공동 연구팀 사진. 우측 위부터 반시계 방향으로 서울대 남기태 교수, 포항공대 노준석 교수, 서울대 박사과정 안효용(제1저자), 서울대 이혜은 박사(제1저자).

한국 공동연구팀이 펩타이드를 이용해 생체분자만의 고유 기하구조로 여겨졌던 거울상 대칭구조를 금 나노 입자에서 세계 최초로 구현했다.

연구진은 펩타이드와 금 특정 표면의 상호작용에 대한 이해를 바탕으로 독특한 거울상 대칭 구조가 구현된 100nm 크기의 균일한 금 나노 입자를 합성하고 그 원리를 규명해 이 분야에 새로운 패러다임을 제시했다.

19일 세계 최고 권위의 학술지 '네이처'는 서울대학교 재료공학부 남기태 교수, 포항공과대학교 노준석·김욱성 교수, LG디스플레이 연구소 장기석 책임으로 구성된 공동연구팀의 이번 연구 결과를 게재하고 표지논문으로 선정했다.

국제학술지 네이쳐(Nature, IF 40.137) 표지 이미지 (거울 대칭상의 금 나노 기하구조).ⓒ네이처

또한 영향력이 큰 연구결과를 선정해 관련 분야 세계적인 과학자가 자세하게 논문의 의미와 가치 등을 설명하는 'News & Views' 섹션에도 소개됐다.

◆무기 재료 '카이랄 구조' 구현…재료 합성 패러다임 개척

오른손과 왼손의 입체 구조는 동일해 보이지만 왼손용 야구 글러브를 오른손에 착용할 수는 없다. 이처럼 서로 거울 대칭상이지만 겹쳐지지 않는 특성을 '거울상 이성질' 또는 '카이랄성'이라고 한다. 단백질의 기본 구조인 아미노산을 포함해 생명 현상에 관여하는 모든 분자는 카이랄 구조이다.

카이랄 구조 재료는 독특한 기하 구조에서 비롯되는 구조 선택성 및 광 제어 특성을 지니고 있다. 때문에 촉매 재료·광학 재료·센싱 플랫폼 개발을 포함 광범위한 분야에서 차세대 핵심 재료로 주목받고 있다. 그러나 무기 재료에서의 카이랄 구조 제작 및 제어는 공정의 복잡성과 재료 안정성 등의 측면에서 문제점이 많아 난제로 여겨져왔다.

연구팀은 문제 해결을 위한 돌파구로 거울상 구조를 포함하는 생체 분자 펩타이드를 무기 결정 합성에 이용해 독특한 기하 구조의 금 나노입자를 구현해냈다.

연구팀이 개발한 입자는 한 변이 약 100nm 인 정육면체의 각 면에 시계 또는 반시계 방향으로 뒤틀린 구조체가 존재하는 새로운 기하구조 형태의 나노 입자이다. 연구팀은 회전하는 빛에 대한 반응성 측정을 통해 이 나노입자가 거대한 카이랄성을 지닌구조(생체 분자 단백질의 약 100배)임을 입증했다.

또한 이 나노입자의 거대 카이랄성이 가시광 영역대에 존재한다는 사실에 주목하고 카이랄 구조 고유의 편광 제어 특성을 이용하는 광학 실험을 통해 다양한 색채를 구현하는 데에도 성공했다.

연구팀은 이번 연구를 통해 펩타이드 서열과 그에 따른 구조 및 카이랄성이 그대로 무기 재료 표면에 반영될 수 있음을 최초로 발견함으로써 생체 분자를 이용한 재료 합성의 새로운 패러다임을 열었다.

◆LGD-SNU 산학협력 사례…"차세대 디스플레이 밑거름"

연구진이 최초로 개발한 거울 대칭상의 금 나노 기하구조 펩타이드를 이용하여 세계 최초로 구현된 거울상 기하 구조를 가진 금 나노 입자의 모형(왼쪽) 및 전자현미경 사진.ⓒ연구팀 제공

연구팀이 개발한 합성법은 다양한 재료로의 확장 및 일반화가 용이해 나노 재료 합성 분야의 원천 기술을 확보했다는 점에서도 큰 의미가 있다. 현재 국내 및 해외 특허 출원이 완료된 상태이다.

연구를 이끈 서울대 남기태 교수는 "생체 모방 원리를 이용해 자연계에 존재하나 인공적으로 구현할 수 없었던 구조를 가지는 카이랄 무기 나노결정을 세계 최초로 합성한 것"이라고 연구의 의의를 설명했다.

남 교수는 "합성된 입자는 디스플레이를 위한 새로운 개념의 가시광 편광소재로 바로 적용이 가능해 산업적으로 의미가 있다"며 "학문적으로는 무기 재료 및 카이랄 생체 분자의 상호작용 현상에 대한 근원적 이해를 획기적으로 진보 시킨 바 향후 거울상 선택성 촉매 개발의 단초를 제공할 것으로 기대된다"고 말했다.

공동 교신 저자인 포항공대 노준석 교수는 이 카이랄 기하 구조의 광특성을 분석했으며 그 의미를 "거울상 기하 구조체는 광회전 선택성을 가지고 있어 이후 편광제어 광소자, 구조 색, 음의 굴절률 소재, 투명망토 및 바이오센싱 등의 분야에서 핵심 기술이 될 가능성을 가지고 있다"고 말했다.

LG디스플레이 장기석 책임(박사)은 "이번 연구에서 개발된 나노입자는 차세대 디스플레이 재로로서 유연성을 가지는 초박막 형태의 디스플레이 장치 제작에 응용될 것으로 기대한다"고 밝혔다.

특히 이번 연구는 산학협력의 중요 결과로 의미를 지닌다. 연구를 지원한 LG디스플레이는 지난 2015년부터 미래기술 발굴을 위한 산학 협력 프로그램인 'LG디스플레이-SNU인큐베이션 프로그램'을 운영해오고 있다.

LG디스플레이 강인병 CTO는 "이번 사례는 학계와 산업체 간의 긴밀한 공동연구를 통해 창의적 기초 연구를 비롯, 원천기술까지 확보한 산학협력의 성공적 사례"라며 "이 결과가 차세대 디스플레이 연구의 중요한 밑거름이 될 수 있도록 공동의 노력을 다해 나갈 것"이라고 말했다.

이번 연구는 공동 제1저자인 이혜은 박사와 안효용(서울대)을 비롯해 문정호(포항공대), 김민경(포항공대), 이윤영(서울대), 조남헌(서울대) 공저자들이 모두 국내 박사과정 중에 수행한 연구로 우리나라 이공계 학생의 우수성을 전 세계에 입증한 연구라 할 수 있다.

또한 이번 연구는 과학기술정보통신부 미래소재 디스커버리사업 'd-오비탈 제어 소재 연구단', 글로벌프론티어사업의 멀티스케일에너지시스템연구단, 파동에너지극한제어연구단, 선도연구사업 광기계기술연구센터 등의 지원을 받아 수행됐다.

생체 분자의 기하 구조 모사를 통해 세계최초로 합성된 거울 대칭 금 나노 입자는 에너지 환경 촉매, 광 기반 커뮤니케이션, 홀로그램 등으로 이용될 수 있어 다양한 사업에 파급력을 미칠 것으로 보인다.

펩타이드와 무기 재료 표면 간의 상호작용에 대한 이해를 높인 이번 연구는 화학, 재료, 나노과학 등 여러 분야에서 학문적 깊이를 더해주고 더 나아가 생명 현상의 거울상 선택성을 이해하는 중요한 실마리를 제공할 것으로 보인다.

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