〈 윤동기 교수, 박원기 박사과정 〉

우리 대학 화학과/나노과학기술대학원 윤동기 교수 연구팀이 나선 나노 구조체를 만드는 액정 물질을 이용해 광결정(photonic crystal) 필름을 제작하고, 이를 이용해 식품이나 약물 등에 함유된 카이랄 물질을 별다른 기기 없이 눈으로 검출하는 데 성공했다.

이번 연구를 통해 기존의 광 식각공정(photolithography)으로 제작이 어려웠던 나노미터 크기의 카이랄 광결정 제작에 성공했으며, 이를 기반으로 액정기반의 나노 재료를 활용해 디스플레이, 광학 및 화학 센서 등의 응용기술에 다양하게 이바지할 것으로 기대된다. 박원기 박사과정이 1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘NPG 아시아 머티리얼즈(NPG Asia Materials)’ 8월 16일 자 온라인판과 ‘어드밴스드 옵티컬 머티리얼즈(Advanced Optical Materials)’ 12월 4일 자 표지논문에 게재됐다. (논문명 : Directed self-assembly of a helical nanofilament liquid crystal phase for use as structural color reflectors/Direct visualization of optical activity in chiral substances using a helical nanofilament (B4) liquid crystal phase)

잘 정렬된 나선형 나노 구조체를 만드는 일은 산업적 및 학문적으로 수요가 높은 기술로 여겨져 디스플레이 산업 및 광학 분야에서 꾸준히 연구되고 있다. 바나나 모양의 굽은형 액정분자는 고온에서 서서히 냉각될 때 무작위로 배향된 나선형 구조체를 형성한다. 이들을 잘 정렬할 수 있다면 카이랄 광결정으로 이용할 수 있으나, LCD용 액정 재료와는 달리 굽은형 액정분자를 정렬할 방법이 존재하지 않았다. 복잡한 분자구조의 액정 재료를 활용하기 위해선 극한으로 분자들의 거동을 제어하고 균일한 배향을 유도하는 기술이 필요하지만, 관련 기술의 부재로 응용되지 못했다. 연구팀은 LCD의 핵심 재료로 사용되는 일반형 액정분자보다 분자구조가 더 복잡한 굽은 형태의 액정분자가 형성하는 200~300나노미터의 나선 주기를 갖는 나선형 나노 구조체를 대면적에서 배향하는 데 성공했다. 이를 통해 빛을 반사하는 광결정을 제작했다.

다음으로 연구팀은 이들 분자를 제어하고 응용하기 위해, 빛에 의해 분자의 모양 및 배향이 바뀌는 현상인 광이성질체화(photoisomerization)를 유도할 수 있는 광 반응성 굽은형 액정분자를 설계했다. 연구팀은 이 액정분자들이 마치 해바라기가 빛을 따라가듯이 빛에 나란히 배향한다는 점에 착안해, 이들이 형성하는 나선 나노 구조체도 빛의 방향에 따라 매우 균일하게 세워질 수 있도록 제작했다. 이렇게 방향이 제어된 나선 나노 구조체는 분자의 길이에 따라 다양한 색을 보여 푸른색에서 초록색의 빛을 선택적으로 반사하는 일종의 카이랄 색상 거울로 활용할 수 있었다. 이러한 거울을 이용하면 왼쪽 혹은 오른쪽의 카이랄성을 갖는 일상생활 속의 다양한 화학물질, 한 예로 설탕을 이루는 과당과 포도당의 경우 별다른 도구 없이 왼쪽 혹은 오른쪽의 카이랄성을 갖는다는 점을 관찰할 수 있었다.

윤동기 교수는 “의약품 및 관련 화학산업에서 물질의 카이랄성은 독성 및 부작용과 밀접한 관련이 있다. 예를 들어, 60여 년 전에 임산부 입덧 방지용으로 쓰이던 탈리도마이드(thalidomide)라는 약은 카이랄성이 다를 경우 기형아를 유발할 수 있다는 점 때문에 금지된 바가 있는데, 이번 연구를 통해 카이랄성에 따라 부작용을 갖는 화학약품들을 제조단계에서부터 실시간으로 검출할 수 있게 될 것이다”라고 말했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부-한국연구재단의 멀티스케일 카이랄 구조체 연구센터, 전략과제, 미래유망 융합기술 파이오니아사업과 교육부의 글로벌연구네트워크 사업의 지원을 받아 수행됐다.

□ 그림 설명

그림1. 어드밴스드 옵티컬 머티리얼즈 표지

그림2. 배향된 액정필름을 이용하여 카이랄 시료를 검출하는 모식도

우리 화학과 임미희 교수 연구팀이 손상된 마이크로글리아의 식세포 작용을 회복시킬 수 있는 ‘가장 작은 합성 분자’를 발견하고, 알츠하이머 동물 모델들의 치료까지 입증해 세계적으로 주목받고 있다.

이번 연구는 세계적 과학 학술지인 ‘Proceedings of the National Academy of Sciences of Prospects of the United States of America’ 저널에 11월 4일자로 게재됐다. 언론매체도 하이라이트 되고 있음 (https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-11/potn-naa103019.php).

퇴행성 뇌 질환인 치매의 일종으로, 알츠하이머 병은 다양한 원인에 의해 발생할 수 있다고 제시됐다. 따라서, 이 질병을 치료하기 위해서 병의 원인을 정확히 파악하고 그에 맞는 치료제들을 개발하는 것이 무엇보다 중요하다.

아밀로이드-베타 펩타이드는 알츠하이머 병과 밀접한 관계가 있다고 보고되어왔다. 뿐만 아니라, 뇌의 신경 세포이며 면역 세포인 마이크로글리아는 신경염증반응을 하는데 중추적인 역할을 한다고 알려져 있다. 최근 들어, 아밀로이드-베타 펩타이드와 마이크로글리아의 신경염증 반응 사이의 상관관계가 알츠하이머 병을 일으킬 수 있는 주요한 원인으로 주목받고 있다.

본 연구팀은 알츠하이머 동물 모델들에 개발한 가장 작은 합성 분자를 주입한 후, 동물들의 인지 능력과 뇌 속에 존재하는 아밀로이드-베타 펩타이드의 양을 관찰하고, 병의 치료제로서 유효한 효과가 어떤 기작에 의해 발생하는지 조사하였다. 연구 결과, 본 연구팀이 보고하는 ‘가장 작은 합성 분자’는 NF-kB 경로의 억제를 통해 NLRP3 염증조절복합체를 구성하는 단백질인 ASC와 NLRP3의 발현을 억제시켜 마이크로글리아의 식세포 능력을 다시 회복시키는 것으로 나타났다. 정상적으로 회복된 마이크로글리아는 식세포 작용을 통해, 뇌 속에 존재하는 아밀로이드-베타 펩타이드의 양을 감소시켜, 알츠하이머 동물 모델들의 손상된 인지능력을 다시 향상시키는 것으로 보인다.

임미희 교수는 “이 연구는 마이크로글리아의 식세포 작용 손상을 복구시켜 알츠하이머 병을 치료할 수 있다는 것”을 보여주며, 더욱 나아가 “이번 연구에서 발견된 합성 분자를 바탕으로 다양한 퇴행성 뇌질환의 치료제 개발에 더욱 박차를 가할 것이다”라고 밝혔다. 이번 연구는 경북대학교 배재성 교수, 진희경 교수 연구팀과 함께 공동연구로 진행되었고. 한국연구재단, 한국과학기술원, 한국보건산업진흥원, 국가과학기술연구회 지원으로 수행되었다.

[그림] ‘가장 작은 합성 분자’를 통한 알츠하이머 병 치료 도전

우리 대학 화학과 김현우 교수 연구팀이 핵자기공명(NMR) 분광분석기를 통해 알코올 화합물의 광학활성을 간단히 분석할 수 있는 기술을 개발했다. 이 기술은 빠르고 간편한 분석 방법을 가지고 있어 다양한 알코올 화합물의 광학활성뿐만 아니라 비대칭 합성반응의 모니터링까지 폭넓게 응용 및 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

장수민 박사과정이 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 셀의 자매지 ‘아이 사이언스 (iScience)’ 9월 27일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : A Gallium-Based Chiral Solvating Agent Enables the Use of 1H NMR Spectroscopy to Differentiate Chiral Alcohols)

광학이성질체는 오른손과 왼손의 관계처럼 서로 같은 물질로 이뤄져 있으나 거울상 대칭이 되는 화합물을 말한다. 우리 몸의 필수 구성요소인 아미노산과 당은 하나의 광학이성질체로 이뤄져 있어, 새 화합물이 생체 내에 들어가면 그 화합물의 광학활성에 따라 서로 다른 생리학적 특징을 나타내기 때문에 신약개발에서 광학활성을 조절하고 분석하는 연구가 필수적이다. 광학활성을 분석하는 방법으로 고성능 액체크로마토그래피(HPLC)가 주로 사용되며, 이를 통한 광학활성 분석 시장은 일본이 전체의 50% 이상을 차지하고 있다. 하지만 고성능 액체크로마토그래피는 분석에 30분에서 1시간이 소요되고 분석물이 발색단(發色團)을 가져야 분석 가능하다는 단점이 있다. 이에 비해 화합물의 분자 구조를 분석하는 데 많이 활용되는 핵자기공명(NMR) 분광분석기는 1~5분의 분석시간을 가지고 있으나, 광학활성 화합물의 신호를 분리하는 효과적인 방법이 규명되지 않았다.

김 교수 연구팀은 갈륨금속 중심의 음전하를 띤 금속 화합물을 합성하고 핵자기공명(NMR) 분광분석기를 활용해 효과적인 광학활성의 분석 방법을 개발했다. 연구팀은 금속 화합물과 광학활성 알코올 화합물 간 비공유 상호작용을 통해 핵자기공명 분광분석기의 신호가 구별돼 광학활성을 분석할 수 있는 원리를 이용했다. 기존 핵자기공명(NMR) 분광분석기를 통한 광학활성 분석은 알코올의 상온 분석 방법은 보고되지 않았다. 이번 연구는 다양한 작용기를 포함하고 있는 알코올 화합물의 상온 광학활성을 규명했다는 의의를 갖는다. 이번 연구에서 개발된 방법은 많은 신약 및 신약후보 물질의 광학활성 분석에 활용될 수 있으며, 특히 일본의 의존도가 높은 고성능 액체크로마토그래피(HPLC)를 이용한 광학활성 분석 방법을 대체할 수 있을 것으로 기대된다.

김 교수는 “핵자기공명 분광기를 활용한 광학활성 분석 관련 최고 수준의 기술이며, 신약개발에 필요한 광학활성 분석에 활용될 것으로 기대한다”라고 말했다. 이번 연구는 삼성미래기술육성재단의 지원을 받아 수행됐다.

□ 그림 설명

그림1. 김현우 교수 연구성과 개념도

우리 대학 화학과 장석복 특훈교수가 대한민국 최고과학기술인상 상금 1억 원을 KAIST 발전기금으로 기부했다. 유기화학 분야의 세계적 권위자인 장석복 교수는 탄화수소 활성화 과정의 메커니즘 규명 및 이를 이용한 전이금속 촉매반응 개발에서 새로운 영역을 개척하고 발전시킨 공로를 인정받아 지난 7월 4일 대한민국 최고과학기술인상을 수상했다.

기초과학 분야에서 좋은 평가를 받게 되어 큰 영광으로 생각한다고 소감을 밝힌 장 교수는 “저의 대표 연구 업적을 포함한 모든 성과는 졸업생 및 재학생들이 만들어내 결과물로 저는 그저 우수한 구성원을 만난 행운이 있었을 뿐이다. 그런 면에서 좋은 연구 여건을 마련해준 제가 속한 이 곳에 대한 조그마한 감사를 드리고 싶었다”고 전했다. 장 교수는 2013년 경암상과 2018년 도레이 과학기술상 및 각종 과학상으로 받은 상금의 일부를 학과에 꾸준히 기부해왔다.

이번에 약정한 발전기금은 화학과 미래장학기금 및 류근철 스포츠컴플렉스 기금으로 각각 5000만 원씩 사용될 예정이다. 신성철 총장은 “의미 있는 수상금을 발전기금으로 흔쾌히 쾌척해 주셔서 감사드린다”며 “장 교수의 기부금은 세계적인 수준의 근접한 화학과의 발전에 기여함을 물론이고, 학생 및 교직원의 건강 증진에 도움을 주고 있는 류근철 스포츠컴플렉스의 운영에도 큰 도움이 될 것”이라고 말했다. 장 교수는 현재 KAIST 화학과 특훈교수와 더불어 기초과학연구원(IBS) 분자활성 촉매반응 연구단장으로 재직 중이다.

우리 학과 박윤수 박사 (27, 지도교수: 장석복)가 화학분야 우수 신진연구자로 연달아 선정되며, 국제 과학계의 주목을 받고 있다. 화학분야 세계 최대 학술단체인 미국화학회(ACS)와 세계 최대 과학출판사인 엘스비어(Elsevier)는 젊은 연구자 상 최종 수상자로 박윤수 박사를 선정했다고 각각 밝혔다.

박 박사는 미국화학회가 지난 5월 15일 발표한 ‘2019 카스 퓨처 리더스(CAS Future Leaders) 최종 명단에 이름을 올렸다. 올해로 10회를 맞이한 카스 퓨처 리더스는 화학 및 관련 연구 분야에서 두각을 드러내고 있는 박사 및 박사후연구원에게 주어지는 상이다. 차세대 리더로써 잠재력을 갖춘 연구자를 선정해, 그들이 날개를 펼칠 수 있도록 네트워킹 등을 지원한다. 올해는 35개국 171명의 지원자 중 29명의 연구자가 최종 선발됐으며, 한국인은 박 박사가 유일하다.

한편, 엘스비어는 ‘2019 리액시스 PhD 프라이즈(2019 Reaxys PhD Prize)’ 수상자로 박윤수 연구위원이 선정됐다고 7월 30일 밝혔다. 2010년 출범한 리액시스 프라이즈는 최고 수준(best of the best)의 연구 역량을 갖춘 화학분야 연구자에게만 수여되는 상으로 명성이 높다. 올해는 360여 명의 후보자의 연구 성과 및 성장 가능성을 종합적으로 평가해 45명의 수상자를 뽑았다. 최종 수상자들은 ‘리액시스 프라이즈 클럽(Reaxys Prize Club)’의 평생회원이 돼 화학분야의 국제적인 석학들과 함께 연구를 공유하며, 공동연구를 모색할 수 있는 기회가 주어진다.

박윤수 박사는 한국과학기술원(KAIST) 화학과 학부 재학시절부터 장석복 IBS 분자활성 촉매반응 연구단장 지도하에 새로운 유기화학 반응개발을 중점적으로 연구 해왔다. 백무현 IBS 부연구단장의 공동 지도하에 양자화학적 계산을 이용한 새로운 촉매 설계에 성공하기도 했다. 대표적인 성과로 2018년 국제학술지 ‘사이언스(Science)’와 ‘네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)’에 연달아 보고한 연구가 있다. 이 연구에서 연구진은 석유, 천연가스 등 자연에 풍부한 탄화수소로부터 유용한 의약품 및 화학소재 원료물질인 락탐을 합성하는데 성공했다. 이 외에도 박사과정으로 재학한 5년 동안 ‘미국화학회지(JACS)’를 포함해 저명한 국제학술지에 11편의 논문을 주저자로 게재했다.

박 박사는 “장석복, 백무현 교수님의 끊임없는 지도와 더불어 중장기적인 관점에서 연구를 지원하는 IBS의 정책 덕분에 연구에만 온전히 집중할 수 있었던 것 같다”며 “향후 유용성에도 불구하고 비싼 가격으로 인해 사용이 어려웠던 촉매의 가격을 낮추는 연구를 진행할 계획”이라고 밝혔다.

우리 대학 화학과 장석복 특훈교수가 과학기술정보통신부와 한국과학기술단체총연합회의 2019년 ‘대한민국최고과학기술인상’ 수상자로 선정됐다.

장석복 특훈교수는 기초과학 분야인 ‘탄소-수소 결합 활성화 촉매 반응개발’ 분야에서 선도적인 업적을 달성하고 그 연구결과를 사이언스(Science), 네이처 케미스트리(Nature Chemistry), 네이처 카탈리시스(Nature Catalysis) 등에 발표해 전 세계적 연구 방향을 주도하는 등 우리나라 자연과학의 위상을 세계적으로 드높이는데 크게 기여했다. 장 교수는 탄소-수소 결합으로부터 탄소-탄소 결합을 형성하는 전이금속 촉매반응 개발을 선도했으며, 탄소-수소 결합의 활성화를 통해 탄소-질소 결합을 형성하는 독창적인 로듐 촉매반응 개발, 이를 바탕으로 거울상 선택적으로 락탐 구조를 합성하는 획기적인 비대칭화 이리듐 촉매 반응을 개발해 학계의 오랜 난제를 해결했다. 장 교수의 탄소-질소 결합 형성 촉매 반응개발에 관한 일련의 선도적인 연구는 전 세계 대학과 기업의 합성․의약․재료 연구실에서 벤치마킹하고 있으며, 후속연구를 통해 국가 산업발전에 크게 기여할 것으로 기대된다. 장 교수는 2015～18년 동안 4년 연속 세계 1% 최상위 피인용 연구자로 선정되기도 했다.

대한민국 최고과학기술인상은 우리나라를 대표할 수 있는 업적이 뛰어난 과학기술인을 발굴해 명예와 자긍심을 높이고 연구개발에 전념할 수 있는 환경을 조성하기 위해 2003년부터 시상해 온 명실상부한 우리나라 최고의 과학기술인을 위한 상이다. 그동안 수상한 과학기술인은 총 42명(‘19년 수상자 포함)으로 자연(이학) 15명(36%), 생명(의약학, 농수산) 14명(33%), 공학 13명(31%)이며, 수상을 통해 연구개발에 매진해 국가발전 및 국민 복지 향상에 크게 기여한 바 있다.

과학기술정보통신부는 오는 7월 4일(목) 한국과학기술단체총연합회가 주최하는 2019년 대한민국과학기술연차대회 개회식에서 수상자들에게 대통령 상장과 상금 3억 원을 수여할 계획이다.

우리 대학 기계공학과 민범기 교수, 화학과 한순규 교수, 생명과학과 이승재 교수가 제2회 한성과학상 수상자로 선정됐다.

한성손재한장학회(이사장 손재한)가 제정한 한성과학상은 발전 가능성이 큰 젊은 과학자들을 매년 발굴해 포상함으로써 연구자의 사기를 높이고 그들의 연구성과물이 대한민국 및 인류복지증진에 이바지하기 위해 만들어졌다.

매년 물리, 화학, 생명과학 분야에서 각 1명씩 선정해 상패와 상금 5천만 원을 수여한다. 올해는 우리 대학에서 모든 수상자가 배출됐다. 시상식은 오는 8월 16일 경기도 화성 YBM 연수원에서 열린다.

화학 분야 수상자인 한순규 교수는 역대 수상자 중 최연소로(만 36세) 천연물 전합성 분야에서 두드러진 연구 결과와 장래성을 인정받아 수상자로 선정됐다. 자연에서 추출되는 복잡한 구조의 천연물을 실험실에서 인공적으로 만드는 천연물 전합성 분야는 연구의 난도가 높고 연구의 호흡이 길어 젊은 과학자가 도전하기에는 상당한 어려운 분야이다. 한 교수는 생합성 가설에 기반한 합성전략을 통해 난제로 여겨진 포스트-이보가 및 이합체 세큐리네가 천연물의 화학적 합성에 성공했다. 한 교수의 연구 결과는 마약중독 치료제 및 항암제 등의 후보물질 개발에 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

화학 분야 수상자인 한순규 교수는 “한성과학상의 제정 취지가 젊은 과학자를 격려해 우리나라에서도 노벨상 수상자가 나올 수 있는 분위기를 조성하는 것이다”라며 “인류에 도움이 되는 새로운 학문 분야를 개척할 수 있도록 노력하겠다”라고 말했다.

우리 대학 화학과/나노과학기술대학원 윤동기, 기계공학과 김형수 교수 공동 연구팀이 마이크로 크기의 DNA 2차원 마이크로패치 구조체를 제작하고 이를 제어, 응용하는 기술을 개발했다.

윤 교수 연구팀은 커피가 종이에 떨어지고 물이 마르면 동그랗게 환 모양이 생기는 이른바 ‘커피링 효과’라 불리는 현상을 DNA 수용액에 적용해 세계 최초로 DNA 기반의 마이크로패치를 제작했다. 차윤정 박사, 박순모 박사과정 학생이 공동 1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 6월 7일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Microstructure arrays of DNA using topographic control)

유전 정보를 저장하는 기능을 하는 DNA는 이중나선 구조와 나노미터 주기의 규칙적인 모양을 가져 소재 분야에서 일반적인 합성방법으로는 구현하기 힘든 정밀한 구조재료이다. 정밀한 DNA 합성과 오리가미(Origami) 기술을 이용해 스마일 패치(smile patch) 등의 재미있는 모양을 구현해 왔지만, 재료의 가격이 높아 실제 응용에 어려움을 겪었다. 윤 교수 연구팀은 이를 극복하기 위해 연어에서 추출한 DNA 물질을 이용해 기존보다 1천 배 이상 저렴한 비용으로 잘 정렬된 뜨개질(knit) 혹은 아이스크림콘 모양의 기존에 없던 마이크로패치 구조체를 대면적에서 구현했다.

연구팀은 DNA가 물에 녹으면 마치 물풀과 끈적끈적해지면서 서로 적당한 힘으로 끌어당기며 일정한 방향으로 정렬하는 액정상(liquid crystal phase)을 보인다는 점에 주목했다. 액정 표시장치(LC display 혹은 LCD)에서 액정분자들이 전기장을 통해 방향성이 제어되는 것처럼 수용액 상태의 DNA 액정상이 두 기판 사이에서 문질러지며 물의 증발이 이뤄질 때 DNA 나노 구조체들이 원하는 방향으로 정렬하게 된다. 과일 잼을 식빵에 바르면 과일 알맹이(pulp)가 한 방향으로 잘 펴 발라지면서 마르는 현상과 유사하다. 연구팀은 DNA가 한 방향으로 문질러져서 마를 때 바닥에 평평한 기판 대신 일정한 모양을 갖는 수 마이크론 크기의 기둥(혹은 요철)들이 있는 기판을 사용하면 2차원의 뜨개질 모양, 아이스크림콘 모양 등 좀 더 흥미로운 들을 제작할 수 있음을 확인했다. 또한, 금 나노막대와 같은 플라즈몬 공명(plasmon resonance)을 나타내는 소재와 결합해 디스플레이 소자에 응용을 시도했다. 플라스몬 공명은 금속으로 만들어진 기판에 빛을 쪼일 때 그 표면 위에서 전자가 일정하게 진동하면서 자신의 에너지와 일치하는 빛에만 반응하는 현상으로 특정한 색만 반사하여 선명도와 표현력을 높이는 데 사용된다.

이 방식에서 가장 중요한 점은 어떤 방향으로 금 나노막대가 정렬하는지를 나타내는 배향(orientation)이다. 즉 막대들이 한 방향으로 나란히 정렬될 때 광학·전기 특성이 극대화된다. 윤 교수 연구팀은 이러한 점에 착안해 DNA 마이크로패치를 일종의 틀로 삼아 금 나노막대들을 독특한 형태로 배향하고 플라즈몬 컬러 기판을 제작하는 데 성공했다. 연구팀이 개발한 DNA 2차원 마이크로패치 제작 기술은 DNA를 구조재료 및 전자소재로써 활용할 수 있는 단서를 마련했을 뿐 아니라 증발 현상과 DNA 액정물질이 접목될 때 나타나는 독특한 형태의 복잡한 분자 거동 해석에 대한 단서를 제공할 것으로 기대된다. 윤 교수는 “연구를 통해 밝힌 것처럼 DNA가 금 나노막대와 같은 광학 소재와 복합체를 쉽게 만들 수 있는 만큼, 자연계에 무한히 존재하는 DNA를 디스플레이 관련 분야의 신소재로서 응용할 수 있을 것으로 기대한다”라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부-한국연구재단의 전략과제, 멀티스케일 카이랄 구조체 연구센터, 미래유망 융합기술 파이오니아사업과 신진연구 과제의 지원을 받아 수행됐다.

□ 그림 설명

그림1. DNA 분자 배향 모식도

그림2. DNA-금 막대 입자 복합체의 배향 양상과 나타나는 플라즈모닉 광학 현상

우리과에 재직 중인 임미희 교수가 Royal Society of Chemistry 학술지인 Chemical Science (IF=9.063) Editorial Advisory Board로 선정되었습니다. Prof. Mi Hee Lim was selected as a member of the Editorial Advisory Board of Chemical Science.

화학과 송현준 교수 연구팀이 이산화탄소를 70% 이상 에틸렌으로 변환하면서 수소가스 외에 부산물이 발생하지 않는 전기화학 나노촉매를 개발했다.

이번 연구는 중성 탄산수 전해질을 이용해 ‘산업의 쌀’이라 불리는 에틸렌을 70% 이상의 높은 선택성으로 제조하면서 수소 외의 부산물이 나오지 않아 다양한 에너지 제조 및 저장 반응에 이용 가능할 것으로 기대된다. 김진모, 최웅 박사가 공동 1 저자로 참여하고 박준우, 김민준 박사과정, 베를린공대 김청희 박사가 함께 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘미국 화학회지(Journal of The America Chemical Society)’에 4월 9일자로 게재됐다.

태양광과 바람으로 대표되는 신재생 전기에너지는 공급량과 수요량의 차이가 있어 과잉 공급량을 보관할 대용량 저장장치가 필요하다. 이에 전기에너지를 화학에너지로 변환해 저장하는 전기화학 프로세스가 대안으로 떠오르고 있다. 전기에너지를 이용한 이산화탄소 변환기술은 태양광을 이용한 광촉매보다 에너지 효율이 뛰어나고 메탄뿐 아니라 에틸렌, 에탄올 등의 탄소화합물을 만들 수 있어 활용가치가 높다. 특히 ‘산업의 쌀’이라 불리는 에틸렌을 생성할 수 있어 해당 분야에서 크게 주목받고 있다. 이 기술은 에너지와 환경 문제를 함께 해결할 수 있다는 장점이 있지만, 현재까지 개발된 전기화학 촉매는 선택성이 떨어지고 다양한 혼합 생성물이 제조돼 추가 분리 과정이 필요하다는 한계가 있다.

문제 해결을 위해 연구팀은 구리(I)산화물 육면체 나노입자를 합성한 뒤 산화시켜 가지 모양의 구리(II)산화물 나노입자로 합성했다. 이를 탄소 지지체 표면에 담아 구리산화물-탄소 전극 물질로 활용했고, 이를 중성 수용액에서 반응 실험한 결과 이산화탄소에서 70% 이상의 에틸렌을 얻었다. 연구팀은 부산물 발생을 억제하기 위해 구리산화물이 전기에너지에 의해 환원될 때 그 구조가 작은 결정 크기를 갖도록 유도했다. 이를 통해 형성된 4~5나노미터 크기의 구리산화물 구조는 표면 반응성이 크게 향상되는 동시에 탄소 물질에 의해 안정화된 이상적인 촉매 구조를 갖게 됐다. 그 결과로 나노입자 촉매 중에서는 가장 높은 전류밀도와 안정성을 보였으며 특히 모든 촉매를 통틀어 중성 수용액 조건에서 가장 뛰어난 에틸렌 선택성을 보였다.

송현준 교수는 “전기에너지를 이용한 이산화탄소의 직접 변환 반응은 높은 효율에 비해 선택성이 낮았으나, 이번 연구처럼 촉매 구조를 나노 수준에서 균일하게 조절하는 경우 반응 특성을 크게 높일 수 있다.”라며 “이번 연구는 나노 수준의 촉매 디자인이 고효율 에너지 제조 촉매 개발에 필수적인 역할을 하고 있음을 보여준다.”라고 말했다.

이번 연구는 차세대 탄소자원화 사업단과 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.

제목: Tunable regulatory activities of 1,10-phenanthroline derivatives towards acid sphingomyelinase and Zn(II)–amyloid-β

내용: The cover image shows 1,10-phenanthroline derivatives as chemical modulators for acid sphingomyelinase, Zn(II)-bound amyloid-β, or both. Utilizing such chemical modulators, both the aggregation and clearance of Aβ could be controlled. This work was mainly carried out by two graduate students, Yelim Yi and Jiyeon Han, from Professor Mi Hee Lim’s group.

우리 대학 나노융합연구소(연구소장 정희태)는 3월 25일 본교 KI 빌딩 패컬티 컨퍼런스룸에서 제 9회 ‘KINC 융합연구상’ 시상식을 개최했다.

‘KINC 융합연구상’은 참여 교수들의 융합 연구를 장려하고 연구 의욕을 고취하기 위해 제정되었다. 전년도 실적을 기준으로 나노융합연구 업적이 우수한 연구자를 포상해 융합연구 분위기를 더욱 북돋으려는 취지다.

9회째를 맞는 올해는 수상 부문을 ‘최다수 융합논문’ 부문과 ‘최우수 융합논문’ 부문으로 나눠 진행했다.

교내‧외 다양한 연구진과 공동 연구한 융합논문 실적수가 가장 많은 연구자를 선발하는 ‘최다수 융합논문’ 부문에는 신소재공학과 김일두 교수가 최우수상 수상자로 선정되었으며, 나노과학기술대학원 서명은 부교수, 신소재공학과 전석우 교수가 우수상을 수상했다.

행사를 주최한 나노융합 연구소 정희태 소장(생명화학공학과 교수)은 “융합은 미래 사회와 산업에 혁명을 일으킬 핵심 키워드로 이번 시상이 연구자들에게 융합 연구의 중요성을 보다 강조할 수 있는 계기가 되길 바란다”며, “앞으로도 융합연구가 발전할 수 있는 연구 환경을 조성하기 위해 나노융합연구소가 앞장서겠다.”고 밝혔다. 
  
한편, 나노융합연구소(KAIST Institute for the NanoCentury, KINC)는 나노과학기술분야에서 학과 간의 경계를 허물어 진정한 학제 간 공동연구를 촉진하고 창조적인 융합연구를 추진하기 위해 지난 2006년 6월 KAIST 연구원 산하 조직으로 설립되었다. KAIST의 대표적인 융합연구소로 자리 잡은 나노융합연구소는 14개 학과 100여 명의 교수가 참여하고 있으며, 세계를 선도하는 나노융합연구 허브대학연구소를 목표로 활발한 연구 성과를 배출하고 있다. 

자연계의 많은 분자들은 자신과 똑 닮은 ‘쌍둥이 분자’를 갖고 있다. 이들은 구성하는 원소의 종류와 개수가 같아도 서로 완전히 다른 성질을 나타낸다. 특히 쌍둥이 분자가 서로를 거울에 비친 모습과 같은 형상을 띈 경우를 ‘거울상 이성질체’라고 한다.

우리 대학 화학과 장석복 교수(IBS 분자활성 촉매반응 연구단장)와 IBS 박윤수 연구원은 두 개의 거울상 이성질체 중 한 종류의 분자만을 선택적으로 합성할 수 있는 새로운 촉매를 개발했다. 또 이 촉매를 이용해 자연에 풍부한 탄화수소화합물을 의약품의 필수재료인 카이랄 락탐으로 제조하는 데도 성공했다.

거울상 이성질체는 왼손과 오른손처럼 서로를 거울에 비춰보면 같은 모양이지만, 아무리 회전시켜도 겹칠 수 없는 이성질체를 말한다. 거울상 이성질성 또는 카이랄성(Chirality)이라고 불리는 이 특성은 의약품 개발에도 매우 중요하다. DNA, 단백질 등 생체물질 역시 카이랄성을 지녀 개발된 약물의 유형에 따라 각각 다른 생리활성을 나타내기 때문이다. 또 한 쪽 유형이 유용할지라도, 다른 유형의 이성질체는 독약이 될 수도 있다. 하지만 유용한 이성질체만을 선택적으로 합성하는 비대칭반응(asymmetric synthesis)은 아직까지 현대 화학의 난제로 꼽히고 있다.

연구진은 새로운 촉매 개발로 이 난제를 해결했다. 연구팀은 2018년 3월 국제학술지 ‘사이언스(Science)’에 자연계에 풍부한 탄화수소를 고부가가치의 감마-락탐 화합물로 전환시키는 이리듐 촉매 개발 성과를 발표한 바 있다. 하지만 당시 개발된 촉매 역시 두 가지 형태의 거울상 이성질체가 선택성 없이 모두 얻어진다는 단점이 있었다.

이번 연구에서 연구진은 수십여 개의 후보 촉매 중 카이랄 다이아민(Chiral Diamine) 골격을 포함한 이리듐 촉매가 99% 이상의 정확도로 거울상을 선택할 수 있음을 발견했다. 개발된 촉매는 필요에 따라 카이랄성 감마-락탐을 골라서 합성할 수 있다. 왼손잡이성 이리듐 촉매를 사용할 경우엔 왼손잡이성 감마-락탐이, 오른잡이성 이리듐 촉매를 사용하면 오른손잡이성 감마-락탐을 제조할 수 있다.

이후 연구진은 계산화학 시뮬레이션 연구를 통해 높은 선택성의 원인을 분석했다. 가령, 왼손잡이성 촉매를 사용한 경우에는 락탐의 합성과정에서 카이랄 다이아민 촉매와 탄화수소화합물 사이에는 일시적인 수소 결합이 발생하고, 이로 인해 왼손잡이성 락탐 형성이 촉진된다는 사실을 확인했다.

연구진은 개발한 촉매를 통해 다양한 구조를 갖는 카이랄 락탐 화합물을 합성하는 데도 성공했다. 이렇게 합성된 카이랄 락탐은 독특한 입체적 특성 때문에 생체 단백질과의 상호작용이 유용하다. 특히 우리 신체를 구성하는 아미노산 유도체나, 천연물도 모두 카이랄성 분자인 만큼, 신체 내 생리활성을 효과적으로 높인 약물 개발이 가능할 것으로 기대된다.

이번 연구를 이끈 장석복 단장은 “약효를 갖는 의약품의 핵심 단위만 선택적으로 제조할 수 있는 기술로 향후 유기합성 및 의약분야 연구로 이어져 부작용을 덜고 효과는 높인 신약개발까지 이어지리라 기대한다”며 “자연계에 풍부한 탄화수소화합물을 재료로 고부가가치 원료를 제조할 수 있다는 경제적 효과도 있다”고 말했다.

연구성과는 화학분야 권위지인 네이처 카탈리시스(Nature Catalysis) 2월 19일자(한국시간) 온라인 판에 실렸다.

그림1) 개요

그림2) 카이랄 락탐을 응용한 실제 의약품과 거울상 이성질체에 대한 예시

그림3)새로운 이리듐 촉매 반응 메커니즘 연구

우리대학 화학과 임미희 교수가 1월 21일 서울 양재동 엘타워에서 개최된 2019년 한국과학기술한림원이 신년하례식, 신입회원 수여식에서 2019년도 한국차세대과학기술한림원 신입 회원으로 상을 수여했다.

우리 학교 이지운 교수(수리과학과)와 변혜령 교수(화학과), 김호민 교수(의과학대학원)가 과학기술정보통신부로부터 2018년 올해의 젊은과학자상 수상자로, 그리고 이해신 교수(화학과)는 올 10월 ‘이달의 과학기술인상’ 수상자로 각각 선정돼 지난 14일 국립과천과학관에서 열린 ‘2018 우수 과학자 포상’ 통합시상식에서 수상했다.

올해의 젊은과학자상을 수상한 이지운 교수는 랜덤행렬 이론 분야에서 지난 수십 년 간 연구돼온 난제를 해결했고, 변혜령 교수는 표면·계면에서 발생하는 전기화학반응을 통해 에너지 저장시스템 분야에서 성과를 냈으며, 김호민 교수는 패혈증 발병기전과 치료제 개발에 기여했다.

이와 함께 이해신(화학과) 교수는 세계 최초로 ‘무출혈 주사바늘’을 개발해 에이즈, 에볼라, 간염 바이러스 등 환자 혈액에 따른 2차 감염 문제를 근본적으로 방지하는데 기여한 공로를 인정받아 이달의 '과학기술인상' 10월 수상자로 선정돼 14일 열린 통합시상식을 통해 함께 수상했다.

우리 학과 임미희 교수는 한국인 최초 및 아시아 여성과학자 최초로 2018년 Society of Biological Inorganic Chemistry (SBIC) Early Career Award를 수상하였습니다. 이 상은 생무기분야에서 탁월한 연구와 발전에 공헌한 우수 연구자를 선정하여 격려하기 위해 2007년 Society of Bioinorganic Chemistry에서 수여하고 있습니다.

The award will be presented to an early career scientist (no more than 15 years post-Ph.D. at the nomination deadline) who has already accomplished distinguished research in Biological Inorganic Chemistry. The SBIC Early Career Award is the most competitive and valuable recognition of excellence in the field of Biological Inorganic Chemistry.

Society of Bioinorganic Chemistry: http://sbichem.org/SBIC-Awards.aspx

우리 대학 나노과학기술대학원/화학과 윤동기 교수 연구팀이 액정의 결함을 이용해 마이크론 크기의 공기 기둥을 만들고, 이를 이용해 모자이크 만화경(kaleidoscope) 패턴을 구현하는 데 성공했다.

이번 연구는 향후 자연계에서 존재하는 다양한 형태의 반복적 모자이크 구조의 형성에 대한 이해를 도울 수 있는 기초연구가 될 수 있을 것으로 기대된다. 이를 기반으로 액정기반의 나노 재료를 활용해 디스플레이, 광학 및 화학 센서 등의 응용기술에 다양하게 기여할 것으로 기대된다.

김대석 박사가 1저자로 참여하고 슬로베니아 루블라냐 대학(University of Ljubljana)의 우로스 트칼렉(Uros Tkalec) 교수와의 국제 공동 연구로 수행된 이번 연구는 국제 학술지 사이언스의 자매지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 11월 23일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명: (영문)Mosaics of topological defects in micropatterned liquid crystal textures, (국문)마이크로 패턴이 형성된 액정의 위상 결함 모자이크 패터닝) 액정 재료는 손쉬운 배향 제어, 빠른 반응 속도, 이방적(anisotropic)인 광학 특성으로 인해 액정표시장치(LCD), 광학 센서 등에 활용되는 대표적 유기 소재이다. 이때 액정의 결함을 최소화하는 것이 성능 유지를 위해 유리한 것으로 알려졌지만 물질의 특성상 액정의 결함은 불가피하게 발생한다. 그러나 최근 액정의 결함이 오히려 광학적, 구조적 및 탄성적 기능을 가진 것으로 주목받으면서 액정물질은 더 이상 LCD 광학 소재의 전유물이 아닌 전기광학 및 센서 분야를 포함한 다양한 분야에서 용용 가능성이 매우 큰 것으로 평가받고 있다. 하지만 액정물질은 물풀처럼 흐르는 특성과 마치 도미노처럼 한 부분의 영향으로 전 영역이 변하는 장범위 규칙(long range order)을 갖는 탄성 때문에 결함 구조를 대면적에 규칙적, 일관성 있게 패터닝 하는 것은 매우 어렵다.

연구팀은 문제 해결을 위해 대기 상태의 공기층이 액정물질을 만났을 때 수직 배향을 유도한다는 사실에 주목했다. 이를 효과적으로 이용하기 위해 마이크로 크기 패턴의 기판과 유리기판 사이에 액정을 주입해 공기주머니를 자발적으로 형성함으로써 수십 마이크론 내에서 액정분자들을 사방으로 잡아주는(anchoring) 시스템을 개발했다. 이를 통해 효과적으로 액정의 결함 구조를 대면적에서 제어해 모자이크 문양의 패터닝에 성공했다. 이번 연구의 핵심기술은 액정물질이 공기층 패턴 내에서 온도에 따라 변하는 상전이(phase transition) 속도에 있다. 상전이 속도가 빠르면 빠를수록 액정이 급속으로 성장하며 더욱 균일한 패턴을 형성한다. 반면 느린 상전이 속도에서는 액정물질의 탄성과 공기층의 고정 에너지(anchoring anergy)의 균형이 비대칭적으로 전개되며 불균일한 결함 구조를 만든다.

연구팀은 이런 상전이 속도에 따른 비대칭 및 비가역적 결함 구조 형성은 다양한 비 평형적 자연현상에서도 유사한 패턴으로 관찰된다는 점에 착안해 물리적 경제적으로 거의 불가능한 자연현상에 대한 실험 모델로 이번 연구를 접목할 수 있다고 밝혔다. 예를 들어 반도체 물질의 결정 성장에서 형성되는 결함 구조, 블랙홀을 포함한 특이점(singularity)을 형성하는 중력 점 간의 형성 원리, 응집물리(condensed matter)에서 원자들 간 상호작용 등 넓은 범위의 자연현상에 대해 유사성을 표현할 수 있는 실험적 모델을 정립할 수 있을 것으로 기대된다. 윤 교수 연구팀은 위상결함(topological defect)의 밀도 조절을 통해 복잡하고 다양한 2차원 모자이크 패턴을 형성하는 기술도 선보였다. 위상학적 결함 구조는 마치 전기의 음양 전하처럼 위상학적 전하(topological charge)를 갖는 음양 결함으로 정의할 수 있다. 이때 항상 음과 양이 짝을 이루어 위상학적 중립을 가지려는 규칙을 갖는다.

연구팀은 이러한 액정결함의 물리적 현상을 바탕으로 상기 공기층과 기판의 화학처리를 결합해 규칙적인 배열을 유지하는 동시에 위상결함의 밀도를 조절해 기술을 완성했다. 이러한 면적분할(tiling) 기반의 모자이크 패턴은 다양한 산업 및 실용 디자인에 적용할 수 있는 예술적 가치를 가지고 있을 뿐 아니라 세포막의 이중구조, 유기탄화시료 및 다양한 무기 결정구조면 등에 활용 가능할 것으로 보인다.  윤 교수는 “우리나라가 액정 디스플레이 산업의 강국이지만 액정 기초연구는 세계적 수준에 비해 높지 않다”라며 “이번 연구를 계기로 국내 관련 기초연구 관심도가 높아지는 계기가 되길 바란다”라고 말했다. 이번 연구는 미래창조과학부와 더불어 한국연구재단이 추진하는 미래유망융합기술파이오니어 사업과 전략연구과제의 일환으로 수행됐다.

□ 그림 설명

그림1. 공기 층의 사각 및 다이아몬드 패턴에서 형성 된 네마틱 액정의 편광현미경 사진

그림2. 액정패턴이 형성되는 편광현미경 이미지들 

광주과학기술원 신소재공학부 최창혁 교수(왼쪽)와 한국과학기술원 화학과 김형준 교수 [한국연구재단 제공]

한국연구재단은 광주과학기술원(GIST) 최창혁 교수·한국과학기술원(KAIST) 김형준 교수 연구팀이 불균일 촉매에서도 일산화탄소로 백금 촉매 활성을 높이는 기술을 개발했다고 21일 밝혔다.

산업용 촉매는 넓게 보면 균일계·불균일계 촉매로 나눌 수 있다. 촉매와 반응물의 상(phase)이 같으면 균일계, 서로 다르면 불균일계 촉매로 본다. 예컨대 촉매와 반응물이 모두 기체 상태라면 해당 촉매는 균일 촉매다. 연탄가스에 들어 있는 일산화탄소는 사람의 목숨을 앗아갈 정도로 독성을 지니고 있다. 그런데 일산화탄소와 백금 촉매의 상이 같은 균일 촉매의 경우, 일산화탄소가 백금 촉매 촉진제로서 작용하기도 한다. 백금 촉매는 자동차 배기가스 유해 물질 제거나 수소연료전지 수소 생산 등에서 활용한다. 비싼 게 흠인데, 공정 단가를 낮추기 위해선 백금 촉매 성능 향상이 필수적이다.

[일산화탄소에 의해 활성이 촉진되는 백금 촉매 시스템 모식도]

연구팀은 불균일 백금 촉매에서도 일산화탄소가 촉매 활성을 돕는다는 현상을 규명했다. 전기화학적 수소 생산 반응에서 일산화탄소가 존재하면 백금 촉매 활성이 2배 가까이 늘었다고 연구팀은 설명했다. 이 현상은 단일 원자 백금이 황 원자로 둘러싸인 형태의 촉매일 때 관측된다. 분광 분석법으로 살핀 결과 일산화탄소 영향으로 단일 원자 백금과 황 원자 결합이 일부 끊어지고 일산화탄소와의 결합이 새로 생겼다.균일 촉매처럼 불균일 촉매에서 중심 금속과 리간드(중심원자에 결합한 이온이나 분자)와의 상호작용이 발생한 것이다.

 (a) 단일 원자 백금 촉매와 상용 백금 촉매의 전기화학적 수소 생성 반응성 그래프(b) 단일 원자 백금 촉매와 일산화탄소로 개질된 단일 원자 백금 촉매 구조 [한국연구재단 제공]

최창혁 교수는 "균일계 촉매에서 보이는 화학적 현상을 불균일계 촉매에서도 구현할 수 있는 시스템을 발견한 것"이라며 "균일계·불균일계 촉매 틈을 연결하고 장점만을 구현한, 새로운 형태의 촉매 개발을 지속해서 연구할 계획"이라고 말했다. 논문은 미국 화학회지(Journal of the American Chemical Society) 1일 자에 실렸다.

연합뉴스 발췌

우리 대학 화학과 한순규 교수 연구팀이 마약중독 치료제, 항암제 후보물질로 쓰일 수 있는 천연물을 인공적으로 합성하는 데 성공했다. 연구팀은 시중에서 구할 수 있는 카타란틴(catharanthine)을 원료로 해 산화와 재배열을 통해 7종의 이보가 및 포스트이보가 천연물을 합성해냈다. 이번 연구결과는 마약중독 치료제, 항암제 후보물질 생산의 원천기술이 될 것으로 기대된다.

성시광, 임형근 석박사통합과정이 공동 1 저자로 참여한 연구는 화학 분야 국제 학술지이자 셀(Cell) 자매지인 ‘켐(Chem)’ 11월 15일 자에 게재됐다. (논문명 : Biosynthetically Inspired Transformation of Iboga to Monomeric Post-Iboga Alkaloids, 생합성 가설에 기반한 이보가 알칼로이드의 단위체 포스트이보가 알칼로이드로의 변환) 

이보가 알칼로이드가 학계의 관심을 끈 이유는 이들의 천연물군이 마약중독 치료제로써 가능성을 보였기 때문이다. 또한 이보가 알칼로이드가 생 합성적으로 변형된 천연물 중 빈블라스틴(vinblastine)은 현재 항암제로 쓰이고 있다. 최근에는 이보가 알칼로이드로부터 자연적으로 파생된 다양한 형태의 천연물군이 대거 발견되며 학계와 산업계의 관심도 커지고 있다. 천연물 전합성(全合成)은 간단한 시작물질로부터 다단계의 화학반응을 통해 원하는 천연물을 합성하는 학문 분야이다. 그러나 이 다단계 화학반응을 거치는 과정에서 합성효율이 낮아지는 한계가 있다. 한 교수 연구팀은 이보가 알칼로이드 천연물인 카타란틴이 미 식품의약국(FDA) 승인 항암제인 나벨빈(Navelbine®)의 공업원료로 쓰여 시중에서 쉽게 구할 수 있다는 점에 착안했다. 산화와 재배열을 통해 카타란틴의 구조를 변형시켜 고부가가치의 포스트이보가 천연물을 효율적으로 합성했다. 연구팀은 이번 연구에서 이보가 알칼로이드에서 자연적으로 파생되면서 분자적 재배열을 이룬 천연물군을 ‘포스트이보가’ 알칼로이드라고 이름 지었다. 그리고 다양한 효소의 작용을 통해 식물 내에서 이뤄지는 이보가 골격의 분자적 재배열을 화학적으로 구현하는 데 성공했다. 한 교수팀이 합성에 성공한 포스트이보가 알칼로이드는 타버틴진(tabertinggine), 보아틴진(voatinggine), 디피닌(dippinine) B로 이 중 보아틴진과 디피닌 B는 최초의 합성이다. 특히 디피닌 천연물군은 30년 이상 학계의 관심을 받아왔음에도 정복하지 못한 난공불락의 천연물로 여겨졌는데 한 교수 연구팀이 이번에 최초로 합성에 성공했다.

한 교수는 “이번 연구는 포스트이보가 알칼로이드 합성에 새로운 패러다임을 부여한 연구이다”며 “본 연구를 통해 다양한 항암제 및 마약중독 치료제 후보물질을 합성할 수 있는 원천기술을 확보했다는 데 의의가 있다”라고 말했다. 이번 연구는 한국연구재단의 이공분야 기초연구사업 중견연구자지원사업의 지원을 통해 수행됐다.

□ 그림 설명

그림1. 포스트이보가 알칼로이드의 합성전략 모식도

〈 김상율 교수 연구팀. 왼쪽부터 김태형, 김성종 박사과정, 김상율 교수, 이동휘, 윤영록 석사과정〉

우리 대학 화학과 김상율 교수 연구팀이 투명 유연 디스플레이를 제작할 수 있게 해주는 고분자를 합성하는 데 성공했다. 연구팀이 개발한 고분자는 유리와 같은 투명성과 열팽창계수를 갖는 고성능의 무정형 고분자로 유기소재의 열팽창 제어에 응용 가능할 것으로 기대된다.

김선달, 이병용 연구원이 주도한 이번 연구는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 10월 26일자 온라인 판에 게재됐다.(논문명 : Poly(amide-imide) materials for transparent and flexible displays )

차세대 디스플레이로 유망한 투명하면서도 유연한 디스플레이를 제조하기 위해서는 유리와 같은 수준의 투명성과 열팽창계수를 가지면서도 휘어지고 접을 수 있는 기판소재가 필요하다. 그러나 고분자 소재 중 이러한 조건을 갖는 유연 고분자 소재는 알려진 바 없었다. 모든 물체는 열을 받으면 팽창하고 차가워지면 수축하는 성질을 갖는다. 세라믹이나 금속 소재에 비해 유기물질로 이뤄진 고분자 소재는 열에 의한 팽창이 상대적으로 매우 크다. 얇고 가벼운 평판디스플레이에 사용되는 반도체소자는 세라믹과 비슷한 열팽창계수를 갖고 있어 열팽창계수의 차이가 큰 고분자 필름 위에 반도체소자를 만들게 되면 작동 시 발생하는 열에 의한 팽창과 수축의 차이로 소자가 파괴되는 문제가 발생한다. 따라서 반도체소자와 기판의 열팽창계수를 일치시키는 것은 성공적인 디스플레이를 제조하는데 매우 중요한 일이다. 무정형인 투명한 고분자 물질의 열팽창계수를 줄이는 방법으로 고분자 사슬들을 연결시켜 망상구조(특정 다각형이 이어진 그물 모양의 구조)를 형성시키는 방법이 알려져 있다. 하지만 망상 구조를 갖는 고분자 물질은 유연성을 잃어버리고 필름으로 제조해도 유연하지 않게 된다.

김 교수 연구팀은 문제 해결을 위해 고분자 사슬 간 거리를 조절하는 방식을 이용했다. 고분자 물질을 합성할 때 고분자 사슬 간에 상호작용하는 힘을 도입하고 힘의 방향이 수직으로 교차하게 만들며 사슬 간 거리를 적절히 조절하면 온도에 따른 팽창 및 수축을 억제할 수 있다. 연구팀은 이러한 화학구조를 투명한 고분자 물질에서 구현하는데 성공했다. 김상율 교수팀이 합성에 성공한 새로운 고성능 고분자 물질인 투명한 폴리아마이드이미드 필름은 열팽창정도가 유리 수준으로 낮으면서도(열팽창계수: 4ppm/oC) 유연하며 아몰레드(AMOLED) 디스플레이 제조공정에 적용할 수 있는 내열성을 갖고 있다(>400oC). 연구팀은 새로 합성된 투명 폴리아마이드이미드 필름 위에 이그조 박막 트랜지스터(IGZO TFT)소자를 제작해 필름을 반경 1mm까지 접어도 소자가 정상적으로 작동되는 것을 확인했다. 김 교수는 “이번 연구 결과는 그간 난제로 여겨졌던 무정형 고분자의 열팽창을 화학적 가교결합 없이 조절해 유리 정도 수준으로 낮추면서도 유연성을 확보하고 동시에 투명하게 만드는 방법을 제시한 흥미로운 연구결과이다”며 “다양한 유기소재의 열팽창을 제어하는 데 응용 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.

화학과와 전기및전자공학과, 나노과학기술대학원이 공동으로 참여한 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업과 삼성미래기술센터의 지원을 받아 수행됐다. 

□ 그림 설명

그림1. 투명 폴리아마이드이미드 필름 위에 제조된 투명하고 유연한 IGZO TFT의 구조

그림2. 투명한 폴리아마이드이미드 고분자의 화학구조

우리 학과 송현준 교수는 2018년 춘계 대한화학회 무기화학분과 우수연구자상을 수상하였습니다. 이 상은 탁월한 연구와 무기화학분야 발전에 공헌한 우수 연구자를 선정하여 격려하기 위해 1994년 무기화학분과에서 제정하여 수여하고 있습니다.

우리 학과 임미희 교수는 2018년 추계 대한화학회 무기화학분과 젊은무기화학자상을 수상하였습니다. 이 상은 무기화학분야 만45세 미만의 젊은 과학자에게 수여하는 상으로 2009년에 기금이 모집되어 2010년부터 제정 수여하고 있습니다.

우리 대학 화학과 이해신 교수가 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 선정한 이달의 과학기술인상 10월 수상자로 선정됐다.

과기정통부와 연구재단은 이해신 교수가 세계 최초로 무출혈 주사바늘을 개발해 에이즈, 에볼라, 간염 바이러스 등 환자의 혈액이 매개되는 의료진의 2차 감염 문제를 근본적으로 방지하는 데 기여한 공로가 높이 평가됐다고 밝혔다.

이 교수가 개발한 무출혈 주사바늘은 표면을 지혈 기능성 재료로 코팅하는 방식이다. 간단한 개념이지만 관건은 주사바늘을 코팅하는 재료가 피부와 혈관조직을 뚫고 체내로 주입될 때 작용하는 마찰력을 견딜 수 있도록 표면에 단단히 고정돼 있어야 한다. 주사 후에는 혈관 내벽이나 피부에 붙어 주사 부위를 막아야 하며 인체에도 무해해야 한다.

이 교수는 자연을 모사하는 천연 고분자 소재에서 해답을 찾았다. 파도가 치는 해안가 바위에도 단단히 붙어 있는 홍합은 발끝의 섬유다발인 족사 구조에 카테콜아민 성분이 존재한다. 이 교수는 갑각류의 단단한 껍질에서 추출되는 키토산 골격에 카테콜을 함유한 키토산-카테콜 신소재를 이용해 주사 과정의 마찰력을 견디고 혈액과 즉각적 접착막을 형성하는 무출혈 주사바늘 코팅용 생체 접착제를 개발했다.

이해신 교수는 "홍합의 접착 메커니즘을 모사한 키토산-카테콜은 생리식염수에서도 높은 용해도를 보이고 점막이나 조직에 대한 접착력도 우수해 주사바늘을 코팅하기에 매우 적합한 소재"라며 "이를 단백질과 결합해 혈관주사를 놓으면 타겟팅이 어려운 심장에 약물을 선택적으로 전달할 수 있어 심장 난치병 치료에도 유용할 것으로 기대한다"라고 말했다.

우리대학 화학과 장석복 교수가 지난 19일 한국도레이과학진흥재단(이사장 이영관)이 선정한  '제1회 한국도레이 과학기술상' 기초연구부문 수상자로 선정됐다.

한국도레이과학진흥재단은 올해 1월 출범했으며, 화학과 재료분야의 기초와 응용연구에서 탁월한 업적으로 과학발전에 크게 공헌한 기여한 연구자에게 과학기술상을 시상한다. 잠재성 높은 연구과제에 연구비도 함께 지원한다.

장석복 교수는 유기촉매반응 분야에서 장기간 연구했다. 락탐 골격을 효율적으로 합성할 수 있는 촉매반응 연구는 30여 년간 난제를 해소한 것으로 평가 받았다.

재단은 올 4~6월까지 과학기술상과 과학기술연구기금에 대한 공모를 받았으며 전문가 서면심사, 패널토론 심사, 발표 심사를 거쳐 최종 대상자를 선정했다. 시상식은 10월 31일 서울 여의도 전경련회관 컨퍼런스 센터에서 열릴 예정이다.

시상식에는 학계 주요 인사를 비롯해 재단 이사진과 심사위원, 닛카쿠 아키히로 도레이 사장 등이 참석한다. 노벨화학상 수상자 노요리 료지 박사를 초청, 화학 역할과 연구자로서 창의 도전에 관한 강연을 듣는다.

SYNFORM regularly meets young up-and-coming researchers who are performing exceptionally well in the arena of organic chemistry and related fields of research, in order to introduce them to the readership. This Young Career Focus presents Dr. Sunkyu Han (KAIST, South Korea).

The interview is now online and can be found here: https://www.thieme.de/en/thieme-hemistry/journals-synform-54850.htm

우리 대학 화학과 이해신 교수 연구팀이 와인의 떫은맛을 내는 성분인 탄닌산(tannic acid)을 이용해 간단한 정맥주사만으로도 약물을 심장 조직에 전달할 수 있는 기술을 개발했다. 연구팀은 탄닌산을 단백질, 펩타이드 등의 약물과 혼합시켜 입자화 하는 방법을 통해 심장조직을 표적할 수 있음을 규명했다. 연구팀의 심장 질환의 효율적 치료를 위한 표적화 약물전달 기술은 단백질 기반의 다양한 신약에 적용 가능할 것으로 기대된다.

안전성평가연구소의 예측모델 연구센터 김기석 박사 연구팀과 공동으로 수행된 이번 연구는 네이처 자매지 ‘네이처 바이오메디컬 엔지니어링(Nature Biomedical Engineering)’ 4월 30일자 온라인 판에 게재됐다. 심장은 인체 내 가장 중요한 기관으로 분당 60~100회의 박동을 하는 동안 약 5리터의 혈액을 뇌를 포함한 전신에 공급하는 역할을 한다. 심장은 심근이라는 근육을 이용해 끊임없이 박동하는 운동성이 높은 기관이다. 심장 및 관련 혈관 질병을 심혈관계-순환계 질환이라고 하는데 이는 우리나라 사망 원인 2위를 차지한다. 고혈압, 당뇨, 고지혈증, 흡연, 비만 등 현대인의 불규칙한 식습관 및 생활습관으로 인해 나타날 수 있다. 대표적으로 심장으로 가는 관상동맥이나 미세한 혈류들이 좁아져 산소 및 영양분 공급이 원활하지 못해 발생하는 심근경색이 있다. 많은 연구자들이 심혈관계 질환 극복을 위한 화학약물요법이나 치료용 단백질 등을 개발하고 있다. 그러나 여전히 직접적인 수술, 카테터 및 스텐트 삽입 등에 의존하고 있으며 일반 정맥주사로 개발된 약물을 심장에 효율적으로 전달하는 기술은 개발되지 않았다. 심장의 강한 운동성으로 인해 정맥으로 주사된 약물이 순환하는 동안 심장으로의 전달 효율이 급격하게 저하되기 때문이다. 문제 해결을 위해 연구팀은 과일 껍질, 견과류, 카카오, 와인 등에 다량으로 존재하는 탄닌산이라는 물질을 이용했다. 탄닌산은 와인의 떫은맛을 내는 폴리페놀 분자의 일종으로 혀에 존재하는 점막 단백질과 결합해 떫은맛을 낸다고 알려져 있다. 연구팀은 탄닌산과 단백질 사이의 강한 분자 간 결합력을 이용해 치료용 단백질, 유전자 전달체인 바이러스 또는 기능성 펩타이드 약물 등을 간단하게 섞어주는 방법으로 입자화에 성공했다. 그리고 이를 주사했을 때 심장을 표적화할 수 있다는 사실을 발견했다.

탄닌산을 이용한 단백질 입자화 기술의 원리는 일종의 ‘분자 수준에서의 코팅’ 기술이다. 입자화된 단백질 복합체 표면에 코팅된 탄닌산이 심장의 기능을 유지하기 위해 밀집돼 있는 엘라스틴 및 콜라겐 단백질과 부가적으로 강한 상호작용을 하며 심장 조직에 부착된 상태로 오랜 시간 머무는 심장 표적화 기술이다. 이러한 탄닌산-단백질 복합체는 단백질만을 주사했을 때와 비교하면 5일 이상 장기적으로 혈관 내에서 순환됨을 확인했다. 이 교수 연구팀은 예전부터 탄닌산을 비롯한 접착성, 코팅성을 갖는 다양한 폴리페놀 재료를 응용해 의료용 생체 재료를 개발해 왔다. 실제로 심근경색 동물 모델에 탄닌산과 섬유아세포 증식인자를 섞어서 만든 약품을 주입하고 4주가 지난 뒤 심근경색이 일어난 크기가 감소했을 뿐 아니라 좌심실 압력 및 심박출량 등이 정상에 가깝게 호전되는 것을 확인했다. 이해신 교수는 “지금까지 심장질환 관련한 많은 약물들이 개발됐음에도 불구하고 상대적으로 약물을 심장에 효율적으로 전달하는 방법은 개발되지 않았다”며 “이번 기술은 기존 약물들을 새롭게 공식화해 개량신약으로 만들 수 있는 원천기술이다”고 말했다.

이번 연구는 연구재단 중견연구자 도약연구, 보건복지부 암정복프로그램, 산업통상자원부의 바이오산업핵심기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.

□ 그림 설명

그림1. 탄닌산으로 제조한 단백질 복합체가 심장 조직에 전달되는 모식도

그림2. 바이러스 유전자 발현 효율 및 치료기능성을 보여주는 연구결과 

우리 학과 이영훈 교수는 2018년 춘계 대한화학회에서 박인원 학술상을 수상하였습니다. 이 상은 생명화학 분야 연구활성화 및 우수연구자 격려를 위해 박인원(전 서울대 화학과 교수)학술상을 제정하여 수여하고 있습니다.

우리 대학 화학과 박희성 교수가 ‘이달의 과학기술인상’ 5월 수상자로 선정됐다. 이달의 과학기술인상은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구 개발자를 매월 1명씩 선정하는 상으로 과학기술정보통신부 장관상과 상금 1천만 원을 수여한다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단은 선정 배경에 대해 박희성 교수가 암, 치매 등 각종 질병 유발에 관여하는 단백질 변형을 인위적으로 제어할 수 있는  ‘맞춤형 단백질 변형기술’을 개발해 질병의 원인 규명과 신약 개발 연구의 단초를 마련한 공로가 높이 평가됐다고 밝혔다.