성균관대학교

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3D 입체영상을 촬영하는 CMOS 이미지센서 개발

극한 조도 환경에서도 고속으로 사물의 입체 영상을 왜곡 없이 촬영 가능한 모바일용 Time-of-Flight (ToF) CMOS 이미지센서 개발 성공

반도체시스템공학과 최재혁 교수 · 전정훈 교수

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  • 3D 입체영상을 촬영하는 CMOS 이미지센서 개발

    반도체시스템공학과 최재혁 교수 ·전정훈 교수

    3D 입체영상을 촬영하는 CMOS 이미지센서 개발

    정보통신대학 반도체시스템공학과 최재혁, 전정훈 교수 연구팀은 극한 조도 환경에서도 고속으로 사물의 입체 영상을 왜곡 없이 촬영 가능한 모바일용 Time-of-Flight (ToF) CMOS 이미지센서의 개발에 성공하고, 그 연구 논문 (1저자: 김동욱 박사과정, 참여연구원: 박찬성 석박통합과정, 박지훈 박사과정, 안연수 석사과정, 조기환 석사과정)이 반도체 회로 분야의 최고 학술대회인 International Solid-State Circuits Conference (ISSCC)에 논문 게재 확정되었다. ISSCC는 1954년에 설립되어 올해로 66년의 역사를 가지고 있으며, 반도체 회로 분야의 올림픽이라 불리는 가장 권위 있는 학회로, 매년 25개국 3000명 이상의 학자와 기술자들이 모여 세계 최고의 회로 기술들을 선보인다. 엄격한 리뷰과정을 통해 논문들을 채택하고, Intel, Samsung과 같은 세계 최고의 기업들이 최신 기술을 경쟁적으로 발표하는 곳으로도 유명하다. 각 기관이나 나라의 ISSCC 논문 편수가 반도체 설계 기술 경쟁력을 나타내는 지표로도 사용된다. 사물의 형상 뿐만 아니라 거리 정보를 감지하는 3D 이미지센서는 Apple의 Face ID를 시발점으로 3차원 얼굴인식, 사진 촬영시의 거리기반 자동초점 조절, 증강 현실을 위한 3차원 영상합성과 같은 모바일 어플리케이션 뿐만 아니라 로봇 네비게이션, 보안 어플리케이션의 사물/동작인식 등 그 활용 수요가 급격히 증가하고 있다. ToF 이미지센서는 적외선광을 고주파 변조하여 조사, 물체로부터 반사되는 반사광의 거리에 따른 위상 변화를 감지하여 물체의 형상 및 거리를 감지하는 센서로, 기존 모바일 기기에 사용되던 구조광 방식의 3D 이미지센서의 크기 한계를 극복하고, mm급의 미세한 거리 정밀도를 가지는 초소형 센서 반도체이다. ToF 이미지센서는 최근 모바일 기기에 탑재되기 시작하였으나, 일본 기업 (SONY)이 시장을 선점하였으며, 깊이 해상도 및 영상 해상도의 한계, 움직이는 사물 촬영시의 왜곡, 그리고 야외 촬영시의 극한 조도에 의한 포화라는 기술적 난제를 가지고 있다. 최재혁, 전정훈 교수 연구팀은 깊이 해상도를 향상시키는 고속 포토다이오드 소자, 320 x 240 화소의 물리적 픽셀을 640 x 480 (VGA) 해상도로 출력하는 업스케일링 영상처리기, 움직임 왜곡을 감소시키는 동적 모듈레이션 회로, 그리고 극한 조도에 의한 왜곡 신호를 제거하는 외광 제거기 회로를 집적한 ToF 이미지센서 SoC를 개발하고, UNIST 및 국내 Fabless 기업인 ZeeAnn 과 협업하여 prototype 센서 반도체를 제작, 기존 ToF 센서들을 압도하는 성능을 내었다. 해당 논문은 2020년 2월, ISSCC의 Imagers and ToF Sensors 세션에서 발표될 예정이다. 해당 세션에 채택된 총 10편의 논문들은 Samsung, Sony, Toshiba, Panasonic과 같이 주로 세계 최고의 기업들에 의해 발표되며, 국내 대학으로서는 성균관대가 유일하다. 본 연구에서 개발된 ToF 이미지센서는 논문 발표뿐만 아니라 ISSCC 학회의 demonstration 세션에서 직접 그 동작 및 성능이 시연될 예정이다. ※논문: “A Dynamic Pseudo 4-Tap CMOS Time-of-Flight Image Sensor with Motion Artifact Suppression and Background Light Cancelling Over 120klux”, ISSCC, 2020. ※저자: 김동욱 (1저자, 성균관대 전자전기컴퓨터공학과), 최재혁 (교신저자, 성균관대 반도체시스템공학과), 전정훈 (공동저자, 성균관대 반도체시스템공학과), Canxing Piao Park·안연수·조기환 (공동저자, 성균관대 전자전기컴퓨터공학과), 이승현·박다환·김성진 (공동저자, UNIST 전기 및 전자공학과), 신정순·송승민 (공동저자, ZeeAnn)

  • 피부에 밀착되는 신축성 있는 온·습도 센서 개발

    신소재공학부 김선국 교수

    피부에 밀착되는 신축성 있는 온·습도 센서 개발

    김선국 교수 연구팀이 피부에 부착하는 신축성 있는 패치형태의 센서로 최장 7일간 생체신호를 실시간으로 모니터링하는 시스템을 구축했다. 연구팀은 착용자의 움직임에도 불구하고 안정적으로 피부 표면의 온도나 습도, 착용자의 동작(보행, 넘어짐 등)을 포착할 수 있는 새로운 디자인의 고감도 생체신호 모니터링 센서를 개발했다. 뱀처럼 구불구불한 형상의 서펜타인 구조를 통해 x축과 y축 방향 으로 유연성을 확보하는 한편, 키리가미※ 구조를 통해 z축에 대해서도 신축성을 부여함으로써, 패치가 가진 응력의 최대 200%까지 압력을 가해도 기계적· 전기적으로 안정성을 유지하도록 설계 했다. ※ 키리가미(Kirigami) : 자르다를 의미하는 일본어 ‘kiri’와 종이를 뜻하는 ‘gami’가 합쳐져, 특정 패턴이나 모양으로 자른 뒤 접었을 때 입체 형상을 나타내는 신체변화를 모니터링, 질병의 초기신호를 감지할 수 있는 웨어러블 헬스케어 디바이스에 관한 연구가 활발하나 장시간 사용하기 불편하거나 피부에 잘 밀착되지 않아 정확한 정보를 모니터링하는 데 한계가 있었다. 이에 연구팀은 착용성을 고려, 피부에 밀착되어 움직임(압착, 밀고 늘어남)에 제약을 주지 않도록 피부 친화적이면서 방수성을 갖는 다공성 실리콘 점착제로 된 패치에 해당 센서를 구현해 냈다. 생체 친화적이며 피부에 적합한 점착성을 가진 실리콘을 활용하였으며 식약처 기준에 준하는 생물학적 안전성 (biocompatibility ; 세포독성, 감작성, 급성독성, 피부자극, 발열성)이 확보된 패치를 사용했다는 설명이다. 원리는 피부 온도 변화에 따라 나타나는 신축성 백금센서의 저항변화를 이용하는 것이다. 이를 통해 20 ~ 50범위에서 0.2 이내의 오차범위로 온도를 측정할 수 있도록 했다. 나아가 스마트폰 어플리케이션을 통해 실시간으로 신호변화를 확인할 수 있도록 무선통신 모듈도 함께 구현했다. 지속적인 관찰이 필요한 신생아, 노약자, 운동선수 등의 생체 신호를 모니터링해서 응급상황에 대처할 수 있도록 하는 데 응용될 수 있을 것으로 기대된다. 연구팀은 병원과의 임상연구를 통해 인허가를 위한 후속연구를 진행할 계획이라고 밝혔다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원 사업 및 바이오의료기술개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 'IEEE Transaction on Industrial Electronics’에 11월 6일 게재되었다.

  • 바이오잉크 및 세포-프린팅 기술 개발을 통한 근육 조직 재생 성공

    바이오메카트로닉스학과 김근형 교수

    바이오잉크 및 세포-프린팅 기술 개발을 통한 근육 조직 재생 성공

    바이오메카트로닉스학과 김근형 교수 연구팀은 살아있는 세포가 포함된 세포-프린팅(cell-printing)용 바이오잉크의 개발과 근육 조직의 재생이 가능한 바이오 제작 기술을 개발하는데 성공했다. 연구팀은 개발한 바이오잉크 내의 살아있는 세포를 실제 근육처럼 한 방향으로 배열되어 성장하게 유도해 근육의 조직재생 효과가 높였다. 조직재생공학은 인체 병변 부위에 실제 조직과 유사한 인공조직을 이식하여 재생효과를 극대화 하는 것을 목표로 발전되어 온 분야이다. 이를 위해 살아있는 세포가 포함된 바이오잉크로 인공조직을 제작하는 세포-프린팅 공정이 유용하게 사용되고 있다. 특히 근육 조직의 경우 세포가 근섬유 방향으로 세포가 정렬되어야 효과적인 재생 효과를 얻을 수 있으며, 더 나아가 실제 형태 /기능을 가지는 근육 미니장기의 개발은 루게릭병 등과 같은 근육 손실 질환을 극복하는 기반이 될 수 있다. 하지만 오늘날 일반적으로 사용되는 바이오잉크와 세포-프린팅 공정으로는 세포를 배열시키는 것에 한계를 보이고 있다. 김근형 교수 연구팀은 세포-프린팅 공정을 통해 세포의 성장과 배열을 제어하기 위해 두가지 기술을 통해 기존의 생체유래 소재 기반 바이오잉크를 개발하였다. i) 콜라겐 기반 바이오잉크에 금-나노입자를 첨가하여 새로운 바이오잉크를 개발하여, 전단력 및 전기장의 방향 조절을 통해 나노입자의 배열성을 제어하고, 이를 통해 세포의 성장 및 정렬을 유도하였다. 또한, 전남대학교 병원 장철호 교수 연구팀과의 협업을 통해 제작한 근육 조직이 큰 범위의 손실된 근육 조직을 완벽히 재생한 것을 확인하였다 (그림 1). ii) 김근형 교수 연구팀은 미국의 최대 조직공학 연구소 중 하나인 Wake Forest Institution for Regenerative Medicine (WFIRM)의 이상진 교수 연구팀과의 국제 연구 교류를 통해 광경화가 가능한 세포외기질 기반 바이오잉크를 개발하였고, 합성 고분자인 Poly(vinyl alcohol) (PVA)를 첨가하여 세포를 배열시키는 것에 탁월한 효과를 보이는 새로운 바이오잉크를 개발하였다. 연구팀은 제작 과정 중 온도와 속도, 압력 등을 조절하여 개발한 바이오잉크 내의 세포를 한 방향으로 완벽히 배열 및 성장 할 수 있게 하였다. 현재 개발한 바이오잉크를 이용해 제작한 근육 조직은 동물 실험 평가가 진행 중에 있다 (그림 2). 김근형 교수는 “이 연구는 나노입자의 배열성을 조절하거나 합성 고분자를 통해 세포를 직접적으로 배열시키는 새로운 개념의 세포-프린팅 공정기술이다”라며, “골격근뿐만 아니라 심근, 인대 등과 같이 인체 내에 존재하는 배열 조직 재생을 위한 보다 효과적이고 새로운 방법이다”라고 설명했다. 이 연구들은 교육과학기술부 한국연구재단 기초연구사업(중견연구자지원사업)의 지원으로 수행되었다. 나노과학 (Nano science) 분야 세계적인 학술지 Nano Letters (impact factor 12.279)와 생체 재료 (Biomaterials) 분야 최고 국제 학술지 Biomaterials (impact factor 10.273)에 게재되었다. 그림 1. 금-나노입자를 포함한 콜라겐 기반 바이오잉크를 이용한 3D 세포-프린팅 모식도 과 제작한 근육조직의 세포 성장, 성숙 및 성공적인 재생 그림 2. 배열된 광경화성 세포외기질 세포구조체의 3D 세포-프린팅 모식도 및 배열된 gelatin 기반 구조체 및 일반적인 세포외기질 세포구조체와의 세포 활성 및 성숙도 비교

  • 정전기 스프레이를 통한 나노 주름 기능층을 개발

    기계공학부 이원영 교수 ·변도영 교수

    정전기 스프레이를 통한 나노 주름 기능층을 개발

    기계공학부 이원영, 변도영 교수 연구팀 (제1저자 이종서 박사과정 / 공동 1저자 황상연, 안민우 박사과정)이 에너지분야에서 세계적으로 권위 있는 학술지 중의 하나인 Journal of Materials Chemistry A에 정전기 스프레이 법을 통해 나노 주름 기능층을 개발하였고, 이를 나노 섬유 전극에 적용한 연료전지 개발에 대한 연구결과를 표지논문으로 게재했다. 이원영 교수 연구팀은 변도영 교수 연구팀과의 공동연구를 통하여 정전기 스프레이 증착법 (Electrostatic Spray Deposition)을 사용하여 고체 산화물 연료전지의 전해질/전극 계면에 나노 주름 기능층을 프린팅하는 데에 성공하였다. 특히, 기존에 발생하던 고질적인 나노 섬유 전극의 계면에서의 구조적 단점을 보완하고 반응성을 향상시켜, 이를 기반으로 650 도 이하의 중저온에서 작동하는 고성능 고체 산화물 연료전지 시스템을 구축하였다. 연구팀은 나노 주름 기능층의 구조 설계를 통하여 나노 섬유 전극의 고질적인 계면 문제를 접합, 반응성 측면에서 크게 개선시켜, 전극의 전기화학적 성능을 직접적으로 나타내는 전극의 분극화 저항을 3.3 배 가량 감소시키는 것과 동시에 연료전지의 전력밀도를 2.2 배 가량 획기적으로 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 이원영 교수는 “기존의 나노 섬유 구조의 공기극을 활용 시 구조적인 특성으로 인한 한계를 나노 주름 기능층 도입을 통하여 극복할 수 있었고, 특히 추후 다양한 나노 구조체에 적용될 수 있기 때문에 높은 파급효과를 가지고 있다고 판단된다. 또한, 대면적, 고속화 공정에 용이한 정전기 스프레이 법을 이용하였기 때문에 상용화단계의 기술개발에도 크게 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다. 이 연구 성과는 멀티스케일 사업단 글로벌 프론티어 사업 및 한국 연구재단의 전략과제 사업과 신진중견연계 사업, 기후변화대응기술개발사업의 지원을 받아 수행되었다. (NRF-2014M3A6A7074784, NRF-2017R1E1A1A01075353, 2019R1A2C4070158, 2017M1A2A2044927) 에너지 분야 국제학술지 저널 오브 메테리얼스 케미스트리 에이 (JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY A) 표지논문으로 8월 2일자 온라인 게재되었다.

  • 인간능력증대를 위한 생체모방전자소자

    화학공학/고분자공학부 김태일 교수

    인간능력증대를 위한 생체모방전자소자

    김태일교수 연구팀은 생체모방기술 (자연의 구조물에서 얻은 모티드를 공학적으로 재해석하는 기술)과 유연전자소자 (잡아당길 수 있는 기판에 구현한 전자소자) 기술을 접목하여 새로운 생체모방전자소자를 연구하고 있다. 반도체기반의 공정을 이용하여 기존 바이오전자소자가 가지는 크기 및 성능의 한계를 극복하는 연구를 진행해 오고 있으며 특히 생체모방기술에서 얻은 여러가지 감각기관 (시각, 촉각, 청각 등)의 구조를 재해석하여 유연전자소자화 하고자 한다. [1] 특히, 곤충의 진동감각기관 (lyriform slit organ)을 모사한 인공고막등의 기술을 세계 최소로 제시하여 기존 바이오소자인 인공달팽이관장치 (인공와우)의 대안기술이 될 수 있으며, 전자소자의 유연함은 눈과 같은 곡선형 (curvilinear)구조에서도 적용가능하여 인간감각기관의 증진을 가져올 수 있다. 관련기술은 신경인터페이스 기술과 접목하여 신경의 전기활성도를 생체모방소자로 측정 혹은 자극하여 스트레스호르몬등을 제어할 수 있다. 또한, 본 연구실은 유연소자가 가지고 있는 가장 큰 문제점인 방열의 문제점을 흰개미집 (termite mound)구조를 본따 계층구조의 병열을 해결[2]하고 또한 유연전자소자에 적용함으로 유연소자의 특성을 한단계 업그레이드 할 수 있는 방법[3]을 제시하였다. 이러한 유연생체모방소자 관련 기술은 비단 바이오소자 뿐만 아니라 최근 상업화되고 있는 롤러블 (rollable), 접을 수 있는 (foldable)소자로도 응용가능한 연구[4]를 진행 하고 있어 연구실 졸업생은 차세대소자의 경험으로 삼성, LG등 연구소부터 해외대학 박사후연구원까지 매우 다양한 분야로 진출이 가능하다. [1]. Yei Hwan Jung, B. Park, J.U. Kim, and Tae-il Kim*, "Bioinspired Electronics for artificial sensory systems" Adv. Mater._31 (34) 183637 (Aug 2019) [impact factor 25.809] [Link]_미융파, 나노, 기본 [2] Byeonghak Park, J.U. Kim, J. Kim, D. Tahk, C. Jeong, J. Ok, J. Shin, D. Kang, Tae-il Kim* "Strain-Visualization with Ultrasensitive Nanoscale Crack-based Sensor Assembled with Hierarchical Thermochromic Membrane" Adv. Funct. Mater. 29 (40) 1903360 (Oct 2019) [3]. Haeleen Hong, Y.H. Jung, J.S. Lee, C. Jeong, J.U. Kim, S. Lee, H. Ryu, H. Kim, and Tae-il Kim*, "Anisotropic thermal conductive composite by guided assembly of boron nitride nanosheets for flexible and stretchable electronics", Adv. Funct. Mater. 29 (37) 1902575 (Sep 2019) [impact factor 15.621] [4]. Chanho Jeong, J.S. Lee, B. Park, C.S. Hong, J.U. Kim and Tae-il Kim*, "Controllable Configuration of Sensing Band in a Pressure-Sensor by Lenticular Pattern Deformation on Designated Electrodes", Adv. Mater. 31,(36), 1902689 (Sep 2019)

  • 면역바이오공학기반 항암면역치료제 한계 극복

    성균나노과학기술원 임용택 교수

    면역바이오공학기반 항암면역치료제 한계 극복

    임용택 교수 연구팀은 2018년 노벨 생리의학상과 관련된 차세대 항암치료제인 면역관문억제제의 한계를 극복할 수 있는 신규 기술들을 국제저명학술지에 최근 연달아 발표하고 있다. 현재, 항암면역치료제 중 가장 널리 사용하고 있는 면역관문억제제 (Anti-CTLA4, Anti-PD-1, Anti-PD-L1 등)는, 실제 임상에서 환자의 반응율이 매우 낮으며, 대략적으로 5~30%로 머물러 있다. 면역관문억제제의 반응율은 종양 미세환경 (Tumor microenvironment)에 의해 좌우되는데, 항암면역세포 기능을 하는 항원제시세포나 T 세포의 양이 매우 적거나, 다양한 면역억제 인자 (Immunosuppressive factors)들에 의해 치료용 면역세포의 기능이 억제된 콜드튜머 (cold tumor)의 경우에는 그 반응율이 매우 낮은 것으로 알려져 있다. 임용택 교수 연구팀은 면역관문억제제의 반응율을 향상시키기 위하여, 기존 항암제와 면역활성화 물질이 담지된 나노면역컨버터를 개발하고, 치료용 면역세포의 리쿠르팅을 유도함과 동시에, 면역억제인자들을 제어함으로써, 콜드튜머를 핫튜머(hot tumor)로 전환시킬 수 있었다. 생체 내에 주입이 가능한 디스크와 젤 타입의 나노면역컨버터에 대한 연구결과들이 최근에 국제 저명 학술지에 게재 되었다 (Advanced Materials (IF=25.809). 2019년 9월 6일자 온라인 게재) (ACS nano (IF=13.903). 2019년 10월 7일자 온라인 게재). 임용택 교수는 “면역관문억제제에 대한 반응율을 높이기 위한 핵심기술은 종양미세환경에서, 실제로 암세포를 살상하는 역할을 하는 항원 특이적 T 세포의 분화 및 증식을 유도하는 것과, 종양에 존재하며 T세포의 기능을 저해하는 역할을 하는 면역억제세포 (MDSC, TAM, Treg) 및 면역억제기능 사이토카인 (TGF-beta, IL-10 등)을 조절하는 것입니다. 이번 연구에서는, 면역 반응 조절제인 레지퀴모드 (Resiquimod, R848)를 2가지 나노면역컨버터에 각각 로딩함으로써 방출거동 (sustained release)를 조절하여, 기존 레지퀴모드의 단점인 전신독성을 낮췄다는 장점이 있습니다. 환자의 종양 미세환경에 존재하는 면역억제세포의 기능을 조절하여, 면역관문억제제에 반응하지 않는 종양인 콜드튜머 (cold tumor)를 면역관문억제제에 반응하는 핫튜머 (hot tumor)로 전환시키며, 치료용 면역세포인 수지상세포, 대식세포, T세포의 활성화를 유도할 수 있으며, 면역억제세포인 종양 촉진 대식세포 (M2 macrophage)를 종양 억제 대식세포 (M1 macrophage)로 유도할 수 있습니다. 본 연구에서 개발된 두가지 플랫폼은 1) 종양이 수술로 완전히 제거되지 않는 상황이나 수술이 불가능한 상황에서 암의 재발과 전이를 방지할 수 있는 디스크형태, 2) 동결건조가 가능하고 항암면역치료 분야 뿐만 아니라 감염성 질환을 조절할 수 있도록 나노에멀젼의 형태로 개발하였습니다. 이번에 개발된 두가지 나노면역컨버터 제조에 사용된 원료는, 이미 인체적용에서 안전성이 증명된 생체적합성 소재로서, 임상적용 가능성이 매우 높으며. 특히, 환자마다 다른 종양미세환경에 존재하는 다양한 면역학적 인자들의 분석을 통하여, 면역관문억제제의 치료효율을 높이기 위해 암환자에서 추출한 신생항원 (neo-antigen)을 함께 전달하거나 환자 맞춤형 약물을 선택적으로 로딩할 수 있어 환자 맞춤형 항암백신으로의 효과도 기대할 수 있습니다.” 라고 발표했다. 논문명: Designer scaffold with immune nanoconverters for reverting immunosuppression and enhancing immune checkpoint blockade therapy (Advanced Materials(IF=25.809), September 6, 2019) 저자: Hathaichanok Phuengkham (제1저자, 박사과정), 송찬영 (공저자, 박사후연구원), 임용택 교수 (교신저자) 논문명: Lyophilizable and Multifaceted Toll-Like Receptor 7/8 Agonist-Loaded Nanoemulsion for the Reprogramming of Tumor Microenvironments and Enhanced Cancer Immunotherapy (ACS nano (IF=13.903), October 7, 2019) 저자: 김선영 (제1저자, 박사후연구원, 성균관대), 김소현 (공동 제1저자, 석박사통합과정), 이상남 (공저자, 석박사통합과정), 신일우 (공저자, 석박사통합과정), 신홍식 (공저자, 석박사통합과정), 진승모 (공저자, 석사과정), 임용택 교수 (교신저자)

  • '로켓 엔진 심장' 수소추진체 개발 평가기법 제시

    기계공학부 권오채 교수

    '로켓 엔진 심장' 수소추진체 개발 평가기법 제시

    기계공학부 권오채 교수 연구팀이 수소 로켓엔진 개발의 기반이 되는 수소 추진제의 연소안정성 평가기법을 제시했다. 국내 액체로켓* 추진제 다원화를 위한 밑거름이 될 것으로 기대된다. ※ 액체로켓 : 고체추진제를 사용하는 로켓에 비해 복잡하나 엔진을 끄고 켜는 등의 정밀한 조정이 가능하다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 우주핵심기술개발사업의 지원으로 이뤄진 이 연구의 성과는 열역학 분야 국제학술지 ‘에너지'(Energy) 프린트판에 8월 1일 게재되었다. 액체 로켓엔진 안에서 발생하는 추진제의 연소는 복합적 현상으로 로켓 발사에 성공한 나라에서도 아직 활발히 연구되는 주제이다. 한국형 발사체 개발을 위해 국내에서도 케로신* 추진제에 대한 연구는 활발하나 수소 추진제 연구는 아직 많이 진행되지 않았다. ※ 케로신 : 등유. 가솔린 다음으로 높은 끓는점 범위를 가진 석유 증류분. 로켓 엔진에서는 케로신을 고도로 정제한 RP-1 등을 이용한다. 수소 추진제는 케로신에 비해 크고 무거운 로켓엔진을 요구하지만 압도적인 비추력*과 탄소를 배출하지 않는 친환경성 덕분에 코어엔진이나 상단엔진의 추진제로 일부 국가에서 상용화되었고 국내에서도 필요성이 제기되어 왔으나 아직 연구 초기단계다. ※ 비추력 : 로켓 추진제의 성능을 나타내는 값. 1 초당 추진제 1 kg이 소비될 때 발생하는 힘 연구팀은 액체 로켓엔진의 작동조건을 모사하고자 최대 60기압에 이르는 고압 모델연소실과 영하 183도의 초저온 액체산소를 공급할 수 있는 추진제 공급장치를 제작하고 연소실험을 수행, 수소 추진제의 연소안정한계를 측정하였다. 화염이 꺼지거나 불안정해지는 등 연소에 이상이 생기는 연소안정한계는 로켓엔진의 안정성과 직결되는 요소로 이에 대한 데이터는 수소 로켓엔진 설계의 기초자료가 될 수 있을 것으로 기대된다. 연구팀은 온도, 압력, 상(phase), 분사속도 등 여러 분사조건 변화에 따른 연료의 혼합이나 분무특성을 분석하고 화염을 가시화하여 연소특성을 연구했다. 얻은 화염가시화 데이터를 통해 수정된 Damkohler 수*를 제안하여 화염이 안정화 될 수 있는 일반적인 기준을 세우고, 이를 활용하여 연소영역선도에 도식화하는 방식으로 평가도구를 설계할 수 있었다. ※ Damkohler 수 : 난류 화염을 이해하는 데 중요한 수. 특성 화학 시간에 대한 특성 혼합 시간의 비를 나타낸다. 이번 성과는 연소실의 규모, 연료의 분사량, 분사속도, 연료의 종류 등 연소에 관여하는 변수들이 달라지더라도 범용적으로 추진제의 연소특성을 평가할 수 있는 기준을 제시한 데 의의가 있다. 기존 연소안정한계는 특정 실험조건에서 얻은 측정값으로 연소조건이 달라지는 실제 로켓엔진 평가에 활용하기는 어려웠다. 기존 가스터빈, 보일러 등에 널리 적용되던 무차원 수를 액체로켓 엔진 평가에도 적용할 수 있도록 했다는 설명이다.

  • 폐암의 치료 지표인 EGFR 변이 유전자와 마이크로 RNA를 3시간 이내에 체외 진단 가능

    화학공학/고분자공학부 엄숭호 교수 ·육지수 연구원

    폐암의 치료 지표인 EGFR 변이 유전자와 마이크로 RNA를 3시간 이내에 체외 진단 가능

    화학공학/고분자공학부 엄숭호 교수와 의과대학 혈액종양내과 안명주 교수 연구팀이 고성능 핵산 나노구조체-그래핀 옥사이드 복합체를 개발하여 PCR 없이 폐암 질환의 특정 유전자 조합들의 초고속 ․ 실시간 ․ 다중 진단을 실현하였다. 암 진단에 소요되는 시간을 획기적으로 단축함과 동시에 비침습적 ․ 환자 친화적 암 진단법으로 떠오르고 있는 액체 생검(liquid biopsy)에 적용시켰다. 이로써 액체 생검에 적용가능한 폐암의 다중 바이오마커의 동시 진단법이 단계별 (조기, 말기, 재발) 폐암의 치료 모델 구축의 가능성을 처음으로 열게 되었다. 이번 연구는 보건복지부가 주최하는 보건의료기술 연구개발 사업 내 포스트게놈 다부처 유전체사업의 전폭적인 지원으로 수행되었다. 이번 연구 결과는 그 성과를 인정받아 다학문적 과학 (Multidisciplinary Science) 분야 최고권위지인 ‘Advanced Biosystems’의 표지 그림으로 선정되며 6월 10일자 온라인 판에 게재되었다. 이번 연구의 제1저자로 참여한 육지수 연구원은 정상세포가 암세포화로 진행되는 과정의 정보를 담고 있는 암세포 지문 유전자로 잘 알려진 특정 마이크로 RNA 그룹 및 폐암의 경우에 대표적 바이오마커인 상피세포 성장인자 수용체 (Epidermal growth factor receptor, EGFR) 유전자 변이의 조합을 선별적으로 분별하는 핵산 구조체-그래핀 옥사이드 플랫폼을 개발하였다. 이 플랫폼은 1개의 단일 유전자 변이의 차이를 보이는 점 돌연변이(Point mutation)의 구별도 가능케 하며 또한 3시간 이내에 다중의 바이오마커를 실시간으로 판별하므로 초간단, 초정밀 암 진단 (특히, 폐암진단)에 한 발짝 다가설 것이다. 특정 유전자의 변이 또는 유전 물질의 발현율 변화는 암의 발생과 암의 전반적 진행에 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다. 폐암의 경우 대표적 바이오마커로는 EGFR 유전자 변이가 있으며, 동양인 환자군의 35~50%가 이에 해당된다. 최근에는 마이크로 RNA의 발현량이 암 종양 생성에 직접적으로 많은 영향을 준다는 것이 함께 연구되어 크게 주목받고 있다. 이러한 유전자들을 검출하기 위해서는 침습적 ․ 수술적 방법으로 대상 생체 시료를 확보해야 한다. 이는 환자에게 상당한 육체적 정신적 고통을 야기하며 그 종양의 위치에 따라 기술의 활용이 상당히 제한적이다. 더불어 조직을 채취한 후에도 유전자 검사과정에는 수주의 시간이 소요되고 있다. 따라서 이를 대체하여 환자별 약물의 적합성 및 내성 등을 종합적으로 빠르게 평가하기 위한 환자친화적 진단법이 절실히 요구되고 있다. 이번 연구에서 이를 대체하기 위하여 혈액에도 적용 가능한 초고속의 진단 플랫폼이 개발되었다. EGFR 유전자의 변이 확인은 임상에서 치료제 처방에 적극 사용될 수 있으며, 마이크로 RNA군의 동시 식별은 새로운 암 바이오마커의 발견 및 치료법 구축에 크게 기여할 것이다. 이번에 본 연구팀은 삼각기둥 모형의 형광 핵산 생체 고분자 물질과 그래핀 옥사이드 간의 새로운 나노하이브리드 물질로 나노바코딩 플랫폼 시스템을 구축하였다. 이 시스템은 폐암에 기원한 마이크로 RNA 및 특이적인 유전자 바이오마커들과 선택적으로 반응하도록 설계되었다. 특정 바이오마커가 존재하는 상황에서 스스로 특정 형광 스위치들이 반응하여 켜지도록 만들어졌다. 이는 다양한 유전자 바이오마커들에 동시 적용가능하며 체외에서 진단되기 때문에, 현재 임상에서 유전자 진단 및 예방 키트등의 다각도로 활용 가능하여 실제 임상 키트들이 가진 종합적인 문제점들을 해결하며 처음으로 정밀의학의 가능성을 타진하였다. 실제로 이의 시약형의 플랫폼은 (주) DNANO(대표: 이영구)에서 ‘플루오그라(FluorgraTM)’로 명칭되어 사업화가 실현되고 있다. 엄 교수는 “획기적으로 단축된 검진시간과 액체 생검으로의 적용가능성은, 실제 임상 진단에서 빠른 치료제 처방과 맞물려 약물 효능에 대한 실시간 모니터링을 가능하게 하여 환자 맞춤형 치료를 실현해가고 있다. 이는 사업화되어 임신진단키트와 같은 형태로 진화하여 빠른 시일 내에 일상생활에서 건강 복지의 편의를 제공할 것이다”라고 말했다.

  • 2차원 소재 기반 테라비트급 초고속, 초절전 메모리 소자 개발

    에너지과학과 양희준 교수 ·Linfeng Sun 박사후연구원

    2차원 소재 기반 테라비트급 초고속, 초절전 메모리 소자 개발

    에너지과학과 양희준 교수 연구팀이 2차원 소재 그래핀과 질화 붕소 (h-BN)를 활용하여 테라비트급 (terabit, 1012개의 메모리 집적소자) 초고속 초절전 비휘발성 메모리 소자를 개발했다. 사물인터넷, 인공지능, 뉴로모픽 컴퓨팅 등의 미래 기술 실현을 위해서는, 현재 활용되는 실리콘 기반 낸드플래시보다 100배 이상 에너지 소모가 적고, 100배 이상 빠른 속도의 차세대 고집적 비휘발성 메모리 개발이 필수적으로 요구된다. 이를 위해, 실리콘 이외의 다른 소재(산화물 반도체, 2차원 소재)를 활용한, 상변화 메모리 (PRAM), 저항 메모리 (RRAM) 등이 활발하게 연구되었지만, 실리콘 공정 중심의 메모리 구현과 비교하여, 새로운 소재의 안정적 동작 및 기존 CMOS 설계와 다른 고집적화 방법에서 많은 기술적 난관이 존재했다. 본 연구에서는 2차원 소재, 그래핀과 질화붕소(h-BN)를 활용하여, 새로운 개념의 ‘자가 선택 메모리 (self-selective memory)’를 개발하였고, 이를 통해 기존의 트랜지스터를 활용하지 않고도 테라비트급 집적도와, 낸드플래시에 비해 1000배 적은 에너지로 100배 빠른 초절전, 초고속 메모리 동작이 가능함을 보였다. 그래핀의 우수한 기계적, 전기적 특성과 질화붕소를 통한 양자 터널링 특성을 융합하여 새로운 개념의 메모리 소자를 개발할 수 있었다. 양희준 교수는 “테라비트급 초고속 초절전 비휘발성 메모리 개발은 4차 산업혁명시대의 사물인터넷, 인공지능 등의 산업을 주도적으로 열 수 있는 핵심 기술” 이라면서 “이번 연구는 차세대 비휘발성 메모리 소자 개발을 위한 최대 난제를, 고전적인 실리콘 트랜지스터를 사용하지 않고, 2차원 소재를 활용하여 해결할 수 있는 방법을 보인 첫 사례” 라고 밝혔다. 이 성과는 국제학술지 ’Nature Communications (IF=11.880)’에 2019년 7월 18일에 게재되었다. 이 연구는 삼성미래기술육성사업의 지원으로 수행되었으며, 박사후연구원 Dr. Linfeng Sun (에너지과학과)이 제 1저자로 참여하였다. (그림) 2차원 소재 기반 자가 선택 메모리 구조와 SKKU를 별도의 선택 소자 없이 저장한 모습

  • 주기적인 배터리 교체시술이 필요 없는 체내 삽입용 의료기기 구현 기대

    신소재공학부 김상우 교수 ·윤홍준 박사 · Ronan Hinchet 박사

    주기적인 배터리 교체시술이 필요 없는 체내 삽입용 의료기기 구현 기대

    신소재공학부 김상우 교수 연구팀이 배터리 교체를 위한 주기적 시술 없이 체내에서 생성된 마찰전기로 생체 삽입형 의료기기를 상시 충전하는 새로운 방식의 에너지 수확(energy harvesting) 기술을 개발했다고 밝혔다. 이 연구 성과는 세계 최고 수준의 국제학술지 사이언스(Science)紙에 2019년 8월 2일자로 게재되었다. ※ 논문정보: “Transcutaneous ultrasound energy harvesting by using capacitive triboelectric technology”, Science 365, 491 (2019) ※ 주저자: 김상우 교수(교신저자, 성균관대 신소재공학부), 윤홍준 박사(공동 1저자, 성균관대 신소재공학부), Ronan Hinchet 박사(공동 1저자, 성균관대 신소재공학부, 현 스위스 EPFL 연구원) 심장박동기, 인슐린펌프 등 체내 삽입형 의료기기의 전원공급을 위해 상당한 출력의 외부전력을 무선으로 체내로 전송하기 위해서는 생체 영향력 부분을 고려해야 했다. 이에 심장박동이나 혈류, 근육운동 등 생체 내 여러 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하려는 에너지 수확 연구가 지속되었으나 체내에서 발생하는 기계적 에너지가 작아 충분한 발전효과를 내기 어려웠다. 연구진은 실제 검진 및 치료 등에 사용되는 인체에 무해한 초음파에서 힌트를 찾아냈다. 외부의 초음파가 체내에 삽입된 특정 소재의 변형을 가져오고 변형에 따른 진동으로 유도되는 마찰전기를 이용해 높은 수준의 전기에너지를 발생시킬 수 있음을 입증했다. 쥐 또는 돼지의 심장박동을 전기에너지로 변환하고자 마찰전기를 이용한 경우가 있었지만 발생 전력량이 미미하여 실제 전력원으로 사용하기는 어려운 상황이었다. 이번 연구에서는 생체를 투과할 수 있는 초음파를 외부 기계적 에너지원으로 이용해 출력 전류를 천 배 이상 끌어 올린 것이다. 실제 연구진은 쥐와 돼지 피부에 마찰전기 발생소자를 삽입하고 외부에서 초음파로 마찰전기를 유도함으로써 실제 생체 환경에서 에너지 수확을 통한 발전(發電)이 가능함을 입증하였다. 돼지 지방층 1cm 깊이에 삽입된 발전소자로부터 심장박동기나 신경자극기를 구동할 수 있는 수준의 출력(0.91 V의 전압, 52.5 μA)을 얻어 낸 것이다. 나아가 개발된 마찰전기 발전소자로 최적의 조건에서 박막형 리튬이온 배터리(0.7 mAh, IoT용 무선 온도센서 상시구동이 가능한 용량)와 상업용 커패시터(4.7 mF)를 완충하는데 성공했다. 김상우 교수는 “피부층을 통과한 초음파에 의한 마찰전기를 이용한 새로운 방식의 체내 에너지 하베스팅 개념을 제시한 것”이라며, “인체 삽입형 의료 시스템 산업에 새로운 이정표를 제시할 것으로 기대된다”고 의의를 밝혔다. 이 연구성과는 과학기술정보통신부 한국연구재단 기초연구지원사업(중견연구), 산업통상자원부 산업기술혁신사업의 지원으로 수행되었다. 김상우 교수는 2007년 국내에서 최초로 압전 나노발전기(piezoelectric nanogenerator) 연구를 시작하였고, 미국 Georgia Tech의 Zhong Lin Wang 교수와 함께 압전/마찰 나노발전기 기반 에너지 하베스팅 분야 세계적 권위자이다. 김상우 교수 연구팀은 다양한 압전/마찰전기 신소재 개발 및 자가발전(self-powering) 에너지 하베스팅 기술을 스마트 웨어러블, IoT 센서, 인체삽입 의료전자기기에 적용하는 연구를 전세계적으로 주도하고 있다. 김상우 교수는 250편 이상의 국제학술지 논문 발표(2019년 9월 기준, h-index: 61; total citation: 12,375회) 및 100건 이상의 국내외 특허를 보유하고 있으며 에너지 분야 저명한 국제 학술지 중 하나인 “Nano Energy” (Elsevier사 출간, IF 15.548, JCR 3.716%)의 부편집장(Associate Editor) 및 “Advanced Electronic Materials” (Wiley사 출간, IF 5.466)의 상임고문(Executive Advisory Board)으로 활동하면서 에너지/소재 분야 발전에 전세계적으로 큰 기여를 하고 있으며, 이러한 학문적 성과를 인정받아 본교의 SKKU Young Fellow 교수(2013년) 및 SKKU Fellow 교수(2019년)로 선정되었다. 김 교수팀은 국내외 산학연 공동연구를 통해 원천연구부터 응용연구까지 광범위한 연구를 진행하고 있고, 최근에도 Science, Nature Communications, Energy & Environmental Science, Advanced Materials 등 최상위 저널지에 지속적으로 연구 결과물을 발표하고 있으며, 연구 결과물은 국내외 다양한 기업으로의 기술이전 실적으로 이어지고 있다. 이러한 우수한 실적을 바탕으로 김 교수 연구실의 출신들은 국내외 연구중심대학(DGIST, 인도 IIT, 파키스탄 NUST 등)의 전임교원 및 국내외 유수의 기업연구소, 정부출연연구소, 해외대학에서 연구원으로 활발히 활동하고 있다.

  • 면역억제인자 제어 항암면역치료 약물전달 플랫폼 개발

    성균나노과학기술원 임용택 교수 ·송찬영

    면역억제인자 제어 항암면역치료 약물전달 플랫폼 개발

    성균나노과학기술원 임용택 교수 연구팀은 건국대학교 면역학 교실 박영민 교수 연구팀과 공동연구를 통하여, 현재, 다양한 고형암 분야에 사용되는 항암면역치료제 (면역관문억제제)의 한계를 극복할 수 있는 치료기술을 개발하였다고 발표하였다. (Nature Communications. 2019년 8월 20일자 온라인 게재). 면역관문억제제는 현재 항암면역치료제로서 가장 각광받고 항체신약으로, 2018년 노벨 생리-의학상과 관련 있는 첨단 신약이다. 하지만, 실제 임상 분야에서 이러한 면역관문억제제에 대한 환자의 반응율(response rate)은 암 종에 다르지만, 대략적으로 5-30%에 그치고 있다. 이러한 이유로, 다국적 대형 제약회사 뿐만 아니라, 전 세계 많은 제약사들이 이러한 면역관문억제제의 반응율을 향상시키기 위한 치료제 및 치료기술 개발에 집중하고 있다. 면역관문억제제에 대한 반응율을 높이기 위한 핵심기술은 종양미세환경에서, 실제로 암세포를 살상하는 역할을 하는 항원 특이적 T 세포의 분화 및 증식을 유도하는 것과, T세포의 기능을 저해하는 역할을 하는 면역억제세포 (MDSC, TAM, Treg) 및 면역억제기능 사이토카인(TGF-beta, IL-10 등)을 조절하는 것이다. 이번 연구에서 환자의 종양미세환경에 존재하는 면역억제세포의 기능을 조절할 뿐만 아니라, 항원제시세포 및 T 세포의 항암면역기능을 유도할 수 있는 약물전달 플랫폼을 개발하였다. 본 연구에서 개발된 다중나노도메인 베시클 기반 약물전달체는 기존에 약물전달체로 널리 사용되어 왔던 나노리포좀의 한계 (낮은 봉입효율, 안정성 및 약물 방출거동)를 극복할 수 있고, 더 나아가서는 특정 고형암 분야에 주입형 겔 (injectable gel) 형태로 주사가 가능한 신규 제형까지 발전시킬 수 있었다. 임용택 교수는 “향후의 항암면역치료제는, 다양한 면역관문억제제의 치료 효능을 미리 예측할 수 있는 바이오마커 (biomarkers) 정보를 기반으로, 환자맞춤형 치료제 선정 및 프로토콜 개발로 발전할 것으로 예상되고 있습니다. 이번에 개발된 약물전달체 제조에 사용된 원료는, 이미 인체적용에서 안전성이 증명된 생체적합성 소재로서, 임상적용 가능성이 매우 높으며. 특히, 환자마다 다른 종양미세환경에 존재하는 다양한 면역학적 인자들의 분석을 통하여, 면역관문억제제의 치료효율을 높이기 위한 환자 맞춤형 약물을 선택적으로 로딩할 수 있다는 장점이 있습니다” 라고 발표했다. 이번 약물전달체 기술은 신약개발 벤처기업인 ㈜단디바이오사이언스로 기술이전 되어, 면역항암제 신약파이프라인으로 개발 중이다. 논문명: Syringeable immunotherapeutic nanogel reshapes tumor microenvironment and prevents tumor metastasis and recurrence 저자: 송찬영(제1저자, 박사후연구원, 성균관대), Hathaichanok Phuengkham(공동 제1저자, 박사과정, 성균관대), 김영섭(공동 제1저자, 건국대), 강태흥 교수(공동교신, 건국대), 박영민 교수(공동교신, 건국대), 임용택 교수(교신저자, 성균관대)

  • 환자 줄기세포와 유전자 가위를 이용한 심장질환 발병원인 규명 및 새로운 치료 표적 제시

    약학과 이재철 교수

    환자 줄기세포와 유전자 가위를 이용한 심장질환 발병원인 규명 및 새로운 치료 표적 제시

    약학과 이재철 교수 연구팀이 환자로부터 생성된 역분화 줄기세포를 이용하여 심장질환(확장성 심근병증)의 발병원인을 규명하고 치료제 개발의 새로운 표적을 제시하였다. 본 연구는 과학기술정보통신부 집단연구지원(의과학선도연구센터, MRC) 및 개인기초연구(신진연구) 사업의 지원으로 수행되었으며, 미국 스탠퍼드대(Stanford)와의 공동연구로 진행된 이 성과는 국제학술지 '네이처(Nature)' 에 7월 18일(한국시간) 자로 게재되었다. ※ 논문명 : Activation of PDGF pathway links LMNA mutation to dilated cardiomyopathy ※ 주저자 : 이재철 교수(제1저자, 교신저자, 성균관대), Joseph C. Wu (공동교신, Stanford University), Vittavat Termglinchan (공동 제1저자, Stanford University) 심근(심장근육)의 이상으로 인한 확장성 심근병증(Dilated Cardiomyo pathy, DCM)은 심실의 확장과 수축기능장애가 동반된 증후군으로 국내의 경우 10만 명당 1~2명의 높은 유병률을 보이나 그 질환의 정확한 원인은 알려지지 않았다. 연구팀은 확장성 심근병증 가족으로부터 역분화줄기세포(유도만능줄기세포, iPSC)를 얻고 이를 심근세포로 분화시켜 질환의 원인을 밝히고자 하였다. 유전자 가위 기술로 특정 단백질 유전자의 변이를 정상으로 교정하였을 때 분화된 심근세포의 핵막이 정상적으로 돌아오는 것을 관찰하였으며 반대로 변이를 유발하였을 때 핵막의 이상이 나타나는 것을 확인하였다. 유전자 변이에 의한 핵막의 비정상적인 형태가 세포의 후성유전학적 변화를 일으키고 최종적으로 혈소판유래성장인자(PDGF) 란 특정 신호전달체계를 비정상적으로 활성화시킴을 확인하였다. 이 연구결과는 질환의 표적을 제시함과 동시에 미국 식품의약국(FDA) 허가를 받은 기존의 일부 약물을 질환 모형에 적용함으로써 새로운 심장질환 치료제로의 가능성을 보여준 것으로 기대된다. 이재철 교수는 “환자의 유전정보 등을 통하여 질환을 예측할 수 있는 정밀의학(precision medicine) 시대를 맞아 이같은 예측체계를 실험적으로 검증할 수 있는 기술이 필요한 상황”이라면서“이번 연구는 환자 특이적인 역분화 줄기세포를 이용하여 특정 질환을 실험실 수준(in vitro)에서 정밀하게 모형화 할 수 있음을 보여주는 사례로 역분화 줄기세포 및 유전자가위 기술을 통해 새로운 심장질환 치료제 개발 가능성을 보여준 것”이라고 밝혔다.

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