- 백금 촉매보다 저렴하면서 고성능, 고내구성 가져 상용화 기대 - 차세대 알칼리 연료전지에 활용 및 비백금계 촉매 연구에 기여 알칼리 연료전지(AFC)는 수소와 산소의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하며, 에너지 발생 단계에서 물만 배출하는 차세대 친환경 에너지원으로 주목받고 있다. 알칼리 연료전지의 에너지 발생을 위해서 일반적으로 효율이 높은 백금 촉매를 사용하는데, 가격이 비싸고 알칼리 연료전지에 적용했을 때 안정성에 한계가 있어 탄소 지지체에 형성된 단일 원자 촉매(SACs)가 차세대 촉매로 주목받고 있다. 그러나 기존 단일 원자 촉매 합성법은 금속 원자끼리 뭉치는 현상을 방지하기 위해 복잡한 공정을 거치면서 촉매 성능이 저하되는 단점을 가지고 있어 상용화에 어려움이 있었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 기능성복합소재연구센터 김남동 박사, 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀은 전기 용접에 주로 사용하는 아크방전을 활용, 단일 단계의 반응만으로 저렴하면서 동시에 높은 성능을 가지는 코발트 기반 단일 원자 촉매를 상용화 수준(10g/h scale)으로 양산할 수 있는 원천기술을 개발하였다고 밝혔다. 개발된 촉매는 백금 촉매 대비 2배 이상 향상된 산소 환원 반응 성능 및 10배 이상의 내구성을 가지며, 실제 연료전지에 적용하였을 때 기존 코발트 기반 촉매들의 활성을 크게 앞지르는 성능으로 구동할 수 있다. 연구진은 아크방전의 높은 에너지 상태에서 다양한 원소들이 원자 수준으로 분해되었다가 재결합되는 특징에 주목했다. 금속과 탄소 소재를 섞은 후 아크방전 과정을 거치면, 금속이 원자 수준으로 분해되었다가 고결정성 나노탄소의 격자 내에 채워지는 형태로 결합함으로써 뭉침 현상 없이 촉매를 합성할 수 있었다. 또한 연구진은 이러한 단일 원자 촉매 합성 방법을 백금을 포함한 다양한 코발트, 망간, 니켈, 철 등 전이 금속 계열에 보편적으로 적용 가능함을 밝혔다. KIST 김남동 박사는 “차세대 알칼리 연료전지용 촉매의 성능 및 내구성을 향상시키면서 고가의 백금 촉매 대신 저가형 촉매 활용이 가능해졌다는 점이 핵심”이라고 연구의 의의를 밝혔다. 또한, “향후 차세대 알칼리 연료전지의 설계 및 제조 공정뿐만 아니라 다양한 전기화학 변환 시스템에 적용될 가능성이 커 탄소중립·수소경제 구축에 크게 기여할 것”으로 기대했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 KIST 개방형 연구사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업, 기후변화대응기술개발사업 및 지역혁신선도연구센터 사업으로 수행되었으며, 재료 분야 국제 학술지인 ‘Small Methods’ (IF: 14.188, JCR 분야 상위 7.057%) 최신호에 속표지(Inside Back Cover) 논문으로 게재되었다. * (논문명) Flash Bottom-Up Arc Synthesis of Nanocarbons as a Universal Route for Fabricating Single-Atom Electrocatalysts - (제 1저자) 한국과학기술연구원 정재영 학생연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김남동 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 책임연구원 그림 설명 [그림 1] 본 연구에서 개발한 인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 모식도 [그림 2] 인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 반응을 나타내는 모식도. 질소 및 염소 원자는 금속 원자를 탄소 격자에 보다 안정적으로 도입하는 역할을 함. [그림 3] 본 연구에서 개발된 합성 방법을 통해 다양한 금속(a. 망간, b. 철, c. 니켈, d. 백금)의 단일 원자 촉매 합성이 가능함을 보여줌. TEM(Transmission Electron Microscopy, 투과전자현미경) 이미지의 초록색 동그라미는 금속 입자가 원자 수준으로 분포함을 보여줌. EXAFS(Extended X-ray Absorption Fine Structure) 분석 결과 그래프는 금속-금속 결합이 존재하지 않음을 보여줌. [그림 4] 실제 연료전지 싱글 셀(single cell) 반응에서 기존의 전이 금속 기반 촉매들과 비교하였을 때 월등히 우수한 성능을 보여줌.

소변유래 엑소좀 내 마이크로 RNA 신호증폭 기술 개발 □ 채혈이 필요한 전립선암 진단을 1ml도 안되는 소변으로 진단하는 날이 올 수 있을까? □ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 한국과학기술연구원 (KIST) 최낙원, 강지윤 박사, 고려대학교 봉기완 교수 공동 연구팀이 고려대학교 안암병원 비뇨의학과 강성구 교수, 심지성 교수와 협력하여 소변에 대단히 적은 양으로 존재하는 엑소좀* 내 전립선암 관련 마이크로RNA*를 검출할 수 있는 기술을 개발했다”고 밝혔다. * 엑소좀: 세포외 소포체라고도 불리며 세포들 사이 또는 세포와 외부 환경의 끊임 없는 정보 교환을 위해 중간 매개체 역할을 하는 세포 유래 물질임. 엑소좀 안에는 DNA, RNA, 단백질을 포함하고 있어 유래된 세포의 상태와 정보를 알 수 있으며, 혈액, 소변, 침, 눈물 등 다양한 체액에 존재함 * 마이크로RNA : 약 20-25개의 핵산으로 구성된 짧은 RNA의 일종으로 메신저 RNA (mRNA)와 같은 전사 (transcription) RNA의 기능이 못하도록 막거나 유전자 발현의 후전사 (post-transcription) 조절을 함 □ 불필요한 조직검사나 수술, 방사선요법을 줄이기 위해 기존 전립선암 진단에 쓰이는 혈액 내 전립선 특이 항원(PSA) 검사 보다 더 민감한 바이오마커를 개발하려는 연구가 활발하다. ○ 체액 내 엑소좀에 함유된 마이크로RNA가 다양한 질병과 연관 되어 있음이 알려지면서 전립선암 진단을 위한 마커로 엑소좀 내 마이크로 RNA가 고려되어 왔다. □ 하지만 분비되는 엑소좀이 적은데다 엑소좀 내 마이크로RNA 농도 역시 낮아 진단에 실제 활용할 수 있도록 적은 샘플에서 효율적으로 마이크로RNA를 검출할 수 있는 기술이 필요한 실정이었다. □ 이에 연구팀은 아주 적은 양의 마이크로RNA 신호를 하이드로젤 안에서 증폭하여 검출할 수 있는 기술을 개발하고 ○ 실제 이를 이용해 정상인과 전립선암 환자의 소변 샘플 0.6ml 에서 마이크로RNA 발현량 차이를 민감하게 검출해냈다. ○ 기존 PSA 검사의 경우 민감도 90% 기준 특이도 30%를 가지고 있는데 이보다 약 2.2배 높은 68%의 특이도를 보이며 이는 기존 마이크로RNA 검출법 대비 약 67배 적은 부피의 샘플로 얻은 결과이다. □ 연구팀은 엑소좀 내 마이크로RNA가 질병 특이도 높은 바이오마커로서 쓰일 수 있기 때문에 이번에 개발한 체액 분석 기술을 활용하여 전립선암 외에도 다양한 질병을 보다 정확하고 민감하게 진단할 수 있을 것으로 기대하고 있다. □ 최낙원 박사는 “이번 연구에서 전립선암 환자 19명, 정상인 19명의 소변 내 엑소좀 마이크로RNA를 검출하였는데, 앞으로 코호트 규모를 확장시켜 보다 확실한 전립선암 확진 마커를 발굴해낼 수 있을 것”이라고 밝혔다. □ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 바이오의료기술개발사업, 나노소재기술개발사업, 선도연구센터 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 바이오센서 분야 국제학술지 바이오센서스 & 바이오일렉트로닉스(Biosensors & Bioelectronics)에 7월 16일 온라인 게재되었다. 본 저작물은 한국연구재단에서 2021년 작성한 보도자료를 이용하였으며, 해당 저작물은 한국연구재단(https://www.nrf.re.kr/cms/board/subject/view?menu_no=95&page=&nts_no=161794&search_type=NTS_TITLE&search_keyword=&nts_type=)에서 무료로 다운받으실 수 있습니다.

- 기존 상용 칩 1/8크기의 초소형 칩으로 신경전달물질 분석 - 약물주입, 뇌척수액 추출, 뇌신호 측정을 동시에...치료제 개발에 기여할 것으로 기대 뇌에 존재하는 여러 종류의 신경전달물질은 신경세포들간의 신호전달 과정에서 핵심적인 역할을 한다. 신경전달물질의 농도가 정상보다 높거나 낮으면 다양한 뇌질환을 유발하며, 이를 치료하기 위해 신경전달물질을 투여하기도 한다. 따라서 뇌질환의 원인규명이나 치료과정에서는 신경전달물질 농도의 정확한 측정이 중요하다. 그동안 뇌 속 신경전달물질의 농도를 측정하기 위해서는 0.5mm 크기의 뇌척수액 추출용 유체관을 삽입해야 했다. 이는 뇌 조직의 손상을 유발할 수 있을 뿐만 아니라, 유체관이 뇌의 여러 부위에 걸쳐 있게 되어 특정 뇌 부위에서의 신경전달물질 분석이 어려웠다. 또한 뇌가 정상적으로 활동하는지 판단하는 주요한 지표인 뇌 신호를 측정할 수 없어서 신경전달물질과 뇌활동과의 상관관계 분석이 어려웠다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 뇌과학연구소 조일주 단장 연구팀은 이러한 한계점을 극복하기위해 뇌척수액 추출용 유체 채널, 약물 주입용 유체 채널, 뇌 신호 측정용 전극이 집적된 초소형 다기능 브레인 칩을 개발했다고 밝혔다. 연구진은 앞서 2019년 세계 최초로 약물주입, 신호측정이 동시에 가능한 브레인칩을 개발해 국제학술지에 게재한 바 있다. 연구진은 뇌의 활동을 분석하는데에는 뇌에서 나오는 전기적 신호뿐만 아니라 뇌척수액의 분석이 중요한 도구인 점에 착안해 브레인 칩에 뇌척수액 추출용 유체관을 추가로 집적했다. 개발한 칩은 기존의 상용 뇌척수액 추출 기기보다 1/8배 작은 크기로 삽입과정에서 뇌조직의 손상을 최소화하고, 신경전달물질과 뇌 신호를 동시에 관찰해 뇌 활동 정밀 분석을 가능하게 했다. 또한 작은 유체관을 통해 낮은 압력으로 뇌척수액을 추출하기 때문에 장기간 사용시에 채널이 막히는 현상을 최소화 할 수 있었다. 연구팀은 개발된 다기능 브레인 칩을 살아 있는 생쥐 뇌에 삽입하여 뇌척수액을 추출함과 동시에 뇌 신호를 측정했다. 또한 신경 활동을 조절하는 약물을 생쥐에게 투약한 후 시간별로 신경전달물질과 뇌 신호 변화를 측정해, 뇌질환 치료약물의 효과를 다각도로 검증하는 실험을 수행했다. 그 결과 개발된 브레인칩이 뇌질환 치료제의 검증을 위한 새로운 도구로 사용할 수 있음을 확인했다. KIST 조일주 단장은 “새로운 신경전달물질 측정용 브레인 칩은 크기가 작으면서도 다양한 기능을 한번에 구현할 수 있어 뇌손상을 최소화하고 뇌질환 원인 및 치료제 등을 연구하는데 유용한 도구가 될 것이다. 우리가 개발한 시스템이 다양한 뇌 질환 모델 동물에 적용되어 효과적인 뇌 질환 치료제를 개발하는 데에 기여 할 것으로 기대된다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 한국연구재단의 뇌과학원천기술개발사업과 KIST 주요사업으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 ‘Biosensors and Bioelectronics’ (IF: 10.258, JCR 분야 상위 0.580%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Bimodal neural probe for highly co-localized chemical and electrical monitoring of neural activities in vivo - (제1 저자) 한국과학기술연구원 채의규 학생연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 조일주 책임연구원 그림 설명 [그림 1] 개발된 브레인 칩의 전자현미경 사진 [그림 2] 유체 및 전기인터페이스가 패키징된 브레인 칩 [그림 3] 생쥐 뇌에서 신경 활동을 자극하는 약물 주입으로 인한 뇌 신호 및 신경전달물질들의 변화를 관찰

- 연속식 이축 압출 공정에 친환경 초(아)임계 기술을 접목 - 폐플라스틱 재활용 및 이산화탄소 저감으로 2050 탄소중립에 기여 난방용 파이프(가교 폴리에틸렌 파이프)는 내열성 및 내구성이 높아 꾸준히 수요가 증가하고 있다. 이에 따라 난방용 파이프를 제조할 때 발생하는 약 10%의 불량품, 스크랩(부산물)과 사용 후 폐기물도 매년 증가하는 추세에 있으나, 열경화성 수지이기 때문에 재가공이 어려워 대부분을 매립 혹은 소각 한다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 물질구조제어연구센터 홍순만 박사팀은 산·학·연 협력 연구를 통해 친환경 초(아)임계 유체 공정을 적용한 폐 난방용 파이프의 재활용 기술 개발에 성공하였다고 밝혔다. 연구팀은 연속식 이축 압출 공정에 친환경 초(아)임계 기술을 접목, 선택적 탈 가교 반응을 통해 재생 폴리에틸렌 생산에 성공하였다. 초(아)임계 유체는 기체의 확산성과 액체의 용해성을 동시에 가지므로 난방용 파이프 소재인 가교 폴리에틸렌 사이의 결합에 침투하여 빠른 탈 가교 반응을 유도하고, 높은 열과 압력을 동시에 적용하여 가교 폴리에틸렌의 분자 사슬을 선택적으로 절단할 수 있기 때문에 폴리에틸렌 고유의 물리·화학적 특성은 보전한다. 이렇게 생산한 재생 폴리에틸렌은 신재 폴리에틸렌과 유사한 분자량과 물성(분자량 Mw 180,000 이상)을 가져 건물 경량화 및 층간소음 방지용 슬라브 볼과 전선 보호용 CD(Combine Duct)관 제품으로 업사이클링할 수 있다. 또한, 폐 난방용 파이프를 수거해 활용함으로써 원가 절감이 가능하다. 이번 연구성과로 소각처리되던 폐 난방용 파이프를 재활용함으로써 이산화탄소 저감이 가능할 것으로 기대되며, 이를 통해 2050년 탄소중립 달성에 이바지할 수 있을 것으로 전망된다. 또한 초(아)임계 유체를 이용한 공정은 인체 및 대기에 해로운 VOC를 유발하는 유기용매 대신 물이나 알코올과 같은 저독성 용매를 사용하며, 사용 후 추가적인 분리 공정이 없이 용매를 회수할 수 있어 친환경적이기도 하다. KIST 홍순만 박사는 “본 기술은 원천기술로서 전량 폐기되고 있는 열경화성 플라스틱의 재활용은 물론, 재생 플라스틱의 급격한 물성 저하를 극복할 수 있는 원료(단량체) 재생기술로 확장 적용이 가능하다”라고 전망했다. 또한 “전지구적 극복과제인 플라스틱 쓰레기 처리 및 미세플라스틱 오염 문제를 해결하는 방안을 제공할 수 있기를 바란다”라고 이번 개발의 의의를 밝혔다. 기술개발에 참여한 ㈜동명 배성규 품질개발실장은 “향후 스케일업 및 제품 양산화 공정을 거쳐 사업화를 추진할 예정”이라고 밝혔다. 본 연구는 환경부(장관 한정애)의 지원을 받아 ㈜동명(대표 김창완), 세명대학교 조항규 교수, ㈜그린폴(대표:김명기)과의 산·학·연 협력 연구를 통해 한국환경산업기술원 생활폐기물 재활용 기술개발 사업으로 수행되었다. 그림 설명 [그림 1] 초(아)임계 유체를 사용한 탈 가교 PEX(가교 폴리에틸렌) 생산 공정 및 펠렛, 성형품 [그림 2] 가교 구조(왼쪽)와 탈 가교 구조(오른쪽) [그림 3] 초임계 유체의 임계점(왼쪽)과 특성(오른쪽) [그림 4] 수거된 폐 PEX(가교 폴리에틸렌) 파이프

- 도장 찍듯이 간단한 초미세 인쇄 기술 이용, 3차원 나노구조 전극 개발 - 촉매 내구성 증대 및 백금 사용량 저감을 통한 수소연료전지 경제성 확보 수소를 연료로 이용해 전기에너지를 생성하는 친환경 발전장치인 수소연료전지는 수소전기차에서는 엔진과 같은 역할을 한다. 그러나 연료전지의 핵심 구성요소인 백금 촉매를 지지하기 위해 사용되는 탄소 입자가 쉽게 부식되어 연료전지의 수명이 길지 않다는 문제가 있다. 부식된 연료전지는 새로이 교체가 필요한데, 수백~수천만 원을 호가하는 연료전지 교체 비용은 차주로서는 부담스러울 수 밖에 없다. 국내 연구진이 이러한 문제를 해결해 수소연료전지의 수명을 획기적으로 늘릴 수 있는 기술을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 수소·연료전지연구센터 김진영 박사와 물질구조제어연구센터 김종민 박사가 한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형) 정연식 교수와의 공동연구를 통해 도장 찍듯이 간단한 20nm급 초미세 인쇄 기술을 활용하여 연료전지 부식 문제의 원인인 탄소를 사용하지 않는 새로운 형태의 백금 나노구조 전극을 개발했다고 밝혔다. 수소연료전지의 촉매로 사용되는 백금은 나노미터 크기일 때 서로 달라붙는 성질이 있어 안정적이지 못해 백금만으로는 촉매 소재로 활용될 수 없다. 이 때문에 현재 상용화된 촉매는 2~5 nm 크기의 백금 나노입자를 탄소 입자 위에 붙여 안정화 시켜 놓은 것이다. 하지만 탄소 입자는 연료전지의 반복 구동 과정에서 부식으로 인해 소실되어 백금을 지탱하지 못하며, 결과적으로 연료전지의 성능이 지속적으로 감소하는 문제를 일으킨다. 또한 전극 두께가 수 마이크로미터로 두껍고 구조가 복잡해 연료전지의 효율 또한 좋지 못했다. 연구진은 수소연료전지 수명에 치명적인 탄소 입자를 사용하지 않고도 안정적인 백금 촉매를 만들기 위해 도장을 찍듯이 간단한 인쇄공정을 여러 번 반복하여 20 nm급의 안정적인 형태의 백금 구조물을 적층하는 초미세 공정을 개발하였다. 이 공정을 통해 개발한 전극은 철골 건축물과 닮아 구조물 사이에 넓은 통로가 있어 연료전지 내부에서의 산소, 수소, 물의 이동이 원활해졌고, 기존의 1/10 이하로 두께가 얇아질 수 있다. 이로 인해 탄소 입자 없이 백금만으로 전극을 제작할 수 있게 됐으며, 해당 전극을 사용할 경우 기존 상용 촉매전극보다 내구성이 3배 이상 향상 됐을 뿐만 아니라 연료전지 출력 또한 27%가량 향상되는 결과를 얻었다. KIST 김진영 박사는 “초미세 인쇄 기술을 통해 개발한 촉매는 전극의 내구성 및 성능을 획기적으로 향상시켜 수소연료전지의 경제성을 확보할 수 있다.”라고 말했다. 공동연구를 수행한 KAIST 정연식 교수는 “연료전지뿐만 아니라 촉매, 센서, 배터리 등 다양한 전기화학 응용 분야에서의 활용을 기대한다.”고 밝혔다. 한편, 본 연구에는 연료전지 계산전문가인 인하대학교 주현철 교수도 참여해 연료전지 전극 내 유체의 거동에 대한 시뮬레이션 분석 역할을 담당했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙)의 지원을 받아 KIST 주요 사업, 기후변화대응사업, 글로벌프론티어사업을 통해 수행되었으며, 이번 연구 결과는 국제 과학 저널인 ‘Science Advances’ (IF: 14.136, JCR 분야 상위 6.164%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Conformation-Modulated Three Dimensional Electrocatalysts for High Performance Fuel Cell Electrodes - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김종민 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김진영 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술원 정연식 교수 그림 설명 [그림 1] 철골구조와 비슷한 형태의 멀티스케일 백금 나노 아키텍처 전극 모식도 [그림 2] 멀티스케일 백금 나노아키텍처 기반 박막형 막전극접합체(MEA) 모식도 [그림 3] PET 유연기판위에 롤투롤 대면적 나노인쇄공정 구현 및 전사된 백금 나노선 SEM 이미지 [그림 4] 20 nm 급 고해상도 나노인쇄공정과정 및 마스터몰드에 따른 백금 나노아키텍처 SEM 이미지 [그림 5] 기존 상용 Pt/C 전극 및 다양한 나노아키텍처 백금 전극 성능 비교 및 탄소담지체 열화테스트 이후 최대전력밀도 유지율

- 치매 환자 돌봄 전문서적, 매뉴얼 등 한 곳에 모아 - 치매 돌봄 부담 경감 및 인공지능 기기 활용한 치매 돌봄에 활용 기대 고령화가 급속히 진행됨에 따라 치매 환자 돌봄이 사회적 문제로 주목받고 있다. 환자 급증으로 인한 사회적 비용을 절감하기 위한 기존 연구는 주로 치매 진단법이나 환자 개인의 독립적인 생활을 지원하는 컴퓨터·인터넷 기반 프로그램 개발에 집중되었다. 하지만, 치매는 그 증상이 환자 개인마다 다르게 나타나며, 주변 상황에 따라 급격히 변화하기도 한다. 이 때문에 돌봄 노동자 1인이 다수의 치매 환자를 관리해야 하는 상황에서 이들을 지원하여 부담을 경감시키기 위한 기술이 필요하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 치매DTC 융합연구단 임윤섭 선임연구원 연구팀이 다양한 치매 환자의 증상과 생활환경에 적합한 돌봄 방법을 알려주고, 다수의 돌봄 노동자들이 치매 환자의 증상 및 돌봄 방법을 편리하게 공유할 수 있는 인공지능 기반 치매 돌봄 지식서비스 플랫폼을 개발했다고 밝혔다. 개발된 치매 돌봄 지식서비스 플랫폼은 온톨로지 형태의 지식베이스, 추론시스템 및 그래픽 기반의 사용자 인터페이스로 구성되어 있다. 본 연구에서 개발된 온톨로지 지식베이스는 치매 환자 돌봄 방법, 생활환경, 의료지식, 치매 환자의 일상생활 능력 정보, 환자 혹은 주변인 정보 등으로 구성되어 있다. 연구팀은 지식베이스 개발을 위해 치매 환자 돌봄 관련 서적, 돌봄 시설 매뉴얼, 치매 증상과 인간의 생활환경 등에 대한 기존 온톨로지 모델을 참고하였다. 추론시스템은 사용자의 질의에 따라 온톨로지에 정의된 추론 규칙을 활용하여 치매 환자에 맞는 돌봄 방법 및 돌봄 지식의 추론을 수행한다. 또한 개발된 플랫폼을 개인용 컴퓨터나 휴대용 스마트 기기를 통해 쉽게 사용할 수 있도록 그래픽 기반의 사용자 인터페이스를 개발했다. 사용자가 플랫폼에 치매 환자에 대한 정보를 직접 입력하고 갱신함으로써 환자의 현 상태에 적합한 돌봄 정보를 손쉽게 얻을 수 있다. 연구진은 지식베이스의 개발단계 초기에서부터 실제 치매 돌봄 현장에서 근무하는 돌봄 노동자와의 인터뷰를 통해 취합된 돌봄 지식의 유효성 및 온톨로지 모델의 정확성을 검증하였다. 최종적으로는 10년 이상의 경력을 가진 성북노인종합복지관, 광주 한울요양원 소속 전문가들에게 개발된 서비스 플랫폼에 대한 사용성 테스트를 통해 실제 돌봄 현장에 적용 가능함을 확인하였다. KIST 임윤섭 박사는 개발된 치매 돌봄 지식서비스 플랫폼을 “로봇 및 챗봇과 같은 인공지능 기술 기반 돌봄 서비스에도 활용할 수 있다”라고 말하며, “가정 및 돌봄 노동자의 치매 돌봄 부담 경감에 효과적인 역할을 할 것으로 기대된다”라고 밝혔다. 본 연구의 결과는 산업통상자원부(장관 문승욱)의 산업기술혁신사업(로봇산업핵심기술개발사업-인공지능융합로봇시스템기술) 및 과학기술정보통신부(장관 임혜숙)의 미래선도형 융합연구단 사업으로 수행되었으며, 연구결과는 Health care science and service 분야 국제학술지 ‘Journal of Medical Internet Research’ (JCR 분야 상위 4.41%) 6월호에 게재되었다. * (논문명) A Care Knowledge Management System Based on a Ontological Model of Caring for People with Dementia: Knowledge Representation and Development - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김경하 박사후연구원 (現 한국생산기술연구원) - (제 1저자) 한국과학기술연구원 전화우 학생연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 임윤섭 선임연구원 그림 설명 [그림 1] 치매 돌봄 서비스 플랫폼 아키텍처 치매 돌봄 서비스 플랫폼은 User Interface(치매 환자 데이터의 입출력), Context Data Manager(클라우드로부터 수집된 데이터 및 치매 환자 자료를 관리하고 사용자의 요청을 처리), Context Reasoner(온톨로지 형태의 치매 돌봄과 관련된 지식 모델, 그리고 지식 모델을 기반으로 사용자 요청에 적합한 지식을 추론)로 구성되어 있다. * OWL: Web Ontology Language * PwD: persons with dementia * SWRL: Semantic Web Rule Language [그림 2] 치매 돌봄 지식서비스 플랫폼의 그래픽 유저 인터페이스 화면 (사용 동영상: https://www.youtube.com/watch?v=wej9RyvsytI&t=110s) 치매 돌봄 지식서비스 플랫폼을 이용한 챗봇 활용 예시 (사용 동영상: https://youtu.be/Bm3M3WOrGcg)

신경세포 내 미토콘드리아 기능 이상에 의한 질병 발생 원리 규명 헌팅턴병의 새로운 진단 및 치료 전략 수립 가능 퇴행성 뇌질환의 일종인 헌팅턴병은 상염색체 우성으로 유전되며 3~40세 전후로 발병해 15년 이내에 사망에 이르는 비극적 질환이며 치료방법이 없다. 성격변화, 치매와 함께 특징적 몸의 움직임(무도증)을 동반하는 희귀질환으로 국내에도 2천여 명의 환자가 있다. 돌연변이 헌팅틴 (Huntingtin) 유전자에 의해서 만들어지는 헌팅틴 단백질은 뇌 부위 중 선조체의 신경세포를 파괴해 스스로 통제 또는 조절하기 어려운 팔과 다리의 움직임을 나타낸다고 알려져 있지만, 헌팅턴 단백질이 선조체 신경세포를 손상시키는 정확한 기전은 밝혀지지 않았다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 헌팅턴병 환자 뇌 조직에서 나타나는 병리현상을 연구해 신경세포가 손상되는 기전을 발견했다고 밝혔다. 본 연구는 실험동물과 세포모델을 기반으로 한 기존 연구들과 다르게 환자 뇌조직에서 나타나는 병리현상을 재조명하는 연구성과로서 헌팅턴 병의 새로운 치료전략에 도움이 될 것으로 기대하고 있다. KIST 뇌과학연구소 류훈 책임연구원, 보스턴대학교 의과대학 이정희 교수, 한양대학교 분자생명과학과 서혜명 교수팀으로 구성된 공동 연구진은 헌팅턴병 환자의 뇌조직, 마우스, 세포모델 실험을 통해 신경세포 사멸을 억제하는 XIAP 단백질이 정상적으로 발현되지 않게 되면서 미토콘드리아의 기능에 문제가 생기는 현상을 발견했다. 정상적인 상태에서 XIAP 단백질은 세포사멸에 관여하는 p53 분자를 자가포식작용으로 분해해 세포손상을 줄인다. 그런데, 헌팅턴병에 걸리면 XIAP 단백질의 발현 감소로 p53 분자의 분해가 줄어들고 활성이 증가해 비정상적인 세포손상이 일어나는 것을 발견했다. 공동연구팀은 이로 인해 증가한 p53 분자가 신경세포의 미토콘드리아로 이동해 세포손상에 발동을 거는 현상을 확인함으로써 지금까지 설명하기 어려웠던 헌팅턴병의 신경세포 손상기전과 치료를 위한 병리기전에 대한 상세한 정보를 얻을 수 있었다. 본 연구에 참여한 KIST 현승재 박사는 “헌팅턴병에서는 XIAP분자의 기능저하, p53 분자 활성으로 신경세포 손상이 일어나는데, 이 기전을 조절해 헌팅턴병의 새로운 치료전략을 제시할 수 있게 되었다.”고 연구결과의 의의를 설명했다. KIST 류훈 책임연구원은 “이번 연구성과는 마우스 모델이 아니라 헌팅턴 환자의 뇌 조직에서 발견한 새로운 병리기전이기 때문에 질병의 원인 파악과 치료에 한층 가깝게 다가갈 수 있을 것”이라며, “헌팅턴병 뿐만 아니라 치매 또는 파킨슨병과 같은 다른 퇴행성 뇌질환들의 병리기전을 이해하는 데도 도움이 될 것으로 기대한다.”고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙)의 뇌질환극복사업과 KIST 주요사업으로 수행되었으며, 연구결과는 국제 학술지인 ‘Progress in Neurobiology [IF : 11.685, JCR : 5.3% ]’ 최신호에 게재됐다. * (논문명) Dysfunction of X-linked inhibitor of apoptosis protein (XIAP) triggers neuropathological processes via altered p53 activity in Huntington‘s disease - (제 1저자) 한국과학기술연구원 현승재 박사후연구원 - (교신저자) 한양대학교 분자생명과학과 서혜명 교수 - (교신저자) 보스턴대학교 의과대학 이정희 교수 - (교신저자) 한국과학기술연구원 류훈 책임연구원 그림설명 [그림 1] 정상인의 뇌와 헌팅턴병 환자의 뇌에서 XIAP 분자의 발현 정도가 뚜렷하게 차이가 남을 보여줌 (XIAP 분자를 면역조직화학법으로 염색해 갈색으로 관찰 할 수 있게 처리. 헌팅턴 환자의 뇌에서 XIAP분자의 발현이 낮음을 확인) [그림 2] XIAP 분자에 의한 p53 단백질의 분해 촉진과정을 보여주는 그림. XIAP 분자가 감소하면 p53 분자가 분해되지 않고 양이 증가하여 신경세포 손상을 일으킴.

- 세포막의 이온농도 조절 특성을 통해 바이오센서 검지능력 향상 - 의료·방역·환경 감시까지 폭 넓은 확장성 국내 연구진이 세포막을 이용해 민감도를 획기적으로 개선한 바이오센서 원천기술을 개발하는 데 성공했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 뇌과학연구소 유용상 박사, 센서시스템연구센터 김철기 박사팀이 고려대학교(고려대, 총장 정진택) 화공생명공학과 안동준 교수팀과의 공동연구를 통해 ‘전기신호를 이용하는 분자 검출기술(FET, 전계효과 트랜지스터)’의 민감도를 획기적으로 끌어 올리는 기술을 개발했다고 밝혔다. 전기신호를 이용하는 센서 기술인 FET 기반 분자검출 기술은 그간 바이러스, 단백질, DNA 등 다양한 분자를 검출할 수 있다는 장점에도 불구하고 상용화가 쉽지 않았다. 검출물의 용액 내에 존재하는 이온 및 전하의 농도가 높을수록 분자 검출 가능 영역이 얇아지기 때문이다. 예를 들어 혈액 한 방울의 경우 분자 검출 가능 영역은 검출하려는 분자보다도 얇은 1나노미터(nm) 수준에 불과해 분자가 검출부에 부착되었더라도 전기신호 관측이 어려웠다. 이에 따라 학계에서는 혈액 등의 검사 대상 용액을 최대 10만 배까지 희석하는 등 다양한 전략을 통해 분자검출 능력을 높이기 위해 애썼지만 별다른 성과를 거두지 못하고 있었다. 연구팀은 이 같은 걸림돌을 제거할 아이디어를 사람의 세포막에서 얻었다. 인체의 세포막은 세포 안팎의 이온 농도를 조절할 뿐만 아니라 고농도 이온이 세포 내부로 침투하는 것을 억제한다. 연구팀은 세포막의 이 같은 특성에 주목했다. 기존의 FET 기반 분자검출 칩 표면에 세포막을 도포하는 실험을 거듭한 끝에 고농도 이온 용액에서도 별도의 전처리 없이 분자검출이 가능하다는 것을 확인했다. ‘세포막-FET(Lipid-FET)’로 명명된 새로운 기술은 기존처럼 검사 대상 용액을 10만 배 이상 희석하지 않고 혈액 원액 그대로도 기존 센서보다 민감하게 원하는 분자를 검출할 수 있다. 이는 현재까지 전 세계적으로 보고된 전계효과 기반 분자검출기술 중 가장 뛰어난 성능을 나타내고 있는 것으로 확인됐다. 이번 연구성과와 관련해 더욱 주목할 만한 부분은 해당 기술이 치매 단백질 등 다양한 질환을 진단할 수 있을 뿐만 아니라 바이러스성 감염병과 미세 플라스틱 등 의료, 보건, 환경 등 바이오센서 전반에서 광범위하게 응용이 가능한 플랫폼 기술이란 점이다. KIST 유용상 박사는 “IT, NT, BT 등 여러 분야의 공동연구진이 융합연구를 통해 개발한 세포막-FET 분자검출 기술은 현재 전기적 신호를 이용해 분자를 검출하는 모든 시스템에 바로 적용할 수 있는 기술”이라고 말했으며, KIST 김철기 박사는 “세포막에 흡착돼 단백질 변성을 일으킨다고 알려진 치매, 파킨슨병, 당뇨병 등과 같은 질병뿐만 아니라 코로나19, 조류독감 등 극미량의 감염병 바이러스를 더욱 신속하고 정밀하게 진단하는 기술 등 다양한 연구분야에 폭넓게 적용될 수 있게 하는 연구를 병행하고 있다.”라고 밝혔다. 고려대 안동준 교수는 “본 기술을 확장하여 다양한 사회 문제 해결과 인류의 삶의 질 향상에 전반적으로 기여할 수 있게 되기를 바란다.”라고 말했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙)의 지원을 받아 KIST 주요사업, KU-KIST 사업 및 한국연구재단 중견연구자지원사업 및 미래소재디스커버리사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 융합기술 분야 권위지인 ‘Nature Communications’ (IF: 14.919, JCR 분야 상위 4.795%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Ionic contrast across a lipid membrane for Debye length extension: towards an ultimate bioelectronic transducer - (제 1저자) 한국과학기술연구원 이동근 학생연구원 - (제 1저자) 고려대학교 화공생명공학과 정우혁 - (교신저자) 고려대학교 화공생명공학과, KU-KIST융합대학원 안동준 교수 - (교신저자) 한국과학기술연구원 유용상 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김철기 책임연구원 <그림 설명> [그림 1] KIST, 고려대 공동연구진이 개발한 세포막-전계효과트랜지스터의 분자 검출에 대한 모식도 [그림 2] KIST, 고려대 공동연구진이 개발한 세포막-전계효과트랜지스터 바이오센서

- KIST 도핑콘트롤센터, 세계 탑3 도핑 분석 능력 입증 - 평창 동계올림픽 노하우 전수 개최가 임박한 도쿄 올림픽에 도핑 관련 세계 최고수준의 기술력을 보유한 한국 도핑 전문가들이 초청됐다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 도핑콘트롤센터의 손정현 센터장과 성창민 박사를 도쿄올림픽에 파견한다고 밝혔다. KIST 도핑콘트롤센터는 아시안게임과 올림픽 개최를 위해 1984년 설립된 이래 도핑 금지약물에 대한 선수들의 생체시료 분석과 함께 최신 검출기술 개발을 위한 연구활동을 수행하고 있다. 이후 40년에 가까운 시간 동안 수많은 국제대회의 도핑 분석을 지원해 우리나라가 스포츠 강국으로 자리매김하는데 중요한 역할을 담당하고 있다. 최근에는 뇌도핑(Brain-doping), 유전자도핑(Gene-doping), 건조혈반(DBS, dried blood spot), 선수생체수첩관리단(APMU, athlete passport management unit) 등의 최신 분석시스템을 갖추기 위한 연구에 집중하고 있다. 최근 엘리트 선수들을 중심으로 사용 빈도가 증가하고 있는 성장호르몬제는 그 사용여부를 검출하기가 매우 어려운 데다가 효과가 좋아서 이를 효과적으로 검출하는 것이 이번 도쿄 올림픽에서의 중요한 화두이다. 2020년 11월 세계반도핑기구(WADA)가 발표한 ‘전 세계 도핑센터별 고위험 종목 특수분석 기술’ 자료에 따르면, 성장호르몬과 유사 금지약물의 모든 분석기술을 갖고 있는 나라는 전 세계적으로 한국, 미국, 브라질 3개국뿐이다. 도쿄 올림픽 반도핑 연구소는 KIST 도핑콘트롤센터 손정현 센터장과 성창민 박사를 초청했다. 두 사람은 도쿄 2020 올림픽 반도핑 연구실에서 KIST가 보유한 성장 호르몬 및 유사 금지약물에 대한 분석 기술과 2018 평창올림픽을 통해 축적한 도핑 시료분석 노하우를 전수할 예정이다. 뿐만 아니라 사이클 스타 랜스 암스트롱이 사용했던 금지약물로 유명해진 적혈구 생성 촉진인자(EPO, erythropoietin)의 최신 분석기술도 전수할 계획이다. KIST 손정현 센터장은 “선수들의 노력과 투지를 바탕으로 전 세계가 하나 되는 세계인의 축제 올림픽이 금지약물로 얼룩지지 않도록 최신 분석기술을 개발하고, 선수시료를 철저히 검증하는 것이 반도핑 전문가들의 역할”이라며, “KIST의 우수한 분석기술과 노하우를 이웃나라 일본에 전수할 수 있는 기회가 생겨서 자랑스럽게 생각하며, 대한민국 대표선수들의 선전을 기원한다.”고 말했다. 도쿄 올림픽에 파견되는 KIST 손정현 센터장(우)과 성창민 박사(좌)

- KIST, 액상유기수소운반체(LOHC) 수소 추출성능 평가 장치 개발 - 고효율 수소운반체 후보 물질 채택에 도움 청정에너지 공급망이 글로벌 이슈로 부상하면서 수소에너지에 대한 관심이 커지고 있지만, 수소는 기체 상태에서 단위 부피당 저장할 수 있는 에너지가 적다는 단점을 가지고 있다. 이를 극복하기 위해 암모니아 혹은 액상 유기물 수소운반체(LOHC) 등의 액체기반 수소 운반체에 수소를 담아 운반하는 방법이 연구되고 있다. 수소를 액체형태의 운반체에 저장하여 상온 및 대기압에서 안전하게 운반하고 수소를 필요한 위치에서 추출해서 사용할 수 있기 때문이다. 현재 액상수소 운반체는 다양한 후보물질에 관한 연구가 진행되고 있는데 정량적인 비교지표가 없어 일본, 독일 등 이 분야의 선도그룹들은 서로 다른 물질을 채택하려는 움직임을 보이고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 수소·연료전지연구센터 김용민 박사팀이 우수한 후보 물질을 채택할 수 있도록 여러 종류의 LOHC의 수소추출성능을 동일한 조건에서 다각도로 분석할 수 있는 플랫폼을 개발했다고 밝혔다. 지금까지 수소운반체 후보 물질들은 각기 다른 조건에서 성능이 평가되어 직접적인 성능비교가 불가능했다. KIST 연구진은 다양한 LOHC를 촉매 농도, 반응물 농도, 온도 및 압력 등 추출 조건을 달리해가며 반자동으로 분석할 수 있는 장치와 프로세스를 개발했다. 각종 수소 운반체들의 수소 추출성능을 동일 조건에서 빠르게 분석할 수 있게 된 것이다. 그 결과 여러 물질 및 촉매의 수소 추출 속도 등의 성능지표를 명확하게 비교 분석할 수 있게 되어 수소운반체와 수소 추출용 촉매를 효과적으로 선별할 수 있게 됐다. 연구진은 LOHC들 중 가장 상용화 가능성이 크다고 여겨지는 물질들을 선정하여 수소 추출 촉매반응 특성을 평가했다. 대표적인 LOHC인 메틸시클로헥산(MCH) 분석 결과, 수소추출시 부산물이 적고 반응속도가 가장 빨라 곧 상용화가 가능한 단계로 평가됐다. 또 다른 물질인 모노벤질톨루엔(MBT)은 열전달 매체로서 상업적으로 활발히 사용되고 있으므로 경제성이 높으면서 반응속도, 안전성 등의 장점을 두루 지니고 있어 향후 LOHC로의 활용 가능성이 높은 것으로 평가되었다. 특히, KIST에서 2017년 개발한 높은 수소저장성능을 가진 바이페닐 기반 LOHC(BPDM)의 경우 동일 조건에서 다른 LOHC와 비교해 20% 이상 빠른 수소 추출 속도를 보이는 것으로 확인됐다. 이는 연료통의 크기가 제한되고, 빠른 수소 추출이 필요한 수소자동차와 수소열차 등에 적용하는 데 유리할 것으로 보인다. 개발된 플랫폼은 LOHC 뿐만 아니라 수소 추출용 촉매를 평가할 수 있다. 현재 귀금속의 사용량을 줄이고 낮은 온도에서 구동 가능한 국산 촉매를 개발하기 위해 국내 연구진 및 기업들과의 협업을 통해 개발된 촉매들의 수소 추출 성능을 평가하는 데 활발히 응용되고 있다. KIST 김용민 박사는 “이번 성과는 국내 연구진이 개발한 수소운반체 평가 플랫폼으로, 여러 후보군 중 우수한 수소운반체와 촉매를 효과적으로 채택하는 데 활용될 수 있다.”라며, “나아가, 본 평가 플랫폼의 확산을 위해 국제공동 연구과제를 도출하고 있으며, LOHC 기술의 조기 상용화를 위해 국내, 일본 및 독일의 산학연 컨소시엄 구축을 기획 중이다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 KIST 주요사업, 과학기술정보통신부 수소에너지혁신기술개발사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 에너지 분야 국제저널인 'Energy Conversion and Management' (JCR 분야 상위 1.84%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Hydrogen production from homocyclic liquid organic hydrogen carriers (LOHCs): Benchmarking studies and energy-economic analyses - (제 1저자) 한국과학기술연구원 곽연수 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 조영석 선임연구원 (現, Amogy社 CTO) - (교신저자) 한국과학기술연구원 김용민 선임연구원 <그림 설명> [그림 1] LOHC와 수소 추출 촉매의 스크리닝을 위한 벤치마킹 연구개발 과정 개략도 [그림 2] 고출력 수소운반체 평가장치 사진 [그림 3] 액상수소운반체를 활용한 수소경제 모습 개략도