• 2차원 자석 자성 상태 최초 조절한다 2차원 자석 자성 상태 최초 조절한다 2차원 자석 자성 상태 최초 조절한다 - 2차원 물질 이용한 고성능 스핀소자 실현 앞당겨 – 2차원 자석은 전자의 고유 물리량인 ‘스핀’을 정보 저장과 처리에 사용하는 ‘스핀정보소자(spintronics)’ 를 구현할 핵심 소재 중 하나지만 2차원 자석 자체가 드물어 연구가 어려웠다. 지난 해 IBS와 공동 연구진은 고온에서도 자성이 유지되고 전기가 통하는 2차원 층상 물질인 철-저마늄-다이텔루라이드(이하 Fe 4 GeTe 2 )의 설계 및 합성에 성공한 바 있다. 전자 소자가 0과 1 정보를 담은 수많은 트랜지스터로 이루어지듯, 스핀 정보 입·출력을 위해서는 다양한 자성상태를 갖는 자석을 서로 접합시켜야 한다. 따라서 2차원 자석에서 자성상태를 조절하는 것이 중요한 과제였다. 기초과학연구원(IBS) 원자제어 저차원 전자계 연구단 김준성 연구위원과 공동 연구진은 4가지 서로 다른 자성 상태를 조절할 수 있는 2차원 자석을 합성해냈다. 이로써 하나의 소재에서 다양한 스핀 정렬 상태를 유도하는 것이 가능해져, 향후 차세대 스핀 소자에 대한 다양한 연구를 가능케 할 것으로 기대된다. ▲ 연구진이 합성한 새로운 2차원 자석 모식도와 4가지 자성상태 ▲ 철 원자를 코발트로 치환한 2차원 자석 사진 연구진은 층 사이 자성결합 세기에 따라 Fe 4 GeTe 2 의 자성상태가 민감하게 변하는 데 착안했다. 이에 층간 결합 세기를 조절하기 위해 Fe 4 GeTe 2 의 일부 철 원자를 다른 원자로 치환하는 실험을 계획했다. 철 원자와 비슷한 망간, 코발트, 갈륨, 루테늄 원자를 후보로 하여, 각 원자로 치환했을 때 자성상태를 계산하고 실제 합성과 측정 실험을 수행했다. 그 결과 철을 코발트로 치환한 철-코발트-저마늄-다이텔루라이드(이하 Fe 4- x Co x GeTe 2 )가 4가지 자성상태를 가질 수 있음을 발견했다. Fe 4- x Co x GeTe 2 는 코발트 원자 농도에 따라 다른 자성상태를 갖는다. 이때 자성의 정렬에 따라 강자성과 반(反)강자성(물질 내부의 스핀이 스스로 정렬하여 외부 자기장과 상관없이 자성을 띠는 특성. 강자성은 이웃한 스핀이 같은 방향으로, 반강자성은 서로 반대방향으로 정렬한 경우에 해당된다) 방향에 따라 수직 이방성과 수평 이방성(물질의 물리적 성질이 방향에 의존함)이 조합되는 4가지 자성상태를 가질 수 있었다. ▲ 코발트 원자 농도와 자석 두께에 따른 자성 변화 이번에 발견한 물질은 코발트 농도 뿐아니라 박막의 층수를 조절해 자성 상태를 조절할 수 있다. 4가지 자성상태는 특정 온도 영역에서 나타나는데, 층수에 따라 그 영역이 달라진다. 따라서 층수를 변경하면 같은 온도라도 다른 자성 상태를 갖게 된다. 이는 자성상태를 자유자재로 조절할 수 있는 최초의 2차원 자석으로, 향후 서로 다른 자성상태의 층을 결합하면 스핀정보 처리에 유용한 특성을 유도할 수 있을 것으로 기대된다. 공동 교신저자인 김준성 연구위원은 “화학적인 조성과 물리적인 두께를 바꿔서 2차원 자석 후보 물질의 자성상태를 조절할 수 있음을 계산과 실험으로 보였다”며 “2차원 자석을 이용한 스핀소자에 여러 기능을 구현할 수 있는 중요한 발판이 될 것”이라고 말했다. 이번 연구는 국제학술지 ‘네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’지에 5월 14일 온라인 게재됐다. IBS 커뮤니케이션팀 최지원 2021.06.15
  • 코로나19 감염, 도라지로 막는다 코로나19 감염, 도라지로 막는다 코로나19 감염, 도라지로 막는다 -도라지 사포닌 플라틴코딘 D에 의한 코로나바이러스 감염 억제 메커니즘 규명- -코로나 바이러스 감염증-19 치료에 새로운 가능성 제시- 인류는 역사적으로 자연으로부터 약물을 찾고, 약제를 개발하여 수많은 질병을 극복해왔다. 대표적으로 푸른곰팡이에서 유래한 페니실린, 버드나무 껍질에서 얻은 아스피린이 있다. 도라지 (길경, platycodon grandiflorus) 는 한국을 비롯한 동아시아 지역에서 식용 및 약재로 널리 사용되어 왔다. 도라지는 인후통, 감기로 인한 기침, 가래, 기관지염증 등 호흡기 질환 치료에 효과가 있다고 알려져 있다. 이는 도라지에 함유된 사포닌의 일종인 ‘플라티코딘 D(playcodin D) 1) ’덕분이다. 1)플라티코딘 D(playcodin D) : 도라지에 풍부한 트리테르페노이드 사포닌(triterpenoid saponins)의 일종 기초과학연구원 (IBS, 원장 노도영) 인지 및 사회성 연구단 이창준 단장 연구팀은 한국 파스퇴르 연구소 김승택 박사 연구팀과 공동연구로 도라지 사포닌 플라티코딘 D가 사스코로나바이러스-2(이하 코로나바이러스) 감염을 억제 한다는 사실을 규명하였다. 도라지는 천연물 유래 약재로서 주위에서 쉽게 접할 수 있고 수백-수천년 동안 사용되어 안정성이 입증된 만큼, 코로나19 치료의 새로운 후보약물이 될 것으로 기대된다. 코로나바이러스는 표면의 돌기(스파이크 단백질)를 이용해 숙주세포 내로 침투한다. 육상화 밑면의 스파이크가 지면과의 마찰력을 높이듯, 스파이크 단백질은 바이러스를 숙주세포의 ACE2수용체에 강하게 결합시킨다. 이때 단백질 분해효소인 1)라이소솜의 카텝신(cathepsin) 또는 2)세포막에 위치한 TMPRSS2가 스파이크 단백질의 일부를 자르면 바이러스-세포간 막 융합이 일어나 비로소 바이러스 감염이 이뤄진다. 즉 코로나 바이러스는 카텝신, TMPRSS2라는 2가지 경로를 통해 침투하는 것 이다. 따라서 이들 단백질 분해효소의 활성을 억제하면 바이러스 침투를 차단할 수 있다. 이를 이용한 대표적 약물에는 카텝신 저해제인 글로로퀸(chloroquine), TMPRSS2 저해제인 카모스타트(camostat), 나파모스타트(nafamostat) 가 있다. 그러나 이들 약제는 카텝신과 TMPRSS2 중 한 가지 진입 경로만을 차단할 뿐, 나머지 경로를 통해 들어오는 바이러스 감염은 막지 못하는 한계가 있었다. 연구진은 코로나19가 급성 호흡기 질환인 점에 착안하여 플라티코딘 D의 코로나19 치료 효능을 관찰했다. 우선 바이러스 감염력을 측정하기 위해 코로나바이러스처럼 스파이크 단백질을 가진 ‘슈도 바이러스(psuedovirus)’를 만들었다. 이어 카텝신, TMPRSS2에 의한 코로나바이러스 진입 경로를 재현한 인간 폐세포(H1299)를 제작해 슈도 바이러스를 투입, 플라티코딘 D의 바이러스 감염억제 효과를 분석했다. 그 결과 플라티코딘 D는 두 개의 상이한 코로나바이러스 진입 경로를 효과적으로 억제 함을 발견했다. 나아가 플라티코딘 D의 감염 억제 효과가 세포막의 주요 구성물질인 콜레스트롤과 유사한 구조에서 비롯됨 을 밝혀냈다. 플라틴코딘 D는 콜레스테롤과 유사한 부위에 당이 양쪽으로 길게 붙어있는 화학구조를 가진다. 때문에 콜레스테롤과 함께 플라티코딘 D도 세포막에 박히고, 플라티코딘의 긴 당 부위가 세포막 밖으로 돌출되어 바이러스 감염의 필수 과정인 바이러스-세포간 막융합을 저해하는 것이다. 연구진은 도라지를 주요성분으로 하는 천연물의약품과 식품 중 ‘용각산’과 ‘도라지 청’도 코로나 바이러스 감염억제효과가 있음을 관찰하였다. 또한 살아있는 감염성 코로나바이러스를 사용한 실험에서도 기존의 코로나바이러스 감염저해제와 비교하여 플라티코딘 D가 유일하게 두 개의 코로나바이러스 세포감염경로 모두를 효과적으로 저해 한다는 사실을 재차 확인하였다. 한편 인삼 사포닌인‘진세노사이드’와의 비교실험에서 플라티코딘 D만 효과를 보여 항 코로나 효과는 도라지에만 존재하는 플라티코딘 D 사포닌의 특성 임을 알아냈다. 최근 코로나바이러스 수용체인 ACE2가 폐 보다는 코를 포함하는 상기도 상피세포에 다량 발현한다는 연구결과가 발표되고 있다. 코로나감염 초기에 상기도에서 코로나바이러스 양(viral load)이 급속도로 증가하여 후각상실 및 무증상 감염을 야기하며, 이후 하기도(lower respiratory tract)로 내려가 폐를 감염시키는 것을 의미한다. 즉 상기도에서 코로나바이러스 체내 감염을 저지하면 초기에 코로나19를 치료할 수 있는 것이다. 이창준 단장은 “아직 실험실단계의 결과이고 인체에 대한 효능결과는 없지만 도라지에 함유된 플라티코딘 D는 일상에서 쉽게 구할 수 있고 상기도의 상피세포에 고농도로 노출 될 수 있어 특히 무증상환자나 초기 환자에게 높은 치료효과를 기대 할 수 있다”며, “현재 준비 중인 동물실험에서도 좋은 결과가 나온다면 인간 대상 임상실험도 무리없이 진행할 수 있을 것이라고 예측한다 ”고 밝혔다. 한편 연구진은 코로나바이러스 감염억제 활성이 향상된 플라티코딘D 유도체 개발도 진행 중이다. 연구 결과는 Experimental & Molecular Medicine에 5월 25일(한국시간) 게재되었다. [논문명 : Platycodin D, a natural product from Platycodin grandiflorum, prevents both lysosome- and TMPRSS2-driven SARS-CoV-2 infection by hindering membrane fusion] 2021.05.28
  • 그래핀 합성 시간 단축할 실마리 찾았다 그래핀 합성 시간 단축할 실마리 찾았다 그래핀 합성 시간 단축할 실마리 찾았다 韓-中연구진, 컴퓨터 시뮬레이션으로 그래핀 합성 과정 규명 그래핀을 전자소자로 활용하려면 기판 위에서 그래핀을 합성한 뒤, 분리해내는 공정이 필요하다. 이때 그래핀이 손상되기 쉬울뿐더러 분리 공정 자체도 까다롭다. 전자소자 재료 위에서 곧바로 그래핀을 합성하면 간단하지만, 합성 시간이 오래 걸린다는 문제가 있다. 한국과 중국 공동연구진이 이 문제를 해결할 단서를 발견했다. ▲ 그래핀은 탄소 원자 6개로 된 육각형 고리가 이어 붙은 2차원 물질이다. 강철보다 강하면서도 유연하고 투명하며, 전기전도성 또한 전선 소재로 쓰는 구리보다 100배 이상 좋다. 이 때문에 반도체 소자 집적 한계를 돌파할 새로운 반도체 재료로 각광받는다. (출처: Flickr) 기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단 펑딩 그룹리더(UNIST 신소재공학과 특훈교수) 연구팀은 중국 베이징대와 공동으로 그래핀의 합성속도가 금속 기판보다 실리콘과 같은 절연체 위에서 1만 배 이상 느려지는 원인을 규명했다. 그래핀은 탄소(C) 원자 6개로 된 육각형 고리가 이어 붙은 2차원 물질이다. 고품질 그래핀 합성에는 주로 화학기상증착법(CVD)이 쓰인다. 기판 위에 메탄(CH 4 ) 등 원료 기체를 주입하면, 탄소 원자가 기판에 흡착하며 하나 둘씩 붙어 그래핀이 성장하게 된다. 이때 사용되는 기판에 따라 그래핀 성장속도에 차이가 있지만, 아직까지 그 메커니즘이 명확히 밝혀지지는 않았다. 공동연구진은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 그래핀 합성 단계를 분석한 결과, 절연체와 금속 기판 위에서 그래핀 성장 과정에 차이가 있음을 발견했다. 절연체 기판을 쓸 때는 원료가 그래핀 가장자리에 달라붙는 방식으로 성장한다. 이 경우 수소가 함께 붙게 되는데, 수소 제거에 많은 에너지가 소모돼 성장이 느리다. 반면, 금속 기판을 쓰면 원료가 금속 기판을 타고 빠르게 이동할 수 있어 그래핀 성장이 빠르다. ▲ 절연체 기판(왼쪽) 위에서는 원료가 그래핀 가장자리에 붙으며 그래핀이 성장하지만, 금속 기판(오른쪽) 위에서는 원료가 금속기판을 통해 빠르게 확산한 뒤 가장자리에 붙는 방식으로 성장하기 때문에 성장 속도가 더 빠르다. 더 나아가 연구진은 그래핀 합성 속도를 앞당길 수 있는 원리도 밝혔다. 원료 물질 내 CH 3 (메틸 래디컬)의 함량에 따라 합성 속도가 달라진다는 것이다. CH 3 은 그래핀에 탄소를 공급할 뿐만 아니라 그래핀 가장자리의 수소를 제거하는 역할을 한다. 즉, 합성 과정에서 수소 제거에 추가적인 에너지를 덜 사용해도 되기 때문에 시간을 단축할 수 있다. 가령, 메탄가스가 분해돼 생기는 증기 상태 원료를 이용하면 CH 3 비율이 낮아 그래핀이 느리게 성장하지만, CVD 공정에서 사용되는 메탄가스는 CH 3 비율이 높아 상대적으로 빠른 성장이 가능하다. 펑딩 그룹리더는 “에너지 소모가 가장 많은 단계를 활성화시키면, 절연체 기판 위에서도 곧바로 그래핀을 성장시킬 수 있게 될 것”이라며 “그래핀을 활용한 반도체 제조 공정을 간소화할 수 있는 단서를 찾았다는 데 큰 의미가 있다”고 말했다. 연구결과는 나노과학 분야 국제학술지인 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 3월 22일자에 실렸다. IBS 커뮤니케이션팀 권예슬 2021.04.22
  • 살아있는 B세포만 쏙쏙, 세포 이상 조기에 발견한다 살아있는 B세포만 쏙쏙, 세포 이상 조기에 발견한다 살아있는 B세포만 쏙쏙, 세포 이상 조기에 발견한다 세포막 지질의 특성만을 이용해 세포 식별하는 형광분자 개발 ▲ 혈액은 독특한 기능과 특성을 가진 세포들의 집합체다. 사진 속 붉은 원은 적혈구, 주황색 구는 T세포, 초록색은 혈소판을 나타낸다.(출처: Pixabay) 혈액은 혈장, 적혈구, 백혈구, 혈소판으로 이뤄진다. 여기에는 저마다 고유한 기능을 하는 7종의 세포들이 있는데, 각 세포를 식별해야 인체 기능에 대한 이해를 높일 수 있다. 특히 백혈구의 25%를 차지하는 림프구에는 T세포, B세포, NK세포 등 면역을 담당하는 세포들이 있어 더욱 중요하다. 혈액 세포를 식별하는 데는 주로 항체가 사용된다. 세포가 가진 고유의 바이오마커와 항체의 결합을 통해 세포를 식별하는 방식이다. 하지만 항체 식별은 세포를 고정하거나 죽인 후 진행되기 때문에 세포를 살아있는 상태에서 식별하기 어렵다는 한계가 있었다. 최근, 세포를 투과할 수 있는 작은 크기의 형광분자를 이용하는 방식이 등장했지만, 면역세포 중 B세포와 T세포의 경우 크기와 모양 등 물리적 특성이 유사하여 지금까지는 형광분자만으로 구별이 어려웠다. B세포는 바이러스, 세균 등 외부 항원이 들어왔을 때 항체를 분비하여 항원을 저해하는 역할을, T세포는 항원 유입 시 사이토카인과 같은 면역물질을 분비하거나 병원체에 감염된 세포들을 죽이는 역할을 한다. 때문에 면역치료 및 세포의 이상을 조기에 파악하려면 두 세포의 구분이 필수적이다. IBS 복잡계 자기조립 연구단은 단백질, 탄수화물 등 기존 바이오마커가 아닌 세포 자체의 차이를 이용해 세포를 식별하자는 아이디어를 냈다. 우선, 생쥐의 비장에서 B세포와 T세포를 분리한 뒤, 1만 개의 형광분자를 도입했다. 그중, 세포막에서 B세포만을 선택적으로 염색하는 형광분자를 발견하고, 이를 ‘CDgB’라 명명했다. ▲ CDgB는 탄소 분자가 길게 연결된 ‘탄소 꼬리’를 가지고 있다(a). 소수성인 CDgB는 수성 매체에서 100nm 이하 크기의 나노응집체를 형성하는데, 이 응집체가 세포막에 융합되어 B세포와 결합하면 형광이 켜진다. 공동 교신저자인 장영태 부연구단장은 “이번 연구로 항체 기반 식별 기술을 대체하여 살아있는 상태에서 세포를 식별할 수 있는 새로운 도구를 개발했다”며 “향후 CDgB는 형광 세기를 토대로 세포의 이상을 파악하고 질병을 조기에 예측하는 도구로 발전할 수 있을 것”이라고 말했다. 연구결과는 4월 9일 화학분야 권위지인 미국화학회지(JACS) 온라인 판에 게재됐다. IBS 커뮤니케이션팀 권예슬 2021.04.21
  • 두께에 따라 달라지는 그래핀의 물 사랑 두께에 따라 달라지는 그래핀의 물 사랑 두께에 따라 달라지는 그래핀의 물 사랑 꿈의 신소재 그래핀 … 여러 겹 쌓일수록 물 흡수성↓ 같은 물질이라도 두께에 따라 물성은 달라진다. 종이 한 장은 약한 힘으로 쉽게 찢을 수 있지만, 여러 장을 찢으려면 많은 힘이 필요하다는 점을 생각해보면 된다. ‘꿈의 신소재’ 그래핀도 마찬가지다. 하지만 그래핀의 두께에 따른 물성 변화는 아직까지 정확히 밝혀지지 않았다. ▲ 그래핀은 흑연의 한 층에서 떼어낸 2차원 물질로 전기‧화학적 특성이 우수해 반도체 분야 ‘꿈의 신소재’로 불린다. 하지만 아직까지 두께에 따른 습윤 특성 변화 등 물성 차이가 면밀히 밝혀지진 않았다. (출처: Flickr) 기초과학연구원(IBS) 조민행 분자 분광학 및 동력학 연구단장 연구팀은 그래핀의 두께에 따른 습윤 특성 변화를 분자 수준에서 처음으로 규명했다. 습윤성(wettability)은 표면이 물에 젖기 쉬운 정도를 나타내는 성질이다. 다른 증착물질들과 달리 그래핀의 습윤성은 함께 사용되는 기판의 종류에 따라 다르게 나타난다. 기판의 습윤성이 얇은 그래핀을 투과하여 표면으로 전달되기 때문으로 알려졌지만, 그 메커니즘이 명확히 밝혀지진 않았다. 또한 그래핀이 친수성 물질인지, 소수성 물질인지도 알 수 없었다. 지금까지 그래핀 습윤성 연구는 주로 거시적 현상 관찰에 그쳤다. 그래핀 위에 물 한 방울을 떨어뜨리고 그 모양을 통해 습윤성을 파악하는 식이다. 하지만 이런 방식으로는 그래핀 표면의 대략적 특성만 파악할 뿐, 그래핀과 물의 계면에서 일어나는 현상을 분자 수준에서 면밀히 측정하기 어려웠다. 그래핀은 실제 응용 환경에서 물과 접촉하는 경우가 많기 때문에 그래핀과 물이 접촉한 계면에서의 특성을 파악하는 것이 중요하다. IBS 연구진은 ‘합-주파수 생성 분광법’이라는 기술을 이용하면 그래핀-물 계면에 위치한 물 분자의 수소결합 구조만 선택적으로 관측하는 것이 가능함을 발견했다. 연구진은 플루오린화칼슘(CaF2) 기판 위에 그래핀을 한 층씩 차례로 증착해가며 합-주파수 생성 분광법을 통해 계면 물 분자의 진동을 관측했다. 그 결과 그래핀 층수에 따른 물 분자의 수소결합 구조 변화를 파악할 수 있었다. 기판의 습윤성이 그래핀을 투과하는 성질은 그래핀 층이 쌓일수록 감소했다. 특히, 4층 이상의 그래핀에서는 소수성 계면에서만 관측되는 수소결합을 하지 않는 물 분자들이 관찰됐다. ▲ 합-주파수 생성 분광법을 이용하여 얻은 그래핀-물 계면에서 물 분자의 수소결합 구조. 그래핀을 4겹 이상 쌓으면 소수성 계면의 특징이 나타나는 것으로 확인됐다. 조민행 단장은 “그래핀의 층수가 증가하면 그 계면의 소수성이 증가하는 것을 분자적인 수준에서 설명한 첫 번째 사례”라며 “그래핀이 물에서 활용될 경우 계면의 소수성이 효율성을 결정하는 핵심 요소인 만큼, 이번 연구가 최적의 그래핀 설계를 위한 아이디어를 제시할 것으로 기대한다”고 말했다. 연구결과는 셀(Cell)의 화학 분야 자매지인 켐(Chem) 4월 10일자 온라인 판에 게재됐다. IBS 커뮤니케이션팀 권예슬 2021.04.19
  • QLED TV 성능 낮추는 새 원인 찾았다 QLED TV 성능 낮추는 새 원인 찾았다 QLED TV 성능 낮추는 새 원인 찾았다 1조 분의 1초 만에 전자와 정공이 재결합하는 새로운 현상 발견 양자점 디스플레이(QLED) TV 등 양자점 반도체의 성능을 낮추는 새로운 원인이 발견됐다. 기초과학연구원(IBS) 분자 분광학 및 동력학 연구단은 1000조 분의 1초 단위로 시료를 분석할 수 있는 ‘펨토 초 시분해 분광법’을 이용해 기존 기술로는 관측이 어려웠던 새로운 효율 저하 원인을 찾았다. ▲ 양자점 반도체는 지름이 2~10nm 수준에 불과한 양자점(Quantum Dot)의 전기적‧광학적 성질을 이용하는 기술이다. 출처: Flickr 양자점(Quantum Dot)은 지름이 2~10nm(나노미터‧10억 분의 1m) 수준에 불과한 반도체 입자다. 크기에 따라 다른 주파수의 빛을 방출하는 등 독특한 전기적‧광학적 성질을 지닌다. 양자점과 같은 반도체에는 전자가 머무를 수 있는 특정 궤도(에너지 준위)들로 구성된 두 개의 밴드가 존재한다. 여기서 전자가 차 있는 아래쪽의 밴드를 ‘가전자대’, 전자가 비어있는 위쪽 밴드를 ‘전도대’, 그리고 이 둘 사이의 에너지 차이를 밴드갭(Band Gap)이라 부른다. 밴드 내의 에너지 준위들은 일종의 사다리와 같아서, 외부 에너지(빛)를 받은 전자는 사다리의 위 칸으로 이동한다. 이를 들뜬(excited) 전자라고 부르며, 전자가 사라진 빈자리를 정공(hole)이라 한다. 시간이 지나 에너지를 잃게 되면, 전자는 다시 사다리의 아래층, 즉 낮은 에너지 준위로 돌아와 정공과 재결합한다. 양자점 기술의 핵심은 전도대로 들뜬 전자가 어떤 경로를 거쳐 정공과 재결합하는지에 달려 있다. 들뜬 전자가 빛을 다시 방출하면서 제자리로 돌아와 정공과 결합하는 경우, 이 빛을 디스플레이 등으로 활용할 수 있다. 반면, 오랜 시간 들뜬 상태를 유지하는 경우 빛에 의해 생성된 전자와 정공을 이용하여 전류를 만들 수 있다. 즉, 전도대로 들뜬 전자의 동력학을 이해하는 것은 양자점의 응용에 있어 매우 중요하다. 지금까지 들뜬 전자의 움직임을 파악하기 위한 많은 분광학 연구가 진행됐다. 하지만 기존 연구는 가전자대에 생성되는 정공의 영향 때문에, 복잡한 전자전이(전자의 에너지 준위가 바뀌는 것)를 명확히 관찰하기 어려웠다. 또한, 기존 기술은 전자의 동력학을 실시간으로 관측하기엔 한계가 있었다. ▲ 오비탈 전자 분포 형상과 전자 충돌에 의한 인트라밴드 오제현상 연구진은 펨토초 시분해 분광법을 이용해 ‘자가도핑 양자점(self-quantum dots)' 전도대 내부에서 벌어지는 전자 전이만 선택적으로 실시간 관측하는데 성공했다. 자가도핑 양자점은 전도대의 일부가 전자로 차 있는 입자로, 가전자대의 정공의 영향 없이 전도대 내부 전자의 움직임만을 선택적으로 관측하기 유리하다. 그 결과, 약 1피코 초(ps‧1조 분의 1초) 내에 전자와 정공이 재결합하는 새로운 현상을 발견하고 이를 ‘인트라밴드 오제현상(intraband Auger process)’이라 명명했다. 이는 기존 기술로는 관측할 수 없었던 새로운 현상이다. 기존 오제 현상은 가전자대의 정공이 에너지 전달에 있어 주요한 역할을 수행했다. 반면 관측된 인트라밴드 오제현상의 경우, 전도대의 전자들 간의 충돌 및 에너지 전이를 기반으로 일어난다. 제1저자인 임준형 연구교수는 “들뜬 전자가 빛 방출 없이 정공과 빠르게 재결합하는 ‘오제현상’은 발광 효율을 떨어뜨리기 때문에 양자점의 응용에 있어 해결과제로 여겨져 왔다”며 “전도대 내 전자 전이만을 선택적으로 관측한 결과, 기존 보고된 오제현상 외에 또 다른 비(非) 방사 결합 메커니즘이 존재한다는 것을 처음으로 규명한 것”이라고 설명했다. 연구결과는 ‘셀(Cell)’의 자매지인 ‘매터(Matter)’ 1월 30일자 온라인 판에 실렸다. IBS 커뮤니케이션팀 권예슬 2021.04.05
  • 가장 얇고 넓은 반도체, 단결정으로 만든다 가장 얇고 넓은 반도체, 단결정으로 만든다 가장 얇고 넓은 반도체, 단결정으로 만든다 IBS 연구진이 2차원 반도체를 단결정으로 합성하는 핵심 원리를 규명하고, 장비와 기판 크기에 따라 대면적으로 합성할 수 있는 기술을 개발했다. 이번 성과로 고품질 2차원 반도체를 첨단소자 분야에 응용할 수 있을 것으로 기대된다. IBS 나노구조물리 연구단 이영희 단장과 김기강 연구위원, 최수호 박사후연구원은 숙명여대, 동국대와 공동으로 2차원 반도체 소재를 단결정으로 대면적 합성하는 방법을 개발했다고 18일 밝혔다. ▲ 하단결정 2차원 반도체 합성 모식도 보통의 결정 소재는 수많은 결정들이 합쳐진 다결정 고체다. 결정들 사이에 존재하는 경계 결함은 소재 특성 저하의 원인이 된다. 단결정 합성은 이러한 저하를 방지할 수 있는 중요한 기술이지만, 결정 구조를 완벽하게 이어지도록 구현하는 것이 그간 난제였다. 연구진은 원자 수 개 규모의 톱니 모양 표면을 갖는 금 기판을 이용해 문제를 해결했다. 다결정 박막 결함은 결정들이 각기 다른 방향으로 성장하기 때문에 생긴다. 단결정을 만들기 위해서는 원자 수준에서 결정 성장 방향을 동일한 방향으로 정렬시켜야 한다. 연구진은 금 기판 위에서 전이금속 칼코겐 화합물(transition metal dichalcogenide, 이하 TMD) 단결정이 생김을 우연히 발견하고, 그 이유가 금 기판이 액체 상태에서 응고될 때 한 방향으로 정렬된 톱니 모양 표면을 가지기 때문임을 밝혔다. 이러한 현상을 이론적으로 설명하기 위해, TMD 결정 방향이 금 표면에 나란히 정렬될 때 가장 안정한 에너지를 가짐을 제시했다. 주사터널링현미경으로 톱니 표면과 TMD 결정 방향이 정렬된 것 또한 확인하였다. ▲ 금 표면 위에 합성된 2차원 반도체 단결정의 단면 사진 연구진은 같은 방법을 이용해 이황화몰리브덴(MoS 2 ), 이황화텅스텐(WS 2 ), 이셀레늄화텅스텐(WSe 2 ) 등의 단일소재는 물론, 두 가지 이상의 소재를 접합한 이종접합구조 및 화합물도 단결정 박막 합성이 가능함을 보였다. 공동교신저자인 이영희 연구단장은 "이번 연구로 2차원 반도체 소재 본연의 특성을 지닌 단결정 합성기술을 개발했고, 단결정 합성의 핵심 원리를 규명함으로써 2차원 소재 상용화의 초석을 놨다"고 말했다. 이번 연구를 통해 대면적 단결정 2차원 소재 적층구조에서 나타나는 새로운 물리 현상들을 밝히고, 전자·광소자 연구에도 활발히 응용할 수 있게 됐다. 연구진은 향후 2차원 소재들이 적층된 초격자 구조의 단결정 합성 연구를 수행할 계획이다. IBS 커뮤니케이션팀 최지원 2021.04.02
  • 양자나노과학 연구단, 원자 조작을 기반으로 양자 다체계 연구한다 양자나노과학 연구단, 원자 조작을 기반으로 양자 다체계 연구한다 양자나노과학 연구단, 원자 조작을 기반으로 양자 다체계 연구한다 기초과학연구원(IBS) 양자나노과학 연구단은 미국 IBM 연구소와 공동연구를 통해 주사터널현미경-전자스핀공명 분광법(ESR-STM)을 이용, 양자역학적으로 상호작용하는 인공적인 원자 스핀 배열 구조를 만들고, 여러개의 원자를 서술하는 양자다체계(quantum many body system) 상태에 대한 연구 결과를 발표하였다. ▲ ESR-STM 분광법을 이용한 인공 원자 스핀 배열의 양자상태 측정 모식도 (왼쪽). 상호작용하는 2개 (오른쪽 위), 4개 (오른쪽 아래) 원자 스핀의 양자상태에 대한 개념도. 나노 기술 분야에서는 전통적으로 벌크에서 나노 구조로 축소해 나가는 하향식 (top-down) 접근 방식으로 소자를 소형화 하고 있다. 그러나 이는 원자 수 개 규모의 미시 세계에서 우세해지는 양자 효과로 인해 한계를 맞고 있다. 일부 연구자들은 원자 해상도의 주사터널현미경 (STM)을 이용하여 실제 개별 원자의 정밀한 조작을 통한 상향식 접근 방식으로 패러다임 전환을 시도하고 있다. “개별 원자를 배치하여 인공 구조물을 만드는 것은 기술적으로 놀라운 일입니다. 나노 구조 내 개별 원자의 스핀 상태를 제어할 수 있고 이를 통해 기초 과학의 핵심인 양자 물리학에 대한 이해를 높이는데 필요한 많은 모델 실험을 수행 할 수 있는 가능성이 열립니다.” 라고 안드레아스 하인리히 연구단장은 말한다. IBS 양자나노과학 연구단과 미국 IBM 연구소 공동 연구팀은 개별 원자를 조작해 인공 양자 스핀 배열 구조를 만들고, 주사터널현미경-전자스핀공명 분광법 을 이용한 이들 구조의 양자상태 연구 결과를 지난2 월 12일 Nature Communications에 발표했다. 이러한 스핀 배열 구조 제작과 원자를 선택적으로 측정하는 ESR은, 원자들의 결합 형태 중 하나로 고온 초전도체의 작동 원리의 미시적 모델 중 하나인 공명 원자가 결합 (RVB) 상태와 같이, 양자다체계의 핵심적인 성질에 대해 상향식 접근 방법을 제공한다. IBM알마덴 연구소의 카이 양 박사는 “이번 연구는 고도로 얽힌 양자 상태를 인공적으로 생성하고 자세히 연구할 수 있는 다목적 양자다체계 상태 연구 툴킷을 제공했습니다.” 라고 밝혔다. 양자나노과학연구단 (QNS)의 박수현 박사는 “원자-선택적 ESR-STM 분광법을 통한 양자스핀계의 원자 규모 모델 실험은 나노 스핀 과학을 탐구하는 새로운 길을 열 것입니다. 이번 연구는 스핀 액체 및 고온 초전도와 같은 흥미로운 거시적 물리 현상에 대하여 개별 원자 성질과의 연결 고리를 통한 미시적 이해를 돕는 실험적 접근일 수 있습니다. 또한 원자 단위로 잘 정의된 스핀 소자를 설계할 수 있는 상향식 접근 방식의 새로운 플랫폼을 보여줍니다.”라고 말했다. IBS 커뮤니케이션팀 최지원 2021.02.26
  • 나노입자의 ‘표정’까지 분석하는 알고리즘 개발 나노입자의 ‘표정’까지 분석하는 알고리즘 개발 나노입자의 ‘표정’까지 분석하는 알고리즘 개발 0.1nm 수준 세밀한 눈으로 입자 관찰…신종 바이러스 3차원 구조 분석 등에 활용 기대 단체 사진을 촬영해도 저마다 표정이 다르듯, 같은 나노입자라도 원자 배열에서 미세한 차이가 존재한다. 개별 나노입자 하나하나의 구조를 면밀히 파악하여 이 차이를 구분할 수 있는 새로운 도구가 개발됐다. 기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단은 호주 모나쉬대, 미국 로렌스버클리국립연구소(LBNL)와의 공동연구를 통해 나노입자의 3차원 구조를 원자 수준에서 분석할 수 있는 알고리즘 ‘3D 싱글(3D SINGLE)’을 개발했다. ▲ 3D 싱글 알고리즘을 활용해 얻은 백금 나노입자의 3차원 구조 소재의 물성은 재료를 구성하는 미세한 원자 위치 변화에도 민감하게 반응하다. 이 때문에 고성능 소재 개발을 위해서는 재료의 3차원 구조를 원자 수준에서 분석할 수 있는 기술이 필요하다. 게다가 코로나19 팬데믹과 같이 미증유의 바이러스가 등장한 상황에서는 분석기술의 중요성이 더 커진다. 바이러스의 3차원 구조를 원자 수준에서 정확하고 빠르게 파악해야 진단기술 및 치료제 개발 시 타깃할 부위를 찾아낼 수 있기 때문이다. 초저온전자현미경(Cryo-EM) 등 분석기술의 발전으로 나노입자의 3차원 구조를 파악할 수 있게 됐지만, 기존 기술은 동결된 시료에서 얻은 이미지만을 처리할 수 있다는 한계가 있었다. 동결 과정에서 단백질 및 재료의 구조변화가 생길 수 있다는 의미다. 또한 기존 기술은 동일한 구조를 갖는 다량의 입자를 한 번에 동결시켜 여러 각도의 사진을 얻고, 이 데이터를 처리해 입자 하나의 3D 이미지를 얻는 방식이었다. 제1저자인 허준영 연구원은 “여러 입자를 합성해 하나의 입자로 재구성하는 것보다, 하나의 원자를 추적 관찰하는 것이 나노입자의 ‘표정’까지도 정확히 파악할 수 있다”고 설명했다. 연구진은 2020년 나노입자의 전체적 형상을 넘어 원자 배열까지도 입체적으로 관찰할 수 있는 기술을 세계 최초로 개발한 바 있다(‘20.04, Science) . 이번 연구에서는 자체 개발한 ’3D 싱글‘ 알고리즘을 액상 투과전자현미경에 접목해 관찰 성능을 대폭 높였다. ▲ 나노재료의 구조분석을 위해 이용된 주요 컴퓨터 공학 기법들. 연구진은 관찰하려는 원자만 최대 1.5배 더 뚜렷하게 관찰할 수 있도록 알고리즘을 개선했다. 또한 기존보다 10배가량 빠른 속도로 3차원 구조를 파악할 수 있게 했다. 그 결과, 지난 연구에서는 관찰이 어려웠던 크기 2nm 미만의 극미세 입자까지도 추적할 수 있었다. 박정원 연구위원은 “코로나19 바이러스의 변이처럼 기존과 다른 미세한 구조변화까지도 포착하여 분석해 내는 것이 가능할 것”이라며 “향후 촉매·디스플레이‧신약 개발 등 광범위한 분야에서 소자의 성능개선 및 신물질의 설계‧합성에 기여할 것”이라고 말했다. 연구결과는 재료분야 세계적 권위지인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 1월 30일자에 실렸다. IBS 커뮤니케이션팀 권예슬 2021.02.25
  • 맞춤형 인공 근육 제작한다 맞춤형 인공 근육 제작한다 맞춤형 인공 근육 제작한다 - 골격근 손상 부위 맞춤형 인공 근육 개발…혈관·신경 재생까지 유도 - 면역거부 반응 없는 환자 맞춤형 인공 근육이 나왔다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노의학 연구단(단장 천진우) 조승우 연구위원(연세대 생명시스템대학 생명공학과 교수) 연구팀은 매사추세스 공과대학교(MIT) RLE(Research Laboratory of Electronics) 공동 연구진과 함께 근육 손상 질환 치료를 위한 맞춤형 인공 근육 제작 플랫폼을 개발하였다. ▲ 골격근의 분포 골격근은 뼈에 붙어 움직임을 만들어내는 대부분의 근육을 말한다. 골격근은 뛰어난 자가 재생 능력이 있지만 교통사고, 수술 등으로 심각한 외상이 생기면 영구적인 조직손상으로 이어져 치료가 매우 어렵다. (이미지 출처 : MEDART) 근육은 몸무게의 40%를 차지하는 가장 큰 기관으로, 움직임이 필요한 모든 부분에 위치하여 우리 삶을 영위하는 데 중요하다. 이 중 뼈나 힘줄에 붙어 움직임을 만드는 골격근은 뛰어난 자가 재생 능력이 있지만, 이를 넘어서는 외상이 생기면 영구적인 조직손상으로 이어져 치료가 매우 어렵다. 현재 혈관과 신경을 포함한 근육(유리근)을 이식하는 유리 기능성 근육(free functioning muscle) 이식 1) 이 유일한 근육질환 치료법으로 꼽힌다. 그러나 이식 가능한 근육 조직을 구하기 어렵고 면역 거부 반응이 일어나거나 이식 후 조직 기능이 저하되는 등 여러 문제가 있었다. 연구팀은 면역 거부 반응이 없는 환자 맞춤형 인공 근육을 개발하여 기존 의학의 한계를 극복했다. ▲ 연구진이 개발한 인공 근육 조직 개발 및 생체 적용 모식도 ‘열 인장 기술’로 제작한 PCL 파이버에 ‘직접 교차 분화기술’로 제작한 근육세포를 배양했다. ‘탈세포 매트릭스’를 도입해 근육세포 성숙을 앞당겨(분화 촉진) 기능성 인공 근육 조직을 제작해냈다. 마우스의 골격근 결손 부위에 이식한 결과 손상된 근육조직과 혈관, 신경조직이 성공적으로 재생되었다. 연구팀은 우선 ‘ 열 인장 기술(thermal drawing method) 2) ’을 이용해, 골격 역할을 하는 미세한 다공성(多孔性) 구조의 ‘ 폴리카프로락톤(polycaprolactone, 이하 PCL) 3) 파이버’를 개발했다. PCL 파이버는 골격근 결손 부위의 크기와 형태에 따라 길이와 다공성을 정밀하게 조절할 수 있다. 환자 맞춤형 인공 근육 제작 플랫폼을 개발한 것이다. 개발한 PCL 파이버에 피부세포를 근육세포로 전환하는 ‘직접교차분화기술(direct cell reprogramming)’을 사용해 근육세포를 배양했다. 비교적 채취하기 쉬운 자가 피부세포를 사용해 이식에 필요한 근육 세포를 확보하고 면역거부반응 문제를 해결한 것이다. 또한 근육 조직 특이적 생화학적·물리적 환경을 조성할 수 있는 ‘ 근육 탈세포 매트릭스(decellularized muscle extracellular matrix) 4) ’를 도입했다. 그 결과, 근육세포 직접 교차분화 효율이 향상되어 기능성 인공 근육 조직 제작에 성공할 수 있었다. 연구진은 개발한 인공 근육 조직을 근육 손상 부위에 이식해 근육 재생 경과를 관찰했다. 그 결과 손상된 근육 조직이 재생될 뿐 아니라 기존 근육 재생법보다 혈관과 신경 조직의 재생정도가 크게 향상되었다. 인공 근육의 치료 성능을 실험으로 입증하여 임상 적용 가능성을 보여준 것이다. 조승우 연구위원은 “기존 근육질환 치료 방법을 대체할 수 있는 새로운 의료기술 개발에 성공하였다”라며 “추후 실제 임상 적용을 위해 대동물모델에서 근육 재생 효능과 안전성을 더욱 면밀히 평가할 계획”이라고 전했다. ▲ 이번 연구의 주역들 좌측부터 조승우 IBS 나노의학 연구단 연구위원(교신저자), 진윤희 연세대학교 생명공학과 연구교수(제1저자), 전은제 연세대 생물소재공학협동과정 학생연구원(제1저자) 이번 연구성과는 융합 소재 분야 세계 최고 권위의 학술지 중 하나인 ‘어드벤스드 머티리얼스(Advanced Materials, IF 27.398)’에 2월 19일 오후 9시(한국시간) 게재되었다. IBS 커뮤니케이션팀 박유진 1) 유리 기능성 근육 이식 : 저하된 근육 기능을 재건하는 것을 목적으로 혈관, 신경을 포함한 유리 근을 이식하는 수술 2) 열 인장 기술(thermal drawing method) : 열을 가해 소재의 내부 구조를 온전히 유지하면서 얇고 긴 형태로 가공 할 수 있는 기술 3) 폴리카프로락톤(polycaprolactone, PCL) : 의료용 생분해성 폴리에스터계 생체 소재. 연구진은 PCL 파이버의 다공성을 조절해 근육 조직과 유사한 물리적 성질을 갖도록 제작했다. 4) 근육 탈세포 매트릭스(decellularized muscle extracellular matrix) : 면역 거부 반응을 유발하는 유전 물질을 제거하여 근육 특이적 세포외기질로만 구성된 천연 생체 소재 2021.02.19