[파이낸셜뉴스] 한국재료연구원(KIMS) 바이오·헬스재료연구본부 이민영·박성규 박사팀이 혈액 검사 만으로 현존하는 최고 암 진단기술보다 10만배 이상의 초고민감도로 1시간 이내에 판별하는 기술을 개발했다. 실제 폐암 환자와 정상인을 대상으로 테스트한 결과 96%의 진단 정확도를 보였다. 22일 재료연구원에 따르면, 광신호 증폭용 바이오센서 나노소재를 기반으로 한 진단기술은 민감도가 0.000000001%에 달해 세계 최고 수준이다. 현재 연구진은 폐암을 시작으로, 대장암, 유방암, 췌장암 등 다양한 암의 조기진단 기술로 확장 개발을 진행하고 있으며, 상용화를 위한 기술 이전 기업을 모색하고 있다. 이 기술은 형광 신호를 크게 향상시키는 나노소재 기술과 정상 유전자의 형광 신호를 억제하고, 암 돌연변이 유전자의 형광 신호만 증폭시키는 프라이머·프로브 설계를 결합했다. 연구진은 "매우 소량의 암 돌연변이 유전자까지 정확하게 검출하려면 강한 형광 신호 발현 기술뿐만 아니라 미세한 형광 신호의 정확한 구분이 필요하기 때문"이라고 설명했다. 이 기술을 이용해 3차원의 고밀도 금나노구조체가 형성된 플라즈모닉 기판에 상피세포 성장인자 수용체(EGFR)의 삭제 돌연변이, 삽입 돌연변이, 점 돌연변이 등 돌연변이 유전자 3종을 동시에 검출할 수 있는 마이크로 어레이 형태의 바이오칩을 만들었다. 국내 폐암 환자 43명과 정상군 40명을 대상으로 임상적 성능을 평가한 결과, 폐암 환자에 대한 임상적 민감도 93%와 정상군에 대한 임상적 특이도 100%를 확인했다. 이 기술은 암의 초기 진단과 재발 감지 뿐만아니라, 치료 효과 모니터링 및 개인 맞춤형 치료 계획 수립까지 중요한 역할을 할 수 있다. 또한 외과적인 조직 생검 대신, 혈액을 이용한 액체 생검이 가능해 환자의 부담과 검사 과정의 복잡성을 줄이고, 정기 선별 검사로 활용되어 암 관리 및 치료의 품질 향상에 기여할 수 있다. 이민영 박사는 "세계 최고 수준의 초고민감도로 다양한 암 돌연변이의 포괄적 검출이 가능하다는 점에서 암 조기진단 및 치료·재발 모니터링 시장의 주역이 될 수 있을 것"이라며, "이를 통해 암 환자의 생존율과 삶의 질이 크게 향상될 것"이라고 말했다. 한편, 연구진은 암 돌연변이 검출 기술을 세계적 학술지인 '스몰 사이언스(Small Science)'에 발표했으며, 학술지에서는 표지 논문으로 선정했다.   monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 한국재료연구원(KIMS) 나노표면재료연구본부 정호상 박사팀이 소변으로 전립선암과 췌장암을 진단할 수 있는 스트립형 소변 센서를 개발했다. 이 센서는 인공지능 기반 분석법을 적용해 정상인과 전립선암, 췌장암 환자를 99%까지 구분해 냈다. 정호상 박사는 25일 "이 기술은 검사가 필요한 시점에 소변을 소량(10uL) 담은 후 빛을 쬐는 것만으로 별도의 분석 과정 없이 전립선암과 췌장암을 검사할 수 있다"고 말했다. 이 검사기기는 스트립형으로 만들어 현장에서 즉시 고감도로 암을 진단할 수 있다. 연구진은 암 환자와 정상인 소변 내에 존재하는 물질 구성성분의 차이에 주목했다. 체내 암세포가 증식하게 되면 비정상적인 물질대사로 인해 정상인과 다른 물질을 소변으로 분비한다. 이를 기존의 기술로 구분하기 위해서는 고가의 큰 장비가 필요해 현장 적용이 어려웠다. 연구진은 다공성 종이 위에 산호초 모양의 플라즈모닉 나노소재를 형성해 소변 속 물질 성분의 광신호를 10억 배 이상 증폭하는 표면증강라만산란 센서를 개발했다. 센서에 소변을 묻혀 빛을 쬐면 암 물질 신호가 센서 표면에서 증폭돼 암을 진단할 수 있게 된다. 이 센서를 삼성서울병원의 환자 소변 샘플 2223개를 이용해 실험했다. 연구진은 획득한 분광 신호를 인공지능 기반 분석법을 적용해 정상인과 전립선암, 췌장암 환자를 99%까지 구분하는 데 성공했다. 연구진은 "소변을 이용한 새로운 암 진단법, 현장형 신속 암 환자 스크리닝, 암 환자 치료 후 재발 모니터링 기술 등에 활용이 가능하다"고 설명했다. 또한 "스트립 형 센서의 생산가격이 개당 100원 이하이기 때문에 대량 검사에도 활용할 수 있을 것"이라고 말했다. 현재 연구진은 전립선암, 췌장암을 시작으로, 대장암, 폐암 환자의 소변을 분석해 진단 가능한 암의 종류를 점차 늘려가는 중이다. 한편, 정호상 박사팀은 포항공과대학교(POSTECH) 노준석 교수, 경희대 의과대학 최삼진 교수와 함께 개발한 기술을 바이오센서 분야 세계적 권위지인 '바이오센서 앤 바이오일렉트로닉스(Biosensores and Bioelectronics)'에 발표했다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

【파이낸셜뉴스 광주=황태종 기자】국내 연구진이 색 변화를 통해 바이러스 감염 여부를 빠르게 감지하고 색도 분석을 통해 감염 단계 예측이 가능한 바이오센서 플랫폼을 개발했다. PCR(유전자 증폭) 검사의 복잡성과 신속 진단 키트의 낮은 정확도를 보완할 수 있는 차세대 바이러스 감지 및 분석 플랫폼으로 기대된다.  지스트(광주과학기술원)는 전기전자컴퓨터공학부 송영민 교수와 서울대 김대형 교수 공동 연구팀이 신속하고 정확하게 바이러스를 관찰 및 분석할 수 있는 '바이오 컬러센서 플랫폼'을 개발했다고 7일 밝혔다.  '바이오 컬러센서 플랫폼'은 환자의 감염 정도를 현미경 이미지의 색상 분석을 통해 농도별로 파악이 가능해 의료진이 더욱 정확한 감염상태를 파악할 수 있다. 또 단순한 구조여서 키트 형태로 제작이 가능하고 색상 변화를 직관적으로 판별할 수 있어 일반 사용자들도 감염여부를 쉽게 확인할 수 있다.  연구팀에 따르면 유전자 증폭 및 표지(Labeling) 부착 과정이 없는 기존 신속 바이러스 감지 방식들은 바이러스가 부착됐을 때 전기화학적 신호의 변화로 바이러스를 감지하지만 복잡한 전극 구조와 별도의 분석 장비가 필요하다는 단점이 있다.  또 비교적 직관적인 방식인 플라즈모닉(Plasmonics) 효과와 같은 광학적 방식들은 복잡한 나노 구조를 가져 제작이 어렵고, 광학적 변화가 미세해 정확한 감지를 위한 별도의 광학 분석 장비를 필요로 한다. 플라즈모닉은 플라즈몬(plasmon)이란 금속 내의 자유전자가 집단적으로 진동하는 유사 입자를 말하며, 국소적으로 매우 증가된 전기장을 발생시켜 강한 공진을 유발하는 구조를 말한다.  이에 따라 최근 제작 방법과 복잡성을 극복하기 위해 단순한 필름형태의 광학 구조로 개발돼 왔으나, 대부분 높은 굴절률의 재료를 사용해 구현됐기 때문에 낮은 굴절률을 갖는 바이러스와 같은 바이오 입자들을 감지하기 어려웠다.  지스트와 서울대 연구팀이 이번에 개발한 바이러스 감지를 위한 'Gires-Tournois 공진 구조'는 낮은 굴절률 층과 금속 반사 층 사이에 다공성 복소 굴절률 층을 삽입해 자유롭게 광학 특성을 변조했고, 결과적으로 낮은 굴절률 층에서 느린 빛 효과(Slow light effect)를 갖는 단일 흡수를 구현했다.  이를 통해 항체 고정을 위한 간단한 표면 처리를 통해 항원-항체 반응으로 유전자 증폭 및 표지 부착 없이 직관적으로 매우 낮은 농도(100 pg/ml)의 바이러스를 감지했다. 또 현미경 스캐닝을 통한 색도 분석으로 감지 영역 내에서 바이러스 입자의 분포 및 밀도 도출에도 성공해 정량적 분석이 가능한 바이오센서 플랫폼을 구현했다.  지스트 송영민 교수는 "이번 연구는 바이러스를 색상변화로 관찰할 수 있도록 한 첫 사례로, 의료진은 현미경 관찰 및 색도 분석을 통해 바이러스의 정확한 농도를 매우 빠르게 알아낼 수 있어 다양한 바이러스 및 유해인자를 동시에 검출하는 것도 가능하다"면서 "머지않아 일반인이 육안으로 바이러스를 식별할 수 있도록 할 것"이라고 말했다.  한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노 및 소재 기술개발사업, 미래소재디스커버리사업, 기초연구실사업, 학문 후속세대지원사업, 세종과학펠로우십, 지스트 GRI사업 및 기초과학연구원의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 국제학술지 어드밴스드 머트리얼즈(Advanced Materials, IF: 30.849)에 지난 3월 26일 온라인 게재됐다. hwangtae@fnnews.com 황태종 기자

[파이낸셜뉴스] 한국과학기술원(KAIST)은 바이오및뇌공학과 정기훈 교수팀이 5분만에 바이러스를 검사할 수 있는 초고속 실시간 중합효소연쇄반응(PCR) 기술을 개발했다고 7일 밝혔다. 연구진은 코로나19 바이러스 플라스미드 DNA를 사용해 이 기술을 검증했다. 그결과 5분 이내에 바이러스를 91%의 증폭 효율과 함께 정량적으로 검출했다. 이는 정부에서 공식적인 진단검사에 쓰이는 실시간 PCR 시스템이 1시간 걸리는 것에 비해 비해 매우 빠르고, 높은 증폭 효율을 보였다. 정기훈 교수는 "실질적으로 현장에서 사용 가능한 초고속 분자진단법을 개발했다"고 말했다. 연구진이 개발한 '실시간 나노 플라즈모닉 PCR'은 백색 발광다이오드(LED) 빛을 잘 흡수하는 나노 플라즈모닉 기판에 진공 설계된 미세 유체칩을 결합했다. 이를 통해 소량의 검체를 신속하게 증폭하고 정량적으로 분석해 바이러스를 단시간 내에 정확하게 검출할 수 있다. 이는 샘플 한 방울을 칩에 넣으면 진공이 액체를 마이크로 챔버로 잡아당겨 자동으로 3분 이내에 주입되고, PCR 과정 동안에 발생하는 미세 기포는 공기 투과성 벽을 통해 제거돼 PCR 효율을 높이는 원리다. 정 교수는 "이 실시간 나노 플라즈모닉 PCR 기술은 현장에서 분자진단을 위한 차세대 유전자 증폭 플랫폼을 제공할 것이며 바이러스 확산 방지에 기여할 수 있을 것으로 예상한다"고 말했다. 나노 플라즈모닉 기판은 유리 나노기둥 위 금 나노섬 구조로 가시광선 전 영역에서 높은 광 흡수율을 가진다. 이를 통해 백색 LED의 빛을 열에너지로 치환해 빠르게 열을 발생시키고 내보낼 수 있다. 또한 광열 발생장치의 수직적인 온도 구배로 인한 증폭 효율 저하를 해결하기 위해 연구팀은 진공 설계된 미세 유체칩을 결합했다. KAIST 바이오및뇌공학과 강병훈 박사과정이 주도한 이번 연구 결과는 국제 학술지 '에이씨에스 나노 (ACS Nano)'에 지난 5월 19일자로 게재됐다. 한편, 최근 코로나19를 포함한 전염성이 높은 바이러스의 확산을 방지하기 위해 신속하고 정확하게 바이러스를 검출하는 기술이 절실하게 필요하다. 역전사 중합효소연쇄반응(RT-PCR)은 가장 표준화된 코로나19 진단법으로 바이러스 내부의 유전물질인 RNA를 상보적 DNA로 역전사한 후 타겟 DNA를 증폭해 형광 프로브로 검출하는 방법이다. 그러나 기존 RT-PCR은 높은 민감도와 정확도를 갖추지만, 검출 시간이 길고 고가의 대형장비를 갖춘 장소로 검체를 운송한 후 진단하는 등 실시간 현장 대응의 한계가 존재한다.     monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 극소량의 혈액만으로도 급성심근경색증을 2시간내에 진단할 수 있는 칩을 개발했다. 이 칩은 급성심근경색은 물론 난치성 암과 치매 등의 조기진단도 가능하다고 설명했다. 한국재료연구원(KIMS) 나노바이오융합연구실 박성규 박사팀은 다양한 생체지표를 분석할 수 있는 3차원 나노바이오센서 칩을 개발했다고 밝혔다. 연구진이 개발한 '나노바이오센서 칩 기술'은 기존의 심근경색 진단 방법의 하나인 효소면역분석법보다도 30배가량 높은 민감도로 찾아낼 수 있다. 즉 소량의 혈액(5㎕) 내에 존재하는 극미량(검출민감도 2.02pg/㎖)의 심근경색 생체지표를 찾아낸 것이다. 이는 어레이 칩 상에 수십 개의 작은 우물구조를 형성시켜 한 번의 검출로 수십 개의 진단이 가능한 바이오 칩을 개발한 것이다. 이는 다양한 질환을 조기진단이 가능한 플랫폼 기술이다. 3차원 나노바이오센서 칩은 지름 1만분의 4㎜(지름 40나노미터·㎚) 및 길이 100분의 1㎜(10마이크로미터·㎛)인 금 나노선을 층층이 쌓아 만들었다. 연구진은 이보다 앞서 은나노선을 이용한 센서 칩을 제조한 바 있다. 은 대신 금나노선으로 바꾼 이유는 몸 속에 들어가더라도 거부반응 등이 없도록 하기 위해서다. 3차원 플라즈모닉 나노선 적층 기술은 한국과 미국의 특허 등록을 완료했다. 이를 통해 금 나노입자를 3차원 나노선 구조상에 진공 증착함으로써 플라즈몬 공명현상을 극대화할 수 있는 광기능성 나노 구조를 개발할 수 있었다. 뿐만 아니라 연구팀은 하나의 칩을 이용해 수십 개의 생체지표, 즉 바이오마커를 동시 분석할 수 있는 3차원 마이크로 어레이 칩도 함께 개발했다. 박성규 박사는 "이번 연구를 통해 급성심근경색과 패혈증 등 치료의 시급성을 요하는 질병의 신속 진단이 가능해져, 이를 통해 기존의 사망률과 의료비용을 획기적으로 감소시키는 게 가능하다."며, "향후 국내 체외진단기기업체의 기술 경쟁력 제고는 물론 세계시장 진출에 보탬이 될 것으로 기대된다"고 말했다. 이번 연구결과는 세계적 출판사인 독일 와일리(Wiley)의 '어드밴스트 나노바이오메드 리서치(Advanced NanoBioMed Research)' 창간호 표지논문에 선정됐다. 한편 연구진은 3차원 바이오센서 칩을 통한 초고감도 패혈증 조기진단 센서를 개발해 2020년 국가연구개발 우수성과에 선정된 바 있다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 빛이 금속 표면에 닿는 순간 구멍이 만들어졌다가 금새 사라진다. 국내 연구진이 이 플라즈모닉 핫홀의 생성에서 소멸까지의 모든 과정을 세계 최초로 실시간 관측에 성공했다. 한국기초과학지원연구원(KBSI) 소재분석연구부 이문상 박사 연구팀과 한국과학기술원(KAIST) 화학과 박정영 교수 연구팀은 나노미터(10억분의 1m)·펨토초(1000조분의 1초) 수준에서 일어나는 빛과 금속 표면의 반응을 실시간으로 관찰하고 전기적 흐름을 분석하는데 성공했다고 26일 밝혔다. 이문상 박사는 "이번 연구성과가 차세대 인공광합성 소자, 초고효율 광촉매 개발, 에너지 저장 소자 개발, 초고감도 바이오 광센서 개발 등 다양한 분야의 연구개발에서 활용될 것으로 기대한다"고 말했다. 연구진은 플라즈모닉 핫홀을 관찰하기 위해 금속-반도체 접합 나노다이오드를 만들고 빛에 의한 표면변화를 분석했다. 그 결과, 빛에 의해 금속 표면의 전자들이 집단으로 진동하는 '국소 표면 플라즈몬 공명' 현상에 의한 플라즈모닉 핫홀을 실시간 관찰했다. 이 구멍의 수명은 수 펨토초 정도로 매우 짧아 검출 자체가 불가능에 가깝다. 특히 실시간으로 그 모습을 관찰하는 것은 대표적 분석난제로 꼽혔다. 지금까지 세계적으로도 극소수의 연구팀만이 간접적인 방법으로 핫홀의 발생양상을 유추하는 정도의 연구방법만이 알려져 있었다. 이처럼 분석 상의 난제로 인해 화학반응을 촉진한다는 핫홀의 기능이 이미 알려져 있었음에도 실제 소자 개발에 활용하지는 못했다. 연구진은 이번 핫홀의 실시간 분석 성공 뿐만아니라 향후 광센서를 비롯한 다양한 차세대 소자 개발의 가능성을 보여준 것이라고 설명했다. 또한, 계산 시뮬레이션을 활용해 시료 표면의 빛 분포로부터 핫홀의 발생 양상을 유추하는 방법을 고안해 실제 실험으로 밝혀냈다. 연구진은 핫홀의 양상을 관찰하기 위해 금과 p형 질화갈륨으로 만든 나노다이오드를 만들어 광전도 원자간력 현미경으로 이를 분석했다. 이 현미경은 나노미터 크기의 탐침을 이용해 시료 표면을 훑어가며 각 부분의 전기적 신호를 검출해 이미지화해주는 첨단 분석연구장비이다. 박정영 교수는 "나노다이오드에서 생성되는 플라즈모닉 핫홀의 발생양상에 대한 정확한 규명은 금속표면에서 일어나는 에너지 전달·손실과정에 대한 이해를 도와 촉매전자학 분야와 에너지공학 분야에 큰 도움이 될 것"이라고 밝혔다. 이번 연구성과는 세계적 재료분야 국제학술지인 '어드밴스드 사이언스'에 22일 내지삽화와 논문이 게재됐다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 코로나19 등 호흡기 병원체를 30분 이내에 검출할 수 있는 기술을 개발했다. 현장 즉석 검사용으로 개발해 공항과 항만, 공공장소와 다중이용시설 등에서 긴급 감염 진단에 활용이 가능하다고 연구진은 설명했다. 재료연구소 표면기술연구본부 정호상 박사 연구팀이 삼성서울병원 이민영 박사 연구팀과 함께 공동연구를 통해, 광 신호 증폭 효과로 소량의 병원체 유전자도 검출 가능한 광센서 소재 개발에 성공했다고 24일 밝혔다. 호흡기 감염병과 관련된 바이러스 및 박테리아 유전자의 경우, 정량보다는 환자가 위치한 현장에서 신속하게 인체 감염 유무를 확인하는 게 우선이다. 연구진은 이를 위해 개발된 종이기반 은 나노선 광센서 소재를 현장검사에 활용 가능하도록 신속진단 키트 형태로 제작했다. 이번에 개발된 기술은 광 신호 증폭 소재 제작 기술이다. 연구진은 다공성 종이필터 상에 플라즈모닉 현상을 통해 라만 신호를 증폭할 수 있는 은 나노선을 네트워크 구조로 형성시켰다. 기존의 유전자 검출에 사용되는 PCR법은 타겟 유전자의 수를 늘려주는 방식을 사용한다. 검출 유전자 수를 늘리기 위해서는 50~90℃의 온도구배를 반복적으로 가해주는 과정이 필요하다. 일반적으로 PCR법은 검출에 2~3시간 정도의 시간이 소요되고, 초기 검체 내에 유전자 농도가 낮을수록 검출 시간이 증가하고 신뢰도가 낮아지는 단점이 있다. 연구진이 개발한 광 신호 증폭 기술은 유전자 검출에 필요한 증폭 시간을 줄여준다. 증폭된 유전자 수는 적지만 소재의 광 신호 증폭 현상을 이용해 검출 민감도의 향상을 이뤄냈다. 이 연구에서는 병원체 유전자를 종이기반 은 나노선 광센서 상에 용적해 라만산란신호를 측정함으로써 신속 진단에 성공했다. 연구팀이 사용한 은 나노선은 30나노미터의 지름과 수 마이크로미터의 길이를 가진다. 다공성 종이필터 상에 나노크기의 기공을 가진 은 나노선 네트워크를 형성시키면 은 나노선 끼리 맞닿은 곳에서 분자의 라만신호가 수억배 이상 증폭된다. PCR을 진행한 샘플을 20분 이내에 종이기반 광센서 상에 용적해 이를 휴대용 라만 분광기를 통해 검출함으로써 진단하는 방식이다. 정호상 선임연구원은 "재료연구소는 다양한 소재를 바탕으로 분자진단, 면역진단과 관련된 의료용 바이오센서 소재기술 개발과 함께 항균·항바이러스 소재, 방역 소재기술 등의 기술 개발에 열중하고 있다."며, "코로나19로 인해 국민들의 생활에 닥친 어려움을 하루빨리 극복할 수 있도록 최선을 다해 노력하겠다."고 말했다. 이번 연구결과는 세계적인 학술지인 '센서스 앤 액츄에이터 B: 케미칼'에 8월 28일자로 게재됐다. 한편, 재료연구소 표면기술연구본부 나노표면연구실은 이 연구를 바탕으로 '세상을 바꿀 연구' 산업기술 알키미스트 프로젝트 1단계 사업에 선정됐다. 현재 호흡기 바이러스 20종을 5분 내에 검출할 수 있는 인공지능 광센서 기술개발 연구를 진행 중에 있다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 코스닥 상장사 코디엠의 자회사 파마웍스가 혈액으로 알츠하이머 질환의 조기진단을 가능케하는 특허 기술을 출원 및 등록했다고 27일 밝혔다. 코디엠은 자회사 파마웍스를 통해 ‘금 나노입자의 레일리 산란 현상 및 비색적 분석법을 이용한 알츠하이머 질환 진단용 바이오센서 및 상기 바이오센서를 이용한 다중검지법’에 대한 특허 기술을 국내 및 국제 출원했다. ‘나노 플라즈모닉 센서와 이를 이용한 베타아밀로이드의 검출방법’에 대한 특허 기술은 국내 등록을 마쳤다. 알츠하이머 질환은 치매의 약 60~70%를 차지하는 대표적인 치매 질환이다. 만성적인 진행성 경과를 보이기 때문에 뇌세포 손상 진행 이전 단계에서 진단하는 것이 매우 중요하다. 하지만 현재 알츠하이머 질환을 완치시키거나 중단시킬 수 있는 의료적 치료법은 없다. 알츠하이머 질환의 확진을 위해서는 사후 부검에 의존하거나 고가의 뇌 영상검사 및 고통을 수반하는 뇌척수액 검사를 통해야만 한다. 이에 파마웍스는 기존 진단 방식의 한계를 극복하고 소량의 혈액만으로 알츠하이머 질환을 진단할 수 있는 새로운 원천 기술 개발을 위해 고려대 연구팀과 함께 ‘알츠하이머 발병 메커니즘의 실시간 모니터링 및 발병 인자의 다중 검출’이 가능한 시스템 개발에 주력했다. 본 특허 기술은 각기 다른 광학 및 비색적 특성을 가지는 나노미터 크기의 바이오바코드 나노입자 표면에서 발생하는 플라즈몬 공명현상을 기반으로 하여 혈액 내에 소량으로 존재하는 알츠하이머 질환의 대표적인 발병 인자를 기존 진단 기술 대비 최대 132배 높은 민감도로 다중 검지가 가능하다. 또한 혈액 내에 존재하는 단백질 발병 인자의 혈액 전 처리 기술을 개발해 혈액 내 존재하는 다양한 분해효소 및 단백질들로 인해 불안정한 측정치를 보였던 기존 진단기술의 한계점을 극복하고 알츠하이머 질환 진단의 정확도를 획기적으로 높였다. 따라서 이번 특허 기술은 향후 알츠하이머 질환을 증상이 나타나지 않은 단계에서부터 정확하게 예측하여 개인의 특성에 따른 맞춤형 치료 방법을 제시함으로써 알츠하이머 질환의 예방이 가능한 기술로 발전할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다. 파마웍스 관계자는 “현재 이 기술을 활용한 알츠하이머 질환 진단키트를 제작 중이며 향후 임상시험을 거쳐 제품을 출시할 예정”이라고 설명했다. 한편 이 특허 기술은 국가연구개발사업의 일환으로 미래창조과학부 한국연구재단의 지원을 통해 개발됐다. dschoi@fnnews.com 최두선 기자

LED나 태양전지와 같은 반도체 소자는 '빛과 물질 사이의 상호작용'에 대한 물리적 이해를 기반으로 개발된다. 여기에는 물체 표면에 머무는 빛(근접장 빛)을 활용해 파장보다 작은 세계를 관찰하는 '근접장 나노광학현미경'이 큰 역할을 한다. 여기서 한 발 나아가 빛과 물질 사이의 상호작용을 실시간으로 제어하며 관찰하는 방법이 개발돼 새로운 기술에 대한 기대를 모으고 있다. UNIST는 13일 자연과학부의 박경덕 교수가 미국 콜로라도대와 메릴랜드대 연구팀과 공동으로 '플렉시톤(plexciton)'을 만들고 조절하는 기술을 개발해, 빛과 물질 사이 상호작용을 실시간으로 제어하며 관찰하는 신개념 나노 현미경을 개발했다고 밝혔다. 박경덕 교슈는 "플렉시톤을 생성하고 제어하는 플랫폼을 소자로 응용할 경우, 양자컴퓨터와 정보소자는 물론 초고휘도, 초소형, 초고속으로 파장 제어가 가능한 신개념 디스플레이로 폭넓게 응용할 수 있을 것"이라고 전망했다. 플렉시톤은 반도체 내에서 만들어지는 준입자인 '엑시톤(exiton)'과 금속 내에서 진동하는 자유전자 덩어리인 '플라즈몬(plasmon)'이 강하게 결합한 상태다. 이번 연구에서는 플렉시톤 상태에서 방출되는 다양한 빛의 파장을 상온에서 실시간으로 측정하는 데 성공했다. 엑시톤은 현재 우리가 사용하는 OLED 같은 발광소자에 쓰이는 준입자로, 빛이 반도체 내부로 들어가면서 만들어진다. 빛이 반도체로 들어가면 광자(빛의 입자)를 만난 반도체 물질 속 전자가 움직이고 이때 전자가 빠져나온 구멍(정공)이 생긴다. 이 정공이 전자와 결합을 이루는 준입자가 엑시톤인 것이다. 엑시톤이 방출하는 빛을 이용해 소자를 만들 수 있다. 플렉시톤은 엑시톤과 플라즈몬이 '강한 결합'을 이룬 상태다. 플렉시톤이 방출하는 빛은 엑시톤과 다른 특성을 가지므로 새로운 차원의 소자를 만들 후보로 꼽히고 있다. 하지만 플렉시톤의 정확한 성질은 아직 미지의 영역으로 남아있다. 박경덕 교수팀은 엑시톤 준입자를 만드는 '단일 양자 광원'과 플라즈몬을 발생시키는 '금속 탐침'을 이용해 플렉시톤 상태를 만들고 정확히 분석했다. 상온에서 동적인 플렉시톤 상태를 분석한 것은 이번 연구가 처음이다. 연구팀은 자체 제작한 원자힘현미경(Atomic force microscopy)를 변형한 '플라즈모닉 나노 광학 공진기(Plasmonic nano optical resonator)'로 플렉시톤을 생성했다. 이 장치는 기판이 금(Au)으로 이뤄져 있으며, 나노 광학 안테나 역할을 하는 금(Au) 탐침이 장착돼 있다. 이 탐침은 나노미터(nm, 1nm는 10억 분의 1m) 단위로 간격 제어가 가능하며, 내부에는 단일양자점(CdSe/ZnS)이 위치한다. 단일양자점에 빛을 쪼여 엑시톤을 만들고, 금(Au) 기판과 탐침의 상호작용으로 플라즈몬이 발생하게 설계한 것이다. 연구진은 플라즈모닉 나노 광학 공진기를 이용해 상온에서 엑시톤과 플라즈몬의 강한 결합을 유도했다. 그 결과, 플렉시톤 상태가 나타났으며 실시간으로 발광특성을 관찰할 수 있었다. 플렉시톤 상태가 되자 단일양자점에서 나오는 빛의 파장이 서로 다른 두 에너지 상태로 갈라졌다. 이는 향후 새로운 광전자 소자로서 활용할 수 있음을 보여주는 부분이다. 박경덕 교수는 "이번에 개발한 분석 장비는 빛과 물질 간 상호작용을 강한 결합 영역으로 유도하고 능동적으로 제어할 수 있다"며 "나노 세계에서 벌어지는 현상을 관찰하는 근접장 광학현미경의 새로운 패러다임을 제시한다"고 연구 의미를 짚었다. 이 연구결과는 미국과학진흥협회(AAAS)에서 발행하는 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'지 12일자에 게재됐다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

국내 연구진이 반도체 소자를 기존 기술보다 저렴하고 빠르게 만들 수 있는 방법을 개발했다. 나노미터 크기의 규칙적 구조인 나노패턴을 구현하는 기술은 반도체 소자, 광전소자 제조의 핵심 기술이다. 하지만 현재 리소그래피(Lithography)와 같은 값비싼 공정에 의존해 늘어나는 수요에 대응하기 위한 대안이 필요하다. UNIST는 에너지 및 화학공학부의 김소연 교수팀이 KIST 권석준 책임연구원, 전남대 허수미 교수팀과 공동으로 블록공중합체를 이용해 효과적으로 큰 면적의 나노패턴을 제조하는 방법을 개발했다고 15일 밝혔다. 블록공중합체는 고분자 사슬 간의 반발력과 인력이 작용해 스스로 나노구조를 만드는 특성이 있다. 이런 특성 덕분에 블록공중합체로 나노 패턴을 만들면 다른 공정보다 저렴하고 빠르게 결과물을 얻을 수 있다. 그러나 패턴의 방향을 정렬하고 패턴 내에 생긴 구조적 결함을 제거하는 데 비싸고 복잡한 공정이 필요해 실제 적용에 한계가 있었다. 김소연 교수팀은 패턴의 방향 정렬과 패턴 내 결함을 차례로 정복해 나가는 '분할정복' 방법을 통해 이 문제를 해결했다. 먼저 선 패턴을 형성하는 블록공중합체 박막 위에 밀어주는 힘을 가해 패턴 정렬의 방향성을 만들었다. 다음으로 남아있는 결함 제거는 용매 증기 처리 방식을 이용했다. 용매 증기가 고분자 박막 내부에 침투하고 박막이 부풀어 오르면, 늘어난 공간만큼 고분자 사슬들이 움직일 수 있게 되면서 불안정한 결함 구조를 스스로 제거하게 되는 것이다. 또 공동연구팀은 '선패턴균일도'라는 개념을 개발해 두 단계(전단-용매증기처리)를 거친 후 패턴의 품질이 얼마나 향상됐는지 분석해 품질 향상을 입증했다. 연구진은 더 나아가 전단-용매증기처리 과정에서 결함이 효과적으로 제거되는 원리를 시뮬레이션을 통해 제시해 이 공정의 응용성을 높였다. 제1저자로 연구에 참여한 김예찬 UNIST 화학공학과 석박사통합과정 연구원은 "이번 연구에서 고안된 나노 패턴 제작법은 매우 단순한 과정이지만, 다양한 이미지 분석 및 광학 측정 결과 대면적 내에서 우수한 패턴을 형성했다"고 밝혔다. 김소연 교수는 "블록공중합체를 이용한 나노 패터닝에 관한 연구는 많지만 큰 면적의 나노 패턴에서 배향 문제와 결함 제거를 한 번에 해결한 연구는 드물다"며 "반도체 뿐만 아니라 광전소자, 플라즈모닉 소자 등 다양한 소자의 나노 패터닝에도 적용이 가능할 것으로 기대된다"라고 전했다. 이 연구결과는 미국과학진흥회(AAAS)에서 발행하는 종합과학 분야의 세계적 권위지인 '사이언스 어드밴시스(Science Advances) 6월 14일자'로 게재됐다. monarch@fnnews.com 김만기 기자