- 블록공중합체의 종류와 모양에 상관없이 초미세 수직 패터닝 기술 개발 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 손정곤 박사팀은 반도체 칩이나 광전소자 제조에 사용되는 나노 패터닝(Nano Patterning) 기술을 한 차원 높인 기술을 선보였다. 손 박사팀은 아주 손쉽고 간단하면서도 다양한 종류와 모양의 블록공중합체*에 적용가능한 10나노미터 이하의 초미세 나노패턴 제작 기술을 개발했다고 밝혔다. *블록공중합체(Block copolymer) : 두 개 이상의 고분자가 하나의 고분자 사슬에 규칙적으로 연결된 고분자. 최근 차세대 반도체를 위한 공정으로 10 나노미터(nm, 10억분의 1m) 수준의 초미세 패턴 제작기술에 대한 중요성이 대두되고 있다. 특히 블록공중합체의 스스로 나노구조를 만드는 자기조립(Self-Assembly) 특성을 이용한 미세 패터닝 기술은 비싸고 복잡한 극자외선(EUV) 공정과는 달리 저렴하고 빠르게 대면적의 초미세 나노 패턴을 얻을 수 있어 차세대 나노 패터닝 기술로 각광받고 있다. 그러나 그동안 블록공중합체를 활용해 나노패턴을 만드는 과정에서 구조적 결함을 제거하고, 패턴을 정렬하는 등에 기술적 한계가 있었다. 특히 블록공중합체를 10 나노 이하로 제작할 경우, 패턴 전사에 필요한 수직 배향**이 어렵다는 한계가 있었다. 기존에 보고된 연구들은 특정 블록공중합체에 대한 수직 배향을 구현하기 위해서는 매번 임의의 고분자를 합성해서 각각 필름의 위와 아래에 도입해야 하는 등, 복잡하고 까다로운 공정을 이용하였기 때문에 실제 공정에 적용하는데 큰 제약이 따랐다. **배향(Orientation) : 특정 구조의 방향 KIST 손정곤 박사팀은 이러한 한계를 극복하고, 아주 쉽고 간단한 공정으로 어떠한 형태의 블록공중합체라도 배향을 조절할 수 있는 방법을 개발하였다. 연구진은 필터를 도입한 플라즈마 처리방법으로 낮은 에너지의 입자들만 통과하게 하여 고분자 필름과 물리적인 충돌만 일어나도록 함으로써 표면에 3~5 나노 수준의 얇은 화학적 결합층을 형성했다. 이 공정을 블록공중합체 필름에 도입하여 두 고분자들이 잘 섞여있는 얇은 층을 만들고, 이 층이 자연적으로 아래의 블록공중합체와 중립적인 경계면을 형성하게 하여 수직 배향을 가지게 만들었다. 이 공정은 다양한 종류와 모양의 블록공중합체 뿐 아니라 다양한 공정 조건 하에서도 모두 수직 배향 형성이 가능함을 보였다. KIST 연구팀은 이 기술을 통해 실제 반도체 공정에서 3차원 입체구조 트랜지스터로 사용되는 핀펫(FinFET)을 모사한 3차원 구조를 구현할 수 있었으며, 또한 미세 화학 패턴 위에서도 결함이 거의 없는 10나노 이하의 수직 줄무늬 패턴을 형성할 수 있음을 보였다. KIST 손정곤 박사는 “이번 성과는 그동안 난제로 여겨졌던 범용적으로 사용가능한 블록공중합체의 배향 조절 이슈를 아주 간단하게 해결했다. 이번 유도 자기조립을 통한 10 나노 이하 패터닝 기술이 초미세 반도체 공정 기술로 실질적으로 적용되길 기대한다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업과 한국연구재단 중견연구자지원 사업으로 수행되었다. 이번 연구결과는 세계적 과학저널인 Nature 자매지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF : 11.88, JCR 분야 상위 6.52%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Universal perpendicular orientation of block copolymer microdomains using a filtered plasma - (제1저자) 한국과학기술연구원 오진우 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 손정곤 책임연구원 <그림설명> [그림 1] (a) 블록공중합체 박막의 표면 가교를 통해 수직 배향을 가지는 블록공중합체 나노구조를 제작하는 방법에 대한 모식도 (b) 아르곤 플라즈마를 이용하여 블록공중합체의 표면에 가교층을 도입하여 중성층을 제작하는 방법에 대한 모식도 (c) 배향이 조절된 블록공중합체 나노 구조의 SEM 이미지와 모식도 PS-b-PMMA, PS-b-PDMS, P2VP-b-PS-b-P2VP, PS-b-P2VP : 본 연구에서 사용한 블록공중합체의 종류 Lamellae : 라멜라 구조 Cylinder : 실린더 구조 Thermal : 열처리를 통해 나노구조를 제작 Solvent : 솔벤트 처리를 통해 나노구조를 제작 [그림 2] (위) 실험에 사용한 플라즈마전용 필터 (아래) 필터를 도입한 플라즈마공정 사진

- 크리스퍼 가위 개량한 외부 전달체 필요없는 새로운 유전자 가위 기술 개발 - 악성 종양세포 단백질 억제 및 면역세포 활성화로 항암 면역 치료 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 테라그노시스연구단 장미희 박사팀은 세종대학교(총장 배덕효) 홍석만 교수팀과 공동연구를 통해 ‘혈액암 세포’*의 표면에 발현되는 면역체계를 방해하는 단백질들을 동시에 억제하고, 면역세포인 ‘세포독성 T 세포’**를 활성화시켜 항암 면역 치료가 가능한 새로운 유전자 가위 기술을 개발했다고 밝혔다. *혈액암 세포(lymphoma cell) : 혈액을 구성하는 성분에 생긴 암을 포괄적으로 이르는 말, 혈액이나 조혈기관, 림프절, 림프기관 등에 발생한 악성종양을 뜻함 **세포독성 T 세포(Cytotoxic T Lymphocyte, CTL) : T 림프구의 한 종류로, 세포독성물질을 분비하여 바이러스에 감염된 세포나 종양세포를 직접 파괴하는 면역세포 유전자 가위 기술은 특정 유전자를 제거하거나 정상적인 기능을 하도록 유전자를 편집함으로써, 질병의 근본적인 원인을 제거하여 치료할 수 있는 기술이다. 특히 유전자 가위 기술 중 하나인 크리스퍼 유전자 가위 기술***은 면역세포의 유전자를 선택적으로 교정함으로써 면역세포가 선택적으로 암세포만을 공격하도록 유도하는 면역 치료 요법으로 최근 각광을 받고 있다. ***크리스퍼 유전자 가위 기술 : 세균의 면역반응에 관여하는 단백질에서 유래한 것으로, 유전자의 절단 기능을 가지는 Cas9 단백질과 유전체 서열 선택성을 부여하는 single guide RNA (sgRNA)가 동시에 작용하여 유전자를 선택적으로 교정하는 기술 KIST 장미희 박사는 크리스퍼 유전자 가위를 외부 전달체 없이도 스스로 세포막을 뚫고 들어갈 수 있게 개량한 바 있다.(※ACS Nano ACS Nano2018, 12, 8, 7750-7760) 그러나 면역 활성을 조절하는 유전자의 종류가 다양할 뿐더러, 안전하면서도 간편하게 면역 치료를 유도하는 기술은 아직 부족한 실정이었다. KIST 장미희 박사팀과 세종대 공동연구진은 외부 전달체 없이 혈액암세포로 유전자를 전달할 수 있으면서도 여러 유전자를 동시에 효율적으로 교정할 수 있도록 크리스퍼 유전자 가위를 한 번 더 개량하여 면역 치료에 응용하는 기술을 개발하였다. 기존의 유전자 가위 기술을 이용한 방법으로는 면역세포 중 ‘T 세포’와 같은 혈액암 세포 내에 유전자를 전달하는 방식으로 주로 바이러스나 전기 충격 요법을 사용하였다. 바이러스를 이용한 방식은 원치 않은 면역 반응을 유도하는 경우가 많고 표적이 아닌 게놈 서열에 유전자가 잘못 삽입되어질 가능성이 높다. 또한 전기 충격 방식은 별도의 고가 장비가 필요하며, 전기 자극으로 대량의 세포를 한 번에 교정하기가 어렵고 세포생존도(cell viability)도 낮다는 단점을 가지고 있다. KIST-세종대학교 공동연구진이 개발한 이번 기술은 면역체계를 억제하는 것으로 알려진 면역 체크포인트**** 유전자 중 ‘PD-L1’, ‘PD-L2’ 두 개를 동시에 표적으로 한다. 이 면역 체크포인트를 표적으로 하여 면역 체계를 방해하지 못하게 유도하고, 결국 세포독성 T 세포가 암을 직접 공격할 수 있도록 하여 항암 면역 반응을 증가시키는 치료 효능을 확인하였다. ****면역체크포인트 :　암세포의 파괴를 방해하는 단백질 KIST 장미희 박사는 “새롭게 개발된 유전자 가위 기술은 다양한 면역세포에 적용가능하기 때문에, 암 뿐만 아니라 자가면역 질환, 염증성 질환 등 다양한 질병 치료제 개발에 적용 가능할 것으로 기대된다”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었으며, 연구결과는 ‘Biomaterials’ (IF : 10.273, JCR 상위분야 : 1.56%)에 최신호에 게재되었다. *(논문명)A carrier-free multiplexed gene editing system applicable for suspension cells - (제 1저자) 한국과학기술연구원 주안나 박사 (박사후연구원) - (제 1저자) 세종대학교 이성원 박사 (박사후연구원) - (교신저자) 한국과학기술연구원 장미희 선임연구원 - (교신저자) 세종대학교 홍석만 교수 <그림설명> <그림 1> 다중 표적 유전자 편집 작동 원리 및 면역 치료 기전 <그림 2> 다중 표적 유전자 편집에 따른 T 세포 매개 암살상 능력 증가 확인

- 최신 반도체 양산 공정 접목, 열전·발전 기술 상용화 한걸음 더 - 기존 대비 50% 성능 향상, 고성능 열전 반도체 소재 개발 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전자재료연구단 김성근, 김진상 박사 연구팀은 최신 반도체 공정을 접목하여 주변의 열을 직접 전기 에너지로 변환하거나, 전기를 가해 온도를 변화시킬 수 있는 열전 소재의 성능을 비약적으로 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 주변의 열을 직접 전기 에너지로 변환하거나, 전기를 가해 온도를 변화시킬 수 있는 ‘열전 재료’는 최근 폐열 수거 및 지속 가능한 발전 에너지로 주목을 받고 있다. 특히, 주변의 열을 이용한 열전 발전 기술은 부가적인 장치 없이 직접 전기를 생산 할 수 있어, 신뢰성 있는 전력원으로 사용될 수 있다. 냉온 정수기, 와인 냉장고 등에 쓰이며 최근 웨어러블 기기의 자가 전원으로도 관심을 끌고 있다. 그러나 현재까지 개발된 열전 재료는 발전 효율이 낮아 널리 쓰이지 못하고 있었다. KIST 연구진은 기존의 분말 형태의 열전 반도체인 ‘비스무스-텔루라이드’(Bi-Te)* 소재에 최신 반도체 나노 공정인 원자층 증착법**을 접목하였다. 원자층 증착법은 대량의 분말 재료에 대해 균일한 코팅을 가능하게 하는 증착 기술로, 수 나노 두께의 얇은 산화 아연층을 증착하여 열전 재료의 성능을 기존 대비 50% 이상 향상 시켰다. *비스무스 텔루라이드 : 열전 반도체 소재로 상온에서 가장 높은 열전 변환 계수(효율)를 가지고 있음. **원자층 증착법(Atomic Layer Deposition) : 반도체 제조 공정 중 화학적으로 달라붙는 단원자 층의 현상을 이용한 나노 박막 증착 기술. 이번에 접목한 원자층 증착법은 기존 분말 열전 재료 제조 공정에 적용이 유리하다는 장점이 있다. 따라서, 이번 연구결과를 통해 열전 재료 제조 분야에 널리 사용가능하고, 재현성 높은 나노 기술 접목 공정을 제공하여 열전재료의 대량 생산에 널리 쓰일 수 있을 것으로 기대된다. KIST 김성근 박사는 “이번 성과는 실제 양산에서 이용되는 반도체 공정을 접목하여 양산 가능한 나노 기술로 열전 성능을 향상시켰다는 점에서 큰 의의가 있으며, 앞으로 열전 반도체 소재 개발에 있어 중요한 계기가 될 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업으로 수행되었다. 이번 연구결과는 나노소재분야 국제 저널인 ‘ACS Nano’ (IF: 13.903, JCR : 5.74%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Precision Interface Engineering of an Atomic Layer in Bulk Bi2Te3 Alloys for High Thermoelectric Performance - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김광천 연구원(박사 후 연구원) - (교신저자) 한국과학기술연구원 김진상 책임연구원 한국과학기술연구원 김성근 책임연구원 <그림설명> <그림1> 산화아연층/열전재료 제조 공정 분말 열전 재료에 원자층 증착 공정을 통하여 산화아연층을 형성 후 가압 소결 과정을 거쳐 열전 잉곳을 제작하는 공정 모식도 <그림2> 산화아연층/열전재료의 열전 성능 기존 열전 재료 대비 50%이상의 성능이 향상된 산화아연이 코팅된 열전 소재의 성능 지수를 보여준다. <그림3> 산화아연층/열전재료로 제작된 열전 소자 (좌) 산화아연층이 코팅된 열전 소재 (우) 본 연구 결과로 제작된 40x40mm (127 p-n pair) 열전 소자 모습

- 기존 리튬 배터리 음극(-) 소재의 한계였던 낮은 전기 전도도가 혁신적으로 향상 - 전도체 혼합 불필요, 안정성 높은 음극(-) 신소재로 개발로 배터리 수명 향상 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 기능성복합소재연구센터 안석훈 박사팀과 울산과학기술원 에너지 및 화학공학부 강석주 교수 및 곽상규 교수팀은 공동 연구를 통해 전기 전도도가 좋은 유기물 반도체들을 합성하여 리튬전지의 음극(-)으로 사용될 수 있는 물질을 개발했다고 밝혔다. 최근 차세대 에너지 저장 장치의 수요가 급증함에 따라 고성능ㆍ고효율 이차전지 개발이 가속화되고 있다. 리튬 이온 이차전지는 양극(+)과 음극(-)의 층 구조를 갖고, 이 층 사이를 리튬 이온이 이동하며 에너지를 저장하는 기능을 한다. 일반적으로 음극(-)에는 흑연(그래파이트)을 사용하는데, 흑연은 좁은 간격과 더불어 이온 확산거리가 길어 전지의 성능을 저하시키고 수명을 단축시킨다. 이를 해결하기 위해 최근 금속산화물 또는 유기물 기반 음극 물질들이 흑연의 대체재로써 연구되고 있다. 하지만, 이들 소재는 낮은 전기전도도, 짧은 수명 등의 치명적인 단점을 가지고 있고, 이를 보완하기 위해 첨가재로 들어가는 전도성이 높은 카본물질에 의해 전극의 성능이 떨어지는 문제점들이 있어 새로운 대체재의 개발이 필요한 실정이다. KIST 연구진은 유기물 반도체인 공 모양의 ’플러렌(fullerene)’분자와 이를 잘 잡을 수 있는 글러브 모양을 가지는 ’헥사벤조코로넨(hexabenzocoronene)’이라는 물질을 공결정체(cocrystal)*로 형성시킴으로써 기존 유기물 음극(-) 소재의 단점이었던 낮은 전기전도도를 크게 높일 수 있었다. 이 소재는 전기전도도가 높기 때문에 별도로 전도체를 혼합할 필요가 없어 제조 단가를 크게 낮출 수 있을 뿐만 아니라 기존 유기물기반 음극 전지의 수명을 크게 향상 시킬 수 있다는 장점을 가지고 있다. *공결정체(cocrystal) : 두 개 이상의 성분이 특정한 비율로 하나의 새로운 결정을 형성하는 것 KIST 안석훈 박사는 “개발된 공결정성 물질은 기존 유기물 전극의 문제점인 낮은 전도성을 해결할 수 있는 새로운 방법을 제시할 뿐만 아니라 차세대 이차전지인 소듐전지에도 활용될 수 있어 후속 연구개발에 매우 중요한 연구결과이다”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업과 한국연구재단 중견연구자사업, 나노소재기술개발사업, UNIST 기관고유 사업으로 수행되었다. 연구 결과는 재료분야 권위의 학술지 중 하나인 Advanced Functional Materials (IF: 15.621, JCR: 3.04%) 최신호에 게재되었다. *(논문명) Organic Semiconductor Cocrystal for Highly Conductive Lithium Host Electrode - (공동1저자) 한국과학기술연구원 김윤정 연구원 울산과학기술원 박재현 박사과정, 주세훈 박사과정 - (교신저자) 한국과학기술연구원 안석훈 박사 울산과학기술원 강석주 교수, 곽상규 교수 <그림설명> [그림 1] cHBC/플러렌 공결정체 형성 음극 제조 과정 모식도 및 전자 이동 메커니즘 제안도 [그림 2] (상, A-C) cHBC/플러렌 공결정체 구조의 다양항 방향 투영도. (하, D-E) cHBC/플러렌 공결정체 구조의 전면도, 평면도 및 측면도. [그림 3] cHBC/플러렌 음극의 리튬 이차전지 특성 그래프 (좌상) cHBC/플러렌 음극의 리튬 이차 전지 구동 전압 프로파일 (우상) 전지 충ㆍ방전 성능 평가 그래프. 3 A/g의 고전류 충ㆍ방전에서 약 70 mAh/g 용량 유지 확인 가능. (좌중, 우중) cHBC/플러렌 음극의 리튬 이온 저장 위치 및 이온 저장 위치에 따른 전압 변화 컴퓨터 시뮬레이션 결과 (하) 리튬 이차전지 장수명 평가 그래프. 약 600회 구동함을 확인 가능.

- 바이오연료 부산물인 ‘리그닌’으로 ‘리그닌’을 제거하는 재생 가능한 용매 개발 - 기후변화 및 온실가스 대응·지속가능한 바이오연료 생산 기술 개발 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 청정에너지연구센터 김광호 박사는 캐나다 밴쿠버에 있는 KIST-UBC(브리티시컬럼비아대) 현지 랩 프로그램을 통해 바이오매스(biomass) 내 존재하는 리그닌*을 활용하여 바이오연료 생산에 필요한 새로운 종류의 용매(공융용매**)를 개발했다고 밝혔다. *리그닌(Lignin) : 셀룰로오스와 함께 바이오매스를 이루는 주성분. 목재의 30~40%를 차지하는 고분자물질로 대부분 분해되어 폐기되거나 연료로 사용된다. **공융용매(Deep eutectic solvent) : 다양한 종류의 양이온/음이온을 포함하며 구성 물질들 간 강한 수소결합으로 형성된 용매 일반적으로 바이오연료를 생산하기 위해서는 적절한 용매를 활용하여 바이오매스로부터 리그닌 성분을 제거 후 이용하여야 한다. 현재는 대부분 유기 용매를 이용하는데, 이러한 유기 용매는 주로 석유화학에서 생산될뿐더러 용매가 적절하게 회수·재활용 되지 않으면 바이오연료의 생산 단가 상승에 큰 영향을 미친다. 지속 가능하고 경제성이 확보된 바이오연료 생산을 위해서는 친환경적이고 재생 가능한 용매의 개발이 필요하다. 최근 바이오에탄올을 비롯한 바이오연료 생산 공정 연구에서 기존의 유기용매를 대신하는 새로운 형태의 녹색 용매 개발에 많은 연구가 집중되고 있다. 최근 KIST 연구진은 부산물로 발생되지만, 대부분 폐기되어 왔던 리그닌을 활용하여 용매를 개발하였다. KIST 김광호 박사는 바이오연료 생산과정에서 부산물로 발생하는 리그닌을 활용하여 친환경 용매를 제조하는데 성공하였다. 리그닌을 기반으로 하는 이 용매는 기존의 유기용매를 대신하여 바이오연료 생산 공정에 사용할 수 있다. 또한, 기존의 유기 용매 시스템을 대체할 수 있고 친환경적이며 재생이 가능하다. 공정에 필요한 물질을 공정 내에서 수급, 활용하는 ‘순환형 바이오연료 생산’을 가능하게 하여 학계의 주목을 받고 있다. KIST 김광호 박사는 “이번 성과는 바이오연료 생산에 필요한 용매를 바이오매스에서 부산물로 발생하는 리그닌으로부터 직접 제조하는 기술을 개발한 것으로, 바이오연료·바이오화합물 생산을 위한 중요한 계기가 될 것” 이라고 밝혔다. 또한 김광호 박사는 “미국 에너지부(DOE) 산하의 바이오에너지 연구센터와의 협력 연구를 통해 국내 바이오연료 연구 수준을 높이고, 기후변화 및 지구온난화에 대응할 수 있는 미래 지속가능한 바이오연료 생산 기술을 개발할 것”라고 말했다. 본 연구는 KIST 기관고유사업으로 수행되었으며, 미국 에너지부 산하 두 바이오에너지 연구센터(Joint BioEnergy Institute, Center for Bioenergy Innovation), 뉴욕주립대 및 육군사관학교와의 공동연구로 진행된 이번 연구결과는 미국립과학원회보 ‘Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA’ (IF: 9.504, JCR 분야 상위 7.031%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Integration of renewable deep eutectic solvents with engineered biomass to achieve a closed-loop biorefinery - (제1저자 및 교신저자) 한국과학기술연구원 김광호 선임연구원 <그림설명> [그림1] 형질전환 바이오매스로부터 분리된 리그닌 기반의 공융용매 제조 및 지속가능한 순환형 바이오연료 생산 모식도

- KIST 오우택 소장 연구팀, 염소이온 채널 ‘아녹타민1’의 뇌 형성에서의 역할 규명 - 뇌세포의 분포 및 두뇌의 크기에 영향, 뇌 발달과 관련된 질병 이해 증진 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 뇌과학연구소 오우택 소장, 홍규상 박사팀은 신경줄기세포*의 염소이온채널** ‘아녹타민1’이 태아의 신경 발달과정에서 대뇌의 뇌세포를 특정 위치로 이동시키고 두뇌의 크기를 조절한다고 밝혔다. *신경줄기세포(Neural Stem Cell): 자가 증식이 가능한 세포로 신경계통의 모든 세포로의 분화능력을 가짐 **염소이온채널(Chloride Ion Channel): 세포막에 존재하여 세포의 안·밖으로 염소 이온을 통과시키는 막단백질 선천적 뇌 신경세포의 발달 장애는 인지능력 저하, 운동기능 저하, 틱장애, 자폐증과 같은 다양한 뇌 관련 질병을 야기한다. 하지만 대뇌의 발달과정은 정밀하게 조절되고, 다양한 유전자와 환경 인자가 관여하기 때문에 그 원인을 알기가 어려운 실정이다. 최근 KIST 연구진은 태아의 신경 발달과정에서 신경줄기세포가 조절되는 메커니즘을 규명하여 신경발달장애의 근원을 이해하고, 두뇌가 어떻게 발달하는 지를 밝혔다. 신경줄기세포는 배아의 뇌에서 뉴런(신경세포)을 증식 시킬 뿐만 아니라 뇌 피질의 정확한 위치에 이동시켜 두뇌 형성 과정 전체를 조절하는 역할을 한다. 이 과정은 매우 정교하게 처리되는데, 신경줄기세포는 섬모라 불리는 긴 팔(긴 섬모)을 뇌의 끝부분까지 뻗고, 뉴런은 이 긴 팔을 마치 사다리처럼 타고 가서 제자리를 찾아가게 된다고 알려져 있다. 그러나 지금까지는 이러한 신경줄기세포가 뻗는 긴 섬모의 연장에 따른 뉴런의 이동 및 두뇌와의 연관성이 명확하게 규명되지 않았다. KIST 오우택·홍규상 박사팀은 전기 생리학, 면역학, 생화학적인 다양한 기법을 활용하여 ‘아녹타민1’ 유전자가 뇌신경세포의 발달과정 중 신경줄기세포에서 발현이 많이 되었음을 확인하였다. ‘아녹타민1’ 채널이 활성화되면 그 신호에 의해 신경줄기세포의 증식뿐만 아니라, 긴 섬모의 길이가 연장되고, 뇌신경 발달과정에서 대뇌 피질 내에 존재하는 뉴런들의 위치와 두뇌의 크기도 조절한다는 사실을 규명하였다. KIST 연구진은 ‘아녹타민1’이 결핍된 생쥐의 신경줄기세포의 섬모의 길이가 정상 생쥐보다 짧은 것을 확인하였고, 신경세포의 정상적 발달을 저해하여 최종 두뇌의 크기도 정상 생쥐에 비해 작아지는 것을 발견하였다. KIST 오우택 소장은 “뇌신경세포의 형성 과정 중 신경줄기세포에서 아녹타민1 이온채널의 역할을 재조명하였고, 동물의 뇌신경 형성 과정에서 생리학적인 이해의 범위를 한층 넓힐 수 있었다”며, “‘아녹타민1’ 이온채널 유전자의 역할을 명확하게 밝힌 연구를 통하여 두뇌 형성 과정에서의 오류로 인한 자폐증, 조현병 그리고 간질과 같은 뇌 질병을 이해하고, 그 치료를 위한 초석이 되는데 역할을 할 것이라 사료된다”고 연구의 의의를 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 한국연구재단 뇌과학원천기술개발사업, 리더연구자사업을 통해 수행되었으며, 연구결과는 미국 국립과학원 회보(PNAS, Proceedings of National Academy of Sciences, U.S.A.) (IF : 9.504, JCR 상위 : 7.031 % ) 최신호에 게재되었다. * (논문명) ANO1/TMEM16A regulates process maturation in radial glial cells in the developing brain - (제1저자) KIST 신경과학연구단 홍규상 선임연구원 중앙대학교 약학대학 이성훈 조교수 - (교신저자) KIST 뇌과학연구소 오우택 책임연구원 <그림설명> [그림 1] +/+: 일반마우스의 두뇌에서의 뉴런들 분포 -/- : 아녹타민1 녹아웃 마우스의 두뇌에서의 뉴런들 분포 일반마우스는 CUX1/NOR1로 표시된 레이어 마커안에 잘 분포되어 있으나, 아녹타민1이 결핍된 마우스는 경계없이 퍼져있는 것으로 확인되어, 제대로 뉴런들이 있어야할 곳에 위치되지 않았음 [그림 2] +/+: 일반마우스의 두뇌 크기(평균치) +/- 부모 중 한쪽의 염색체에만 아녹타민1 이 결핍된 경우 -/- : 부모 양쪽 모두 아녹타민1 결핍된 경우 +/-, -/- 모두 스탠다드 에러(일반적으로 정상으로 인정되는 오류의 범위)를 벗어난 두뇌 크기를 보여줌 [그림 3] 대표적 신경줄기세포인 Radil gila cell의 두뇌에서의 발달과정. BDNF 성장인자(BDNF가 TrkB리셉터에 결합하면 세포 내부에 칼슘이 생성되고 아녹타민1 이 활성화됨) 에 의한 아녹타민1의 활성화와 이에 따른 신경줄기세포 섬모의 조절 모식도.

- 용액 공정 기반의 투명하고 유연한 2차원 대면적 히터 개발 - 2차원 신 나노물질 맥신(MXene) 기반의 차세대 기능성 히터로 각광 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 물질구조제어연구센터 구종민 센터장과 연세대학교 나노고분자연구실 박철민 교수 공동 연구팀은 각광받는 2차원 나노 신물질인 맥신(MXene)을 기반으로 한 유연하고, 대면적으로 제작이 가능한 차세대 투명 웨어러블 히터를 개발했다고 밝혔다. 전기적 히터는 공간 가열, 자동차 및 빌딩의 서리 제거, 의료 기기 등의 넓은 분야에 유용하게 이용되고 있다. 최근에는 유연 전자 소자나 헬스 케어 분야에 응용되는 기능성 히터들이 주목 받고 있어, 투명성 및 기계적 유연성이 확보된 히터들에 대한 요구가 증가하고 있다. 차세대 기능성 히터 응용을 위하여 우수한 성능 및 공정성을 모두 확보할 수 있는 신규 소재 개발이 필요한 시점이다. 차세대 히터를 개발하기 위해 기존 연구들은 금속 나노와이어, 그래핀, 산화 그래핀을 환원시키는 방식 등을 중점적으로 다루어왔다. 그러나 금속 나노와이어는 비싼 재료값, 큰 밀도 및 기계적인 유연성 부족, 제한적인 공정이 단점으로 지적 되었다. 또한, 그래핀은 대면적으로 제작하기 힘든 공정상의 문제가 단점이고, 산화 그래핀을 환원 시키는 방식은 상대적으로 낮은 전기전도도 및 공정에서 발생하는 유해물질이 문제로 지적받았다. KIST 구종민 센터장은 금속과 같은 수준의 높은 전기 전도도(106S/m)를 갖는 2차원 나노재료인 맥신(MXene)을 개발한 바 있다.(※Science 353, Issue 6304, 2016) 이 맥신(Ti3C2) 소재는 높은 전기전도도 뿐만 아니라 표면에 많은 친수성 그룹(-OH)을 포함하고 있어 용액공정을 가능하게 할 수 있다. KIST 구종민 센터장 연구팀은 이러한 맥신을 활용하여 용액공정을 통한 히터를 개발하여 다른 후보물질들이 해결하지 못했던 문제를 해결하였다. KIST-연세대 공동연구진은 이번 연구를 통해 다양한 기판에 수십 나노 수준의 얇은 2차원 박막을 구현하였으며, 맥신의 우수한 전기적 성질을 활용하여 빠른 응답속도 및 우수한 성능을 보이는 히터를 개발했다. 또한, 고분자 기판위에 박막을 형성하여 유연하면서도 큰 면적을 갖는 히터 소자에 적용할 수 있음을 보였다. 나아가, 실용적인 히터 제작을 위해 다양한 섬유 위에 맥신 히터를 제작하여 바느질 및 직조 가능한 새로운 방식의 입는 히터 방식(웨어러블)을 제시하였다. KIST 구종민 센터장은 “우수한 광 투과도를 가지는 맥신(Ti3C2) 히터를 세계 최초로 제시하고, 실생활에 사용 가능한 고분자 섬유위에 코팅하여 차세대 웨어러블 히터를 개발하였다.”며 “향후 맥신 박막을 기반으로 한 향상된 히터를 구현할 수 있을 것으로 기대되며, 장기적으로는 용액공정을 활용한 차세대 2D 전기 소자에 적용이 가능할 수 있을 것으로 사료된다”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업과 한국연구재단 도약과제, 중견 연구자 사업, 미래 소재 디스커버리 사업으로 수행되었다. 본 연구 결과는 과학전문지인 ‘ACS Nano’ (IF:13.709, JCR 분야 상의 4.035%) 최신호에 게재되었다.· *(논문명) Shape-Adaptable 2D Titanium Carbide (MXene) heater - (제 1저자) KIST 물질구조제어연구센터 유승건 연구원((現)한국전기연구원 선임연구원) - (제 1저자) 연세대학교 나노고분자재료연구실 박태현 연구원 - (교신저자) KIST 물질구조제어연구센터 구종민 센터장 - (교신저자) 연세대학교 나노고분자재료연구실 박철민 교수 <그림설명> (a) 용액공정을 통해 제작한 맥신 박막 개략도. (b) 전압을 인가하였을 때 발열하는 맥신 히터의 IR 카메라 사진. (a) 맥신이 고분자섬유 표면에 코팅된 고분자 섬유 히터 개략도. (b) 바느질 및 직조가 가능한 차세대 웨어러블 히터 사진 및 IR 카메라 사진.

- 다양한 형태/구조의 기판에 고성능 플렉서블 센서 구현, 차세대 웨어러블 기기에 활용 - 하이드로젤을 이용한 나노메쉬 전극 전사 프린팅 기술 개발 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 스핀융합연구단 이현정 박사팀은 하이드로젤*과 나노 잉크 소재를 이용하여, 다양한 형태와 구조의 유연기판에 고성능 센서를 손쉽게 만들 수 있는 전사 프린팅(Transfer-Printing)** 기술을 개발했다고 밝혔다. *하이드로젤(Hydrogel) : 용매가 물이거나 물이 기본 성분으로 들어 있는 젤리 모양의 물질 **전사 프린팅(Transfer-Printing) 공정 : 전사기판에 만든 전극을 최종기판에 옮김으로써 소자를 제조하는 공정. 최근 스마트워치, 피트니스 밴드 등 웨어러블 기기들에 대한 관심이 빠르게 증가하고 있다. 특히, 착용하는 형태의 웨어러블 기기에서 피부에 붙이는 형태의 웨어러블 기기로 기술의 영역이 확장됨에 따라 고성능 센서를 다양한 형태와 종류의 기판에 구현할 수 있는 기술에 대한 요구가 늘어나고 있다. 전사 프린팅 공정은 피부에 붙였다 떼면 그림이 옮겨지는 판박이 스티커처럼 프린트할 제품을 미리 만들어놓고 옮길 수 있는 공정으로, 열적 혹은 화학적으로 취약한 기판 위에 소자를 만드는데 생길 수 있는 공정상의 여러 어려움을 피할 수 있다는 장점이 있어 플렉서블 소자의 제조에 널리 활용되고 있다. 하지만 지금까지 개발된 전사 프린팅공정은 주로 최종기판이 평평할 때에만 적용이 가능한 단점이 있었다. KIST 이현정 박사팀은 이러한 한계를 극복하고, 다양한 표면 거칠기 및 특성을 지닌 유연 기판 상에 고성능 유연 센서를 형성할 수 있는 쉽고 간단한 전사 프린팅 공정기술을 개발하였다. KIST 연구진은 하이드로젤 소재가 다공성***이면서 친수성인 점에 착안하여, 수용액 기반 나노소재 잉크****를 기판 형태로 굳힌 하이드로젤 표면에 인쇄하면 인쇄된 잉크 중 계면활성제와 물은 하이드로젤의 구멍을 통해 빠르게 빠져나가고 구멍보다 크면서 소수성 특성을 지닌 나노 소재만 하이드로젤 표면에 남겨 원하는 패턴의 전극을 형성하였다. ***다공성 구조 : 고체의 표면이나 내부에 작은 구멍이 많이 있는 구조 ****수용액 기반 나노소재 잉크 : 계면활성제를 이용하여 소수성 나노소재를 물에 분산시킨 잉크 이때 프린팅 되는 나노 잉크의 양이 적어 전극 형성속도가 매우 빨라 나노전극의 구조가 균일하며 순도가 높아 전기적 특성이 뛰어났다. 또한, 나노 소재의 소수성 특성으로 인해 하이드로젤과의 상호 작용력이 매우 낮아 전극이 다양한 기판에 손쉽게 전사되었다. 특히, 몰딩이 가능한 고분자 용액을 하이드로젤 상에서 굳히는 방법을 통해서 나노전극을 전사하는 기술을 개발하여 거친 표면을 지닌 유연 기판 상에도 손쉽게 유연 전극을 형성하였다. 나노 전극을 실험용 장갑 상에 바로 전사하여 손가락의 움직임을 감지할 수 있는 변형 센서를 제작하였으며, 맥박을 측정할 수 있는 고성능 유연 압력 센서도 구현하였다. KIST 이현정 박사는 “이번 성과는 고성능 유연 센서를 다양한 특성과 구조를 지닌 기판에 손쉽게 구현하는 새로운 방법을 제시한 것으로, 추후 디지털 헬스케어, 지능형 인간-기계 인터페이스, 의공학, 차세대 전자소자 분야 등 유연 기판 혹은 비전통적 기판 소재 상에 집적화된 고성능 소자 구현을 필요로 하는 다양한 분야에 활용 가능할 것으로 기대된다”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST Young Fellow 사업과 바이오의료기술개발사업, 나노원천기술개발사업 등을 통해 수행되었으며, 연구결과는 나노분야 국제 저널인 ‘Nano Letters’(IF: 12.080, JCR 분야 상위 5.822%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Hydrogel-Templated Transfer-Printing of Conductive Nanonetworks for Wearable Sensors on Topographic Flexible Substrates - (제1저자) 한국과학기술연구원 강태형 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 이현정 책임연구원 <그림설명> 그림1) 하이드로젤을 이용한 전사 프린팅 공정의 모식도 그림2 ) 전사 프린팅 공정으로 제조된 스트레인 센서로 엄지, 검지, 중지의 모션을 모니터링한 결과 및 측정에 사용한 손가락 모션의 사진 전사 프린팅 공정으로 제조된 유연압력센서로 측정한 맥박의 신호. 그래픽=KIST. (우측상단) 측정에 사용한 센서의 실제 사진

- 쉽고 간단한 공정으로 고내구성/고출력의 스펀지 나노발전기 개발 - 정전기로 블루투스 센서를 충전 및 구동, 향후 사물인터넷 응용 기대 정전기는 생활 속 불편함을 주기도 하고, 반도체 제조 공정에서는 반도체 칩의 불량을 발생시키기도 하는 골칫덩이이다. 이러한 정전기를 비롯한 진동, 빛 등 우리 주변에서 버려지는 에너지들을 수확하여 전기 에너지를 만들 수 있다면? 최근 신재생에너지로 에너지 전환기에 이르면서 버려지는 에너지를 수집해 전기로 바꿔주는 에너지 하베스팅*(Energy harvesting)기술이 전 세계적으로 크게 주목받고 있다. *에너지 하베스팅(Energy harvesting) : 우리 주변에서 버려지는 진동, 열, 빛, 전파 등의 에너지를 수확하여 우리가 쓸 수 있는 전기 에너지로 변환하는 기술 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전자재료연구단 송현철 박사, 강종윤 단장 연구팀은 에너지 하베스팅 기술의 일종으로 생활 속 불편한 존재였던 정전기를 이용하여 실제 전자기기에 사용할 수 있는 전기를 생산하는 스펀지 형태의 고내구성·고출력 나노발전기를 개발했다고 밝혔다. KIST 연구진은 증기캡슐공정**(Vapor Capsulation Casting)을 이용하여 물과 실리콘(PDMS, Polydimethylsiloxane)만으로 미세 기공을 가지는 실리콘 스펀지를 짧은 시간 내에 간단히 제작할 수 있는 방법을 개발하였다. 형성된 미세 기공이 전체 표면적과 정전용량을 향상시켜 정전기 발생량을 크게 증가시켰으며, 이를 이용해 고내구성·고출력을 지니는 정전기 나노발전기를 개발하였다. **증기캡슐공정(Vapor Capsulation Casting) : 증기의 열운동 에너지를 이용하여, PDMS와 같은 매질에 수증기를 침투시켜 다공성 구조체를 제작하는 공정기술. 기존의 나노발전기는 복잡하고 어려운 공정이 필요했다. 하지만 이번 KIST 연구진이 개발한 공정을 이용하면 제작 시간과 비용을 크게 단축할 수 있어 나노발전기의 실용화를 앞당길 것으로 전망하고 있다. 또한 연구진은 증기캡슐공정의 변수들을 면밀히 조사하여, 다공성 구조***의 제어 방법을 확립하였는데, 이러한 다공성 실리콘 소재는 여러 연구 분야에 다양하게 활용 및 적용될 것으로 기대된다. ***다공성 구조 : 체적의 15~95% 정도가 기공으로 이루어진 구조로 기존의 치밀한 구조가 가지지 못하는 새로운 특성을 가지고 있는 구조. KIST 연구진은 개발한 정전기 나노발전기를 이용하여 실제 실내온도나 위치 등을 파악하는 블루투스 무선 센서 등을 구동하는데 성공했다. 향후 4차 산업혁명의 핵심기술 중 하나인 사물인터넷을 비롯하여, 무선 센서 네트워크나 웨어러블 전자기기의 자율전원으로써 핵심적 역할을 수행할 수 있을 것으로 보인다. 본 연구를 주도한 KIST 송현철 선임연구원은 “이번 연구결과로 쉽고 간단한 공정을 이용하여 다공성 구조를 제작하였다는데 큰 의의가 있으며, 기존의 에너지 하베스팅 발전장치보다 가격·성능·내구성 면에서 높은 경쟁력을 가진 혁신적인 제품이 될 것으로 기대한다.”고 언급했으며, KIST 강종윤 책임연구원(전자재료연구단장)은 “현재 여러 가지 에너지 하베스팅 기술들을 개발 중에 있다. 이번 연구결과로 인해 다양한 환경에서 센서 네트워크의 자가발전을 위한 핵심적 역할을 수행할 수 있기를 기대한다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업과 국가과학기술연구회(이사장 원광연) 창의형 융합연구사업으로 수행되었다. 경희대학교 최덕현 교수와 공동연구로 진행된 본 연구 결과는 에너지 분야 국제 학술지인 ‘Nano Energy’(IF : 13.12, JCR 4.452%)의 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Double layered dielectric elastomer by vapor encapsulation casting for highly deformable and strongly adhesive triboelectric materials - (제1저자) 한국과학기술연구원 Hai Bo Xu 연구원(박사후 연구과정) - (교신저자) 한국과학기술연구원 송현철 선임연구원 한국과학기술연구원 강종윤 단장(책임연구원) <그림설명> 그림 1) 증기캡슐공정 원리, 이를 이용해 제작된 실리콘 스폰지의 현미경 사진

- 높은 신축성과 전도성, 자가 치유 특성 지닌 고분자 복합 신소재 개발 - 외형 변형 후, 전기전도도가 60배 이상 향상되는 셀프-부스팅 현상 규명 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 바이오닉스연구단 손동희 선임연구원, 생체재료연구단 서현선 연구원 팀은 공동 융합연구를 통해 우수한 신축성을 가지며, 큰 변형이 있어도 높은 전도성을 유지할 뿐만 아니라 자가 치유(Self-healing) 특성까지 지니고 있는 신소재를 개발했다고 밝혔다. 최근 차세대 웨어러블 디바이스 개발에 관심이 모아지고 있다. KIST 손동희 박사는 사전에 실제 피부와 기계적 강도가 유사하여 부착 시 이질감을 느끼지 않아 장기간 착용이 가능하고, 신축성이 매우 뛰어나며 물이나 땀에서도 외부 자극 도움 없이 자가 치유 성능을 보이는 고분자 소재를 개발한 바 있다. (※ Advanced Materials 30, 1706846, 2018) KIST 손동희·서현선 연구팀은 이번 연구를 통해 기존의 특성을 유지하면서, 전자 소자와 인체 사이에 안정적으로 전력 및 데이터를 전송할 수 있는 높은 전도성과 신축성을 지니고 있어 ‘인터커넥트’*로 활용될 수 있는 신소재를 개발하였다. *인터커넥트(Interconnect) : 인체로부터 측정한 생체 전기신호를 전자 소자로 안정적으로 전달하기 위해 인체와 전자 소자 사이를 연결하는 장치 KIST 연구팀은 신축성이 높은 자가 치유 특성을 지닌 고분자의 내부에 은 마이크로·나노 입자들을 분산·분포시켜, 우수한 신축성을 가지면서도 변형에도 문제없는 전도성 고분자 복합 신소재를 제작하였다. KIST 연구진은 개발한 소재를 인터커넥트로 활용하여 실제 인체에 부착해 생체 신호를 실시간 측정하고, 이 신호를 안정적으로 로봇 팔에 전송하여 실제 인간 팔의 움직임을 실시간으로 그대로 모방하는 데에 성공하였다. 또한, 기존의 소재들은 변형이 일어날 경우 전기전도도가 약해져 그 성능이 떨어지는데 반해, KIST 연구진이 개발한 신소재는 초기 상태의 35배(3500%)까지 변형이 가능하며, 오히려 변형될수록 전기전도도가 60배 이상 좋아져 종래에 보고된 적 없는 세계 최고 수준의 전기전도도를 보인다. 뿐만 아니라, 손상되거나 완전히 절단되더라도 스스로 회복 및 접합되는 자가 치유 장점을 가져 학계의 주목을 받고 있다. KIST 연구진은 기존의 전도성 소재에서 보고된 바 없는 현상에 대해 규명했다. 연구진이 개발한 신소재는 외력에 의해 변형이 일어나면 내부 마이크로·나노 입자들의 재배열에 의해 전기적 특성이 자발적으로 향상되는 ‘셀프-부스팅(self-boosting)’현상이 나타나는 것을 발견하고, 주사전자현미경(in-situ SEM) 및 마이크로 CT(microcomputed tomography, μ-CT) 분석을 통해 원인을 규명하였다. KIST 서현선 연구원은 “개발한 소재는 극심한 외력 및 변형에서도 안정적으로 구동할 수 있어 차세대 웨어러블 전자기기 개발 및 상용화에 기여할 수 있을 것” 이라고 말했으며, KIST 손동희 박사는 “이번 연구 성과는 4차 산업혁명시대를 이끌 의공학, 전자공학, 로봇공학 분야에서 필요로 하는 소재 원천기술로, 다양한 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대한다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원을 바탕으로 KIST 기관고유사업으로 수행되었으며, 美 스탠포드 대학과 공동연구로 진행된 이번 연구결과는 국제학술지 ‘ACS Nano’(IF : 13.709, JCR 4.035%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) An ultrastretchable and self-healable nanocomposite conductor enabled by autonomously percolative electrical pathways - (제1저자) 한국과학기술연구원 서현선 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 손동희 선임연구원 <그림설명> <그림 1> 고 신축성, 고 전도성, 자가 치유 고분자 복합체의 구조식, 미세구조 및 사진 <그림 2> 3500%까지 변형한 고분자 복합체의 사진(a) 및 전기전도도(b) <그림 3> 외력에 의한 변형이 유지되었을 때 은 나노입자의 자발적 동적 재배열 (셀프-부스팅 현상 규명) <그림 4> 완전한 절단 후에도 자가 치유되어 신축성 및 전도성 회복이 가능한 고분자 복합체 <그림 5> 인간-로봇 인터커넥트로 작용하여 인간의 팔 움직임을 로봇 팔에게 전달할 수 있는 고분자 복합체