신소재공학과 염지현 교수 연구팀이 광대역 광학 활성을 갖는 카이랄 물질을 최초로 개발했다. 지난 9월 14일 <ACS 나노(ACS Nano)>에 온라인 게재된 이번 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 범부처전주기의료기기연구개발사업단, 삼성 반도체연구기금, 연구재단 우수신진사업, KAIST 창의도전사업(C2 프로젝트) 등의 지원을 받아 수행됐다.

광학 활성을 지닌 카이랄 물질

    ‘카이랄리티’은 그리스어로 ‘손’을 뜻하는 단어에서 유래했으며, 왼손과 오른손처럼 거울에 비친 상과 서로 겹쳐지지 않는 물질을 의미한다. 카이랄리티는 소재가 다양한 재미있는 특성을 가지는 데에 큰 역할을 한다. 예를 들어, 물질에 카이랄리티가 부여되면 원형편광의 오른쪽 또는 왼쪽 방향에 따라다르게 흡수하거나 산란하는 광학적 성질을 가지게 된다. 입사광의 파장과 빛을 받은 물체의 크기가 비슷할 때 광학적 특성이 더 증폭되기 때문에, 카이랄 나노소재는 광학적인 부분에서 많은 응용 가능성을 지니고 있다.

바이오시스템 속 카이랄 나노소재

    또한 광학적인 면과 더불어 바이오에서도 카이랄 나노물질은 중요한 역할을 맡는다. 신체 내 효소나 리간드 등의 바이오 시스템들이 나노 수준의 크기를 가진 카이랄 물질이기 때문이다. 각 시스템의 기능을 모사하거나 치료 및 진단에 응용하기 위해서 카이랄 나노 소재는 필수적이다.

    연구팀은 바이오기술과 나노기술을 융합해 아미노산이 가지고 있는 카이랄성을 나노 구조로 전이시키고자 했다. 필수 아미노산 중 하나인 시스테인이 가지고 있는 카이랄성을 나노 입자에 전이시켜 카이랄한 나노입자를 합성한 후, 이들 사이의 정전기적 성질을 조절해 자기조립을 유도했다. 합성된 나노 물질은 사용된 시스테인의 카이랄 방향에 따라 최종적으로는 각자 다른 방향의 나노꽃 형태를 띤다. 개발된 카이랄 소재의 구조와 성능은 원편광이색성 측정장치(Circular Dichroism Spectroscopy)와 전자현미경 이미지를 통해 분석했다.

광범위한 광학적 성질

    기존에 연구된 소재들은 대부분 자외선 및 가시광선 영역에서만 광학적 성질을 가진다는 한계가 있었다. 이번 연구는 근적외선과 단적외선 영역에서도 광학활성을 갖는 나노물질을 합성한 최초의 사례다. 또한 자가조립의 블록으로 사용된 황화구리 나노입자가 기존의 다른 카이랄 나노물질처럼 자외선-가시광선 영역의 광학 활성을 가진 채로 카이랄성이 전이되었기 때문에, 결론적으로 자외선-단적외선까지의 광대역 광학 활성을 지닌 나노물질을 합성했다는 의의가 있다.

    합성된 물질은 광범위한 광학 활성을 가지고 있으므로 바이오, 광학, 통신 등 여러 분야에서 응용할 수 있다. 그 중 파장이 긴 단적외선 빛은 피부를 투과할 수 있어 바이오이미징에 활발히 응용되고 있는데, 연구팀은 피부 아래에 삽입 가능한 카이랄 바이오바코드를 개발하기 위한 연구를 진행 중이다. 이러한 바이오 바코드가 개발되면 피부 내에 삽입하여 신원 확인, 백신 접종 여부 등의 의료정보 저장, 결제 등이 동시에 가능하게 된다.

    염 교수는 해당 연구를 주도적으로 이끌고 진행한 박기현 학생이 학부연구 및 URP 제도를 적극적으로 활용했기 때문에, 석사에 진학하고 6개월만에 의미 있는 연구를 이끌어냈다고 언급했다. 또한 학부생이라고 위축되거나 논문만 읽는 것이 아닌, 적극적으로 사수나 교수에게 어필해 직접 연구해보는 기회를 갖는 것이 좋은 경험이 될 것이라고 추천했다.