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전기에너지를 회전 운동에너지로 저장하는 초전도 에너지 저장 장치와, 자력을 이용해 자성물질을 분리하는 자기분리기의 핵심 소재인 초전도 단결정 덩어리를 세계 최고의 효율로 대량생산할 수 있는 길이 열렸습니다.

초전도 단결정 덩어리는 한 개의 결정으로 이뤄진 초전도체 덩어리로, 이트륨(Y) 또는 가돌리늄(Gd) 등 희토류 원소를 주성분으로 하는 분말 성형체 위에 사마륨(Sm)과 같은 희토류계 다른 물질을 종자로 심고 가열한 후 냉각해서 결정을 성장시키는 종자 성장 공정(Seed Growth Process)으로 만들어집니다.

■ 한국원자력연구원 중성자과학연구부 김찬중 박사팀은 초전도 단결정 덩어리의 제조 시간과 생산 비용을 각각 4분의 1로 획기적으로 줄일 수 있는 대량생산 일괄공정을 개발했습니다.

김 박사팀은 종자 성장 공정으로 제조되는 초전도 단결정 덩어리를, 기존 한 개의 종자를 사용하던 기존 공정 대신 여러 개의 종자를 사용해 초전도 단결정의 성장이 분말 성형체 표면과 내부에서 동시다발적으로 일어나게 하는 다층 종자 성장 공정을 연구했습니다.

이를 통해 단위 크기(5㎝ x 5㎝)의 초전도체 제조 시간을 기존 400시간에서 100시간으로 단축시켰고, 초전도체의 전자기적 성능 향상을 위해 첨가하는 고가의 백금 산화물을 값 싼 희토류 물질인 세륨 산화물로 대체해 생산 비용을 일본과 독일 대비 4분의 1인 50만 원까지 줄였습니다.

또 영구자석에 대한 자기부상력이 30㎏에 105A(암페어)/㎠의 전류를 통과시키는 등 품질 면에서 전혀 차이가 없는 것으로 평가받고 있습니다.

게다가 초전도 단결정 덩어리 등의 세라믹 계열 제품은 대량생산 시에 품질 불균일이 문제로 지적되어 왔는데, 이번에 개발된 기술을 통해 만들어진 초전도 단결정 덩어리는 대량생산 시에도 각각의 제품이 균일한 품질을 보여 성능 재현성이 매우 높습니다.

초전도 플라이휠 에너지 저장 장치

현재 초전도 단결정 덩어리는 신일본제철과 독일 Theva 사 등에서 제조해  판매하고 있는데, 이번에 개발된 기술은 이들 국가의 기존 생산 방식보다 생산성이 3배 이상 높기 때문에 상용화될 경우 초전도체 생산 분야에서 세계 최고 수준의 경쟁력을 갖출 것으로 기대되고 있습니다.

이번에 개발된 기술은 국내외 특허 획득 과정을 거쳐 2015년 경 상용화될 예정이며, 대량생산을 통해 초전도 에너지 저장장치와 초전도 자기분리기 핵심부품 생산에 활용될 전망입니다.

강자장체가 된 초전도 영구자석에 쇠구슬이 달라붙은 사진

초전도 단결정 덩어리


 용  어  설  명


초전도 단결정 덩어리
한 개의 결정으로 이뤄진 초전도체 덩어리로, 이트륨(Y) 또는 가돌리늄(Gd) 등 희토류 원소를 주성분으로 하는 분말 성형체 위에 사마륨(Sm)과 같은 희토류계 다른 물질을 종자로 심고 가열 후 냉각해서 결정을 성장시키는 종자 성장 공정(Seed Growth Process)에 의해 제조된다.

초전도 에너지 저장 장치(SFES; Superconducting Flywheel Energy Storage)
일정 온도 이하에서 전기 저항이 완전히 사라져 전류가 흘러도 손실이 발생하지 않는 무저항 현상과 완전 반자성 자기부상을 이용해서 중량물을 공중에서 회전시켜 전기에너지를 운동에너지로 저장하는 장치.

초전도 자기분리기(SMS; Superconductor Magnetic separator) 
초전도체 내부에 강한 자장을 주입시킨 초전도 영구자석을 사용하는 기기로 일반 영구자석에 비해 10배 이상의 자력이 발생한다.
초전도 자기분리기의 강한 자력은 산업용 폐수나 방사성 오염수에 포함된 자성물질 분리에 사용된다.

현성 
동일한 제품을 생산방법, 수량 등 다른 조건에서 생산했을 때 개개의 성능이 일치하는 정도

 

<김찬중 박사>

 

○ 소속기관 : 한국원자력연구원 중성자과학연구부
 
  학력
  ○ 1977 - 1984  성균관대 공과대학 금속공학과 학사
  ○ 1984 - 1986  한국과학기술원 재료공학과 석사
  ○ 1987 - 1990  한국과학기술원 재료공학과 박사

  주요 경력
  ○ 1984 - 현재  한국원자력연구원, 책임연구원
  ○ 1992 - 1993  미국 Univ. of Notre Dame 교환연구원
  ○ 2005 - 2010  한국원자력연구원, 초전도 연구실장
  ○ 2008         한국원자력연구원 신지식인상 수상
  ○ 2010 - 2011  일본 시바우라 공과대학교 교환 교수
  ○ 2005 - 2011  성균관대학교 신소재공학과 겸임교수
  ○ 2007 - 현재  한국초전도학회 이사
  ○ 2008 - 현재  한국세라믹학회 편집위원

  주요 연구 업적
<연구 주제>
    - 에너지 저장용 초전도 베어링 소재 개발
    - 희토류 초전도 물질 전류밀도 향상기술 개발

<연구 성과>
    - 국제 SCI 학술 잡지 연구 논문 110편 
    - 특허 출원 및 등록  6건 등

 

posted by 글쓴이 과학이야기

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기존 거대한 분자를 이용한 바이오센서는 초분자체에 항체를 고정하여 알아내고자 하는 물질과의 반응으로 나타나는 형광신호를 측정해 검출하는 방식입니다.

그러나 이는 표적물질의 양이 매우 적으면 외부자극이 약해 신호가 낮아 진단할 수 없는 단점이 있었습니다.

고려대 심상준 교수팀이 초분자체 형광반응 기반 바이오센서에 자성입자와 영구자석으로 신호를 증폭시켜 질병을 진단하는 시스템을 개발했습니다.

심 교수팀이 개발한 바이오센서는 항체와 자성입자를 결합시켜 기존의 항원-항체 반응 이외에도 자성입자의 무게로 외부의 힘을 증가시킴으로써 1차적으로 신호를 증폭시켜 검출할 수 있는 범위를 확대했습니다.

또한 칩 아래 영구자석을 대면 자기력이 자성입자를 끌어당기면서 발생하는 물리적 힘으로 강한 외부자극을 주어, 2차적으로 형광신호를 증폭시켜 적은 양의 표적물질도 진단할 수 있도록 했습니다.

(A) 유리기판 표면의 폴리디아세틸렌 초분자체에 결합된 각기 다른 크기의 자성입자 SEM 사진, 
(B) (i)자성입자가 결합되었을 때 형광신호와 형광 이미지,  
     (ii)영구자석을 이용하여 자성입자를 끌어당김으로써 증가된 형광 신호와 형광 이미지

전립선암 표적물질 검출 및 1,2 차 신호증폭을 통한 형광신호 세기 및 형광이미지.
초분자체 형광센서 칩을 사용하여 초기 항원-항체 반응으로 회색 막대그래프의 신호세기와 형광이미지 i)를 얻었으며, 자성입자와 결합된 2차 항체가 항원과 반응하여 1차적인 형광신호의 증가를 파란색 막대그래프와 형광이미지 ii)를 통하여 확인하였다.
마지막으로 빨간색 막대그래프와 형광이미지 iii)에서 보듯이 영구자석을 활용한 2차적인 신호증폭을 통해 전립선암 표적물질이 최소 0.01 ng/mL 의 농도까지 검출이 가능하며, 이 방법을 통해 효과적으로 센서의 민감도를 높였으며 전체적인 신호도 향상됨을 확인할 수 있다.


연구팀은 전립선암 진단 표지물질(PSA-ACT complex)에 이 기술을 이용하여 극미량(0.01 ng/mL)의 표적물질을 정확히 식별해냄으로써 진단 센서로서의 유용성도 검증했습니다.


특히 기존과는 달리 형광센서에 추가적인 처리를 할 필요가 없어, 신속하면서도 편리한 고감도 질병 진단 원천기술로 평가되고 있습니다.

이번 연구결과는 독일 나노분야의 권위지인 'Small'지(1월 23일자)에 표지논문으로 게재되었다.  
(논문명 : Signal amplification by magnetic force on polydiacetylene supramolecules for detection of prostate cancer)

자성입자와 영구자석을 이용한 초분자체 형광센서 칩의 신호증폭 모식도. (Small지 2012년 2호 cover 이미지)


 용  어  설  명

자성입자 (磁性粒子, Magnetic particle) :
자기적인 성질을 띠는 물질로 외부에서 가해지는 자기장에 반응하는 양상을 가지며, 자성체가 되었을 경우에 그 재료가 나타내는 자기적인 여러 특성을 지닌 다. 즉, 자석에 의해 끌어 당겨지거나 하는 성질을 지닌 입자를 말한다.

초분자 (超分子, Supramolecule) :
공유결합에 비해 상대적으로 미약한 수소결합, 정전기적 상호작용, 반데르 발스  인력 (Van der Waals force) 등 분자 간 결합 또는 인력을 통해 둘 또는 그 이상의 작은 분자들이 모여 생성된 거대한 분자들의 집합이다.

표적물질 (Polydaicetylene) :
생물·화학적인 분석, 검사, 실험 등을 하기 위하여 쓰는 목표로 삼아 검출하고자 하는 물질.

PSA-ACT complex (Prostate specific antigen-α1-antichymotrypsin) :
전립선암 진단 표적물질, 일반적으로 전립선암 특이항원(PSA-ACT complex) 수치가 4.0 ng/mL 이상이면 정상이 아닌 것으로 판정한다.

영구자석(permanent magnet) :
강한 자화상태를 오래 보존하는 자석으로, 외부로부터 전기에너지를 공급받지 않아도 자성을 안정되게 유지함


<연 구 개 요>

색 전이와 형광발현 특성을 이용한 폴리디아세틸렌(Polydiacetylene) 초분자체는 다양한 자극에 의해  반응하기 때문에 광범위한 분야에서 사용되고 있다.
이 초분자체는 3중 결합이 번갈아 있는 디아세틸렌(diacetylene) 단량체의 고분자를 의미한다.
고분자를 이루는 단량체는 소수성의 탄화수소 사슬과 친수성 말단기를 가지고 있는 양쪽성 성질로 인하여 수용액 상에서 리포좀,  Langmuir-Blodgett (LB) 또는 Langmuir-Schaeffer (LS) 단분자막과 같은 초분자체를 자가 조립으로 쉽게 형성하며, 카르복실기가 표면을 이루고 있기에 쉽게 아민기와 아미노 결합을 유도할 수 있다.
리포좀 형태의 초분자체는  254 nm의 UV 광에 노출될 경우, 인접 단량체간의 고분자화 반응이 일어나면서 파란색을 띠게 된다.
여기서 고분자 결합의 색은 고분자 중추(backbone)의 배열과 밀접한 관련이 있으며, 외부 자극에 의해 고분자 중추나 단량체들의 재배열이 일어나 자극의 정도에 따라 점차 붉은 색으로의 색 전이와 형광발현을 보인다.
색 전이와 형광발현을 일으킬 수 있는 일반적인 자극은 온도, pH, 표면 마찰, 물리적인 힘, 유기 용매 또는 계면 활성제와의 상호 작용이 있으며, 그 외 초분자체의 단량체들을 화학적으로 변형하여 리셉터가 초분자체 계면에 도출되도록 설계할 경우 리셉터가 리간드와 반응하여 형광발색이 유도되는 생화학적 분석기술로 이용될 수 있다.

그림1. 영구자석과 자성입자를 이용한 초분자체 기반 형광센서 칩의 질병 검지 시스템 모식도


이를 이용하여 리포좀 형태의 초분자체에 항체를 고정화하여, 표적 물질과의 반응으로 나타나는 형광 신호를 측정하여 농도에 따른 검출을 할 수 있고 다양한 형태의 센서 제조가 가능하다.
그러나 저분자성 물질과 극미량의 표적 물질에 대해서는 약한 자극으로 인해 검출물질에 대한 신호가 낮다는 심각한 문제점이 있다.
따라서 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 연구에서는 농도에 따른 항원-항체 반응으로 형광신호를 측정하였고, 2차 항체와 자성입자를 결합시켜 항원-항체 반응 후, 추가적인 항원-2차 항체 반응과 자성입자의 무게로 인해 더 큰 물리적, 기계적인 힘을 증가시켜 1차적인 신호를 증가시킴으로써 검출 농도를 확대하였다.
더 나아가 영구자석을 센서 칩의 하단부에 위치시켜 자기력에 의한 자성입자의 이끌림 현상을 이용하였고, 이때 생기는 물리적인 압력, 기계적인 자극이 리포좀 형태의 초분자체에 작용하여 2차적인 형광신호의 증가가 일어남을 확인하였으며, 이를 통해 초고감도 모델 질병검지를 가능하게 하였다.
본 연구실에서는 이런 샌드위치 기법을 활용한 초분자체 형광반응 기반 센서를 이용하여 극미량 (0.01 ng/mL)의 전립선암 진단물질 검지 기술을 확보하였다.

본 연구에서 제안된 자성입자와 영구자석을 이용한 초분자체 형광센서는 기존의 센서에 비해 다음의 우수한 특성을 나타낸다.
1) 초분자체의 특성으로 인해 다른 표지화가 필요하지 않고, 실시간으로 분석이 가능하며, 칩 형태로 소형화 및 휴대용 센서의 개발에 용이하다.
2) 추가적인 단계와 시설의 증가 없이 편리하고 신속하게 신호를 증폭시켜 신뢰도가 높고 고민감도의 센서를 구현할 수 있다. 

본 연구에서 제안한 신호증폭 시스템은 간단한 단계를 거쳐 기존 시스템의 단점을 보완하여 신호를 효과적으로 증가시켜 센서의 민감도를 높이고, 검출영역을 확대함으로써 진일보한 센서 시스템의 토대를 마련하였으며, 이를 이용하여 다양한 질병의 검지와 조기진단 등 광범위한 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

posted by 글쓴이 과학이야기

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나노(10억 분의 1미터) 크기의 축구공 모양 자석의 존재와 원리가 국내 연구진에 의해 밝혀졌습니다.

이철의 교수

한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업의 지원을 받아 연구를 수행한 고려대학교 물리학과 이철의 교수팀은 탄소원자 60개가 연결된 나노크기 축구공 모양의 분자인 풀러린(fullerene)이 수소를 흡착하면, 상온에서 영구자석으로 변하는 원리를 규명했습니다.

특히 이번 연구는 최근 노벨물리학상 수상의 주인공인 꿈의 신소재 '그래핀'으로 인해 전 세계 연구자로부터 각광 받는 탄소의 물성에 대한 이론적 연구로서, 지난 10년간 학계의 풀리지 않은 수수께끼였던 풀러린으로 영구자석을 만들 수 있는지에 대한 논쟁에 종지부를 찍었다는 점에서 의미가 있습니다.

기존의 자석은 철과 같은 중금속으로 단단하지만 무거운 반면, 탄소는 가벼우면서도 단단한 친환경 소재로서, 귀금속에 쓰이는 다이아몬드에서부터 연필심에 활용되는 흑연까지 매우 다양한 형태를 갖는 특징이 있습니다.

과거 2006년 이 교수팀은 흑연이 영구자석이 되는 원리를 밝힌 바 있습니다.

이 교수팀은 풀러린에 흡착된 수소가 풀러린 분자 표면에 갇힌 전자를 생성하면, 이 전자들 간의 상호작용에 의해 새로운 에너지띠를 형성하는데, 이 에너지띠가 바로 영구자석을 만드는 원인임을 규명했습니다.

특히 연구팀은 풀러린에 흡착된 수소의 수가 홀수일 때만 영구자석이 되는데, 일단 홀수의 수소가 흡착되면 숫자에 관계없이 동일한 세기의 영구자석이 된다는 사실도 확인했습니다.

이번 연구는 지난 10년간 논쟁의 중심에 섰던 풀러린으로 영구자석을 만들 수 있음을 처음으로 밝힌 것으로,  나노크기의 풀러린 영구자석은 향후 차세대 MRI용 조영제나 새로운 암치료법 등 다양하게 활용될 전망입니다.

이번 연구결과는 물리학 분야의 권위 있는 학술지인 '피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)'지 4월 22일자에 게재 됐습니다.  (논문명 : Intrinsic Impurity-Band Stoner Ferromagnetism in C60Hn)

 용  어  설  명

풀러린(fullerene) : 탄소만으로 이루어진 속이 빈 축구공 모양의 분자.

에너지띠(energy band) : 현대 물리학의 근간인 양자이론은 물질의 특성을 에너지띠 구조로 설명한다. 물질의 전기적 또는 자기적 특성은 그 물질을 구성하는 전자에 의해 결정된다. 에너지띠는 전자가 가질 수 있는 에너지 영역을 결정함으로써 물질의 다양한 특성을 기술한다.


<풀러린 분자

풀러린 분자

수소 흡착된 풀러린 분자

파란 공은 탄소 원자, 녹색 공은 수소 원자에 대응한다.
연두색 공은 풀러린에 갇힌 전자 분포를 보여준다.

 

 

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