예쁜꼬마선충이 항암제 독성 여부를 알려준다 - 포유동물의 희생을 줄이면서 신규 항암제의 독성 평가 가능 - 향후 바이오제품 및 환경유해물질의 독성평가에 활용될 것으로 기대 2002년 노벨 생리의학상을 수상한 시드니 브레너는 ‘예쁜꼬마선충’을 생물학 실험실에 도입하여 현대 유전학, 발생학, 특히 신경생물학에서 생명현상에 대한 엄청난 지적 성과를 끌어냈다. 예쁜꼬마선충(Caenorhabditis elegans)은 흙에 서식하는 1 밀리미터 정도 크기의 투명한 벌레로 900여개의 체세포와 300여개의 신경세포, 2만 여개의 유전자로 구성되어 있다. 꼬마선충의 유전자 중 40%가 인간에게 보존되어 있는 것으로 밝혀져 세포 사멸, 노화 등의 생물학적 기작이 인간에게도 적용될 수 있다고 알려졌다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 강릉분원 천연물연구소(분원장 오상록) 시스템천연물연구센터 강경수 박사팀(제1저자 KIST 이소영 석사과정)은 이러한 예쁜꼬마선충을 이용하여 항암제의 독성을 평가하는 기술개발에 성공하였다. 식의약품, 화장품 등을 개발하는 바이오산업에서는 제품의 안전성을 담보하기 위하여 독성평가 과정을 거치게 된다. 이러한 평가과정에서는 쥐, 토끼, 개와 같은 포유동물들의 희생이 따르기 때문에, 동물실험윤리 이슈와 경제성 측면의 문제가 발생하게 된다. 뿐만 아니라 미세먼지, 환경호르몬, 중금속, 잔류농약, 합성화학제품, 녹조독소 등 환경유해물질의 위험성이 대두됨에 따라, 이러한 환경유해물질의 위험성을 가늠하기 위한 독성평가가 증가하게 되고, 동물실험이 보다 많이 수행될 수밖에 없는 실정이었다. 연구진은 이러한 배경에서 포유동물을 대신하여 항암제의 독성을 평가하기 위한 실험동물로 예쁜꼬마선충을 선택하였다. 즉, 실험용 쥐 대신 예쁜꼬마선충에게 항암제를 먹인 후, 행동이나 성장에는 문제가 없는지 혹은 이 벌레가 낳는 알의 개수에는 변화가 없는지를 관찰함으로써 항암제의 독성이 동물의 건강에 미치는 영향을 평가하였다. 하나의 새로운 항암제 개발을 위한 효능과 독성 평가 과정과 비교해보면, 기존의 독성 평가 수행 시 한 달 이상의 연구기간동안 실험용 쥐 100여 마리 정도를 희생시켜야하는 반면, 예쁜꼬마선충을 이용한 독성평가의 경우 포유동물을 이용한 실험 없이 일주일이면 평가 결과를 얻을 수 있었다. 기존방법인 쥐를 이용한 독성평가는 쥐의 체중변화, 조직병리분석 및 혈액검사를 바탕으로 이루어지는 반면, 벌레를 이용한 실험은 벌레의 크기변화, 알의 개수, 알의 부화속도, 생식세포 형태관찰 등을 통해 항암제의 독성을 가늠할 수 있었다. KIST 강경수 박사는 “예쁜꼬마선충은 비록 벌레이긴 하지만, 사람과 유사한 소화기관, 신경기관, 유전자를 가지고 있어서, 향후에는 항암제의 독성평가뿐만 아니라 여러 가지 식의약품의 효능발굴이나 약물의 작동원리를 밝히는 데에도 요긴하게 쓰일 수 있다.”고 설명하였다. 연구진은 현재 ‘예쁜꼬마선충 평가법’을 이용하여 항암제 후보물질과 여러 가지 환경유해물질 등 보다 다양한 케미컬을 대상으로 독성평가 시험을 진행하고 있다. 뿐만 아니라 향후 연구진은 천연물로부터 장건강을 좋게 하는 건강기능식품 개발과 같은 새로운 식의약품, 화장품 개발과정에서도 효능과 부작용을 검증하기 위해 이 벌레를 활용할 계획이다. 이를 통해, 포유동물의 희생을 최소화함으로써 동물연구윤리를 지켜나가고, 꼭 필요한 부분에 포유동물 실험을 집중함으로써 연구의 효율성을 보다 높일 수 있을 것으로 기대하고 있다. 본 연구는 미래창조과학부 지원으로 KIST 기관고유사업과 농림축산식품부의 고부가가치식품기술개발사업을 통해 수행되었으며, 국제학술지인 ‘환경독성학회지(Environmental Toxicology)’에 6월호 표지논문으로 게재되었다. <그림설명> <그림 1> 항암제가 예쁜꼬마선충의 성장과 생식에 미치는 영향 항암제를 먹이지 않은 벌레(왼쪽, 대조군)에 비하여, 항암제를 먹인 벌레 (오른쪽) 성장이 느려지고, 알을 훨씬 적게 낳는 것을 확인할 수 있다.

전립선암을 소변검사만으로 간단히 진단한다 - 소변 내 융합유전자를 통증 없이 고감도로 검출하는 비침습 기술 개발 - 소변을 활용한 암 진단용 유전자 검지 및 맞춤형 진단 연구에 기여 최근 국내 연구진이 소량의 소변만으로 전립선암을 진단할 수 있는 새로운 방법을 개발했다고 밝혔다. 혈액 검사와 같은 기존 진단법은 침습적 검사법으로 통증과 부정확함이 단점으로 지적되었던 반면, 이 기술은 소변검사와 같은 비침습적인 방법으로 빠르고 정확하게 전립선 암을 진단할 수 있어 향후 다양한 비침습적 진단법 개발에 도움이 될 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 의공학연구소 생체재료연구단 이관희 박사팀은 서울아산병원 비뇨기과 김청수 교수팀, 미국 존스홉킨스 대학 Peter Searson 교수팀과의 공동연구를 통해, 전립선암 환자의 소변에 극미량으로 존재하는 다중의 융합유전자를 자성입자와 금 나노입자를 이용해 검출하는 데 성공했다. 연구진은 본 연구를 통해 침습적 기술을 주로 사용하는 기존 진단법의 한계를 극복함과 동시에 보다 정확한 전립선암 진단이 가능할 것으로 내다봤다. 최근 학계의 발표에 따르면, 한국인의 악성 전립선암 발병 비율이 다른 나라에 비해 높은 것으로 나타났다. 그 원인으로 조기발견의 어려움과 기존 검사법의 부정확함이 지목되고 있는데, 암은 악성일수록 전이가 빠르게 일어나고 치료가 어려워져 이를 극복하기 위한 연구의 중요성이 강조되고 있다. 기존 방식은 혈액 검사를 통해 전립선 특이항원(PSA, Prostate Specific Antigen) 농도를 확인하고 일정 농도 이상인 경우 정밀 조직 검사를 통해 암 발생 여부를 확진하는 방식이다. 하지만 혈액 내 PSA 농도가 호르몬 변화에 따라 영향을 받을 수 있으며 암과 관련한 직접적인 정보를 전달하지 못하는 문제가 있었고, 또한 혈액 검사법의 경우 병원을 방문해야만 하는 번거로움이 있어 검진률이 매우 낮아지는 문제가 있었다. 본 연구팀은 이러한 문제점들을 해결하기 위해 시료 채취가 간편하고 보다 정확하게 전립선암 진단이 가능한 새로운 검지물질 진단법을 개발하였다. 연구진은 전립선암에서 특이적으로 발현된다고 알려져있는 융합유전자의 경우 암의 진행 단계에 따라 그 종류가 달라진다는 점에 착안해 동시 다중검지를 위해 길이가 서로 다른 바코드 DNA를 사용하였다. 바코드 DNA는 상점에서 상품의 정보를 저장하고 있는 바코드처럼 타깃 융합유전자의 정보를 알려주는 DNA이다. 이러한 바코드 DNA를 금 나노입자에 부착 시켜 신호를 증폭 시키고 마지막 검지 단계에서 물질이 전기장에서 이동하는 전기영동법(Electrophoresis)을 통해 바코드 DNA를 길이에 따라 분리시키게 되면 소변 내 존재하는 융합 유전자를 고감도로 동시에 3종 이상 검사할 수 있는 기술을 개발했다. KIST 이관희 박사는 “본 연구로 개발된 바이오 바코드 방법은 10cc 정도의 소량의 소변만으로 극미량으로 존재하는 융합 유전자를 검지할 수 있다. 소변을 통한 검지법인 만큼 환자에게 통증 유발이 없어 검사법에 대한 거부감을 줄일 수 있다. 또한 이 검진 방법에 적용된 기술은 다양한 질병 특이 유전자를 검지하는 진단 분야 및 질병 예후 예측을 위한 연구에 적용될 수 있다” 고 말했다. 본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 바이오의료기술개발사업의 “전립선암의 비침습 자가진단을 위한 소변 모니터링 센서 개발” 과제(세부과제책임자, KIST 이관희)로 수행되었으며, 연구결과는 생체재료 분야의 국제학술지 ‘Biomaterials’(IF:8.387) 최신호에 게재되었다. <그림설명> <그림 1> 금 나노입자를 이용한 융합유전자 검지 모식도 <그림 2> 환자 소변 내 존재하는 융합유전자 검지 결과 및 다양성

스핀 트랜지스터, 이제 상온에서 작동한다 - 저온에서만 작동하는 스핀 트랜지스터의 한계를 극복한 핵심기술 개발 - 반도체 나노선 이용하여 상온에서 높은 스핀 주입률 달성 최근 국내 연구진이 차세대 반도체 소재로 주목 받고 있는 ‘반도체 나노선’*을 이용하여 상온에서 고효율로 스핀을 주입하고 검출 성능을 획기적으로 높일 수 있는 기술을 개발했다. 연구진은 기존에 저온에서만 작동하던 한계를 극복한 상온에서 구동하는 스핀 트랜지스터 개발 가능성을 한층 높였다고 밝혔다. *나노선 : 수십 나노미터 수준의 매우 얇은 폭을 가진 선형 구조체. 전기전자와 화학, 바이오 공학 등 첨단과학 분야에 다양하게 활용됨. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 차세대반도체연구소 장준연 소장, 스핀융합연구단 박태언 박사 연구팀은 질화갈륨(GaN) 반도체 나노선을 이용해 상온에서 10%이상의 높은 스핀 주입률과 주입된 스핀전자가 1 마이크로미터(㎛, 100만분의 1m)이상을 이동해도 스핀정보의 큰 손실 없이 반도체 채널을 이동할 수 있다는 것을 실험적으로 증명하였다. 또한 연구진은 반도체 나노선에 의해 형성된 서로 다른 결정면의 방향을 이용하여 스핀 주입신호를 제어할 수 있는 획기적 방법을 개발하였다. 연구진은 이 요소기술들을 결합하면 ？200 ℃ 이하의 저온에 머물러 있던 스핀 트랜지스터의 동작온도를 상온까지 끌어 올릴 수 있어 실용화 가능성이 한층 높아질 것으로 전망했다. 이러한 연구 결과는 그동안 학계에서 주목해온 스핀 트랜지스터의 상용화를 앞당길 매우 중요한 결과로 평가받고 있다. 기존 실리콘(Si) 반도체가 전자의 전하(-)만을 이용할 수 있었던 데 비해, 스핀 트랜지스터는 전하와 동시에 스핀을 새롭게 이용해 전자소자를 구동하는 신개념 저전력 고성능 기술로, 기존 트랜지스터에 비해 처리속도는 높은 반면 발열량이 낮다. 이 스핀 트랜지스터가 상용화될 경우 기존 반도체의 한계를 극복한 비휘발성의 초고속, 초저전력의 전자소자 개발이 가능해지므로 선진국을 중심으로 많은 연구가 진행되고 있다. 2009년 KIST 연구진에 의해 세계 최초로 스핀 트랜지스터 기술을 선보인 이래, 스핀 트랜지스터의 동작온도를 올리기 위한 많은 연구가 수행되었으나 여전히 저온에서만 작동하는 단점으로 상용화에 큰 걸림돌이 되고 있었다. 상온에서 동작하는 스핀트랜지스터를 개발하기 위해서는 10%이상의 높은 스핀 주입률과 주입된 스핀이 500 나노미터(nm) 이상의 스핀완화거리를 가져야하는데, 이번 연구진의 연구결과는 상온에서 구동이 가능한 스핀 트랜지스터의 한계를 극복하게 되었다는 의미가 있다. KIST 장준연 박사는 “반도체 스핀 트랜지스터를 개발하는데 가장 중요한 요소인 동작온도를 획기적으로 개선할 수 있는 새로운 방법을 제시한 것”이라고 전하며, “본 연구결과를 통해 입증하였듯이 저차원 나노소재를 활용한 새로운 기술은 스핀 트랜지스터의 동작온도 뿐만 아니라 소자성능 및 집적도를 극적으로 높일 것으로 예상되며, 향후 스핀트로닉스 기술 발전에 큰 기여를 할 수 있을 것”이라 밝혔다. 본 연구는 미래창조과학부 나노소재개발사업, KIST 기관고유사업, 국가과학기술연구회 창의융합연구사업으로 수행되었으며, 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션 (Nature Communications)’ 6월 2일자(금)에 온라인 게재되었다. <그림설명> <그림 1> 질화갈륨 반도체 나노선에 제작된 스핀주입소자 (a): 본 연구에 사용한 질화갈륨 나노선 기반 스핀 밸브소자와 측정방법을 나타낸 개략도 (b): 질화갈륨 나노선과 강자성체 전극간의 계면을 나타내는 개략적 단면도

나노 주름에 물 한 방울, DNA 나노선 만든다 - KIST-프린스턴大 공동연구팀, 나노 주름이 나노터널로 전이되는 현상 규명 - 나노크기의 물질 전달 및 배열이 필요한 생체 센서, DNA나 단백질 정밀분석에 활용 고분자 실리콘 화합물(PDMS) 소재를 압축하게 되면 주름이 생기게 된다. 이 표면에서 우리 손바닥의 손금과 같은 ‘구조의 접힘(folding)’ 상태를 만들기 위해서는 소재의 30%이상의 압축 변형이 필요하다. 최근 국내 연구진이 매우 낮은 수치인 1%정도의 작은 변형에서 물방울로 인한 표면장력으로 나노주름에 더 큰 변형을 유도하여 접힘 구조를 만들 수 있게 되는 현상을 규명하고, 이로 인해 DNA 나노선(nano-wire)을 만드는 기술을 개발했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계산과학연구센터 문명운 박사 연구팀은 프린스턴大 하워드 스톤(Howard A. Stone) 교수팀과 공동 연구를 통해 ‘액체 표면장력에 의한 나노 주름 형상이 나노터널로 전이되는 현상’을 규명하고 이를 적용하여 ‘DNA 나노선을 만드는 매우 손쉬운 방법’을 제안하였다고 밝혔다. 수 십 나노미터 높이의 나노 주름 위에 물방울과 같은 액체를 올려두게 되면 물방울 주변의 표면장력이 주름의 표면에 작용하여 나노 주름의 입구를 잡아당기며 물이 닿은 주름 안쪽의 단면을 원형 터널에 가깝게 만든다. 특히 친수성을 가지는 나노주름 표면에서 물이 보다 강력한 압축응력을 만들어내게 되어 나노 주름의 깊이가 더욱 깊어지게 되고 그 결과 접힘 구조(folding)의 나노터널이 형성되는 현상이 생긴다. 연구진은 이를 통해 액체의 표면 장력에 의해 고체 표면의 2차원 변형이 가능함을 처음으로 밝혔다. 물 등의 액체 내에 나노입자, 나노와이어와 같은 나노물질이나 DNA 등의 생체 분자물질을 같이 넣고, 나노주름 표면에 떨어뜨리게 되면 물방울과 DNA 등의 물질이 함께 나노터널을 타고 들어가게 된다. 이후 물을 건조, 제거한 뒤에도 함유된 물질은 나노터널이 있었던 곳에 그대로 남아 특정 간격을 유지하면서 DNA로 만들어진 나노와이어가 형성된다. 이와 같이 연구진은 나노터널을 통해 물에 나노 크기의 약물이나 기능성 나노 입자를 혼합하여 나노와이어 형태로 손쉽게 배열하게 할 수 있다는 것을 밝혔다. KIST 문명운 박사는 “나노 터널의 길이를 수십 마이크로 미터에서 수 밀리미터까지 변화시킴으로써 용액 내에 있는 DNA나 단백질 같은 작은 바이오 물질을 포집 혹은 저장하거나 전달할 수 있는 분야에 응용할 수 있다”라고 말하며, “또한, 나노 형광입자를 배열하는데 중요한 수단으로 활용될 수 있는 등 기존에 접근하기 어려웠던 나노크기의 물질 전달 및 배열이 필요한 다양한 분야에 응용될 것”이라고 말했다. 연구진이 개발한 이 기술은 향후 약물전달 장치나 생체 센서, DNA나 단백질 정밀 분석 등에 활용이 높을 전망이다. 본 연구는 한국과학기술연구원 미래원천연구 사업으로 수행되었으며, 연구결과는 미국 국립과학원 회보 'PNAS (Proceedings of National Academy of Sciences, U.S.A.)'온라인 판에 5월 31일(수)자로 실렸다. <그림설명> <그림 1> 액체 내의 DNA가 나노터널을 따라서 배열하는 이미지 <그림 2> 물의 표면장력에 의해서 나노 주름(wrinkle, 중간 아래 이미지)이 나노 접힘(fold, 중간 위 이미지)으로 만들어진 나노 터널 (오른쪽 이미지)로 전이되는 현상에 대한 이미지

‘녹조 불안감’을 해소할 수 있는 안전한 수돗물 생산 정수 공정 개발 - 대체 산화제인 ‘과망간산염(MnO4-)’을 이용한 녹조 유래 독소물질 처리기술 개발 - 정부(미래창조과학부-환경부)-연구기관-산업체간 공동 협력 성과 최근 사회적 문제로 ‘녹조’가 심심치 않게 언급되고 있다. 정부의 4대강 사업에 따른 ‘녹조’문제가 다시금 수면위로 떠오른 만큼 녹조에 대한 연구와 대책이 시급한 실정이다. 미래창조과학부(장관 최양희)는 2014년 5월부터 사회문제해결형 기술개발 사업으로 ‘녹조로부터 안전한 식수 공급체계 구축 사업단’(단장 이상협)을 운영해왔다. 해당 연구 사업에서는 녹조 대량 발생 시기에 수돗물의 안전도를 유지하면서 효과적으로 대응할 수 있는 최적 정수 공정(Best Available Drinking Water Treatment Process)에 대한 전처리 기술 개발을 포함하여 염소, 오존 등의 대체 산화제, 대체 응집제 및 대체 활성탄 개발팀으로 구성되어 있다. 또한 신규 정수 공정이 효과적으로 정수장에 확대 보급될 수 있는 법·제도 제안 및 시민들과의 소통 체계를 구축하여 녹조로부터 비롯되는 국민 불안감을 최소화 할 수 있는 행정 및 사회 제도 개발도 포함하는 통합 연구가 진행되어 왔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 물자원순환연구단 이상협(사업단장), 홍석원(연구책임자) 박사팀은 기존 산화제인 염소, 오존의 부작용을 최소화하면서 안전한 수돗물을 생산할 수 있는 정수 공정에 대한 연구개발을 수행하였으며, 연구 성과물인 과망간산염(MnO4-)을 대체 산화제로 도출하고 기반 기술을 확보했다. 과망간산염을 정수처리 공정에 적용할 경우, 염소에 비해 남조류 독소물질(마이크로시스틴)의 50배 이상의 빠른 산화속도를 나타내며 소독부산물의 생성을 100% 방지할 수 있다. 장점으로는 오존 사용에 따른 브롬계 부산물의 생성 억제 및 장치설치 비용 절감 등의 효과가 있다. 또한 과망간산염 산화제는 독성을 유발하는 변형 아미노산의 연결고리를 파괴시키는 역할을 한다. 사업단의 세부연구과제(연구책임자 KIST 홍석원 박사)에서는 과망간산염(MnO4-)과 분말활성탄의 순차적 적용을 통하여 녹조 유래 독소물질 제거, 소독 부산물 최소화, 맛·냄새 물질의 처리 등과 함께 색도(color)문제, 잔류 망간 문제를 해결할 수 있는 공정 조건을 확보하였다. 과망간산염은 세포벽을 파괴시키지 않으면서 표면전하를 변화시켜 독소물질의 체외 방출 차단과 동시에 응집제거 효율을 향상시킬 뿐만 아니라 수중 철/망간 이온 제거 효과도 우수하다는 장점을 가지고 있다. 해당 연구 개발 사업은 미래창조과학부의 사업으로 진행되면서, 환경부와 국립환경과학원의 적극적인 협력으로 대체 산화처리 기술이 현장에서 적용되기 위한 수처리제 약품 사용 인증을 받았다. 또한 여름철 녹조가 대량으로 발생하는 하천을 상수원으로 사용하는 정수장에 효과적으로 대응할 수 있는 정수 공정을 활용할 수 있는 법적 기반을 마련하였다. KIST, 한국수자원공사, ㈜블루텍 등 3개 기관은 상호 협력하여 과망간산염을 이용한 정수장의 산화 공정 적용 법적 기반을 확보하였다. 이는 한국수자원공사의 적극적 현장 자료 제공, 벤처 기업의 신속한 실증 기술 자료 제공 및 KIST의 이론적 규명 및 최적 운전 조건 제공 등의 최적의 협력을 통해 달성되었다. 이러한 광역적 협력 연구를 통하여 과망간산염을 이용한 산화공정의 과학적 원리 규명, 개발 약품의 정확한 기술 자료 제공 및 실 정수장 자료 지원이 가능하여 기술적 부족함을 최소화했다. KIST 이상협 박사는 “해당 연구 성과는 국가연구기관, 수도사업자, 벤처기업의 정확하고 유기적인 협력과 동시에 미래창조과학부와 환경부의 범부처 노력으로 이뤄진 결과물”이라고 말하며, “향후 녹조 문제에 대한 새로운 패러다임을 제시하는 연구를 목표로 하고 있다.” 고 밝혔다. 본 연구는 미래창조과학부 사회문제해결형기술개발사업 및 KIST 기관고유사업의 지원으로 수행되었으며, 국제 학술지 ‘워터 리서치(Water Research, IF : 5.991)’ 2017년 5월호에 게재되었다. <그림설명> 그림 1. 정수장 유입 녹조 및 독소물질의 제거를 위한 과망간산염 산화제의 적용방안

가볍고, 휘어지는 연료전지 나온다 - KIST-서울대 공동연구팀, 초경량에 형상 변형 가능한 연료전지 기술 개발 - 차세대 드론용 에너지원으로 각광, 체공시간 획기적으로 늘릴 핵심 기술 ‘연료전지’는 연료로 수소와 공기를 사용하며, 전기를 발생하고 나오는 부산물로 기존의 내연기관과 다르게 ‘물’ 만을 발생해 친환경 재생에너지로 각광받고 있다. 최근 국내 연구진이 친환경 미래 에너지원으로 주목받는 연료전지에 초경량적 설계와 유연성을 접목한 기술을 개발했다. 현재에도 상용화를 위한 기술개발이 꾸준히 이루어지고 있는 시점에서 또 하나의 기술적 장벽을 뛰어넘은 것으로 평가받고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 연료전지연구센터 유성종 박사팀은 서울대학교 멀티스케일 에너지시스템연구단 최만수 교수(단장), 차석원 교수와의 공동연구를 통해 초경량의 유연한(Flexible) 연료전지 스택*을 개발하고 실제 작동 시연에 성공했다고 밝혔다. *스택(Stack) : 여러 개의 연료전지를 직렬로 배열하여 전압을 높이는 연료전지의 구조. 최근 전자기기 업체들은 점차 기기들에 유연성을 부여하여 형상을 자유롭게 변형 가능하게 하며, 변형에 따른 기기의 성능 감소를 최소화하는 추세이다. 그러나 이러한 유연 전자기기들이 모두 웨어러블 전자기기**나 피부이식형 전자기기와 같은 휴대용 전자기기에 활용되려면 전력공급원 또한 유연성을 지녀야 활용성이 높아진다. 따라서 현재 가장 많이 쓰이는 리튬이온배터리에 유연성을 부여하려는 연구가 있었으나 리튬이온배터리는 열역학적으로 더 이상의 동 부피 대비 에너지 저장량을 늘리기는데 한계가 있어 근본적인 대체 에너지원의 개발이 필요했다. **웨어러블(Wearable) 전자기기: 차세대 미래 전자기기 기술로 착용가능한 의류, 액세서리등을 전자기기로 만든 형태. 의류 내부로 설치될 전자기기 또한 유연해야 하며, 이미 군용 등에 본 기술이 적용되고 있음. 본 연구를 주도한 KIST 유성종 박사는 “현재 체공시간에 많은 한계를 지닌 드론에 본 초경량 유연 연료전지 스택을 적용할 경우, 기존 배터리 무게 기준 체공시간의 세 배 이상 늘어날 것”이라고 말했다. 또한 서울대학교 차석원 교수는 “연료전지는 친환경성 뿐만 아니라 에너지 저장량에서도 여타 에너지 저장기기에 비해 많은 장점을 지닌다”며 “연료전지 분야의 미래를 대한민국이 선도할 수 있는 초석이 될 것”이라 말했다. 서울대학교 최만수 교수는 “다양한 분야의 연구자들이 모여 분야융합을 통해 이뤄낸 값진 결과”라고 밝혔다. 본 연구에는 KIST 박사후연구원 박태현, 강윤식, 서울대학교 장세근 박사과정 학생이 공동 1저자로 참여하였다. 본 연구는 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업과 KIST 기관고유사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었으며, 네이처 자매지인 ‘NPG 아시아 머터리얼즈(NPG Asia Materials, IF : 8.772)’에 5월 26일(금) 온라인 판에 게재되었다. <그림설명> <그림 1> 유연성을 활용한 원통형 연료전지 스택 및 이의 실제 작동 사진

열전소자 장착한 고효율 태양전지 나온다 - 고성능 집광형 태양전지와 열전모듈을 융합한 고효율 융합 전지 개발 - 태양광과 발생하는 열을 동시에 전기로 바꿔 클린 에너지 분야 활용 기대 갈륨아세나이드(GaAs) 기반 집광형 태양전지*는 현재 가장 효율이 높은 태양전지 기술로 알려져 있다. 이 태양전지는 태양광을 전기로 바꿔주는 광변환 효율이 실리콘 태양전지보다 두 배 이상 높으며, 렌즈나 거울 등을 사용하게 되면 광변환 효율은 더욱 높아진다. 그러나, 집광정도가 높아질수록 많은 열이 발생하게 되는데, 이는 태양전지의 효율을 급격하게 저하시키게 된다. 이러한 현상은 집광형 태양전지의 효율 증가를 가로막는 가장 큰 장벽이 되어왔다. *집광형 태양전지(CPV, Concentrator photovotaic) : 3족과 5족 화합물계를 결합한 갈륨아세나이드를 기반으로 기존 위성용을 벗어난 태양광을 모아서 발전하자는 새로운 컨셉을 적용한 태양전지 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전소재연구단 최원준 박사는 갈륨 아세나이드 화합물 반도체를 이용한 고효율 집광형 태양전지기술을 연구해 왔으며, KIST 전자재료연구단 백승협 박사는 비스무스 텔루라이드(Bi2Te3)** 열전반도체를 이용하여 버리게 되는 열을 이용한 발전 소자 연구를 수행해 왔다. 본 연구진은 울산과학기술연구원(UNIST)의 이기석 교수와 백정민 교수 연구팀의 이론적인 지원을 받아, 이 두 가 상이한 분야의 융합연구를 통해 기존의 집광형 태양전지 기술이 갖고 있는 한계를 극복한 고효율 융합전지를 개발했다. **비스무스 텔루라이드(Bi2Te3) : 상온에서 가장 높은 열전 변환 계수(효율)를 가지고 있는 열전반도체 소재. 이 소재는 현재 냉매를 사용하지 않는 냉각시스템에 열전소자로 널리 활용 KIST 공동연구팀은 비스무스 텔루라이드 열전반도체가 열을 전기로, 전기를 열로 바꾸는 열전현상(thermoelectricity)이 매우 탁월한 것에 주목했다. 이 열전 반도체는 냉매를 이용하지 않는 전자냉각 시스템이나 자동차 등 버리는 열을 이용한 전기생산 시스템에 응용 가능한 기술이다. 현재 실생활에서는 와인 냉장고, 자동차 시트 쿨러, 순간냉각정수기 등에 이 기술이 사용되고 있고, 폐열을 이용한 발전시스템 개발에 대한 연구가 활발하게 진행 중이다. 본 KIST-UNIST 공동연구진은 기존의 집광형 태양전지가 발생하는 열 때문에 효율이 저하되는 문제를 해결하기 위해서, 열을 전기를 바꿀 수 있는 열전 소자를 집광형 태양전지와 융합하는 기술에 관한 아이디어를 구상하고 이를 융합전지로 구현하였다. 집광형 태양전지에서 고집광시 발생하는 열은 태양전지의 효율을 저하시키는 주요한 원인으로 작용하는데, 이때 발생하는 열을 이용해 열전모듈이 전기 에너지를 추가적으로 생산하므로 융합전지의 효율은 단일 태양전지 효율에 비해 크게 향상될 수 있으며, 기존 집광형 태양전지의 집광한계를 극복할 수 있다. KIST 최원준, 백승협 박사는 “융합연구를 통해 기존의 집광형 태양전지의 고집광시 발생하는 태양전지 효율저하 문제를 극복하는 집광형 광전·열전 융합전지의 가능성을 확인했다.”라고 말하며, “앞으로 고효율 클린 에너지 발전 산업에 크게 기여할 것으로 기대된다.”고 밝혔다. 본 연구는 KIST-UNIST-울산시가 공동으로 지원하는 융합신소재연구센터의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 에너지 분야의 권위지인 ‘Nano energy’(IF : 11.53)에 5월 19일(금) 온라인 게재되었다. <그림설명> <그림 1> 광전·열전 융합 전지의 모식도

스커미온 기반의 초고효율 차세대 통신소자 핵심기술 개발 - KIST-DGIST 공동연구팀, 이론으로만 제시된 스커미온의 호흡운동 규명 - 향후 스커미온 기반의 초저전력-초고주파 차세대 통신소자 개발 기대 2009년 발견된 소용돌이 모양으로 배열된 스핀들의 구조체인 ‘스커미온 (Skyrmion)’*은 특유의 위상학적 안정성과 작은 크기, 효율적인 움직임 등으로 인해 초고밀도, 고속력 차세대 메모리 소자의 기본 단위로 학계에서 매우 큰 주목을 받고 있다. 최근 국내 연구진이 독특한 스핀 구조체인 스커미온을 사용하여 차세대 초저전력-초고주파 통신 소자에 적용 가능한 기술을 개발했다고 밝혔다. *스커미온(Skyrmion) : 소용돌이 모양으로 스핀들이 배열되어 형성되는 스핀 구조체 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 스핀융합연구단 우성훈 박사팀은 대구경북과학기술원(DGIST, 총장 손상혁) DGIST-LBNL 신물질연구센터 홍정일 센터장(신물질과학전공 교수)팀과의 공동연구를 통해 스커미온 스핀 구조체를 사용하여 기존에 제시된 바 없는 전혀 새로운 형태의 차세대 광대역 통신 소자에 적용 가능한 물리적 현상을 규명했다고 밝혔다. 최근에는 이러한 스커미온이 보이는 독특한 동역학적 움직임인 ‘스커미온 호흡운동(Skyrmion Breathing)’**현상을 사용할 때, 메모리 소자를 넘어 스커미온 기반의 차세대 고주파 발진기 소자의 구현도 가능하다는 이론적인 예측이 있어 왔다. 하지만 스커미온의 매우 작은 크기와 빠른 운동 속도로 인하여, 스커미온 호흡운동을 실제 관측하는 연구는 현재까지 이뤄지지 못했었다. **스커미온 호흡운동 : 외부의 신호에 반응하여, 스커미온의 크기가 커졌다-작아졌다를 반복하며 새로운 고주파 신호를 발생시키는 독특한 자성 동역학적 움직임. 이번 연구 결과는 기존에 이론으로만 제시되었던 ‘스커미온의 호흡운동’을 세계 최초로 구현한 것으로, KIST-DGIST 공동연구팀은 우수한 시공간 분해능(Resolving Power)***을 가지는 X-선 촬영기법을 이용하여, 외부 신호에 반응하는 스커미온의 미세 호흡운동을 1 나노 초(ns, 10억분의 1초) 단위로 관측하는데 성공하였다. 뿐만 아니라, 본 연구 과정을 통하여 외부 전류를 이용한 스커미온의 효율적인 생성 기법 또한 개발하였다. 이러한 연구 결과는 그동안 학계에서 주목해온 메모리 소자로의 적용을 넘어 미래 전자기기 전 분야에 스커미온이 큰 역할을 할 수 있음을 제시하는 매우 중요한 결과라 할 수 있다. **분해능(分解能) : 현미경 등의 광학기기에서 관찰하는 대상의 세부를 상(像)으로 판별하는 능력. 분리능 또는 해상력이라고 한다. 본 연구를 주도한 KIST 우성훈 박사는 “기존에 이론으로만 제시되었던 스커미온 기반의 고효율 차세대 통신소자가 실제 가능하다는 연구 결과이며, 향후 미래 고성능 전자기기들의 효율적인 통신을 위한 차세대 통신소자 개발을 앞당기는데 기여할 것”이라고 말했다. 또한 DGIST 홍정일 센터장은 “본 연구결과가 제시하는 ‘스커미온’을 활용한 새로운 접근법은 전반적인 소자의 작동 메커니즘을 새롭게 제시할 수 있어 기존의 연구 흐름에 시사하는 바가 크다”고 밝혔다. 또한 본 연구 논문에는 KIST 연수생 송경미 박사과정(숙명여자대학교 물리학과) 학생이 공동 1저자로 참여하였다. 본 연구는 미래창조과학부 지원으로 KIST 기관고유사업, 창의형 융합연구사업 및 미래소재디스커버리사업으로 수행되었으며, 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 5월 24일(수) 온라인 판에 게재되었다. <그림설명> <그림 1> 외부 전류 자극에 의해 시간에 따라 변하는 스커미온 호흡운동에 대한 모식도

‘비타민C 함유량 레몬의 20배’ 감잎에서 눈 건강 효과 입증 - 녹내장 등 망막질환에 효과적인 경구용 시신경 보호소재 발굴 - 향후 개별인정형* 건강기능식품 및 안과질환용 의약품 개발 기대 *개별인정형 : 국내에서 신규로 개발된 소재(원료)또는 수입된 소재 중 개발자나 수입자가 해당원료에 대한 안전성 및 기능성에 대하여 공인된 과학적 검증자료를 첨부한 이후 심의에 의해 식약청이 승인한 원료를 의미. 최근 인구 고령화, 스마트폰 등 전자기기 사용의 증가와 같은 사회적 이슈나 황사와 미세먼지와 같은 환경문제로 인해 안과질환이 급증하고 있다. 국내 3대 안과질환(녹내장, 황반변성, 당뇨망막병증)으로 진료를 받는 인구수가 매년 10% 이상씩 증가하고 있으며, 전 세계 시장도 2016년 203억불 규모에서 2025년 323억불로 매년 연평균 5% 이상 급속히 증가하는 추세이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) KIST 강릉분원 천연물융합연구센터 정상훈 박사팀은 감잎의 시신경 보호 효능 및 이에 대한 분자기전을 최초로 규명하여, 감잎 추출물로부터 시신경 보호 효능을 입증했다고 밝혔다. 기존에 학계에 보고된 바에 의하면, 감잎은 비타민 함유량이 레몬의 20배에 달하며, 항산화, 항염증, 항암 등 다양한 효능이 있는 것으로 알려졌다. 고의학서인 ‘동의보감’과 ‘본초강목’에서는 감잎의 효능이 혈액, 심장과 관련이 높아 순환기 질환 예방, 당뇨, 피부질환 치료에 사용했다고 전해진다. 연구진은 KIST 강릉분원에서 보유하고 있는 수백 종의 천연물라이브러리로부터 시신경세포 사멸을 억제할 수 있는 후보소재를 발굴하였고, 과학적 연구를 통해 감잎 추출물이 시신경세포의 사멸을 억제하고, 세포의 활성산소 생성억제 효과가 뛰어남을 규명하였다. 또한, 동물실험을 통해 시신경의 손상면적을 감소시키는 효과를 입증했다. KIST 정상훈 박사는 “감잎은 항산화 효과가 매우 뛰어나 시신경을 포함한 망막보호효과가 탁월하다. 기존의 치료제는 안구 내에 직접 주사를 하거나 점안을 하는 등 복용에 불편함이 있었으나, 감잎 소재는 독성이 없어 경구용으로 복용이 편리하다”고 말하며, “기존 치료제와 병행할 시, 보다 높은 치료효과를 기대할 수 있다.”고 밝혔다. 연구진은 추가 연구를 통해 감잎 추출물이 안압을 하강시키는 효과 또한 탁월하다는 결과를 도출해 녹내장 환자 또는 고안압증 환자에게 의약품으로 사용될 수 있는 점을 시사했다. 또한, 향후 감잎을 활용한 식품소재가 눈 건강기능식품으로 적용될 것으로 기대한다고 밝혔다. 본 연구는 미래창조과학부 지원으로 KIST 기관고유사업을 통해 수행되었으며, 지난 4월 20일(목) 국제학술지인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’에 온라인 게재되었다. <그림설명> <그림 1> 시신경 압박손상 동물모델에서 감잎 추출물의 시신경 보호효과 - 시신경 압박손상 모델(Optic nerve crush)에서 감잎 추출물을 미리 투여한 경우, 시신경 손상을 효과적으로 보호하는 것이 확인되었다.

수명 다한 탄소섬유로 고기능성 나노소재 만든다 - 탄소섬유를 이용한 기능성 탄소나노소재 제조 및 응용 기술 개발 - 재활용의 차원을 넘어 고부가가치 물질로 전환, 다양한 분야에 응용 기대 탄소 기반 나노 구조체는 단일 소재만으로도 태양전지, 발광다이오드(LED), 바이오 이미징, 광촉매, 센서 등 다양한 분야에 활용 가능하다는 장점이 있어 산업 현장 및 학계에서 각광받고 있는 소재이다. 이와 더불어, 탄소 구조체 내에 이종 원소를 도입함으로써 광학적 특성 및 촉매 특성을 향상 시킬 수 있다는 연구 결과가 잇달아 발표됨으로써 관심도는 점점 더 증가하는 추세이다. 최근 국내 연구진이 수명이 다한 탄소섬유를 이용하여 고기능성 탄소나노소재로 재활용하는 기술을 개발했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전북분원 복합소재기술연구소(분원장 김준경) 양자응용복합소재연구센터 배수강 박사, 탄소융합소재연구센터 이성호 박사 공동 연구팀은 폴리아크릴로나이트릴(PAN, Polyacrylonitrile)이라고 불리는 고분자 물질로 제작된 탄소섬유를 이용하여 고 결정성과 더불어 균일한 크기 분포도를 가지는 질소가 도핑된 그래핀 양자점을 효율적으로 합성할 수 있는 기술을 개발했다. 연구팀은 PAN계열 고분자 섬유를 기반으로 하는 탄소섬유를 산(Acid) 용액에서 적정 온도로 가열하여 합성하는 하향식 접근법*을 이용하여 균일한 크기 분포도를 가지는 수 nm 크기의 탄소 구조체를 합성하였다. 해당 공정은 저분자 유기 전구체를 가열하는 방식의 상향식 접근법으로 합성된 탄소 구조체에 비해 높은 결정성을 가지는 장점이 있고, 추가적인 후처리 공정 없이 결정성 저해 없는 이종 원소인 질소를 함유한 탄소 구조체를 합성할 수 있다. 또한, 경제적인 측면에서 수명이 다한 PAN 탄소섬유 및 복합소재를 사용할 수 있어 원료물질의 비용부담이 전혀 없는 그래핀 양자점 합성방법이다. *용어설명 참고 현재 탄소섬유 복합소재를 생산하고 사용하는 산업체에서 재활용 및 폐 복합소재 처리 방안이 큰 이슈인 상황에서, 본 연구는 리싸이클(recycle) 개념을 넘는 기존 물질보다 부가가치가 높은 물질로 전환하는 업싸이클(upcycle) 기술을 제시한다는 측면에서 그 의의가 크다고 할 수 있다. 후지 경제에 따르면 2030년 PAN계 탄소섬유복합재료 시장은 약 40조 8000억 원으로 2015년 대비 관련시장이 4배 가량 급속 성장할 전망이다. 제조된 그래핀 양자점의 광·전기적 응용 분야의 적용 가능성을 제시하기 위해 전도성 고분자를 이용하였다. 특히, 유기 태양전지 소자의 정공 전달층에 소량 첨가하는 연구를 진행하였고, 최대 14.5%의 광전변환효율 향상이 가능함을 보임으로써 다양한 응용 분야에 적용 가능함을 시사했다. 배수강 박사는 “추가적인 후처리 공정 없이 이종 원소를 효과적으로 도입함으로써 특성 향상 및 경제성을 크게 높인 것이 장점”이라 말하며, “향후, 탄소나노소재를 함유한 복합소재 분야 발전에 다양하게 응용될 것”이라고 밝혔다. 이번 연구로 학계에서는 그래핀 등 탄소 구조체의 특성 향상과 더불어, 폐 탄소섬유 및 복합소재를 이용한 다양한 기능성 소재로의 응용 및 재활용에 대한 발판을 마련한 것으로 평가하고 있다. 연구진은 이번 연구를 바탕으로 하여 고 결정성 탄소나노소재의 물성에 관련된 기초연구와 유/무기 복합 소재 제작, 그 특성에 대한 연구를 진행하고 있다. 본 연구는 미래창조과학부의 지원으로 KIST 기관고유사업, 글로벌프론티어사업 및 산업통상자원부의 산업핵심기술개발사업을 통해 수행되었으며, 에너지 재료 분야의 권위지인 나노에너지(Nano Energy, Impact Factor: 11.553) 4월호에 게재되었다. <그림설명> <그림 1> 배수강 박사, 이성호 박사 공동 연구팀은 PAN 계열 탄소섬유를 이용하여 용액공정을 통해 4 nm 정도의 크기 및 3층 이하의 두께를 가지는 고품질의 그래핀 양자점을 합성 하였다. <그림 2> 해당 탄소 양자점의 광학적 특성을 보여주는 결과이다. 원소재인 PAN 섬유의 열처리 온도에 따라 합성된 그래핀 양자점의 질소 및 산소 원자의 성분비에 차이가 생기며, 이로 인해 상이한 발광 특성을 보이게 된다. <그림3> 그래핀 양자점이 함유된 정공 수송층을 이용하여 제작된 유기태양전지의 특성은 태양전지소자의 광 에너지 전환 효율(power conversion efficiency: PEC)은 최대 14.5% 이상 증가 하였다.