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빛에 반응하는 '분자 스위치'의 반세기 수수께끼 풀었다
빛으로 약효를 조절하는 약물이나 빛에 따라 모양이 변하는 스마트 소재는 더 이상 공상과학 영화 속 이야기가 아니다. 빛에 반응하는 대표적인 분자 스위치가 ‘아조벤젠’이다. 하지만 이 분자가 찰나에 어떻게 움직이는지는 50년 가까이 수수께끼였다. 한국 연구진은 분자 중심부가 자전거 페달처럼 맞물려 움직이며 모양을 바꾼다는 것을 밝혀냈다. 이번 발견은 빛으로 움직이는 소재와 초소형 분자 기계를 설계하는 데 새로운 단서가 될 전망이다.
우리 대학은 화학과 이효철 교수 연구팀이 기초과학연구원(IBS·원장 장석복) 첨단 반응동역학 연구단과 함께 빛에 반응하는 분자 ‘아조벤젠’의 구조 변화 과정을 규명했다고 1일 밝혔다.
아조벤젠에는 두 개의 벤젠 고리가 가운데 질소 원자 두 개로 이루어진 연결부에 붙어 있다. 빛을 받으면 두 고리가 연결부의 서로 반대쪽에 놓인 형태에서 같은 쪽에 놓인 형태로 바뀔 수 있다. 원자는 그대로인데 놓인 자리만 달라지는 것이다. 이 성질을 이용해 약물의 활성을 빛으로 조절하거나, 빛에 반응하는 소재와 분자 기계를 만드는 연구가 진행돼 왔다.
그러나 분자의 바뀌기 전과 후 모습을 아는 것만으로는 그 사이에 어떻게 움직였는지 알 수 없었다. 두 고리가 크게 돌아가는지, 가운데 연결부가 펴지는지, 여러 부분이 함께 비틀리는지를 두고 의견이 엇갈렸다. 움직이는 도중의 구조가 너무 빨리 사라져 확인하기 어려웠기 때문이다.
연구팀은 포항가속기연구소의 엑스선 자유전자레이저를 이용해 이 순간을 추적했다. 메탄올 용액에 녹인 아조벤젠에 레이저를 쏘아 반응을 일으킨 뒤, 초고속 엑스선으로 시간에 따라 달라지는 구조를 측정했다.
관건은 주변 용액의 강한 신호에서 아조벤젠의 미세한 신호를 찾아내는 일이었다. 연구팀은 시끄러운 곳에서 작은 목소리를 가려내듯 분자의 신호를 분리했다. 이어 순간마다 얻은 측정 결과를 바탕으로 움직임을 영상으로 재구성했다.
그 결과, 아조벤젠은 양쪽의 큰 벤젠 고리를 한꺼번에 크게 돌리지 않았다. 먼저 탄소와 질소가 이어진 부분이 비틀어지고, 이어 가운데 질소 연결부의 양쪽이 자전거 페달처럼 서로 맞물려 움직이며 전체 모양을 바꿨다.
이 발견은 주변 액체가 끈적해져도 반응 속도가 크게 달라지지 않는 이유를 설명하는 데 도움이 된다. 양쪽의 큰 고리를 돌려야 한다면 좁은 공간에서 큰 가구의 방향을 바꾸듯 주변 액체를 많이 밀어내야 한다. 중심부가 주로 움직이면 그럴 필요가 줄어든다.
이효철 교수는 “이번 연구는 아조벤젠이 빛을 받은 뒤 어떤 경로로 모양을 바꾸는지 밝힌 성과”라며 “빠르게 반응하는 유기분자의 움직임을 관찰하는 방법을 발전시켜, 다양한 광반응 분자의 작동 원리를 이해하는 데 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구는 아조벤젠을 이용한 약물이나 소재의 성능을 직접 높인 것은 아니다. 분자가 실제로 움직이는 경로를 밝혀, 빛에 반응하는 소재와 분자 기계를 설계할 때 참고할 수 있는 기초 자료를 제공했다는 데 의미가 있다.
이번 연구는 김중민(현 IBS, KAIST 졸업), 기호성(현 IBS, KAIST 졸업) 연구원이 공동 제1저자로 수행하였으며, 세계적인 국제 학술지 '네이처(Nature)'에 9월 30일(영국 현지시간) 온라인 게재됐다.
※ 논문명: X-ray liquidography decodes complex motions in azobenzene isomerization, DOI: 10.1038/s41586-026-11068-4
※ 저자 정보 : 김중민(공동 제1저자), 기호성(공동 제1저자), 이성곤(공동 제3저자, 現 스위스 취리히연방공대 박사후연구원), 알레코스 세갈리나(Alekos Segalina, 공동 제3저자), 이윤범(제5저자, 現 경북대학교 화학과 조교수) 및 이효철(교신저자). 모든 저자는 연구 수행 당시 KAIST 화학과 및 기초과학연구원(IBS) 첨단 반응동역학 연구단 소속
※ 연구 동영상 : https://drive.google.com/file/d/1NAG9doMmqNh26PIpD8aibaQPkiCNC0kl/view?usp=sharing
https://drive.google.com/file/d/1Kcm0biYqhIBYJ7SNjw38oV3kcsVcxV-B/view?usp=sharing
한편, 이번 연구는 기초과학연구원의 과기부의 IBS 기초과학연구단 지원사업의 지원을 받아 수행되었다.
2026.10.01
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파리지옥처럼 물체 감지하고 빛 비추면 잡는 ‘로봇 손’ 소재 나왔다
파리지옥은 먹잇감의 자극을 느끼면 잎을 닫아 붙잡는다. 우리 대학 연구진은 여기에서 착안해, 물체의 접근을 느끼는 피부와 물체를 붙잡는 근육을 하나의 부드러운 소재에 담았다. 전기를 띤 물체가 다가오면 소재 안의 입자들이 움직여 전기 신호를 내고, 자외선을 비추면 굽어 물체를 붙잡는다. 빛을 끈 뒤에도 잡은 형태를 10분 이상 유지해, 부품과 배선을 줄인 소프트 로봇 손의 가능성을 보여줬다.
우리 대학은 생명화학공학과 문홍철 교수 연구팀이 주변 물체를 감지하고 빛에 반응해 움직이는 이온성 소프트 로봇 ‘이오노그래스퍼(Ionograsper)’를 개발했다고 30일 밝혔다. 이온성 소재란 내부에 전하(양(+) 또는 음(−)의 전기적 성질)를 띤 작은 입자인 ‘이온’이 있어, 주변의 전기적 변화에 반응할 수 있는 소재를 말한다.
사람은 눈이나 피부로 물체를 알아차리고 근육을 움직여 잡는다. 로봇에도 주변을 감지하는 센서와 움직임을 만드는 구동부가 필요하다. 하지만 부드럽게 휘어지는 소프트 로봇에 이 장치들을 따로 붙이면 부품과 배선이 늘어나 구조가 복잡해진다.
연구팀은 로봇의 피부와 근육 역할을 하나의 부드러운 고분자 소재에 담았다. 고분자는 작은 분자들이 길게 이어진 물질로, 플라스틱이나 고무도 고분자의 한 종류다. 연구팀은 빛을 받으면 모양이 바뀌는 ‘아조벤젠’과 공기 중 수분을 흡수하는 고분자를 결합해, 내부에서 이온이 움직일 수 있는 그물망 구조를 만들었다.
전하를 띤 물체가 가까워지면, 그 물체가 주변에 미치는 전기적 영향으로 소재 안의 양이온과 음이온이 재배열된다. 풍선에 머리카락을 문지른 뒤 가까이 가져가면 머리카락이 반응하듯, 물체가 직접 닿지 않아도 주변의 전기적 영향으로 소재 내부에 변화가 생기는 것이다. 연구팀은 이때 나타나는 전기 신호를 이용해 별도의 감지용 전압 없이 물체의 접근과 움직임을 알아냈다.
소재를 움직일 때는 자외선을 비춘다. 빛을 받은 아조벤젠의 모양이 바뀌고 소재의 한쪽 면에서 수분이 빠져나가면서, 한쪽이 먼저 마른 얇은 종이처럼 소재가 굽는다. 연구팀은 이 움직임으로 물체를 붙잡는 모습을 시연했다.
빛을 끄면 소재 표면에 생긴 나노 크기의 작은 구멍을 통해 수분이 다시 들어온다. 이 과정에서 소재는 반대 방향으로 굽으며, 고분자 구조가 천천히 풀릴 때까지 변형된 형태를 10분 이상 유지했다. 붙잡은 자세를 유지하기 위해 계속 빛을 비출 필요가 없다는 뜻이다.
이번 연구의 특징은 물체를 알아채는 기능, 움직이는 기능, 바뀐 형태를 일정 시간 유지하는 기능을 하나의 소재에 구현했다는 점이다. 연구팀은 빛에 따른 분자와 수분의 변화가 어떻게 양방향 굽힘과 형태 유지로 이어지는지도 분석했다.
이 같은 소재 설계 방식은 향후 소프트 로봇의 센서와 구동부를 각각 장착할 때 필요한 부품과 배선을 줄이는 데 활용될 수 있다. 다만 현재는 전기를 띤 물체를 감지하고 자외선으로 움직임을 일으키는 연구 단계다. 연구팀은 감지 거리와 움직이는 속도, 반복 사용 시 내구성, 물체를 지탱하는 힘을 높이고, 가시광선이나 근적외선으로도 움직일 수 있도록 연구를 이어갈 계획이다.
문홍철 교수는 “로봇의 피부와 근육을 따로 붙이지 않고, 하나의 소재가 물체를 감지하고 빛을 받으면 움직이도록 만들었다. 빛을 끈 뒤에도 변형된 형태를 유지한다는 점이 특징”이라며 “앞으로 AI 제어 기술을 결합해 피지컬 AI 로봇에 활용할 수 있는 감각·구동 소재로 발전시키겠다”고 말했다.
전북대학교 화학공학부 김용민 교수가 제1저자, KAIST 생명화학공학과 문홍철 교수가 교신저자로 참여했다. 이번 연구는 국제학술지 ‘Advanced Materials’에 2026년 9월 14일 온라인 게재됐다. 또한 해당 논문은 59호지(Issue 59)의 표지논문(Front Cover)으로도 선정되었다.
※ 논문명: A Multifunctional Ionograsper Enabling Ion-Redistribution Proximity Sensing and Structural-Reconfiguration-Driven Bidirectional Actuation, DOI: 10.1002/adma.74981
※ 저자정보: 김용민 교수(전북대학교 화학공학부, 제1저자), 권진한·양현우·이경록 박사과정 및 김성룡 박사(KAIST 생명화학공학과, 공동저자), 문홍철 교수(KAIST 생명화학공학과, 교신저자)
※ 관련 영상 링크: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.74981
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구사업 및 소재글로벌영커넥트사업 지원을 받아 수행됐다.
2026.09.30
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빛으로 진짜·가짜 가린다...복제 어려운 ‘인공 지문’ 개발
빛만 비추면 진짜와 가짜가 드러난다. 우리 대학 연구진이 나노 입자가 무작위로 모이며 만들어지는 고유한 ‘인공 지문’을 보안에 활용하는 기술을 개발했다. 복제는 어렵지만 스마트폰 손전등과 레이저 포인터만으로 간편하게 진위를 확인할 수 있어 위조품 방지와 전자기기 인증 등에 활용될 것으로 기대된다.
우리 대학은 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀이 성균관대학교(총장 유지범) 권석준 교수 연구팀과 공동으로, 무작위로 만들어지는 ‘콜로이드 나노 패턴(눈에 보이지 않을 만큼 작은 입자들이 모여 만든 고유한 미세 무늬)’을 이용해 간단한 빛만으로 진위를 확인할 수 있는 새로운 보안 원천기술을 개발했다고 26일 밝혔다.
최근 인공지능(AI)의 발전으로 사이버 공격이 더욱 정교해지고, 미래 양자컴퓨터가 기존 암호체계를 위협할 가능성이 제기되면서 소프트웨어 암호뿐 아니라 제품이나 기기가 가진 고유한 물리적 특징 자체를 보안에 이용하는 기술이 주목받고 있다.
대표적인 것이 ‘물리적 복제 방지 기능(PUF·Physical Unclonable Function, 똑같이 복제하기 어려운 물리적 특징을 ‘지문’처럼 이용하는 보안 기술)’이다.
사람의 지문이 저마다 다르듯 아주 작은 입자들이 우연히 만들어내는 배열도 매번 달라진다. 같은 재료와 같은 방법으로 만들어도 입자의 위치와 방향까지 완전히 똑같이 재현하기는 매우 어렵다. 연구진은 바로 이 차이를 제품이나 기기의 진위를 확인하는 ‘인공 지문’으로 활용했다.
하지만 기존의 고보안 PUF는 이러한 미세한 차이를 읽기 위해 고가의 현미경이나 빛의 특성을 정밀하게 측정하는 전문 장비가 필요한 경우가 많았다. 복제하기는 어렵지만 진짜인지 확인하는 것 역시 쉽지 않았던 셈이다.
연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 ‘복제는 어렵게, 확인은 쉽게’ 만드는 데 주목했다.
연구팀은 수백 나노미터(nm·10억분의 1미터, 머리카락 굵기의 약 수만~수십만 분의 1 정도) 크기의 둥근 입자들을 물 위에서 스스로 모이게 했다. 이 과정에서 입자들이 모이는 위치와 방향이 매번 달라 서로 다른 무늬가 자연스럽게 만들어진다.
이는 작은 알갱이를 바닥에 뿌릴 때마다 서로 다른 모양으로 놓이는 것과 비슷하다. 같은 알갱이를 같은 방법으로 다시 뿌려도 이전과 완전히 똑같은 위치와 방향으로 놓이기는 어렵다. 연구팀은 이렇게 우연히 만들어진 나노 입자의 배열을 제품을 구별하는 고유한 ‘나노 지문’으로 활용했다.
중요한 것은 이 ‘지문’을 읽는 방법이 간단하다는 점이다.
스마트폰 손전등처럼 일반적인 빛을 비추면 나노 입자가 놓인 방식에 따라 고유한 색과 반사 무늬가 나타난다. 레이저 포인터를 비추면 빛이 미세한 입자 구조를 만나 여러 방향으로 퍼지면서 또 다른 고유한 빛의 무늬가 나타난다.
연구팀은 제품마다 이렇게 나타나는 두 가지 빛의 무늬를 미리 등록해 두고, 실제 제품에서 나타나는 무늬와 비교해 진위를 확인하는 방식을 구현했다. 즉 하나의 ‘나노 지문’을 손전등과 레이저라는 서로 다른 두 종류의 빛으로 확인하는 것이다. 한 사람을 얼굴과 지문으로 각각 확인하는 것처럼, 하나의 나노 구조를 두 가지 방식으로 확인해 보안성을 높였다.
위조하려면 나노 입자의 구조 자체는 물론, 손전등을 비췄을 때 나타나는 색과 반사 무늬, 레이저를 비췄을 때 나타나는 빛의 무늬까지 모두 똑같이 재현해야 해 복제가 매우 어렵다.
연구팀은 이 나노 구조를 유연한 플라스틱과 금속, 투명 필름, 하이드로겔(물을 많이 머금을 수 있는 부드러운 젤 형태의 소재) 등 다양한 표면에 옮겨 붙이는 데도 성공했다.
이에 따라 전자제품과 사물인터넷(IoT) 기기에 각각 고유한 ‘하드웨어 신분증’을 부여해 정품 여부를 인증하거나, 명품·미술품·의약품 등의 진위를 확인하는 위조 방지 라벨로 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 투명 필름에도 적용할 수 있어 제품의 디자인이나 외관을 가리지 않는 보안 스티커로도 발전할 가능성이 있다.
김상욱 KAIST 신소재공학과 교수는 “이번 연구는 복제하기 어려운 무작위 구조를 만들면서도 손전등이나 레이저 포인터처럼 간단한 도구로 쉽게 진위를 확인할 수 있게 한 것이 핵심”이라며 “전자기기 인증과 위조 방지 라벨 등 일상에서 손쉽게 활용할 수 있는 차세대 보안 기술로 발전할 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구에는 KAIST 신소재공학과 양건국 박사와 성균관대학교 화학공학과 임성균 박사과정이 공동 제1저자로 참여했으며, 김상욱 KAIST 교수와 권석준 성균관대학교 교수가 공동 교신저자로 참여했다. 연구 결과는 국제 학술지‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 7월 23일 자로 온라인 게재됐다.
※ 논문명: Dual-space visible light authentication toward high security physical unclonable function, DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-75781-4
이번 연구는 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업과 InnoCORE 프로그램, 삼성미래기술육성센터의 지원을 받아 수행됐다.
2026.08.26
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빛만 비추면 버튼이 솟아오른다
전선도 구동 장치도 없다. 빛만 비추면 금속 표면이 버튼처럼 스스로 솟아오른다. 우리 대학 연구진이 빛을 잘 흡수하기 위한 별도의 코팅 없이도 빛만으로 형태를 바꾸는 금속 구조를 개발했다. 실제 버튼처럼 솟아오르는 금속 구조는 촉각 인터페이스와 형상 디스플레이는 물론, 차세대 웨어러블 기기와 소프트 로봇 개발에 새로운 가능성을 열 것으로 기대된다.
우리 대학은 기계공학과 오일권 교수 연구팀이 하나의 UV(자외선, Ultraviolet) 레이저 공정만으로 평평한 니켈-티타늄 형상기억합금(SMA, Shape Memory Alloy, 일정 온도 이상에서 원래 형태를 기억해 되돌아가는 특수 금속) 시트를 빛을 받으면 스스로 입체 구조로 변하는 메타모핑(Meta-morphing, 외부 자극에 따라 미리 설계한 형태로 변형되는) 구조로 만드는 기술을 개발했다고 20일 밝혔다.
차세대 웨어러블 기기와 소프트 로봇은 얇고 가벼우면서도 필요할 때 원하는 형태로 자유롭게 변형될 수 있는 기술이 핵심이다. 이러한 기술은 형상 디스플레이와 적응형 표면(필요에 따라 형태가 변하는 표면), 웨어러블 인터페이스, 소프트 로봇 등 다양한 미래 기술의 기반이 될 것으로 주목받고 있다.
연구팀은 평평한 금속판에 정교한 절개와 접힘 패턴을 설계해 미리 정한 입체 모양으로 변형되도록 구현했다. 이는 종이를 오려 입체 구조를 만드는 키리가미(Kirigami) 원리를 금속에 적용한 것이다.
형상기억합금은 가볍지만 큰 힘을 낼 수 있어 웨어러블 기기와 소프트 로봇의 핵심 구동 소재로 활용되고 있다. 그러나 기존 기술은 이 금속이 빛을 충분히 흡수하지 못해 별도의 광흡수 코팅이 필요했다. 그래핀 산화물(Graphene Oxide)이나 질화티타늄(TiN) 같은 코팅은 반복 사용하면 벗겨질 수 있고, 제작 공정이 복잡하며 반응 속도를 떨어뜨릴 수 있다는 한계가 있었다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 UV 레이저 미세가공 기술을 활용했다. 레이저를 한 번 조사하는 것만으로 금속을 원하는 형태로 가공하는 동시에 표면이 빛을 잘 흡수하도록 만들어, 별도의 광흡수 코팅이 필요 없는 제작 방식을 구현했다.
이번 연구의 핵심은 금속이 얼마나 변형될지 뿐만 아니라 어떤 순서로 형태를 바꿀지까지 하나의 금속 안에 미리 설계했다는 점이다. 연구팀은 레이저 가공 방식을 조절해 같은 빛을 비춰도 어떤 부분은 먼저, 다른 부분은 나중에 변형되도록 구현했다. 별도의 전기 신호나 복잡한 제어장치 없이도 금속 스스로 정해진 순서에 따라 형태를 바꾸도록 만든 것이다.
연구팀은 이 기술을 근적외선(NIR, Near Infrared) LED와 결합해 화면 일부가 실제로 솟아오르는 형상 디스플레이(화면이 실제로 입체 형태로 변하는 디스플레이)와 햅틱(Haptic, 촉각을 전달하는 기술) 인터페이스를 구현했다. 문자 'K→A→I→S→T'를 순차적으로 표시하고, 손끝으로 방향을 안내하는 촉각 신호를 구현하는 데도 성공했다.
오일권 교수는 "이번 기술은 별도의 코팅 공정 없이 단일 금속 소재 안에 기계적 변형과 광학적 특성을 동시에 새겨 넣은 새로운 제조 플랫폼"이라며 "빛만으로 형상을 자유롭게 제어할 수 있어 적응형 표면, 인터랙티브 햅틱 인터페이스, 차세대 웨어러블 기기, 광열 기반 소프트 로봇 등 다양한 분야에 활용될 것으로 기대한다"고 말했다.
기계공학과 김현수 석사과정이 제1저자로, 오일권 교수가 교신저자로 참여한 이번 연구 성과는 국제 학술지 어드밴스드 사이언스(Advanced Science)에 게재됐으며, 연구의 우수성을 인정받아 2026년 6월 4일 발행된 Advanced Science Vol. 13, No. 31의 이면 표지 논문(Inside Back Cover)으로 선정됐다.
※ 논문명: Monolithic UV-Laser Programming of Photothermally Meta-Morphing SMA Structures: Dual-Encoded Kirigami Mechanics and Photonic Absorbance, DOI: https://doi.org/10.1002/advs.74930
※ 관련 동영상: 홍보 영상 [Advanced Sciecne] - Google Drive
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 재원으로 한국연구재단 중견연구지원사업(RS-2024-00345241), 미래융합파이오니어사업(RS-2023-00302525), 나노·소재기술개발사업(RS-2025-25441263) 및 과학기술정보통신부 InnoCORE 프로그램(N10250154)의 지원을 받아 수행됐다.
2026.07.20
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빛으로 원하는 순간·위치에서 암 치료하는 ‘스마트 항체’ 개발
기존 CAR-T(환자 면역세포를 유전적으로 조작해 암세포를 공격하도록 만든 세포치료 기술) 치료는 면역세포가 암세포를 인식하면 즉시 공격해 정상세포까지 손상시키는 부작용 위험이 있었다. 우리 대학 연구진은 빛이나 화학 자극이 있을 때만 작동하는 스위치형 ‘스마트 항체’ 기술을 개발해, 원하는 순간과 위치에서만 면역세포를 정밀하게 제어할 수 있는 길을 열었다.
우리 대학은 생명과학과 허원도 석좌교수 연구팀이 빛과 화학 자극을 이용해 세포 밖 항원 인식을 제어할 수 있는 ‘엑스트라바디(Extrabody)’플랫폼을 개발했다고 27일 밝혔다. 연구팀은 이 기술을 통해 면역세포가 원하는 순간에만 서로 반응하고 작동하도록 정밀하게 조절할 수 있음을 입증했다.
이번 연구의 핵심은 항체를 두 조각으로 분리한 뒤, 외부 자극이 있을 때만 다시 결합하도록 설계했다는 점이다. 일반적인 항체는 생성되자마자 항원에 결합하지만, 연구팀은 빛 또는 화학물질이 존재할 때만 두 항체 조각이 재결합해 항원을 인식하도록 구현했다.
즉, 단순히 항상 작동하는 기존 항체 시스템과 달리, 필요한 순간에만 선택적으로 작동하는 ‘온디맨드(on-demand·필요한 순간에만 활성화되는 방식) 항체 플랫폼’을 구현한 것이다.
연구팀은 빛에 반응하는 시스템과 화학물질에 반응하는 시스템을 각각 구축했으며, 형광 단백질뿐 아니라 암세포 표면에 많이 발현되는 EGFR(상피세포 성장인자 수용체)·HER2(인간 상피세포 성장인자 수용체2) 단백질에도 적용 가능함을 확인했다.
실험 결과, 외부 자극이 있을 때만 항원 결합이 선택적으로 활성화됐으며, 다양한 항체 구조에서도 동일한 원리가 작동했다. 이는 엑스트라바디가 여러 표적과 항체 형태에 적용 가능한 모듈형 플랫폼(Modular platform·다양한 표적과 기능으로 확장 가능한 기술 구조)임을 보여준다.
또한 연구팀은 엑스트라바디가 단순한 항원 인식을 넘어 세포 간 상호작용까지 조절할 수 있음을 확인했다. 빛 자극이 있을 때만 세포끼리 접촉하고 항원을 전달하는 현상이 나타났으며, 자극이 없을 때는 이러한 반응이 거의 발생하지 않았다. 특히 항원이 세포 내부로 전달되는 과정도 관찰돼, 향후 세포 간 정보 전달 연구에도 활용 가능성을 보였다.
연구팀은 나아가 엑스트라바디를 합성수용체(synNotch·특정 신호를 받을 때만 세포 반응을 유도하도록 설계한 합성 생물학 기술) 및 CAR 시스템(면역세포가 특정 암세포를 인식·공격하도록 설계한 기술)에 적용했다. 그 결과 빛과 항원이 동시에 존재할 때만 세포 내부 신호가 활성화되는 ‘이중 잠금장치(double-gating·두 가지 조건이 동시에 충족될 때만 작동하는 방식)’가 구현됐다.
이를 통해 유전자 발현, 사이토카인(Cytokine·면역세포 간 신호 전달에 사용되는 단백질) 분비, 면역세포 활성화 등을 정밀하게 제어할 수 있었으며, 실제 T세포 실험에서는 빛 자극이 있을 때만 암세포를 선택적으로 공격하는 현상도 확인됐다.
연구팀은 이번 기술이 기존 CAR-T 세포치료에서 문제로 지적돼 온 비의도적 면역 활성화와 부작용을 줄일 수 있는 새로운 전략이 될 것으로 기대하고 있다.
허원도 석좌교수는 “이번 연구는 외부 자극을 이용해 세포 표적 인식을 원하는 시점과 위치에서 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 플랫폼 기술”이라며 “향후 차세대 면역치료와 세포 기반 치료 기술의 안전성과 정밀도를 높이는 핵심 기반 기술로 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.
KAIST 생명과학과 권유리 박사와 유다슬이 박사가 공동 제1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 셀 케미컬 바이올로지(Cell Chemical Biology) 온라인판에 5월 7일 게재됐다.
※ 논문명: An extracellular, optogenetic antibody platform for stimulus-gated antigen recognition and modulation of cell behavior, DOI: https://doi.org/10.1016/j.chembiol.2026.04.006
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 ASTRA 사업과 바이오·의료기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
2026.05.27
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‘빛이 곧 열쇠가 된다’ 신개념 홀로그램 기술 개발...복제 어려운 보안 구현
빛의 움직임을 ‘열쇠’처럼 활용해, 특정 조건에서만 정보가 드러나는 신개념 홀로그램(빛의 정보를 이용해 물체가 실제로 있는 것처럼 입체적으로 보이게 만드는 기술)이 개발됐다. 기존 광통신과 보안 기술의 한계를 동시에 극복할 수 있는 새로운 접근으로 주목된다.
신소재공학과 신종화 교수 연구팀이 빛의 ‘총 각운동량(Total Angular Momentum, TAM)*’을 정보 선택의 핵심 열쇠로 활용해, 입사하는 빛의 상태에 따라 서로 다른 입체 영상을 구현하는 차세대 벡터 홀로그램 메타표면을 개발했다고 4일 밝혔다.
*총 각운동량(TAM): 빛의 진동 방향(편광)과 회전(꼬임) 성질을 함께 나타내는 물리량으로, 이를 통해 빛의 상태에 따라 세기와 편광 분포가 달라지는 정밀한 입체 영상을 구현할 수 있음
기존에는 빛의 진동 방향을 의미하는 ‘편광’이나, 빛이 나선형으로 꼬이며 진행하는 성질인 ‘궤도 각운동량(Orbital Angular Momentum, OAM)’을 각각 활용하는 연구는 활발히 진행돼 왔다. 그러나 이 두 가지 성질을 하나의 소자에서 서로 독립적으로 제어하는 것은 광학 분야에서 오랫동안 해결되지 않은 난제로 여겨져 왔다.
이를 해결하기 위해 연구팀은 머리카락 굵기보다 훨씬 작은 나노 구조물을 정밀하게 설계해 두 층으로 쌓은 ‘이중층(Bi-layer) 메타표면’을 구현했다. 메타표면은 빛의 진행 방향과 성질을 자유롭게 조절할 수 있도록 설계된 초미세 인공 구조 기반의 광학 소자다.
이 소자는 빛의 편광과 꼬임 정도가 결합된 ‘총 각운동량(TAM)’을 마치 복잡한 암호 열쇠처럼 활용한다. 즉, 특정한 방식으로 진동하고 특정한 횟수만큼 꼬인 빛이 들어올 때만 소자가 반응해 숨겨진 정보를 재현하는 방식이다. 이 기술을 적용하면 겉으로는 동일해 보이는 빛이라도, 정해진 ‘빛의 열쇠’가 없으면 정보를 읽을 수 없어 높은 보안성을 확보할 수 있다.
또한 빛의 꼬임 상태(OAM)는 이론적으로 매우 다양한 값을 가질 수 있어, 하나의 빛에 실을 수 있는 정보량을 크게 늘릴 수 있다. 이를 통해 기존보다 훨씬 많은 데이터를 동시에 전송하는 초고용량 광통신 기술로의 확장도 가능하다.
특히 이번 연구는 단순한 입체 영상 구현을 넘어, 영상의 각 지점마다 빛의 진동 방향(편광)까지 정밀하게 제어하는 ‘벡터 홀로그램’을 구현했다는 점에서 의미가 크다. 벡터 홀로그램은 빛의 세기뿐 아니라 방향 정보까지 포함해 표현하는 고차원 홀로그램 기술이다.
이번 성과는 그동안 물리적으로 분리하기 어려웠던 빛의 두 가지 핵심 성질(편광과 꼬임)을 하나의 소자에서 독립적으로 제어할 수 있음을 처음으로 입증한 것이다. 이를 통해 실감형 홀로그램, 스마트 글래스, 증강현실(AR) 및 가상현실(VR) 기기 등 차세대 디스플레이 기술뿐 아니라, 복제가 어려운 보안 라벨과 초고속 광통신 등 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대된다.
신종화 교수는 “이번 연구는 빛의 핵심 성질인 편광과 꼬임을 하나의 독립적인 정보 키로 결합해 자유자재로 활용할 수 있음을 입증한 사례”라며 “복제 어려운 보안 시스템과 초고속·초고용량 광학 통신 기술의 핵심 플랫폼으로 발전할 것”이라고 말했다.
이번 연구는 정준교 박사가 제1 저자로 참여했으며, 국제 학술지 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)에 3월 12일 온라인 게재됐다.
※ 논문명: Arbitrary Total Angular Momentum Vectorial Holography Using Bi-Layer Metasurfaces, DOI: 10.1002/adma.202519106
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 ‘나노소재기술개발사업’ 및 ‘집단연구지원사업’, 산업통상자원부 ‘전자부품산업기술개발사업’의 지원을 받아 수행됐다.
2026.05.06
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햇빛·공기로 약 만든다...화학합성 난제 해결
의약품을 만드는 화학 공정에서 ‘촉매’는 생산 속도와 비용을 좌우하는 핵심 기술이다. 하지만 지금까지는 ‘정밀하지만 버려야 하는 촉매’와 ‘재사용 가능한 촉매’ 사이의 한계를 안고 있었다. 우리 대학 연구진이 이 두 촉매를 결합해 빛과 공기만으로 작동하는 친환경 촉매 기술을 개발했다. 의약품 원료를 더 저렴하고 깨끗하게 생산할 수 있는 길이 열리며, 탄소 배출과 환경 오염 저감 효과도 기대된다.
우리 대학은 화학과 한상우 교수 연구팀이 서로 다른 두 종류의 촉매를 하나로 결합하는 데 성공했다고 30일 밝혔다. 하나는 고체 상태에서 작동하는 은(Ag) 기반 촉매이고, 다른 하나는 용액 속에서 작용하는 유기 광촉매 DDQ(빛을 받아 화학 반응을 일으키는 물질)다. 연구팀은 이 두 촉매가 함께 작동하도록 구현해, 기존에는 어려웠던 반응을 더 효율적으로 수행할 수 있게 했다.
연구팀은 이 기술을 활용해 햇빛과 공기로 의약품의 핵심 원료인 아민(amine)을 친환경적으로 만들어내는 데 성공했다. 별도의 추가 화학물질 없이도 필요한 물질을 생산할 수 있음을 보여주며 기술의 실효성을 입증한 것이다.
기존 유기 광촉매 방식은 반응 후 촉매를 다시 사용하려면 추가 화학물질이 필요하거나, 공기 중 산소를 사용할 경우 반응 속도가 느려 효율이 떨어지는 한계가 있었다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 반응 과정에서 생기는 부산물을 다시 활용하는 방법을 제시했다. 이 부산물이 촉매를 다시 사용할 수 있는 상태로 되돌리고, 공기 중 산소는 이 과정을 반복하도록 돕는다. 즉, 촉매가 한 번 쓰이고 끝나는 것이 아니라 스스로 다시 살아나 계속 작동하는 ‘순환 구조’를 구현한 것이다.
이로써 별도의 화학물질을 추가하지 않아도 촉매가 계속 작동하는 ‘순환형 촉매 시스템’을 완성했다. 특히 이 기술은 햇빛과 공기만으로 반응이 진행된다는 점이 특징이다. 햇빛은 촉매를 활성화해 반응을 시작하게 하고, 공기는 사용된 촉매를 다시 사용할 수 있는 상태로 되돌린다. 즉, 촉매가 계속 ‘충전’되며 반복 작동하는 구조다. 이 과정에서 공기는 물만을 남기기 때문에 환경 부담도 크게 줄일 수 있다.
또한 연구팀은 서로 다른 촉매가 만나면 기능이 떨어지는 문제를 해결하기 위해 리튬염(LiClO4)을 도입했다. 이 물질은 두 촉매가 서로 방해하지 않도록 조정하는 역할을 하며, 촉매의 안정성과 수명을 크게 향상시켰다.
이번 연구는 서로 다른 촉매를 하나로 결합해 햇빛과 공기만으로도 필요한 화학물질을 생산할 수 있음을 보여준 사례다. 복잡한 화학물질이나 화석연료에 의존하지 않아도 되기 때문에, 화학 공정에서 발생하는 탄소 배출과 환경 오염을 줄이는 데 기여할 것으로 기대된다.
한상우 교수는 “이번 연구는 무기 광화학 루프 기술(금속 기반 촉매가 빛을 받아 반응하고 다시 원래 상태로 돌아오는 순환 구조)을 정밀 유기 합성 분야에 성공적으로 접목한 첫 사례”라며 “서로 다른 촉매 시스템의 장점만을 결합해 화학 산업의 탄소 발자국을 획기적으로 줄일 수 있는 중요한 진전”이라고 말했다. 이어 “의약품 원료 등 고부가가치 화합물을 가장 친환경적인 방식으로 생산할 수 있는 새로운 길을 열었다”고 덧붙였다.
이번 연구는 KAIST 화학과 백진욱 연구원이 제1저자로 참여했으며, 연구 결과는 화학 분야 최고 권위 학술지 ‘미국화학회지(JACS, Journal of the American Chemical Society)’에 3월 18일 게재됐다.
※ 논문명: Merger of heterogeneous and homogeneous photocatalysis for arene C–H Amination
※ DOI: 10.1021/jacs.5c20824
한편, 이번 연구는 한국연구재단 중견연구사업의 지원을 받아 수행됐다.
2026.03.30
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빛이 기울어도 색은 정확...차세대 이미지 센서 판 바꾼다
스마트폰은 더 얇아지는데, 사진은 더 선명해진다. 국내 연구진이 빛의 흐름을 정밀하게 제어하는 ‘메타물질’ 기술로, 어떤 각도에서도 색이 흐트러지지 않는 새로운 이미지 센서를 개발했다. 카메라의 물리적 한계를 넘어선 구조 혁신이다. 이 기술이 상용화되면 스마트폰은 더욱 얇아지면서도, 어두운 곳에서도 또렷하고 자연스러운 색의 사진을 구현할 수 있을 것으로 기대된다.
우리 대학 전기및전자공학부 장민석 교수 연구팀은 한양대학교(총장 이기정) 정해준 교수 연구팀과 함께, 빛의 입사각이 달라져도 안정적으로 색을 분리할 수 있는 이미지 센서용 메타물질 기술을 개발했다고 13일 밝혔다.
기존 스마트폰 카메라는 아주 작은 렌즈로 빛을 한곳에 모아 사진을 찍어왔다. 하지만 카메라 속 픽셀이 너무 작아지면서, 렌즈만으로는 빛을 충분히 모으기 어려워졌다. 이를 대신하기 위해 등장한 나노포토닉 컬러 라우터(Nanophotonic Color Router)는 렌즈로 빛을 모으는 대신, 눈에 보이지 않을 만큼 작은 구조를 이용해 들어온 빛을 색깔별로 정확히 나누는 기술이다. 이 구조는 빛이 지나가는 길을 설계해, 빛을 적색(R), 녹색(G), 청색(B)으로 정밀하게 나누는 메타물질 기반 기술이다.
이 기술은 삼성전자가 ‘나노 프리즘(Nano Prism)’이라는 이름으로 실제 이미지 센서에 적용하며, 상용화 가능성을 이미 보여준 바 있다. 이론적으로도 매우 미세한 나노 구조를 여러 층으로 쌓으면, 빛을 더 많이 모으고 색을 더 정확히 나눌 수 있다는 점이 알려져 있다.
하지만 기존 나노포토닉 컬러 라우터에는 한계가 있었다. 빛이 정면에서 들어올 때는 잘 작동했지만, 스마트폰 카메라처럼 빛이 비스듬히 들어오는 상황에서는 색이 섞이거나 성능이 크게 떨어졌다. 이러한 문제를 ‘사선 입사(oblique incidence) 문제’라고 하며, 실제 제품에 적용하기 위해 반드시 해결해야 할 과제로 꼽혀 왔다.
연구팀은 먼저 왜 이런 문제가 생기는지부터 살펴봤다. 그 결과, 기존 설계들이 빛이 수직으로 들어오는 조건에만 맞춰 지나치게 최적화돼 있어, 입사 각도가 조금만 달라져도 성능이 급격히 나빠진다는 점을 확인했다. 스마트폰 카메라는 다양한 각도의 빛을 받아들이기 때문에, 각도가 달라져도 성능이 유지되는 특성이 매우 중요하다.
이에 연구팀은 사람이 직접 구조를 설계하는 대신, 컴퓨터가 가장 좋은 구조를 스스로 찾도록 하는 ‘역설계(inverse design)’ 방식을 적용했다. 이를 통해 빛이 들어오는 각도가 달라져도 안정적으로 색을 나눌 수 있는 컬러 라우터 구조를 도출했다.
그 결과 기존 구조는 빛이 약 12도만 기울어져도 제 기능을 거의 하지 못했지만, 새롭게 설계된 구조는 ±12도 범위에서도 약 78%의 광효율을 유지하며 안정적인 색 분리 성능을 보였다. 즉, 실제 스마트폰 사용 환경에서도 충분히 활용할 수 있는 수준이다.
연구팀은 또 메타물질의 층 수나 설계 조건, 제작 과정에서 발생할 수 있는 오차까지 고려해 성능 변화를 분석하고, 입사각 변화에 얼마나 강건할 수 있는지 그 한계도 체계적으로 정리했다. 이번 연구는 현실적인 이미지 센서 환경을 반영한 컬러 라우터 설계 기준을 제시했다는 점에서 의미가 크다.
장민석 KAIST 교수는 “이번 연구는 컬러 라우터 기술의 상용화를 가로막아 온 입사각 문제를 처음으로 체계적으로 분석하고 해결 방향을 제시했다는 점에서 의미가 크다”며, “제안한 설계 방법은 컬러 라우터를 넘어 다양한 메타물질 기반 나노광학 소자 전반에 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.
KAIST 전재현 학사과정생과 박찬형 박사과정생이 공동 제1저자로 참여한 이번 연구 성과는 국제 학술지‘어드밴스드 옵티컬 머티리얼스(Advanced Optical Materials)’에 1월 27일 자로 게재됐다.
※ 논문명: Inverse Design of Nanophotonic Color Router Robust to Oblique Incidence, DOI: https://doi.org/10.1002/adom.202501697 ※ 저자: 전재현(KAIST, 제1저자), 박찬형(KAIST, 제1저자), 허도영(KAIST), 정해준(한양대), 장민석(KAIST, 교신저자)
한편 본 연구는 산업 통상부 (한국산업기술기획평가원, (사)한국반도체연구조합)에서 지원하는 ‘차세대 센서향 메타 광학 구조 설계 기술’과제, 과학기술정보통신부 (한국연구재단)에서 지원하는 ‘빔 조향 제어 가능한 고색순도 메타 색변환층 기반 풀 컬러마이크로 LED 소자 및 패널 기술 개발’및 , ‘빛의 모든 속성으로 연산하는 실시간 제로-에너지 아르고스 눈 메타표면 네트워크 개발’ 과제, 문화체육관광부 (한국콘텐츠진흥원)에서 지원하는 ‘차세대 저작권 침해 방지 기술 및 안전한 콘텐츠 유통 기술 개발을 위한 국제공동연구’과제의 지원을 받아 수행되었다.
2026.02.19
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AI로 물질의 ＇빛의 지문＇을 실시간으로 읽다
사람마다 지문이 다르듯, 모든 물질에는 고유한 ‘빛의 지문’이 있다. 반도체 공정부터 환경 감시, 질병 진단, 우주 연구까지 접촉 없이 물질을 식별해 온 분광학은 ‘과학의 눈’으로 불려왔다. KAIST 연구진은 전문가의 경험에 의존하던 분광 분석을 AI 기반 자동·실시간 판독 기술로 구현해, 반도체·환경·의료 등 다양한 산업 현장에서 활용 가능성을 크게 확장했다.
우리 대학 원자력및양자공학과 박상후 교수 연구팀은 잡음·오염·결손이 많고 복잡하고 겹친 신호 등의 다양한 분광 데이터의 한계를 뛰어넘어, 인공지능이 실시간으로 자동 해석하는 ‘AI 기반 심층 분광해석 기술’을 개발했다고 3일 밝혔다.
스펙트럼이란, 물질이 내거나 흡수한 빛을 무지개처럼 펼쳐 놓은 그래프를 말한다. 기존 분광 분석은 이 스펙트럼 속 숫자로 나타나는 신호를 잘 알려진 참고 데이터와 하나하나 비교하여 수동으로 분석해야 했다. 연구팀은 이런 방식 대신, 스펙트럼 전체를 하나의 ‘이미지’처럼 인식하게 하고 인공지능이 그 패턴을 학습하도록 했다.
그 결과 데이터에 잡음이 섞이거나 일부가 손실된 상황에서도, AI는 마치 사진 속 사물을 알아보듯 정확하게 물질 정보를 찾아냈다. 더 나아가 예측 결과가 과학적으로 타당한지까지 스스로 점검하는 기능을 갖춰, 분석의 신뢰성을 크게 높였다.
연구팀은 이 기술을 대기화학·플라즈마화학 분야에서 널리 쓰이는 흡수 분광 데이터에 적용해 검증했다. 그 결과, 복잡하게 뒤섞인 신호 속에서도 오존과 질소산화물 등 8종의 화학 물질 농도를 매우 높은 정확도로 예측하는 데 성공했다. 기존 수작업 분석보다 정확할 뿐 아니라, 데이터 품질이 나쁜 환경에서도 안정적인 성능을 보였다.
이번 연구는 그동안 분석의 어려움 때문에 현장에서 충분히 활용되지 못하고 버려지던 방대한 분광 데이터를 ‘즉시 활용 가능한 정보’로 바꾸는 전환점이 될 것으로 기대된다.
특히 반도체 플라즈마 공정의 수율 향상, 핵융합 플라즈마의 안정적 제어는 물론, 스마트 시티 환경 감시, 비접촉식 질병 진단 등 다양한 첨단 산업 분야에서 활용 가능성이 크다.
박상후 교수는 “이번 기술은 전문가의 경험에 의존하던 분광 데이터 분석의 진입장벽을 획기적으로 낮춘 성과”라며, “환경 모니터링, 헬스케어, 플라즈마 진단 등 스펙트럼 분석이 필요한 산업 전반에 즉각 적용할 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구는 원자력및양자공학과 김종찬 박사과정과 허성철 박사과정이 공동 제1 저자로 참여하였고, 계측 및 분석화학 분야의 권위 있는 국제 학술지 ‘센서 앤 액추에이터 B: 케미칼(Sensors and Actuators B: Chemical)’에 1월 12일자로 온라인 게재됐다.
※ 논문명: Deep spectral deconvolution for image-based broadband spectral data analysis DOI: https://doi.org/10.1016/j.snb.2025.139369
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 글로벌 TOP 전략연구단 지원사업과 KAIST 도약연구사업, 한국재료연구원 기본사업의 지원을 받아 수행됐다.
2026.02.03
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광컴퓨팅·양자 보안 핵심 ‘빛 반도체’ 직접 찍어낸다
거대 인공지능(AI)을 위한 초고속 광컴퓨팅, 양자 암호 통신, 초고해상도 증강현실(AR) 디스플레이 등 미래 첨단 산업에서는 빛으로 정보를 처리하는 나노 레이저가 차세대 반도체의 핵심 소자로 주목받고 있다. 우리 대학 연구진이 머리카락보다 얇은 공간에서 빛으로 정보를 처리하는 나노 레이저를 반도체 칩 위에 고밀도로 배치할 수 있는 새로운 제작 기술을 제시했다.
우리 대학은 기계공학과 김지태 교수 연구팀이 POSTECH(총장 김성근) 노준석 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해, 초고밀도 광집적회로의 핵심 소자인 ‘수직형 나노 레이저’를 만들 수 있는 초미세 3차원 프린팅 기술을 개발했다고 6일 밝혔다.
기존 반도체 제조 방식인 리소그래피 공정은 같은 구조를 대량 생산하는 데는 효과적이지만, 공정이 복잡하고 비용이 많이 들어 소자의 형태나 위치를 자유롭게 바꾸기 어렵다는 한계가 있었다. 또한 대부분의 기존 레이저는 기판 위에 눕혀진 수평 구조로 만들어져 공간을 많이 차지하고, 빛이 아래로 새어 나가 효율이 떨어지는 문제가 있었다.
연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 빛을 효율적으로 만들어내는 차세대 반도체 소재인 ‘페로브스카이트’를 수직으로 쌓아 올리는 새로운 3D 프린팅 방식을 개발했다. 이 기술은 전압을 이용해 눈에 보이지 않을 만큼 작은 잉크 방울(아토리터, 10⁻¹⁸ L)을 정밀하게 제어하는 ‘초미세 전기유체 3D 프린팅’ 기술이다.
이를 통해 재료를 깎아내는 복잡한 공정 없이, 원하는 위치에 머리카락보다 훨씬 가는 기둥 모양의 나노 구조물을 수직으로 직접 인쇄하는 데 성공했다.
기술의 핵심은 이렇게 인쇄된 페로브스카이트 나노 구조물의 표면을 매우 매끄럽게 만들어 레이저 효율을 크게 높였다는 점이다. 연구팀은 프린팅 과정에 기체상 결정화 제어 기술을 결합해, 결정이 거의 하나로 정렬된 고품질 구조를 구현했다. 그 결과 빛의 손실이 적고 안정적으로 작동하는 ‘고효율 수직형 나노 레이저’를 구현할 수 있었다.
또한 나노 구조물의 높이를 조절해 레이저가 내는 빛의 색을 정밀하게 바꿀 수 있음을 입증했다. 이를 활용해 육안으로는 보이지 않지만 특수 장비로만 확인할 수 있는 레이저 보안 패턴을 제작했으며, 위조 방지 기술로서의 상용화 가능성도 확인했다.
김지태 교수는 “이번 기술은 복잡한 공정 없이 빛으로 계산하는 반도체를 칩 위에 직접 고밀도로 구현할 수 있게 한다”며, “초고속 광컴퓨팅과 차세대 보안 기술의 상용화를 앞당길 것”이라고 말했다.
이번 연구 결과는 기계공학과 스치 후(Shiqi Hu) 박사가 제 1 저자로 나노과학 분야 국제 권위 학술지 ACS Nano에 2025년 12월 6일 온라인 판으로 게재됐다.
※논문명: Nanoprinting with Crystal Engineering for Perovskite Lasers
DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.5c16906
이번 연구는 과학기술정보통신부 우수신진연구(RS−2025-00556379), 중견연구자지원사업 (RS-2024-00356928), 이노코어(InnoCORE) AI 기반 지능형 설계-제조 통합 연구단(N10250154)의 지원으로 수행되었다.
2026.01.06
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적색 OLED로 아밀로이드 베타 감소 확인...치매 기억력 되살렸다
“어떤 OLED 색의 빛이 알츠하이머 환자의 기억력과 병리 지표를 실제로 개선하는가?”라는 의문점을 제기한 한국 연구진이, 약물 없이 빛만으로 인지 기능을 개선할 수 있는 가장 효과적인 OLED 색상을 규명했다. 이번 연구에서 개발된 OLED 플랫폼은 색·밝기·깜박임 비율·노출 시간을 정밀하게 제어할 수 있어, 향후 개인맞춤형 OLED 전자약으로의 발전 가능성을 제시한다.
KAIST(총장 이광형)는 전기및전자공학부 최경철 교수 연구팀과 한국뇌연구원(KBRI) 구자욱 박사·허향숙 박사 연구팀이 공동 연구를 통해, 균일 조도의 3가지 색 OLED 광자극 기술을 개발하고, 청색·녹색·적색 중 ‘적색 40Hz 빛’이 알츠하이머 병리와 기억 기능을 가장 효과적으로 개선한다는 사실을 확인했다고 24일 밝혔다.
연구진은 기존 LED 방식이 가진 밝기 불균형, 열 발생 위험, 동물의 움직임에 따른 자극 편차 등 구조적 한계를 해결하기 위해 균일하게 빛을 내는 OLED 기반 광자극 플랫폼을 구축했다. 이 플랫폼을 활용해 백색·적색·녹색·청색 빛을 동일한 조건(40Hz 주파수·밝기·노출시간)에서 비교한 결과, 적색 40Hz 빛이 가장 우수한 개선 효과를 보였다.
초기 병기(3개월령) 동물 모델은 단 2일 자극만으로도 병리 및 기억력 개선되는 것을 확인했다. 초기 알츠하이머 동물 모델에 하루 1시간씩 이틀간 빛을 조사한 결과, 백색·적색 빛 모두 장기기억이 향상되었고 해마 등 중요한 뇌 영역에 쌓여 있던 알츠하이머병의 대표적인 원인 물질로 알려진 단백질 찌꺼기(덩어리)인 ‘아밀로이드베타(Aβ) 플라크’가 줄었으며 플라크를 제거하는 데 도움이 되는 효소(ADAM17)가 더 많이 만들어졌다는 사실을 확인했다.
즉, 아주 짧은 기간의 빛 자극만으로도 뇌 속 나쁜 단백질이 줄고 기억 기능이 개선될 수 있다는 의미다. 특히 적색 빛에서는 염증을 악화시키거나 뇌 조직에 스트레스를 주어 알츠하이머병 진행에 영향을 주는 ‘염증성 사이토카인 IL-1β’가 크게 감소해 염증 완화 효과도 확인됐다.
또한 플라크 감소량이 많을수록 기억력 향상 폭이 더 컸다, 즉 병리 개선이 인지 기능 향상으로 직접 이어짐을 검증했다.
중기 병기(6개월령) 모델에서는 적색 빛에서만 통계적 병리 개선을 확인했다. 중기 알츠하이머 모델을 대상으로 2주간 동일 조건으로 장기 자극을 수행한 결과, 백색·적색 모두 기억력 향상은 있었지만 플라크 감소는 적색에서만 통계적으로 유의미하게 나타났다.
분자 수준에서도 색상별 차이가 분명했다. 적색 빛을 비춘 경우에는 플라크를 없애는 데 도움이 되는 효소(ADAM17)는 늘어나고, 플라크를 만드는 효소(BACE1)는 줄어들어, 즉 플라크 생성 억제·제거 촉진의 ‘이중 효과’가 나타났다. 반면 백색 빛은 플라크를 만드는 효소(BACE1)만 줄어들어, 적색 빛에 비해 치료 효과가 제한적이었다.
이는 빛의 색상이 치료 효과를 결정하는 핵심 요소임을 과학적으로 규명한 성과다.
연구진은 빛 자극 후 실제로 어떤 뇌 회로가 작동했는지를 확인하기 위해, 뇌세포가 활성화될 때 가장 먼저 켜지는 표지 유전자(c-Fos)의 발현을 분석했다.
그 결과 시각피질 → 시상 → 해마로 이어지는 시각–기억 회로 전체가 활성화되었으며, 이는 빛 자극이 시각 경로를 깨워 해마 기능과 기억력 향상으로 이어진다는 직접적 신경학적 근거를 제시했다.
균일 조도의 OLED 플랫폼 덕분에 동물이 움직여도 빛이 고르게 전달되어 실험 결과가 흔들리지 않았고, 반복 실험에서도 일관된 효과가 재현되는 높은 신뢰성을 확보했다.
이번 연구는 약물 없이 빛만으로 인지 기능을 개선하고, 색상·주파수·기간 조합을 통해 알츠하이머 병리 지표를 조절할 수 있음을 최초로 규명한 성과다.
개발된 OLED 플랫폼은 색·밝기·깜박임 비율·노출 시간을 세밀하게 조절할 수 있어, 사람 대상 임상 연구에서 개인별 맞춤 자극 설계에도 적합하다.
연구팀은 앞으로 자극 강도·에너지·기간·시각·청각 복합 자극 등 다양한 조건을 확장해 임상 단계로 발전시킬 계획이다.
노병주 박사(최경철 교수 연구팀)는 “이번 연구는 색상 표준화의 중요성을 실험적으로 입증했으며, 특히 적색 OLED가 병기별로 ADAM17 활성화와 BACE1 억제를 동시에 유도하는 핵심 색상임을 확인했다”라고 말했다.
최경철 교수는 “균일 조도 OLED 플랫폼은 기존 LED의 구조적 한계를 극복해 높은 재현성과 안전성 평가가 가능하다. 앞으로 일상생활 속에서 착용해 치료할 수 있는 웨어러블 RED OLED 전자약이 알츠하이머 치료의 새로운 패러다임을 제시할 것으로 기대한다”고 강조했다.
해당 연구 결과는 생체의학·재료 분야의 권위 있는 국제 학술지 `에이씨에스 바이오매터리얼즈 사이언스 앤 엔지니어링(ACS Biomaterials Science & Engineering)'에 지난 10월25일 字로 온라인 게재됐다.
※ 논문명: Color Dependence of OLED Phototherapy for Cognitive Function and Beta-Amyloid Reduction through ADAM17 and BACE1, DOI : https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsbiomaterials.5c01162
※ 공저자정보: Byeongju Noh, Hyun-Ju Lee, Jiyun Lee, Jiyun Lee, Ji-Eun Lee, Bitna Joo, Young-Hun Jung, Minwoo Park, Sora Kang, Seokjun Oh, Jeong-Woo Hwang, Dae-Si Kang, Yongmin Jeon, So-Min Lee, Hyang Sook Hoe, Ja Wook Koo, Kyung Cheol Choi
이번 연구는 과학기술정보통신부의 한국연구재단 및 국가정보산업진흥원, 그리고 한국뇌연구원 기초 연구 프로그램 지원을 받아 수행되었다. (2017R1A5A1014708, 2022M3E5E9018226, H0501-25-1001, 25-BR-02-02, 25-BR-02-04)
2025.11.24
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광자 시간결정에서의 자발 방출·여기 현상 첫 규명
빛과 원자의 상호작용에서 핵심적인 ‘자발 방출(spontaneous emission)’ 현상이 광자 시간결정(Photonic Time Crystal, PTC) 안에서 새로운 양상으로 나타난다는 사실이 규명됐다. KAIST 연구진이 주도한 이번 연구는 기존 이론을 뒤집고, 더 나아가 새로운 ‘자발 방출 여기(spontaneous emission excitation)’ 현상을 예측하였다.
우리 대학은 물리학과 민범기 교수 연구팀은 신소재공학과 신종화 교수, 기계공학과 전원주 교수, 물리학과 조길영 교수 및 IBS 연구단, UC버클리, 홍콩과기대 등과 협력하여, 광자 시간결정에서 자발 방출 붕괴율이 2022년 Science에 실린 논문에서 제기된 ‘소멸’이 아니라, 반대로 향상된 값을 갖는다는 점을 입증했다고 밝혔다. 또한, 원자가 바닥 상태에서 들뜬 상태로 전이하며 동시에 광자를 방출하는 새로운 과정인 ‘자발 방출 여기’ 현상도 예측하였다.
자발 방출은 원자가 스스로 광자를 방출하는 과정으로, 양자광학과 광소자 연구의 기초가 된다. 지금까지는 공진기나 광자결정 같은 공간 구조를 설계해 자발 방출을 제어해왔으나, 매질의 굴절률을 시간적으로 주기적으로 변조하는 광자 시간결정이 등장하면서, 시간축에서의 제어 가능성이 주목받고 있다.
기존 이론은 광자 시간결정에서 자발 방출 붕괴율이 특정 주파수에서 완전히 사라진다고 예측했지만, 이번 연구는 반대로 붕괴율이 현저히 향상됨을 처음으로 증명했다. 이는 비직교 모드 효과에 기인하는 것으로, 비보존 광학 연구의 중요성을 부각시켰다.
연구팀은 또한, 원자가 바닥 상태에서 에너지를 얻어 들뜬 상태로 올라가면서 동시에 광자를 방출하는 ‘자발 방출 여기’라는 새로운 과정을 예측하여 보고했다. 이는 시간결정 매질이 외부에서 에너지를 공급함으로써 가능해진 비평형 과정으로, 기존 평형 광학에서는 설명할 수 없는 새로운 빛-물질 상호작용 현상이다.
이번 연구 결과는 자발 방출 연구의 패러다임을 근본적으로 전환시키며, 향후 양자 광원 설계, 비평형 양자광학 등 폭넓은 분야로 응용될 수 있다.
민범기 교수는 “이번 성과는 시간적으로 빠르게 변화하는 환경 하에서 자발 방출을 설명하는 근본 이론을 재정립한 것으로, 자발 방출 붕괴의 향상과 ‘자발 방출 여기’ 현상은 빛-물질 상호작용 연구의 패러다임을 바꿀 수 있다”고 밝혔다.
이번 연구는 이경민 박사과정생이 제1저자로 참여했으며, 그 결과는 2025년 9월 23일자 국제 학술지 Physical Review Letters 온라인판에 게재되었고, 동시에 Physics.org에서 하이라이트되었으며, 편집자 추천(Editors' Suggestion) 논문으로 선정되었다. 이 연구는 한국연구재단과 삼성미래기술육성재단의 지원을 받아 수행되었다.
※ 논문명 : *Spontaneous emission decay and excitation in photonic time crystals*
2025.10.01
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