분자 고등 검지 연구실(2025년 5월호)

우리 실험실은요?

저희 분자 고등 검지 연구실(Laboratory for Advanced Mo- lecular Probing, LAMP : 실험실 홈페이지 참조*)은

① UNIST(Ulsan National Institute of Science and Technology: 울산과학기술원) 자연과학대학 화학과와

② IBS(Institute for Basic Science:기초과학연구원) UNIST 캠퍼스 연구단 3개 연구단 중 하나인 CMCM(Center for Multidimensional Carbon Materials: 다차원 탄소 재료 연구단)에 동시 소속된 연구실입니다.

“분자 고등 검지 연구실”이라는 연구실의 이름처럼, 저희 실험실에서는

① 기존 벌크스케일이나 마이크로 스케일에서의 분자 검출 방법들을 넘어서서, 더욱 작고 미세한 나노 스케일(Nanoscale) 또는 단일 분자 수준(Single Molecule Level)에서

② 새롭고 탁월한(Advanced) 분자화학적(Molecular) 방법으로 검출 및 인지(Probing)하는 연구를 진행하고 있습니다. 이렇게 개발된 새로운 분자 고등 검지법들은 첨단 나노소재에 대한 분자나노분광학(Molecular Nanospectroscopy)과 분광 나노이미징(Spectroscopic Nanoimaging) 데이터 획득을 가능하게 하고, 이렇게 획득된 데이터들은 새로운 광센서 원리 발견과 메커니즘 탐구, 기계학습(Machine Learning)용 학습 데이터 등으로 사용됩니다.

우리 실험실에서는 그동안 자체적으로 개발하여 온 분자나노경(Molecular Integration NanoscopE: MINE)을 사용하여 첨단 나노소재를 새롭게 채굴하여 발견하고, 이를 직접 합성 및 제조하는 단계까지 진행하고 있습니다.

* https://sites.google.com/view/unistlamp 

저희 연구실의 지금 단계에서 가장 특출난 점 중의 하나는, 실험실이 현재 새로이 세팅 중이며 이 모든 세팅을 지도교수님과 여러 분의 박사님들의 지도 하에 학생들이 주축이 되어 직접 진행하고 있다는 점입니다. ‘화학’이라는 학문에서 한 명 의 전문 연구자가 탄생하려면 적어도 실험의 처음과 끝까지의 전 과정을 정확하게 모두 알아야 한다는 것이 지도교수님 께서 항상 강조하시는 말씀입니다. 실제로 아무것도 없는 빈 연구실부터 시작하여 학생들이 직접 날카로운 금 탐침 제조하는 시스템, 상향변환 나노입자(UpConverting NanoParticle, UCNPs) 및 광사태 나노입자(Avalanching NanoParticles, ANPs) 합성 장치 세팅, 자체 제작 중인 홈메이드 원자 간력 현미경(AFM) 등의 세팅을 이미 했거나 현재 진행 중에 있습니다. 이렇게 각 실험 장치들의 세팅을 직접 진행해보고, 첨단 물질의 합성부터 분석-평가까지 한 군데의 실험실 내에서 모두 진행[그림 2 참조]할 수 있도록 하는 모든 과정에 학생연구자가 직접 참여함으로써, 저희 스스로도 연구와 실험에 대해 한 층 이해가 깊어지는 것을 체감할 수 있었습니다.

또한 이러한 연구 트레이닝을 통해 기존의 실험에서 다른 실험으로의 적용, 응용 및 확장할 때, 바로 머릿속으로 그려지는 방향성이 저희 안에 저절로 생기는 것을 알 수 있었습니다. 물론 기초적인 것부터 세팅하고 있다고 해서 아무 실험도 못하는 것은 아닙니다. 저희 IBS CMCM 연구단 내에 이미 자체적으로 보유하고 있는 FE-SEM(주사 전자 현미경), 소형 시료용 DI Multimode 및 대형시료용 Bruker Dimension ICON AFM(원자 간력 현미경), Ultrafast AFM(초고속 원자 간력 현미경), WiTec 공초점 라만 현미경, JY-Horiba 다중파장 마이크로 라만 등 공용기기를 언제든지 사용할 수 있습니다. 이를 이용하여 Graphene, TMDC, Perovskite 등 각종 2차원 물질들과 저희가 직접 제조한 나노 입자 시료들의 특성에 대한 연구들을 진행하고 있습니다.

광자 제어의 초석? UCNPs

현재 저희 연구실에서 합성 세팅부터 진행하고 있는 상향변환 나노입자(UCNPs)는 기존의 다른 하향변환(DownCon- verting)식 형광물질들과는 달리, 두 개 이상 광자들의 순차적인 흡수로 인하여 근적외선 영역의 빛을 흡수한 뒤, 여기 (Excitation) 파장보다 더 단파장, 즉, 더욱 높은 에너지의 자외선 또는 가시광선 영역에서 상향변환된 형광을 방출하는 나노입자입니다.

이 상향변환 나노입자는 기존의 유기염료, 양자점(Quan- tum Dot) 등과 비교하여 높은 안정성과 생체적합성을 보이지 만, 광 변환효율이 낮다는 단점을 가지고 있었습니다. 기존 상향변환 나노입자의 광변환효율이 1% 이하로 매우 낮기 때문에 상용화 시키기에는 어려움을 겪고 있었으나, 이러한 단점은 2021년도 1월 네이처 저널 논문의 표지를 장식한 서영덕 교수님 논문의 주요 현상이며(주간조선 기사 참조**) 기존 상향변환 현상 중 특별한 경우에 해당되는 광 사태 현상(Photon Avalanche)으로 보완이 가능합니다.

** http://weekly.chosun.com/news/articleView.html?idxno=16835

광사태 현상은 툴륨(Tm) 등의 희토류 원소가 특정한 란탄족 산화물의 원자 격자 구조 내에 도핑된 형태로 합성되면, 작은 에너지의 빛을 약한 세기로 쪼여도 빛이 광사태 나노입자 내부 에서 연쇄적으로 광 증폭 반응을 일으켜서 더 큰 에너지의 빛을 강한 세기로 방출하는 현상입니다. 이 광사태 나노입자(ANPs) 를 통해 기존 1% 미만이었던 상향변환 나노입자의 광 변환 효 율을 40%까지 끌어 올릴 수 있습니다.

따라서 저희 연구실은 상향변환 나노입자와광사태 나노입 자를 통한 초고감도 근적외선 광센서 응용기술, 마이크로 레이 저 기술 등과 같은 다양한 활용을 목표로 연구하고 있습니다. 특히 최근 2023년 봄, 또 한 편의 네이처 논문에서는 특정 파장 의 빛을 통해 발광현상을 인위적으로 껐다 켰다 할 수 있다는 현상을 처음 발견하였고, 이는 앞으로 광자기반 양자메모리의 원천 기술이 될 수 있습니다. (조선비즈 기사 참조***)

*** https://biz.chosun.com/science-chosun/science/2023/06/01/G3LCYZT5OFBRHJUQ7TB6DXATX4/ 

단일 분자의 세계로, TERS

라만 산란은 빛이 물질과 상호작용하여 산란된 빛이 에너지를 잃거나 얻는 현상입니다. 이때 빛이 잃거나 얻는 에너지만큼 분자는 진동하게 됩니다. 이런 특성을 이용한 탐침증강 라만 산란(Tip-Enhanced Raman Scattering, TERS)는 날카로운 금속 팁 끝에 생성되는 매우 작은 영역의 핫스팟에서 라만 신호가 증강되어 나오는 현상입니다.

이때 탐침 끝의 매우 작은 영역에서만 라만 산란 신호를 증강 시키므로, 그대로 표면을 스캔하면 공간 분해능을 크게 개선시킨 단일 분자 검지 및 매핑(mapping)/이미징이 가능하게 됩니다. 우리 실험실에서는 이를 통해 생체 분자 측정, 촉매 작용 분석, 플라스몬 구동 반응 등 다양한 분야에서 새로운 연구들이 진행되고 있습니다.

기존의 표면증강 라만 산란(Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS)이 시료 내의 분자진동 및 화학 정보를 검출 하는 데에 큰 강점을 보이지만 분자가 무작위로 흡착되어 신호가 모든 진동에 대해 평균화 되고, 오염 및 광표백 등 여러 문제들로 인하여 특정 결합의 라만 신호들을 서로 구별하기 어렵다는 한계를 가졌었는데, 이를 TERS를 통하여 극복할 수 있습니다.

학생들 건강은? 교수님이 책임진다!

서영덕 교수님은 20대 초반 학생때부터 시작하여 수십년에 걸친 지속적인 연구에 가장 필요한 것이 바로 건강이라고 항상 언급하시면서, 그러한 교수님의 교육 철학에 따라 저희 연구실에서는 몸상태에 따른 휴가나 일탈, 운동을 매우 중요시합니다. 또한, 교수님은 저희가 연구에 집중하기 위해서 학교 생활에 필요한 물품들을 모두 지원해 주시려고 신경을 많이 쓰시는 편입니다. 새로 들어온 인원에게는 냉장고와 보온물품들을 전달해주시고, 연구실에는 각종 차들과 커피, 과일, 그리고 개인 텀블러, 자전거, 헬멧 등 학교 생활에 자주 사용하게 될 것들이 항상 구비가 되어 있습니다. 맛집을 좋아하시는 교수님과 주기적으로 학교 근처 맛집을 방문하여 함께 식사를 하기도 합니다. 이 시간을 통해 연구와 학업 외적으로 연구자로서의 마음가짐, 그리고 바른 태도들도 항상 배우는 것 같습니다. 이처럼 교수님은 저희 모두가 학교에 잘 적응하고 편안한 마음가짐으로 연구에 참여할 수 있게 항상 노력하십니다.

소통과 공유를 통한 성장

저희는 매주 1번씩 논문을 공부하고 연구실 구성원들과 공유하는 저널클럽을 진행하고 있습니다. 가장 큰 특징은 전부 영어로 진행된다는 점입니다. 아무래도 처음엔 부담감이 느껴질 수 있지만 결국 영어 발표를 반복적으로 해야만 이러한 부담감도 덜어낼 수가 있고, 해외 연구실들과의 공동연구에 유용하다는 것을 저희들 역시 알 수 있었습니다. 저널클럽에서는 발표하는 내용의 전부를 먼저 알고 이를 전달해야 하는데, 이를 위해 열심히 공부하고 영어 표현을 숙달시키며 구성원들의 날카로운 피드백을 받아가는 이 과정을 거쳐야만 저널클럽에서 발표한 연구 논문의 내용들이 비로소 제 자신의 지식으로 스며들어서, 오랜 시간이 지나도 스스로에게 남아있음을 느낄 수 있었습니 다. 저희 연구실에서는 정기적으로 다른 연구실과 공동 연구를 진행하거나 노하우를 공유하는 출장을 가는 일이 많습니다. 그 때마다 다양한 환경, 사람들을 접하면서 새로운 식견을 가질 수 있는 귀중한 경험을 가질 수 있습니다. 또한 여러 학회들에 다니면서 더 다양한 연구주제들을 접하고 아이디어를 얻을 수 있는 기회를 얻을 수 있습니다. 이러한 경험을 통하여 저희는 한 분야, 한 장소에 국한되어 있지 않고 넓은 연구 시각을 가질 수 있도록 다양한 기회들을 제공받고 있습니다.

마치며 ‘즐겁게’ 저희 연구실 구성원들이 항상 공유하는 키워드입니다. 연구하는 과정이 결코 쉬운 일들만 있는 게 아니지만 어떤 어려운 일이어도 즐겁게 헤쳐 나가자는 정신을 저희 모두가 지니고 있습니다. 당장의 힘든 일도 연구실 동료들과 항상 소통하면서 같이 머리를 맞대어 결국 해결할 수 있었습니다. 이러한 환경을 조성할 수 있게 도와 주신 저희들의 동료 학생들, 박사님들, 그리고 서영덕 교수님께 감사의 말씀을 전하는 것으로 이 글을 마치며, 저희 연구실에 관심을 가지고 이 글을 읽어 주신 모든 분들께 감사드립니다.