- 공장 배기가스 수준의 저농도 이산화탄소로도 높은 효율로 전환 가능 - 전기화학적 이산화탄소 전환기술 경제성 확보 공장 배기가스의 저농도 이산화탄소(CO2)를 포집해 산업현장에서 주요한 원료로 사용되는 일산화탄소(CO)를 만들 수 있는 기술을 국내 연구진이 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 청정에너지연구센터 원다혜·이웅 박사팀과 서울대학교(서울대, 총장 오세정) 황윤정 교수 연구팀이 공장 배기가스 수준의 저농도 이산화탄소를 반응물로 사용해 높은 반응효율로 일산화탄소를 생산할 수 있도록 하는 촉매 및 공정 기술을 개발했다고 밝혔다. 이산화탄소를 유용한 화합물로 전환하는 기술은 탄소를 줄이는 핵심기술의 하나로 활발히 연구되고 있다. 하지만, 이 기술은 고순도의 이산화탄소 가스를 반응 원료로 공급해야 한다는 걸림돌이 존재했다. 이산화탄소는 화학적으로 굉장히 안정적인 물질이어서 다른 물질로의 전환이 어려워 고순도의 이산화탄소를 공급해 반응 속도와 효율을 높여야 하기 때문이다. 실제 산업현장에서 나오는 배기가스는 질소, 산소, 질소산화물 등과 함께 이산화탄소가 10%가량 포함되어 있는데, 지금까지는 이러한 저농도의 배기가스로는 충분한 효율을 확보할 수 없었다. 이산화탄소를 전기화학적 방법으로 일산화탄소로 전환하는 과정에서 일산화탄소 생성효율이 높은 은(Ag) 촉매가 주로 사용되고 있다. 상용화된 은 촉매를 사용해 고순도(99.99%) 이산화탄소를 전환하면 생성물의 95%가 일산화탄소로 생성되는데, 저농도(10%) 이산화탄소를 사용한 경우에는 40%의 일산화탄소와 60%의 수소가 발생한다. KIST 연구진은 수소 발생을 줄여 일산화탄소 발생효율을 높일 수 있도록 니켈 단원자 촉매를 개발했다. 그동안 철, 니켈 등 일반 금속은 귀금속보다는 반응성이 좋지 않아 이산화탄소 전환 촉매로 만들 수 없었는데, 단일 원자 형태로 만들면 효율이 높아진다는 최근 연구결과에 착안해 연구팀은 새로운 촉매를 개발했다. 또한, 이산화탄소를 물에 녹인 후 반응시키던 기존 방식과는 다르게 기체 상태 그대로 전환 반응을 일으킬 수 있도록 최적의 구동 기술까지 개발했다. 개발된 니켈 단원자 촉매는 배기가스 수준의 저농도(10%) 이산화탄소로도 결과물의 93%를 일산화탄소로 생성할 수 있었는데, 귀금속이 아닌 니켈 및 탄소 등 저가 재료로 촉매를 제작해 경제성도 확보할 수 있게 되었다. KIST 원다혜 박사는 “이번에 개발한 촉매 및 구동 기술은 저농도 이산화탄소를 활용하는 다양한 전기화학적 전환 시스템에 응용될 수 있다.”라며 “전기화학적 이산화탄소 전환 기술의 경제성을 확보하기 위해 배기가스를 별도의 정제과정 없이 직접 활용하기 위한 다양한 기술도 함께 개발 중이다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원을 받아 KIST 주요사업 및 유용물질 생산을 위한 Carbon to X 기술개발사업(단장 정광덕)을 통해 수행되었으며 연구결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘ACS Energy Letters’ (IF:23.101, JCR 분야 상위 3.302%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Electrocatalytic Reduction of Low Concentrations of CO2 Gas in a Membrane Electrode Assembly Electrolyzer - (제 1저자) 한국과학기술연구원/고려대학교 김동진 학생연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 이웅 선임연구원 - (교신저자) 서울대학교 황윤정 교수 - (교신저자) 한국과학기술연구원 원다혜 선임연구원 그림 설명 이산화탄소 농도에 따른 니켈 단원자 촉매와 상용 은 촉매의 성능 비교

- 육방정 질화붕소(h-BN) 사이에 0차원 양자점을 단일층으로 형성 - 80% 이상 투명성을 유지하면서 휘어졌을 때도 메모리 기능 유지 이차원 나노소재 기반 플렉서블 메모리 소자는 데이터 저장, 처리, 통신에 중요한 역할을 하기 때문에 차세대 웨어러블 시장에서 필수적인 요소 중 하나이다. 수 나노미터(nm)의 2차원 나노소재로 초박막 메모리 소자를 구현할 경우, 기존에 비해 메모리 집적도를 크게 높일 수 있어 2차원 나노소재를 기반으로 플렉서블한 저항변화형 메모리 등이 개발되어왔다. 그러나 기존의 2차원 나노소재를 활용한 메모리들은 캐리어를 가두어 두는 특성이 약하여 메모리로서의 한계를 가지고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 기능성복합소재연구센터 손동익 박사 연구팀이 절연 특성을 가지는 2차원 나노소재인 육방정 질화붕소(hexagonal Boron Nitride, h-BN) 초박막 구조 사이에 0차원 양자점을 단일층으로 형성시킴으로써 이종 저차원 초박막 나노구조체 기반 투명하고 휘어짐이 가능한 메모리 소자를 개발했다고 밝혔다. 연구팀은 양자 제한 특성이 우수한 0차원 양자점을 활성층으로 도입, 2차원 나노소재에서 캐리어를 제어함으로써 차세대 메모리 후보가 될 수 있는 소자를 구현하였다. 이를 기반으로 샌드위치 구조를 가지는 2차원 육방정 질화붕소(hBN) 나노소재 사이에 0차원 양자점을 수직 적층 복합구조체로 형성하여 투명하고 휘어짐이 가능한 소자로 제작하였다. 개발된 소자는 80% 이상 투명성을 유지하면서, 휘어졌을 때도 메모리 기능을 유지하였다. 손동익 박사는 “전도성을 가지는 그래핀에 비해, 절연성 특성을 가지는 육방정 질화붕소(hBN) 위에 양자점 적층 제어기술을 제시함으로써 초박막 나노복합 구조체 연구에 기초를 확립하였고, 차세대 메모리 소자의 제작 및 구동 원리를 밝혔다는 데 의의가 있다.”라고 말하며 “향후 이종 저차원 나노물질 복합화의 적층 제어기술을 체계화하고 응용범위를 확대할 예정이다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 KIST 주요사업, 한국연구재단 중견연구사업 및 나노원천기술개발사업으로 수행되었으며, 연구결과는 재료과학 및 복합소재 분야 국제저널인 ‘Composite Part B: Engineering’(IF: 9.078, JCR 분야 상위 0.549%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Memory effect of vertically stacked hBN/QDs/hBN structures based on quantum-dot monolayers sandwiched between hexagonal boron nitride layer - (제 1저자) 한국과학기술연구원 심재호 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 손동익 책임연구원 그림 설명 이종 저차원 나노복합구조체 기반 휘어지고 투명한 초박막 메모리 소자 제조방법 이종 저차원 나노복합구조체 기반 초박막 구조체 형성 이미지 이종 저차원 나노복합구조체 기반 초박막 메모리 소자 특성 자료

- 간편한 화학 공정을 통해 그래핀 양자점의 헤테로 원자 결합구조를 정밀하게 제어 - 非금속계 촉매소재를 포함한 다양한 응용 분야에 적용 및 상업화의 촉진제 역할 기대 탄소 원자가 서로 육각형 형태로 연결된 벌집 모양의 평면 구조의 소재인 그래핀을 수 나노미터(nm) 크기로 줄일 경우, 형광 및 반도체 특성을 보이는 그래핀 양자점을 구현할 수 있다. 그래핀 양자점은 단일 소재만으로도 디스플레이, 태양전지, 이차전지, 바이오 이미징, 조명, 광촉매, 센서 등 다양한 분야에서 활용할 수 있으며, 최근 탄소 구조체 내에 질소, 황, 인 등 헤테로 원자의 함량을 조절함으로써 소재의 광·전기적 특성 및 촉매 특성을 향상시킬 수 있다는 연구 결과가 잇달아 발표됨으로써 관심이 증가하고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 기능성복합소재연구센터 문병준 박사, 배수강 박사 연구팀이 간단한 화학 반응 제어를 통해 0차원 탄소나노소재인 그래핀 양자점의 단일 헤테로 원자의 결합구조를 정밀하게 제어할 수 있는 기술을 개발하였고, 이와 관련한 화학반응 메커니즘을 규명하였다고 밝혔다. 기존 연구에서는 그래핀 양자점에 포함된 헤테로 원자를 조절하기 위해 양자점을 합성한 후, 헤테로 원자가 포함된 첨가제를 추가하여 후처리 공정을 진행하거나, 그래핀 양자점 합성 시 주재료인 저분자 유기 전구체와 헤테로 원자가 함께 포함된 첨가제를 추가하여 합성을 진행하였다. 그러나 이러한 방식들은 합성된 그래핀 양자점의 결정성이 저하되거나 추가적인 정제 공정을 거치면서 반응 수율이 떨어진다는 단점을 가지고 있다. 또한 생산자가 원하는 화학 조성을 가지는 양자점을 얻기 위해서는 첨가제의 함량을 포함한 다양한 합성 조건들의 최적화 작업을 진행해야 하므로 공정시간 및 제조단가의 상승이 불가피하다. 그래핀 양자점을 합성하기 위해 산성용액이나 산성을 띠는 전구체를 사용하기 때문에 중화와 정제 과정을 거쳐야 했던 기존 공정과 달리, 이번에 개발한 공정은 전구체가 약알칼리성을 띠고 있으며 합성 이후에는 중성을 띠므로 후처리 공정 없이 바로 활용할 수 있는 장점이 있다. 연구팀은 또한 계산화학 기반 컴퓨터 모델링을 통해 그래핀 양자점 합성 공정에 사용되는 용매가 헤테로 원자(질소)를 함유하고 있는 유기 전구체인 푸말로니트릴(fumaronitrile) 소재의 산화 정도에 영향을 미치고, 이는 궁극적으로 용매의 종류에 따라 최종 산물인 그래핀 양자점의 화학 조성비가 달라지는 결과로 이어지게 됨을 밝혔다. 또한, 합성 공정에 사용되는 용매의 종류에 따른 유기 전구체의 이론적 산화 에너지값을 통해 그래핀 양자점의 대략적인 화학조성 성분비를 예측할 수 있음을 실험적으로 교차 증명하였다. KIST 배수강 박사는 “이번 성과는 유기 전구체인 푸말로니트릴 이외에 다른 첨가제를 활용하지 않는 단일 합성 공정으로도 이종원소의 화학 조성을 선택적으로 조절하여 그래핀 양자점을 합성할 수 있는 새로운 형태의 플랫폼 기술”이며, “그래핀 양자점 소재를 추가적인 후처리 및 정제 공정 없이 간편하게 대량 제조할 수 있어 공정시간이 단축되고 경제성을 크게 높일 수 있다”고 의의를 밝혔다. 이와 더불어, 전라북도 지역전략사업인 탄소산업의 육성과 연계하여 나노탄소소재 개발과 더불어 중소/중견 기업 지원과 인력육성의 견인차 역할을 할 것이라 기대하고 있다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) KIST 주요사업, 국가과학기술연구회(NST) 미래선도형 융합연구단 사업 및 산업통상자원부(장관 문승욱) 소재부품기술개발사업의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 국제학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ (IF:14.919, JCR(%): 4.795%)에 10월 7일자로 온라인 게재되었다. * (논문명) : Structure-controllable growth of nitrogenated graphene quantum dots via solvent catalysis for selective C-N bond activation - (제 1저자) 한국과학기술연구원 문병준 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 배수강 선임연구원 그림 설명 그래핀 양자점의 화학적 조성 차이를 보여주는 XPS 측정 결과이다. 제조할 때 사용되는 용매의 종류에 따라 유기전구체의 니트릴 그룹의 산화 정도에 차이를 보이게 되고, 이는 궁극적으로 최종 산물인 그래핀 양자점의 화학 조성비에 영향을 끼치게 되었음을 확인할 수 있다. 그래핀 양자점의 광학적 특성을 보여주는 결과이다. 두 종류 양자점의 화학적 조성 차이로 인하여 에너지 구조가 달라지고, 그로 인한 소재의 발광 특성 및 전자수명의 변화를 확인할 수 있다. 합성된 그래핀 양자점의 표면을 관찰한 TEM 및 SAED 패턴 이미지이다. 평균 나노소재 크기는 4 nm 정도이며, 내부 격자 (1120) 간격은 0.24 nm로 확인된다.

- 'CROSS: 과학자와 예술가의 옻칠탐험기' 전사 9.29.(수)부터 인사동 KCDF에서 열려 - 옻칠의 기준이 될 성능지표와 옻칠 신소재 발표 2019년 밀양 신안 유적에서 발굴된 5,000년 전 신석기 시대 토기에서 옻의 주성분인 우루시올이 발견되었다. 최근 옻칠은 아름다운 색깔과 내구성으로 고급 자동차 마감재, 우주선 부품의 코팅제로 사용되는 등 친환경 재료로 주목받고 있다. 옻칠의 개발은 첨단산업 기술로의 확장 가능성이 크고 우리 전통문화를 활성화할 수 있다는 장점이 있지만, 작업 조건이 까다롭고 색채가 다양하지 못하여 응용이 한정적이었다. 또한 옻칠 특성에 대한 과학적 지식이 부족하고 특성 평가 기준이 없어 제품 신뢰성을 확보하기 어려웠다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 광주과학기술원(GIST), 숙명여자대학교, 지천옻칠아트센터와 공동으로 2021년 9월 29일(수)~10월 4일(월) 6일간 인사동 KCDF 갤러리에서 ‘CROSS : 과학자와 예술가의 옻칠탐험기’ 전시회를 개최한다고 밝혔다. 이번 전시회는 옻칠의 역사를 소개하거나 작품을 선보이는 것을 넘어 과학적 평가 방법에 기반한 옻칠 소재 특성을 소개하고, 과학자와 예술가가 협업하여 개발한 기능성 옻칠 소재를 처음으로 공개하는 자리다. 연구진은 산지, 우루시올의 양, 정제, 경화, 도장, 발색에 따른 옻칠의 성능을 과학적으로 규명하였다. 일반적으로 옻칠을 구성하는 주요 성분인 우루시올의 함량이 높을수록 좋은 옻칠이라고 알고 있지만, 우루시올 함량과 실제 옻칠 막 특성의 상관관계에 대해서는 알려지지 않았다. 연구진은 옻칠을 구성하는 주요 성분인 카테콜 지방 분자의 종류와 함량에 따라 건조시간, 투과도, 접착력, 경도 등 옻칠 막의 물리적 특성이 달라지는 것을 밝혔다. 이러한 성과는 생산 수종 및 소재별로 옻칠이 다양한 물리적 특성을 보일 수 있으며, 사용자들이 필요에 따라 용도에 맞는 옻칠을 선택하여 사용할 수 있다는 새로운 가능성을 제시한다. 전시의 또 다른 하이라이트는 기능성 옻칠 소재를 사용한 공예 회화 작품이다. 일반적으로 옻칠이라고 하면 암갈색 빛이 도는 나무 공예품을 떠올린다. 이번 전시에서는 선을 그으면 전선이 되는 옻칠, 점토처럼 주물러 기물을 만드는 옻칠, 빛을 받으면 빠르게 굳고, 굳어도 유연하게 구부러지는 옻칠, 특정 색의 빛 파장을 반사하는 옻칠 등 새로 개발된 기능성 옻칠 소재가 소개된다. 지천 김은경 작가(지천옻칠아트센터 대표)가 기능성 옻칠을 사용한 공예와 회화 40여 점으로 다양한 활용 사례를 보여준다. 기능성 옻칠 소재는 온도와 습도에 민감한 옻칠을 편리하게 사용하고 다양한 색과 모양으로 만드는 등 예술적 표현을 확장하기 위해 개발되었으나, 이 외에도 친환경 방수제, 방부제, 방충제, 방염 및 절연제 등 각종 산업 분야에서도 폭넓은 활용이 기대된다. KIST는 조상들의 삶의 지혜와 얼이 서린 전통 기술의 과학적 원리를 새롭게 규명해 그 가치를 재발견하고 고부가가치 전통문화사업의 발전은 물론 현대과학기술이 접목된 새로운 문화적 전통의 창조를 위해 전통문화 과학기술연구에 힘쓰고 있다. 연구팀(KIST 이상수 박사·임정아 박사, 숙명여자대학교 임호선 교수, GIST 이은지 교수, 지천옻칠아트센터 김은경 대표)을 이끈 이상수 박사는 "옻칠에 대한 탐구는 이제 시작"이라며 "이번 전시에서 옻칠이 지닌 전통적 문화콘텐츠로서의 위상을 다시 확인하고 옻칠의 공예/회화로의 다양한 활용을 제안할 수 있다”며, “옻칠은 친환경 고분자 소재의 관점에서 다양한 소재 기술과의 융합을 통해 옻칠 소재의 첨단 과학기술 분야로 확장 또한 기대할 수 있다”고 밝혔다. ‘CROSS, 과학자와 예술가의 옻칠탐험기’는 인사동 KCDF 갤러리에서 9.29일(수)부터 6일간 전시를 마친 후, 경북 상주의 지천옻칠아트센터 갤러리에서 10월 6일(수)부터 연말까지 전시를 이어갈 예정이다. 코로나19의 사회적 거리두기 방역 지침에 따라 별도의 오프닝 행사 없이, 시간당 한정된 관람객 수만 입장이 가능하다. 이번 연구는 문화체육관광부(장관 황희)와 한국콘텐츠진흥원(원장 김영준)의 문화기술 연구개발사업으로 수행되었다.

- 광자가 동시에 여러 장소에 존재할 수 있는 '얽힘' 양자 상태 구현 - 양자 현상을 이용해 고전적 한계를 뛰어넘는 정확도의 양자 센서 구현 4차 산업 혁명에는 고감도 센서에 의한 데이터 정밀 측정 및 이미지, 영상 확보가 중요하다. 이를 위해서는 실시간으로 변화하는 사물의 위치, 온도, 시간 등 다양한 물리량을 높은 정밀도로 측정할 수 있어야 하는데, 양자 현상(중첩, 얽힘)을 이용하면 고전 센서로는 측정할 수 없는 값을 측정하거나 측정 정밀도를 높일 수 있다. 이러한 양자 센서 연구는 양자컴퓨터, 양자통신 연구와 함께 양자정보기술의 주요 응용 분야이며, 미국과 중국을 중심으로 기술 패권 경쟁이 치열하게 전개되고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 양자정보연구단 임향택 박사팀이 실시간으로 변화하는 여러 개의 물리량을 고전적인 한계를 뛰어넘는 높은 정밀도로 측정할 수 있는 양자 센서를 구현했다고 밝혔다. KIST 연구진은 실시간으로 변화하는 여러 개의 물리량을 높은 정밀도로 측정할 수 있는 양자 상태인 ‘다중 모드 N00N 상태’를 구현하였다. ‘다중 모드 N00N 상태’는 이론적으로 가장 높은 정밀도를 주는 것으로 알려져 있었지만 구현에 어려움이 있었다. 연구진은 2개의 광자가 4개의 경로로 동시에 진행하고 있는 얽힘 상태인 다중 모드 N00N 상태를 실험적으로 생성하고, 이를 간섭계에 적용함으로써 간섭계가 갖는 여러 개의 위상의 변화량을 고전적 한계를 뛰어넘는 높은 정밀도로 동시에 측정하는 데 성공하였다. 본 연구를 주도한 KIST 임향택 박사는 “이번 성과의 핵심 기술인 ‘다중 모드 N00N 상태’는 양자 이미징, 양자 센서 네트워크 등의 기반 기술로 활용되어 양자센싱 분야의 발전에 기여할 수 있을 것”이라며, “구체적으로는 고성능 양자 현미경, 바이오 이미징 센서 등에 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 암혜숙)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 한국연구재단 양자컴퓨팅기술개발사업, 기초연구사업-우수신진연구, 정보통신기획평가원 양자암호통신집적화 및 전송기술고도화 사업으로 수행되었으며, 연구결과는 국제 학술지인 「Nature Communications」 (IF : 14.919, JCR(%) : 4.795 %) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Quantum enhanced multiple-phase estimation with multi-mode N00N states - (제 1저자) 한국과학기술연구원 홍성진 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 임향택 선임연구원 그림 설명 [그림 1] 다중 모드 N00N 상태 생성 방법 [그림 2] 고전적인 방법 (Coherent state) 과 다중 모드 N00N 상태의 측정 불확실도 비교

- 방사선 노출 없이 CT 영상 획득 가능 - MRI만으로 두개골 열지 않는 경두개 집속초음파 시술 가능 경두개 집속 초음파는 두개골을 열지 않고 초음파 에너지를 뇌의 특정 영역에 전달해 퇴행성 운동장애, 난치성 통증 및 정신질환 등을 치료할 수 있는 기술이다. 이 치료술은 뇌 병변의 위치를 파악하는 영상기반의 기술과 함께 사용되어야 하는데, 두개골을 통과한 초음파 초점이 정확히 뇌 병변에 맺히게 하기 위해서는 MRI만으로 파악되기 힘든 환자의 두개골 정보를 CT를 통해 얻어야만 했다. 하지만 방사선 노출이 불가피한 CT는 검사를 자주 해야하는 환자나 소아·임산부 환자의 경우 안전에 대한 우려가 있었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 바이오닉스연구센터 김형민 박사팀은 MRI 영상을 기반으로 CT 영상을 생성하는 인공지능기술을 개발해 모의치료 실험을 진행한 결과 MRI만으로도 경두개 집속 초음파 시술이 가능하다는 것을 확인했다고 밝혔다. 그간 MRI 영상에서 두개골 정보를 얻으려는 노력이 있었지만, 의료현장에 널리 보급되지 않은 특수한 MRI 코일 장비나 촬영 기술이 필요했다. 또 다른 대안으로 인공지능 기반 CT 영상 획득 기술도 세계적으로 관심이 높았지만 임상적으로 효과가 있다는 것을 증명하지 못했다. 연구진은 초음파를 활용한 모의치료를 통해 인공지능으로 얻은 CT 영상이 임상에 활용이 가능하다는 것을 증명했다. KIST 연구팀은 의료현장에서 가장 많이 활용되는 영상 중 하나인 T1 강조 MRI 영상에서 비선형적으로 CT를 변환하는 과정을 학습하는 3차원 조건부 적대적 생성 신경망 모델(3D conditional adversarial generative network)을 개발했다. CT 영상의 HU (Hounsfield Unit) 픽셀 변화량 오차를 최소화하는 손실함수를 고안하였으며, Z-점수 정규화, 부분 선형 히스토그램 매칭 정규화와 같은 MRI 영상 신호의 정규화 방법에 따른 합성 CT의 품질 변화를 비교하며 신경망 성능을 최적화했다. 안정적이고 효율적인 초음파 치료를 위해서는 반드시 환자의 두개골 밀도비와 두개골 두께를 사전에 파악해야 하는데, 이러한 두개골 인자들을 합성 CT를 통해 파악했을 때 두 인자 모두 실제 CT와 0.90 이상의 상관관계를 보이며 통계적 차이 또한 없는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 합성 CT를 이용해 모의 초음파 치료를 시행했을 때, 초음파 초점 간 거리 오차가 1mm 미만, 초음파 음압 오차는 약 3.1%, 초점 부피 유사성은 약 83%인 것을 확인했다. MRI 영상만으로 경두개 집속초음파 치료 시스템을 시술할 수 있다는 가능성을 보여준 것이다. KIST 김형민 박사는 “환자들이 방사선 노출에 대한 걱정없이 집속 초음파 치료를 받을 수 있으며, 추가적인 영상 촬영 및 정렬시키는 과정이 생략되어 의료진의 업무 과정이 간소화됨으로써, 시간적·경제적 비용이 절감될 것으로 예상된다.”며, “초음파 매개변수 및 변환기에 따른 오류율과 다양한 인체 부위에서 인공지능 CT 적용 가능성을 파악하는 후속 연구를 통해 다양한 치료기술에 적용할 수 있도록 발전시켜갈 계획이다”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 의료 정보 분야 국제 학술저널인 ‘IEEE Journal of Biomedical and Health informatics(JCR(%): 1.8)’ 최신호에 게재되었다. * (논문명) Acoustic simulation for transcranial focused ultrasound using GAN-based synthetic CT - (제 1저자) 한국과학기술연구원 고희경 학생연구원 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 박태영 학생연구원 - (교신저자) 고려대학교 이종환 교수 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김형민 책임연구원 그림 설명 [그림 1] 인공지능 합성 CT 기반 집속 초음파 치료술 모식도 [그림 2] MRI에 상응되는 실제 CT(rCT)와 합성 CT(sCT)와 그 오차(|Diff|)를 보여주는 예 [그림 3] 실제 CT(rCT)와 합성 CT(sCT)를 사용한 음향 시뮬레이션 예 합성 CT를 사용해 음향 시뮬레이션을 했을 때 실제 CT를 사용했을 때와 두개골 내 초음파 압력 오차(|Diff|)가 적고 초음파 초점(A90%)의 위치와 부피가 유사한 것을 확인함.

- 기포 운동 제어로 기존 집속초음파 기술의 단점인 충격파 산란 효과 극복 - 생체조직 미세하게 제거할 수 있는 비침습 정밀 수술에 적용가능 비침습적 특성을 갖는 다양한 초음파 효과를 이용하여 기존 외과 수술을 대체하려는 시도가 활발하다. 특히 이 가운데 초음파의 초점에서 약 1/100초의 짧은 시간에 생성되는 강력한 기포를(케비테이션) 이용해 주변 생체조직을 칼로 자른 듯 물리적으로 파괴할 수 있는 집속초음파 기반 생체조직 파쇄 기술은 기존의 열로 조직을 태워 없애는 하이푸(HIFU) 방식보다 실시간 케비테이션 분석을 통한 치료과정 모니터가 가능하고 치료시간이 짧다는 장점을 갖고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 바이오닉스연구센터 박기주 박사가 가변압력 집속초음파를 이용하여 보다 정밀하고 미세하게 생체 조직을 파쇄할 수 있는 새로운 초음파 수술 기술을 개발 했다고 밝혔다. 박 박사는 기존 집속초음파 생체 조직 파쇄 기술에서 초음파 초점 부위뿐만 아니라 그 주변으로 2차 미세 기포들이 동시 다발적으로 발생되는 충격파 산란효과 원리를 학계 최초로 밝혀낸 바있다. 기존 집속초음파 수술 기술은 생체조직을 물리적으로 파쇄할 수 있다는 장점이 있지만, 충격파 산란효과로 인해 정밀도가 낮아져 주요 장기 및 혈관에 밀접하게 위치한 조직 또는 종양을 제거해야 되는 경우에는 적용하기 어려웠다. 이와 같은 한계를 극복하기 위해 초음파 초점에서의 음향 압력세기를 변화시키는 방법을 고안했다. 초음파 초점에서 기포 발생 직후, 순간적으로 초점 음향 압력세기를 변화시키면 충격파 산란 효과 없이 기포의 운동성을 제어하고 이로 인해 생체 조직을 보다 정밀하게 파쇄 할 수 있다고 판단했기 때문이다. 그는 음향 시뮬레이션, 초고속 카메라 기반 인체조직 모사 및 동물 실험을 통해 실현 가능성을 검증했다. 그 결과 초점 음향 압력세기를 조절해 충격파 산란 효과없이 초음파 초점에서 수십에서 수백 마이크론 크기를 갖는 수증기 기포를 생성하고, 기포가 일정 시간 동안 지속 가능하도록 제어하고 조절 할 수 있다는 것을 확인했다. 이는 음향압력 세기가 충격파 산란 효과가 발생하기 시작하는 압력보다 낮기 때문인 것으로, 연구팀은 이를 시뮬레이션을 통해 검증했다. 또한, 초음파 초점에서 기존 집속초음파 기술 대비 훨씬 더 정밀한 수십~수백㎛ 단위로 생체조직을 미세하게 파쇄 할 수 있는 것을 동물실험 단계에서 관찰했다. KIST 박기주 박사는 “이번에 개발한 초음파 기술은 기포의 크기 및 지속 시간을 제어하여 조직의 정밀 파쇄가 가능한 신기술이다. 기존 집속초음파 기술의 최대 단점인 충격파 산란 효과에 의한 낮은 정밀도를 보완했을 뿐만 아니라, 기포 운동 및 지속시간 제어를 통한 파쇄 범위 및 강도 조절이 가능하다. 이를 바탕으로 원하는 특정 세포만을 선택하여 파쇄하거나 탈세포화 기반 세포 이식 연구 분야에도 확대 적용이 가능 할 것으로 예상한다.”라고 말하며, “관련 핵심 초음파 기술은 국내 및 미국에 특허 출원 완료했으며, 정밀 수술 및 시술이 가능한 핸드헬드 타입 초음파 의료기기의 상용화를 목표로 후속 연구를 진행중이다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 KIST 주요사업 및 한국연구재단 우수신진연구사업의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 음향(Acoustics) 분야 최상위 권위지인 ‘Ultrasonics Sonochemistry’ (JCR 분야 상위 1.562%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Control of the dynamics of a boiling vapour bubble using pressure-modulated high intensity focused ultrasound without the shock scattering effect: A first proof-of-concept study - (단독저자) 한국과학기술연구원 박기주 선임연구원 그림 설명 [그림 1] 새로 개발한 집속초음파 기반 생체조직 파쇄 기술(가변압력 충격파 히스토트립시) 개념도: Pressure-modulated shockwave histotripsy [그림 2] 가변압력 충격파 히스토트립시에 의해서 발생하는 케비테이션 현상을 초고속카메라를 이용하여 인체조직 모사 실험에서 촬영한 결과 [그림 3] 기포에 의해서 산란되는 초음파와 입사되는 초음파와의 상호간섭을 보여주는 음향시뮬레이션 결과. 충격파 산란 효과가 나타나는 압력 역치(-28 MPa) 보다 낮음 [그림 4] 새로 개발한 가변압력 충격파 히스토트립시 기술에 의해 파쇄된 동물의 간 조직 - 1 pulse 적용 후

- KIST-경희대 연구진, '에너지 최소화 변이 오토인코더(E-VAE)' 개발 - 머신러닝 기술을 이용한 최적화 문제 해결방법 제시 최적화 문제란 어떠한 목적을 이루기 위한 가장 적합한 해결책을 찾는 문제를 말한다. 예를 들면, 우리가 일상생활에서 접할 수 있는 ‘서울에서 부산까지 가장 빠른 경로 찾기’도 최적화 문제이다. 간단한 문제라면 모든 경우의 수를 조사해서 가장 적합한 답을 찾을 수 있으나, 문제가 복잡해지면 셀 수 없이 많은 경우의 수를 가지게 되므로 최적화 문제는 여러 연구 분야에서 대표적인 난제로 취급된다. 이러한 최적화 문제는 차세대 반도체 연구 분야에서도 등장한다. 예를 들어, ‘전류가 가장 잘 흐르게 하려면 어떤 소재로 반도체를 설계해야 하는지’, ‘그 소재의 가장 안정적인 상태는 무엇인지’는 모두 최적화 문제이다. 특히, 현재 사용되고 있는 실리콘 반도체의 집적도 한계를 극복하고 초저전력, 고성능 차세대 반도체를 개발하기 위한 스핀트로닉스 연구에서는 그 소재로 사용되는 나노 자석의 가장 안정적인 상태를 규명하고 그 특성을 면밀히 파악하지 않으면 스핀 소자의 정확한 동작 특성 및 범위를 설계할 수 없다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 스핀융합연구단 권희영, 최준우 박사, 경희대학교 원창연 교수 연구팀은 주어진 나노 자석의 가장 안정적인 상태, 즉 기저 상태(Ground State)에서 나타나는 스핀 구조를 추정하는 생성적 머신러닝 모델인 “에너지 최소화 변이 오토인코더(Energy-minimization Variational Autoencoder, E-VAE)”를 개발했다고 밝혔다. 생성적 머신러닝 기법은 주어진 데이터를 학습하여 그 데이터가 가지는 특성을 추출하고, 재조합하여 새로운 데이터를 생성하기 위해 사용된다. 이러한 생성적 머신러닝 모델들은 흑백사진을 컬러사진으로 변환하거나 비정상 데이터를 검출하는 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 연구진은 기존의 생성적 머신러닝 모델을 나노자석에 적용할 경우 국소적 노이즈 및 흐림 효과 등이 발생, 물리법칙에 어긋나는 상태가 생성됨을 확인하였다. 또한, 기존 모델에서는 입력된 상태보다 새롭게 생성된 상태의 에너지를 낮게 하는 과정이 포함되어 있지 않아 나노 자석의 기저 상태를 탐색하는 데 사용하기 어려웠다. 연구진은 기존 생성적 머신러닝 모델의 하나인 변이 오토인코더(Variational Autoencoder, VAE)에 생성된 상태들의 에너지를 최소화하는 과정을 포함한 “에너지 최소화 변이 오토인코더(E-VAE)”를 개발하고, 이를 통해 나노 자석의 스핀구조가 가질 수 있는 최적의 상태를 효율적으로 찾아내는 데 성공했다. 이는 기존에 사용되어 온 시뮬레이티드 어닐링 기법(Simulated annealing, SA)과 비교했을 때 최적의 상태를 찾는 문제에 있어서 뛰어난 효율과 정확성을 보여주었다. ？ KIST 권희영 박사는 “머신러닝 기술을 기반으로 주어진 물리적 시스템의 가장 낮은 에너지 상태를 조사할 수 있는 전산적 접근법을 제시했다”고 이번 연구의 의의를 밝혔다. 또한 “최적화 문제는 순수과학이나 반도체 연구뿐만 아니라 수학 및 컴퓨터 사이언스 분야에서도 중요한 연구 주제로 다뤄지는 만큼, 본 연구에서 개발된 머신러닝 기반의 혁신적인 최적화 기법은 다양한 분야에서 높은 학술적 가치를 가질 것으로 기대된다.”라고 밝혔다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원 KIST 주요사업, 교육부(장관 유은혜) 지원 학문후속세대양성사업으로 수행되었다. 연구 결과는 국제 저널 ‘Advanced Science’ (IF: 16.806) 6월호에 게재되었다. *(논문명) Magnetic State Generation using Hamiltonian Guided Variational Autoencoder with Spin Structure Stabilization - (제 1저자, 교신저자) 한국과학기술연구원 권희영 박사후연구원 - (공저자) 한국과학기술연구원 최준우 책임연구원 - (교신저자) 경희대학교 원창연 교수 그림 설명 [그림 1] 생성적 모델을 통한 자성 기저 상태 추정에 관한 개념도 2차원 자성 시스템에서 나타나는 준 안정상태에 있는 자성 스커미온 스핀 상태를 입력하면 생성적 모델 내 일련의 과정을 거쳐 그 시스템의 기저 상태인 스커미온 레티스 구조(자성 스커미온들이 육각 격자를 이루는 상태)가 생성되는 개념도.

- KRAS 변이암을 선택적으로 사멸하고 암에 대한 면역력을 강화 - 신약 재창출을 통해 항암면역 치료제의 높은 의료수가 해결 기대 최근 우리 몸의 면역체계를 활용해 암을 제거하는 방식인 3세대 항암 면역치료가 임상에서 놀라운 효과를 보여 많은 연구진과 환자들에게 희망을 주고 있다. 항암면역치료의 경우 암에 대한 기억 면역이 생겨 정상세포의 손상없이 항암효과가 지속되기 때문에 치료의 경과가 매우 좋고 부작용이 적다는 장점이 있다. 그러나 암의 잦은 변이 등 복잡성으로 인해 평균 30% 미만의 환자에게서만 치료 효과를 보인다는 한계도 있다. 또한 전체 암에서 1/4정도를 차지하는 KRAS 변이암은 항암 면역 치료를 비롯한 여러 치료 방법 개발 시도에도 불구하고 아직까지 치료 옵션이 적어서 암환자의 예후가 매우 나쁜 것으로 알려져 있다. <p class="0" style="text-align: justify; margin-bottom: 13px; border: 0px; outline: 0px; font-variant-numeric: inherit; font-variant-east-asian: inherit; font-stretch: inherit; font-size: 13.3333px; line-height: 1.5; font-family: " 맑은="" 고딕";="" vertical-align:="" baseline;="" min-height:="" 20px;="" background-color:="" rgb(255,="" 255,="" 255);="" text-indent:="" 10pt;"="" align="justify">한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 테라그노시스연구단 김인산 단장과 삼성서울병원 조용범 교수 연구팀은 현재 널리 사용 중인 고지혈증 치료제인 스타틴을 난공불락의 KRAS 변이암 치료에 적용할 수 있는 기전을 밝혔다. <p class="0" style="text-align: justify; margin-bottom: 13px; border: 0px; outline: 0px; font-variant-numeric: inherit; font-variant-east-asian: inherit; font-stretch: inherit; font-size: 13.3333px; line-height: 1.5; font-family: " 맑은="" 고딕";="" vertical-align:="" baseline;="" min-height:="" 20px;="" background-color:="" rgb(255,="" 255,="" 255);="" text-indent:="" 10pt;"="" align="justify">연구진은 종양 동물 모델에 항암제와 스타틴을 정맥주사로 투여했다. 그 결과 스타틴은 KRAS 변이암을 선택적으로 죽이고, 주변 면역세포를 활성화시킬 수 있는 다양한 신호를 방출하게 했다. 이로 인해 체내 면역세포가 암세포에서 신생항원을 효과적으로 포집하고 T세포를 활성화시킴으로써 암을 선택적으로 공격했다. 나아가 스타틴은 기존 항암면역치료에 저항성을 보이는 암 면역환경을 변화시켜 항암 면역치료 효능 또한 보였다. KRAS 변이암의 효과적 치료뿐만 아니라 현재 혈중 콜레스테롤 수치를 낮추기 위해 사용하는 스타틴을 기반으로 한 약물재창출 전략의 가능성을 확인한 것이다. <p class="0" style="text-align: justify; margin-bottom: 13px; border: 0px; outline: 0px; font-variant-numeric: inherit; font-variant-east-asian: inherit; font-stretch: inherit; font-size: 13.3333px; line-height: 1.5; font-family: " 맑은="" 고딕";="" vertical-align:="" baseline;="" min-height:="" 20px;="" background-color:="" rgb(255,="" 255,="" 255);="" text-indent:="" 10pt;"="" align="justify">스타틴이 성공적인 약물재창출 사례가 되기 위해서는 향후 추가적인 임상 연구를 통해 최적의 용법을 찾아야 하며, 암 조직에 좀 더 효과적으로 스타틴을 전달할 수 있는 방법도 연구되어야 한다. 이러한 과정을 거쳐 실제 임상이 성공할 경우 신약개발 시간 및 비용을 획기적으로 절감할 수 있을 것이며, 더 나아가 항암 면역치료제의 높은 의료 수가가 큰 사회적 문제인 상황에서 이를 해결하는 단초가 될 것으로 기대된다. <p class="0" style="text-align: justify; margin-bottom: 13px; border: 0px; outline: 0px; font-variant-numeric: inherit; font-variant-east-asian: inherit; font-stretch: inherit; font-size: 13.3333px; line-height: 1.5; font-family: " 맑은="" 고딕";="" vertical-align:="" baseline;="" min-height:="" 20px;="" background-color:="" rgb(255,="" 255,="" 255);="" text-indent:="" 10pt;"="" align="justify">KIST 김인산 단장은 “임상에서 이미 사용되고 있는 스타틴이 인체의 면역시스템을 활성화시켜 KRAS 변이암을 적으로 인식, 기억하게 함으로써 암세포의 면역원성 사멸을 유도할 수 있었다. 이는 기존 항암 면역치료제의 한계를 극복한 것으로, 향후 스타틴이 차세대 항암 면역치료제로 활용 가능할 것으로 기대한다.”라고 밝혔다. <div class="hwp_editor_board_content" style="text-align: justify; margin: 0px; padding: 0px; border: 0px; outline: 0px; font-variant-numeric: inherit; font-variant-east-asian: inherit; font-stretch: inherit; font-size: 13.3333px; line-height: inherit; font-family: " 맑은="" 고딕";="" vertical-align:="" baseline;="" background-color:="" rgb(255,="" 255,="" 255);"="" align="justify"> <p class="0" style="text-align: justify; margin-bottom: 13px; border: 0px; outline: 0px; font-variant-numeric: inherit; font-variant-east-asian: inherit; font-stretch: inherit; font-size: 13.3333px; line-height: 1.5; font-family: " 맑은="" 고딕";="" vertical-align:="" baseline;="" min-height:="" 20px;="" background-color:="" rgb(255,="" 255,="" 255);="" text-indent:="" 10pt;"="" align="justify">본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 리더연구자 지원사업, 신진연구자 지원사업, KIST 주요사업, 그리고 보건복지부(장관 권덕철) 보건의료인재양성지원사업으로 수행되었으며 연구결과는 국제 학술지인 ‘Journal for immunotherapy of cancer’(IF : 13.751)에 최신호에 게재되었다. <p class="0" style="text-align: justify; margin-bottom: 13px; border: 0px; outline: 0px; font-variant-numeric: inherit; font-variant-east-asian: inherit; font-weight: bold; font-stretch: inherit; font-size: 13pt; line-height: 1.5; font-family: " 맑은="" 고딕";="" vertical-align:="" baseline;="" min-height:="" 20px;="" background-color:="" rgb(255,="" 255,="" 255);="" text-indent:="" 10pt;"="" align="justify"> <p class="0" style="text-align: justify; margin-bottom: 13px; border: 0px; outline: 0px; font-variant-numeric: inherit; font-variant-east-asian: inherit; font-stretch: inherit; font-size: 13.3333px; line-height: 1.5; font-family: " 맑은="" 고딕";="" vertical-align:="" baseline;="" min-height:="" 20px;="" background-color:="" rgb(255,="" 255,="" 255);="" text-indent:="" 10pt;"="" align="justify">* (논문명) Statin-mediated inhibition of RAS prenylation activates ER stress to enhance the immunogenicity of KRAS mutant cancer <p class="0" style="text-align: justify; margin-bottom: 13px; border: 0px; outline: 0px; font-variant-numeric: inherit; font-variant-east-asian: inherit; font-stretch: inherit; font-size: 13.3333px; line-height: 1.5; font-family: " 맑은="" 고딕";="" vertical-align:="" baseline;="" min-height:="" 20px;="" background-color:="" rgb(255,="" 255,="" 255);="" text-indent:="" 10pt;"="" align="justify">- (제 1저자) 한국과학기술연구원 남기훈 위촉연구원 <p class="0" style="text-align: justify; margin-bottom: 13px; border: 0px; outline: 0px; font-variant-numeric: inherit; font-variant-east-asian: inherit; font-stretch: inherit; font-size: 13.3333px; line-height: 1.5; font-family: " 맑은="" 고딕";="" vertical-align:="" baseline;="" min-height:="" 20px;="" background-color:="" rgb(255,="" 255,="" 255);="" text-indent:="" 10pt;"="" align="justify">- (제 1저자) 고려대학교 안암병원 권민수 교수 <p class="0" style="text-align: justify; margin-bottom: 13px; border: 0px; outline: 0px; font-variant-numeric: inherit; font-variant-east-asian: inherit; font-stretch: inherit; font-size: 13.3333px; line-height: 1.5; font-family: " 맑은="" 고딕";="" vertical-align:="" baseline;="" min-height:="" 20px;="" background-color:="" rgb(255,="" 255,="" 255);="" text-indent:="" 10pt;"="" align="justify">- (교신저자) 삼성서울병원 조용범 교수 <p class="0" style="text-align: justify; margin-bottom: 13px; border: 0px; outline: 0px; font-variant-numeric: inherit; font-variant-east-asian: inherit; font-stretch: inherit; font-size: 13.3333px; line-height: 1.5; font-family: " 맑은="" 고딕";="" vertical-align:="" baseline;="" min-height:="" 20px;="" background-color:="" rgb(255,="" 255,="" 255);="" text-indent:="" 10pt;"="" align="justify">- (교신저자) 한국과학기술연구원 김인산 책임연구원 그림 설명 [그림 1] 스타틴의 항암 면역 치료 모식도 스타틴이 KRAS 변이암에서 KRAS 신호를 억제하여 면역원성 세포 사멸을 유도하고 주변 면역세포를 활성화하여 면역세포가 다시 KRAS 변이암을 지속적으로 공격할 수 있음을 나타낸 모식도이다. [그림 2] 스타틴과 기존 항암제인 (Oxaliplatin)의 병합 치료가 암 면역 환경을 활성화하여 기존 항암 면역 치료제의 효능을 높일 수 있음을 보여주는 결과. (A) 스타틴과 기존 항암제 (옥살리플라틴) (Sta+Oxa) 병합 치료가 대조군에 비해 (Control) 암 조직 내로 CD8 T cell (세포 독성 T 세포)의 침투를 촉진하고 암 면역 환경을 변경함을 보여줌. (B, C) 스타틴과 기존 항암제의 병합 치료가 항암 면역 치료제인 PD-1 항체의 항암 효능을 높이고 암 생존율을 향상함을 보여줌.

- Carbon to X 사업단 본격적인 연구성과 도출 - 전기화학적 시스템의 내구성 문제 해결에 대한 새로운 연구방향 제시 탄소중립을 실현하기 위한 방법으로 그린 수소를 생산하는 수전해 기술과 수소연료를 이용해 전기를 생산하는 수소연료전지가 주목받고 있지만, 구동 시스템의 내구성 문제는 이러한 기술이 널리 쓰이지 못하는 걸림돌 가운데 하나였다. 수소연료전지와 수전해 시스템이 구동될 때 수소와 산소가 만나 전기가 생성되면서 물도 함께 생성되는데, 생성된 물이 연료전지 촉매의 표면을 덮을 경우 산소와 반응해야 하는 수소가 순간적으로 부족하게 되어 전극의 일부인 탄소가 이산화탄소로 산화되어 공기중으로 날아가기 때문이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 청정에너지연구센터 오형석 박사 연구팀이 베를린 공과대학교(TU-Berlin)와의 공동연구를 통해 수소연료전지 및 수전해 시스템의 전극에서 발생하는 내구성 저하 문제를 해결할 수 있는 이리듐 나노 촉매를 개발했다고 밝혔다. 이리듐(Ir)은 연료전지의 수소 산화 및 수전해 설비의 산소 생산, 수소 생산 반응에 효과적으로 도움을 주는 촉매이지만, 쉽게 산화되어 이리듐 산화물(IrO)형태로 존재하기 때문에 전극의 부식은 막을 수 있지만 백금 촉매의 활성을 오히려 방해하는 문제가 있었다. 때문에, 이리듐 산화물로 변해 연료전지 및 수전해 설비의 기능을 방해하는 골칫덩이가 되어버린 촉매를 다시 이리듐 금속으로 되돌리는 것이 이리듐 산화물을 사용하기 위한 필수적인 과제였다. KIST 연구진은 이러한 문제를 해결하기 위해 일반적인 반응 시에는 이리듐 금속으로 존재해 촉매로서의 역할을 하고, 전극이 부식될 위험이 발생하면 이리듐 산화물로 변해 부식을 막을 수 있는 스마트 촉매를 개발했다. 새로운 분석 플랫폼인 실시간 분석(in-situ/operando analysis)을 통해 이리듐 촉매의 화학 변화를 조절할 수 있는 이리듐 산화물의 산화 피막의 두께를 찾아내어 상황에 맞춰 이리듐(Ir)-이리듐 산화물(IrO)의 형태를 자율적으로 변환될 수 있는 촉매를 개발했다. 개발한 촉매는 탄소 전극의 부식 위험이 있을 때는 이리듐 산화물로 변해 부식을 막아 내구성을 높이고, 정상 구동 조건에서는 빠르게 이리듐 금속으로 돌아와 촉매로서 기능한다. 기존 상용 백금 촉매가 40% 성능 감소를 보이는 가혹 조건 내구성 평가에서 9%의 성능 감소만을 보였다, KIST 오형석 박사는 “개발한 이리듐 촉매 분석 플랫폼으로 연료전지 및 수전해 시스템의 내구성 문제를 해결할 수 있는 새로운 연구 개발 방향을 제시하였다.”라며, “금속 및 금속 산화물 간의 전기화학적 가역성을 가지는 촉매 개발을 통해 하나의 촉매로 다양한 전기화학 반응에 적용 가능해 수소 자동차 및 그린 수소 생산 수전해 시스템의 내구성 개선 전략으로서 탄소중립 달성에 기여할 것으로 기대한다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙)의 지원을 받아 KIST 주요사업, 한국연구재단 차세대탄소자원화 및 Carbon to X 사업으로 수행되었으며, 이번 연구결과는 에너지 환경 분야 권위지인 「Nature Communications (IF: 15.805)」 최신 호에 게재되었다. * (논문명) High crystallinity design of Ir-based catalysts reversibility drives catalytic reversibility for water electrolysis and fuel cells - (제 1저자) 한국과학기술연구원 이웅희 박사후연구원 - (교신저자) 베를린공과대학교 Peter Strasser 교수 - (교신저자) 한국과학기술연구원 오형석 책임연구원 그림 설명 [그림 1] 결정성 이리듐 나노 촉매 표면에서의 비화물/비산화물 가역성 원리 설명 개요도 OER : Oxygen Evolution Reaction, 산소 발생 반응 HER : Hydrogen Evolution Reaction, 수소 발생 반응 [그림 2] 물산화 반응 후 수소 산화 반응, 수소 생성 반응 시에 결정성 이리듐 나노 촉매 표면의 산화층의 형태 변화 개요도 [그림 3] 연료전지의 연료부족 현상과 수전해 시스템의 역전압 현상으로 내구성이 저하되는 메커니즘