, 광학적으로 순수한 정밀화학물질, DNA chip, Protein chip 등의 기술 개발에서 탁월한 연구 업적을 쌓았고, 최근에는 소위 omics와 정량적 시스템 분석기술을 통합하여 생명체 및 세포를 연구하는 시스템생명공학분야를 창시하여 바이오리파이너리 포함 생물공정기술 개발과 시스템 수준에서의 신규 의약 타겟 발굴 등 연구에 매진하고 있다.   이 교수는 그간 제 1회 젊은 과학자상(대통령, 1998), 미국화학회에서 엘머 게이든 (Elmer Gaden)상 (2000), 싸이테이션 클래식 어워드(미국 ISI, 2000), 대한민국 특허기술 대상(2001), 닮고 싶고 되고 싶은 과학기술인(2003), KAIST 연구대상(2004), 한국공학한림원 젊은 공학인상(2005) 등을 수상하였고, 2002년에는 세계경제포럼으로부터 아시아 차세대 리더로 선정되어 활동 중이며, 2006년에는 미국미생물학술원 (American Academy of Microbiology) 펠로우 (fellow), 그리고 우리나라에서는 처음으로 Science지를 발간하는 미국 AAAS (American Association for the Advancement of Science)의 펠로우로 임명되었으며(2007), KAIST 최고의 영예직인 특훈교수에도 임명되었다(2007). 지난 수년간 탁월한 성과를 인정받아 세계적인 화학, 제약회사인 머크(Merck)사가 제정한 '머크 대사공학상 (Merck Award for Metabolic Engineering' 상을 수상 받았으며(2008), 상위10대 특허등록 우수 연구자로 선정되었다(2009). 또한, 미국 산업미생물학회(Society for Industrial Microbiology)의 '2010년 펠로우(Fellow)'와 미국공학한림원(National Academy of Engineering, NAE)의 '외국회원(Foreign Associate')로 선정되었으며, 작년에는 암젠기조강연상을 수상하기도 하였다. 올해는 아시아인 최초로 미국화학회의 마빈존슨상을 수상하였고, 미국 텍사스 오스틴 주립대학교, 라이스대학교, 펜실바니아주립대학교 등에서 네임드렉쳐들을 하는 등 대사공학분야에서 세계를 선도하는 연구를 수행 중이다. 최고 미생물생명공학상인 찰스톰상을 수상하였으며 생명공학 우수연구 공로상인 농림수산식품부 장관상을 수상하기도 하였다. 최우수 응용미생물 연구자로 Environmental Microbiology Lectureship을 Royal Academy of Medicine(UK) 강의, 덴마크 Technical Univ of Denmark(DTU)에서 Orsted Lecture를 강연하였다.   우리나라 최초로 유일하게 미국화학공학회 펠로우로 선임 되었으며, 현재 Biotechnology Journal의 편집장을 맡고 있으며, Biotechnology and Bioengineering, Applied Microbiology and Biotechnology, BMC Systems Biology, mBio, ACS Synthetic Biology 등 20여개 국제학술지의 편집인, 부편집인, 편집위원으로 활동 중이다.

친애하는 KAIST 가족 여러분께,

새해 다복하시고, 댁내 행복과 건강이 늘 함께 하며 널리 번영하는 한해가 되길 기원합니다.

2013년은 KAIST가 교육, 연구, 공공서비스 등 모든 분야에서 한층 더 성숙하는 한해가 되길 기대합니다. 나아가 과학기술의 발전을 위한 우리의 노력이 인류를 더욱 풍요롭게 만드는 기반이 될 것입니다.

2006년 이후 약 6년 반 동안 우리는 많은 것을 성취했고, 크게 성장했습니다. 교수의 수는 약 400명에서 약 600명으로, 직원은 약 320명에서 약 480명으로, 학생은 약 7,330명에서 약 10,800명으로 각각 증가했습니다. 인프라는 최첨단 신축건물의 건축으로 크게 확충되었습니다. 연구비 또한 2006년 대비 약 2.2배가 늘어 약 2,500억 원으로 증가했습니다. 이러한 눈부신 성장은 KAIST 전 구성원이 각자의 분야에서 최선을 다해 준 결과입니다.

전 세계적으로 KAIST의 인지도가 매우 높아졌습니다. 국내외 기관들을 통해 발표되는 대학평가 순위, 학문적 업적, 출원·등록되는 특허의 수, 벤처기업 창업 수 등의 지표를 통해 우리의 명성이 얼마나 높아지고 있는지 알 수 있습니다. KAIST는 교수, 학생 직원 모두가 교육과 연구활동에 적극적으로 참여하고, 전 세계 사람들과 함께 협력하는 세계적인 기관으로 성장했습니다. 이렇듯 짧은 기간 동안 큰 성과를 만들어낼 수 있는 기관은 전 세계에서 찾아보기가 쉽지 않을 것입니다.

KAIST는 과학적 진리를 추구하는 기관입니다. 선구적인 과학자, 공학자, 학자들은 인류의 미래를 바꿀 수 있는 힘을 가졌다는 사실을 잊어서는 안 될 것입니다. 학문의 발전과 기술혁신을 위한 우리의 노력은 인류가 직면하고 있는 중요한 문제들을 해결하는데 집중되어야 할 것입니다. 우리는 인류가 더욱 풍요롭고 밝은 역사를 쓰는데 분명히 많은 공헌을 할 수 있습니다.

지면의 제약으로 2012년 한 해 동안 KAIST 가족분들께서 일구어낸 눈부신 업적들을 모두 언급할 수 없는 점 널리 양해하여 주시길 바랍니다. 몇 가지 인상적인 것들을 말씀드리겠습니다. KAIST는 '톰슨 로이터'에서 발표한 '2012년 100대 글로벌 혁신기관'에 선정되었습니다. 놀랍게도 100대 글로벌 혁신기관 중 대학은 단지 두 곳만 선정되었는데 우리가 그 중 하나라는 사실은 매우 의미가 있다고 생각합니다. 앞으로 몇 년 내에 우리는 더욱 큰 성과를 낼 것입니다. 많은 교수님들께서 인류가 직면한 중대한 문제들을 풀기 위해 최선을 다하고 있습니다. 이러한 노력이 결실을 맺어 세계는 더욱 안전하고, 건강하며, 친환경적이고, 평화로운 곳이 될 것이며, 그 결과 우리 교수님들은 각자의 분야에서 세계적인 석학으로 거듭날 것입니다. 우리는 분명히 해낼 수 있습니다.

2012년은 사회 각 분야에서 우리 교수님들의 공헌이 널리 인정받는 한 해가 되었습니다. 오늘 우리는 연구, 행정, 공공서비스 등 각 분야에서 KAIST가 눈부신 발전을 거듭하는데 헌신해준 교수, 직원, 학생들의 공헌에 감사하고, 그 업적을 널리 축하하고자 합니다.

김승우 교수님께서는 펨토초 수준의 레이저 펄스를 이용한 극초정밀 광계측 분야에서 세계적인 석학으로 인정받아 국가과학자로 선정되었습니다. 유룡, 장석복, 김은준 교수님은 기초과학연구원(IBS)의 연구단장으로 선정되었고, 젊은 교수님들은 세계적인 저널에 중요한 논문을 게재하고, 환경 및 기술분야에서 큰 잠재력을 가진 다수의 특허를 출원·등록하였습니다. 최근 KAIST 졸업생인 김성진 대표가 벤처기업 i-KAIST를 창업하여 크게 주목을 받고 있습니다.

또한, 신소재공학과 이정용 교수님께서 '2012년 올해의 KAIST인 상' 수장자로 선정되었습니다. 이정용 교수 연구팀은 그래핀을 이용해 액체 내에서 성장하는 결정을 원자단위로 분석하는 원천기술을 개발하는데 성공하였습니다. 이 연구는 물리, 화학, 생물학적 현상을 포함하여 액체를 원자단위까지 관찰하고 분석하는 기술로 다양한 분야에서 널리 응용될 것입니다. 이는 중요한 과학적 진보입니다.

KAIST는 세계적인 과학기술 연구중심 선도대학으로 거듭나고 있다고 확신합니다. 우리 학생들과 교수님들께서는 기존의 이론과 지식들을 답습하기 보다는 끊임없는 도전과 연구를 통해 한층 발전된 개념과 새로운 이론을 제시하고 있습니다. 우리가 지금까지 일구어낸 대사공학, 온라인전기차(OLEV), 휴머노이드 로봇, 모바일하버(MH) 등과 같은 혁신적인 거대공학시스템의 초석 위에 지속적인 노력이 더해진다면 앞으로 KAIST는 인류의 역사를 바꿀 수 있는 중요한 기술적 진보를 이끌어 낼 것입니다. 이산화탄소(CO2)를 처리하는 새로운 기술을 개발하여 지구온난화 문제를 해결할 수 있다면 KAIST의 연구가 인류에 미칠 영향이 얼마나 클지 상상해보길 바랍니다. KAIST는 녹색 교육 및 연구의 허브(hub)로 성장할 것입니다. 우리의 가능성은 무한합니다. KAIST Institute(KI)와 각 단과대학 및 학과에서 추진하고 있는 다학제간 융합연구는 궁극적으로 인류의 삶을 풍요롭게 하는 새로운 발견과 주요한 기술혁신으로 이어질 것입니다.

KAIST의 중요한 임무 중 하나는 교육입니다. 대학이 인류사회의 발전에 공헌할 수 있는 가장 중요한 방법은 양질의 교육을 제공하여 세계를 선도할 뛰어난 지도자를 양성하는 것입니다. KAIST가 앞장서서 대학교육의 발전을 선도하고, 보다 발전된 교육모델을 개발하여 인류사회에 공헌하고자 우리는 모든 기술력과 인적자원을 투입하여 대학교육의 혁신적인 발전을 위해 노력하고 있습니다. KAIST Education3.0 추진단을 설립하고, 이태억 단장님의 책임 아래, I-4 교육 프로그램과 국제교육프로그램(KAIST LSY International Education Initiative)을 각각 추진하고 있습니다.

2012년 한 해 동안 KAIST 학생들은 다양한 활동들을 통해 학교발전에 크게 공헌하였습니다. 몇 가지 인상적이었던 학생활동을 소개하자면 다음과 같습니다. 신개념의 교육봉사동아리 'CHALK'은 직접 제작한 교육동영상을 인터넷을 활용하여 배포하는 등 저소득층 학생들에게 보다 나은 교육을 받을 수 있는 기회를 제공하는데 기여하고 있습니다. ICISTS는 학생들이 직접 주최하는 국제학생컨퍼런스로 전통을 가지고 있으며, 올해 다양한 국가에서 350여명이 참석하는 등 매우 성공적으로 개최되었습니다. KAIST-POSTECH 양교가 겨루는 카포전에 많은 학생들이 적극적으로 참여하여 주었고, 얼마 전 개최된 IGEM(International Genetically Engineered Machine) Competition에서 조병관 교수님의 지도 아래 많은 노력을 기울인 우리 학생들이 뛰어난 성과를 거두었습니다. 모든 학생들의 노력을 통해 활기차고 생동감 있는 KAIST로 거듭났습니다.

지난 몇 년 동안, 국내외에서 KAIST를 사랑해 주시는 분들께서 많은 기부를 해주셨습니다. 2012년 한 해만 보더라도 두 건의 거액 기부가 있었습니다. 이수영 회장님께서 기부해 주신 기금은 Education3.0 추진단 등에서 I-4교육프로그램과 국제교육프로그램(KAIST LSY International Education Initiative)의 발전을 위해 사용될 것이며, 익명을 요구하며 기부해 주신 한 분의 발전기금은 조천식 녹색교통대학원을 지원하는데 사용될 것입니다. 박병준 회장님의 도움으로 건립된 KAIST Institute(KI)는 융합연구의 허브(hub)로 자리매김하였고, 닐 파팔라도 회장님의 도움으로 건립된 파팔라도 메디컬센터에서는 2012년 한해 KAIST 가족을 대상으로 약 5만 여건의 진료가 이루어졌습니다. KAIST가 더욱 발전할 수 있도록 지지해주시고 후원해 주시는 국내외 많은 분들께 KAIST 전 구성원을 대표하여 진심으로 감사드립니다.

세계 제일의 연구중심대학으로 발돋움하고자 하는 KAIST의 긴 여정에서 우리는 많은 국가에서 다양한 분들로 부터 도움을 받고 있습니다. 개인적으로 메디컬센터 건립에 크게 기여해주시고, 총장자문위원회(PAC) 위원장을 역임하여 적극적으로 도움을 주신 닐 파팔라도 회장님께 감사드립니다. 또한, 바쁜 일정 중에도 총장자문위원회(PAC)와 세계대학 총장포럼(IPF)에 참석하여 더 밝은 미래를 추구하는 KAIST 구성원들에게 우리가 세계적인 기관으로 성장할 수 있다는 희망을 주고 무한한 신뢰를 보내주신 PAC위원님들과 IPF참석자분들께 진심으로 감사드립니다. 또한, PAC가 성공적으로 개최될 수 있도록 최선을 다해주신 많은 분들과, IPF의 성공적인 개최와 KAIST의 국제활동 역량강화를 위해 헌신해 준 유창동 글로벌협력본부장님과 민현숙 국제협력팀장님께도 진심으로 감사드립니다.

2013년은 정부로부터 4개의 신규사업 예산을 확보하는 큰 성과를 이룩하여 더욱 내실 있는 기관운영을 할 수 있을 것입니다. 주요 신규사업으로는 대학원생들의 연구환경을 개선하여 안정적인 환경에서 교육과 연구에 집중할 수 있도록 T/A장학금을 강화할 것입니다. 또한, 교육혁신을 위한 Education 3.0사업을 지속적으로 추진하고, 사회가 요구하는 전문인력을 양성하기 위해 녹색성장대학원과 미래전략대학원을 새롭게 운영할 예정입니다. 학교가 더욱 성장할 수 있도록 학교운영 전반에 걸쳐 헌신해 주신 이용훈 교학부총장님과 대정부 활동과 예산확보를 위해 헌신해 주신 주대준 대외부총장님, 강정구 기획처장님, 김기한 기획부장님, 이창준 기획팀장님, 장준선 예산팀장님을 비롯한 모든 관계자 분들께 진심으로 감사드립니다.

KAIST는 그동안 눈부신 발전을 거듭했습니다. KAIST가 세계 Top10 연구중심대학으로 발돋움하기 위해서는 아직 넘어야 할 도전과제들이 산재해 있습니다. 앞으로 더욱 혁신적이고 세계적인 대학들과 경쟁할 수 있는 능력을 갖추기 위해서는 정부로부터 더 많은 자율성을 보장받는 등 정부의 더 많은 지원이 필요합니다. 또한, 구성원들이 높은 수준의 윤리를 지키는 문화가 형성되고, 그 문화가 더욱 강화되어야 할 것입니다. 세계적인 연구중심 선도대학들과 선진사회의 근간에는 구성원들 간 서로 신뢰하고, 윤리를 지키는 정직한 문화가 자리 잡고 있다는 것을 잊어서는 안 될 것입니다.

2013년 신년사는 제가 KAIST 총장으로서 여러분께 보내는 마지막 신년사가 될 것입니다. 학위수여식을 끝으로 2013년 2월 23일 KAIST 총장직에서 물러나 정들었던 교정을 떠납니다. KAIST를 더욱 발전시키기 위해 각자의 분야에서 헌신해 준 학교 전 가족여러분께 진심으로 감사드립니다. KAIST는 우리가 꿈꾸던 대학으로 발전하고 있으며, 국민 모두가 우리의 성취를 자랑스럽게 생각할 것입니다.

지금까지 우리가 일구어낸 큰 성과를 모두 축하하는 한 해가 되었으면 합니다. 새해 복 많이 받으시고, 늘 행복하고 건강한 한 해 보내시길 기원합니다.

감사합니다.

2013년 1월 2일, 수요일
KAIST 총장 서남표

무반사구조(antireflective structures)는 빛의 효율을 향상시키기 위한 대표적인 방법입니다.

그러나 이 구조는 평판에만 국한되기 때문에 LED 렌즈와 같은 곡면에 적용하기에는 많은 어려움이 있었습니다.

KAIST 바이오및뇌공학과 정기훈 교수팀은  3차원 미세몰딩 공정으로 이를 극복하고 스스로 빛을 내는 반딧불이를 모방한 생체모사(자연모사) 공학을 이용해 고효율 LED 원천기술을 개발했습니다.

일반 렌즈(좌)와 고효율 LED 렌즈(우) 사진. 연구팀은 3차원 미세몰딩 기술을 이용해 고효율 LED 렌즈를 제작.

(A) 고효율 LED 렌즈의 제작 과정. (step Ⅰ) 나노입자와 식각공정을 이용하여 나노구조 형성. (step Ⅱ) PDMS 막에 나노구조 전사. (step Ⅲ) PDMS 막에 음압을 가하여 곡률 형성. (step Ⅳ) 자외선 경화 고분자를 부은 후 경화. (step Ⅴ) 완성된 고효율 LED 렌즈. (B) 고효율 LED 렌즈의 전자현미경 사진. (C) 곡면 위에 잘 정렬되어 형성되어 있는 나노구조.

이는 반딧불이 발광기관 외피에 있는 생물 발광기관 나노구조를 세계 최초로 모사한 기술이라는 점에서 의의가 큽니다.

연구팀은 기존에 렌즈의 반사를 방지하기 위해 값비싼 반사방지 코팅을 추가로 처리하던 기술과 달리, 렌즈 제작 시 생체모사 나노구조를 주형에서 한 번에 만들어 보다 저렴하게 LED를 제작할 수 있게 했습니다.

또 무반사효과(antireflection)를 위해 모방한 나노구조를 최적화해서 발광효율을 기존 반사방지 코팅에 상응한 수준으로 만들었습니다

이는 앞으로 스마트폰, TV, 자동차, 의료기기, 실내외 조명 등에 널리 적용될 전망입니다.

(A) 반딧불이 사진. (B) 반디불이의 전자현미경 사진 (N)은 비발광기관, (L)은 발광기관. (C) 비발광기관의 미세패턴, 무작위한 패턴을 형성. (D) 발광기관의 나노구조, 잘 정렬된 나노구조를 형성. (E, F) 반딧불이의 발광기관과 고효율 LED 패키징이 대응되는 구조를 형성하고 있음. 본 연구팀은 반딧불이 발광기관 외피층에 형성된 나노구조층을 LED 렌즈 위에 형성시켜 발광효율을 증가시킴. (E) 반딧불이 발광기관의 모식도. 나노구조의 크기는 약 주기가 250 nm, 너비가 150 nm, 높이가 110 nm 정도임. (F) 고효율 LED 패키징의 모식도.

연구팀은 실리콘 산화막 위에 나노입자를 단일 층으로 형성하고 식각공정을 통해 나노구조를 형성했습니다.

이어 나노구조를 PDMS(polydimethylsiloxane) 막에 전사시키고, 이 막에 음압을 가해 곡률을 형성한 다음, 자외선경화 고분자를 부어 굳혀 반딧불이와 유사한 구조의 렌즈를 만들어 내는 데 성공했습니다.

이번 기술은 세계 최초로 무반사구조가 형성된 반구형 고효율 LED 렌즈를 개발한 것으로, 이 렌즈는 기존에 사용되는 무반사코팅(antireflection coating)과 같은 효과를 보이고 있습니다.

앞으로 생체모사 기술을 활용한 고효율 LED 렌즈 기술을 통해 기존의 값비싼 무반사코팅을 대신해 저렴하면서도 효율을 극대화할 수 있을 전망입니다.

이번 연구는 정기훈 교수와 제1저자인 김재준 박사과정생이 주도했고, 연구 결과는 미국 국립과학원회보지(PNAS) 10월 29일자 온라인 판에 게재됐습니다.

정기훈 교수

김재준 박사과정생

그런데 노화를 억제하면서 건강하게 오래살 수 있도록 돕는 새로운 물질이 발견됨에 따라, 불로장생을 향한 인류의 꿈에 한걸음 다가서게 되었습니다.

사람이 건강하게 오래 살 수 있는 효과적인 방법은 식사량을 줄이거나 달리기와 같은 유산소운동을 하는 것입니다.

■ KAIST 김대수 교수팀은 우선 소식이나 유산소운동이 보조효소(NAD+)를 증가시켜 세포의 노화를 억제한다는 점에 착안했습니다.

NAD+(니코틴아미드 디욱시뉴클레오타이드)라는 보조효소가 세포 내에서 증가하면 노화방지 효과가 있는 것으로 알려지고 있습니다.

연구팀은 천연화합물인 '베타-라파촌'으로 효소(NQO1)를 활성화시키면, 적게 먹거나 별도의 운동을 하지 않아도 NAD+의 양이 증가됨을 규명했습니다.

베타-라파촌(beta-lapachon)은 라파초 나무나 단삼 등에 고농도로 함유된 천연화합물입니다.

또한 이미 노화가 진행된 생쥐들에게 베타-라파촌을 사료에 섞여 먹인 결과, 3개월이 경과되면 운동기능과 뇌기능이 모두 향상되어 건강하게 오래살 수 있음을 확인했습니다.

실제로 베타-라파촌을 투여한 생쥐 그룹이 소식을 하지 않았는데도 생존율이 증가한 것을 보여주는 생존 곡선.

베타-라파촌은 동서양에서 오랜 기간 사용해 온 약초의 주성분으로 만들어져, 머지않아 쉽게 상용화할 수 있는 것이 특징입니다.

이번에 연구팀이 찾아낸 새로운 물질은 소식이나 운동으로 나타나는 효과를 그대로 모방하여 밝혀낸 것으로서, 향후 암, 치매 및 파킨슨병과 같은 노인성 질환을 예방하고 치료하는데 크게 기여할 전망입니다.

이번 연구는 KAIST 김대수 교수팀과 충남대 의과대학와 공동연구로 진행됐고, 연구결과는 생물학 분야의 권위 있는 학술지인 '플로스 원(PLoS One)' 최신호(10월 11일자)에 게재되었습니다.
(논문명: Beta-lapachone, a modulator of NAD metabolism, prevents health declines in aged mice)

NQO1 효소를 베타라파촌으로 조절하여 노화 시 증가하는 NADH 를 NAD+ 로 변형시켜 건강수명을 증가시킨다.

 용   어   설   명

NQO1
체내에 유입된 퀴논계 화합물을 환원시키는 효소로서 노화과정에서 증가된 NADH 를 NAD+ 로 전환시키는 기능을 함.

NAD+
니코틴아마이드 디옥시뉴클레오타이드 로서 이것이 세포내에 증가하면 노화방지 효과가 있다고 알려져 있음.

베타라파촌 (beta-lapachon)
라파초 나무, 단삼 등 식물에 고농도로 함유된 천연 화합물로 NAO1 효소가 NADH를 NAD+ 로 전환시키는 반응을 촉진한다. 단삼은 동의보감에는 노쇠한 말을 다시 일으킨다고 알려져 있으나 노화억제 물질이 베타라파촌이라는 사실이 이번 연구로 밝혀지게 되었다.

<김대수 교수> 1. 인적사항   ○ 소 속 : KAIST 생명과학과 부교수            2. 학력   ○ 1989-1993 : 서강대학교 학사  (생물학)   ○ 1993-1998 : 포항공과대학교(POSTECH) 박사                             (유전학 및 신경생물학)   3. 경력사항 ○ 1998 ~ 1999 : 미국 SUNY health science center, New York, 박사후 연구원 ○ 1999 ~ 2001 : 포항공과대학교, 박사후 연구원 ○ 2001 ~ 2004 : KIST, 선임연구원 ○ 2004 ~ 2011 : KAIST 생명과학과, 조교수 ○ 2011 ~ 2012 : 미국 Rockefeller University, 방문교수 ○ 2012 ~ 현재 : KAIST 생명과학과, 부교수 4. 주요연구업적 1. Won, H., Lee, H-R., Gee, HY., Mah, W., Kim, J-I., Lee, J.m, Ha, S., Chung, C., Jung, ES., Cho, YS., Park, S-G., Lee, J-S., Lee, K., Kim D., Bae, YC., Kaang, B-K., Lee, MG., Kim E. (2012). Autistic-like social behaviour in Shank2-mutant mice improved by restoring NMDA receptor function. Nature 486(7402):261-5. 2. Kim, J., Woo, J., Park, YG., Chae, S., Jo, S., Choi, JW., Jun, HY., Yeom, YI., Park, SH., Kim, KH., Shin, HS., Kim, D. (2011). Thalamic T-Type Ca2+ Channels Mediate Frontal Lobe Dysfunctions Caused by a Hypoxia-Like Damage in the Prefrontal Cortex.  Journal of Neuroscience. 16;31(11):4063-4073. 3. Won, H., Mah, W., Kim, E., Kim, JW., Hahm, EK., Kim, MH., Cho, S., Kim, J., Jang, H., Cho, SC., Kim, BN., Shin, MS., Seo, J., Jeong, J., Choi, SY., Kim, D., Kang, C., Kim, E. (2011). GIT1 is associated with attention deficit/hyperactivity disorder (ADHD) and ADHD-like behaviors in mice." Nature medicine. 17, 566?572. 4. Park, YG., Park, HY., Lee, CJ., Choi, S., Jo, S., Choi, H., Kim, YH., Shin, HS., Llinas, RR., Kim, D. (2010). CaV3.1 is a tremor rhythm pacemaker in the inferior olive. Proc Natl Acad Sci USA, 8;107(23):10731-6.