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Next tech 2030
뇌의 질병 리스크, 양자 센서로 측정
도쿄공업대학, 제조기술∙의료로의 응용 연구

뇌와 신경의 미세한 활동도 검지할 수 있는 ‘양자 센서’에 대한 연구가 주목 받고 있다. 양자 기술로 자기장 등을 측정해 보다 정밀하게 체내에서 일어나고 있는 변화를 파악하는 연구이다. 미국과 유럽에서도 연구가 활발히 추진되고 있는 가운데 일본에서는 도쿄공업대학이 질병의 해명과 신약 개발 지원을 위해 연구를 서두르고 있다. 일본의 강점 분야인 소재 및 디바이스 기술을 도입해 세계를 리드해 나간다는 전략이다. 2030년경에는 우리 몸 속에서 일어나는 현상들을 간단한 방법으로 정확하게 파악할 수 있게 될지도 모른다.

‘모자와 같은 형태의 장치를 착용하면 뇌의 활동이 영상으로 표시된다’. 양자 센서가 실현된다면 뇌와 신경에 흐르는 전류로 인해 발생되는 미세한 자기장을 쉽게 측정할 수 있어, 치매나 뇌졸증 등의 리스크를 간단히 검사할 수 있을 것이다. 연구 개발에 도입될 경우 새로운 치료법이나 치료약 개발로 이어질 가능성도 있다.

뇌와 신경의 활동을 알기 위해서는 미세한 자기장의 변화를 정확하게 파악해야 하지만 현재 이를 위해서는 초전도를 응용한 대형 장치가 필요, 생체 내의 미세한 활동을 조사하기는 어렵다.

양자 센서는 주로 물질 내의 전자 등이 가진 양자 상태를 응용해 매우 미세한 자기장 및 온도 등의 변화를 파악한다. 전자의 상태는 외부 변화에 민감하게 반응한다. 양자 센서를 다이아몬드로 만들 경우 양자의 상태를 실온에서 조작하거나 탐독할 수 있기 때문에 안정적이다.

다이아몬드를 양자 센서로 만들기 위해서는 다이아몬드의 결정을 구성하는 탄소를 1개 누락시켜 구멍을 만들고 그 옆을 질소로 바꾼다. 이와 같은 탄소 구조 속의 질소 원자와 공격자점 (vacancy)의 연합으로 다이어의 표면에 고밀도로 만들어 감도를 높이는 기술 등을 개발해왔다. 불소와 수소가 함유한 초 미량의 시약들을 조사한 결과, 각각에서 원자 특유의 미세한 자기를 검지할 수 있었다.

또한 세포에 작은 자성을 가진 입자를 결합시켜 움직임을 관찰하는데 성공했다. 하타노(波多野) 교수는 “미래에는 체내에 자성을 가진 입자를 주입해 암의 전이 과정 등을 조사하고 싶다”라고 말한다.

유럽과 미국에서도 양자 센서에 대한 연구가 활발하다. 유럽에서는 2018년부터 시작된 대규모 양자 기술 연구프로젝트에서 양자 컴퓨터와 양자 통신 등과 함께 센서 연구도 추진되고 있다. 미국에서는 군사적 응용도 염두에 두고 미국국방총성의 방위고등연구계획국(DARPA) 등이 연구를 추진하고 있다.

일본에서는 문부과학성이 주도하는 프로그램(Q-LEAP)의 일환으로 2018년부터 양자 센서 연구가 추진되고 있다.

프로젝트 중 하나를 담당하고 있는 하타노 교수는 “일본이 가진 소재 및 디바이스 제조 기술의 강점을 살려 기업과 연대해 연구를 추진해나갈 계획이다”라고 말한다. 우선은 5년 후에 작은 동물을 대상으로 뇌의 활동을 측정하는 기술 확립, 이후, 인간의 뇌를 대상으로 실용화하는 것을 목표로 한다.

-- 전기자동차로의 응용도 시야에 넣어 --
다이아몬드 양자 센서는 전자기기나 반도체소자 내부의 전류 및 온도를 측정하는 용도로도 기대되고 있다. 전류가 일부에 집중하거나 온도가 상승할 경우, 오류나 파손으로 이어질 수 있다. 지금까지 내부 상태를 파악할 수 있는 방법은 없었다. 그러나 다이아몬드 양자 센서를 이용한다면 내부를 열을 관리하는 구조로 설계하거나, 사용 시의 온도 및 전류 상태를 항상 관리할 수 있게 된다.

다이아몬드 양자 센서의 핵심이 되는 질소와 공격자점은 한 쌍만 있거나 복수 병렬일 경우에도 그 기능은 같아 용도에 따라 센서의 크기와 감도를 바꾸는 등 유연하게 대응할 수 있고, 한 개의 센서로 전류와 온도를 동시에 측정할 수 있다는 점도 특징이다.

도쿄공업대학 등은 전기자동차로의 응용도 목표로 하고 있다. 다이아몬드 양자 센서로 지금까지의 센서보다 차량 전체에 흐르는 전류를 100배 이상 정확하게 파악할 수 있게 된다면 배터리 잔량을 높은 정밀도로 계산해 실제 주행 거리를 10% 늘릴 수 있을 것으로 기대하고 있다. 탑재된 배터리 내부에서 전류 및 온도를 측정할 수 있게 된다면 이상이나 노후화의 조기 감지에도 도움이 될 것이다.

다이아몬드 양자 센서의 실용화에는 센서의 감도를 높여야 할 뿐만 아니라 용도에 따른 소형화나 및 집적화가 과제이다. 초기에는 대형 실험 장치가 필요했지만 지금은 볼펜 크기까지 소형화되었다. 하타노 교수는 “앞으로 칩 크기까지 줄이는 것을 목표로 하고 있다”라고 말한다.

▶ 다이아몬드 양자 센서의 연구 개발에 관한 동향
- 1997년: 센서가 되는 다이아몬드 내부의 한 쌍의 질소와 공격자점(vacancy)을 관측
- 2008년: 자기장 계측에 성공
- 2015년: 질소와 공격자점(vacancy)을 고밀도로 제작
- 2017년: 신경의 전기신호를 실시간으로 측정
- 2025년경: 작은 동물의 뇌 활동을 측정
- 2030년경: 사람의 뇌 활동을 측정

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