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전자공학과 오일권 교수가 반도체 미세 공정에 대한 화학적 이해를 넓혀 반도체 소자 및 공정 기술 혁신의 길을 열었다. 한계에 도달한 반도체 미세화 및 다층화 기술에 새로운 해결책이 될 수 있다는 점에서 앞으로 차세대 반도체 공정 기술의 원천 기술로 활용될 전망이다. 오일권 교수(전자공학과, 사진)는 반도체 원자층 증착 공정에서 표면 분자 흡착의 메커니즘을 확인하고, 이를 통해 분자 흡착을 조절할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 관련 논문은 미국 화학 분야 최고 권위의 학술지인 <저널 오브 더 아메리칸 케미컬 소사이어티(Journal of the American Chemical Society)> 표지 논문으로 7월6일 출간됐다. 오일권 아주대 교수가 제1저자로 참여했고, 미국 스탠포드대학(Stanford University)의 스테이시 벤트(Stacey F. Bent) 교수(화학공학과) 연구팀과 칠레 산타마리아 기술 대학(Universidad Técnica Federico Santa María)의 타니아 산도발 교수(화학·환경공학과)가 함께 참여했다. 이번 연구는 현재 반도체 양산에 적용된 공정 기술 중 하나인 '원자층 증착법'의 세부 메커니즘에 대한 의문에서 시작됐다. '원자층 증착법'이란 분자들의 자기 제한 표면 반응(self-limiting)을 기반으로 하여, 박막을 원자 단위에서 균일한 고품질로 증착하는 방법이다. 원자층 증착법을 통해 매우 얇은 원자 단위 두께의 층을 실리콘 웨이퍼 같은 평평한 물질에 소자의 손상 없이 균일하게 증착할 수 있다. 이에 표면 분자 흡착 반응의 메커니즘을 이해하고, 더 나아가 반응 자체를 적절하게 조절할 수 있다면 고품질의 박막을 얻을 수 있어 반도체나 디스플레이 분야뿐 아니라 나노 신소재, 바이오와 에너지 등의 분야에서도 높은 관심을 받고 있다. 더욱이 반도체의 경우, 소자의 크기가 미세화됨에 따라 관련 공정에서 반도체 소자의 품질은 소자의 구조 및 물질, 더 나아가 관련 장비의 영향을 받고 있다. 현재 전 세계적으로 반도체 소자의 미세화와 다층화 기술이 한계에 도달하고 있어, 이제는 박막 제조 공정에서 사용하는 분자 및 표면 반응의 조절까지 필요해진 시점이다.기존에는 원자층 증착 공정에 있어 원자층 표면의 화학 반응성이 높으면 반응이 잘 일어나 박막의 성장이 빠른 것으로, 분자의 사이즈가 크면 주변의 반응기 반응기를 가려 박막의 성장 속도를 낮춘다고 알려져 있었다. 이에 연구팀은 원자층과 관련한 반응과 세부 메커니즘을 파악할 수 있다면, 이를 응용하여 분자의 표면 흡착 반응을 조절할 수 있을 것으로 예상했다. 이러한 메커니즘을 파악하기 위해서는 또한 시리즈 전구체에 대한 연구가 필수적이다. 전구체(Precursor)는 반도체 웨이퍼에 박막을 쌓아 올리는 증착 공정에 사용되는 원료로, 화학 반응에 참여하는 화합물을 말한다. 반도체가 미세화될수록 집적도는 향상되고, 박막의 두께는 줄어 들어야 하기 때문에 전구체의 중요도가 높아진다. '시리즈 전구체'란 같은 메탈 센터를 갖고 있는 전구체에, 주변을 감싸고 있는 리간드의 종류가 하나씩 순차적으로 바뀌는 전구체의 한 종류를 말한다. 오일권 교수는 앞서 수년 동안 연구해온 시리즈 전구체의 두 군을 이용, 원자층 증착 공정에서의 표면 반응에 대해 규명해냈다. 연구팀은 원자층 증착 공정에 대한 실험적 접근과 함께 양자 화학 계산 연구를 병행, 분자 레벨에서 표면의 반응에 대해 연구했다. 이에 분자의 반응성이 큰 Al(CH3)3 분자의 경우. 여러 단계를 거쳐 표면과 반응한다는 점을 확인했다. 여러 단계를 거친 뒤에 남아있는 리간드의 수가 적으므로, 표면에 남는 분자의 크기 역시 작아지고, 결국 표면의 덮힘률(areal coverage)이 증가함으로써 최종적으로 성장률 증가로 이어짐을 밝혀낸 것.반면 분자의 반응성이 낮은 AlCl3 분자의 경우 1종의 리간드만 표면과 반응하여 표면 덮힘률이 낮았으며, 박막의 성장률 또한 낮은 것을 확인했다. 또, 분자의 사이즈가 큰 Al(C2H5)3의 경우 반응성이 커서 2종의 리간드가 표면 반응에 참여하지만, 남아있는 리간드인 C2H5의 경우 크기가 커서 성장이 천천히 일어나는 것을 확인했다.오일권 교수는 "원자층 증착법은 현재 반도체 양산에 활용되고 있는 공정 기술로, 그동안 많은 연구자들이 다양한 물질에 대해 연구해 왔다"며 "이번 연구는 표면 공학에 대해 여러 인자를 종합적으로 파악해 이론·실험을 병행했다는 점에서 그 의미가 있다"고 설명했다.이어 "반도체 전자 소자가 미세화됨에 따라, 반도체 소자의 특성은 박막뿐만이 아니라 분자층 표면 반응과 반응 케미컬의 특성에 영향을 받는 상황이 됐다"며 "이번 연구를 통해 표면 분자 반응 조절의 메커니즘을 밝힘으로써, 앞으로 반도체 소자 제작에 있어 박막의 질 및 특성 디자인에 활용할 수 있을 것으로 전망한다"고 덧붙였다. 이번 연구는 반도체 소재 및 재료, 화학적 특성에 대한 학제간 융합 연구로 한국연구재단이 지원하는 기초연구실 사업으로 수행됐다. 오일권 교수는 3차원 반도체 소자와 반도체 공정, 원자층 증착법에 대한 연구를 진행하고 있다. 앞서 2021년에는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 '집단연구지원사업 기초연구실 신규 과제'에 우리 학교 전자공학과 김상인·이재진 교수와 함께 선정(셀프 믹싱 센서용 표면 방출 박막 레이저 연구실)되기도 했다. 오일권 교수의 연구성과가 표지 논문으로 선정된 <저널 오브 더 아메리칸 케미컬 소사이어티(Journal of the American Chemical Society)> 표지. 논문의 제목은 ‘시리즈 전구체, Al(CH3)xCl3-x 와 Al(CyH2y+1)3 기반의 Al2O3 원자층 증착 공정의 반응 메커니즘 연구'다.
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우리 학교 기계공학과 강대식·고제성·한승용 교수 연구팀이 삼성전자와 함께 소형 웨어러블 기기에 적용할 수 있는 '초경량∙초박형 인공근육 구동기'를 개발했다. 기존의 모터와 차별화된 특성을 가진 인공근육 구동기는 메타버스 기술뿐만 아니라 다양한 분야에 활용될 전망이다.연구팀은 삼성전자와 함께 형상기억합금 기반의 구동기를 개발하여 몰입감 높은 쌍방 소통 촉각기기와 안경형 다중 초점 광학 기기 구현에 성공했다고 밝혔다. 우리 학교 기계공학과의 강대식, 고제성, 한승용 교수와 박사과정에 재학 중인 김동진 연구원, 김백겸 연구원이 참여했다. 삼성전자에서는 신봉수 연구원이 함께 참여했다. 이번 연구 성과는 저명 학술지인 <네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)>에 온라인 게재됐다. 논문의 제목은 '다기능 인공근육을 이용한 소형 웨어러블 증강현실 기기 구동(Actuating compact wearable augmented reality devices by multifunctional artificial muscle)'이다. 구동기란 압력을 가해 물체를 움직이게 하거나, 인공 근육의 압력을 측정할 수 있는 시스템을 말한다. 최근 메타버스(metaverse)가 주목을 받으면서 이와 함께 증강현실(augmented reality, AR)이나 가상현실(virtual reality, VR)과 관련한 웨어러블 기기에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 기존의 기기는 현실과 동떨어진 자극과 높은 시각적 피로도로 인해 몰입감이 낮고 장시간 사용에 는 큰 불편이 따른다. 광학 기기 측면에서 안경형 근안 디스플레이 기기는 고정된 초점으로 인해 시각적 피로도와 어지러움을 유발한다. 촉각 기기 측면에서, 글러브형 촉각 기기는 진동 기반의 현실과 다른 자극을 전달하거나, 무겁고 큰 구조로 인해 착용 편의성이 낮다. 또 몰입감 높은 자극을 전달하는 데는 한계를 보인다. 이에 몰입감을 높이기 위한 AR ∙ VR 구동기와 센서는 작고 가벼우면서도 복잡한 시각과 촉각 기능을 구현해야 한다. 연구팀은 기존 전자기 모터 기반의 구동기가 가진 한계를 해결하기 위해 모터보다 훨씬 큰 출력을 낼 수 있는 인공근육인 형상기억합금 기반 구동기를 개발했다. 형상기억합금 기반 구동기는 0.2g 정도의 가벼운 무게에도 불구하고 10g의 추를 공중으로 던져 올릴 만큼 높은 출력 밀도를 가지고 있다.가벼운 무게와 더불어 구동기의 높이 또한 5mm 이하로 설계할 수 있어, 얇은 소형 웨어러블 기기에도 적용 가능하다. 이번에 개발된 구동기는 압력을 부가할 뿐만 아니라, 전기적 저항이 변화하는 특성을 이용하여 별도의 센서 없이 외부 압력 측정이 가능하기 때문이다.고제성 교수는 “독보적인 특성의 인공근육 구동기를 적용하여 안경형 근안 디스플레이의 초점을 30cm부터 5m까지 조절하며 시각적 어지러움을 해소할 수 있음을 보여주었다”며 “새 기술이 적용된 촉각 글로브는 피부를 변형시켜 실제 손으로 누르는 것과 유사한 느낌을 전달할 수 있음 역시 확인했다”고 밝혔다. 뿐만 아니라 압력을 감지할 수 있는 기능을 이용하여 시∙청각 장애인이 원하는 단어를 점자의 형태로 받아들이고 보낼 수 있는 텔레햅틱(telehaptics) 기술의 가능성도 선보였다. 텔레햅틱이란 촉각을 원격으로 재현하는 기술을 말한다. 한편 이번 연구는 과기정통부 개인기초연구(신진연구) 사업과 삼성전자 산학연구 지원을 받아 수행되었다.<인공근육 구동기를 통한 광학∙촉각 웨어러블 기기># 제일 위 사진 - 왼쪽부터 기계공학과 강대식 교수, 고제성 교수, 한승용 교수, 김동진 연구원, 김백겸 연구원
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아주대·서울대 공동 연구팀이 암·퇴행성 질환을 치료하고 노화를 억제할 수 있는 세포 자가 포식 작용(오토파지, Autophagy)의 새로운 유전자 조절 메커니즘을 밝혀냈다.박대찬 교수(생명과학과·대학원 분자과학기술학과, 사진 오른쪽)는 공동 연구팀이 포도당 결핍 상황에서 일어나는 오토파지 유전자들의 발현을 조절하는 새로운 후성유전학적 조절 메커니즘을 밝혀냈다고 발표했다. 해당 연구는 ‘인핸서 활성화를 통해 포도당 결핍 유도 오토파지의 후성유전적 조절에 핵심적 기능을 하는 PHF20(PHF20 Is Crucial for Epigenetic Control of Starvation-Induced Autophagy through Enhancer Activation)’라는 논문으로 옥스퍼드대학에서 발간하는 세계적 저널 <핵산 연구(Nucleic Acids Research)> 7월13일자에 온라인 게재됐다. 박대찬 아주대 교수(생명과학과·대학원 분자과학기술학과)와 백성희 서울대 교수(생명과학부)가 공동 교신저자로 참여했다. 제1저자로 아주대 김재훈 연구원(대학원 분자과학기술학과, 사진 왼쪽)과 서울대 박세원·오성룡 연구원(생명과학부)이 함께 참여했다. 오토파지(Autophagy)는 세포의 항상성 유지와 외부 스트레스로 인한 세포 손상을 막기 위해 필수적인 과정으로, 세포 내의 필요 없거나 손상된 단백질과 세포 소기관을 분해하는 과정을 말한다. 이 과정에서 오토파지를 일으키는 데 필요한 오토파지 단백질들도 함께 분해된다. 때문에 일정한 수준의 오토파지가 유지되기 위해서는 오토파지 유전자가 활성화되어 오토파지 단백질들을 만들고, 세포 내 오토파지 단백질의 양이 충분히 유지되어야 한다. 오토파지가 제대로 조절되지 못하면 암과 퇴행성 뇌신경 질환을 비롯한 질병이 발생하며, 노화를 촉진하기도 한다. 이에 전 세계적으로 오토파지 조절을 통해 이러한 질병들을 치료하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 포도당 결핍 같은 실제 세포 스트레스 상황에서 세포 내의 유전정보가 어떻게 오토파지 단백질의 생성으로 이어지는지에 대해서는 아직 잘 알려져 있지 않아 더 심도 깊은 연구가 필요한 분야였다. 공동 연구팀은 세포 스트레스 상황에서 PHF20 단백질(히스톤 메틸화 인지 도메인을 가지고 있는 단백질로, 다른 전사조절 인자들과 함께 특정 상황에서 유전자 발현을 조절하는 데 중요한 기능을 수행)이 오토파지 관련 유전자 발현을 증가시킨다는 점을 새롭게 밝혀내는 데 성공했다. PHF20 단백질은 다른 전사조절 인자들과 함께 특정 상황에서 유전자의 발현을 조절하는 데 중요한 기능을 수행한다. PHF20 단백질 같은 히스톤 변형 인지 인자 히스톤 변형 인지 인자(DNA가 감긴 히스톤 단백질에 메틸화, 아세틸화 등 화학적 변형이 일어났을 때 그 구조를 인지하는 단백질)들은 최근 주목받는 생물학적 현상 중 하나인 후성유전학적 전사 조절 과정을 일으키는 핵심 인자로 알려져 있다. 후성유전학적 전사 조절이란 DNA 서열과 무관하게 유전자 발현이 조절되는 과정을 의미하며, 발생 과정이 마무리된 성체에서 나타나는 유전자 발현 변화와 관련되어 있다. 이에 암·퇴행성 질환, 노화 같은 질병과 관련해 연구되고 있지만 정확한 메커니즘에 대해서는 아직 완전히 밝혀지지 않은 부분이 많다. 연구팀은 PHF20 단백질이 결손된 실험용 쥐가 오토파지가 일어나지 못하는 돌연변이 실험용 쥐와 유사한 표현형을 나타낸다는 점에 착안, PHF20이 오토파지 유도 과정에 중요한 역할을 수행할 것이라는 가설을 세웠다. 그리고 실험을 통해 오토파지를 유도하는 세포 스트레스 중의 하나인 포도당 결핍 신호를 처리했을 때, 정상적인 오토파지의 유도가 일어나지 못한다는 점을 확인했다. 이후 연구팀은 대용량 전사체 전사체 데이터와 후성유전학적 정보를 이용해 PHF20 단백질이 조절하는 유전자군을 밝혀냈다. 또 기계학습(machine learning) 분석을 통해 해당 유전자가 위치한 크로마틴 특성을 규명했다. 그 결과 PHF20 단백질이 히스톤 메틸화된 인핸서(enhancer) 부위의 활성화를 통해 오토파지 관련 유전자들의 전사를 촉진 시키는 후성유전학적 전사 조절 메커니즘을 발굴해냈다. 오토파지 유도 신호에 의해 PHF20은 유전자상의 후성유전학적 변형을 인지하여 단백질 복합체를 이루고, 이를 통해 원거리 조절인자인 인핸서를 활성화시켜 오토파지 유전자 발현을 촉진함을 밝힌 것이다.박대찬 교수는 "이번 연구는 오토파지 유전자 발현이 조절되는 후성유전학적 전사 조절 메커니즘을 규명, 오토파지 활성 조절의 근본적 이해를 제공했다는 데 의미가 있다"며 "오토파지 관련 질병 치료제 개발에 새로운 가능성을 제시한 셈"이라고 전했다. 박 교수는 이어 "최근 주목받는 차세대 DNA 염기서열 분석(sequencing) 기술과 기계학습을 적극적으로 도입해, 방대하고 다양한 종류의 데이터를 통합적으로 해석할 수 있었다"며 "최신 생물 정보학과 전통적 생화학적 실험 방법의 융합 사례를 보여줌으로써, 앞으로 생물학 연구에 더 폭넓게 적용할 수 있을 것으로 기대한다"고 전했다. 이번 연구는 우수신진연구자지원사업, 대학중점연구소지원사업, 리더연구자지원사업 지원으로 수행되었다. 포도당 결핍에 의한 세포 자가포식(오토파지, Autophagy) 유도 과정에서 PHF20 단백질의 기능
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- 작성일2022-12-12
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안영환 교수 연구팀이 전자기파의 일종인 테라헤르츠파(THz)를 활용해 세균, 바이러스 등의 미생물을 판별하는 새로운 감별법을 개발해냈다. 이 기법을 이용하면 PCR 검사를 비롯한 기존의 방법보다 간편하고 신속하게 병원균을 감별해낼 수 있다, 이에 후속 연구를 통해 정밀 센서를 비롯한 진단의학 연구와 미생물 분야 연구에 널리 활용될 수 있을 것으로 보인다. 테라헤르츠파(THz)는 T-ray라고 부르는 전자기파의 일종으로 기존의 광파나 엑스레이가 투과하지 못하는 물질을 선택적으로 그리고 쉽게 투과할 수 있어 최근 주목받고 있다. 더불어 인체에 무해 하다는 특징이 있어 생체 이미징이나 세포·조직 검사 같은 의료 분야에 활용되며, 수하물·우편물 등의 보안 검사와 초고속 통신 시스템 등에도 쓰인다.안영환 교수(물리학과·대학원 에너지시스템학과) 연구팀은 테라헤르츠파(THz) 열곡선 분석법을 통해 비표지 미생물 검출법을 개발해냈다고 밝혔다. 해당 내용은 <테라헤르츠 열곡선 분석법을 통한 비표지자 유해균 검출(Terahertz thermal curve analysis for label-free identification of pathogens)>이라는 논문으로, SCIE급 저명 학술지 <네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)> 6월 온라인판에 게재됐다. 대학원 에너지시스템학과 박사과정의 전승원 학생이 연구에 함께 참여했다. 일반적으로 박테리아나 바이러스 같은 병원균은 선택적 검출에 필요한 흡수 스펙트럼을 가지고 있지 않다. 때문에 유해한 균의 선택적 검출을 위해서는 특정 파장에서 발광하는 형광 표지자(염료)를 붙이거나, 유해균 대상물에 반응하는 항체를 활용하는 것이 일반적인 방식이다. 병원균 검출의 여러 방식 중, 코로나 팬데믹 이후 일반에게도 익숙해진 PCR(중합효소연쇄반응) 검사 기법의 경우, 미량의 시료에 대해서도 매우 정밀한 측정이 가능하다는 장점이 있다. 반면 병원균으로부터 유전자를 추출해야 하는 전처리 과정을 포함해 숙련된 전문 인력에 의한 복잡한 과정을 거쳐야 하며, 유전자 증폭을 위해 다수의 시약을 필요로 한다는 부분은 단점이다. 아주대 연구팀이 개발해낸 새로운 방식을 활용하면 특정 시약이나 표지자(염료) 없이 신속하고 간편하게 병원균을 감별할 수 있다. 아주대 연구팀은 온도에 따라 미생물의 유전율(빛과 상호작용하는 물질의 고유 특성을 나타내는 물리량으로 굴절률의 제곱에 비례)이 변한다는 가설하에 온도 의존 THz파 메타센서를 제작, 미생물의 고유 지문을 도출해 내는 데 성공했다. 이는 생장 단계별(성장-사멸-DNA 분해 및 세포벽 분해)로 급격하게 변하는 유전율 양상이 미생물 고유의 특징을 반영하기 때문에 가능하다. 메타센서는 투명 망토 제작 등에 활용되는 메타물질을 활용, 매질의 유전율 변화를 정밀하게 관측하는 센서다.연구팀은 이 방법을 통해 폐혈증을 비롯한 여러 질병의 원인이 되는 대장균, 포도상구균, 녹농균, 효모 등의 병원균에 대해 고유의 지문 데이터를 획득하는 데 성공했다. 특히 대장균과 유산균이 섞여 있는 시료에서, 두 개체를 성공적으로 분리 감별해냄으로써 두 종 이상의 미생물이 섞여 있는 경우에도 각각을 검출해낼 수 있음을 확인했다. 안영환 교수는 "이번 연구는 세균과 바이러스 같은 병원균을 특정 시약이나 표지자 없이 감별할 수 있는 새로운 접근법을 찾아냈다는 점에서 중요한 의미를 갖는다"며 "후속 연구를 통해 감도와 정밀도를 향상시켜, 누구나 쉽게 활용할 수 있는 현장형·실시간 진단 센서로의 상용화 가능성을 높이고자 한다"고 밝혔다. 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구지원사업과 중점연구소 사업(자율형)의 지원으로 수행되었다. 아주대는 '2021년 이공분야 대학중점연구소 지원사업' 자율운영중점연구소 기초과학분야에 선정되어 최대 9년간 총 108억원 상당을 지원받고 있다.물리학과·대학원 에너지시스템학과 소속의 안영환 교수는 ▲나노소자 제작 ▲실시간 나노광전 영상 측정 ▲테라헤르츠파(THz) 바이오 센서 ▲메타물질 제작 등의 연구를 수행하고 있다. <아주대 연구팀은 온도에 따라 미생물의 고유 특성을 나타내는 유전율이 변한다는 가설하에, 온도 의존 테라헤르츠파 메타센서를 제작했다. 제일 위 그림과 같이 미생물은 생장 단계별로 유전율 양상이 급격하게 변화하고, 그 양상이 각각의 미생물의 고유 특징을 반영하기 때문에 고유 지문 도출이 가능하다. 아래 그림과 같이 두 종(대장균과 유산균) 이상의 미생물이 포함된 시료의 대해서도 각각의 미생물에 대한 선택적 감별이 가능했다.><제일 위 사진 설명 - THz파 메타센서 기반의 미생물 감별법을 활용하면 실시간 병원균 검출이 가능하다. 이에 추가 연구를 통해 앞으로 병원에서의 감염병 조기 진단뿐 아니라, 일상에서 누구나 사용이 가능한 병원균 감별 센서로 활용될 수 있으며, 음용수의 수질을 모니터링하는 환경 센서로도 적용될 수 있을 전망이다. 또한, 연구 측면에서는 미생물의 동역학 및 생리학 연구에 이용될 수 있다.>
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- 작성자통합 관리자
- 작성일2022-12-12
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