[글로벌 장학생 리포트] 장재혁 장학생의 Nature Nanotechnology 학술지 게재 논문 해석 칼럼

안녕하세요! 포항공과대학교 화학공학과 석박사 통합과정 5년차 장재혁입니다. 관심있게 공부하고 있는 분야는 나노물질과 빛의 상호작용이며, 이번 온드림 글로벌 우수상을 수상한 논문은 나노패턴을 이용한 초고집적 홀로그램 저장장치에 관한 연구입니다.

영화 아이언맨의 주인공 토니 스타크는 로봇을 만들 거나 수리할 때 공중에 영상을 띄워놓고 관찰하는가 하면, 심지어 영상을 확대하거나 조정하기도 합니다. 이런 홀로그램은 가상현실이나 증강현실 기술이 구현되면서 게임이라든지 놀이, 체험의 형태로 우리 실생활에서도 쉽게 만나볼 수 있게 되었습니다. 하지만 영화와 달리 현실에선 많은 연구가 필요한데, 그 중 하나는 공중에 떠 있는 3차원 영상과 이미지를 재생하기 위해선 엄청난 양의 데이터를 기록하고 읽어내야 한다는 점입니다. 본 문제의식을 토대로 ‘나노 기술을 이용한 초고용량 홀로그래픽 저장 기술 및 장치’에 대한 연구를 수행하였습니다.

홀로그램은 홀로그래픽 장치에 저장된 3차원 입체정보가 공간상에 구현된 이미지로, 이 3차원 입체정보는 빛의 간섭현상을 이용한 홀로그래피 기술을 통해 저장장치에 기록됩니다. 저희 연구팀은 직접 물체를 놓고 간섭을 기록하는 기존의 아날로그 홀로그램 저장방식을 벗어나 컴퓨터로 간섭을 계산하고 매질에 직접 저장하는 디지털 홀로그래픽 기술에 주목하였습니다. 디지털 홀로그래픽 저장 장치는 머리카락보다 천배 가까이 얇은 나노 구조체들이 주기적으로 배열된 메타물질을 이용하여 구현 가능한데, 이 메타물질은 입사되는 빛의 특성을 다양하게 조절할 수 있는 장점을 가지고 있습니다. 저희 연구팀은 빛의 특성중 하나인 궤도각운동량¹을 정보 전달 매개체로 하는 기기 한 대로 무한대에 가까운 홀로그램 영상을 생성해낼 수 있다는 가설을 세웠습니다. 이를 검증하기 위해 총 202개의 홀로그램 이미지를 2개의 다른 초점거리에 복원시킬 수 있는 메타물질 기반 홀로그래픽 동영상 저장장치를 구현하는데 성공하였습니다. 입사되는 광원의 궤도각운동량을 순차적으로 바꿔주게 되면 두 개의 홀로그램 비디오가 서로 다른 공간상에 재생되는 것을 확인하였습니다. 이는 기존 메타표면 홀로그래픽 저장 장치에선 불가능했던 것으로, 연구팀은 영화표준에 준하는 초당 25 프레임의 홀로그램 영상을 단일 저장 장치를 통해 재생하는 데 성공하였습니다.

이번 연구는 기존 메타표면 홀로그래픽 장치의 저장 용량을 획기적으로 증가시켜, 최고 용량의 메타표면 디지털 홀로그래픽 저장장치를 구현함으로써 더 작은 장치로 더 많은 정보를 저장할 수 있음을 보였습니다. 이 기술은 가상·증강 현실을 위한 3차원 홀로그램이나 홀로그래픽 비디오를 구현하거나 아주 높은 보안 수준을 가지는 위변조 방지 기술 등에 활용될 수 있을 것으로 기대됩니다.

본 연구는 ‘Complex-amplitude xxxxmetaxxxxsurface-based orbital angular momentum holography in momentum space’ 라는 제목으로 나노분야 국제 학술지인 ‘Nature Nanotechnology’에 게재되었습니다.

¹ 궤도각운동량: 회전하는 물체의 회전 운동의 세기(회전운동량). 전기장의 공간분포에 의해 결정되는 빛의 각운동량의 성분으로, 빛의 진행축을 원점으로 생기는 나선형의 파면에 따라 그 값이 결정된다. 예를 들어, 궤도각운동량이 0이면 모드가 나선형의 파면을 갖지 않는 평면파이고, 절대값이 1인 경우는 모드의 파면이 360도를 기준으로 한번, 절대값이 n일 경우 파면이 n번 회전하는 특징을 가진다. -1과 1만을 경우의 수로 가지는 빛의 스핀 각운동량과는 다르게, 궤도각운동량은 이론적인 한계값이 존재하지 않는 특성을 가진다.

[글로벌 장학생 리포트] 유성관 장학생의 Journal of Integrative Plant Biology 학술지 게재 논문 해석 칼럼

안녕하세요, 저는 연세대학교 생명시스템대학에서 식물분자생물학을 전공하고 있는 박사과정 재학생 유성관입니다. 저는 현재 통합과정 10학기에 재학 중이며, 아쉽게도 이번 학기를 끝으로 현대차 정몽구 재단과의 인연을 마치게 되었습니다만, 그 마지막 학기에 온드림 글로벌 우수장학생으로 선발이 되어 이렇게 저의 연구 결과를 장학생 여러분들께 공유할 수 있게 되어 다행입니다. 저는 학위 과정 동안 식물의 건조 스트레스 내성 반응에 대해 연구해왔습니다.

식물은 고착성 생물로서, 다양한 환경적 위협에 처했을 때 단순히 이동하는 것으로 위험을 회피할 수 있는 동물과 달리, 있는 자리에서 일생 동안 여러 스트레스를 견뎌내야만 합니다. 따라서 고등식물들은, 고온, 고염, 중금속 및 건조 스트레스 등의 다양한 환경 스트레스에 저항할 수 있는 다양한 메커니즘들을 진화해 왔습니다. 이러한 스트레스 중 가장 심대한 위협이 바로 가뭄, 혹은 건조 스트레스입니다. 실제로 가뭄과 이로 인한 물부족 및 고염화로 인한 건조 스트레스는 전 세계적으로 50% 이상의 경작지에서 농업 생산성을 감소시키는 것으로 알려져 있습니다.

제가 이번에 발표한 논문은 모델식물인 애기장대 유전자 중, 이러한 건조 스트레스에서 기능하는 DRR1 (Drought Responsive RING 1)의 동정 및 기능 분석에 관한 것입니다. 특정 조건에서 유전자의 발현 변화를 관측 가능한 RT-PCR 기법을 통해 저는 우선 DRR1 유전자의 발현이 건조 및 건조 스트레스에 주요한 역할을 하는 식물의 스트레스 호르몬인 앱시스산(ABA) 처리 조건에서 증가하는 것을 관찰하였습니다. 그리고 DRR1의 생리학적 기능을 알아보기 위해 DRR1 유전자의 발현이 불가능한 돌연변이 식물체를 제작하였는데, 이를 위해 전통적 방식인 및 RNA간섭(RNA interference) 기법과 함께 가장 최신 기술인 크리스퍼 유전자가위 기법(CRISPR-Cas9)을 이용하였습니다. 이렇게 제작된 DRR1 돌연변이 식물체들은 야생종에 비해 건조 스트레스 조건에서 크게 저하된 생존율을 보였으나, 일반적으로 가뭄에 약한 식물들이 보이는 현상인, ABA 매개 기공 조절¹이나 수분의 상실 정도는 야생종과 별반 다르지 않았습니다. 

건조 스트레스는 식물에게 단순한 수분의 손실 외에도 단백질이상스트레스(Proteotoxic stress)² 또한 가하게 됩니다. DRR1 돌연변이 식물체에서는, 건조 스트레스 조건에서 이렇게 축적되는 이상단백질의 양이 야생종에 비해 현저히 많았으며, 이러한 이상단백질을 분해하는 시스템인 UPS (Ubiquitin Proteasome System)의 기능 또한 줄어들어 있었습니다. 따라서 저는 DRR1의 기능은 건조 스트레스 상황에서 일반적으로 알려진 기공 조절 등의 수분 상실을 막는 것이 아닌, 상대적으로 그 메커니즘이 덜 밝혀진 UPS를 통한 이상단백질의 양을 조절하는 것임을 결론지을 수 있었습니다.

본 연구는 제가 5년 전 처음 연구실에 들어왔을 때 시작했습니다만, 도중에 다른 연구로 인해 보류해 두었다가 졸업을 앞둔 지금 다시 마무리하여 저널에 투고할 수 있었기 때문에 애착이 가장 많이 갑니다. 아무것도 모르는 1학기 때 시작하여, 조금은 연구를 안다고 말할 수 있는 10학기 때에 이르기까지 저의 학위 과정을 함께한 연구 주제가 이렇게 결실을 맺어 식물학 분야 상위 10% 이내에 드는 우수 저널인 Journal of Integrative Plant Biology에 게재될 수 있었던 것은 현대차 정몽구 재단의 꾸준한 지원 덕분이라 생각합니다. 추후 저는 식물분자생물학 연구에 더욱 정진하여 건조 스트레스 저항성을 지닌 유용 작물 개발 및 식물 시스템을 이용한 치료용 항체 생산 기법 개발 등 사회에 실질적인 도움이 될 수 있는 연구자가 되고자 합니다.

¹ 건조 조건에서 식물은 ABA의 작용을 통해 기공을 닫아 수분의 손실을 최소화합니다.

² 단백질의 3차원적 구조가 교란되어 제대로 기능할 수 없는 상태