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- 작성자서정원
- 작성일2021-07-30
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아주대 연구팀이 실크 단백질 나노섬유를 활용해 터치로 전기를 생산하는 전자 피부를 구현해냈다. 이에 인체의 피부나 소프트 로봇에 부착해 움직임으로부터 전기 에너지를 생산하거나 감각기관으로 활용할 수 있는 차세대 바이오 전자 소자로 활용될 수 있을 것으로 보인다.우리 학교 김성환 교수(물리학과·대학원 에너지시스템학과)는 실크 단백질 나노섬유 위에 탄소나노섬유 잉크로 회로를 그려 넣은 전자문신을 개발, 이를 마찰전기 수확 소자로 동작시키는 데 성공했다고 밝혔다. 실크 단백질은 누에고치에서 나온 생체친화적 소재다. 이번 연구 성과는 에너지 소재 분야 최고 권위지 중 하나인 <어드밴스드 에너지 머트리얼즈 (Advanced Energy Materials, Impact Factor 25.245)> 6월11일자에 온라인 게재됐다. 논문 제목은 ‘인간-기계 인터페이스를 위한 실크 단백질과 탄소 나노튜브에 기반을 둔 자가 발전, 무지각 전자문신(Self-powered and imperceptible electronic tattoos based on silk protein nanofiber and carbon nanotubes for human-machine interfaces)’이다. 이번 연구에는 제1저자로 우리 대학 나렌다 고굴라(Narendar Gogurla) BK 연구 조교수가, 교신저자로 김성환 교수가 참여했다. 최근 전 세계적으로 인체의 피부에 부착할 수 있는 차세대 헬스케어용 전자 소자에 대한 연구가 매우 활발하다. 그 중에서도 흔히 발생하는 마찰·정전기 현상을 에너지원으로 삼는 마찰전기 수확 소자는 인체의 평소 움직임을 전기 에너지로 전환할 수 있다는 점에서 더욱 많은 관심을 받고 있다. 마찰전기 수확 소자는 헬스케어 소자의 동작을 위한 에너지원으로, 더 나아가 인체 움직임의 정보를 전달하는 인공 촉각 기관으로 응용할 수 있다. 그러나 높은 에너지 효율을 위해 소자와 궁합이 잘 맞는 소재를 사용해야 한다는 점(예: 머리카락과 플라스틱이 가장 좋은 정전기를 발생시킴)이 인체 피부에 직접 접촉, 전기 에너지를 생산하는 데 있어 걸림돌이 되어 왔다. 더불어 피부의 굴곡에 상관없이 소자가 피부에 부착 되어야 하고, 구성 성분도 인체에 무해한 것으로 구성해야 한다는 점이 마찰전기 수확 소자 관련 연구의 난관으로 여겨져 왔다. 이에 김성환 교수 연구팀은 천연 실크 단백질에 주목했다. 누에고치에서 나온 실크 단백질은 생체친화적이고 물리적·화학적 물성이 우수해 활용 가능성이 높은 바이오 고분자 소재다.연구진은 먼저 전기방사 방법을 활용하여 인간 머리카락 50분의 1 두께인 실크 나노섬유 종이를 제작했다. 여기에 탄소 나노섬유 잉크를 활용, 붓으로 실크 나노섬유 종이에 원하는 모양의 회로를 그려 넣고, 다시 실크 나노섬유 종이를 덮어 문신 스티커를 완성하였다. 이를 물을 살짝 묻힌 피부에 올려놓기만 하면 전자문신을 형성하는 것이 가능하다. 이렇게 만든 전자문신은 두께가 매우 얇아 손의 지문과 같이 촘촘하게 주름진 표면에도 올릴 수 있으며, 샤워를 제외한 여타 일상 생활 속에서도 안정적으로 전기적 특성을 유지할 수 있다. 전자문신의 사용을 마치면 물티슈 등으로 가볍게 닦아내면 되기에 관리도 쉽다. 탄소 나노섬유에서 기인할 수 있는 유해성은 전자문신 중간에 삽입된 실크 나노섬유가 차단해 준다. 피부에 부착한 전자문신은 흥미롭게도 피부 터치에 가장 좋은 효율을 보여주었다. 이는 정전 효율을 위해 라텍스 장갑 등 다른 이물질을 착용하지 않아도 됨을 의미한다. 이렇게 수확된 전기 에너지는 LED나 스탑워치 등 소형 기기를 구동하기에 충분했다. 터치로 전기 신호를 발생시킬 수 있다는 것은 인공 촉각 기관으로도 활용 가능함을 의미한다. 아주대 연구팀은 피부에 픽셀 문신을 구현, 손가락 터치로 그린 글씨가 전기 신호로 전환되어 전달될 수 있음을 성공적으로 보여주었다. 김성환 교수는 “인체 피부에 전자회로를 집적하려는 연구는 많은 진전을 이루어 왔지만 생체 적합성 및 생체 조직과의 인터페이스 문제는 상대적으로 간과되어 온 측면이 있다”며 “실크 단백질과 같은 생체 물질 단백질을 활용하면 생체 조직과 전자 소자의 상이한 물성 차이를 극복할 인터페이스를 제공할 수 있다”고 말했다.김 교수는 이어 “이번에 개발한 소재 기술은 천연 바이오 소재들이 생명체 및 인공 생명체를 위한 전자 소자 구현에 적용될 수 있음을 보여줬다는 데 의의가 있다”며 “앞으로 다양한 헬스케어 소자와 소프트 로보틱스 분야에 적용할 수 있을 것”이라고 덧붙였다. 이번 연구는 농촌진흥청 주관 농업정책지원기술개발 사업, 한국연구재단 주관 중견연구자지원사업, BK21 Four 사업과 경기도 주관 지역협력연구센터사업(GRRC)의 지원으로 수행되었다. [그림 설명] (좌)실크 마찰전기 전자문신 개념도. 생체적합한 전자문신으로 피부 터치로 전기 에너지를 모을 수 있다. (우)인공 촉각기관 실험. 피부 위 픽셀을 구현하여 터치로 그린 글씨 정보가 전기 신호로 전달될 수 있음을 보여준다.
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- 작성일2021-07-23
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코로나19 치료제 후보 물질을 연구 개발하고 있는 아주대학교 연구팀이 코로나19 바이러스 억제에 효과를 보이는 항바이러스 약물을 조사해 그 결과를 발표했다. 아주대 최상돈 교수(생명과학과·대학원 분자과학기술학과, 사진)와 김문석 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과), ㈜에스앤케이테라퓨틱스 공동 연구팀은 미국식품의약국(FDA)이 승인한 항바이러스제를 조사해 그 중 렘데시비르(Remdesivir)와 레디파스비르(Ledipasvir)가 코로나19에 항바이러스 작용이 있음을 입증해냈다고 밝혔다. ㈜에스앤케이테라퓨틱스는 최상돈 아주대 교수가 설립한 희귀 면역 질환 치료제 개발사다.해당 내용은 ‘FDA 승인 항바이러스 약물 중 Remdesivir와 Ledipasvir의 SARS-CoV-2 증식 억제 작용(Remdesivir and Ledipasvir among the FDA-Approved Antiviral Drugs Have Potential to Inhibit SARS-CoV-2 Replication)’이라는 논문으로 국제 저널 <셀즈(Cells)>에 지난 4월 게재됐다. 코로나19 바이러스는 RNA 바이러스 중에서도 비교적 큰 바이러스게놈을 갖는 양성 가닥 RNA 바이러스다. 게놈(genome)은 개체의 모든 유전자와 유전자가 아닌 부문을 모두 포함한 염기서열로, 한 생물종의 완전한 유전 정보의 총합이다. 코로나19 바이러스의 게놈 RNA는 뉴클리오캡시드 단백질로 커버되어 있고, 폴리아데닐화(polyadenylation)되어 있으며, 외피에 스파이크(spike) 당단백질을 갖는다. 현재 개발된 코로나19 백신들은 모두 이 스파이크 당단백질을 타깃으로 하고 있다.아주대 연구팀은 신종 코로나 바이러스(SARS-CoV-2)가 숙주 세포 에 들어가 바이러스 게놈의 전사 및 복제에 중요한 역할을 하는 RNA 의존성 RNA 중합 효소(RdRp; RNA-dependent RNA polymerase) 복합체의 억제 물질 개발을 진행 중이다. RNA 의존성 RNA 중합 효소(RdRp)는 변형되는 확률이 매우 낮아서 RNA 바이러스 복제를 제어하기 위한 가장 적합한 표적 중 하나다.연구팀은 우선 전 세계적인 코로나19의 급속한 확산과 사망자 수 증가에 최대한 신속하게 대응하기 위해 미국식품의약국(FDA)이 승인한 항바이러스제 가운데, 코로나19 바이러스 활성을 조사했다.아주대·㈜에스앤케이테라퓨틱스 연구팀은 컴퓨터 가상 스크리닝을 통해 미국식품의약국(FDA)이 승인한 수백 개의 항바이러스 약물을 우선 인실리코(in silico) 스크리닝 했다. 인실리코 스크리닝은 컴퓨터 또는 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 수행되는 탐색기술이다. 연구팀은 약물과 RdRp의 분자역학 시뮬레이션을 거쳐 가능성 있는 약물을 1차 선별하고 베로 E6(Vero E6) 세포에서 코로나 바이러스(SARS-CoV-2)에 대한 약물의 항바이러스 활성을 평가했다. 그 결과 렘데시비르(Remdesivir)와 레디파스비르(Ledipasvir)가 코로나 바이러스에 항바이러스 작용을 함을 입증해 낸 것. 베로 E6세포는 1962년 아프리카 녹색원숭이 신장의 상피세포에서 분리 및 개발된 세포주로, 바이러스 감염 연구에 활용되고 있다. 조류인플루엔자 바이러스 백신, 로타바이러스 백신, 폴리오 백신, 공수병 백신 등이 베로 세포를 이용하여 생산되고 있다.최상돈 교수는 “코로나 바이러스는 주기적으로 변종이 나오고 있어 문제”라며 “장기적으로 코로나 바이러스 증식 자체를 억제하는 약물의 개발이 필요하다”고 진단했다. 최 교수는 이어 “이번 연구를 통해 코로나19의 치료에 있어, 직접 작용하는 약물을 단독으로 혹은 조합하여 사용할 수 있음을 알게 되었다는 데 의의가 있다”라고 덧붙였다. 코로나 바이러스(SARS-CoV-2)에 대한 약물 후보의 항 바이러스 활성 평가. (a-c) 오른쪽 세로축은 세포 생존력을 나타내고 왼쪽 세로축은 SARS-CoV-2에 대한 항 바이러스 활성을 나타냄.
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- 작성일2021-06-21
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서형탁 교수 연구팀이 수소 연료 생산을 위한 물 분해 광전극을 단일 소재를 이용해 개발하는 데 성공했다. 무공해 방식으로 수소 연료를 생산할 수 있는 저비용 고효율 광전극으로 활용될 수 있을 것으로 보인다. 서형탁 교수(신소재공학과·대학원 에너지시스템학과, 사진 오른쪽)는 단일 소재 기반의 고효율 태양광 물 분해 신소재 광전극을 개발했다고 밝혔다. 관련 내용은 ‘이상적인 도핑과 일함수 조절을 통한 {002}면으로 정렬된 1차원 텅스텐 산화물의 태양광 물 분해 개선 효과(Enhanced solar water splitting of an ideally doped and work function tuned {002} oriented one-dimensional WO3 with nanoscale surface charge mapping insights)’라는 논문으로 촉매 분야 국제 학술지 <어플라이드 카탈리시스 B: 인바이런멘탈’(Applied Catalysis B: Environmental), IF=16.683> 5월6일자 온라인판에 게재됐다. 우리 학교 칼라누르 샨카라(Shankara Kalanur) 교수(신소재공학과, 사진 왼쪽)가 제1저자로 함께 참여했다.수소는 연료로 사용된 후 물이 배출되는 대표적인 청정 연료원으로, 최근 차세대 에너지 연료원으로 주목받으며 산업 전반에서 활용 영역을 확장하고 있다. 연료로서의 수소를 생산하기 위해서는 화석 연료를 개질(reforming)하는 방식이 주로 사용되고 있는데, 이 과정에서 수소 생산 중량의 9배가 넘는 이산화탄소(CO2)도 같이 배출된다. 때문에 대표적 온실가스인 이산화탄소 같은 공해 물질의 배출을 줄이기 위해 전기나 태양광을 이용하는 광·전기 화학적 물 분해 기술에 대한 연구가 최근 활발히 이루어지고 있다. 태양광이 반도체 광전극에 입사할 때 생성된 전하를 이용하여 물을 분해하는 방식으로, 이 방법은 이산화탄소 배출이 없는 청정 수소 생산 방식이다. 그러나 기존 화석연료 개질 방식에 비해 매우 낮은 생산 효율이 그동안 한계점으로 인식되어 왔다. 이러한 낮은 생산 효율을 극복하기 위해서는 태양광 물 분해 시스템에서 가장 핵심적인 역할을 하는 광전극의 광 반응 특성을 향상 시키고, 장기 반응 내구성을 확보하는 것이 관건이다. 최근 단일 소재 광전극으로는 이러한 기술적 향상을 이루는 데 한계가 있는 것으로 판명되어, 여러 소재를 적층하여 광전극을 형성하는 ‘탠덤’ 구조에 대한 연구가 많이 이루어져 왔다. 그러나 탠덤 구조를 이용하는 경우 공정이 복잡해져 광전극의 특성 재현성이 현저히 낮아지고 이종 소재 간 화학적 불안정성을 보이기도 하는 등 여러 문제가 발생해 왔다. 서형탁 교수팀은 기존에 널리 연구되어 왔으나 효율 향상 한계에 봉착했던 텅스텐 산화물(WO3) 광전극에 주목했다. 서 교수팀은 다른 소재를 추가한 이종 적층 구조를 쓰지 않고 단일 소재에 소량(1.14%)의 이트리움(Y)을 ‘도핑’할 경우 1차원 텅스텐 산화물 나노로드의 결정 방향이 광화학적으로 활성이 높은 {002}면에 대하여 정렬된다는 점을 발견해 냈다. 연구진은 최적 도핑 농도 및 공정 확보를 위해 수십 가지 경우의 불순물 농도를 검증, 최적 조건을 찾아냈다. 연구팀은 최적 조건으로 이트리움(Y)이 도핑된 텅스텐 산화물(WO3)에서 광전류가 200% 가량 대폭 향상되며, 촉매에 흡수된 빛에 의한 광전류의 수소 전환 효율은 95%에 이른다는 점을 확인했다. 그 밖에도 극소량의 도핑으로도 저항 감소, 전자구조 변화, 표면일함수 변화 등 다양한 물리·화학적 특성이 달라질 수 있음을 확인했다. 서형탁 교수는 “저가의 텅스텐 산화물에 극소량의 불순물 도핑을 통해 고효율 단일소재 기반의 나노구조 광전극 제조에 성공한 사례”라며 “이를 통해 최고 수준의 전환 효율로 수소를 생산할 수 있음을 확인했고, 앞으로 안정성을 더욱 개선해 실용화를 목표로 연구를 이어 가겠다”고 말했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 주관 기초연구지원사업(기본)의 지원과 해외우수신진인력지원사업의 지원으로 수행됐다.
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- 작성일2021-06-16
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아주대와 팬옵틱스 공동 연구팀이 실크 단백질 나노섬유를 활용해 다기능 전자문신을 구현하는 데 성공했다. 이에 원하는 회로를 그려 넣은 후 굴곡진 피부 조직에 부착, 진단 및 약물 전달용으로 활용할 수 있는 차세대 헬스케어 소자로 이용될 전망이다.우리 학교 김성환 교수(물리학과·대학원 에너지시스템학과, 사진 왼쪽)는 실크 단백질 나노섬유 위에 탄소나노섬유 잉크로 회로를 그려 넣는 방식의 전자문신 구현에 성공했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 신소재 분야 최고 권위지 중 하나인 <어드밴스드 머트리얼즈(Advanced Materials)> 권두 표지논문(Frontispiece)으로 5월6일 자에 온라인 게재됐다. 논문 제목은 ‘피부 위 진단 및 치료응용을 위한 다기능, 극박 전자문신(Multifunctional and Ultrathin Electronic Tattoo for On-Skin Diagnostic and Therapeutic Applications)’이다. 이번 연구는 광학 전문 기업 팬옵틱스와의 산학협력 연구를 통해 진행됐다. 제1저자로 우리 학교 나렌다 고굴라 BK연구 조교수(사진 오른쪽), 공동저자로 팬옵틱스의 김장선 대표이사 외 3인이 참여하였다. 최근 전 세계적으로 인체 조직에 부착 가능한 차세대 헬스케어용 전자 소자에 대한 연구가 매우 활발하다. 생체 신호를 직접 읽어 들이고 분석할 수 있는 덕분. 이러한 헬스케어용 전자 소자를 구현하기 위해서는 실제 생체 조직과 같이 유연하고 잘 늘어나는 전자 소자가 필요하다. 이에 많은 연구자들이 유연 기판에 전극과 전자 소자를 집적, 다양한 인체 신호를 읽고 분석하는 소자를 개발해왔다. 이러한 형태의 소자는 ‘피부를 인공적으로 모방한 전자 소자’라는 개념으로 해석되어 ‘전자 피부’라 불린다.이렇게 개발된 전자 피부와 실제 인체 피부와의 완벽한 인터페이스를 위해서는 지문을 비롯한 굴곡진 표면을 따라 부착할 수 있어야 하며, 생체 적합성도 중요하게 고려해야 한다. 따라서 전자 회로를 생체적합 물질을 사용해 매우 얇게 구현해야 하는 어려움이 존재해왔다. 이에 김성환 교수 공동 연구팀은 천연 실크 단백질에 주목했다. 누에고치에서 나온 실크 단백질은 생체친화적이고 물리적·화학적 물성이 우수해 활용 가능성이 높은 바이오 고분자 소재다.먼저 연구진은 전기방사 방법을 활용하여 인간 머리카락 50분의 1 두께의 실크 나노섬유 종이를 제작했다. 여기에 탄소 나노섬유 잉크를 활용, 붓으로 실크 나노섬유 종이에 원하는 모양의 회로를 그려 넣었다. 잉크가 마르면서 그린 모양대로 회로가 떨어져 나오고, 이를 문신 스티커처럼 물을 살짝 묻힌 피부에 올려놓기만 하면 전자문신을 형성하는 것이 가능하다. 이렇게 만든 전자문신은 두께가 매우 얇아서 지문처럼 촘촘하게 주름진 표면에도 올릴 수 있으며, 샤워를 제외한 여타 일상 생활 속에서도 안정적으로 전기적 특성을 유지할 수 있다. 전자문신의 사용을 마치면 물티슈 등으로 가볍게 닦아내면 되기에 관리도 쉽다. 탄소 나노섬유에서 기인할 수 있는 유해성은 전자문신 중간에 삽입된 실크 나노섬유가 차단해 준다. 피부에 부착한 전자문신은 심전도와 근전도 검사를 위한 전극으로, 혹은 온열 치료나 약물 전달을 위한 패치로 응용이 가능하다. 전자문신에 약한 전류를 흘려주거나 빛을 쬐어주면 탄소 나노섬유에 의해 열을 발생시킬 수 있다. 특히 빛을 활용할 수 있다는 점은 원격으로 전자문신을 데울 수 있음을 의미하고, 이는 응용 범위가 매우 넓다는 것으로 해석할 수 있다. 실크 단백질에 원하는 약물을 탑재할 수도 있어, 원격으로 문신 온도를 조절하여 약물 전달 효율을 조율할 수 있다. 김성환 교수는 “인체 피부에 전자회로를 집적하려는 연구는 많은 진전을 이루어 왔지만 생체 적합성 및 생체 조직과의 인터페이스 문제는 상대적으로 간과되어 온 측면이 있다”며 “생체 물질인 단백질을 활용해 생체 조직과 전자 소자의 상이한 물성 차이를 극복할 인터페이스를 제공할 수 있다”고 말했다.김 교수는 이어 “이번에 개발한 소재 기술은 바이오 소재들이 전자 소자 구현에도 적용될 수 있음을 보여줬다는 데 의의가 있다”며 “앞으로 다양한 헬스케어 소자와 소프트 로보틱스 분야에 적용할 수 있을 것”이라고 덧붙였다. 이번 연구는 한국연구재단 주관 중견연구자지원사업, BK21 Four 사업과 경기도 주관 지역협력연구센터사업(GRRC), 한국에너지기술평가원 주관 에너지인력양성 사업의 지원으로 수행되었다. 관련 기술은 팬옵틱스와의 산학협력 연구를 통해 개발되었으며, 국내 특허 출원과 함께 일부 기술이전 되었다. <연구 개념을 보여주는 모식도. 누에고치로부터 만들어진 실크 종이에 전도성 잉크로 전자회로를 그린 후 문신처럼 피부에 부착할 수 있다>
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- 작성일2021-06-14
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