흔히 사용하는 헤어드라이어와 에어프라이어, 토스터 등 생활 가전이 눈에 보이지 않는 ‘초미세먼지’를 내뿜고 있다면? 환경공학과 김창혁 교수 연구팀이 소형 전열가전제품에서 배출되는 초미세먼지 입자의 물리화학적 특성과 잠재적 건강 영향을 규명한 연구 결과를 발표해 주목받고 있다. 

해당 연구는 일상생활에서 흔히 사용하는 소형 전열가전제품에서 발생하는 직경 100nm 이하 초미세먼지 입자(UltraFine Particles, UFPs)의 물리화학적 특성을 분석하고, 폐침적 시뮬레이션 결과 기반 나이에 따른 UFP의 건강영향을 다뤘다.

연구팀은 국내 온라인 쇼핑 사이트에서 판매순위 최상위권을 차지하고 있는 소형 전열가전제품을 종류별로 선정해, 일상생활 중 제품을 사용하며 사용자가 제품에서 배출하는 UFP에 노출되는 환경을 모사하는 실험장치를 구성했다. 부피 1㎥의 LDPE 모사챔버를 제작하고, 챔버 중앙에서 제품에서 배출한 입자를 실시간으로 샘플링해 측정하면서, 동시에 입자를 포집해 물리화학적 특성을 분석했다. 

※ 챔버(chamber): 연구실에서 실제 생활환경을 축소·재현하기 위해 만든 밀폐형 실험 공간.

기존의 초미세먼지 지표인 PM2.5(particulate matter, 직경 2.5 μm 이하 입자의 질량 농도)는 UFP와 같은 작은 입자의 건강영향을 과소평가할 수 있는 한계를 지니고 있다. 따라서, UFP 노출 지표로서 입자 수농도 크기분포(particle number size distributions, PNSDs)에 대해 U.S. EPA(U.S. Environmental Protection Agency, 미국 환경보호청)와 EEA(European Environment Agency, 유럽 환경청) 등에서 기준 측정시험법 제정 및 규제를 검토하는 등 국제사회의 관심이 높아지고 있다.

이에 연구팀은 SMPS(scanning mobility particle sizer)를 활용해 PNSDs를 실시간으로 측정하고, MPPD(multiple-path particle dosimetry) 입자 폐침적 시뮬레이션을 통해 연령대별 폐 모델에서 소형 전열가전제품 배출 입자의 노출 정도를 정량적 분석하고 비교했다.

관찰 결과, 헤어드라이어에서는 주로 직경 25nm 미만의 매우 작은 Nucleation mode 입자 배출이 지배적이었고, 에어프라이어와 토스터에서의 UFP는 상대적으로 큰 Accumulation mode 입자가 대다수 배출되는 경향을 보였다. Brushed DC motor와 Heating coil을 함께 사용하는 헤어드라이어는 Brushless DC motor(BLDC motor) 대비 배출입자 총수농도가 10~100배 높게 나타났으며, 에어프라이어와 토스터는 가전을 작동한 지 5분 안에 기하평균직경(Geometric mean diameter, GMD)이 빠르게 증가하고, 작동 온도를 높일수록 최종 총수농도 역시 큰 폭으로 증가했다. 

TEM-EDS 분석에서는 헤어드라이어 사용 중 구리와 티타늄 등 중금속과 Tarball 형태의 탄소성 입자가 확인됐는데, 이는 Brushed moder 내부에서 Brush와 정류자 간의 마찰로 인한 마모와 스파크 발생이 중금속 입자를 배출하고, 더불어 실내공기 중 고분자 입자가 헤어드라이어 흡기로 유입, Heating coil 주변에서 가열돼 불완전 연소를 거치며 발생한 것으로 보인다. 니켈이 주성분인 Heating coil에서 배출하는 입자는 PNSD 측정 결과와 같이 25nm 이하로 만들어지기 쉬우므로, TEM-EDS로는 직접 분석하기 어렵지만 PNSD로 존재 가능성이 매우 높음을 알 수 있었다. 

【소형 가전　사용 시 발생하는 초미세입자(UFP)의 생성·성분(금속/탄소계)과 폐 침착(어린이 > 성인) 특성】

MPPD 시뮬레이션에 따르면, 측정된 PNSD 범위의 UFP는 주로 폐포(Pulmonary) 영역에 대부분 침적되고, 기관지계(Trancheo-bronchial)에 약 4분의 1, 상기도(Head)에 나머지가 침적되는 경향을 보였다. 이 입자 폐침착 분포는 UFP가 폐와 기도를 중심으로 큰 영향을 미칠 수 있음을 의미하며, 일부는 후각 경로 등을 통해 중추신경계로의 전이도 가능할 수 있다는 점을 시사한다. 만약 폐세포 내에서 중금속이 용출돼 이온 형태로 전환될 경우 혈류를 통해 심장과 신장을 포함한 주요 신체 장기에 2차 영향을 줄 수 있으며, 성인 대비 폐의 체적이 적은 소아의 경우 성인보다 폐의 단위면적당 더 많은 입자 침적이 발생할 수 있어 건강영향이 급증할 수 있다.

이번 연구 결과는 실제 가정에서 널리 쓰이는 Brushed DC motor와 Heating coil 기반 소형 전열가전(헤어드라이어, 에어프라이어, 토스터)을 대상으로, 실시간 배출 입자 수농도 크기분포 측정과 오프라인 물리화학적 특성 분석, 그리고 MPPD 폐침적 시뮬레이션 결과를 종합적으로 판단해 UFP의 생성-성상-신체노출을 일관되게 추적하고 연령에 따른 입자 노출 특성 차이를 규명한 데 의의가 있다. 

특히 헤어드라이어의 모터 유형(brushed DC vs BLDC)에 따라 배출 UFP의 총수농도와 수농도 크기분포의 변화가 발생함을 체계적으로 비교분석함으로써, 소비자의 선택과 제조사 설계 개선 등에 직접 활용 가능한 근거를 제시했다.

김창혁 교수는 “이번 연구는 실내 공기질의 질적 개선을 위해서는 외부 유입 차단뿐만 아니라 내부 오염원 관리가 병행돼야 하고, 건강 취약성을 고려한 연령대별 맞춤 기준이 요구된다는 점을 시사한다”고 말했다.

해당 연구는 환경·보건 분야의 국제 저명 학술지인 『Journal of Hazardous Materials』 2025년 10월 15일자(Vol. 498)에 게재됐다.

환경공학과 김창혁 교수(교신저자) 연구팀에서 류근우 석사과정생, 김정빈 석박통합과정생(사회환경시스템공학과 환경공학전공, 공동 제1저자)이 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단의 우수신진연구와 디지털 기반 기후변화 예측 및 피해 최소화 사업의 지원으로 연구를 수행했다. 

- 논문 제목: Physicochemical characteristics and health impacts of ultrafine particles emitted from small home appliances equipped with heating coils and brushed motors(가열 코일과 브러시 모터를 장착한 소형 가전제품 배출 초미세 입자의 물리화학적 특성과 건강영향)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2025.139796　

* 상단 연구진 사진: 왼쪽부터 류근우 석사과정생, 김정빈 석박통합과정생, 김창혁 교수.

[Abstract]

Indoor air quality has a critical impact on human health due to the presence of indoor air pollutants. Small home appliances equipped with heating coils and brushed motors generate ultrafine particles that directly attack users. In this study, the physicochemical characteristics of ultrafine particles (UFPs) emitted from selected appliances sold in South Korea were investigated using online real-time aerosol instruments and offline analyses. The brushed motor-embedded hair dryers mostly produced nucleation-mode UFPs, while air fryers and toasters generated Aitken mode-size UFPs. In contrast, the two brushless motor-equipped hair dryers showed the lowest particle emission (at least 1.4 times lower) than others. Among the UFPs, distinct particles composed of copper, silver, or titanium were observed. Carbon-containing particles were also found, which could be produced by the incomplete combustion of organics in the inddor air. The MPPD model simulation showed that the mass per unit area of deposited particles in lungs were higher in children than adults. This implies that long exposure to UFPs emitted from small home appliances can cause unexpected health impacts and diseases more in children than adults. Regulation and test protocols for UFP emissions from home appliances are required to achieve clean indoor air quality for human health.

- Authors (Pusan National University): Geun-wu Ryu, Jeongbeen Kim, Changhyuk Kim (School of Civil and Environmental Engineering, Department of Environmental Engineering)

- Title of original paper: Physicochemical characteristics and health impacts of ultrafine particles emitted from small home appliances equipped with heating coils and brushed motors

- Journal: Journal of Hazardous Materials

- Web link: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2025.139796 

- Contact e-mail: changhyuk.kim@pusan.ac.kr

지구의 기후변화에 큰 역할을 하는 ‘메탄’은 해양 중층 해저 탄화수소 누출(hydrocarbon seeps)로부터 다량 용출된 뒤 대기로 유입돼 지구온난화를 가속한다는 것이 기존의 대표적인 가설이었다. 하지만 이를 뒤집는 흥미로운 연구 결과가 나왔다. 

해양학과 정동주 교수(G-LAMP 전임교원)가 미국 로체스터대 연구진과의 국제공동연구를 통해, 수심 500m보다 깊은 가스하이드레이트(gas hydrate, 일명 ‘불타는 얼음’) 및 해저 탄화수소 누출 지역에서 발생하는 메탄은 대부분 바닷물에 녹거나 미생물에 의해 소비돼 대기 중 메탄 증가에는 사실상 영향을 주지 않는다는 새로운 연구 결과를 발표했다. 이번 연구는 기후변화 예측의 정확도를 높이고 해양 메탄 관리·정책 수립에 과학적 근거를 제공할 전망이다.

메탄(methane)은 이산화탄소보다 약 80배나 강한 온실효과를 가진 기체로, 최근 그 사용량이 급격히 늘고 있다. 또한 지구온난화로 자연에서 방출되는 메탄이 대기로 유입되는 속도가 빨라지면서, 메탄은 향후 기후변화의 향방을 좌우할 핵심 요인으로 더욱 주목받고 있다.

해저 탄화수소 자연 누출(seep)은 가스하이드레이트 분해나 지하 퇴적층에서 생성된 다량의 메탄이 기포(bubble)나 용해된 형태로 바닷물에 흘러나오는 현상을 말한다. 이러한 메탄 유출 지점은 전 세계 바다의 얕은 연안부터 깊은 심해까지 다양한 수심대 해저에 걸쳐 광범위하게 분포한다. 

특히 바다는 지구상에서 메탄을 가장 많이 저장하고 있는 장소로 알려져 있으며, 지구온난화로 해수 온도가 상승함에 따라 해양 중층에서의 메탄 방출도 더욱 활발해질 것으로 우려된다. 

지금까지 과학계의 일반적인 가설은 ‘해저에서 분출된 메탄이 대기까지 도달하면 지구온난화를 가속화시킨다’는 것이었다. 이는 메탄 유출 → 지구온난화 → 추가 메탄 유출로 이어지는 이른바 ‘메탄-기후변화 양성 피드백 고리(positive feedback loop)’, 즉 결과가 원인을 더욱 증폭시키는 악순환을 의미한다. 

실제로 현재 진행 중인 지구온난화로 해수 온도가 올라가면 해저의 가스하이드레이트가 붕괴되고 메탄이 해수와 대기로 대량 유출되며, 이로 인해 지구온난화가 한층 가속돼 다시 해수 온도가 상승하는 식의 폭주 메커니즘이 우려돼 왔다. 그러나 이를 뒷받침하는 실험적 증거는 부족했고, 해수에 용해된 메탄에 대한 연구도 거의 전무한 실정이었다.

【걸프만 지역에서의 메탄의 분포】  

A) 걸프만 연구지역 및 해저에 존재하는 자연발생적 메탄 유출지 (natural seeps)

B) 연구지역 메탄 농도와 방사성 탄소의 수직 분포

C) 걸프만 지역 해수 내 메탄의 방사성 탄소의 분포 예상도 

이러한 배경에서 부산대 연구팀은 메탄에 포함된 방사성 탄소 동위원소(14C-CH₄)를 정밀 분석해, 바다 표면부터 심층에 이르는 해수 내 메탄의 기원을 밝혀내는 연구를 수행했다. 연구팀은 미국 멕시코만 지역의 해저 가스하이드레이트 분해 및 자연 탄화수소 누출지에서 발생한 메탄을 조사한 결과, 심해에서 방출된 메탄이 바닷물 속으로는 대량 녹아들지만 끝내 바다 표면까지 도달하지 못한다는 사실을 실험적으로 최초 확인했다.

이 결과는 정동주 교수가 대서양과 태평양 심해를 대상으로 수행한 선행 연구(2022, 『Nature Geoscience』 게재)와도 맥을 같이한다. 당시 연구에서도 수심 500m보다 깊은 바다에서 분출된 해저 메탄은 거의 모두 바닷속에 머무르고 대기로의 직접 유입량은 극히 미미함이 밝혀졌다. 다시 말해, 500m 이상 깊은 해역의 해저 메탄은 우려됐던 ‘메탄-지구온난화-기후변화’ 양성 피드백 고리에 유의미한 영향을 주지 못한다는 점을 이번 연구가 실험적으로 입증한 것이다.

한편 연구진은 상대적으로 얕은 수심의 자연발생 유출지(natural seeps)에서 방출되는 메탄은 해수 표층 및 대기로 실제 유입됨을 함께 확인했다.

【걸프만 수심 500m에서 해수 내 메탄 추출 시스템】

이번 연구를 주도한 정동주 교수(제1저자 겸 교신저자)는 “메탄은 기후변화에 직접적인 영향을 주는 기체임에도 불구하고, 관련 연구가 전 세계적으로 아직 많이 부족하고, 한국에서는 손에 꼽을 정도로 적은 실정”이라며 “메탄 사용량 증가와 이산화탄소보다 훨씬 강력한 메탄의 온실효과를 고려할 때 메탄 연구는 앞으로의 기후변화 연구에서 핵심적인 분야가 될 것”이라고 강조했다.

정 교수는 이어 “한국은 동아시아에서 대기 중 메탄 농도가 가장 빠르게 높아지는 나라”라며 “강·호수·연안습지·갯벌·만 등 다양한 자연환경과 간척지·양식장·농경지 같은 인공환경이 잘 발달해 메탄 발생에 매우 유리한 조건을 갖추고 있다”고 설명했다. 그럼에도 불구하고 국내 메탄 관련 연구는 아직 미흡한 수준이라며, “전 지구적인 온실가스 감축 노력에 앞서 다양한 메탄 분야의 기초 및 응용 연구가 선행돼야 하고, 이를 위해 정부의 적극적인 지원이 매우 중요하다”고 덧붙였다. 

이번 연구에서는 메탄 내 방사성 탄소를 정밀 측정하는 새로운 분석 기술을 적용했다. 이 기술은 측정 과정에서 발생하는 오차를 크게 줄여 데이터 정확도를 획기적으로 높여주는데, 현재 전 세계에서 이 기술을 실제 연구에 활용하고 있는 팀은 정 교수 연구팀이 유일하다. 정 교수는 “이 분야만큼은 한국이 세계를 선도할 잠재력이 크다”고 말했다.

정동주 교수는 또 “해저 메탄의 직접적인 대기 유입은 매우 미미하지만, 해수 속에서 미생물에 의해 메탄이 산화되면 이산화탄소로 바뀌어 해양의 이산화탄소 농도를 높이고 결국 바다가 대기에서 이산화탄소를 흡수하는 능력을 약화시킬 수 있다”고 짚었다. 

정 교수는 “이번 연구는 걸프만 해역에 국한된 결과지만, 앞으로 극지방이나 우리나라 동해 등 다양한 해역으로 연구를 확대한다면 해양 메탄의 대기 유입에 대한 훨씬 정교한 이해를 제공하게 될 것이고, 전 지구적 기후변화 연구에도 크게 기여할 것으로 기대한다“고 전망했다.

기존 이론에 도전하는 새로운 관점을 제시한 이번 연구는 부산대와 미국 로체스터대학교의 존 케슬러(John D. Kessler) 교수와 토마스 웨버(Thomas Weber) 교수와의 국제공동연구로 수행됐으며, 관련 논문은 국제 과학저널 『Communications Earth and Environment』 2025년 12월 15일자에 게재됐다.

- 논문 제목: Deep Gulf of Mexico seeps are not a significant source of methane to the atmosphere (맥시코만 심해 메탄은 대기 메탄의 주요 공급원이 아니다)

- 논문 링크: https://www.nature.com/articles/s43247-025-03027-0 

* 상단 사진: 정동주(왼쪽 네 번째) 교수와 연구실 학생들.

[Abstract]

Hydrocarbon seeps release fossil methane into the marine environment, but emission of this seep-derived methane to the atmosphere is challenging to constrain. Here, we measure the concentration and radiocarbon content of dissolved methane in seawater above seeps in the northern Gulf of Mexico that have previously been linked to considerable atmospheric emissions. In bottom waters above the seeps, methane radiocarbon content is close to zero, confirming the release of fossil seep methane. However, radiocarbon signatures approach modern values at shallower depths, indicating that only ~21% of the methane in surface waters is sourced from seeps. We observe a mid-depth methane concentration maximum and radiocarbon minimum at ~200m below the surface, but this likely reflects lateral advection of fossil methane from shallower seep fields. Our findings are consistent with previous radiocarbon fingerprinting in coastal regions, and suggest that seeps deeper than ~400m are not a major contributor to atmospheric methane emissions.

- Author (Pusan National University): DongJoo Joung (Deapartment of Oceanography, G-LAMP) 

- Title of original paper: Deep Gulf of Mexico seeps are not a significant source of methane to the atmosphere

- Journal: Communications Earth and Environment

- Web link: https://www.nature.com/articles/s43247-025-03027-0 

- Contact e-mail: dongjoo.joung@usan.ac.kr

지구온난화의 가속화로 극지방의 해빙이 전례 없는 속도로 빠르게 녹고 있다. 이에 따라 해류의 흐름이 불안정해지며 앞으로 극지 바다가 더욱 거세게 요동치고, 불안정해질 것이라는 분석이 제기됐다. 

부산대 IBS(기초과학연구원) 기후물리 연구단 이준이 교수 연구팀은 초고해상도 지구 시스템 모델 시뮬레이션을 통해 인간에 의한 온난화가 해빙을 빠르게 녹여, 바다의 ‘중규모 수평 교란 현상’이 더욱 강화될 것이라고 밝혔다.

‘중규모 수평 교란(mesoscale horizontal stirring)’은 바람, 해류, 그리고 바다 속 소용돌이 등이 만들어 내는 거대한 물결 섞임 현상이다. 수십에서 수백 킬로미터 규모로 바닷물이 수평 방향으로 휘저어지며, 열과 영양분이 퍼지고 플랑크톤이나 어란·유충, 미세 플라스틱과 같은 오염 물질 확산에도 영향을 미친다.

하지만 이러한 극지 해양의 변화를 직접 관측하는 일은 쉽지 않다. 특히 지구온난화가 극지역 소규모 해류와 해양 생태계에 미치는 영향을 정량적으로 규명하는 일은 여전히 어려운 과제로 남아 있다. 지리적 한계로 관측이 제한되고, 위성 관측 자료로는 중규모 해양 과정을 정밀하게 파악하기 어렵기 때문이다.

이에 연구팀은 IBS 슈퍼컴퓨터 알레프(Aleph)를 활용해 초고해상도 기후모델(CESM-UHR) CESM-UHR*을 이용한 시뮬레이션을 수행했다. 대기 중 이산화탄소 농도를 현재 수준, 2배, 4배로 설정해 비교한 결과, 이산화탄소 농도가 높아질수록 북극과 남극 연안의 바다가 더욱 거세게 요동쳤다. 온난화가 심화될수록 중규모 수평 교란이 뚜렷하게 증가하는 것이다. 

* CESM-UHR: 완전 결합 기후모델로 대기–해빙–해양 구성 요소를 통합하고, 대기 0.25⁰, 해양 0.1⁰의 수평 해상도를 통해 기후시스템 내 상호작용을 보다 현실적으로 재현한다.

연구진은 이 현상을 정량화하기 위해 ‘유한 크기 리아푸노프 지수(Finite-Size Lyapunov Exponent, FSLE)’*를 활용했다. 이 지수는 가까운 두 유체 입자가 얼마나 빠르게 분리되는지를 보여주며, 값이 클수록 교란이 강화되며 해수의 움직임이 더 활발해지는 것을 의미한다.

* 유한 크기 리아프노프 지수[finite-size Lyapunov exponents(FSLE)]: 유체의 입자 간 분리 속도를 정량화하는 지표로 두 입자가 일정 거리에서 출발해 더 큰 거리로 벌어지는 데 걸리는 시간을 이용해 계산됨. 값이 커질수록 공간적으로 더 빠르게 분리됨을 의미함. 

시뮬레이션 결과, 지구온난화로 인한 해빙의 급격한 감소가 미래 북극해 및 남극 연안 해역의 해류와 난류를 강화하며, 바닷물의 수평 교란을 가속화하는 것으로 나타났다. 

【대기 중 이산화탄소 현재 농도(왼쪽) 및 4배증(오른쪽) 조건에서의 북극해 3월 중규모 수평 교란 비교(위 그림)와 남극해 9월 중규모 수평 교란 비교(아래 그림)】

중규모 수평 교란은 유한 크기 리아프코프 지수(FSLE)를 이용해 정량화했다. FSLE가 높은 값을 가질수록(밝을수록) 수평 교란이 더 강하게 나타남을 의미한다. 

그림 출처: IBS 기후물리 연구단 학생 연구원 이규석 (그림의 기초가 되는 지도는 NASA Visible Earth (https://visibleearth.nasa.gov/)에서 차용)

더불어, 연구진은 북극과 남극에서 교란이 강화되는 원인이 서로 다르다는 점을 밝혀냈다. 북극해에서는 해빙이 줄면서 바람이 해수를 더 강하게 밀어 표층 순환류와 난류를 강화시키는 반면, 남극 연안 해역에서는 녹은 해빙에 의한 담수 유입이 해수의 밀도 차이를 키워 해류 세기와 교란을 강화시키는 것으로 나타났다.

제1저자인 이규석 학생 연구원은 “대륙에 둘러싸인 북극해와 남극 연안 해역의 대조적인 지리적 구조 차이는 해수의 수평 교란 변화를 결정하는 역학 과정에서 근본적인 차이를 가져온다. 그럼에도 지구온난화가 지속될 경우, 두 해역 모두에서 수평 교란이 크게 강화될 것으로 예상된다”라고 설명했다. 

교신저자인 이준이 IBS 기후물리 연구단 및 기후과학연구소 교수는 “미래 극지 해양 수평교란의 증가는 어란·유충의 생존을 포함해 극지 해양 생태계에 큰 영향을 미칠 수 있다”라고 덧붙였다. 

악셀 팀머만 IBS 기후물리 연구단장은 “현재, 우리 연구단에서는 기후와 생명의 상호작용을 보다 효과적으로 통합하는 차세대 지구 시스템 모델을 개발 중이다. 이를 통해, 극지 생태계가 지구온난화에 어떻게 반응하는지에 대한 이해를 높일 수 있을 것”이라며 향후 연구계획을 밝혔다.

이번 연구 결과는 2025년 11월 5일 국제학술지 『Nature Climate Change』에 게재됐다.

- 논문 제목: Future mesoscale horizontal stirring in polar oceans intensified by sea ice decline (해빙 감소로 인해 극지방 해양의 미래 중규모 수평 교란 심화 전망)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1038/s41558-025-02471-2 

* 상단 연구진 사진: 왼쪽부터 이준이 교수, 이규석 학생 연구원.

[Abstract]

More Polar Ocean Turbulence due to Planetary Warming

A study published in the journal Nature Climate Change by an international team of scientists, from the IBS Center for Climate Physics (ICCP) at Pusan National University in South Korea, presents new evidence that ocean turbulence and a process known as “horizontal stirring” will increase dramatically in the Arctic and Southern Oceans due to human-induced Global Warming and decreasing sea ice coverage.​

“Shaken, not stirred”  - it is widely known how James Bond prefers his Martinis. Stirring works by stretching a fluid into thin streaks, which eventually helps to create turbulence, contributing to the mixing of water properties. In the ocean, a similar stirring process of seawater occurs due to the action of winds and other sources of energy. When it happens horizontally over scales of tens to hundreds of kilometers, it is referred to as mesoscale horizontal stirring (MHS). MHS transports and redistributes heat and nutrients, thereby determining the distribution of plankton in the upper ocean. Moreover, the stretching, rotation, and spatial separation of nearby fluid parcels over time also control the dispersal of fish eggs and larvae, but also of pollutants, such as microplastics.

Due to the remoteness of polar regions, it has remained challenging to study the impact of global warming on small-scale ocean currents and marine ecosystems using ship-based observations and satellite data. Instead, climate scientists have relied heavily on climate computer models. However, the current generation of such models lacks the spatial resolution to resolve small-scale ocean processes relevant to MHS and the production of turbulence and horizontal mixing. 

To overcome this shortcoming, the South Korean research team analyzed results from ultra-high-resolution simulations conducted with the Community Earth System Model version 1.2.2 (CESM-UHR), on the Aleph supercomputer at the Institute for Basic Science in Daejeon. This fully-coupled model integrates atmosphere, sea ice, and ocean components to realistically represent their interactions within the climate system, using a horizontal resolution of 0.25° for the atmosphere and 0.1° for the ocean. The team focused on simulations under present-day (PD), CO2 doubling (2xCO2), and quadrupling (4xCO2) conditions to investigate how MHS responds to human-induced warming.

To characterize the stretching of fluids into elongated filament-like structures (Fig. 1), the research team employed a technique known as finite-size Lyapunov exponents (FSLE), which tracks how quickly neighboring fluid parcels separate over time due to mesoscale ocean eddies (swirling currents with scales of tens to hundreds of kilometers), meandering flows, and ocean fronts. Using daily data from 10 years of simulation, the computationally demanding FSLE calculations show a pronounced future intensification of MHS across the Arctic Ocean and along the Antarctic coastal region (Fig. 1,2), which can be attributed primarily to the dramatic decline in sea ice in a warming world. The researchers found that the mechanisms linking sea ice loss to enhanced MHS differed between the two regions. 

In the Arctic Ocean, the disappearance of sea ice increases the mechanical energy input into the ocean. Uninterrupted by sea ice, a clockwise wind forcing can strengthen both the mean ocean flow and enhance the generation of upper ocean eddies, ultimately leading to intensified MHS (Fig. 1) and turbulence.

By contrast, in the Antarctic coastal region, the projected future strengthening of MHS around Antarctica arises from near-shore freshening due to sea ice decline, which enhances the north-south density gradient. This, in turn, reinforces the mean ocean currents, such as the Antarctic Slope Current, enhancing eddy activity and MHS (Fig. 2). Given that such intensification of MHS is expected to induce major changes in ocean ecosystems as well as in the dispersal of marine pollutants, further research is urgently needed.

“The contrast between the Arctic Ocean, which is enclosed by surrounding continents, and the Southern Ocean, where the continent is encircled by ocean, creates different physical conditions for ocean stirring. But the outcome for ocean stirring under warming is quite similar,” said lead author Gyuseok Yi, a doctoral researcher at the ICCP and Pusan National University.

“Horizontal stirring is a crucial factor for fish larval transport across the ocean. For moderate values, this process connects populations and habitats geographically, increasing their genetic exchange. However, for increasing stirring in the future, larvae can be transported into unsuitable areas where they may not survive,” remarks Prof. June-Yi Lee from the ICCP and co-corresponding author of the study.

Understanding the ecological implications of the author’s main findings requires additional earth system modeling experiments at high spatial resolution, including computer models of plankton and fish. 

“Currently, at the IBS Center for Climate Physics in South Korea, we are developing a new generation of earth system models that better integrates the interactions between climate and life. This will deepen our understanding of how polar ecosystems respond to Global Warming”, said Prof. Axel Timmermann, co-author of the study and director of the ICCP.

- Authors (Pusan National University): Gyuseok Yi, June-Yi Lee (Institute for Basic Science Center for Climate Physics)

- Title of original paper: Future mesoscale horizontal stirring in polar oceans intensified by sea ice decline

- Journal: Nature Climate Change

- Web link: https://doi.org/10.1038/s41558-025-02471-2 

- Contact e-mail: juneyi@pusan.ac.kr

광메카트로닉스공학과 김규정 교수 연구팀이 광간섭 단층 촬영(OCT) 기술을 활용해 유화 작품의 크랙(균열) 형태를 3D로 정량 분석한 연구 결과를 발표했다.

연구팀은 미술품의 다양한 크랙 유형(직선형, 수직 직교형, 방사형)에 대해 고해상도 3D OCT 이미지를 획득하고, 크랙의 단면 이미지를 추출해 너비와 깊이를 측정했다. 또한, 크랙의 전체 높이에 걸쳐 Z축 단면적을 측정해 내부 구조 변화를 분석했다. 너비, 깊이, 좌/우측 벽의 깊이, 중심부 깊이 등에 대한 정량적 측정이 이뤄졌는데, 크랙 유형별로 특징적인 결과가 나왔다.

직선형 크랙은 너비와 깊이에서 가장 큰 변화를 보였고, 수직 직교형 크랙은 너비와 깊이에서 최소한의 변화가 나타났다. 방사형 크랙은 너비보다 깊이에서 더 큰 변화가 있었다.

더 세부적인 분석을 위해 크랙 길이에 따른 너비와 깊이의 변화 추이를 살펴본 결과, 직선형 크랙의 경우 가장자리에서 너비와 깊이가 증가하는 경향을 보였고, 수직 직교형과 방사형 크랙은 분기점에서 너비와 깊이 변화가 관찰됐다. 크랙의 Z축 단면적 또한 분석했는데, 크랙의 중심에서 양 끝으로 갈수록, 또는 중앙 수평축 기준의 한쪽 면에서 증가하는 경향을 보였다. 이는 크랙 내부의 3D 구조적 특징을 시각적으로 명확하게 보여주는 것이다.

【편광으로 구현된 나노픽셀의 색변환 및 온-오프 모드】

이번 연구를 통해 얻은 정밀한 크랙 측정 데이터는 보존 및 복원 최적화, 위조품 식별, 작품 가치 보존 분야에서 중요한 의미를 가질 수 있다.

첫째, 크랙의 3D 형태를 정량적으로 파악함으로써, 작품의 손상 정도를 정확히 진단하고, 이에 맞는 최적의 보존 및 복원 전략을 수립할 수 있다. 예를 들어, 크랙의 진행 속도를 예측하고 예방 조치를 취하는 데 활용될 수 있다. 

둘째, 크랙의 미묘한 형태학적 특징은 작품의 진위 여부를 판단하는 데 결정적인 증거가 될 수 있다. 이는 기존의 2D 분석보다 훨씬 더 정확하고 변별력 있는 위조품 식별의 과학적 토대를 제공할 수 있다. 

마지막으로, 예술 작품의 심미적, 경제적, 역사적 가치 손상을 방지하고 적절한 보존에 기여해 인류 문화유산의 지속 가능한 보존에 중요한 역할을 할 수 있다.

김규정 교수는 “OCT가 예술 작품의 상태 지표, 복원, 그리고 진위 판별에 활용될 수 있는 가능성을 제시했다”며 “향후 다양한 예술 재료 및 크랙 유형에 대한 3D 정량 분석 데이터베이스 구축이 중요하며 이러한 연구는 예술 작품의 역사적, 심미적 가치를 보존하고 복원하는 데 크게 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

이 같은 연구 성과는 ‘OCT-based quantitative analysis of craquelure morphology in an oil painting(유화 작품 균열 형태에 대한 OCT 기반 정량 분석)’이라는 제목의 논문으로 A&HCI 국제 학술지 『Journal of Cultural Heritage』에 보고돼 7월 12일자에 게재됐다.

- 논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.culher.2025.06.017  

이번 연구는 과학기술정보통신부 우수연구자교류지원사업(BrainLink) 및 미래국방혁신기술개발사업의 지원을 받아 수행됐으며, 광메카트로닉스공학과 김규정 교수(교신저자), 인지메카트로닉스공학과 김수정 박사과정생(제1저자), 미술학과 김지오 교수(공동저자), 프랑스 그르노블 대학 Gilles Nogues(공동저자) 교수가 참여했다.

* 상단 연구진 사진: 오른쪽부터 김규정 교수, 김수정 박사과정생.

[Abstract]

A thorough three-dimensional quantitative analysis of an artwork crack can yield valuable and in-depth information regarding the preservation, restoration, and authenticity of the artwork. In this study, high-resolution three-dimensional optical coherence tomography(OCT) images were obtained for each type of crack, and cross-sectional images of the cracks were extracted. The width and depth distributions were measured over the entire length of the cracks, and the z-axis slice cross-sectional areas were measured over the entire height of the cracks. The analysis revealed that straight cracks exhibited the most significant variations in width and depth. In contrast, vertical cracks exhibited minimal variability in terms of width and depth. Furthermore, radial cracks exhibited greater variability in depth than in width. The z-axis cross-sectional area increased from the center of the crack to both ends or from one side of the central horizontal axis reference of the crack. The utilization of these precise artwork measurement data can facilitate the optimization of preservation and restoration efforts, thereby providing a scientific foundation for the identification of counterfeits. This approach can prevent damage to the aesthetic, economic, and historical value of the artwork and contribute to its appropriate preservation.

- Authors (Pusan National University) 

· First author: Soojung Kim (Department of Cogno-Mechatronic Engineering)

· Corresponding author: Kyujung Kim (Department of Optics and Mechatronics Engineering)

- Title of original paper: OCT-based quantitative analysis of craquelure morphology in an oil painting

- Journal: Journal of Cultural Heritage

- Web link: https://doi.org/10.1016/j.culher.2025.06.017

- Contact e-mail: k.kim@pusan.ac.kr

융합의과학과 김윤학 교수와 양산부산대병원 김기훈 전임의 연구팀이 연세대 세브란스병원 연구팀과의 공동연구를 통해 진행성 담도암 환자의 2차 항암치료 효과를 비교한 결과, FOLFIRINOX(폴피리녹스) 요법이 기존 치료법(FOLFOX, FOLFIRI, nal-IRI/FL)보다 생존 기간을 늘리거나 최소한 비슷한 성과를 보이면서도 부작용이 조절 가능한 치료 대안임을 확인했다. 이번 성과는 아직까지 확립된 2차 표준치료가 없는 상황에서 FOLFIRINOX의 임상적 유용성을 제시한 중요한 근거로 평가된다.

FOLFIRINOX(폴피리녹스)는 암 치료에 사용되는 복합 항암화학요법의 명칭으로, 치료에 사용되는 네 가지 항암제 이름에서 따왔다. 원래는 췌장암 치료에서 효과가 입증된 요법인데, 이번 연구처럼 담도암의 2차 치료 대안으로도 가능성이 검증되고 있다.

  1) FOL(류코보린): 항암제의 효과를 높여주는 보조제

  2) F(플루오로우라실): 세포 분열을 억제하는 항암제

  3) IRIN(이리노테칸): DNA 복제를 방해해 암세포 성장을 막는 항암제

  4) OX(옥살리플라틴): DNA 손상을 유발해 암세포 사멸을 유도하는 항암제

연구팀은 단일기관 환자 54명의 실제 진료 데이터를 분석하고, 2011년부터 2022년까지 발표된 전 세계 21편의 연구를 종합한 체계적 문헌고찰 및 메타분석을 수행했다. 그 결과, FOLFIRINOX 치료군은 무진행생존기간(Progression-Free Survival, PFS)과 전체생존기간(Overall Survival, OS)에서 기존 요법 대비 더 긴 경향을 보였다. 치료 과정에서 호중구감소증 등 중증 부작용은 발생했으나 대부분 조절 가능했고, 실제 환자 진료 환경에서도 충분히 적용할 수 있는 가능성이 있었다.

【코호트 연구에서의 무진행생존기간(A) 및 전체생존기간(B)에 대한 Kaplan-Meier 곡선】

담도암은 발생 빈도는 낮지만 조기 발견이 어렵고, 진단 당시 수술이 불가능한 경우가 많다. 현재 1차 표준치료인 젬시타빈+시스플라틴 병합요법의 효과가 제한적이며, 이후 사용할 수 있는 표준화된 2차 치료법은 확립되지 않은 상황이다. 이 때문에 임상 현장에서는 치료 선택지가 부족해 새로운 치료법의 효과와 안전성을 검증하는 연구가 절실했다.

이번 연구는 특정 요법만을 단독 평가하거나 환자 수가 제한적이었던 기존 연구들과 달리, 실제 임상자료와 국제 다기관 근거를 통합해 복합 항암화학요법인 FOLFIRINOX, FOLFOX, FOLFIRI, nal-IRI/FL을 직접 비교·평가했다는 점에서 차별성을 가진다.

이번 연구는 부산대와 양산부산대병원, 연세대 세브란스병원의 협력 연구로 진행됐으며, 융합의과학과 김윤학 교수가 교신저자, 양산부산대병원 직업환경의학과 김기훈 전임의가 제1저자로 수행했다. 부산대와 양산부산대병원 연구팀은 메타분석 과정에서 임상연구 데이터 정제와 통계 시스템 운영을 주도해 연구의 신뢰성과 재현성을 높였다.

【다양한 2차 항암요법에 따른 무진행생존기간(위)과 전체생존기간(아래) Kaplan-Meier 추정치】

특히, 이번 연구에서는 FOLFIRINOX가 진행성 담도암 환자의 2차 항암치료에서 충분히 활용 가능한 요법임을 입증해, 향후 대규모 전향적 임상시험과 환자 맞춤형 치료 전략 수립에 기초 자료로 활용될 가능성을 보였다. 나아가, 학계와 임상 현장에서 담도암 치료 표준 지침 개선에도 기여할 것으로 기대된다.

김윤학 교수는 “이번 연구는 치료 선택지가 제한적인 진행성 담도암 환자에게 새로운 희망을 제시했다는 점에서 의의가 크다”며 “FOLFIRINOX의 임상 적용 가능성이 확인된 만큼, 앞으로 환자 맞춤형 치료 전략 수립에 중요한 역할을 할 것”이라고 강조했다.

이번 연구 성과는 올해 9월(온라인) 국제 학술지 『International Journal of Surgery』에 게재됐다.

- 논문 제목: Comparison of second-line chemotherapy regimens in advanced biliary tract cancer: a systematic review, meta-analysis, and single-center retrospective cohort study(진행성 담도암 2차 항암화학요법 비교 연구: 체계적 문헌고찰, 메타분석 및 단일기관 후향적 코호트)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1097/JS9.0000000000003367 

*상단 연구진 사진: 왼쪽부터 김윤학 교수, 김기훈 전임의.

[Abstract]

Background: Biliary tract cancers (BTCs) are aggressive malignancies with limited treatment options, especially after first-line chemotherapy failure. FOLFIRINOX, though established for pancreatic cancer, has shown promise in advanced BTC, yet its role as a second-line treatment remains unclear. To address this gap, we conducted a retrospective cohort study to evaluate the efficacy and safety of FOLFIRINOX and performed a systematic review with meta-analysis to compare its outcomes with currently recommended regimens, including FOLFIRI, FOLFOX, and nal-IRI/FL.

Methods: We retrospectively analyzed 54 patients with BTC treated with FOLFIRINOX as second-line therapy after progression on first-line chemotherapy at a single tertiary hospital between 2011 and 2022. A systematic review and meta-analysis, registered with PROSPERO, incorporated 21 studies comparing second-line regimens for BTC, assessing progression-free survival (PFS), overall survival (OS), x-objective response rate (ORR), disease control rate (DCR), and safety.

Results: In our cohort, median PFS and OS were 2.7 and 8.9 months, respectively. ORR was 12.5%, and DCR was 52.1%, with 4.2% achieving complete response. Meta-analysis revealed pooled PFS and OS for FOLFIRINOX at 4.15 and 8.91 months, respectively, suggesting a potential benefit over FOLFIRI and FOLFOX. Grade 3–5 neutropenia occurred in 40.7% of patients, leading to dose reductions in 29.6% but low discontinuation rates (3.7%).

Conclusion: FOLFIRINOX demonstrates numerically favorable outcomes compared to current second-line regimens for advanced BTC, with manageable toxicities. These findings suggest FOLFIRINOX as a potential second-line option, warranting further prospective validation and patient selection refinement.

- Authors (Pusan National University)

 · First author: Kihun Kim (Department of Occupational and Environmental Medicine, Pusan National University Yangsan Hospital)

 · Corresponding author: Yun Hak Kim (Department of Anatomy and Department of Biomedical Informatics, Pusan National University)

- Title of original paper: Comparison of second-line chemotherapy regimens in advanced biliary tract cancer: a systematic review, meta-analysis, and single-center retrospective cohort study

- Journal: International Journal of Surgery

- Web link: https://doi.org/10.1097/JS9.0000000000003367 

- Contact e-mail: yunhak10510@pusan.ac.kr

미생물학과 이은희 교수 연구팀이 눈에 보이지 않는 초미세플라스틱을 현장에서 단 10분 만에 검출할 수 있는 휴대형 센서를 개발했다. 이번 성과는 고가 장비와 복잡한 절차에 의존해야 했던 기존 분석법의 한계를 극복하고, 환경·건강 문제 대응에 새로운 돌파구가 될 것으로 기대된다.

초미세플라스틱은 머리카락 굵기의 수만분의 1에 불과한 1㎛(마이크로미터·1백만분의 1m) 미만 크기의 미세 조각으로, 강·바다는 물론 우리가 매일 마시는 수돗물·정수기 물·생수 등에서도 흔히 발견된다. 실제로 500㎖ 생수 한 병에서 수백만 개가 검출됐다는 연구 결과도 있다. 

문제는 크기가 너무 작아 눈에 보이지 않을 뿐 아니라, 체내에 들어오면 쉽게 배출되지 않아 건강에 악영향을 줄 수 있다는 점이다. 지금까지는 수억 원대 고가 장비와 복잡한 분석 과정에 의존해야 했기 때문에, 현장에서 초미세플라스틱을 즉시 확인하기는 불가능했다.

이에, 연구팀은 형광 기반 측방유동분석법(lateral flow assay, LFA)을 활용해, 크기 200㎚(나노미터·10억분의 1m) 이하의 초미세플라스틱을 신속하고 민감하게 검출할 수 있는 새로운 방법을 제시했다. 플라스틱 표면에 잘 달라붙는 형광 물질(1-pyrenebutyric acid N-hydroxysuccinimidyl ester)과 초미세플라스틱을 붙잡는 역할을 하는 고분자 물질(polyethyleneimine)을 활용해 새로운 검출 기술을 개발한 것이다. 

이 기술은 폴리스타이렌(PS), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리염화비닐(PVC) 등 주요 5종 초미세플라스틱을 최소 9.3~163.9㎍/ℓ 수준까지 검출할 수 있으며, 검출 소요 시간은 단 10분에 불과했다. 강물과 바닷물은 물론, 생수·정수기 물·차·탄산수 등 우리가 일상에서 마시는 다양한 물에서도 안정적으로 작동해 실제 환경 적용 가능성을 입증했다. 

연구팀은 휴대용 형광 이미징 장치도 제작해, 검출 결과를 즉시 촬영·분석할 수 있도록 했다. 이를 통해 현장에서 곧바로 실시간 모니터링이 가능함을 확인했다.

이번 연구는 실험실에만 의존하던 기존 분석법의 한계를 극복하고, 저비용·고효율의 현장 검출 기술을 제시했다는 점에서 의미가 크며, 향후 환경 모니터링은 물론 수질 관리, 식품 안전 등 다양한 분야에서의 활용이 전망된다.

【왼쪽부터 이은희 교수, 장윤수 박사과정생】

연구책임자인 이은희 교수는 “초미세플라스틱 오염은 점점 심각해지고 있으나 기존 분석법은 현장 적용성이 떨어졌다”며 “이번 연구를 통해 누구나 손쉽게 활용할 수 있는 검출 기술을 제시함으로써 환경 문제 해결에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.

해당 연구 결과는 세계적으로 권위 있는 국제 학술지 『Journal of Hazardous Materials』 10월 5일자에 게재됐다.

- 논문 제목: A field-deployable lateral flow assay for rapid and sensitive detection of nanoplastics(초미세플라스틱 신속·고감도 현장 검출을 위한 측방유동분석법 개발)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2025.139662 

이번 연구는 G-LAMP 사업단(중점 테마 연구소: 미래지구 환경 연구소) 및 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐으며, 미생물학과 장윤수 박사과정생이 제1저자, 이은희 교수가 교신저자로 참여했다.

* 상단 연구 이미지: 측방유동분석 기반 휴대용 센서를 활용한 초미세플라스틱 현장 검출 과정(강이나 바다 등에서 채취한 물을 센서에 적용하면, 

초미세플라스틱이 형광 신호로 확인된다.)

[Abstract]

Plastic pollution has emerged as a global concern, with nanoplastics posing a distinct threat due to their small size, high mobility, and persistence. However, conventional nanoplastic detection techniques often rely on sophisticated instruments and extensive preprocessing, limiting their on-site applicability. This study aimed to develop a rapid and portable lateral flow assay (LFA) for on-site detection of nanoplastics smaller than 200 nm in environmental water samples. Here, we present a fluorescence-based LFA capable of detecting five common polymer types–polystyrene, low-density polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, and polyvinyl chloride–within 10 min. The assay achieved detection limits ranging from 9.3–163.9 μg/L, depending on polymer type and particle size. It demonstrated excellent selectivity against common interferents such as bacterium and natural organic matter, and maintained robust performance in complex matrices including bottled water and tea extract. To validate real-world applicability, nanoplastic mixtures were spiked into river water and seawater at concentrations of 3.7 × 10²–3.7 × 10⁴ μg/L, and all five polymer types were successfully detected. These results demonstrate that the developed LFA enables rapid (<10 min), on-site detection of multiple nanoplastic types in real environmental water samples, providing a practical and field-deployable solution to improve monitoring and management of nanoplastic contamination.

- Authors (Pusan National University): 

 · First author: Yunsoo Chang (Department of Microbiology), 

 · Corresponding author: Eun-Hee Lee (Department of Microbiology, Institute for Future Earth)

- Title of original paper: A field-deployable lateral flow assay for rapid and sensitive detection of nanoplastics

- Journal: Journal of Hazardous Materials 

- Web link: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2025.139662 

- Contact e-mail: leeeh@pusan.ac.kr

광메카트로닉스공학과 김지수·이휘돈 교수 연구팀이 고순도 1.7 ㎛(마이크로미터, 100만분의 1m) 광원을 기반으로 지방만을 선명하게 구별해내는 초고속 광음향 영상 기술을 개발해 지방 조직 진단 및 대사질환 연구의 새로운 전환점을 마련했다.

지방 조직은 인체의 다양한 대사·면역·염증 반응과 밀접하게 연관돼 있으며, 지방량의 변화는 비만, 지방간, 당대사 이상, 심혈관 질환 등 주요 질환의 조기 지표로 활용될 수 있다. 그러나 기존의 생체 지방 영상 기술은 초음파의 낮은 조직 대비, MRI의 높은 비용과 낮은 접근성, 형광 기반 영상의 낮은 침투 깊이 등의 문제로 지방 조직만을 선택해 고해상도·비침습적으로 관찰하는 데 한계가 있었다.

특히, 지방 조직은 1.7 ㎛ 파장에서 매우 강한 광흡수(optical absorption) 특성을 보이기 때문에, 이 파장을 활용하면 지방층을 다른 조직과 구별해 영상화할 수 있다. 그러나 기존 1.7 ㎛ 광원은 크고 복잡한 장비 구조와 낮은 펄스 에너지, 안정성 부족 등으로 인해 고대비 지방 영상 구현이 어려워, 지방층을 선명하게 관찰할 수 있는 새로운 고성능 광원의 필요성이 제기돼 왔다. 

이에, 연구팀은 광섬유(all-fiber)* 기반의 고스펙트럼 에너지밀도(high spectral energy density)** 1.7 ㎛ 나노초 펄스 광원을 개발해, 지방 조직을 선택적으로 고대비로 시각화하는 새로운 광음향 현미경(Photoacoustic Microscopy, PAM)*** 기술을 제안했다. 이 광원은 완전 광섬유 구조로 소형·안정성이 뛰어나며, 기존 대비 월등히 높은 펄스 에너지와 스펙트럼 에너지 밀도를 제공한다.

* all-fiber 구조: 모든 시스템이 광섬유 기반으로 구성된 형태.

** 고스펙트럼 에너지밀도(high spectral energy density): 일정 파장폭에서 전달할 수 있는 에너지양이 높다는 의미로, 신호 세기·영상 대비 개선의 핵심 파라미터.

*** 광음향 현미경(PAM): 빛을 쏘면 조직이 흡수한 에너지가 초음파로 변환되는데, 이 신호를 검출해 조직 구조를 영상화하는 기술. 혈관, 지방, 멜라닌 등 빛 흡수율이 높은 조직을 선명하게 영상화하는 것이 특징.

【연구팀이 개발한 광원을 이용해 획득한 선택적 지방조직 광음향 영상】

이 시스템은 고출력 나노초 펄스를 기반으로 강력한 지방 선택적 광음향 신호를 생성하며, 기존 대비 지방-비지방 조직 간 대비가 획기적으로 향상된 영상을 실시간으로 확보할 수 있다. 깊이 축에서의 분해능 또한 개선돼 정량적 지방 분석이 가능한 고신뢰도 영상 시스템을 구현했다. 이를 통해 지방조직 두께 측정, 지방대사 연구, 피하지방 구조 분석, 지방성 질환 조기 진단, 비만·지방간 연구, 약물 반응 모니터링, 미용·피부의학 분야 등 다양한 영역에서 활용이 기대된다.

또한, 광섬유 구조 덕분에 기존 대비 충격과 열 변화에 강하고, 정렬이 불필요하며, 소형화가 용이해 실제 임상·동물 연구 환경에도 적합한 성능을 확인했다. 현장형(Point-of-care) 의료 진단 기기, 휴대형 PAM 시스템으로의 확장 가능성도 크며, 국내 의료광학 및 광원 산업 경쟁력을 크게 높일 수 있을 것으로 전망된다.

해당 기술을 바이오·의학 분야에 적용할 경우, 지방 조직을 선택적으로 고해상도·고대비로 시각화할 수 있어 지방 대사 질환, 지방층 구조 변화, 피하지방 분포, 지방조직의 염증 반응 등 다양한 생체지표를 비침습적으로 추적할 수 있다. 

교신저자인 김지수 교수와 이휘돈 교수는 “이번 연구는 지방조직만을 선택적으로 고대비로 영상화할 수 있는 혁신적인 광원 기술로, 기존 광원의 여러 한계 중 특히 영상속도, 지방대비도 등을 크게 뛰어넘는 새로운 접근”이라며 “향후 대사성 질환 조기 진단, 지방 연구, 의료·바이오 영상 분야에서 매우 중요한 기술적 전환점이 될 것“이라고 밝혔다.

이번 연구는 부산대 광메카트로닉스공학과 김지수 교수와 이휘돈 교수 및 미국 듀크대학 조순우 박사가 교신저자, 부산대 컬러변조 초감각 인지기술 선도연구센터 박성진 박사와 박상민 박사가 제1저자로 수행해, 국제 학술지 『Photoacoustics』 8월호에 게재됐다.

- 논문 제목: High Spectral Energy Density All-Fiber Nanosecond Pulsed 1.7 ㎛ Light Source for Photoacoustic Microscopy(1.7 ㎛ 대역 고순도 나노초 펄스레이저를 이용한 광음향 영상 시스템)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.pacs.2025.100744 

해당 연구는 과학기술정보통신부 선도연구센터, 보건복지부 연구중심병원 육성 R&D사업 지원을 받았다.

* 상단 연구진 사진: 왼쪽부터 이휘돈 교수, 김지수 교수.

[Abstract]

We present a high spectral energy density all-fiber nanosecond pulsed 1.7 μm light source specifically designed for photoacoustic microscopy (PAM). The system targets the 1st overtone absorption of C–H bonds near 1720 nm within the near-infrared-III (NIR-III) window, where lipids exhibit strong optical absorption, and tissues benefit

from reduced scattering and high permissible fluence. To achieve narrow-linewidth, high pulse energy, and high pulse repetition rate (PRR), we developed a master oscillator fiber amplifier architecture based on stimulated Raman scattering. A 1589.80 nm Raman pump and a custom-built narrow-linewidth Raman seed laser were employed to generate spectrally pure 1719.44 nm pulses (~0.10 nm linewidth). The proposed light source delivers nanosecond pulses (~5 ns) with high pulse energy (≥2.2 μJ) and tunable PRRs up to 300 kHz, resulting in a spectral energy density of approximately 22 μJ/nm—significantly higher than that of conventional 1.7 μm light sources. Performance of the NIR-PAM system was validated through resolution testing with a 1951 USAF target, demonstrating a spatial resolution of approximately 4.14 μm and an axial resolution of approximately 85.5 μm. Phantom imaging of CH2-rich polymer films and ex vivo lipid-rich biological tissues confirmed the system’s high spatial fidelity and strong contrast for lipid-specific structures. This compact, stable, and spectrally refined light source with high spectral energy density can offer an effective solution for high-resolution, label-free molecular imaging and represents a promising platform for clinical photoacoustic imaging applications involving lipid detection and metabolic disease diagnostics.

- Authors (Pusan National University)

· Corresponding authors: Jeesu Kim, Hwidon Lee (Department of Optics and Mechatronics Engineering)

· First authors: Seongjin Bak, Sang Min Park (Engineering Research Center for Color-Modulated Extra-Sensory Perception Technology)

- Title of original paper: High Spectral Energy Density All-Fiber Nanosecond Pulsed 1.7 μm Light Source for Photoacoustic Microscopy

- Journal: Photoacoustics

- Web link: https://doi.org/10.1016/j.pacs.2025.100744 

- Contact e-mail: hwidonlee@pusan.ac.kr

분자생물학과 정의만 교수 연구팀이 임신 중 초기 신경 발달 시기의 ‘환경호르몬’으로 알려진 내분비계 교란물질(Endocrine disrupting chemicals, EDCs) 노출이 후각 신경 및 후각 신경의 기원인 뇌실하 영역(subventricular zone)에서 세포사멸을 일으키는 것을 발견하고, 그로 인해 냄새 탐지 능력이 감소할 수 있음을 확인했다.

‘내분비계 교란물질’은 체내 호르몬의 정상 기능을 교란시킬 수 있는 화학물질이다. 이 물질은 우리가 흔히 접하는 화장품, 캔, 플라스틱, 페인트, 의약품에서 광범위하게 사용되는데, 인간에게 무분별하게 노출되면서 건강에 부정적인 영향을 미치는 것으로 보고돼 왔다. 이에 전 세계적으로 내분비계 교란물질의 독성과 위해성에 대한 연구가 활발히 이뤄지고 있다.

정의만 교수팀은 알킬페놀 계열의 내분비계 교란물질인 옥틸페놀(4-tert-octylphenol)이 마우스의 후각 신경에 미치는 영향을 조사해, 내분비계 교란물질이 후각 신경에도 영향을 줄 수 있음을 규명했다.

연구팀은 신경발달 시기 옥틸페놀 노출이 후각구의 사구체 층에서 후각 신호 처리와 관련된 도파민성 및 칼레티닌성 세포를 감소시킨다는 것을 확인했다. 성체기 행동 실험을 통해 후각 능력을 평가한 결과 후각 능력이 실제로 감소됐음을 알 수 있었다.

연구팀은 출생 1일 차인 마우스의 뇌실하 영역에 AAV1-CAG-GFP(형광 발현 재조합 아데노 바이러스)를 주입해 뇌세포에 감염시킨 후 출생 후 5일 차 및 성체기 후각구에서 세포의 형태를 살폈다. 그 결과, 옥틸페놀에 노출된 자손 마우스에서 수상돌기의 길이 감소가 관찰됐다. 이러한 결과는 후각 능력의 감소와 밀접한 관계가 있다.

연구팀은 등쪽 뇌실하 영역(dorsal subventricular zone)에서 세포 증식 마커인 BrdU(Bromodeoxyuridine), Ki-67, Phospho-Histone H3를 통해 신경 세포의 수가 감소했음을 확인했으며, 세포사멸 마커인 cleaved caspase-3와 Tunel assay 방법을 통해 옥틸페놀에 노출된 자손 마우스의 해당 영역에서 세포사멸이 발생함을 확인했다.

【환경호르몬인 옥틸페놀의 모계 노출이 자손 마우스 후각구와 뇌실하 영역에 미치는 영향】 

임신 중 자손마우스의 옥틸페놀 노출은 뇌실하 영역 및 후각구 신경 발달 악영향을 미침. 그로 인해 성체기에서 냄새 탐지 능력 감소 확인

또한 연구팀은 후각구에서도 세포 증식 마커가 감소됨을 발견하고, 이 결과를 통해 뇌실하 영역에서의 신경세포 감소가 후각구 (olfactory bulb) 신경 발달에도 직접적인 악영향을 미친다는 점을 밝혀냈다. 이러한 내분비계 교란물질이 후각 신경에도 영향을 줄 수 있다는 연구 결과는 새롭게 밝혀진 발견이다.

이번 연구는 뇌 발달이 활발히 진행되는 임신기부터 수유기까지 어미 마우스에 옥틸페놀을 투여해 자손 마우스가 옥틸페놀에 노출되도록 했으며, 이를 성체가 될 때까지 사육하며 영향을 분석했다.

또한, 연구팀은 마이크로어레이 분석(Microarray)을 통해 옥틸페놀 노출에 의한 자손 마우스 뇌의 유전자 발현 변화 양상을 확인했다. 그 결과, 옥틸페놀 노출군에서 대조군에 비해 후각 수용체, 페로몬 수용체 관련 유전자들의 발현량이 감소했다. 이는 옥틸페놀 노출이 후각구의 유전자 수준에도 악영향을 미친다는 것을 시사하며, 옥틸페놀의 모계 노출이 성체가 된 후에도 지속적인 영향을 미칠 수 있음을 의미한다.

이번 연구는 내분비계 교란물질이 후각 기관에 악영향을 줄 수 있다는 새로운 발견으로, 향후 내분비계 교란물질에 대한 연구에 신선한 패러다임을 제시할 수 있을 것으로 전망된다.

연구책임을 맡은 정의만 교수는 “이번 연구를 통해 내분비계 교란물질이 뇌 발달 과정에 미칠 수 있는 영향에 대한 새로운 관점을 제공했다”며 “앞으로의 연구에서도 다양한 환경적 요인이 뇌 발달에 미치는 영향을 탐구해 그러한 요인들의 위험성을 제고하고, 관련 정책 및 규제 수립에 기여할 수 있도록 연구를 이어갈 계획”이라고 말했다.

해당 연구 결과는 세계적으로 권위 있는 국제 학술지 『Journal of Hazardous Materials』 10월 5일자에 게재됐다.

- 논문 제목: New insights into the olfactory development disrupted by 4-tert-Octylphenol in offspring mice (자손 마우스에서 옥틸페놀의 후각 발달 교란 효과에 대한 새로운 이해)

- 논문 링크: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389425024896

이번 연구는 G-LAMP 사업단(중점 테마 연구소: 미래지구 환경 연구소) 및 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐으며, 부산대 분자생물학과 이동훈 석사과정생이 제1저자, 연구책임자 정의만 교수가 교신저자로 수행했다.

* 상단 연구진 사진: 왼쪽부터 정의만 교수, 이동훈 석사과정생.

[Abstract]

4-tert-Octylphenol (4t-OP) is an endocrine-disrupting chemical widely used in industrial products that exert neurotoxic effects, thus affecting hippocampal neurogenesis and cognitive function. However, its effect on the subventricular zone (SVZ), a crucial neurogenic niche, remains unclear. The present study demonstrated that maternal 4t-OP exposure significantly reduced neurogenesis in the dorsal SVZ, the primary source of dopaminergic periglomerular cells and superficial granule cells, in the olfactory bulb (OB) in mouse offspring. This reduction in neural progenitor populations led to decreased numbers of OB neurons, particularly tyrosine hydroxylase- and calretinin-positive cells, which play a key role in olfactory processing. These changes persisted in adulthood and were associated with olfactory dysfunction, including impaired odor detection and reduced social odor preference in behavioral tests. These findings indicate that 4t-OP exposure disrupts SVZ neurogenesis, leading to long-term sensory and behavioral deficits, highlighting its potential neurodevelopmental risks. Moreover, the observed impairment in olfactory function induced by 4t-OP exposure provides new insight into how endocrine-disrupting chemicals affect sensory organs.

- Authors (Pusan National University): Dong Hun Lee, Eui-Man Jung (Department of Molecular Biology)

- Title of original paper: New insights into the olfactory development disrupted by 4-tert-Octylphenol in offspring mice

- Journal: Journal of Hazardous Materials

- Web link: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389425024896 

- Contact e-mail: jungem@pusan.ac.kr