초록
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문서암호 : www.kosen21.org
요 약 문
1. 동향조사의 목적 및 필요성
최근 미국 MIT 대학에서는 2003년 테라헤르츠 기술은 미래를 바꿀 수 있는 10대 기술중의 하나로 선정한 바 있고, 일본에서도 향후 10년동안 국가전략 기술 개발 사업중 하나로 지정한 바 있다. 현재 테라헤르츠 기술은 물리, 화학, 생물학, 의학 등 기초 과학 분야뿐만 아니라, 국가 안전 보장을 위한 마약, 폭발물, 생화학무기 등을 감지하고 X-ray 와 함께 공항 수하물을검색하고, 산업 구
문서암호 : www.kosen21.org
요 약 문
1. 동향조사의 목적 및 필요성
최근 미국 MIT 대학에서는 2003년 테라헤르츠 기술은 미래를 바꿀 수 있는 10대 기술중의 하나로 선정한 바 있고, 일본에서도 향후 10년동안 국가전략 기술 개발 사업중 하나로 지정한 바 있다. 현재 테라헤르츠 기술은 물리, 화학, 생물학, 의학 등 기초 과학 분야뿐만 아니라, 국가 안전 보장을 위한 마약, 폭발물, 생화학무기 등을 감지하고 X-ray 와 함께 공항 수하물을검색하고, 산업 구조물 및 수송용 선박 적재물 등을 비파괴적으로 검사하는 등 국방, 국가안보 용으로도 광범위하게 활용될 것으로 기대하고 있으며, 테라헤르츠의 기술적 타당성은 2004년 개최된 미국 에너지부 (DOE), 국가과학위원회(NSF), 국립보건원 (NIH)의 워크숖을 통하여 입증된 바이다. 또한 2002년부터 미연방정부의 향후 중점 연구과제로 채택된 나노테크놀로지 및 T-ray 라고도 불리우는 테라헤르츠 기술의 생명 공학에의 이용 연구에 관한 연구 및 응용 분야에 대해 관심이 커지고 있으며, 전국적으로 분포되어 있는 농무부 (USDA) 산하 연구소는 물론 국립보건원 (NIH), 식품 의약청 (FDA), 환경청 (EPA), 국방부 (DOD), 에너지부 (DOE), NSF 등 생명 공학 연구를 수행하고 있는 중요 정부기관과 미국의 RPI대학, 일본의 RIKEN 및 영국의 TeraView 등 새로운 테라헤르츠 기술의 생명공학에의 응용 분야 (특히 Biomedical 및 Biosecurity)에서 수행되고있는 테라헤르츠기술 개발에 관한 연구 내용을 수집, 분석하여 보고하였다. 한국에서도 새로운 기술로서 그 응용 범위가 방대한 테라헤르츠기술의 개발을 위한 연구 사업이 필요하며, 본 조사 보고서는 테라헤르츠에 관한 기술 개발은 물론, 테라헤르츠 기술의 생명공학에의 응용에 관한 연구 수행을 위한 기초 자료로서 유용할 것이다.
2. 동향조사의 내용 및 범위
테라헤르츠는 마이크로파와 원적외선파의 사이에 해당하는 전자기파 (Electromagnetic) 파장대로, 의학 분야에서 이미 입지를 굳힌, X-ray와는 달리 미개척 분야이며, 그 사용 범위 및 과학 기술계, 특히 바이오 테크놀로지 응용 분야로는 많은 발전 가능성이 있는 새로운 기술 분야로, 미국, 일본, 유럽 등 지에서도 최근에서야 본격적인 연구가 시작 되어지고 있는 신기술이므로, 본 조사 연구 결과를 활용하면, 한국에서도 테라헤르츠 연구 분야에 많은 성과가 있을 것으로 사료된다. 또한 현재 국가 주요 정책 지원 연구 과제인 나노 생명 공학 기술과 접목하면, 생명 공학분야에 새로운 기술을 개발함으로써, 과학 기술에 관한 국가 경쟁력을 갖출 수 있을 것이다. 따라서, 본 조사 사업에서는 현재 미국을 포함한 선진국에서 연구중인 테라헤르츠 연구 분야중 생명 공학 분야의 응용 가능성에 관한 분야에 초점을 맞추어 정보 내용을 분석하여 연구 현황과 연구 결과에 대해 조사하였다.
테라헤르츠 기술에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있는 연구 기관 방문 및 연구 책임자와의 면담, 그리고 수집된 자료를 분석 정리하여 테라헤르츠 기술개발 현황에 대해 상세히 설명하였다. 본래 테라헤르츠 기술의 바이오 테크놀로지에의 응용에 관한 내용, 구체적으로, 테라헤르츠의 식품 병원균 및 부패여부 감지, 테라헤르츠의 식품 보존 및 추정 확인을 위한 기술개발, 테라헤르츠의 분자 및 세포 생물학에의 응용, 테라헤르츠의 나노생물 신소재 응용, 그리고 테라헤르츠의 환경, 바이오에너지 및 농업 부산물에의 응용 기술 등이 조사 내용으로 포함될 예정이었으나, 본문에 기술한 바 같이 테라헤르츠 기술에 대한 연구는 전세계적으로 아직 시작 단계 며, 각 국에서도 테라헤르츠 기술에 관한 기본적인 연구를 수행하고 있는 단계로 아직 생명공학에의 응용은 T-rays 를 이용한 의공학분야의 시작 단계를 제외하고는 아직은 이른 실정이다. 따라서 본 조사 보고서에서는 현재 세계 각 국에서 수행되고 있는 테라헤르츠 관련 연구 내용과 추후 중점 연구 관심 분야에 대한 조사 내용을 포함하고 있다.
위에 열거한 연구 분야를 중심으로 새로운 바이오테크놀로지 및 식품 및 의약품 시스템을 포함한 생명 공학분야의 응용 가능성을 제시하고, 테라헤르츠 이미징을 이용한 가축 질병의 정밀 진단, 약물 스크리닝, 식품 모니터링, 수질 측정, 동식물의 건강 모니터링 및 영양조절, 그리고 환경 보존 및 관리에 이용할 수 있는 새로운 응용 분야에 이용될 수 있을 것이다. 또한, 테라헤르츠 기술을 생물 시스템에 응용하여 생체내의 약물 작용을 모니터링하고, 암세포와 같은 특수 세포를 감지할 수 있는 기술에 대해서도 조사하였다. 이밖에, 테라헤르츠 기술을 핵산 바이오 엔지니어링에 응용하여 새로 개발된 물질을 측정하기 위한 식량 시스템의 응용 분야에 사용될 수 있으며, 바이오 분석용 센서로서 테라헤르츠 기술을 응용하여 생물체내의 극소량의 화학적 부패, 바이러스, 박테리아 등을 신속히 감지해낼 수 있는 생물학적 센서로 이용할 수 있으며, 생물학적 측정 장치와 결합하여 새로운 생체 시스템 진단용 센서로의 이용이 가능하다.
3. 동향조사 결과 및 응용
1) 생물공학에서의 테라헤르츠 응용
생물 공학에서 THz응용 분야로는 우선 단백질 운동에 대한 생물학적 관점의 상호 작용에 있어서 THz의 역할을 설명할 수 있다. 아미노산의 특수 기능을 갖는 국소화된 진동 모드는 적외선 영역에서 펨토 second 에서 1/10 펨토 second 의 시간에 걸처 발생하며 화학적 정보를 교환한다. 한편 나노 second 에서 수 밀리 second 에 걸쳐 발생하는 단백질 접힘과 같은 구조적 동력학은 생물학적 정보 교환으로 간주된다. 두가지 극단 사이에 1/10 펨토 second 에서 피코 second 동안 저주파수 분자내 및 분자간 모드와 피코 second 에서 1/10 피코 second 동안 발생하는 구조 모드가 있는데, 이들 중간 모드는 THz 스펙트럼 영역내에 해당되며, 두 극한 영역을 연결해 주는 역할을 담당한다.
게놈 프로젝트 등의 발전에 힘입어 생체 분자의 기본 분자 구성 블록은 이미 알려져 있다. 그러나, 생체 분자나 나노기계가 갖고있는 특이성과 제어 기능에 관해서는 알려진 바가 거의 없으므로, 단백질의 펴짐(unfolding) 및 잘못 접힘 (misfolding) 기능 등의 과정은 THz 영역 연구에 적합하다.
단백질 구조 및 동역학 연구를 위한 THz 이용으로는 단백질 결정 형태에서 THz 스펙트럼을 이용하여 아미노산을 구분할 수 있다. 현재의 1차원 구조 연구는 장차 2차 및 3차원 구조로 확대되어 그 응용 범위가 다양해질 것이다. 예를 들면 알파 나선의 진동 주파수에 대한 이론적 예측 연구가 주를 이루었으나, 앞으로는 선형 및 비선형 THz 분광법을 이용하여 밀리 second에서 피코 second 에 이르는 다양한 시간대에서 동역학을 연구할 수 있다.
최근 발표된 DNA 동역학 연구 자료에 의하면, 단일 및 이중 가닥을 갖는 DNA 순서를 탐지할 수 있는 가능성을 제시하였다. 이 연구 결과를 응용하면 DNA 를 이용한 센서를 개발할 수 있다. 즉 각 DNA 염기쌍의 THz 스펙트럼을 측정하여 DNA의 동역학적 특성과 전도성과의 상관 관계를 규명할 수 있다.
생물체내의 세포 영상을 수집하기 위한 THz응용으 는 다음과 같다. 근접장 탐침과 THz기술을 결합하여 세포내에서 분자 복합체의 THz 분광법은 단백질-단백질 상호작용의 중요한 정보를 제공하며, 이는 세포에 포함된 단백질과 그 상호 작용을 연구하는 분야로 최근에 연구가 활발히 이루어지고 있는 프로테오믹스 분야에 매우 중요한 역할을 담당하고 있다.
한편, 핌프 프로브 분광학 및 비선형 분광학을 위한 THz 응용으로는 한 주파수에서 특정 모드로 에너지를 유도하여 시간 함수로 추적한 후 다른 모드에서의 에너지 변화를 펌프로 주입하여 반응 속도를 관찰할 수 있다. 예를 들면, X-선과 동시에 THz 를 이용하여 단백질의 특정 집단 모드를 이끄는 대규모 하위 나노 second 동역학으로 알려진 미오글로빈 등 단백질의 시간 분해 X-선 회절 실험을 수행할 수 있다.
2) 의학분야에서의 테라헤르츠 응용
의학분야의 THz의 응용으로는 대표적으로 의료용 THz (T-ray) 이미징을 들 수 있다. 100 GHz 에서 20 THz 범위의 THz 파는 현재의 영상 기술과는 다른 의료용 고해상도 분해능 (100 마이크로이하)을 갖는 영상을 제공한다. T-ray 이미징 기술은 MIT 대학 연구팀이 미래의 기술을 이끌어갈 10 대 분야중 하나로 선정한 바있으며, 최근에 펄스및 CW THz 광원을 사용하는 다양한 영상 시스템에 대한 연구가 보고된 바있다. 테라헤르츠는 물에 강하게 흡수되지만, 생체 조직의 수분, 구성 및 화학적 함량의 차이가 실제로 대비 메커니즘에 영향을 줄 수 있다. 치아, 피부, 유방 및 신체 장기에대한 조영 촬영 연구 결과 THz 영상은 다른 의료용 영상보다 탁월한 효과를 나타내 미래의 의료 영상 진단 기술로 각광을 받을 것으로 예상된다. 영국 캠브리지에 소재한 TeraView 회사에서는 최근 T-ray 영상 촬영기를 개발하여 진단 도구로서의 기술적 가능성을 입증하였다. THz 영상은 피부의 기저 세포 암종을 보여주며, 광 도성 광원과 탐지기로 얻을 수 있는 띠 모양의 넓은 반사 THz 신호를 나타낸다. TeraView 사 외에도 PicoMetrix 사와 Nikon 사에서도 THz 기술의 상용화에 관한 연구를 수행하고 있으며, 장차 성능이 뛰어난, T-ray 이미징을 이용한 의료장비가 상용화 될 것이 확실시 되고 있다.
의학 분야에 응용되는 테라헤르츠 이미징 (T-rays Imaging) 기술을 좀더 상세히 알아 보면 다음과 같다. THz 파장은 수분 함량에 따라 생체 조직에서 깊이 약 2센티 미터 정도의 정보를 제공할 수 있다. 다파장 펄스 구조는 생물계내의 필요한 정보를 제공해준다. 영상 정보는 수분 함량과 주변 환경의 영향에 따라 달라지며, THz 기술을 이용하면 보다 상세한 정보를 얻을 수 있다. 최근 영국 캠브리지 소재 TeraView 회사에서는 THz 영상 시스템을 판매하고 있다. TeraView 에서 실험한 데이터는 이미지 생성을 제어하는 요소를 실제적으로 조사할 수 있으며, THz 영상을 이용한 내시경 응용을 가능하게 하였으며, 개선된 영상 알고리즘을 이용하여, 영상의 해상도를 향상시키게 되었다. 또한 소형의 통합형 THz 트랜스리시버와 결합한 광섬유를 사용하여 보다 정교한 내시경을 개발할 수 있으며, 이를 이용하면, 질병에 관련된 생물학적 표시 식별기능을 갖는 암 스크리닝 테스트와 조기에 감지할 수 있는 시스템 개발에 응용될 수 있다. 그러나, T-ray 이미징의 기술적 타당성에도 불구하고, 아직은 개발 초기 단계에 있어, 최적의 영상 정보를 얻기 위해서는 많은 연구 개발이 절실히 요구되는 단계이다.
테라헤르츠 기술의 상업화를 위한 연구개발 현황을 살펴보면 다음과 같다. 해상도가 높은 THz 영상을 얻기 위해서는 광원, 펄스 발생장치, 영상처 알고리즘, 감지기와 이에 대한 매카니즘을 이해하는 것이 매우 중요하다. 현재는 100 GHz 에서 4 THz에 이르는 광원을 사용하고 있으나, 발생되는 전력, 펄스 형상 및 작동 변수를 조절함으로써 시스템 성능을 향상시킬 수 있다.
현재 사용되고 있는 THz 영상 시스템은 피크 전력 킬로 와트와 평균 전력 마이크로 와트를 이용하고있으며, 새로운 광원을 개발하여 펄스 구조와 작동 매개변수를 개선하면, 보다 해상도가 높은 시스템을 개발할 수 있다. 세포 조직에 반응하는 THz 파는 물의 흡수와 Debye theory를 근거로한 모델링을 기반으로 하고있다. 테라헤르츠파 전파에 관한 화학적 반응 및 영향은 아직 확실하게 밝혀지지 않고 있다. THz 영상은 조직내의 막결합수, 세포내의 층의 차이에 의해 영향을 받으며, 조직내 깊은 층에서의 광원, 펄스 순서, 그리고 영상정보 알고리즘을 개발함으로써 개선될 수 있다. 테라헤르츠 기술의 상용화를 통하여 광원이 개선되고 비용이 절감됨으로 의학 영상 응용 분야로 이용 범위가 확대될 것이다. 현재 기술 수준으로는 영상 모드선택, 최적의 펄스 순서 규정 및 최적의 탐지기 개발은 아직 이루어지지 않은 상태이나, 차동 및 분광 영상에 다중 파장을 사용하면, 많은 추가 정보를 얻을 수 있는 장점이 있다. 생체 조직의 THz 영상수집은 신뢰도가 높은 데이터베이스를 개발하는데 우선 순위를 두어야하며, 새로운 광원을 이용한 고해상도의 영상 정보를 수집하고, 필요한 영상 알고리즘의 개발도 병행되어야 함은 물론이다. 복합 입력신호, 조직의 이질성, 조직의 흡수 및 산란 특성은 영상이 탐지기에 도달하는 에너지 변화에 영향을 미치므로, 전달 과정의 모델링 (Ray analysis) 을 통해 효과적으로 필요한 영상을 재구성할 수 있다. 현재 기술로는 단일 장을 이용하여 100 마이크로 미터로 3 내지 4분이내에 5 x 7 cm의 조직을 스캐닝할 수 있다. 한편, 탐지기의 효율성이 높아짐에 따라 적은 에너지를 사용하여 고해상도의 영상을 수집이 가능해졌다.
3) 의약품 개발 분야의 테라헤르츠 기술 응용
THz 분광법을 이용하여 의약품 연구를 수행하고 있으며, 구체적으로 약물의 다형체를 식별하여 구분하는 기술이 개발되었다. 테라헤르츠 분광법은 Raman 분광법을 보완하여 플라스틱 포장재를 투과하여 수 밀리 second안에 스펙트럼을 얻을 수 있다. 따라서, 약물의 보존 수명을 연장하고 오염된 약물을 식별하는데 THz 기술은 중요한 역할을 담당할 것이다. 이 기술을 이용하면, 단일 리피드나 단백질 등 생물분자 연구와 신약 개발에도 많은 도움이 될 것이다. THz 분광법의 발전으로 약물의 효능을 크게 개선함은 물론 안전도 및 효능이 승인된 약물에 대한 모방 제품을 식별해 내는데도 커다란 역할을 할 것으로 기대된다.
4) Quasi-Optic 테라헤르츠 이미징 기술
미국 오클라호마 대학 레이저 광학 연구소에서는 THz 방사선의 반사 펄스를 이용하여 Quasi-optical, Diffraction-limited 2차원 영상을 수집하는 장치를 개발하는데 성공하였다. 원형 거울을 이용하여 두개의 1-mm 직경의 철공 모양의 THz 탐지기를 설계하여, Diffraction-limited Spatial 해상도와 THz 펄스규모의 해상도를 동시에 관찰할 수 있었다. 한편, 호주 의공학 연구소에서는 테라헤르츠 영상 시스템의 의학용 이용에 관한 장,단점을 분석하였으며, 구체적인 THz 파의 의학용 이용과 영상처리 알고리즘을 이용한 개선 방안에 대한 연구 결과를 발표하였다.
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