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우리 학교 허준석 교수 연구팀이 하나의 센서로 눈에 보이는 가시광 이미지와 눈에 보이지 않는 적외선 이미지를 구분해서 획득할 수 있는 듀얼 광센서를 개발했다. 허준석 교수(전자공학과, 사진)는 숭실대학교 유건욱 교수, 미국 버지니아 공대 이규상 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 게르마늄‧이황화몰리브덴 기반의 새로운 이종접합 구조 광센서를 제안하고, 이를 통해 가시광선과 적외선을 실시간으로 선택적으로 검출하는 데 성공했다고 밝혔다. 논문 제목은 ‘Visible and infrared dual-band imaging via Ge/MoS2 van der Waals heterostructure’으로, 과학 분야 국제학술지인 <사이언스 어드밴시즈(Science Advances), IF: 14.136> 12월15일자 온라인판에 게재됐다. 이번 연구에는 아주대학교 석사과정 황어진 학생과 박영서 박사가 제1저자로 참여했다. 물체의 색깔 같은 가시광 이미지 뿐만 아니라 안개 같은 악천후나 야간에 유용한 적외선 이미지를 필요에 따라 선택적으로 얻는 것은 운전자 보조시스템이나 드론, 로봇 등 각종 비전 시스템의 중요한 이슈 가운데 하나다. 기존에도 시야가 어두워질 때를 대비한 가시광선‧적외선 동시검출 광센서가 연구되어 가시광부터 단파장 적외선까지 검출할 수 있는 다양한 소자들이 발표되었다. 그러나 이러한 소자들은 가시광/단파장 적외선에 구분 없이 모두 반응함으로써 가시광 이미지와 적외선 이미지가 혼재, 별도의 필터로 각 이미지를 구분해야 하는 번거로움이 있었다. 이에 연구팀은 별도 필터없이 전압 조절만으로 가시광 이미지와 적외선 이미지를 구분해 얻을 수 있는 독특한 에너지 밴드 구조의 광센서를 설계했다. 차세대 반도체 소재로 많은 주목을 받는 2차원 이황화 몰리브덴을 게르마늄(p-타입)과 반데르발스 이종 접합, 기존 격자 상수로 제한되는 반도체 물질 조합에서는 얻을 수 없는 독특한 에너지 밴드 구조를 구현한 것. 그 결과 전압 크기에 따라 전자와 정공의 흐름을 조절하고 파장 대역에 따라 암정류 및 광전류 증폭률을 다르게 조정함으로써 동작 전압에 따라 가시광선만 검출하거나 적외선만을 검출하는 광센서를 개발할 수 있었다. 연구팀은 개발된 소자를 이용해 가시광과 단파장 적외선에 대해 구분된 이미지를 확보하는 듀얼 밴드 이미징 실험을 실시했다. 실리콘 기판의 앞 뒤가 다른 패턴 ‘지킬 앤드 하이드’ 패턴을 놓고 앞에서는 가시광선을, 뒤에서는 적외선을 검출하도록 함으로써 각각 다른 두 가지 패턴의 이미지를 얻는 데 성공했다. 하나의 광센서로 가시광과 단파장 적외선을 구분해서 검출할 수 있는 기술은 기존 광센서에서는 찾아볼 수 없는 기능을 가진 신개념 소자로, 운전자 보조 시스템, 드론, 로봇 등 기계 비전 시스템에 다양하게 활용될 것으로 기대된다. 또한 학술적인 측면에서도 2차원 반데르발스 물질과 기존 반도체를 조합한 이종접합 구조를 기반으로 격자 길이에 제한된 이종접합 구조에서 벗어나 새로운 소자를 개발할 수 있는 가능성도 보여주었다. 허준석 교수는 “실제 적용을 위해 대면적 어레이 형태로의 확장과 대면적 2차원 소재에 직접 게르마늄 등의 반도체를 성장해 이종접합 구조를 구현하는 연구가 필요하다”고 설명했다. 한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 차세대지능형반도체 기술개발사업의 지원으로 수행되었다.게르마늄/이황화몰리브덴 이종접합 광센서 모식도기존 반도체 이종 접합이 격자 길이에 제한되었던 점에서 벗어나 반데르발스 이종접합 구조를 통해 차별화된 광센서 구현이 가능했다.개발한 광센서를 이용한 가시광/적외선 듀얼 이미징앞뒤가 다른 ‘지킬앤드하이드’ 패턴을 이용해 가시광과 적외선을 선택적으로 검출할 수 있음을 검증하였다.앞에는 가시광선을 비추고 뒤에는 적외선을 비춘 상태에서 광센서의 동작모드를 제어해 두 가지 이미징 결과를 얻었다.
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- 작성일2022-04-13
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기계공학과 연구자가 강력한 악력을 가지면서 동시에 섬세한 도구 조작도 가능한 인간형 로봇 손을 개발하는 데 성공했다. 로봇 손 구동을 위한 모든 구성요소가 자체 내장된 데다 기존의 로봇 손들로는 불가능했던 여러 작업이 가능해 앞으로 다양한 분야에 활용될 전망이다.김의겸 교수(기계공학과)는 촉각 센서와 구동기를 비롯한 모든 구성요소를 포함한 일체형(All-in-one) 인간형 로봇 손 개발에 성공했다고 밝혔다. 이번에 개발한 로봇 손은 일상 생활에 필요한 대부분의 도구를 조작할 수 있을 뿐 아니라 인간 수준의 자유로운 움직임이 가능하다.이번 연구 성과는 저명 학술지 <네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, Impact Factor 14.919)> 12월15일자에 온라인 게재됐다. 논문 제목은 ‘링크 구동 기반의 모든 구성요소가 통합된 인간형 로봇 손 (Integrated Linkage-Driven Dexterous Anthropomorphic Robotic Hand)’이다. 이번 연구에는 제1저자 및 교신저자로 김의겸 아주대 교수(기계공학과)가, 공동 제1저자로 정다운 고려대 박사과정 학생이 참여했으며, 한국기계연구원(KIMM) 로봇메카트로닉스실과의 협력 연구로 진행되었다.연구팀이 개발한 로봇 손은 강력한 악력을 가지면서 동시에 섬세한 도구 조작이 가능하다. 이번에 개발한 로봇 손이 들 수 있는 무게는 18kg에 달한다. NASA가 개발한 로봇(Robonaut II hand)의 가반하중이 9kg인 것을 고려해 볼 때, 아주대 연구팀이 개발한 로봇 손의 가반하중 18kg은 매우 높은 수준이다. 이에 기존의 로봇 손들로는 불가능했던 ▲맥주 캔 찌그러뜨리기 ▲무거운 아령 들기 등을 수행할 수 있다. 더불어 섬세한 움직임과 높은 자유도를 필요로 하는 다양한 도구의 사용도 가능하다. 연구팀은 이 로봇 손을 활용해 ▲가위로 종이 자르기 ▲핀셋으로 작은 칩 옮기기 등을 시현하는 데 성공했다. 인간형 로봇 손은 로봇 말단 장치 중 가장 작업의 영역이 넓고 활용성 역시 매우 높다. 현재 개발된 로봇 말단 장치들은 특정 환경에 특화되어 개발되었기 때문에 다양한 환경에서의 사용이 매우 제한적이다. 이에 국내·외 많은 연구자들이 인간형 로봇 손에 대해 활발한 연구를 해왔다. 그러나 사람 손 수준의 자연스러운 움직임과 강한 악력, 촉각에 기반한 섬세함까지를 모두 구현해 내기에는 여러 한계가 있었다. 특히 로봇 손은 우수한 성능을 얻기 위해 촉각 센서, 구동기, 제어기 등의 구성 요소를 필요로 하며, 이는 로봇 팔뚝 형태에 추가 모듈로 포함되어야 했다. 추가 모듈은 로봇 손과 상용 로봇 팔과의 결합을 어렵게 하는 요소가 된다.김의겸 교수팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 촉각 센서와 구동기, 제어기 등의 모든 구성 요소를 로봇 손 자체에 내장시켜 완성해 냈다. 모든 구성 요소가 일체화(All-in-one)된 형태로 높은 자유도와 강한 악력, 정밀한 제어가 모두 가능한 고성능 로봇 손을 구현해 낸 것. 이에 기존 로봇 손에 비해 더욱 다양한 환경에서 폭넓은 활용이 가능하다. 이번 연구의 핵심 기술로는 링크 기반의 새로운 메커니즘 기술과 촉각 센서의 결합 기술을 들 수 있다. 연구팀은 링크 기반의 병렬 메커니즘과 직렬 메커니즘을 조합하여 새로운 메커니즘을 개발, 이를 통해 로봇 손 손가락의 독립적인 3자유도 움직임을 구현해 냈다. 3자유도 움직임이란손가락의 가장 안쪽 관절(중수지절간관절)에서의 두 방향 움직임(앞/뒤, 좌/우)과 중간 관절(근위지절간관절)의 한 방향 움직임(앞/뒤)을 의미한다. 김의겸 교수는 “손가락 크기의 좁은 공간에서 인간 손가락과 같은 3자유도의 독립적 움직임을 구현해 내는 것은 쉽지 않은 과제”라며 “링크 기반의 새로운 메커니즘 기술을 개발함으로써 이를 해결할 수 있었고 덕분에 기존 상용 로봇 팔과의 결합이 용이했다”고 설명했다.연구팀은 또한 로봇 손가락 끝에 민감도가 높은 6축 힘토크 센서를 내장, 손가락 끝에서 섬세하게 힘의 크기와 방향, 위치를 모두 측정할 수 있게 했다. 이 촉각 센서를 로봇 손에 내장하기 위해 연구팀은 결합 형태, 배선, 통신, 측정 보드를 고려하였고 컴팩트하게 결합할 수 있었다.김의겸 교수는 “이번에 개발한 고성능 로봇 손은 로봇 그리퍼나 의수를 비롯해 여러 분야에서 쓰일 수 있다”라며 “로봇 제어 연구, 딥러닝이나 강화학습 연구 등에도 적용 가능해 산업계와 우리 사회의 여러 영역에서 널리 활용되기를 기대한다”고 전했다. 이번 연구는 아주대학교 정착연구비 지원과 한국기계연구원 창의도전형 과제 지원으로 수행되었다. 이번에 개발된 로봇 손의 가반하중(물체를 들 수 있는 힘)은 18kg이다. 손가락 끝단에서 낼 수 있는 힘은 34N이고, 높은 자유도(15DOF), 20개의 관절 수, 1.1kg의 가벼운 무게, 최대 길이 218mm의 하드웨어 성능을 지닌다.
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- 작성일2022-02-28
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아주대 약학과 윤태종 교수 연구팀이 나노 유전자 편집 기술을 활용해 췌장암 치료제를 개발하는 데 성공했다. 이에 기존 췌장암 치료제에서 치료 효과를 보지 못한 환자들을 위해 활용될 수 있을 전망이다.윤태종 교수(약학과, 사진)는 나노 입자 전달체에 두 가지 서로 다른 특성을 갖는 유전자 가위 단백질 소재를 탑재하는 방식을 통해 두 가지의 유전적 이상 부위를 동시에 효과적으로 편집함으로써 새로운 췌장암 치료제를 개발하는 데 성공했다고 밝혔다. 관련 내용은 저명 학술지 <바이오머티리얼즈(Biomaterials)> 11월12일자 온라인판에 게재됐다. 논문의 제목은 ‘약물 내성 췌장암 치료를 위한 원샷-이중 유전자 편집(One-shot dual gene editing for drug-resistant pancreatic cancer therapy)’이다. 조영석 가톨릭대 교수(의과대학 소화기내과)도 연구에 참여했다.연구팀이 개발한 치료제는 유전자 변이로 인해 현재 췌장암 치료제로 널리 사용되고 있는 약물(젬시타빈, Gemcitabine)에 저항성을 보이는 환자들을 위한 것이다. 젬시타빈은 뉴클레오시드 화합물로, 췌장암 세포 안에 흡수되어 유전자에 삽입됨으로써 암 세포의 성장을 억제해 췌장암 환자 치료에 널리 사용되어 왔다. 그러나 췌장암 환자의 약 55% 정도는 두 유전자(KRAS, P53)에 동시 변이가 있어 젬시타빈 약물로 치료 효과를 보기 어렵다. 때문에 췌장암은 사망률 1위에 해당하는 치료가 어려운 질병으로 남아 있다.윤태종 교수 연구팀은 유전자 가위 기술을 이용해 새로운 췌장암 치료제를 개발했다. 유전자 가위 기술로 암세포의 유전자 변이 부분을 효과적으로 편집해 냄으로써 치료 효과를 높이는 방법이다. 연구팀은 그동안 유전자 가위 기술의 한계로 남아 있던 유전자 가위 단백질 소재의 혈관 내 분해 문제를 해결해 냄으로써 새로운 췌장암 치료제 개발에 성공했다. 그동안 치료제에 사용되는 유전자 가위 단백질 소재가 혈관 내에서 분해되면서 암 세포에 전달되기 어렵다는 점이 유전자 가위 단백질 소재 치료제 연구에 한계로 작용해 왔기 때문. 연구팀은 이같은 한계를 극복하기 위해 단백질 형태의 유전자 가위 물질을 나노 캐리어(LNP, 인지질 화합물로 이뤄진 150나노미터 크기의 구형체 입자로 내부에 다양한 물질을 탑재할 수 있고 생체 적합성이 우수)에 탑재하는 경우 매우 안정적으로 혈관 내에 존재하게 되고, 결국 암 세포에 표적 전달이 가능하다는 점을 활용했다. 이 방법을 이용하면 하나의 나노 캐리어 나노 입자에 두 가지의 유전자 변이(KRAS, P53)를 동시에 편집할 수 있으며, 치료 효과를 극대화할 수 있다.연구팀은 나노 캐리어 표면에 췌장암 표적을 위한 항체를 도입, 표적 항암제와 유사하게 췌장암 세포에만 유전자 가위 소재를 전달했다. 그리고 이 경우 부작용이 최소화되고 치료 효과를 극대화할 수 있음을 확인했다. 생체 내 실험(in vivo)에서 암 조직으로의 유전자 가위 소재 전달 효율은 60%에 달했으며, 동물 모델에서의 치료 효과도 대조군 대비 높았다. 나노 캐리어(LNP) 기술은 최근 코로나19 백신 개발에 활용되면서 빠르게 검증된 바 있다. 이에 윤태종 교수 연구팀은 이를 유전자 가위 기술에 접목함으로써 새로운 췌장암 치료제를 개발할 수 있었다. 나노 캐리어(LNP) 기술은 그동안 많은 연구가 진행되어 왔지만, 그 안정성에 대한 연구가 정체되면서 관련 연구 개발이 한계에 부딪혀 왔다. 그러나 최근 코로나 펜데믹으로 화이자와 모더나가 개발한 mRNA 탑재 나노 캐리어(LNP)의 나노 독성이 응급 임상 시험 가이드에 의해 빠르게 검증되면서 새로운 국면을 맞이했다.윤태종 교수는 “코로나19 백신이 빠르게 개발될 수 있었던 결정적 계기는 혈관 내에서 mRNA가 분해되지 않고 안정적으로 유지될 수 있게 하는 나노 캐리어(LNP) 기술의 접목”이라며 “단백질 형태의 유전자 가위 물질 역시 혈액 내에서 분해되기 쉬운 물질로 생체 내 전달 효율이 낮아 암치료제 개발에 어려움이 있었다”고 설명했다.그러나 새로이 개발된 나노 캐리어(LNP) 기술을 접목함으로써 유전자 변이에 따른 항암제 내성을 갖는 질병을 치료할 수 있는 방법을 찾게 되었다는 설명이다. 유전자 가위 기술을 이용한 치료제 개발에서 가위 역할을 하는 단백질 구조체는 혈액 내 안정성이 떨어진다. 이에 그동안 시험관 환경(in vitro) 또는 직접 주사 방식을 적용하는 질환에만 활용이 가능했다. 윤태종 교수는 “이제 유전자 가위 기술에 나노 캐리어(LNP) 기술을 접목함으로써 혈관 주사를 활용하는 방안이 가능해졌다”며 “보다 다양한 질병의 치료에 이를 적용할 수 있게 되어, 나노-유전자 편집 기술의 활용 범위가 확장될 수 있을 것으로 기대한다”고 덧붙였다. 윤태종 약학과 교수는 지난 20여년 간 다양한 바이오 물질을 효과적으로 세포나 조직에 전달할 수 있는 나노 바이오 분야를 연구해왔다. 최근에는 유전자 가위 기술의 한계로 지적되어 온 ▲낮은 체내 안정성과 세포 침투율 ▲국부 치료가 불가능하다는 문제점 등을 극복하고자 나노 기술을 접목하는 연구에 집중해 왔다. 윤 교수는 아주대학교 산학협력단 산하 엔포유기술지주회사의 자회사인 ㈜무진메디의 대표를 맡고 있다. 연구팀은 이 회사를 통해서 임상 시험을 진행할 계획이다.연구팀은 항암제 내성을 갖는 췌장암 동물모델에 LNP-유전자 가위 치료제를 혈관 주사한 이후, 젬시타빈 항암제를 병용 투여하여 치료 효과를 확인했다.
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- 작성일2022-01-07
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