실감나는 3D 가상스피커 개발 사용자가 원하는 소리를 특정 공간에 선택적으로 구현해 주는 가상 스피커 시스템이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 한국과학기술원(KAIST) 기계공학과 김양한, 최정우 교 수 연구팀은 공동으로 3차원 공간상에 자유롭게 가상스피 커를 배치할 수 있는 사운드 볼 시스템 을 개발했다. 사운 드 볼 시스템은 여러 개의 스피커를 이용해 공간상의 원하 는 지점에 음향 에너지를 집중시킨 후, 집중된 지점에서 다 시 전파되는 소리를 이용해 가상 스피커를 만드는 기술이다. 연구팀이 개발한 이 시스템은 사용자가 원하는 위치에 자유자재로 소리를 집중시킬 수 있다. 이를 3D TV에 적용 하면 소리도 영상처럼 다가오는 것처럼 느낌을 구현할 수 있는 것. 또 오케스트라의 바이올린, 첼로 등 현악기와 플 루트, 클라리넷 등의 관악기 소리를 원하는 공간에서 나게 조절할 수 있어 집안에서도 마치 실제 콘서트홀에 온 것 같 은 느낌을 받을 수 있다. 여기에 소리의 개별적 제어가 가능해 자동차에서는 좌석 별로 내비게이션 안내음성, 음악 등을 따로 전달이 가능하 며 방송국 음향 편집에도 활용이 가능할 전망이다. 김양한 교수는 홈 씨어터, 영화관, 공공장소 등에서 이 시스템이 적용되면 새로운 3차원 음장 기술이 가지고 있는 효과를 느낄 수 있을 것 이라며 지난달 국내 굴지 전자업체와 TV 용 3차원 음향시스템 개발을 착수한 상태 라고 말했다. 20분내 암 판정 조직검사법 개발 20분 안에 암 여부와 암의 종류를 판정하는 획기적인 조 직검사장치가 영국에서 개발되고 있다고 데일리 메일 인터 넷 판이 보도했다. 지금은 채취된 종양 샘플을 병리검사실 에 보내 결과가 나오려면 여러 주일이 걸린다. 영국 뉴캐슬 소재 생명공학기업 QuantuMDx가 뉴캐슬 대학, 셰필드 대학의 관계 전문가 30명으로 연구팀을 짜서 개발 중인 이 세계최초의 종양 프로파일러(tumor profiler)는 종양조직의 DNA를 채취-증폭-분석해 20분이면 암 여부와 그 종류를 신속하게 판정하고 치료제까지 선정 한다고 이 신문은 전했다. 큐 캔서 (Q Cancer)라고 불리는 이 휴대용 검사 장치는 첨단 나노기술을 이용, 극미량의 조직 샘플을 분석해 암의 종류와 종양의 유전자 구성을 알아내고 암이 어느 단계까 지 진행됐는지도 판단해 낸다. 이 검사장치는 조직 샘플을 신속하게 해체해 5분 안에 DNA를 채취해 낼 수 있다고 개발팀을 지휘하는 뉴캐슬 대 학의 저명한 임상유전학교수이자 QuantuMDx 연구실장 인 존 번(John Burn) 박사가 밝혔다. 이 검사 장치는 앞으 로 3년 안에 상용화될 수 있을 것으로 그는 전망했다. 그렇 게 되면 외과전문의가 종양을 신속하게 제거하고 암전문의 는 발견된 암의 형태에 따라 정확한 치료법을 처방할 수 있 게 된다. 따라서 매년 세계에서 새로이 발생하는 1천200만 암환자들의 생존기간도 연장될 수 있을 것으로 기대된다. 노벨 화학상 시상을 계기로 알아 본, GPCRs 와 신약개발의 과거 현재 미래 로버트 레프코위츠 (Robert Lefkowitz)와 브라이언 코 빌카(Brian Kobilka)는 본래 의사로서 의학계에 발을 들 여놓은 사람들이다. 그러나 그들은 세포 간 신호전달(cell signalling) 의 매력에 이끌려 기초의학의 세계에 빠져들 었고, 의학사에 길이 남을 금자탑을 세웠다. 그들의 연구 주제인 세포 간의 커뮤니케이션에서 핵심적인 역할을 하 는 단백질 은 지금까지 많은 신약 개발에 도움이 되었고, 앞으로도 보다 선택성이 높은 약물 (more-selective drugs)을 만드는데 기여할 것으로 전망된다. 이에 스웨덴 의 노벨 재단은 두 사람의 업적을 인정하여 2012 노벨 화 학상 을 수여하기에 이르렀다. 레프코위츠는 언변이 좋고 매력적인 뉴요커로서, 노스캐 롤라이나주 더럼에 위치한 듀크대학 메디컬 센터에 재직 중 이다. 레프코위츠와는 대조적으로 과묵하기로 악명 높은(?) 코빌카는, 캘리포니아주에 있는 스탠퍼드 의대에 적을 두 고 있다. 두 사람은 이처럼 성격과 활동무대가 판이하게 다 름에도 불구하고, G 단백질 연결 수용체(GPCRs: G- protein-coupled receptors) 라는 공통의 주제를 연구하 2012. 12 화학세계 25
이달의 화합물 과학동향 며 착실히 경력을 쌓아 왔다. GPCRs는 세포막을 가로지르 는 고리 모양의 단백질로, 외부의 신호(예: 호르몬 또는 신 경전달물질)를 세포 내부에 전달하는 역할을 하는데, 세포 는 이 신호를 받아 일련의 생화학 반응을 일으키게 된다. GPCRs는 약 800개의 단백질군( 群 )을 총칭하는 용어이 며, GPCRs에 속하는 단백질들은 구조적으로 밀접한 연관 성을 갖고 있다. 지금까지 개발된 모든 약물들의 30% 이상 은 GPCRs를 표적으로 삼고 있다. 예컨대 20세기 가장 위 대한 의학적 발명품 중 하나로 일컬어지는 베타차단제 (beta-blocker)는 GPCRs에 결합하여 GPCRs가 아드레 날린에 반응하는 것을 차단함으로써 심장을 진정시키는 역 할을 한다. (그러나 1964년 세계 최초의 성공적 베타차단제 인 프로프라놀롤(propranolol)을 개발한 영국의 약학자 제 임스 블랙은 이처럼 상세한 내용까지 알고 있지는 못했다.) 1960년대 말, 레프코위츠는 β2 아드레날린 수용체 (β2ar) 에 초점을 맞추어, GPCRs의 상세한 내용을 파헤 치기 시작했다. 1980년대에 이르자, 그가 이끄는 연구진(이 중에는 펠로우십으로 합류한 코빌카도 포함되어 있었다)은 클론을 생성하고 염기서열을 분석하기에 충분한 양의 β2ar을 분리해 내기에 이르렀다. 염기서열 분석 결과, β2ar은 이미 염기서열 분석이 완료된 로돕신 (rhodopsin: 눈에 존재하는 光 수용체)과 매우 유사한 것으로 밝혀졌는 데, 이는 우리에게 커다란 충격으로 받아들여졌다. 우리는 ` 그러한 수용체들을 하나의 群 으로 묶을 수 있겠구나`라는 생 각을 하게 되었다 고 레프코위츠는 술회했다. GPCRs에 속하는 단백질들이 하나둘씩 밝혀지면서, GPCRs는 신약 개발에 이용되기 시작했다. 이것은 신약 개 발 과정에 혁명적인 변화를 가져왔다. 화학자들은 특정 화 합물이 동물의 조직에 미치는 영향을 연구하는 대신, 시험 관 안에서 그 화합물과 GPCRs의 친화력 (affinity)을 분 석하기만 하면 되었기 때문에, 수천 개의 화합물을 동시에 분석하는 것이 가능하게 되었다 고 헵타레스 테라퓨틱스 의 최고과학책임자 (CSO)인 피오나 마샬 박사는 말했다(헵 타레스 테라퓨틱스는 영국 웰린가든시티에 본사를 둔 제약 사로, GPCR과 관련된 약품만을 전문적으로 개발하고 있 다). 이러한 방식으로 개발된 신약들 중에는 화이자의 항바 이러스제인 마라비록 (Maraviroc)도 포함되어 있다. 마라 비록은 HIV가 세포에 결합하는 것을 차단하는 약물로, 2007년 미 FDA의 승인을 받았다. 코빌카는 레프코위츠의 연구팀에서 독립한 뒤, 20년 동 안 GPCR의 결정구조를 포착하는데 몰두해 왔다. (GPCR 은 세포막에서 추출된 뒤에는 구조가 흐트러지는 경향이 있기 때문에, GPCR의 결정을 포착하는 것은 매우 어려운 작업이다.) 2007년 코빌카가 이끄는 연구진은 마침내 β2ar의 구조를 밝혀내는데 성공했는데, 이는 로돕신에 이어 두 번째로 달성한 쾌거였다. (로돕신은 다른 GPCRs 보다 안정적인 구조를 보유하고 있으며, 2000년에 구조가 밝혀졌다.) 그 후 탄력이 붙은 연구진은 13개에 달하는 GPCRs의 구조를 일사천리로 밝혀냈다. 2011년 코빌카가 이끄는 연구진은 더욱 인상적인 구조를 밝혀냈는데, 그것 은 β2ar이 실제 작동하는 모습을 순간적으로 포착한 것 이다. 이 구조를 들여다보면, β2ar의 한쪽은 아드레날린 과 결합되어 있고 다른 한쪽은 세포 내부의 G단백질과 연 결되어 있다. GPCRs의 구조를 알면, 신약 개발자들로 하여금 표적을 정확히 겨냥하는 화합물을 설계하게 할 수 있다. 다시 말해 서, 많은 약물들은 여러 개의 (긴밀히 연결된) 수용체에 영 향을 미친다. 예컨대 정신분열증 치료제인 올란자핀(상품 명: 자이프렉사)은 10여 개의 GPCRs를 건드린다. 그런데, 이 중에서 올란자핀의 약효에 기여하는 수용체는 몇 가지 밖에 안 되며, 나머지 잉여 수용체들은 기껏해야 체중증가 와 같은 부작용을 일으킬 뿐이다. 따라서 보다 많은 GPCRs의 결정구조가 밝혀질수록, 제약회사들은 특정 GPCRs에 정확히 결합하는 약물분자를 설계할 수 있다. 예 컨대, 헵타레스는 뇌 속의 아세틸콜린 수용체에 영향을 미 치는 알츠하이머병 치료제를 개발 중인데, 이 약물은 심장 과 위장관에 존재하는 유사 수용체들을 교묘히 회피할 수 있다고 한다. 코빌카가 GPCRs의 구조를 천착하는 동안, 레프코위츠 는 GPCRs가 항상 세포 내의 G 단백질에만 결합하는 것 은 아니며, β-어레스틴(β-arrestins)과 같은 단백질에도 결합한다 는 사실을 밝혀냈다. 이 같은 코빌카의 발견은 약 물의 부작용을 해명하는데 도움이 될 것으로 보인다. 이제 레프코위츠와 코빌카는 25년 만에 처음으로 공동연 26 화학세계 2012. 12
2012 노벨화학상 수상자인 분자생물학자, 로버트 레프코위츠(왼쪽)와 브라이언 코빌카(오른쪽) 구를 수행하고 있는데, 연구의 주제는 β-어레스틴과 GPCR이 결합해 있는 결정구조를 밝혀내는 것이다. 그러 나 GPCRs는 워낙 구조가 불안정하고 다루기 힘든 것으로 정평이 나 있어, 그들의 연구가 성공하리라는 보장은 없는 실정이다. 지난주 코빌카는 언론과의 인터뷰에서 이렇게 말했다: 나의 인내심은 비합리적 낙관주의 (irrational optimism)에 기반을 두고 있습니다. 나는 `무언가가 이루 어질 것`이라는 생각의 끈을 항상 놓지 않고 있습니다. 더 강한 고분자를 만들 수 있는 새로운 방법 미국 연구진은 고분자 속의 결함을 측정할 수 있는 새로 운 방법을 개발했다. 이것은 더 강한 고분자를 만드는데 큰 도움을 줄 것이다. 우리 주변의 많은 물체들은 고분자로 만들어진다. 고분 자 네트워크는 플라스틱과 같은 인공 재료와 고무와 섬유 소와 같은 천연 제품을 형성하는데 사용된다. 이런 모든 고 분자 재료 속에는 분자 수준의 구조적 결함이 존재한다. 이 상적인 네트워크를 형성하기 위해서, 각 고분자 사슬은 또 다른 사슬과 결합한다. 그러나 모든 고분자 재료 속에서 상 당한 부분의 사슬은 스스로 결합되는데, 이것은 플로피 루 프 (floppy loop)를 형성한다. 재료의 성질은 네트워크를 형성하기 위해서 서로 연결된 고분자에 의존한다. 서로 연결되지 않고 스스로 접혀지고 연결된 고분자가 존재하는데, 이런 고분자는 네트워크의 일부가 아니고 재료의 성질을 약화시킨다고 MIT의 조교수 인 제레미아 존슨 박사가 말했다. MIT의 연구진은 고리들이 고분자 네트워크 속에 얼마나 많이 존재하는지를 측정하는 방법을 최초로 개발했다. 이 연구는 약점을 가지지 않는 더 나은 재료를 만들 수 있는 첫 번째 단계가 될 것이다. 이번 연구진은 저널 국립 과학 아카데미 회보(PNAS) 에 이 새로운 기술을 게재했다. 고분자 화학자들이 1940년대 이후부터 이런 고리에 대 해서 알았지만, 지금까지 이것들을 계산할 수 있는 방법이 없었다. 이번 논문에서 연구진은 단지 겔 속의 고리의 비율 을 측정했지만 이 방법은 거의 모든 유형의 고분자 네트워 크에 사용될 수 있다. 고리의 수를 측정하기 위해서, 연구진은 화학적 결합이 포함된 고분자 사슬을 디자인했다. 가수분해를 사용해서 부 술 수 있는 특정 위치 속에 화학적 결합이 존재한다. 고분자 는 겔 네트워크 속에 교차 결합되었고, 연구진은 에스테르 로 알려진 화학 결합을 쪼개는 방법으로 이것을 처리하였 다. 효소 또는 광과 같은 다른 분해 방법이 사용될 수 있다. 어떻게 해결해야 하는지를 알기 때문에, 이번 연구진은 4개의 서로 다른 분해 산물의 비율을 예측할 수 있었다. 그 들은 이상적인 비-루프형 네트워크 속에서 발견될 것으로 예상되었다. 각 분해 산물의 양을 측정하고 이상적인 산물 과 이것을 비교함으로써, 그들은 고분자의 어떤 부분이 고 리를 형성하는지를 이해할 수 있었다. 연구진은 고분자 고리의 비율이 시작 재료와 다른 요인 속의 고분자 농도에 따라 약 9%에서 거의 100%까지의 범 위를 가진다는 것을 발견했다. 심지어 최고의 재료일 경우 에도, 9%의 접합이 고리로서 버려진다. 루프 형성을 감소 시킬 수 있는 방법을 이해한다면 재료 성질이 9% 향상될 것이라고 연구진은 말했다. 텍사스 오스틴 대학의 크리스토퍼 비엘라우스키 교수는 이 기술이 오랫동안에 발생된 한계를 극복할 수 있을 것이 라고 말했다. 이 기술은 매우 중요한 문제를 해결할 수 있 는 실험, 이론, 최첨단 분석의 결합이다. 연구진은 반응 조건뿐만 아니라 재료를 제조하는데 사용 되는 고분자 혼합물을 변화시킴으로써 고리의 수를 감소시 킬 수 있는 방법을 찾고 있다. 또한 연구진은 세포와 생물 2012. 12 화학세계 27
학적 재 료 간의 상 호 작 용을 조 사 하 기 위한 방 법을 현 재 찾고 있 다. 마 이 크 론 크기 에서 강 성과 같 고분자 네트워크의 시뮬레이션 은 기계 적 성질 에 따라 세포가 다르게 행동할 수 있다는 것은 이미 증명되 었다. 이 새로운 연구에서, MIT 연구진은 세포 외의 기질에서 발견된 세포와 특정 단백질 시퀀스 간의 나노크기 상호작 용을 알기 원하고 있는데, 여기서 세포 외의 기질은 세포의 구조적 지지체로 사용된다. 연구진은 세포가 세포 외 기질 에 부착되는 것이 아니라 스스로 고리 형태를 가지는 단백 질에 대해서 알기를 원한다. 리모컨 대신 눈으로 TV 조작하는 기술 개발 리모컨 대신 눈 동작만으로 TV를 조작할 수 있는 기술이 개발돼 장애인의 정보 접근성이 크게 향상될 전망이다. 방송통신위원회는 한국전자통신연구원 (ETRI)이 리모컨 대신 눈 동작만으로 TV 메뉴를 조작할 수 있는 시선 인식 기반의 차세대 사용자경험(UI UX) 기술 을 개발했다고 밝혔다. 이 기술은 특수 안경 등 보조 장치 없이 모니터 화면 을 응시하는 것만으로 TV메뉴를 조작이 가능하다는 점이 가 장 큰 특징이다. TV 화면 아래 달린 카메라가 사람의 동공을 세밀하게 추적해 사용자의 시선에 따라 커서가 이동하고 선 택하고자 하는 대상을 1초 이상 쳐다보면 클릭되는 방식이다. 기존의 시선 인식 기술이 PC환경을 목표로 개발된 근거 리 기술인데 반해 이 기술은 TV와 같은 대화면 디스플레이 를 대상으로 2m 이상의 원거리에서도 사용 가능하다. 또 단순한 메뉴 조작 뿐 아니라 한글 등 문자를 입력할 수 있 는 영상 키보드 기술도 함께 개발돼 인터넷 검색이나 문서 작업도 지원된다고 방통위 측은 설명했다. 방통위는 이 기술이 리모컨 이용이 어려운 지체장애인의 정보 접근성 향상에 기여하는 한편 시선추적을 응용한 차 세대 게임 개발이나 자동차 운전자의 졸음운전 감시, 홍채 정보 기반의 본인인증 서비스 등 다양한 분야에 활용 가능 할 것으로 내다봤다. 반딧불이 모방 고효율 발광다이오드 (LED) 개발 반딧불을 모방한 고효율 발광다이오드 (LED) 기술이 개 발됐다. 곤충의 발광기관을 모사한 원천기술로 상용화 됐 을 경우 저렴한 생산이 가능할 전망이다. 정기훈 바이오 뇌공학과 교수팀은 반딧불의 발광기관에 있는 나노구조를 모방해 발광효율을 높인 발광다이오드렌 즈를 개발했다고 30일 밝혔다. 기존에는 발광다이오드 렌 즈의 반사를 막기 위해 값이 비싼, 반사방지 코팅 처리를 해야 했다. 하지만 정 교수팀이 개발한 발광다이오드 렌즈 는 제작 과정에서 반딧불을 모사한 나노구조를 적용, 이런 코팅 공정이 필요치 않게 됐다. 발광다이오드 렌즈는 빛의 반사를 차단해야 제품화가 가 능하기 때문에 무 반사구조 기술을 활용해 이런 문제를 해 결했지만, 평판에만 사용이 국한돼있었다. 정 교수팀은 3차 원 미세몰딩을 통해 이를 해결했다. 나노구조를 이용한 몰딩 기술로 반딧불과 유사한 구조의 렌즈를 만들었다. 향후 스마 트폰 TV 자동차 의료기기 실내외조명 등 발광다이오 드 렌즈가 들어가는 제품 대부분에 적용이 가능할 전망이다. 정기훈 교수는 이 기술은 세계 최초로 생물발광기관을 모사한 기술이라는 것에 의의가 있다 며 생체모사 기술을 활용한 고효율 발광다이오드 렌즈 기술을 통해 기존의 값 비싼 무 반사코팅을 대신해 저렴하면서도 효율을 극대화할 28 화학세계 2012. 12
수 있을 것 이라고 말했다. 수중 오염물질을 흡수하는 그래핀 기반의 나노복합체 반응성 염료 (reactive dyes)와 제초제는 가장 중요한 오 염물질이다. 2,4-D(2,4-Dichlorophenoxyacetic acid) 는 농업 분야에서 사용되고 있는 제초제 중 하나이다. 2,4- D 오염의 중요한 경로는 농경지로부터 자연적인 수계 (water system)로의 유출이다. RR195(Reactive Red 195)는 직물 산업에서 사용되는 반응성 염료 그룹으로 잘 알려져 있다. 이러한 화학 물질의 환경으로 배출은 수생 생 물에 끼치는 섭동 효과 (perturbation effect)와 독성으로 인하여 생태계를 오염시킨다. 광촉매 작용 (photocatalysis)은 다양한 오염물질의 광 분해로 사용되는 진보된 산화 공정이다. 다양한 반도체 광 촉매 중 이산화티타늄(titanium dioxide, TiO 2)은 일반적 인 환경 응용에 가장 적합한 재료이다. 그러나 이산화티타 늄의 1넓은 밴드갭, 2생성된 전하 전달자의 높은 재조합 률(recombination rate) 및 3산소에 대한 전자의 느린 이 동 속도 등은 광촉매의 효율성을 제한한다. 이산화티타늄의 광촉매 활성과 전자-정공의 재조합은 이산화티타늄의 크기, 표면적, 결정도 (crystallinity) 및 표면 구조와 밀접한 연관이 있다. 이산화티탄의 수행력은 종종 다른 반도체 입자와 짝을 이루어 강화되거나 탄소 나 노구조와 같은 전자-수용 재료와 결합되어 강화된다. 이란 샤리프 기술대학 (Sharif University of Technology) 소속의 연구진은 입자의 크기는 더 작지만 표면적은 더 넓은 입자를 생산하는데 성공하여, 결과적으로 더 많은 활성 위치를 구현하는 그래핀 기반의 나노복합체를 개발했다. 연 구진은 산화세륨-이산화티타늄(cerium oxide-titanium dioxide) 나노입자를 합성하여 산화세륨-이산화티탄-그래 핀 나노복합체(CeO 2-TiO 2-graphene nanocomposites)를 구축하여 오염물질을 흡수할 수 있는 방안을 생성했다. 동 연구는 Assembly of CeO 2-TiO 2 nanoparticles prepared in room temperature ionic liquid on (a) 2,4-D와 (b) RR195의 화학적 구조 graphene nanosheets for photocatalytic degradation of pollutants 라는 제목으로 독성재료지 (Hazardous Materials) 에 발표됐다. 반도체 광촉매 중 이산화티타늄은 높은 광학적 안전성과 비독성으로 인하여 수많은 산업계에서 사용되고 있는 중요 한 후보 물질이다. 그러나 이산화티타늄의 에너지 갭 (energy gap)이 자외선 범위에 있기 때문에, 가시광선 (visible light)에서 이러한 원소를 사용하는 것은 불가능하다. 이 연구에서 샤리프 대학 연구진은 Mohaghegh Ardebili 대학(소속의 연구진 및 나노과학 및 나노기술 연구소 (Nanoscience and Nanotechnology Research Center) 소속의 연구진과 공동으로 탄소를 기반으로 하는 CeO 2-TiO 2 나노복합체의 합성을 통해 보다 더 긴 파장으로 TiO 2의 에 너지 갭을 이용하려는 시도를 했다. 또 연구진은 TiO 2의 광 촉매 활성을 증가시키는 것을 목표로 했다. CeO 2-TiO 2 나노복합체는 실온 이온성 액체로 2-hydroxylethylammonium formate를 이용하는 졸-겔 공 정과 500~700 C의 다양한 온도에서 구워서 준비됐다. CeO 2-TiO 2-그래핀 나노복합체는 에탄올 수용성 용액에 서 CeO 2-TiO 2 나노입자와 그래핀 산화물의 수열합성 (hydrothermal reaction)으로 합성되었다. 광촉매의 특성은 X-선 회절, BET 표면적, 확산반사분 광법, 주사전자현미경, FTIR 등을 이용하여 규명됐다. 결과는 실온의 이온성 액체가 예추석-금홍석 (anataserutile)의 상 변화를 방해하는 것이 증명됐다. 그 결과, 보 다 더 높은 열 안전성을 지닌 나노입자의 창출이 가능해졌 2012. 12 화학세계 29
다. 이 효과는 이산화티타늄에 산화세륨을 첨가하여 촉진 됐다. CeO 2-TiO 2 나노입자에 그래핀의 추가는 전자 이동 을 강화하고, 따라서 여기된 이산화티탄의 전하 재조합을 지연시켰다. UV 조사 조건 하에서 수용성 매질에서 오염 물질의 광분해 결과는 CeO 2-TiO 2-그래핀 나노복합체가 CeO 2-TiO 2와 순수한 TiO 2보다 광촉매 활성이 훨씬 더 우 수하다는 것을 보여주었다. CeO 2-TiO 2-그래핀 나노복합체의 광촉매 활성은 그래 핀 함량이 증가함에 따라 감소했다. 그 외에도 다른 CeO 2- TiO 2-탄소(CeO 2-TiO 2-carbon)와 CeO 2-TiO 2-그래핀 나노복합체의 광촉매 활성의 비교는 CeO 2-TiO 2-그래핀 나노복합체가 독특한 구조와 전기적 특성을 지니고 있어 가장 우수한 광촉매 활성을 나타낸다는 것을 증명했다. 즉, 오염물질의 분해에서 나노복합체의 높은 활성은 촉매 표면 의 흡착을 증가시키고 이온 운반체 (ion carrier)의 재조합 을 감소시키는 그래핀의 독특한 구조로 설명될 수 있다. 오영물질의 용액을 위한 화학적 산소 요구량(COD; chemical oxygen demand)은 이러한 물질의 광화 작용 (mineralization)에 대한 개념을 제공했다. 심장병 예방에 도움이 되지 않는 종합비타민 영양보조제 현재 미국에서 수백만 명이 종합비타민 영양보조제를 복 용하고 있지만 심장병 예방에 별다른 도움이 되지 못한다 는 연구 결과가 제시되었다. 즉, 지난 10년 동안 15,000명 의 남성 의사들을 대상으로 연구가 진행된 결과, 종합비타 민 영양보조제가 심혈관 질환 예방에 별다른 효력이 없다 는 주장이 제시되었다. 연구 결과를 발표한 미국 하버드 의 대의 하워드 시소 박사는 일반적으로 비타민 영양보조제 를 복용하는 사람은 건강에 좋겠지 생각하지만 실제로 건 강 개선 효과를 확인할 수 있는 증거들을 중심으로 의학적 결론을 유도하여 그 효과를 입증해야 한다 고 주장하였다. 연구진은 이번 연구 결과를 미국 로스앤젤레스 시에서 열 리는 미국 심장협회의 학술모임에서 발표하였는데, 상세한 내용은 미국 의학 협회보(Journal of the American Medical Association) 에 출판될 예정이다. 연구진은 이번 연구 수행을 위해서 기존에 발표된 임상 의사 보건 연구 2단계에서 도출된 데이터들을 종합 분석하 였는데, 이 데이터베이스에는 1997년도부터 시작하여 총 14,641명의 남성 의사들의 건강 기록들이 포함되어 있다. 이들 모두 관련된 데이터가 수집된 시점에 50세 이상이었 다. 연구진은 이들을 임의로 선택하여 한 집단에는 매일 종 합 비타민 영양보제를 복용하도록 하고 또한 다른 집단에 는 가짜 영양제를 복용하도록 하였다. 연구진은 11.2년에 걸친 추적 연구를 통하여 종합 비타민 영양보조제 복용 집 단과 복용하지 않은 집단별로 심혈관 질환으로 인한 사망 비율, 심장발작 또는 뇌졸중 발생 빈도수를 비교한 결과 나 이, 흡연여부, 아스피린 복용여부, 고지질증, 당뇨병 또는 심장병 요인들을 감한하여 분석하여도 두 집단 사이에 별 다른 차이가 존재하지 않는다는 결론을 얻게 되었다. 시소 박사는 심장병 예방을 위해서 비타민 영양보조제를 복용할 필요성이 없다고 주장하고 있지만 미국 임상의사 보건 연 구를 통하여 2주 전에 미국 의학 협회 학술제 발표된 논문 에서는 비타민 영양보조제를 복용하면 암 발생 위험성이 8% 감소된다고 주장된 바가 있다. 이와 같은 주장과 연관하여 미국 하버드 의대의 다리우 시 모짜파리안 박사는 비타민 영양보조제를 복용하는 사 람의 경우 약이 건강 개선에 도움이 되므로 생활 습관의 개 선이 별도로 필요없다고 오해할 소지가 있다. 개인적인 생 각으로는 종합 비타민 영양보조제는 복용하는 사람들의 대 부분이 건강을 빠르게 개선할 수 있는 방법이라고 생각하 지만 실제로 이와 같은 생각은 매우 위험하여 건강에도 악 영향을 미칠 수 있다. 즉 비타민 영양보조제를 복용하는 사 람일수록 식이조절을 하지 않거나 운동을 하지 않으며 또 는 흡연을 지속할 가능성이 높기 때문 이라고 지적하였다. 시소 박사도 이와 같은 모짜파리안 박사의 의견에 동조를 표하면서 종합 비타민 영양보조제를 복용하는 대다수가 건강상에 문제 발생을 예방할 목적으로 하고 있지만, 실제 로는 비타민 영양보조제가 암을 예방하는 효과가 있을지는 모르지만 심혈관 질환 예방 효과는 없다 고 주장하였다. 30 화학세계 2012. 12
줄기세포 단백질 생산 조절 원리 첫 규명 국내 연구진이 줄기세포에서 단백질 생산이 조절되는 원 리를 세계 최초로 규명했다. 교육과학기술부와 한국연구재단은 김빛내리 서울대 교 수팀이 주도한 연구 에서 이 같은 성과를 거뒀다고 밝혔다. 연구진은 이번 연구에서 린28(LIN28) 이 줄기세포 내 부에서 단백질 생산을 직접 억제한다는 사실을 입증했다. 이는 린28이 줄기세포의 성질을 간접적으로 유지한다고 알 려져 있던 학계의 통념을 뒤집는 것이다. 이는 암 치료법 개발에도 적용될 수 있다. 암세포가 퍼질 때는 세포 간 신호전달 단백질이 많이 필요하다. 때문에 린 28로 단백질 생산을 막으면 암 전이를 조절할 수 있게 된 다. 연구재단이 린28이 다른 유전자의 발현을 조절하는 원리를 완벽히 규명하면, 줄기세포와 관련된 질병과 암 연 구에 획기적 전기를 마련할 수 있다 고 평가한 것도 이 때 문이다. 김빛내리 교수도 린28 단백질의 알려지지 않은 직접적 인 조절 원리를 밝혀냄으로써, 향후 줄기세포와 관련된 질 병의 치료기술 개발에 새로운 실마리를 제공했다 며 간 암, 난소암 등 여러 종류의 암 발생과 전이에서도 자주 발 견되는 린28 단백질의 이상 조절에 대처할 수 있는 새로운 치료법 개발에도 가능성을 열었다 고 밝혔다. 연료 전지의 성능을 향상시키는 새로운 촉매 미국 연구진은 연료 전지의 성능을 매우 향상시킬 수 있 는 새로운 촉매를 개발했다. 연료 전지는 연료를 태우는 일 없이 연료에서 전기를 직 접적으로 변환시킬 수 있고, 순수한 수소로 자동차를 달리 게 할 수 있고, 배기가스로 단지 수증기만을 남긴다. 그러 나 그들을 작동하게 하는 촉매들은 여전히 나쁜 성능을 가 지고 비용이 많이 든다. 코넬 에너지 재료 센터의 연구팀은 향상된 촉매 활성을 보이는 백금-코발트 나노입자를 제조했다. 이 나노입자는 백금이 풍부한 껍질을 가졌고 이 연구결과는 연료 전지 분 백금-코발트 합 금 나노입자의 전 자 현미경 이미 지. 정렬된 격자 속의 금속 입자의 배열을 보여주고 있다. 점점 더 작 은 입자들은 하부 의 더 큰 것과 겹 쳐진다. 황색 화 살표는 표면 위의 3층의 백금 원자 를 나타낸다. 야에 획기적인 발전을 불러올 것이다. 이번 연구진은 촉매 의 성능을 향상시켰고 비용을 5배 정도 절감시킬 수 있었 다고 이 연구를 이끌었던 Hector Abruna, E.M. Chamot 교수가 말했다. 수소 연료 전지에서, 한쪽의 전극에서는 촉매가 수소 원 자들을 양자와 전자로 부순다. 전자들은 다른 전극에 전류 를 생성시키기 위해서 외부 회로를 통해 이동하는데, 이때 두 번째 촉매는 물을 형성하기 위해서 인입 전자, 자유 양 자, 산소와 결합한다. 현재의 상업적 연료 전지에서, 이 촉 매는 순수한 백금인데, 이것은 드물고 비용이 많이 든다. 연구진은 백금 합금을 다른 것으로 바꾸려고 노력했다. 이전에, 코넬 연구팀은 순수한 백금처럼 행동하는 아주 얇 은 백금 층으로 코팅된 팔라듐-코발트 합금의 나노입자들 을 생성했는데, 여기에는 더 낮은 비용이 들었다. 나노입자 를 촉매로 이용하는 것은 연료와 반응하기 위해서 더 높은 표면적을 가지게 한다. 나노입자들은 약 5나노미터의 지름 을 가지고 탄소 지지체 위에 분산되었다. 촉매 반응의 컴퓨터 시뮬레이션은 백금 원자들이 서로 조금씩 밀어주거나 변형된다면 촉매 활성이 증가된다고 예 측했다. 이번 연구진은 가열 단계가 포함된 백금-코발트 합금의 나노입자를 제조하기 위한 새로운 화학적 프로세스 를 고안했다. 여기서 합금 속에 무작위로 분포된 원자들은 정렬된 결정 구조를 형성한다. 금속 원자들은 서로 무질서 한 것이 아니라 정렬된 격자 속에 스스로 배열된다. 이런 입자 위의 백금 원자 층을 격자와 함께 일렬로 세우면 순수 한 백금일 때보다 서로 더 가까이 밀어준다. 이것은 촉매 2012. 12 화학세계 31
활성을 향상시키는 스트레인 (strain) 을 초래한다. 연구 진은 이 구조를 확인하기 위해서 주사 터널링 전자 현미경 을 사용했다. 예비 테스트에서, 새로운 나노입자들은 무질서한 코어 를 가진 동일한 입자들보다 3.5배 더 높은 촉매 활성과 순 수한 백금보다 12배 더 높은 촉매 활성을 가졌다. 또한 새 로운 촉매들은 더 내구성이 강하다. 연료전지 촉매들은 백금 원자들이 산화되거나 나노입자들이 서로 결집될 때 연료전지와 반응하는 표면적이 감소하기 때문에 그들의 효율성이 감소한다. 테스트 전지를 5,000번 내구성 평가 (on-off cycle)한 후에, 정렬된 나노입자의 촉매 활성은 변함이 없지만, 무질서한 코어를 가진 동일한 코발트-백 금 나노입자의 것은 떨어졌다. 정렬된 구조는 더 안정적 이다. 백금 표면은 무질서한 합금의 것보다 더 정렬된 코 어를 가진 것이 더 강한 결합을 가지고, 결집을 발생하기 위해서 다른 나노입자 위의 백금과 덜 융합되는 경향이 있다. 이 연구결과는 저널 네이처 머티리얼지(Nature Materials) 에 Structurally ordered intermetallic platinumcobalt core@shell nanoparticles with enhanced activity and stability as oxygen reduction electrocatalysts 라는 제목으로 게재되었다. (출처: KISTI 미리안 이슈기술) 차 유해가스 90% 줄이는 엔진연소 기술 개발 한국기계연구원은 그린동력연구실 오승묵 박사팀이 자 동차 엔진에서 발생하는 유해물질 배출을 최대 90%까지 억제할 수 있는 엔진 저온연소 원천기술을 개발했다고 11 월 6일 발표했다. 엔진 저온연소 기술은 고온연소와 달리 질소산화물 및 입자상물질을 동시에 감소시키는 데 효과적이지만 탄화수 소와 일산화탄소가 더 많이 배출되고 출력 역시 저하되는 것이 문제점으로 지적돼 왔다. 연구팀은 바이오디젤 연료를 엔진 저온연소 기술에 적 용, 질소산화물과 입자상물질 배출을 기존보다 90% 이상 절감시키고 출력을 10% 이상 높이는데 성공했다. 저온연 소 기술의 장점은 유지하면서 출력의희생 없이 배출가스 규제를 만족시켜 향후 친환경 자동차 엔진기술에 적용이 가능할 전망이다. 오승묵 박사는 이번에 개발된 기술은 건 설기계, 수송용 차량 등 다양한 분야에 적용할 수 있기 때 문에 그 파급효과가 클 것 이라며 바이오디젤과 같은 신 재생에너지 시장을 활성화하는 데도 크게 기여할 수 있을 것 이라고 말했다. 현실이 되어가는 말 수 있고 접을 수 있는 전자소자 전자책, 스마트폰, 태블릿 등 차세대 전자 디스플레이 개 발에서 많은 연구원들이 신시네티 대학 (UC)의 최근 연구 에 주목하고 있다. 말 수 있고 접을 수 있는 전자 소자와 어떠한 픽셀 한계 가 없는 기술이 UC의 신 소자 연구소에서 실험적으로 증 명되고 개념적으로 작동될 수 있다는 것을 보여주었다. 이 연 구 결과는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 에 최근 게재되었다. 개념적으로 파괴할 수 없는 전 자소자인 전자 시트는 고무 매트처럼 얇고 말 수 있을 것 이다. 최근 연구에서 UC 연구는 이 전자 시트에 더 가깝게 다가섰다. 언젠가 전자 소자는 고무 매트처럼 얇고 말 수 있을 것이다. Bright e-paper by Transport of Ink through a White Electrofluidic Imaging Film 이라는 제목의 UC 논문에는 공학과 응용 과학 대학 박사과정 메튜 헤이지돈, 양 슈, 앤 루즈와 전자와 계산 시스템학과 부교수 제이슨 하이켄펠드가 참여했다. UC는 스타트업 (start-up) 회사 인 감마 다이나믹스 사와 파트너로서 이 연구를 연구했다. 접을 수 있는 전자 종이 소자를 만드는 데에 있어 문제는 소자 스크린을 단단한 유리 기판으로 만드는 것이었다. 그 러나, 이 스크린이 창문 가리개처럼 말려지는 종이 두께의 플라스틱이라면 어떨까? 만 번 이상 번복하고 접거나 말아 올릴 수 있는 아이패드 같은 소자를 상상할 수 있을 것이 다. 이 소자는 그저 말아서 주머니에 넣으면 된다. 32 화학세계 2012. 12
최근의 UC 연구는 연구원들이 전자 유체 이미징 박막이 라고 언급한 종이 두께 플라스틱 스크린이 작동하는 것을 실험적으로 증명한 것이다. 이 해법은 얇은 층의 반사 전극 과 이후 전자 소자의 글, 이미지, 비디오를 포함한 컨텐트 를 전기적으로 색체 잉크와 투명한 기름 유체를 전달하기 위한 특수하고 복잡한 유체 기계들인 스페이서를 가지고 코팅된 흰색, 다공성 박막을 사용하는 것이다. UC의 헤이지돈에 따르면, 이 소자는 전자소자를 조절하 는 시트 위로 라미네이트한 단순한 박막처럼 만들어질 수 있는 전기 습윤 (electrowetting) 디스플레이의 최초 형태 이라고 한다. 제조업자들은 층층이 물질과 물질을 쌓아서 소자 내에서 픽셀들을 만들어야 하는 것보다 이 접근방법 에 흥미있어 한다. 연구원들의 개념 증명 해법은 더 밝은 천연색 비디오 전자 종이와 접거나 말 수 있는 디스플레이 소자로 한 발 더 다가서게 해주었다. 특히, UC에서 개발한 이 종이 두께 플라스틱 스크린은 어떠한 픽셀 경계도 없는 모든 형태의 유체 디스플레이 중 최초이다. 현재 기술에서 색깔들은 픽셀 경계들로 알려진 방법들에 의해 이미지 형성 방법을 유지한다. 텍스트, 사진, 비디오 등에 필요한 이미지를 구성하기 위해 도움을 주는 각 개별 픽셀은 독특한 색깔을 유지하고 픽셀 경계로 인해 다음 픽 셀이나 색깔로 번지지 않게 해준다. 즉, 색깔의 각 개별 픽 셀은 색깔의 개별성을 유지하기 위해 소비자의 눈에 보이 지 않는 하나의 경계를 가진다. 이는 픽셀 경계들이 텍스트 나 이미지에 따라 정보를 흐릿하게 보여주게 하는 기본적 으로 죽은 영역들이다. 전자 소자 회사들은 디스플레이의 밝기를 향상시키기 위해 픽셀 경계들을 줄이거나 제거하는 방법들을 찾고 있었다. 예를 들어, 잉크 섞임을 방지하는 현재 전자 습윤 디스플 레이 내 픽셀 경계들은 이 픽셀의 꽤 큰 부분을 차지하고 있 다. 이는 현재 연구원들의 전자유체 박막 해법으로 해결된 다. 또한, 연구원들의 해법은 이 픽셀이 보이지 않도록 잉 크를 숨기기 위해 특별한 능력을 제공한다. 또한 이 픽셀이 보이도록 디스플레이의 유용한 밝기와 색깔을 나타낸다. 단 순하고 새로운 기술을 이용하여 연구원들은 제조방법을 단 순화시키고 스크린 밝기를 개선했다. 첫 번째 세대의 말 수 있는 전자 소자는 단색이 될 것으로 전자유체 이미징 박막을 들고있는 박사과정생 메튜 헤이지돈 기대된다. 천연색은 나중에 나올 것이다. 따라서 10내지 20 년 내에 밝은 태양 아래에서 볼 수 있지만 저전력을 요구하 는 잡지 수준의 색깔을 가진 전자 소자들이 시장에 나올 것 이다. 이 전자 소자들은 무거운 배터리가 없는 고기능, 고 색감, 태양 아래에서 읽을 수 있고 주머니에 말 수 있는 천 환경 아이패드나 전자 책을 생각할 수 있다. 이 소자는 태 양광이나 주위 실내 조명으로 충분할 것이므로 작동시키는 데 저전력을 요할 것이다. 그러나 이는 비가 내리는 밤 동 안, 외부에 방치될 수 있어서 매우 견고하고 무선 연결 포 트들을 이용해 사용될 것이다. 전자유체 이미징 박막의 기 능성을 확인한 최근의 개념 증명 연구는 UC의 신소자 연구 소에서 진행된 이전 연구를 바탕으로 만들어졌다. 이전 연 구는 전력을 얻기 위해 무거운 배터리를 요구하지 않는 밝 은 전자 디스플레이를 향한 매우 큰 장벽에서 좌절하였다. 현재, 컴퓨터의 액정 디스플레이 스크린처럼 더 빠르고 색체가 충분하며, 고전력 소자들인 아이패드 혹은 휴대 전 화는 소자 내부에 강한 내부 조명과 색깔/움직이는 이미지 처럼 픽셀들을 보여주기 위한 색깔 필터들이 필요하므로 부분적으로 고전력, 즉, 더 큰 배터리를 요구한다. 또한 소 자 내 내부 조명의 필요는 시계가 밝은 태양 아래에서 잘 보이지 않는 것을 의미한다. 이 새로운 전자유체 이미징 박 막은 소자 내 강한 내부 조명에 비해 주위 조명의 광을 이 용하기 때문에 고속으로 내용과 기능을 제공하기 위해 단 지 저전력이 필요한 전체 UC 디자인의 한 부분이다. 2012. 12 화학세계 33