건강보조품 타우린, 알츠하이머병 치료 효과 밝혀 - KIST 뇌과학연구소 타우린의 알츠하이머병 치료 효능 증명 - 식음료 통해 섭취가능한 타우린으로 인지 능력을 정상 수준으로 회복 - 알츠하이머병의 원인 단백질 억제하고 기억 담당 뇌세포를 활성화 고령화 시대 대표적 질환인 알츠하이머병은 치매의 60~80%를 차지할 정도로 치매 중 가장 흔한 퇴행성 뇌 질환이다. 그러나 치료 방법이 없어 약 10년여에 걸쳐 진행되는 투병기간동안 증상이 악화되어 결국 사망에 이르게 된다. 알츠하이머 치료제 개발은 오랜 치료기간동안 약물 투약이 필요하기 때문에, 쉽게 섭취할 수 있고 부작용이 적으며 체내에 들어갔을 때 안정성이 뛰어나야 한다. KIST 연구진이 건강보조품에 함유되어 있는 타우린이 알츠하이머병 치료에 도움이 된다는 것을 밝혔다. 타우린과 알츠하이머병의 관계를 밝힌 것은 세계적으로 처음 발견된 사실이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 뇌과학연구소 김영수 박사 연구팀은 경구로 투약한 타우린이 알츠하이머병을 유발하는 베타아밀로이드 단백질을 억제하고 인지 기능을 담당하는 뇌 부위의 신경교세포를 활성화하여 기억력 감퇴와 인지능력 저하 등의 경증 치매 증상을 치료할 수 있다고 밝혔다. 타우린은 항산화활성, 피로회복 및 혈압안정에 효과가 있다고 알려진 물질로 어폐류나 자양강장제와 같은 식음료로 손쉽게 섭취가 가능하다. 연구 결과는 ‘Scientific Reports’ 12월 13일 ‘Taurine in drinking water recovers learning and memory in the adult APP/PS1 mouse model of Alzheimer’s disease’라는 제목으로 게재되었다. 연구팀은 알츠하이머병의 원인 단백질로 알려진 베타아밀로이드와 다양한 신경전달물질 간의 상호 반응을 조사했고, 뇌에 고농도로 존재하는 타우린이 베타아밀로이드를 직접적으로 조절한다는 연구김결과를 도출했다. 이 결과를 바탕으로 식수에 매일 30mg의 타우린을 녹인 후 알츠하이머병에 걸린 생쥐에게 3개월간 먹인 후 뇌기능의 변화를 관찰했다. 그 결과 미로찾기(Y-maze)와 수동회피 반응(passive avoidance)* 시험에서 타우린을 섭취한 알츠하이머 마우스의 인지 기능이 정상 수준으로 회복됨을 확인하였다. 또한 알츠하이머병이 진행되면 나타나는 증상인 대뇌의 피질 염증이 줄어들었을 뿐 아니라, 뇌의 해마부위에서 나오는 베타아밀로이드 양도 줄어들어 기억력과 연관이 높은 신경교세포가 활성화된다는 것을 확인할 수 있었다. ※ 미로찾기(Y-maze)와 수동회피 반응(Passive Avoidance, 전기 충격을 주고 다음날 기억여부를 검사하는 시험): 생쥐의 기억력과 학습력을 검사하는 데 일반적으로 쓰이는 테스트 기법 주목할 만한 특징은 타우린의 뇌 기능 개선 효과가 알츠하이머병에 선택성을 보인다는 점이다. 기존에 쓰이던 알츠하이머 치료 약물이 정상적인 생쥐에게는 비이상적 뇌 기능을 유발했던 점과 달리 타우린은 정상 생쥐에게는 비이상적 뇌 기능을 유도하지 않았다. 타우린이 가진 추가적 장점은 타우린이 뇌의 혈관장벽으로 투과되기 쉬워 경구로 섭취해도 뇌에서 흡수가 잘 되는 물질이라는 점이다. 이런 이유로 별도의 복잡한 투약절차없이 식수 등 음식으로 타우린을 섭취해도 효과가 높다. 타우린은 인체에 무해할 뿐 아니라, 이미 피로 회복, 항산화 작용, 중추신경 발달 등의 효능이 알려져 있어 다양한 건강보조식품에 함유되어 있다. 간질환 및 심장 질환을 치료하는 약물로도 쓰이고 있어 손쉽게 섭취가 가능하다. 이번 연구 결과를 토대로 김영수 박사 연구팀은 타우린의 화학 구조를 변형하여 약효가 증진된 신물질을 합성해 알츠하이머병을 근원적으로 치료할 수 있는 신약을 개발할 예정이다. 또한 김박사 팀이 별도로 진행하고 있는 알츠하이머병 혈액기반 진단시스템 개발 사업과 연계하여 알츠하이머병의 진단과 치료 두 마리 토끼를 모두 잡는다는 계획이다. 본 연구는 KIST 뇌과학연구소 플래그쉽사업의 일환으로 추진되었으며 미국 MIT 대학 및 과학기술연합대학원대학교(UST)의 인턴쉽사업의 지원으로 수행되었다. KIST 김영수 박사는 “이번에 발견한 타우린의 알츠하이머병 치료 효능을 신약 개발에 적용하면 인체 친화적이고 부작용이 없으며 효능이 우수한 치료제를 개발할 수 있을 것으로 보인다”며, “본 연구의 결과를 토대로 알츠하이머병의 병리학적 원인 규명 및 근원적 치료제 개발 연구에 더욱 박차를 가할 예정”이라고 말했다. <관련자료> KIST 뇌과학연구소 김영수 박사 <그림1 > 타우린에 의한 알츠하이머병 치료 효과 알츠하이머병이 유발된 유전자이식 마우스에 타우린을 투약한 결과 인지 기능 행동 시험에서 기억력과 학습능력이 정상 수준으로 회복 되었음. <그림 3> 타우린에 의한 기억 담당 뇌부위(해마)의 신경교세포 활성화. 정상 마우스(좌)과 타우린 투약한 알츠하이머 마우스(우) 타우린을 섭취하여 인지 기능이 정상 수준으로 회복된 알츠하이머 유전자이식 마우스의 신경교세포가 활성화 되어있음.

전원이 꺼져도 정보가 보존되는 강유전체 터널소자 원리 규명, 비휘발성 메모리 개발 박차 - 강유전체의 자발분극 방향에 따라 양자역학적 전자의 흐름을 달리하는 터널접합소자의 거대 전극의존성 발견 - 거대전극효과는 강유전체와 전극 사이에 존재하는 양자역학적 에너지 장벽의 차이에 기인함을 규명 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 전자재료연구센터 정두석 박사 연구팀이 독일 킬 대학, 율리히 연구소, 러시아 아이오페 연구소와의 공동연구를 통해 강유전체 터널접합소자의 거대전극효과를 발견, 그 원리를 규명했다고 밝혔다. 전기가 통하지 않는 절연체인 유전체는 상온에서 전압을 흘려주었을 때 내부에 +, - 이온이 쌍을 이루는 전기쌍극자(electric dipole)가 형성되고, 이로 인해 유전체의 +,- 극이 분리되어 메모리로 활용이 가능하다. 유전체는 현재 컴퓨터 하드 드라이브에 저장된 정보를 중앙처리장치(CPU)로 불러오는 DRAM 반도체에 많이 쓰이고 있다. 그러나 유전체는 전압이 사라지면 이러한 성질이 사라지는데 이 때문에 컴퓨터 부팅에는 일정 시간이 소모된다. 유전체 중 전압이 사라져도 +,- 한 쌍의 이온이 사라지지 않는 유전체가 ‘강유전체’이다. 이런 이유로 강유전체는 전기를 꺼도 저장된 정보가 사라지지 않는 ‘자발분극’ 현상이 일어나 비휘발성 메모리 연구에 활발히 쓰이고 있다. 실제로 세계 각국의 반도체 기업은 강유전체 축전기(ferroelectric capacitor)를 이용한 FeRAM 개발을 현재까지 이어오고 있다. ※ 자발분극 : 외부 인가 전기장에 의해 절연체 내 생성된 전기쌍극자가 외부 전기장 제거 후 잔존하는 현상을 의미함. 하지만 FeRAM이 소형화되면 정전용량이 확보를 하기가 어렵다는 단점이 있다. 따라서 현재는 축전기 형태의 강유전체 소자가 아닌 소형화에 유리한 저항을 기반으로 한 강유전체 소자를 이용 메모리소자 구현을 위한 연구가 활발히 진행 중이다. 연구팀은 3 나노미터 두께의 티탄산바륨 (barium titanate) 단결정 강유전체 박막을 이용하여 터널접합소자를 제작하였다(그림 1). 연구팀은 터널 접합소자 상부에 구리, 금 등의 재료를 전극으로 붙였다. 상부 전극의 재료의 종류에 달리하여 실험을 한 결과 터널접합소자를 통해 흐르는 양자역학적 전자의 흐름이 강유전체의 자발분극 방향에 영향을 받으며 상부 전극물질의 종류에 크게 의존함을 발견하였다. * 양자역학적 전자의 흐름 : 전자는 파동과 입자의 특성을 보이며 파동특성에 의해 두 전극사이에 위치한 강유전체 장벽을 통과할 수 있다. 이 현상을 양자역학적 터널링 효과라 부름. 상부전극이 구리인 터널접합소자의 자발분극 방향에 따른 저항비는 금에 비해 50~60배 이상에 달하는 거대전극효과 (giant electrode effect)를 보였다. 메모리소자의 높은 저항비는 저장된 정보의 읽기과정 시 발생 가능한 오류를 줄일 수 있어 터널접합소자 기반 메모리 개발에 박차를 가할 수 있을 것으로 예상된다. KIST 전자재료연구센터 정두석 박사는 “강유전체 터널접합소자는 향후 디지털 컴퓨터의 비휘발성 메모리, 신경망 모방 컴퓨터의 인공시냅스 소자 등에 활용될 수 있으며”, “학문적, 산업적으로 거대전극효과는 터널접합소자의 특성설계에 중요한 척도로 이용될 가능성이 있다”고 연구 의의를 밝혔다. 본 연구는 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전자재료연구센터 정두석 박사 연구팀에서 진행된 연구로, 강유전체 터널접합소자의 거대전극효과를 최초로 발견하였을 뿐 아니라 현상학적인 원리를 규명하였다. 이번 연구 성과는 Nature Communications에 “Giant electrode effect on tunnelling electroresistance in ferroelectric tunnel junctions” (DOI: 10.1038/ncomms6414)라는 제목으로 11월 17일(월)에 온라인 게재되었다. 이번 연구는 KIST의 K-GRL 기관고유연구사업 지원으로 수행되었다. ○ 연구진: ■ Dr. 정두석, 선임연구원, 전자재료연구센터, KIST ■ Dr. 김성근, 선임연구원, 전자재료연구센터, KIST ■ Dr. Rohit Soni, 박사후 연구원, Christian-Albrechts-Universit？t zu Kiel ■ Dr. Hermann Kohlstedt, 교수, Christian-Albrechts-Universit？t zu Kiel ■ Dr. Nikolay A. Pertsev, 연구원, A. F. Ioffe Physical-Technical Institute of the Russian Academy of Sciences ○ 사진 정두석, 선임연구원, 전자재료연구센터, KIST ○ 관련자료 그림 1 강유전체 터널접합소자의 고해상 투과전자현미경 사진, Cu(구리-상부전극), BTO(강유전체), LSMO(하부전극) 그림 2 좌측: 금 상부전극을 이용한 강유전체 터널접합소자의(위) 강유전 특성과 (아래) 저항 특성. 우측: 구리 상부전극을 이용한 터널접합소자의(위) 강유전 특성과 (아래) 저항 특성. 아래쪽은 두 그래프는 전류의 비를 나타내는데, 오른쪽이 비율이 커, 저항비가 크다고 볼 수 있다.

KIST, 탠덤 태양전지 효율 극대화 플랫폼 기술 개발 - 유기물 반도체의 값싼 장점, 무기물 반도체의 효율이 높은 장점 극대화 - 2.4V의 높은 전압을 이용하면 직접 물분해를 통해 수소 생산 가능 환경친화적이며 미래지향적인 에너지 생산방법으로 태양전지를 최우선적으로 생각할 수 있다. 세계적으로 태양전지 보급이 확대되고 있는데 효율이 개선된다면 태양에너지 활용 분야는 더 넓어질 수 있다. 하지만 실리콘 태양전지와 같은 단일 접합 태양전지는 이론적 한계효율(쇼클리-콰이저 한계？, Shockley-Queisser limit)을 넘어설 수 없는 것으로 여겨져 왔다. 이 한계를 돌파할 수 있는 기술이 바로 탠덤 (다중 접합) 태양전지다. *쇼클리-콰이저 한계 : 낮은 에너지의 광자는 태양전지로 쓰이는 반도체에 흡수되지 못한 채 투과되고, 높은 에너지의 광자는 흡수된 후 열에너지로 낭비되기 때문에 발생하는 이론적 한계효율 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 김홍곤 박사팀은 태양전지의 이론효율 한계를 뛰어넘을 수 있는 유-무기 하이브리드 탠덤 태양전지의 플랫폼 기술을 개발했다. 탠덤 태양전지는 광 흡수 영역이 서로 보완적인 두 개 이상의 광흡수 반도체를 수직으로 쌓아 태양에너지 중 투과되는 손실과 열에너지로 낭비되는 손실을 최소한으로 줄이는 기술이다. 기존의 무기탠덤 태양전지는 갈륨, 비소와 같은 값비싼 재료와 고가의 공정장비를 사용하여 제조되기 때문에 우주선과 같이 제한된 곳에 활용될 뿐 널리 상용화되지는 못했다. 연구팀이 개발한 기술은 유-무기 하이브리드 탠덤 구조를 고안하여 저비용, 고효율 태양전지를 가능하게 하는 플랫폼 기술이다. 유기물 반도체의 저렴한 장점과 무기물 반도체의 효율이 높은 장점을 하나의 소자 내에서 최대화하는 것이 핵심 아이디어였다. 연구팀은 이웃하는 단일 접합 태양전지들을 이어주는 계면층 개발과 소자 전체에서 전류 분포를 고르게 하는 전류매칭 기술에 주력했고, 그 결과 유-무기 하이브리드 구조의 탠덤 태양전지 분야에서는 세계 최고인 9.5%의 효율을 달성했다. 이번에 개발된 유-무기 하이브리드 탠덤 태양전지는 2.4 V에 달하는 높은 전압이 가장 큰 특징으로 이는 물분해를 통한 수소 생산에 활용되기에도 충분한 크기이다. 또, 세계 각국의 많은 연구자들이 다양한 종류의 단일 접합 태양전지 분야에서 광전변환효율 개선을 위해 노력하고 있는데, 이번에 확보된 플랫폼 기술을 적용하면 단일 접합 태양전지의 기술발전을 탠덤 태양전지의 고효율화에 바로 적용할 수 있다는 게 연구진의 설명이다. 이번 성과는 국가과학기술연구회(구 기초기술연구회) NAP(National Agenda Project, 국가 아젠다 해결형)사업 및 KIST의 기관고유사업의 결과다. KIST 광전하이브리드연구센터의 김홍곤, 이도권, 한승희 박사 연구팀의 태양전지 분야에서 축적된 원천기술과 성균관대학교 이준신 교수팀의 무기박막태양전지 기술, 그리고 서울대학교 김창순 교수팀의 계산과학이 어우러진 융합연구를 통해 이루어낸 성과라는 점에서도 의의가 크다. KIST 김홍곤 박사는 “개발된 탠덤 소자는 그 자체로 매우 높은 전압을 나타내기 때문에 모듈화(일반적으로 태양전지로부터 고전압을 얻기 위해 단일접합 태양전지 여러 개를 직렬 연결하는 것)에 따른 저항손실 없이도 물분해 등에 적용될 수 있다”면서 “다양한 단일접합 태양전지 기술이 발전함에 따라 탠덤화 플랫폼 기술의 수요도 증가할 것”이라고 말했다. 이번 연구 성과는 11월 21일 네이처 출판사에서 발행하는 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 온라인판에 "Triple-Junction Hybrid Tandem Solar Cells with Amorphous Silicon and Polymer-Fullerene Blends"의 제목으로 게재되었다. <참고 이미지 자료> 1. 연구내용 요약용 이미지 위: 유-무기 하이브리드 탠덤 태양전지 구조 아래: 탠덤 태양전지 고효율화를 위한 계산 결과 KIST 김홍곤 박사 KIST 이도권 박사

KIST, 흑린(黑燐) 소재기반 차세대 트랜지스터 개발 가능성 열어 - 차세대 반도체 물질인 흑린(black phosphorus)의 특성을 제어하여 고성능트랜지스터 개발 - 무기물 보호막을 적용해 안정적인 소자 특성 확보 다양한 전자 기계가 발달하면서 투명하면서도 휘어지는 성질을 가진 고성능의 반도체 개발에 대한 필요가 증가하고 있다. 그러나 현재 주로 사용되는 실리콘 소재의 반도체로는 이러한 반도체를 만들기 어려워 신소재에 대한 연구가 활발하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계면제어연구센터 최원국 박사, 송용원 박사 연구팀이 신소재인 흑린을 이용해 안정성과 성능이 높은 트랜지스터(transistor)를 개발했다. 흑린은 공기 중에서 반응속도가 너무 높아 불안정하다는 단점 때문에 트랜지스터로 만들기에 어려움이 많았다. 연구팀은 반응을 억제하기 위해 보호막을 씌워 안정성을 확보했다. 이렇게 개발된 트랜지스터는 안정적일 뿐 아니라 성능도 뛰어나 차세대 반도체 개발에 한층 가까워졌다는 평가이다. 그래핀은 2004년 발견된 이래, 실리콘을 대체할 차세대 반도체 재료로써 각광 받아왔지만 도체인 금속 성질이 더 우세하여 반도체에 적용하기에 어려운 점이 많았다. 이러한 단점을 보완하기 위해, 이황화몰리브덴 등의 재료가 트랜지스터로써 개발되었지만, 성능부분에서 한계가 있었다. 흑린(black phosphorus)은 인(phosphorus)과 원소는 같으나 모양과 성질이 다른 동소체로 그래핀과 마찬가지로 두께가 원자 수준으로 얇으며 원자가 층 구조인 물질이다. 이런 특성으로 인해 흑린은 기존 물질을 대체할 차세대 반도체 재료로 관심이 높다. 하지만 공기 중에서의 반응속도가 너무 높아 안정적이지 못해 반도체 소자를 제작하고 구동하는데 어려움이 많았다. 연구팀은 공기 중에서 흑린이 직접적으로 반응하는 것을 억제하기 위해, 흑린에 무기물인 얇은 산화알루미늄(Al2O3) 막을 보호층으로 감쌌다. 무기물 막은 만들어지는 과정에서 열이 발생하는데 정확한 분석을 위해 열로 인한 효과와 무기물 막으로 인한 효과를 분리하여 분석했다. 연구팀은 각각의 공정에서 저주파 잡음(low-frequency noise)을 비롯한 전기적 측정 및 분석을 수행했다.(그림 3). 그 결과 열로 인한 효과와 별도로, 저주파 잡음 수준이 산화알루미늄 보호막 증착을 통해 줄어드는 것을 확인하였다.(그림 4) ※ 저주파 잡음 분석 : 반도체 소자 내에서의 전하 이동 메커니즘 및 소자의 신뢰성을 평가할 수 있는 측정 및 분석 방법. 반도체 소자가 소형화 될수록 신호 대비 저주파 잡음 비율이 높아진다는 점으로 볼 때, 저주파 잡음 특성이 낮게 나타나면 소자가 성능이 좋아지고 소형화 및 집적화에 유리하다고 볼 수 있다. 또한 추가적으로 광학현미경 사진과 라만 분석을 통해 2개월 후에도 산화알루미늄막이 보호층으로 작동하여 흑린이 공기 중에도 안정적으로 존재할 수 있다는 것을 밝혔다.(그림 5) 이는 산화알루미늄 보호층을 적용한 흑린 트랜지스터 소자가 안정적이고 효과적으로 사용될 수 있음을 보여주는 것이다. ※ 라만 분석 : 물질 고유의 분자 진동수가 존재한다는 원리를 바탕으로 재료의 특성을 파악할 수 있는 분광법. 본 연구에서는 흑린의 존재 여부를 판단하는데 이용되었다. 이와 같이 개발된 흑린 트랜지스터는 향후 디스플레이용 박막 트랜지스터, CPU, 메모리 등의 반도체산업에 활용될 가능성이 있다. 박막 트랜지스터의 경우, 현재 상용화 단계인 저온폴리실리콘, 금속산화물 등의 재료에 비해 성능이 뛰어나며, 유연성과 투명성을 갖출 수 있다는 점에서 기대가 되는 물질이다. 하지만 대량생산을 위해서는 흑린 소재를 균일하고 대면적으로 합성할 수 있는 기술의 개발이 추후 보완되어야 한다. 본 연구에서는 위와 같은 응용분야에서 흑린이 트랜지스터로써 안정적으로 동작할 수 있다는 것을 밝히고, 기본적인 소자 특성을 평가하고 개선하였다는데 그 의의가 있다. 제 1저자인 나준홍 박사는 “이번 연구결과를 통해 그동안 논란이 되어왔던 흑린 소재의 트랜지스터가 안정적으로 구동된다는 것을 확인할 수 있었다”며, “나아가서 이번 연구는 흑린 내에서의 전하 이동 메커니즘을 이해하는데도 큰 도움이 될 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계면제어연구센터 최원국 박사, 송용원 박사 연구팀에서 진행된 연구로, 무기물 보호층을 적용하여 수 나노미터(nanometer) 두께의 흑린을 대기 중에서도 안정적으로 구동할 수 있는 트랜지스터로써 탈바꿈 시켰을 뿐만 아니라, 저주파 잡음 측정을 통하여 흑린 트랜지스터의 동작 원리를 분석하고 성능이 개선된 것을 확인하였다. 이번 연구 성과는 ACS Nano에 “Few-Layer Black Phosphorus Field-Effect Transistors with Reduced Current Fluctuation” (DOI: 10.1021/nn5052376)라는 제목으로 11월 4일(화)에 온라인 게재되었다. 이번 연구는 KIST의 기관고유연구사업 지원으로 수행되었다. ○ 연구진: ■ Dr. 송용원, 책임연구원, 계면제어연구센터, KIST ■ Dr. 최원국, 책임연구원, 계면제어연구센터, KIST ■ Dr. 나준홍, 박사후연구원, 계면제어연구센터, KIST ○ 관련자료 <그림 1> 세 개의 흑린 층을 표현한 모식도 <그림 2> 트랜지스터로 제작된 흑린의 광학 현미경 사진(왼쪽)과 3차원 현미경 사진(오른쪽) <그림 3> 열처리와 산화알루미늄 보호막 증착을 통한 트랜지스터 소자 변수 개선 확인 그래프 <그림 4> 산화알루미늄 보호층 효과로 인한 흑린 트랜지스터의 저주파 잡음 특성 개선 확인 그래프 <그림 5> 광학현미경 사진과 라만 분석을 통해 안정성 검사를 실시한 결과, 2개월 후에도 흑린이 공기 중에서 존재할 수 있다는 것을 보여주는 그래프

복잡한 검사없이 혈액 한방울로 알츠하이머 치매를 진단하다 -알츠하이머 원인 단백질의 혈액속 농도로 질병을 진단하는 연관성 밝혀 -개방형 연구성과로 융복합기술 기반 혈액 진단 시스템 개발 토대 마련 사회가 고령화되면서 노화 관련 질환에 대한 관심이 날로 증가하고 있다. 50세이후 발병율이 증가하는 대표적 노화 질병인 알츠하이머 치매를 혈액으로 진단할 수 있는 기술이 개발되었다. 알츠하이머 치매를 일으키는 단백질로 알려진 ‘베타아밀로이드’가 혈액으로 이동이 가능해 혈액검사로 검출할 수 있다는 것에 착안한 것이다. 병원 및 기업과의 중개연구와 임상실험을 통해 기술이 상용화되면 병원에서 쉽고 빠르게 치매를 진단할 수 있어 파급효과가 클 전망이다. 알츠하이머 치매는 ‘베타아밀로이드’라는 단백질이 뇌에서 지나치게 증가해 발생하는 것으로 알려져 있다. 베타아밀로이드 농도가 높아지면 뇌의 신경세포가 파괴되고 결국 기억이 지워지는 것이다. 그래서 뇌조직 검사나 단백질 분포 확인이 가능한 PET 영상 촬영 등으로 알츠하이머 치매를 진단할 때 베타아밀로이드는 질병 진단의 주요한 척도, 즉 바이오마커로 사용된다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 뇌과학 연구소 김영수 박사팀은 베타아밀로이드가 특이하게 LRP1 이라는 단백질을 통해 뇌에서 혈액으로 이동하는 것에 주목했다. 혈액 내 베타아밀로이드의 존재여부는 국제적으로 여러차례 보고된 바 있다. 그러나, 뇌에서의 베타아밀로이드가 증가하는 것이 LRP1을 통해 혈액에서 농도 변화로 반영될 수 있는지 불분명하여 혈액 진단은 논쟁이 되어왔다. * LRP1: Low density lipoprotein receptor-related protein1, 뇌혈관 장벽에 존재하는 수용체로 뇌 및 뇌척수액에 있는 베타아밀로이드를 혈액으로 보내는 역할을 한다. 뇌에서 떠도는 베타아밀로이드에 붙어 뇌혈관장벽을 투과할 수 있도록 채널 역할을 한다. 연구팀은 생쥐의 뇌에 베타아밀로이드를 다양한 분량으로 넣어 알츠하이머 치매를 일으켰다. 그 후 혈액을 뽑아 베타아밀로이드의 양을 분석했고 뇌 안의 베타아밀로이드 농도가 올라가면 혈액 속의 베타아밀로이드도 비례해 높아진다는 것을 확인했다. 이는 혈액 속 베타아밀로이드의 바이오마커 역할에 대해 가능성으로만 제기되었던 주장을 과학적으로 연관성을 밝힌 것이다. 혈액을 사용해 알츠하이머 치매를 조기에 진단할 수 있게되면 - 쉽고 편리하게 의료 기관에서 사용될 수 있으며, 기술이 상용화될 시 파급효과가 매우 크다는 장점이 있으며, - 또한 질병 조기 발견을 통하여 병이 중증으로 진행되는 것을 최대한 지연시킴으로 환자가 인간다운 삶을 더욱 길게 누리게 할 수 있으며, - 환자군 분류를 가능하게 하여 치료 신약 개발연구에 기여를 할 수 있다. 그러나 베타아밀로이드는 혈중에서 극소량만 존재해 현재 병원에서 쓰고 있는 장비로는 분석이 불가능하다. KIST 개방형 연구사업단(단장 김태송, Dennis Choi)은 매우 적은 양의 베타아밀로이드를 정밀 분석할 수 있는 장비를 개발중이다. 또한 국내외 병원, 대학, 기업체와 힘을 합쳐 융합 연구를 계속 진행해, 최종적으로 혈액을 활용한 알츠하이머 치매 진단을 위한 ‘나노바이오 센서 시스템’을 개발한다는 계획이다. * KIST 개방형 연구사업단(Open Research Program) : 각종 재난상황에 대비하고 국민의 삶의 질을 실질적으로 개선시킬 수 있는 국민 행복 기술의 개발을 위해 2013년부터 KIST가 진행중이다. 본 연구는 사업의 취지에 맞게 KIST가 국민에게 실질적으로 도움이 되는 기술을 개발했다는 데 의미가 있다. KIST 김영수 박사는 “본 연구는 혈액이라는 쉬운 방법을 통해 알츠하이머 치매를 진단할 수 있는 이론적 토대를 마련했다는 데 의미가 있다”며, “21세기 사회 문제의 극복으로 치매 환자수 감소 및 직간접 의료비 절감을 통하여 우리 사회를 더욱 건강하게 유지하는데 큰 역할을 할 것으로 기대된다.”고 말했다. 본 연구는 KIST 개방형 연구사업 알츠하이머 치매 혈액 진단 시스템 개발(단장 김태송, Dennis Choi) 과제로 지원되었다. 연구 결과는 ‘Scientific Reports’ 10월호에 ‘Correlations of amyloid-β concentrations between CSF and plasma in acute Alzheimer mouse model’라는 제목으로 게재되었다. <관련 자료> KIST 뇌과학연구소 김영수 박사 <그림1> 베타아밀로이드 검출 혈액 검사 정상 성인 마우스의 뇌에 베타아밀로이드를 주입하여 알츠하이머 치매를 유발한 후 혈액에서 베타아밀로이드를 정량 검출함 <그림 3> 뇌척수액(좌)과 혈액(우)의 바이오마커 정량 분석 뇌에서 비이상적으로 증가한 알츠하이머 치매 원인 베타아밀로이드 단백질이 뇌혈관장벽을 투과하여 혈액에서 비례적으로 검출됨

뇌, 척추 등 미세한 수술이 가능한 차세대 수술 로봇 개발 - 능동 캐뉼라 로봇으로 기존 대형수술로봇의 한계 극복 - 다양한 수술환경에서 집도의, 보조의 역할 수행 가능 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 바이오닉스 연구단과 연세대학교 세브란스 병원(병원장 윤도흠)은 기존의 대형수술로봇으로는 적용할 수 없었던 ‘미세’한 수술영역에 적용이 가능한 차세대 미세수술용 능동 캐뉼라(active cannula) 로봇을 개발했다고 밝혔다. ※캐뉼라 : 의료용으로 쓰이는 금속으로 된 직선형 관, 능동 캐뉼라는 이것이 모터로 구동이 되어 조향(steering), 즉 방향 조정이 가능하도록 한 것임 개발된 능동 캐뉼라 로봇은 슬림화, 고강성화, 조향성 강화 및 소형화를 목표로 개발되었다. 인체내 삽입되는 부분의 외경이 4mm급으로 매우 가늘며, 상하좌우로 90도 구부러짐이 가능한 동작 범위를 가져 기존의 직선형 수술도구로는 접근이 불가능한 뇌의 깊숙한 영역까지 접근이 가능하도록 한 것이 특징이다. 연구팀은 또한 500g의 무게를 안정적으로 지지 할 수 있는 견고한 고강성(high stiffness) 조향 기구부를 개발하였다. 이러한 동작 성능은 기존 수술 미세 로봇들에서는 구현하기 힘들었던 기술이다. 연구팀은 로봇의 끝단에 종양조직을 적출할 수 있는 겸자(forceps)를 장착하였다. 수술 집도의의 양팔, 손목, 손가락의 모션을 모방한 조종장치를 통해 로봇과 겸자를 자유롭게 조종할 수 있도록 하여 수술 도구의 방향 전환 성능을 강화하였다. 아울러 수술 집도의와 보조의간의 협업이 용이하도록 로봇 몸체를 소형화하여, 비좁은 수술환경에서 쉽게 이동, 설치가 가능하고, 의료진의 움직임을 방해하지 않고 수술을 보조하도록 설계했다. KIST 능동 캐뉼라 로봇이 실제 사용을 위해 협력한 곳은 연세대학교 세브란스 병원의 김선호 교수팀. 김선호 교수팀에서 실시하는 수술은 최소침습 뇌종양 수술이다. 이는 환자의 얼굴의 중심부분에 위치한 뇌하수체 부근에 위치한 종양을 두개골의 절개 없이 코를 통하여 젓가락과 같이 가늘고 긴 수술도구를 넣어 종양을 제거하는 수술이다. KIST에서 개발한 미세수술로봇은 수술 보조사로서, 기존의 수술도구로는 접근할 수 없었던 영역에 수술 로봇이 접근하여 의사의 양손을 대신하여 수술을 진행한다. KIST와 연세대학교는 올해 6월에 1차 카데바(사체) 실험을 통해 실제 수술에서 활용성과 기능성이 개선된 수술로봇으로 11월 2일 세브란스 병원에서 2차 카데바 실험을 진행했다. KIST 강성철 박사는 “이번에 개발한 수술로봇은 컴팩트한 사이즈와 다자유도의 조향성능으로 인해 기존의 수술로봇을 사용할 수 없는 신경외과, 안과, 정형외과 등의 뇌수술, 척추수술, 안구수술 등 미세수술 영역에 광범위하게 사용 가능할 것으로 기대된다”며 “향후 협력연구와 임상실험을 통해 미세 수술로봇이 실제로 환자들에게 쓰일 수 있도록 노력하겠다”고 밝혔다. 본 수술로봇 연구에는 KIST 의공학연구소 바이오닉스 연구단의 강성철, 이우섭, 김계리 박사가 주관하였고 연세대학교 의과대학 세브란스 병원 신경외과의 김선호 교수와 KAIST 기계공학과의 권동수 교수가 공동으로 참여하였다. <참고 그림자료> 그림 1. 고강성 조향 기구부 설명도 그림 2. 제1차 카데바 실험 (2014년 6월15일, 세브란스 병원) 그림 3. 2차 프로토 타입 로봇을 이용한 뇌하수체 종양 수술 시연 (연세대학교 의과대학 세브란스 병원 김선호 교수)

양자점을 이용하여 효율성과 안정성을 개선한 유무기 하이브리드 태양전지 소자개발 - 다기능성 양자점과 탄소복합구조로 된 유기태양전지의 효율 증가 및 안정성 개선 - 전북분원 복합소재기술연구소 유기태양전지 상용화를 위한 후속연구 박차 태양광을 전기 에너지로 바꾸는 태양전지는 화석 에너지의 고갈과 청정 에너지원의 필요성이 부각 되면서 차세대 대체 에너지원으로서 각광 받고 있 다. 현재 태양전지는 실리콘계 태양전지가 주로 생산되고 있으나 복잡한 제작공정 및 높은 재료 가격으로 인하여 경제성 확보에 어려움을 겪고 있다. 이에 반해, 유기태양전지는 기존 실리콘계 태양전지와 달리 가공이 쉽고 재료가 다양하며, 가격 또한 저렴하여 경제성이 높다. 그러나 상대적으로 빛을 전기로 바꾸는 광전 변환 효율이 낮고 오래 사용할 경우 안정성이 떨어져 상용화에 어려움이 있었다. 국내 연구진이 양자점 단일점을 효과적으로 도입하여 유기태양전지의 안정성 및 광전 변환 효율을 획기적으로 개선한 전지를 개발했다. 관련 연구는 연구의 참신성을 인정받아 에너지 재료 분야의 권위지인 Advanced Energy Materials에 게재되었다. 한국과학기술연구원(KIST) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 소프트혁신소재연구센터 손동익 박사팀은 제1저자로 참여한 문병준 연구원과 함께 차세대 나노소재재료 중 하나인 양자점 단일층을 이용하여 광전환 효율을 증대시키면서, 소자의 안정성을 강화한 유기 태양전지를 개발했다. 이번 연구 성과는 에너지재료 분야의 권위지인 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)에 "Enhanced Photovoltaic Performance of Inverted Polymer Solar Cells utilizing Multi-functional Quantum-dots Monolayer"의 제목으로 9월 11일에 온라인판으로 게재되었다. 일반적으로 유기태양전지에서 태양광을 흡수하여 전자(Electron)와 정공(Hole)을 형성하는 광활성층 (Active layer)이라 불리는 유기물층 (P3HT 혹은 PTB7 고분자 물질)은 태양광을 받아 전자를 내놓는 ‘전자주게물질’ (Donor)과 전자를 받아서 전극으로 전달해주는 ‘전자받게물질’ (Acceptor; PCBM: 탄소나노물질)의 혼합층 (탄소복합구조)으로 이루어져 있다. 하지만, 유기태양전지의 특성상 광활성층의 두께는 제한적이고 광활성층에 사용된 유기물질의 종류에 따라 고유의 특성이 존재하므로 태양광의 전 파장 영역에서 100% 흡수할 수 없다는 단점을 가지고 있다. 화물 나노입자가 했었던 전자수송층 역할을 물론이고, 일정한 광흡수, 광산란, 플라즈모닉 특성 등의 다기능한 역할로 기존보다 20%이상 효율을 증가함과 동시에 안정성도 개선됨을 확인하였다. ※ 밴드갭 : 전자가 존재하는 에너지 레벨과 전자가 존재하지 않는 에너지 레벨의 사이의 차이 개발된 ‘카드뮴 셀레나이드(CdSe) 단일층’은 단순한 용액공정을 통하여 쉽고 빠르게 형성할 수 있고, 이는 광활성층에서 흡수하지 못하고 투과해버리는 태양광을 소량 흡수하여 전자와 정공의 형성에 도움을 주게 되어 태양전지의 광전 변환 효율의 증대를 가져 오게 된다. KIST 손동익 박사는 “단일층 양자점을 이용하여 기존 전자수송층 뿐만 아니라, 다양한 기능성을 통해서 광에너지 전환 효율을 향상시키고, 용액 안정도가 커 유기태양전지의 내구성을 획기적으로 개선시킨다”며, “후속으로 연구 중인 차세대 재료인 그래핀 양자점과의 복합구조를 가진다면 유기태양전지의 상업화에 크게 기여할 것으로 보인다”고 말했다. 이번 연구는 KIST 기관고유연구사업에서 지원되었다. <연구진> <KIST 손동익 박사> <그림설명> <그림 1> ‘Advanced Energy Materials’의 2014년 9월 11일자 온라인판에 개제된 논문의 내용을 담고 있는 개괄적 이미지, 붉은 색의 빛을 내는 카드뮴 셀레나이드(CdSe) 양자점(QD)이 표면 개질 고분자 (PEIE) 위에 단일층으로 형성되어 있음을 나타내는 이미지. 양자점은 태양광을 흡수하여 전자와 정공 형성에 도움을 주어 전지의 광전변환효율의 향상에 도움을 주는 전자수송층 역할을 물론이고, 광흡수, 광산란, 플라즈모닉 특성 등의 다기능한 역할과 소자의 안정성 향상 측면에도 도움을 준다. <그림 2> 양자점 단일층을 이용한 유기태양전지의 구조: (a) 카드뮴 셀레나이드 용액을 투명한 PEIE 고분자 표면에 코팅한 다음, 이 위에 별도의 추가 공정 없이 유기태양전지(OSC, organic solar cell)를 구성하면 태양전지 제작이 가능하다. (b) 카드뮴셀레나이드 양자점이 단일층으로 형성됨을 확인함을 분석 이미지 <그림 3> 양자점 단일층을 이용한 유기태양전지의 특성: (a) 카드뮴 셀레나이드 양자점을 활용한 경우, 전지의 효율이 향상됨을 확인할 수 있다. (b) 양자점 단일층에 의한 안정성 증가 확보

햇빛도 알아서 전기도 알아서, 더 진화된 스마트 윈도우 - 추가 전원·추가 동작 없이 태양빛 유무에 따라 자동 블라인드 기능 발현 - 창호형 태양전지와 일체형 구조로, 투과된 태양광을 전기에너지로도 전환 - 실내 미관 및 보안, 에너지 효율까지, 미래형 창호시스템 가능 블라인드를 내리거나 전원을 연결하고 버튼을 누르는 수고없이 자동으로 밤에는 빛을 차단하고 아침에는 투명해지는 진화된 스마트 윈도우가 개발되었다. 태양빛에 반응해 자동으로 투과도가 변하는 것이다. 뿐만 아니라, 개발된 윈도우는 창호형 태양전지와 연동해 자동으로 전력도 생산할 수 있다. 다양한 기능을 가진 일체형 스마트 윈도우는 건물 창문이나 자동차 유리, 썬루프 등 다양한 곳에 활용할 수 있을 전망이다. 한국과학기술연구원(원장 이병권) 광전융합시스템연구단 고두현 박사는 영국과의 국제 공동연구를 통해 자외선 유무에 따라 자동적으로 가시광선 영역의 빛을 개방·차폐할 수 있는 소재를 개발하고, 이를 창호형 태양전지와 결합한 다기능 태양전지 일체형 스마트 윈도우를 개발했다고 밝혔다. 본 연구는 ‘Optically Switchable Smart Windows with an Integrated Photovoltaics’ 라는 제목으로 재료분야 세계적 권위의 과학전문지 ‘Advanced Energy Materials' 온라인판 10월호에 게재되었다. 연구팀은 분자구조가 나선형(helix, 나사선)인 액정 소재와 아조 벤젠계(Azo Benezene) 화합물을 혼합해 새로운 형태의 액정을 만들었다. 아조 벤젠계 화합물은 빛을 만나면 분자 구조가 변하는 특성이 있어 빛의 유무에 따라 액정의 나선주기를 조절할 수 있다. 이렇게 만들어진 액정에다 위, 아래 각각 2개의 편광판을 부착한 것이 스마트 윈도우다. 빛이 없는 환경에서는 액정의 분자들은 매우 짧은 나선 주기를 가지게 되고 반대의 경우는 나선주기가 길어진다. 짧은 주기의 경우는 위쪽 편광판을 통하여 들어온 빛의 편광상태가 변화되지 않고 아래 편광판에 의하여 차단된다. 그러나 나선 주기가 길어진 경우에는 빛의 편광 상태가 변화되는데 이렇게 들어온 빛은 아래 편광판을 투과해 실내로 들어오는 것이다. 연구팀은 제작된 액정을 창호형 태양전지와 연동하여, 태양전지가 투과되는 빛을 이용하여 전력을 생산할 수 있도록 했다. 개발한 액정 나선의 주기에 따라 투과되는 빛의 파장 영역을 조절 할 수 있는 점을 활용한 것이다. 태양전지는 흔히 가시광선 영역이 사용되는데, 연구팀은 가시광선이 투과되도록 했다. 현재 판매되고 있는 스마트 윈도우 기술은 태양빛을 개방·차폐하는 기능은 있지만 장치를 작동하기 위한 추가의 전원이 필요하거나, 사용자가 장치를 동작시켜야 한다. 개발된 ‘일체형 스마트 윈도우’는 추가적인 외부 전원이나 사용자의 조작없이 자외선에 반응해 스스로 작동해 빌딩이나 차량에 쓰이는 경우 효율성이 높다는 장점이 있고 추가 전력생산도 가능하다. KIST 고두현 박사는 “이번에 개발된 일체형 스마트 윈도우를 창호에 활용하면, 날로 심각해져 가는 전기에너지 부족 문제 해소에 기여할 것으로 보인다”며, “앞으로, 스마트 윈도우 제품의 투명도 조절 및 미관을 고려한 다양한 색으로 제작해 기술 상용화를 위한 응용 연구를 할 계획이다”고 말했다. 본 연구는 미래창조과학부 미래융합파이오니아 사업과 기후변화 대응 기술개발 사업, 그리고 KIST 기관고유사업의 일환으로 추진되었다. <연구자> < 그림 1. KIST에서 개발된 다기능 고효율 스마트 윈도우의 구조도> <그림 2. 자외선에 반응하는 액정창 실물 사진, 밤(좌), 낮(우)> <그림 3. 태양전지와 결합한 스마트 윈도우 실물 사진>

유해 용매 사용없이 친환경 박막태양전지 대량생산 길 열어 - 지구상에 많은 값싸고 친환경적인 원소로 이루어진 박막태양전지 기술 개발 - 유해 화학용매 없이 기계적 반응만으로 태양전지 원료 생산 공정 혁신 유리와 같은 값싼 재료 위에 붙일 수 있는 얇은 태양전지인 박막태양전지는 원가가 저렴하고 다양하게 활용할 수 있어 미래 태양광 기술로 주목받고 있다. 하지만 제작공정이 까다로워 상용화에 걸림돌이 되어왔다. 국내 연구진이 인체에 유해한 화학 용매 없이 원료들을 기계적으로 회전시켜 박막태양전지에 쓰이는 나노결정을 개발했다. 개발한 공정은 기존 유해 화학용매를 사용한 것보다 10시간 이상 시간을 단축할 수 있고 원료로 사용된 원소들 역시 지구상에 많이 존재하는 원소로 이루어져 원료비 절감효과까지 있는 것으로 밝혀졌다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 이도권 박사(광전하이브리드연구센터), 조소혜 박사(물질구조제어연구단) 공동 연구팀은 초저가 박막태양전지 제조에 필요한 나노결정(나노분말) 잉크를 유해 화학용매의 사용 없이 지구상에 많이 존재하는 원소만으로 손쉽게 대량으로 제조하는 기술을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 나노기술 분야의 국제학술지 나노스케일(Nanoscale) 온라인판에 "Solvent-Free Synthesis of Cu2ZnSnS4 Nanocrystals: A Facile, Green, Up-scalable Route for Low Cost Photovoltaic Cells"의 제목으로 9월 게재되었다. 본 연구는 무독성 원료를 사용하여 생산 공정의 혁신을 주도하는 등 연구의 우수성 및 참신함을 인정받아 10월 21일자 표지논문으로 선정되었다. <그림 1> 지금까지 주로 개발된 박막태양전지는 CIGS(구리-인듐-갈륨-셀레늄) 또는 CdTe(카드뮴-테릴륨) 화합물에 기반한 것이다. 이들은 인듐, 갈륨, 테릴륨과 같은 희소 원소 또는 카드뮴과 같은 유해 원소로 이루어진데다 값이 비싸 상용화에 어려움이 있었다. 이들을 대체하기 위해 무독성 범용 원소만으로 구성된 CZTS(구리-아연-주석-황) 박막태양전지에 대한 관심이 전 세계적으로 뜨겁다. 지구상에 풍부한 원소를 사용하므로 원료비 절감은 덤으로 따라온다. 연구진 역시 무독성 원소인 CZTS 전지를 더 친환경적, 효율적으로 만드는 방법에 몰두했다. 이러한 박막태양전지를 만드는 데는 다양한 공정 방법이 있는데 연구팀은 그중 가격경쟁력이 높은 프린팅 방법을 사용했다. 프린팅 방법은 나노분말 원료를 잉크로 만들어서 인쇄하듯 태양전지를 만드는 방법으로 다른 공정에 비해 공정처리에 드는 비용이 저렴한 것이 특징이다. 지금까지 많은 국내외 연구자들이 CZTS 나노결정을 제조하기 위해 화학용액 반응법을 사용했다. 그러나 이는 유해한 화학용매를 사용하므로 제조과정에 주의가 요구되며, 높은 온도로 처리해야 하기 때문에 비용이 높고, 반응 후에 오염물질을 남기는 단점이 있었다. 연구팀은 오염을 피하기 위해 구리, 아연, 주석, 황만을 기계화학적으로 반응시켜 CZTS 나노결정을 합성하는 데 성공하였다. 원료 분말들을 큰 구슬(볼)들과 함께 통에 넣은 후 회전시켜 기계적 에너지를 주면 분말들은 분쇄되면서 에너지를 축적하게 되는데 그런 축적과정을 거쳐 자발적인 화학반응에 이르게 된다. 연구팀은 이때 발생하는 반응열에 의해 급격한 화학반응이 연쇄적으로 일어나는 원리를 이용했다. 이 방법은 고온 공정이 필요 없고 용매의 건조, 나노입자 분리, 유기물 제거 등의 공정 단계를 생략할 수 있어 공정 시간을 10시간 이상 획기적으로 단축시킬 수 있다. 연구진은 개발한 나노결정 잉크를 박막태양전지에 활용한 결과 고효율, 초저가, 프린터블 박막태양전지가 제조 가능함을 보여주었다. KIST 연구팀은 “개발된 박막태양전지 제조 기술은 무독성, 범용 원소들로 이루어진 나노결정 원료를 유해한 화학물질을 사용하지 않고 이차적인 오염물질의 생성 없이 대량 생산가능하다는 점에서 획기적”이라며 “또한, 제조된 나노결정이 대기 중에서 1년 이상 화학적, 구조적으로 안정하다는 것이 확인되어 분말공정을 이용한 박막태양전지의 상용화에 크게 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 이번 연구는 KIST의 기관고유연구사업 및 기초기술연구회 NAP(National Agenda Project)사업의 연구비 지원으로 수행되었다. <연구진> 이도권 박사 조소혜 박사 <참고 이미지 자료> 1. Nanoscale지 : 구리, 아연, 주석, 황으로 이루어진 원료 입자가 기계화학적 반응을 통해 CZTS(구리-아연-주석-황) 화합물 나노결정으로 합성되는 과정을 나타냄. <연구내용 요약용 이미지>

닿은 병원균 즉사시키는 은나노복합체 코팅 에어필터 개발 -영국 왕립화학회가 출판하는 세계적 국제학술지에 표지 논문으로 발표 한국과학기술연구원 분자인식연구센터 우경자 박사팀과 연세대학교 기계공학과 황정호 교수팀은 에어필터에 닿는 순간 병원균을 즉사시키는 은나노복합체 코팅 에어필터를 개발해 수퍼박테리아와 같은 내성 병원균까지 제거할 수 있는 길을 열었다. 이번 연구는 미래창조과학부(나노·소재원천기술개발사업)와 KIST(기관고유사업)의 연구개발사업으로 수행되었고, 그 결과는 영국 왕립화학회가 출판하는 세계적 국제학술지인 저널 오브 머티어리얼즈 케미스트리 비(Journal of Materials Chemistry B)의 제 2권 39호 표지(front cover)논문으로 선정되었다.(2014. 9. 17. 온라인게재, 2014. 10. 21. 출판일) 논문명 : Prompt and Synergistic Antibacterial Activity of Silver Nanoparticle-Decorated Silica Hybrid Particles on Air Filtration 기존의 에어필터의 경우 걸러진 병원균이 주변환경 변화에 따라 에어필터에서 오히려 번식을 하는 역효과가 있었다. 이 문제점을 해결하기 위해 은나노 향균 물질 코팅 에어필터가 개발되었지만 그 은나노 입자가 매우 미세해 병원균을 제거하는 데 일정한 시간이 필요한 단점이 있었다. 이번에 연구진이 개발한 향균 코팅제인 은나노복합체는 은의 크기를 30나노미터로 키우고 복합구조로 만들어서 살균효과가 즉시 나타나게 했다. 구체적으로 은나노복합체는 지압용 공과 같은 모양으로, 마이크론 크기의 구형 실리카 표면에 많은 기둥을 세우고, 기둥 끝에 1~2 나노미터 크기의 은 시드(seed)를 고르게 부착한 후, 시드와 기둥을 함께 감싸도록 은 성분을 도포함으로써 30나노미터 크기의 은 나노입자들이 견고하게 고정된 3차원 복합소재를 완성한 것이다. 이후 이 은나노복합체를 확산건조기를 이용하여 에어필터위에 코팅하였고, 코팅된 은나노복합체가 에어 필터위에 매우 강하게 부착되어 코팅제로서 실용화하기에 안정된 구조인 것으로 확인할 수 있었다. 에어필터위에 코팅된 은나노복합체는 초속 2미터 이상의(에어컨의 강풍은 초속 1.5~2미터, 공기청정기의 강풍은 초속 1 미터) 강풍에도 전혀 입자가 떨어져 나가는 일이 없도록 했다.(실험에서는 초속 2미터 이상의 강풍을 보내서 은나노복합체가 떨어지지 않는 것을 확인하였다.) 연구진은 은나노복합체가 코팅된 향균 에어필터의 효과를 입증하기 위해 바람에 날려 필터에 걸러진 대장균과 포도상구균의 은나노복합체와의 반응을 전자현미경으로 관찰하였다. 이를 통해 은나노복합체 상의 은나노입자들이 마치 이빨처럼 박테리아를 물어뜯는 현상을 발견하고, 은나노복합체에 닿는 순간 박테리아들이 즉사하는 것을 확인할 수 있었다. 연구팀은 “이번 연구 성과는 은나노입자의 항균능에 관한 논란을 잠재우는 결정적 단초가 되었으며, 은나노복합체가 병원균에 닿는 순간 즉사시키므로 수퍼박테리아처럼 내성을 갖는 병원균까지도 효과적으로 제거할 수 있게 되어 국민의 건강 및 삶의 질 향상의 토대를 마련했다”고 평가했다. <연구진> 우경자 박사 <연세대학교 기계공학과 황정호 교수> <용어설명> 저널 오브 머티어리얼지 케미스트리 비(Journal of Materials Chemistry B) -영국 왕립화학회 (Royal Society of Chemistry)에서 출판하는 생물 및 의약과 관련이 있는 재료화학 분야 국제학술지(피인용지수: 6.626, 2013년). <그림1>논문 권 호의 표지: 중앙의 에어필터 위에 은나노복합체(황색)가 코팅되어 있으며 좌측의 오염된 공기가 항균에어필터에 걸러지고 깨끗한 공기가 우측으로 공급됨. 항균에어필터에 걸러진 박테리아는 은나노복합체에 닿는 순간 마치 물어뜯긴 것처럼 활성을 잃고 사멸하는 것으로 확인되었음 <그림 2>은나노복합체의 합성 과정을 보여주는 모식도: (a)는 실리카 구를 표면개질하여 표면에 양전하를 갖게 함으로써 음전하를 갖는 은나노씨드를 배열하는 과정 (b)는 배열된 은나노씨드들 중 큰 것들을 솎아내고 여유 공간을 만드는 과정 (c)는 남아있는 은나노씨드를 은나노입자로 성장시켜 은나노복합체를 만드는 과정 <그림 3>은나노복합체의 항균 작용을 보여주는 SEM 이미지: (a, b)는 에어필터에 코팅된 은나노복합체가 박테리아를 포획, 사멸시키는 모습 (c, d)는 은나노복합체와 박테리아를 섞은 용액을 왼쪽부터 차례로 0, 10, 30 분간 배양한 후의 모습 (a, c)는 대장균 (b, d)는 포도상구균이 은나노복합체와 반응하는 모양을 나타내며 2종의 병원균 모두 닿는 즉시 사멸됨