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우리 학교 김상욱 교수팀이 단파 적외선 영역에서 광학 성능을 나타내는 새로운 친환경 양자점을 제조하고, 광검출 소자에 이를 적용하는 데 성공했다. 이에 기존의 소재를 대체하여 자율주행이나 무인 이동체 등 산업·군사·천문 관측용 탐지 장치에 활용 가능한 원천소재가 될 수 있을 것으로 기대된다. 김상욱 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과) 연구팀은 InSb 양자점을 염소 이온 표면 처리해 광학 성능을 극대화하고, 이를 소자에 적용하기 위해 무기 리간드 치환 기술과 접목, 높은 성능의 포토다이오드 타입 광검출기 제작에 성공했다고 밝혔다. 관련 논문은 ‘표면 산화를 억제한 1500nm SWIR 광검출기용 콜로이드 InSb 양자점(Colloidal InSb quantum dots for 1500 nm SWIR photodetector with antioxidation of surface)’이라는 제목으로 재료공학 분야의 저명 학술지 <어드밴스드 사이언스(Advanced Science)> 12월 온라인판에 게재됐다. 이번 연구에는 김종현 아주대 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과)와 이행근 한국화학연구원 박사가 함께 참여했다. 단파 적외선은 근적외선 영역보다 긴 파장대의 범위로 파장이 길어 투과성이 좋으며, 특히 가시광·근적외선 영역보다 태양광이나 수분에 의한 간섭이 매우 적다는 장점을 가지고 있다. 이에 단파 적외선은 자율주행이나 무인 이동체 등에서 주변 환경을 인식하기 위한 목적으로 사용되며, 흐리고 안개 낀 날이나 어두운 밤에도 활용이 가능하다. 그러나 단파 적외선의 효율적 감응을 위한 소자의 성능과 가격 등의 측면에서는 한계를 보여 왔다. 기존 단파 적외선 감응 소자의 경우 규소(Si)나 인듐 갈륨 비소(InGaAs)를 기반으로 하나, 이 경우 1100nm 이상의 긴 파장 영역 대에서는 감도가 크게 떨어진다. 두 종류 이상 물질의 주기적 층을 쌓은 초격자 반도체의 경우, 제작 단가가 매우 비싸고 상온에서의 감지 성능이 떨어지는 단점이 있다. 이에 상대적으로 저비용이며 비냉각형 소재인 양자점(Quantum Dot)이 하나의 해결 방안으로서 학계 및 산업계의 관심을 받아왔다. 양자점은 2023 노벨화학상의 영광을 차지한 반도체 나노입자 소재로, 수 나노미터(nm) 크기의 물질이 형태나 조성에 따라 가시광에서 적외선 영역까지 파장 조절이 매우 용이하여 다양한 광소자로 연구되고 있다. 특히 황화납(PbS)이나 황화셀레늄(PbSe), 텔루르화 수은(HgTe) 같은 양자점 기반 소재를 이용한 단파 적외선 감응 소자들이 학계에서 최근 연구되어 왔다. 그러나 이런 양자점의 경우 납과 수은 같은 유독성 중금속을 사용한다는 점에서 산업계에서 널리 적용하기에는 어려움이 존재한다.이에 아주대 공동 연구팀은 납(Pb)이나 수은(Hg)을 사용하지 않는 InSb 양자점을 주목했다. InSb 양자점은 유해 중금속을 사용하지 않는 양자점으로 알려져 있으나, 표면 산화에 매우 취약해 그 성능을 나타내기가 매우 까다롭다는 단점이 있다. 이에 연구팀은 합성 단계에서 염소 이온을 첨가해 양자점 표면 산화를 최대한 억제, InSb 양자점의 광학 성능을 극대화하고, 무기리간드 치환 기술을 접목해 안정적으로 소자에 적용 가능한 형태로 가공했다. 연구팀은 이렇게 만든 고밀도의 양자점 필름을 ITO 기판에 코팅해 포토다이오드 타입의 광 검출 소자에 적용했다. 그 결과 상온의 1370nm와 1520nm 영역에서 각각 11.2%, 6.3%의 외부 양자효율을 달성, 별도의 냉각 장치 없이도 높은 성능이 나타남을 확인했다. 연구팀은 더불어 합성된 InSb 양자점의 단파 적외선 흡광 성능뿐 아니라 발광 또한 확인, 이를 통해 새로운 광원으로서의 가능성 또한 발견했다. 단파 적외선 발광의 경우 가시광이나 근적외선보다 인체 조직에서의 투과성이 매우 높기에 바이오 이미징에서 더욱 선명한 이미지를 얻을 수 있으며, 수분이나 햇빛 등 외부 환경에 의한 간섭이 적어 사물인터넷(IoT) 분야 등에서 응용이 가능할 것으로 보인다. 김상욱 교수는 “이번에 개발한 InSb 양자점 제조기술은 납과 수은 같은 유독성 중금속을 활용하지 않은 친환경 기술로, 가격 경쟁력과 효율도 높아 단파 적외선 감응에 사용할 수 있는 산업계의 가장 현실적 대안”이라며 “앞으로 지속적인 추가 연구를 통해 자율주행 등 미래 기술에 응용할 수 있기를 기대한다”라고 말했다. 이번 연구는 한국연구재단 나노소재기술개발사업, KIURI 및 기초연구사업 등의 지원을 받아 이루어졌고, 국내 특허 출원이 완료됐다. * 위 그림 설명 a) 염소 이온에 의하여 양자점의 표면을 보호해 산화를 방지 b) 양자점 성장 온도에 따라 흡광 영역 조절 가능 c) 상기 양자점 소재를 이용한 광검출기의 모식도와 외부 양자효율 스펙트럼(주황색 : 1370nm, 적색 : 1520nm)
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최준원 교수 공동 연구팀이 선천면역의 활성화를 통해 차세대 면역항암제로 활용될 수 있는 ENPP1 억제 화합물을 발굴했다. 최준원 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과, 사진)는 한국과학기술원(KIST)·㈜티씨노바이오사이언스 공동 연구팀이 선천면역의 조절과 관련 있는 STING 경로를 활성화시켜 선천면역 활성화를 유도하는 저분자 화합물 기반의 새로운 ENPP1 저해제를 개발했다고 밝혔다. 해당 연구는 ‘STING 매개 면역항암요법을 위한 경구 투여 저분자 ENPP1 저해제 개발(Discovery of orally bioavailable phthalazinone analogues as an ENPP1 inhibitor for STING-mediated cancer immunotherapy)’이라는 논문으로 의약화학 분야 국제 저명 학술지인 <저널 오브 메디시널 케미스트리(Journal of Medicinal Chemistry> 11월호의 부표지 논문(Supplementary Cover)으로 선정됐다. 이번 연구에는 아주대 최준원 교수, 한국과학기술원(KIST) 이상희·한서정 박사, ㈜티씨노바이오사이언스 박찬선 박사가 공동 교신저자로 참여했으며, 공동 제1저자로 아주대 조영욱 학생(대학원 분자과학기술학과)과 KIST·경희대 강미소 학생(KIST 뇌질환극복연구단·경희대 기초약학과)이 함께 했다. ㈜티씨노바이오사이언스는 저분자 혁신항암제(선천면역·RAS변이 항암제)를 개발하고 있는 바이오 스타트업이다. 면역항암제는 암을 직접 공격하는 기존의 1세대 화학항암제, 2세대 표적항암제와는 달리 면역체계를 자극하여 면역세포가 선택적으로 암세포를 공격하도록 유도하는 새로운 패러다임의 3세대 항암제를 말한다. 면역항암제는 기존 1세대·2세대 항암제의 여러 한계를 극복할 수 있다는 측면에서, 암 치료의 새로운 패러다임으로 주목받고 있다. 1세대 항암제의 부작용과 2세대 항암제의 내성 등 암 환자들의 치료를 어렵게 했던 요소들이 해결될 수 있을 것이라는 기대에서다. 실제 면역항암제는 다양한 암에서 치료 효과를 보이고 있고 폐암, 신장암, 림프종과 피부암의 일종인 흑색종 등 암 환자들의 생존율 증가에도 획기적으로 기여하고 있다. 미국 제약사 머크(Merck Sharp & Dohme, MSD)가 2014년 면역항암제의 일종인 면역관문억제제 ‘키트루다(Keytruda)’를 출시한 뒤, 새로운 타깃에 대한 연구가 다양하게 진행되고 있다. 그 사례로 지미 카터 전 미국 대통령은 흑색종이 간에 이어 뇌까지 전이되었지만, ‘키트루다(Keytruda)’ 투여 이후 완치 판정을 받았다. ‘키트루다(Keytruda)’는 지난해 약 26조원의 매출을 기록해 전 세계에서 가장 높은 수준의 의약품 매출액을 기록하고 있다. 그러나 이 같은 가능성에도 불구하고 여전히 면역관문억제제(immune checkpoint inhibitor)의 치료 반응률이 높지 않아, 아직도 많은 암 환자들이 면역관문억제제 치료를 받지 못하고 있다. 면역관문억제제는 면역항암제의 일종으로, 암세포가 면역체계를 회피하는 것을 억제하는 역할을 한다. 암세포가 인체에서 면역관문을 조종, 일종의 정상 세포인 것처럼 면역세포로부터 스스로를 보호하는데 면역관문억제제는 이를 억제함으로써 면역세포가 암을 공격할 수 있도록 돕는 것이다. 면역관문억제제와 같은 면역항암제의 반응률을 낮추는 원인으로는 암세포의 낮은 면역반응성이 꼽힌다. 암세포 주변의 종양미세환경(tumor microenvironment, TME)에서 면역세포가 배제된 ‘콜드 튜머(cold tumor)’에서는 면역항암제의 반응률이 낮은 반면, 종양미세환경에 면역세포가 침투해 있고 암세포의 면역반응이 활성화된 ‘핫 튜머(hot tumor)’에서는 면역항암제의 치료 효과가 높음이 이미 밝혀져 있다. 이에 글로벌 제약사들은 면역반응성이 낮은 콜드 튜머를 면역반응성이 높은 핫 튜머로 바꿀 수 있는 선천면역항암제 개발에 관심을 가지고 있다.이번 연구에서 공동 연구팀은 선천면역 조절과 관련 있는 STING 경로를 활성화 시키는 경구 투여 ENPP1 저해 저분자 화합물을 발굴했다. 이 물질은 STING 경로 활성화를 통해 인터페론 등 사이토카인의 생성을 촉진하였고, T세포를 매개로 한 선천면역 반응을 유도했다. 이에 따라, 암세포에 대한 면역반응성이 높아져 암세포의 성장을 효과적으로 억제할 수 있음을 연구팀은 동물 모델을 통해 확인했다. 특히, 면역관문억제제(anti-PD-L1)와 병용 투여 시 면역관문억제제를 단독 투여할 때보다 높은 항암 효능을 나타냈다. 또 암세포를 재이식하여 암 재발을 유도하는 실험에서도 추가적인 약물 투여 없이 암세포가 사멸하거나 거의 자라지 않는 우수한 면역항암 지속 효능을 보였다. 이번 연구 결과는 추가적인 연구를 통해 면역관문억제제, 화학요법, 방사선 치료 등 기존 표준치료와 연계된 병용 치료요법 또는 단독 투여요법으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.아주대 최준원 교수는 “3세대 항암제는 기존 항암제와 비교해 부작용은 적고 치료 효과는 높아 항암치료의 패러다임 변화를 가져왔다”며 “하지만 모든 환자에서 치료 효과를 보이지는 않고 30% 이하의 환자들에게서만 효능을 보이고 있어, 면역항암제의 낮은 반응률을 높이기 위한 연구가 지속되고 있다.”라고 설명했다. 최 교수는 “이번 연구가 앞으로 더욱 발전되어, 면역항암제가 적용될 수 있는 암의 종류가 확대될 것으로 기대한다”며 “암세포의 낮은 면역반응성으로 면역항암제 사용이 쉽지 않았던 환자들에게 도움을 줄 수 있는 새로운 치료법의 기초가 되길 바란다”라고 전했다.한편 이번 연구는 한국연구재단, 국가신약개발사업단, 보건산업진흥원, 대학중점연구소 사업의 지원을 받아 수행됐다.<저널 오브 메디시널 케미스트리(Journal of Medicinal Chemistry> 11월호의 부표지 논문(Supplementary Cover)으로 선정된 공동 연구팀의 연구 성과. 연구팀이 개발한 물질이 콜드 튜머를 핫 튜머로 변환시켜 암세포 사멸을 유도하는 모식도다.이번 연구에서 개발한 ENPP1 저해제 화학적 구조 및 작용기전(위)과 동물모델에서 항암 효능 결과(아래)
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아주대 연구진이 사람의 눈에는 보이지 않는 적외선 빛을 전류 신호로 전환할 수 있는 유기 소재를 개발했다. 이 소재를 이용하면 적외선 빛을 고감도로 감지할 수 있어 자율주행차와 우주 및 군사 시설, 바이오 헬스케어 분야에 활용될 수 있을 전망이다. 김종현 교수(아주대 응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과)는 한국화학연구원(KRICT, 원장 이영국) 고서진·윤성철 박사 연구팀과의 공동 연구를 통해 근적외선 광을 효율적으로 흡수할 수 있는 유기 반도체 소재와, 이를 이용한 유기 포토디텍터(Photodetector) 소자를 개발했다고 밝혔다. 해당 내용은 ‘신규 비풀러렌계 비대칭 전자수용소재를 이용한 고광검출력 근적외선 유기 포토디텍터 개발(High Detectivity Near Infrared Organic Photodetectors Using an Asymmetric Non-Fullerene Acceptor for Optimal Nanomorphology and Suppressed Dark Current)’이라는 제목으로 소재 분야 저명 학술지인 <ACS Nano>에 지난 10월 게재됐다. 아주대 이아영 학생(분자과학기술학과 석박사 통합과정), 한국화학연구원의 하종운 박사가 공동 제1저자로 참여했고 아주대 김종현 교수와 한국화학연구원 고서진·윤성철 박사는 공동 교신저자로 함께 했다. 아주대 연구팀이 포토디텍터 소자 설계와 성능 최적화 연구를 수행했고 한국화학연구원에서는 근적외선 흡광 소재 개발 연구를 맡았다. 우리 학교 박성준 교수(전자공학과·지능형반도체공학과)와 허준석 교수(지능형반도체공학과·전자공학과) 연구팀도 소자 분석 연구에 참여했다.적외선은 가시광선과 달리 사람이 직접 눈으로 확인할 수는 없으나 다양한 분야에서 이용되고 있다. 인체를 비롯한 생물체와 엔진, 천체 등이 방출하는 열을 이미지화하여 감지하고 식별할 수 있기 때문이다. 이에 자율 주행차와 우주·군사 시설을 비롯해 바이오 헬스케어 센서, 광통신 등의 분야에서 활용되고 있다. 광 송수신을 통한 장애물 감지 라이다 시스템, 열 신호 감지 나이트 비전·열화상 카메라, 그리고 생체 내 분자 수준의 변화를 영상화하는 바이오이미징 등으로 학계와 산업계에서 사용하고 있는 것. 특히 유기물 반도체는 가볍고 휘어지는 특성을 가지고 있어, 이를 이용한 웨어러블 적외선 센서의 구현이 가능하다. 그러나 적외선 대역의 광신호는 낮은 에너지를 가지고 있어 일상 생활에 존재하는 여러 노이즈 신호와 구분이 힘들고, 소재 개발이 어려워 장파장 근적외선을 민감하게 감지할 수 있는 유기 포토디텍터의 개발은 뒤처져 있다. 포토디텍터는 광신호를 전류신호로 변환시켜주는 기능을 하는 핵심 전자 소자로, 스마트폰을 비롯한 모바일 기기의 디지털 카메라에서 이미지를 구현하는 역할을 하는 소자를 말한다. 우리 눈으로 식별할 수 있는 가시광 신호를 전류로 변환하는 포토디텍터는 무기물 실리콘 반도체 소재를 기반으로 상용화되어 있다. 이에 공동 연구팀은 광흡수 파장 제어가 용이하면서도 근적외선 광을 잘 흡수할 수 있는 유기물 근적외선 흡수 소재를 개발, 해당 소재를 이용한 박막(film)의 나노구조를 제어하는 방식을 통해 고감도 근적외선 포토디텍터를 구현하고자 했다. 즉, 1000nm 이상 파장대의 근적외선을 효율적으로 흡수하면서도 이상적인 박막나노구조를 형성할 수 있는 비풀러렌 계열(전통적으로 사용되어온 풀러렌계열의 전자수용 유기분자의 화학구조를 탈피한 다른 구조를 가지는 소재군)의 유기 반도체 소재들의 개발과 최적의 소자구조 설계, 소자 성능의 최적화 방안을 함께 연구해 온 것이다.공동 연구팀은 이번에 개발한 유기 반도체 소재를 공액고분자와 함께 벌크헤테로졍션(전자를 제공하는 공액고분자와 전자를 수용하는 유기 반도체 소재를 함께 섞어서 pn졍션을 형성하는 방법. pn졍션은 p형반도체와 n형반도체의 접합을 의미) 필름으로 제작하여 포토디텍터에 적용할 때, 1000nm 근적외선 광에 대해 1012 Jones 이상 높은 수준의 광감지가 가능한 고감도 광센서의 구현이 가능함을 확인했다. 이는 기존에 상용화된 실리콘 포토디텍터 보다 4~5배 더 높은 수준이다. 연구팀은 나아가 신규 소재를 기반으로 제작된 고감도 포토디텍터를 이용하여 광 혈류 측정 센서에 응용, 신체 맥파 분석에도 성공했다. 이번에 개발된 포토디텍터를 이용하면 혈관의 건강 상태도 정밀 감지할 수 있다는 설명이다. 아주대 김종현 교수는 “그동안 1000nm 이상 근적외선 빛의 고감도 검출에 여러 어려움이 있었으나, 이번 연구로 해결책을 제시할 수 있게 됐다”며“이번에 개발한 소재·소자 기술이 고감도의 근적외선 카메라와 적외선 통신, 바이오 헬스케어 센서 등 여러 신산업에 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다. 고서진 한국화학연구원 책임연구원은 “이번 연구는 근적외선 광센서 분야를 이끌어 갈 수 있는 세계적 수준의 성과”라며 “동시에 상업화 가능성이 매우 높은 원천 소재 및 소자 기술이라는 점에서 그 의미가 크다”라고 전했다. 한편 연구팀은 앞서 ‘시아노기 치환형 비풀러렌계 유기전자수용 소재 개발 및 이를 이용한 1000nm 이상 근적외선 광의 고검출 감지가 가능한 고성능 유기 포토디텍터 구현(Effect of Cyano Substitution on Non-Fullerene Acceptor for Near-Infrared Organic Photodetectors above 1000nm)’이라는 제목의 논문도 발표했다. 이번 연구 성과와 동일 선상의 연구로, 소재 분야 저명 학술지 <어드밴스트 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)> 2월호의 표지논문으로 선정됐다. <ACS Nano>에 실린 공동 연구팀의 논문 내용을 설명하는 이미지. 비대칭 비풀러렌 전자수용소재를 이용한 고성능 근적외선 광 감지 센서와, 이를 이용한 광 혈류 측정 센서*제일 위 사진 - 연구팀의 연구성과가 소개된 <어드밴스트 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)>2월호 표지
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