KAIST의 다양한 연구

뇌 속 자명종 신경회로 발견

사진 1. 뇌인지과학과 김대수 교수.

KAIST 생명과학과 김대수 교수 연구팀이 한국과학기술연구원(KIST) 김정진 박사팀과의 공동연구에서 동물이 잠을 자는 동안에도 소리에 반응해 각성하는 원리를 규명했다. 수면은 뇌의 활동을 정비하고 건강을 유지하는 매우 중요한 생리작용이지만, 잠을 자는 동안 감각신경의 작용이 차단되므로 주변의 위험을 감지하는 능력이 떨어진다. 그러나 많은 동물은 잠자는 동안에도 포식자의 접근을 감지하고 반응한다. 이에 대해 연구자들은 동물이 깊은 잠과 얕은 잠을 번갈아 자면서 언제 있을지 모를 위험에 대비한다고 추측했다.

연구팀은 깊은 잠을 자는 동안에도 동물이 소리에 반응하는 신경회로가 있다는 사실을 발견했다. 깨어 있을 때는 청각 시상핵이 소리에 반응하지만, 깊은 잠, 즉 비 램수면 (Non-REM) 동안에는 배내측 시상핵이 소리에 반응해 뇌를 깨운다는 사실이다.

연구 결과 쥐가 깊은 잠에 빠졌을 때 청각 시상핵 신경도 잠을 자고 있었지만, 배내측 시상핵 신경은 깨어 있어 소리를 들려주자 곧바로 반응했다. 또 배내측 시상핵을 억제하면 소리를 들려줘도 쥐가 잠에서 깨어나지 못했으며, 배내측 시상핵을 자극하면 소리 없이도 쥐가 수초 안에 잠에서 깨어나는 것을 관찰할 수 있었다.

이는 수면상태와 각성상태가 서로 다른 신경회로를 통해 청각신호를 전달 할 수 있다는 최초의 연구로서 국제 학술지 ‘커런트 바이올로지(Current Biology)’에 2월 7일 자로 보고 됐으며 국제학술지 ‘네이처’에 하이라이트로 소개됐다.

약물 상호작용 예측하는 FDA 수식의 부정확한 원인을 찾다

사진 2. 송윤민 KAIST 박사과정생(왼쪽 첫 번째)과 김재경 교수(왼쪽에서 세 번째).

KAIST 수리과학과 김재경 교수 연구팀은 채정우·김상겸 충남대 약대 교수팀과 공동으로 미국 식품의약국(FDA)이 사용을 권장하는 약물 상호작용 예측 수식이 부정확했던 원인을 규명하고, 정확도를 2배 이상 높인 새로운 수식을 제시했다. 두 가지 이상의 약을 동시 복용하면, 약물 상호작용(DDI) 때문에 약효가 달라질 수 있다. FDA가 발행한 가이던스에서는 약물 상호작용을 평가하여 부작용을 최소화할 수식을 제시해 약물 상호작용을 간접적으로 평가하도록 권고한다. 그러나 해당 수식은 약물 대사에 관여하는 체내 효소의 농도가 낮다는 것을 전제로 하는 ‘미카엘레스-멘텐 식’을 기반으로 하여 정확도가 떨어진다는 문제가 있었다.

연구팀은 실제 간에서 약물 대사에 관여하는 효소 농도는 예측에 사용돼 온 값보다 1000배 이상 높은 것으로 확인해 기존 FDA 수식이 부정확한 원인을 찾았다. 또 수학-약학 협력 연구를 통해 약물 상호작용을 설명할 수 있는 새로운 수식을 개발했다. 의심 없이 사용돼 온 기존 식 대신 효소의 농도에 상관없이 정확하게 약물의 대사 속도를 예측할 수 있는 새로운 수식을 유도한 것이다. 그 결과, 인위적인 보정 없이도 약물 상호작용을 예측한 비율이 80%에 달해 기존 FDA 수식보다 정확도가 2배 이상 증가했다.

김재경 교수는 “수학과 약학의 협력 연구 덕분에 당연히 정답이라고 생각했던 수식을 수정하고, 인류의 건강한 삶을 위한 단서를 찾을 수 있었다”며 “미국 FDA 가이던스에 ‘K-수식’이 들어가길 꿈꿔본다”고 말했다.

도심에서 무력화 가능한 안티드론 기술 개발

사진 3. 드론 무력화 기술의 원리.

KAIST 전기 및 전자공학부 김용대 교수 연구팀이 도심에서 사용이 가능한 협대역 전자기파를 원격에서 드론의 회로에 주입해 드론을 즉각적으로 무력화하는 안티드론 기술을 개발했다.

연구팀은 드론 제조사의 제어 유닛 보드가 전자파 주입에 따라 민감도가 다르다는 것을 발견했다. 그리고 제조사별로 수집된 민감도를 극대화한 주파수를 분석해, 매우 좁은 대역의 협대역전자파를 주입해도 원격에서 드론을 즉각적으로 무력화시킬 수 있음을 입증했다.

이렇게 좁은 대역의 특정 주파수로 전자파를 주입하면 주변 전자 장치에 미치는 영향을 최소화할 수 있어 도심에서도 쓸 수 있다. 이뿐만 아니라 같은 제어 유닛 보드를 사용하는 드론들을 이용한 군집 드론 공격 시 이들 드론을 동시에 추락시킬 수 있다. 즉, A 기종을 사용하는 100개의 적 드론과 B 기종을 사용하는 100개의 아군 드론이 동시에 비행하고 있을 때, 아군 드론은 전혀 영향을 받지 않으면서 100개의 적 드론을 모두 격추할 수 있다.

김 교수는 “원천 연구가 이제 끝난 시점이고 실용화 연구를 통해 실제 제품 개발까지 이어질 수 있을지 확인해야 한다”며, “추가로 제어 유닛 보드와 관성 계측 장치 센서 간의 통신 회로뿐 아니라 다른 회로의 취약점에 관한 연구도 필요하다”고 말했다.

머리카락 굵기의 1/100보다 작은 초고해상도 디스플레이 픽셀 구현 기술 개발

사진 4. 헬륨 집속 이온 빔을 조사해 마이크로 발광 다이오드에 픽셀을 만드는 기술의 원리.

KAIST 물리학과 조용훈 교수 연구팀이 집속 이온 빔을 이용해 평균 머리카락 굵기(약 100 마이크론)의 100분의 1보다도 작은 0.5 마이크론 규모의 픽셀을 구현할 수 있는 초고해상도 발광 다이오드(LED) 디스플레이 핵심 기술을 개발했다.

현재 초고해상도 LED 디스플레이의 픽셀화는 픽셀 주변의 영역을 물리적으로 깎아내는 식각 방법을 사용한다. 이 방법은 주변에 여러 결함이 생겨, 픽셀이 작아질수록 누설전류가 증가하고 발광 효율이 떨어지는 부작용과 픽셀화를 위한 복잡한 공정이 필요하다는 단점이 있다.

연구팀은 집속 이온 빔을 이용해 복잡한 전·후공정 없이도 마이크로 규모 이하의 크기까지 픽셀을 만들 수 있는 기술을 개발했다. 집속 이온 빔을 맞은 부분에서는 발광이 급격히 줄어들고 국소적인 저항이 대폭 증가했고, LED 표면을 평평하게 유지하면서도 광학적, 전기적으로 격리돼 개별적으로 작동하는 픽셀화가 가능해졌다. 물질 표면에 구조적 변형을 일으키지 않고, 발광하는 픽셀 모양을 자유자재로 설정할 수 있게 된 것이다.

조 교수는 “차세대 초고해상도 디스플레이와 나노 광전소자에 응용될 수 있는 기반 기술이 될 것”이라고 말했다.