프론티어 지능로봇사업단 10년 최종 성과물 공개 - 지능로봇 핵심기술 연구 성과들 일반인들도 쉽게 공유 - 최종 로봇 '실벗3', '메로S'와 소프트웨어 개발 키트 공개 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 프론티어 지능로봇사업단(단장 KIST 김문상 책임연구원)은 오는 2일부터 지난 10년간 개발된 지능로봇 핵심 원천기술들을 디지털 라이브러리 「로보토리움(www.robotorium.re.kr)」에 공개하고, 이 모든 기술들이 통합된 ‘실벗3’와 ‘메로S’, 그리고 ‘소프트웨어 개발 키트(SDK)’를 KIST 신기술창업회사 ‘(주)로보케어’를 통해 최종 상용화에 성공하였다고 밝혔다. 사업단은 산업통상자원부 프론티어 기술개발사업 일환으로 진행되어, 2003년 10월부터 2013년 3월까지 총 10년간 한국형 지능로봇의 기술개발사업을 수행해 연간 100억, 총 1,000억 규모의 연구비가 투입된 지능로봇기술개발 프로젝트 그룹이다. 사업단이 개발한 주요 로봇은 2010년 미 타임지가 세계 50대 발명품으로 선정한 영어교사 보조로봇 ‘잉키’와 2011년 핀란드, 덴마크에서 노인치매예방 로봇으로 크게 호평을 받은 ‘실벗’, 그리고 공연로봇 ‘메로’, 휴머노이드 ‘키보’, 주방도우미 로봇 ‘시로스’가 있다. 사업단이 최종 상용화에 성공한 ‘실벗3’와 ‘메로S’는 올해 국내 주요 대학과 연구소 뿐 아니라, 덴마크의 노인복지관, 인도의 초등학교 및 대학, 그리고 러시아의 국립대학 등 해외에도 20대 이상 보급될 예정이다. KIST 김문상 단장은 “이번에 공개하는 「로보토리움」은 사업단에서 개발한 성과물들을 일목요연하게 검색하고 관련 정보를 쉽게 공유하기 위해 만든 사이버 전시관으로, 대규모 국가연구개발사업의 성과물들을 관련 연구자뿐 아니라 기업, 해당 공공기관, 일반인까지 쉽게 접근하여 그 정보를공유할 수 있는 오픈 커뮤니티가 형성되길 바란다”고 말하며, “이를 통해 자칫 사장되기 쉬운 국가 연구개발사업의 결과물들이 국내외 여러 분야에서 널리 활용될 수 있는 기폭제가 될 것이라고 기대한다’고 말했다 사업단이 최종 개발한 ‘실벗3’와 ‘메로 시리즈’, 그리고 ‘소프트웨어 개발 키트(SDK)는, 지능로봇 하드웨어 기술과 소프트웨어 기술이 탑재되어 있는데, 이러한 지능형 서비스 로봇과 개발키트가 보급되면 앞으로 국내 산업체, 연구소, 대학의 많은 로봇 공학자들이 각자 현장에서 개발한 기술들을 쉽게 로봇에 적용하고 검증할 수 있어, 이제껏 해결하지 못했던 지능로봇기술의 표준 부재와 개발된 기술 성과들을 교류하고 협업할 수 없었던 문제를 쉽게 해결할 수 있을 것으로 보인다. 국내 지능로봇 산업의 가장 어려운 숙제는 수많은 기술들을 효과적으로 공유하여 기술개발의 효율성을 높이는 것인데, 이를 해결하기 위해서는 로봇 하드웨어 제어와 인식기술 등과 같은 표준화된 세부 핵심기술들이 활짝 개방되어 관련 연구자들이나 제3의 개발자들이 지능로봇의 전체시스템을 이해하지 않고도 개개인의 고유 기술을 개발할 수 있도록 하는 것이 중요하다 ‘실벗3’와 ‘메로 시리즈’의 하드웨어 특징은 첫째, 자유로운 관절 모터의 움직임으로 사람처럼 동작하며 희노애락의 다채로운 얼굴 표정을 짓는 것이 가능하고, 둘째, 사람이 접근하면 잠시 동작을 멈추거나 스스로 자신의 주변 위치를 정확하게 파악한 후 주행 중에 만나게 되는 사람을 피해가는 등의 안정성을 보증하고, 360도 전방향으로 움직이는 신속정확하면서도 저소음의 옴니휠(Omni Wheel)을 탑재한 데 있다. ‘실벗3’와 ‘메로 시리즈’의 소프트웨어 특징은 사용자의 얼굴과 음성대화는 물론, 물체까지 인식 가능한 감지기술과 그래픽 로봇 아바타 기술, 자율대화 기술 등 총 30종 이상의 검증된 소프트웨어 기술들이 로봇에 탑재되어, 이제껏 사업단이 개발한 노인인지훈련, 영어교육, 특수아동 교육 등 서비스 로봇을 위한 어플리케이션 개발에 최적화되었다는 점이다. ‘소프트웨어 개발 키트(SDK: SW Development KIT)’는 로봇에 익숙하지 않은 소프트웨어개발자라도 쉽게 키트에서 제공하는 ‘그래픽 시뮬레이터’를 이용하여 실제 로봇이 옆에 없어도, 간단히 PC환경에서 자신이 개발한 어플리케이션을 실행해 볼 수 있으며, 자신이 취한 동작을 로봇이 그대로 따라하는 ‘모션 캡처(Motion Capture) 기술’ 기술이 탑재된 ‘로봇 모션 에디터’를 통해 쉽고 빠르게 로봇의 동작을 자동적으로 생성할 수 있다. 또한 ‘미션 플래너(iRSP)’의 편리한 사용자 인터페이스를 이용해 자유자재로 로봇의 미션 수행과정을 프로그래밍할 수 있어, 점차 성장해가는 국내 로봇 소프트웨어 산업에 큰 힘이 될 전망이다. 사업단은 ‘실벗3’와 ‘메로 시리즈’, 그리고 ‘소프트웨어 개발 키트’의 국내 배포 후, 개방형 개발자 커뮤니티를 위한 ‘위키 사이트’를 통해 얼굴과 물체, 음성인식, 자율대화, 실내주행 등 30종 이상의 소프트웨어 컴포넌트에 대한 사용법과 개발자용 가이드(튜토리얼), API(Application Program Interface)를 제공하여, 전국 각지에서 응용 개발하여 나온 결과물들을 국내 많은 로봇 개발자들과 다시 공유하게 되는 선순환구조를 만들 예정이다 KIST 김문상 단장은 융합 기술의 꽃인 한국의 로봇 산업이 발전하기 위해서는 하드웨어, 에너지, 지능, 인식, 주행과 보행, 조작, 표현 등의 제반기술들이 함께 보조를 맞춰 발전하는 것이 중요한데, 국내 연구진들이 사업단에서 공개하는 성과를 잘 활용하여 하루빨리 미국 윌로우 가라지(Willow Garage) 사의 ‘PR2’와 프랑스 알데바란사(Aldebaran)의 ‘NAO’와 같은 세계 최고의 서비스용 로봇들과 경쟁할 수 있게 되기를 기대한다고 말했다. 그리고 최근 구글, MS, 애플 등 거대한 다국적 기업들이 집중하고 있는 로봇용 어플리케이션 분야를 한국이 선점하기 위해서는, 지금이 바로 우리 고유의 경쟁력을 갖춘 한국형 서비스 로봇과 이를 위한 소프트웨어 어플리케이션, 그리고 콘텐츠 사업을 보다 적극적으로 발굴하고 추진해야 할 시점이라고 말했다. KIST 신기술창업회사 (주)로보케어를 통해 이번 달 출시되는 ‘실벗3’와 ‘메로S’는 오는 6월 19일부터 21일까지 롯데 부여리조트에서 개최되는 한국로봇종합학술대회(KRoC2014)에서 공개 시연할 예정이다. ○ 유투브 동영상 링크 ※ ‘실벗3’ 기능소개: http://youtu.be/Mo66-BM_2bQ ※ ‘메로S’ 기능소개: http://youtu.be/Z4xGhYBWUtA ※ ‘메로3(8월 출시예정)’ 기능소개: http://youtu.be/u4DYClpZOYA ※ ‘SDK’ 소개: http://youtu.be/EMZnh5KPTaU ○ 그림설명 <그림 1> '실벗3' 로봇 연구개발 및 서비스에 최적화된 지능형 로봇 플랫폼 <그림 2> '메로S & 메로3' 사용자 인터랙션에 특화된 탁상형 얼굴로봇 <그림 3> 소프트웨어 개발키트 (SDK: SW Development Tool KIT) 로봇용 서비스 App 개발에 필요한 모든 SW 개발환경 제공

꿈의 소재 탄소나노튜브, 나선형 구조임을 밝히다 - KIST, 고분해능 현미경, 에너지 계산 등 과학적 분석으로 단일벽 탄소나노튜브 나선형 구조임을 밝혀 - 기존 탄소나노튜브 성질 및 한계 설명 차세대 신소재로 기대되는 탄소나노튜브(Carbon Nanotube, CNT)는 탄소원자가 육각형 모양을 이루는 그라핀(Graphene)의 원통구조로 알려져 있다. 전기전도도 및 강도 등 물성이 다른 소재보다 뛰어나 탄소나노튜브는 1991년 발견된 이후 관련 연구가 활발히 진행되어 왔고 복합재료 및 투명전극분야 등의 산업에서 응용이 기대되고 있다. 국제 공동 연구팀이 나노튜브의 구조가 기존에 알려진 그라핀 원통 구조가 아닌 그라핀 리본이 나선형으로 휘감아진 구조임을 밝혔다. 연구팀은 탄소나노튜브가 물리·기계적 성질을 재현하지 못하고, 전기적 성질을 제어하지 못하는 현상도 이러한 나선형 구조 때문인 것으로 설명했다. 한국과학기술연구원(원장 이병권, KIST) 계면제어연구센터 이재갑 박사와 국제 연구팀은 단일벽탄소나노튜브(Single-Wall Carbon Nanotube, SWNT) 구조를 나노크기의 그라핀 리본(Graphene Ribbon)이 나선형으로 성장한 그라핀 나선체(Graphene Helix)임을 밝혔다. 관련 연구는 국제 학술지 Small지 온라인판에 ‘Structure of Single-Wall Carbon Nanotubes : A Graphene Helix’라는 제목으로 5월 16일 게재되었다. 연구팀은 SWNT가 지그재그(Zigzag)구조를 갖는 그라핀 나노리본이 나선형으로 성장한 그라핀 나선체임을 밝혔다(그림 1). 이 경우, 외관상 전체 모양은 원통형 튜브처럼 보일지라도 지그재그 그라핀이 나선형으로 자란 것이기에 튜브 벽에 길이를 따라 전체를 관통하는 나선형 틈(Dislocation)이 존재한다(그림 2). 연구팀은 고분해능전자현미경 및 원자현미경으로 나선형 틈에 의해 형성된 “마디(Nodal)조직”을 확인했다(그림 3). 이 구조에서 SWNT의 물성은 지그재그 그라핀 리본으로 해석되어야 한다. 지그재그 그라핀은 도체성질을 보이므로 SWNT는 도체의 특성을 보여야 한다. 도체성과 함께 보고된 SWNT의 반도체성은 마디조직을 갖는 나선구조 때문에 생긴 결함 및 격자변형이 전자의 이동을 왜곡시켰기 때문으로 해석된다. 이 나선형 구조에서는 하나의 튜브 내에서도 원자단위 조직이 위치에 따라 다를 수 있으므로 SWNT의 전기적 특성을 제어하는 것은 사실상 불가능하다. 이는 지난 20여 년간 지속되어 온 연구에도 불구하고 SWNT가 전자 소자로서 응용될 수 없었음을 설명해 준다. 한편 SWNT의 구조를 해석하기 위해 연구팀은 형성에너지에 주목했다. 기존 원통형 성장과 나선형 성장의 변형에너지(Strain Energy)를 계산한 결과 나선형 구조 성장의 변형에너지가 1/4배 이하로 작았다. 이는 원통형 성장보다 나선형 성장이 우선됨을 보여주는데 SWNT도 일반 결정성장의 기본원리(에너지가 작은 방향으로 성장)에 따라 생성됨을 보여주는 것이기도 하다. 연구팀은 SWNT의 나선형 성장을 담쟁이덩굴이 나선형으로 감아 돌며 성장하는 것과 동일한 원리로 설명하였다. 관련 연구는 KIST 이재갑 박사가 주도하고 한국기초과학지원연구원 김진규 박사, 영남대학교 민봉기 박사, KIST 이경일 박사, 한국표준과학연구원 김용일 박사, 한국탄소융합연구원 안계혁 박사 및 영국의 Heriot-Watt대학교 John Phillip 교수가 참여하여 진행되었다. 본 연구그룹은 다중벽탄소나노튜브(MWNT)도 튜브가 아니라 AA’ 적층 그라핀이 나선형으로 자란 흑연나선체임을 Applied Physic Letters(J.-K. Lee et al., Structure of multi-wall carbon nanotubes: AA’ stacked graphene helices, Appl. Phys. Lett. 2013, 102, 161911)에 발표한 바 있다. ○ 연구진 ○ 그림설명 <그림 1> 밝혀진 SWNT의 성장기구 <그림 2> 연구팀이 밝힌 나선형 구조 모형 : 튜브모양으로 보이는 그라핀 나선체 <그림 3> 그라핀의 구조를 전자현미경으로 분석한 사진-균열을 볼 수 있다.

채소만 먹는 어린이가 고(高) 콜레스테롤? 8개월간 걸린 진단 하루만에 - 혈액 한방울로 식물성 스테롤 희귀질환 진단 기술 개발 - 해외에서 8개월 걸리던 검사, 국내 기술로 24시간만에 진단 흔히 성인병으로 알고 있는 대표적인 만성대사질환인 동맥경화나 고지혈증이 6세 아이에게서 발병한다면, 의사나 부모 모두 당황할 것이다. 이러한 질병들은 주로 혈액내의 콜레스테롤이 지나치게 많아서 발생하기 때문에 콜레스테롤 수치를 낮추는 약물 치료와 콜레스테롤 함량이 높은 음식을 대체하는 식물성 식이 치료를 병행하는 것이 보통이다. 하지만 약효가 없고 아이의 상태는 점점 나빠진다. 설상가상으로 병의 진단을 위해 외국에 검사를 의뢰해야 하고, 8개월이라는 시간을 기다려야 결과를 알 수 있다. 국내 연구진이 이러한 희귀한 식물성 스테로이드 대사이상 환자의 진단 기간을 24시간으로 단축시킨 기술을 개발했다. 검사에 필요한 혈액의 양도 한 방울이면 충분해서 어린 아이뿐아니라 신생아에게도 손쉽게 검사할 수 있는 길이 열렸다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 분자인식연구센터 최만호 박사와 CHA의과학대학교 분당차병원(원장 지훈상) 소아청소년과 유은경 교수 공동 연구팀은 혈액 한 방울을 이용하여 식물성 스테롤 대사이상 질환을 고콜레스테롤혈증과 죽상동맥경화로부터 차별화 될 수 있는 간편하고 정확한 진단 기술을 개발하였다. 해당 기술은, 한국 및 미국 내 특허출원이 완료되었으며, 국내 최초로 진단된 임상환자 증례는 임상내분비학 분야의 세계적인 저널 ‘Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism’ 5월호에 ‘Sitosterolemia Presenting With Severe Hypercholesterolemia and Intertriginous Xanthomas in a Breastfed Infant: Case Report and Brief Review‘라는 제목으로 게재되었다. 동물성 콜레스테롤과 달리 식물성 스테롤은 우리 몸에서 거의 흡수되지 않고 배설된다. 하지만 식물성 스테롤 대사이상 질환 환자들의 경우에는 식물성 스테롤이 배설되지 않고 체내에 흡수된다. 문제는 두 스테롤의 구조가 매우 유사하기 때문에 현재의 혈액 내 총콜레스테롤 측정기술로는 고콜레스테롤혈증 또는 죽상동맥경화로 오진하는 경우가 자주 발생한다는 것. 이런 환자들에게 고콜레스테롤 환자와 같은 치료가 실시되면 약물의 약효가 없을 뿐만 아니라, 식물성 스테롤 식이요법으로 인해 몸 속 스테롤 수치가 증가하게 되어 증상이 더 심해질 수 있다. 그러나 식물성 스테롤을 판별하기는 쉽지 않다. 다양한 형태로 체내에 존재하는 스테롤들을 구분하여 분석하기 위해서는 각각의 스테롤 구조를 명확하게 파악할 수 있는 분석기술이 있어야 하고, 스테롤 대사과정에 대한 이해도가 있어야 한다. 때문에 그동안 미국에서도 스테롤 관련 연구를 하는 소수의 그룹만이 명확히 질병을 진단할 수 있었고, 혈액을 미국으로 송부하고 결과를 전송하는 데 약 8개월이라는 시간이 필요했다. 연구팀은 환자들의 식물성 스테롤과 콜레스테롤의 개별 농도를 분석한 결과, 정상인에 비해 대표적인 식물성 스테롤인 시토스테롤, 캄페스테롤, 스티그마스테롤의 비율이 10~20배 이상 현저히 높게 나타나는 것을 확인했다. 이를 통해 환자들이 시토스테롤레미니아, 즉 식물성 스테롤 대사이상 질환 환자임을 정확하게 진단할 수 있었다. 병원으로부터 운송된 혈액이 묻어있는 진단지로부터 화합물을 추출 및 정제하고, 질량분석법을 통해 개별 농도를 분석하는데 걸린 시간은 24시간. 국내 유일의 스테롤 분석에 대한 시스템이 있기에 가능한 일이었다. 해당 분석 기술은, 혈액 한 방울로부터 20가지 이상의 콜레스테롤 대사물질들을 동시에 확인할 수 있다. 콜레스테롤은 뇌, 신경계에 많이 분포하며 호르몬 합성 등에 사용되기 때문에 콜레스테롤에 관한 연구는 신체 대사와 관련되는 모든 질환 및 생애 전주기적 질환극복을 위한 모니터링 기술로 활용이 가능하다. 진단에 쓰이는 장비들과 시료채취방법은 이미 많은 병원이나 연구소에서 쓰이고 있어, 사회적인 추가 비용도 적다. 그러나 기술이 실질적인 임상진단에 적용되기 위해서는 해당 기술을 통하여 병원에서 정상인들의 스테롤 기준 값이 명확히 설정될 필요가 있다. 이는 후속 연구를 통해 밝힐 수 있을 것이다. KIST 최만호 박사는 ”식물성 스테롤 대사이상 질환은 그동안 진단이 어려워 희귀 질환으로 인식된 면이 크다고 생각한다. 그러나 빠르고 정확한 방법으로 혈액 내 스테롤 농도를 측정하게 되면 더 많은 환자 파악이 가능하며, 이에 맞는 치료법 개발에도 도움이 될 것으로 보인다“고 말했다. 그는 또한 ”본 연구는 KIST의 연구 개발 방향인 사회 문제 해결을 위한 연구와도 방향을 같이 하는 것“이라 밝혔다 ○ 그림설명 <그림 1> 콜레스테롤 및 3가지 대표적인 식물성 스테롤 구조, 구조가 비슷해 차이를 분석하기 쉽지 않다. <그림 2> 콜레스테롤 대사이상 검사 방법 <그림 3> 환자군과 정상군의 한 방울의 혈액으로부터 측정된 콜레스테롤 및 식물성 스테롤의 대사비율 평가 결과 - 환자군은 정상군에 비해 콜레스테롤에 대한 시토스테롤(A), 캄페스테롤(B) 및 스티그마스테롤(C)의 비율이 현저하게 높은 것을 확인 할 수 있음.

3D 프린터를 이용한 점자 및 촉각 형상 제작 기술, 이제 시각장애인들의 교육 속으로! - 크기, 형태, 색깔을 올록볼록 다양하게, 3D 프린터로 촉각형상 제작 - 평면적인 교과서 그림 입체화되어 시각장애인용 교육 자료로 활용 - 표면 처리로 친환경, 튼튼한 제작물 제작 점자(點字)는 솟아있는 점으로 만든 글자로 시각장애인들이 촉각을 통해 정보를 습득할 수 있게 도와주는 수단이다. 최근 점자 프린터 등의 개발로 시각장애인들의 편의성이 높아졌지만 책자의 부피나 내구성 등 해결할 문제가 많다. 또한 점자책 외에 시각장애인들이 사용할 수 있는 제작물 종류가 많지 않다는 점도 문제이다. 생산기술의 혁명이라고 일컬어지는 3D 프린팅 기법과 3차원 표면 열처리 기술을 결합하여 쉽고 빠르게 시각장애인을 위한 촉각 제작물을 만들 수 있는 기술이 개발되었다. 기술을 활용하면 점자책 뿐 아니라, 점자 그림책, 교육도구 등 다양한 제작물을 만들 수 있고, 색깔과 높이를 자유자재로 조절 할 수 있다. UV 코팅과 같은 화학처리 공정이 없어 인체에도 무해하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 다원물질융합연구소 문명운 박사 연구팀은 ‘재료를 적층해 원하는 물질을 만드는 3D 프린팅 기법과 3차원 열처리 기술을 결합하여 선, 곡면 등 다양한 형상과 높이가 가능한 3차원 촉각 제작물을 만들었다. 연구팀은 제작물의 내구성과 접착력을 강화하기 위해 열처리 기법을 표면에 도입했다. 개발된 연구 성과는 국내특허로 출원되었다. 현재 시각 장애인들을 위한 제작물은 종이에 점을 찍어 글로 표현한 점자문서나 책이 대부분이다. 사과, 나무 등 기초적인 사물의 외곽선을 점자의 솟아있는 점을 이용하여 종이에 표현한 그림책이나 지하철이나 관공서 안내판 위에 찍은 점자들은 있지만 판별이 어려울 뿐만 아니라 복잡한 지도의 등고선이나 형태가 복잡한 지진발생과정과 같은 교육 자료를 만들기는 어려웠다. 연구팀은 3D 프린터 기법 중 3차원의 모델 자료를 기반으로 필라멘트를 한층 한층 쌓아 올리는 적층가공 기법을 이용했다. 이 기법은 컴퓨터지원설계(Computer Aided Drawing, CAD) 데이터를 활용하여 짧은 시간에 저렴한 가격으로 복잡한 3차원 형상의 축소된 모델이나 시제품을 제작하는 것이 가능하다 (그림 1a 참고). 이러한 방식은 최종 제작물의 재료가 되는 필라멘트를 적층하는 횟수를 조절하여 제작물의 크기와 모양, 두께를 쉽게 조절할 수 있다. 이렇게 만들어진 제작물은 글자위주였던 점자 문서 안에서 표나 그림을 다양하게 표현할 수 있어 시각장애인들이 내용을 쉽게 이해할 수 있게 되었고, 필라멘트의 색깔을 달리하면 3차원 입체 구조물을 다양한 색깔로 바꿀 수 있기 때문에 (그림 1b 참고) 산의 모양이나 지도의 등고선 등 복잡한 구조를 실제 색깔과 유사하게 만들 수 있다. 뿐만 아니라 몇 달이 걸리는 제작시간을 몇 시간으로 단축할 수 있어 교육현장의 수요를 빨리 반영할 수 있다는 장점도 있다. 시각 장애인을 위한 촉각 제작물은 대부분의 정보 습득이 손의 감각으로 이루어지기 때문에 인체에 무해해야 하고, 내구성을 확보하는 것이 관건이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 촉각 제작물 제작 후 표면을 Thermal Flow 방식으로 처리하는 방법을 선택했다. 160도 이상의 열로 표면을 처리하게 되면 고체화된 필라멘트가 녹으면서 표면의 미세 구조 내로 스며들어 제작물 사이에 접착력이 향상된다 (그림 2 참고). 표면 처리한 제작물은 플라스틱 소재여서 기존 종이 재료보다 재료 자체의 내구성이 높아졌을 뿐 아니라, 외부 충격에 대한 내구성 또한 향상되었다.(그림 3 참고). 이러한 열처리 기법은 3D 프린터 적층 제작시 발생하는 경계면에 의한 표면 거칠기 또한 완화시킬 수 있어 매끄러운 표면 처리공정도 가능하다. 본 연구는 표면처리 기술을 통한 점자와 표면과의 접착력의 제어가 가능하기 때문에 종이뿐만 아니라, 플라스틱, 금속, 세라믹 등 다양한 소재로 이루어진 표면에 적용가능하다. 또한 3D 프린터를 이용하므로 시각장애 학생들이 쉽게 만져서 알 수 있는 우리나라 지도나 동식물의 성장 과정 모델 등의 학습자료를 만들 수 있다. 또한 이날 다원물질융합연구소(소장 이광렬)와 서울 맹학교(교장 이유훈)는 3D 프린팅 기술을 이용하여 시각 장애 학생들이 사용할 수 있는 입체 학습 자료 개발에 협력하기로 하였으며 이를 위한 공동연구 양해 각서를 체결하였다. KIST 다원물질융합연구소 이광렬 소장은 “개발된 자료는 시각 장애인들의 교육과 생활의 질을 향상하기 위해 개발되었지만, 색깔과 형태가 다양해 비장애인 학생의 교육에도 활용될 수 있을 것이라 기대된다”며, “장애인의 교육과 행복을 위한 따뜻한 R&D를 위해 더욱 노력하겠다”고 밝혔다. <추가 설명> ** 3D 프린팅 기법 : 최근에 사용되고 있는 3D 프린터 방식 중에서 FDM 프린팅 기법을 사용하며 이 방식은 열가소성 필라멘트를 순간적으로 가열하여 노즐 장치에 의해 압출시킨 후 얇게 쌓아 올리는 방식으로 견고하고 열적으로 안정적인 결과물을 출력할 수 있다. 이러한 이점들 때문에 건축, 자동차 및 산업용 부품 소재, 의류에 이르기까지 매우 다양한 분야에서 광범위하게 사용되고 있다. ** Thermal reflow 방식 : 3D 프린팅 기법에 의해 출력된 제작물에 열이 가해지면 열판의 온도가 열가소성 필라멘트의 용융점에 도달하게 되어 분자간 결합이 느슨해지고 점성이 낮아져 다시 재용융된다. 이러한 과정에서 적층된 형상 내의 표면에너지를 축소화하려는 표면장력에 의해 표면이 리플로우 (reflow) 되어 매끄러워지는 효과를 얻을 수 있다. 또한 재융용되는 동안 접촉하고 있는 기판의 빈 공간 내에 필라멘트가 스며들어 완벽하게 접착될 수 있다. <그림 설명> <그림 1> (a) FDM 3D 프린팅 기법의 장치에 대한 도식도, (b) 프린팅 기법에 의해 제작된 사과 모양의 3차원 촉각 형상과 사과 내부에 점자 영문 표기법에 따라 APPLE을 점자 규격에 맞춰 점자로 제작한 촉각 패턴을 보여주는 이미지이다. <그림 2> Thermal reflow 처리 전 종이 기판에서 탈착된 점자 형상의 뒷면 이미지 (a,b)와 탈착된 자리를 보여주는 종이 기판 이미지 (c,d); Thermal reflow 처리 전에는 필라멘트와 종이 사이의 부분적인 접착으로 인해 외부 압력에 의해 점자 형상이 쉽게 탈착되었으며 점자 형상의 뒷면에 종이를 구성하고 있는 셀룰로우즈에 의해 형성된 눌린 자국만이 남아 있음을 확인하였다. Thermal reflow 처리 후에 해당되는 점자 형상 뒷면 이미지 (e,f)와 종이 기판 이미지 (g,h); 처리 후에는 재용융되는 동안 필라멘트가 셀룰로우즈 구조 내의 빈 공간으로 스며들어 접착력이 강해져서 인위적인 탈착시 셀룰로우즈가 함께 뜯겨졌음을 점자 형상 뒷면 이미지를 통해 볼 수 있고, 종이 기판에서도 뜯겨진 자국이 확연하게 들어났다. <그림 3> (a-c) 기존의 천공방식과 (d-f) 본 발명에 의해 제작된 점자 형상의 내구성 테스트를 통해 변화된 결과를 비교한 이미지. 내구성 테스트는 5 N의 무게를 지닌 쇠구슬을 패턴 형상 위에서 100 mm/s의 속력으로 12.5 m 돌려 측정 전(a,d)과 측정 후(b,e)의 이미지를 비교하였다. 천공방식에 의해 제작된 점자는 형상이 쉽게 눌려 찌그러지는 반면, 3D 프린팅 기법과 thermal reflow 처리를 통해 제작된 점자는 형상 변화가 없이 강한 내구성을 보였다. <그림 4> 제작물 샘플

신개념 물질 개발로 파킨슨병 치료 전기 마련 - 미지의 병 파킨슨의 근본적 치료를 위한 토대 마련 - 뇌의 자기 보호 원리 활용, 기존 약물보다 효과는 크고 부작용은 줄어 4월 11일은 세계 파킨슨병의 날이다. 고령화 사회로 접어들면서 퇴행성 뇌질환은 심각한 사회적 문제로 대두되고 있다. 이런 퇴행성 뇌질환 중 파킨슨병은 치매 다음으로 많은 환자가 발생하고 있다. 파킨슨병은 뇌에서 도파민을 생성하는 신경세포가 죽으면서 병이 발생하는 것으로 알려져 있는데, 현재까지 치료제는 증상 완화에 그치고 있다. 손이 떨리기 시작하면서 운동장애가 차례로 나타나는 파킨슨병은 확실한 검사, 진단이 모두 어렵고 치료제 부작용도 커 환자의 삶의 질을 심각하게 저하시킨다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 뇌과학연구소 박기덕 박사, 울산대학교 의과대학 황온유 교수 공동 연구팀은 신경세포가 스스로를 보호하는 원리를 이용하여 도파민을 생성하는 신경세포를 보호하는 물질을 개발했다. 연구 결과는 의약화학 분야의 세계적인 저널 ‘Journal of Medicinal Chemistry’ 최근호에 ‘Discovery of Vinyl Sulfones as a Novel Class of Neuroprotective Agents toward Parkinson’s Disease Therapy‘라는 제목으로 게재되었다. 연구팀은 사람에게 자체적으로 존재하는 방어기작에 주목했다. 외부에서 퇴행성 뇌질환을 일으키는 물질, 즉 산화 스트레스가 침입하면 인체의 대표적 방어기작인 Nrf2*가 활성화가 된다. Nrf2는 인체의 다양한 방어 유전자를 발현시킴으로써 외부의 스트레스로부터 신경세포를 보호하게 된다. 본 연구에서는 Nrf2 활성화를 증대시키는 화합물을 개발하였고, 개발된 물질을 신경세포에 주입한 결과 Nrf2가 활성화 될뿐 아니라, 이에 따른 다양한 인체 방어 물질의 양이 크게 증가함을 발견했다. *Nrf2: Nuclear factor E2-related factor 2, 특정 유전자를 발현하여 인체의 방어기작을 작동시키는 것에 에 관여하는 단백질(전사인자)로 생쥐와 사람에게 존재한다. 그 결과 파킨슨병 연구에 주로 쓰이는 MPTP-생쥐 모델*의 뇌에서 뛰어난 신경세포보호 효과를 보였으며 이로 인해 쥐의 운동장애가 현저히 개선되었다. 이는 기존 파킨슨병 치료제인 셀레질린보다 150%이상 효과가 향상된 것이다. 또한 셀레질린은 장기간 복용시 약 자체의 독성으로 인해 부작용이 컸었는데, 개발된 물질을 사용한 쥐에서는 부작용 역시 줄어듬을 확인하였다. * MPTP-생쥐 모델: 파킨슨병 연구를 위해 고안된 생쥐 모델로 산화스트레스를 일으켜 파킨슨병을 발병시킨다. KIST 박기덕 박사는 “치매나 파킨슨병과 같은 퇴행성 뇌질환의 근원적인 치료는 여전히 힘들고 현재까지 거의 불가능하지만, 인체의 방어기작을 활성화시킴으로써 신경세포를 보호함으로써 뇌질환의 예방 및 치료가능성을 열었다는 데 연구의 의의가 있다”고 말했다. ○ 연구진 박기덕 박사 ○ 그림자료 <그림1> Nrf2 활성화를 통한 신경세포 보호 기작 - 치료제 후보물질이 Nrf2를 Keap1으로부터 분리시키면 Nrf2는 활성화되어 핵안으로 이동한 후 인체 방어기작에 관련된 유전자를 발현시킴으로써 신경세포를 보호함 <그림2> 개발된 물질의 화학식 <그림 3> 파킨슨병 동물모델의 뇌 흑질에서 신규 파킨슨병 치료 후보물질(12g)의 신경세포 보호 효과 및 운동능력 회복 효과 가. 파킨슨병 동물모델인 MPTP-쥐 모델의 뇌 흑질 부분에서 신경세포가 사멸되면서 세포가 염색되지 않음을 볼 수 있음. 반면에 치료 후보물질 12g를 복용한 MPTP-쥐 모델에서는 신경세포가 죽지 않음을 확인함. 나. 파킨슨병 동물모델은 일반쥐에 비해 운동 장애를 나타냄. 대표적으로 코너 돌기와 위에서 내려오는 시간을 측정하면 일반쥐의 2-3배의 시간이 소요됨. 이러한 파킨슨병 동물모델에 치료후보물질 (12g)를 복용시키면 일반쥐와 비슷한 운동신경으로 회복됨. ○ 보도자료 기사 링크

내 컴퓨터 속 똑똑한 실험실 - 실험과 컴퓨터 시뮬레이션의 협력연구를 통해 미래 연구 방향 제시 - 30일 소요되는 실험 36분만에 구현, 저비용 고성능 신소재 개발 성공 2013년 노벨화학상은 전통 화학자가 아닌 계산 화학자 3명에게 돌아갔다. 이들은 실험실이 아닌 컴퓨터를 이용해 복잡한 화학반응을 시뮬레이션으로 분석하는 연구법을 개발하였고, 이들의 공로가 화학 발전에 기여하였음이 인정되었다. 과학계에서 가장 권위 있는 상으로 인식되는 노벨상 수상에서 보듯, 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 연구는 실제 실험만큼 중요해지고 있다. 하지만 이런 컴퓨터 시뮬레이션은 만개 이하의 원자로 구성된 작은 물질에만 사용할 수 있기 때문에 주로 무기물이나 작은 유기물 소재 연구에만 사용되었다. 이러한 한계를 극복하고, 수백만 개의 원자로 이루어진 유기물과 무기물 합성소재 연구에 컴퓨터 시뮬레이션을 활용한 연구팀이 있어 화제가 되고 있다. 시뮬레이션을 이용한 예측은 실제 실험 결과와 놀랍도록 유사함을 보여주었다. 한국과학기술연구원(KIST) 다원물질융합연구소(소장 이광렬) 계산과학연구단 허가현 박사와 미국 코넬대(Cornell) 재료공학과 Ulrich Wiesner(비즈너) 교수는 저비용으로 새로운 나노소재 제조방법을 개발하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램을 개발했다. 프로그램은 소재의 구조를 빠르고 정확하게 예측했고, 실험으로는 알기 어려운 구조 형성의 원리를 밝혔다. 연구팀은 이렇게 밝혀진 소재 제작 방법을 실제 실험으로 구현한 결과 새로운 형태의 나노입자 기반 소재를 만들 수 있었다. 본 연구는 국제학술지인 ‘Nature Communications’ 2월 21일자에 게재되었다. (논문명 : Linking experiment and theory for three-dimensional networked binary metal nanoparticle？triblock terpolymer superstructures) 자연계의 많은 물질들은 외부의 특별한 도움이나 간섭 없이 스스로 구조를 만든다. 예를 들어 우리 몸을 구성하고 있는 단백질은 긴 실과 같은 형태의 분자로 나일론이나 폴리에스터와 같은 고분자의 일종이지만 스스로 조립하여 다양한 구조를 만들고 단백질의 역할을 하게 된다. 이러한 현상을 자기조립 (Self-Assembly)이라고 하는데, 이는 지구상의 생명체가 존재하고 살아갈 수 있게 하는 기본 원리라고 할 수 있다. 과학자들은 새로운 소재를 개발하기 위해 위에 언급한 분자들의 자기조립 특성을 이용하고 있다. 연구진은 물을 좋아하는 특성을 지닌 부분과 물을 싫어하는 특성을 지닌 부분이 공존하는 고분자(블록 공중합체)에 나노크기의 금속입자를 섞어 자기조립을 통해 새로운 나노소재를 만드는 연구를 시뮬레이션했다. 이러한 자기조립 과정은 분자간의 매우 복잡한 물리화학적 작용을 하면서 새로운 구조를 형성한다. 기존의 실험은 여러 실험 조건들을 많은 시행착오를 거쳐 찾아 내야하기 때문에 오랜 시간과 노동력이 요구된다. 연구진이 개발한 컴퓨터 시뮬레이션 방법은 소재의 구조를 컴퓨터 계산을 통해 빠르고 정확하게 예측했다. 그리고 실험으로는 알아내기 어려운 구조의 구성 원리가 무엇인지를 밝혀냈다. 이는 기존 실험으로는 30일 이상 걸리는 작업을 수분 만에 구현한 것으로 소재개발 비용을 수백 배로 줄인 효과를 거둔 셈이다. 컴퓨터는 더 나아가 새로운 형태의 나노 소재를 만드는 방법을 제시하였다. 연구팀은 제시된 방법을 이용하여 실험에 착수했고, 새로운 소재를 성공적으로 만들어 냈다. 만들어진 소재는 매우 넓은 표면 면적을 지닌 다공성 금속소재로 우수한 촉매특성과 높은 전기전도도를 가지고 있다. 이러한 자기조립 기반의 나노소재 제조방식은 향후 촉매 개발 및 다양한 전자소재로 이용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 저온 공정을 기본으로 한 제작방법을 활용하여 향후 3D 프린팅과의 결합이 용이할 것이고 이를 통한 혁신적인 다층소재 개발에도 유용하게 쓰일 전망이다. 본 연구는 미국의 ‘The Materials Genome Initiative’나 현재 미래창조과학부에서 기획 중인 ‘창의소재 디스커버리 사업’과 같은, 실험과 컴퓨터 시뮬레이션의 협력 연구를 통해 기존 연구의 한계를 돌파하고자하는, 대형 프로젝트들의 연장선에 있는 연구로 미래 연구의 방향을 제시했다는 점에서 의미를 가질 수 있다. KIST 허가현 박사 ○ 그림자료 <그림1> 고분자(a)와 나노입자(b)를 용매에 간단하게 섞어 넓은 범위를 도포한 후 용매를 건조시키면 자기조립을 하면서 잘 정렬된 나노소재가 만들어 진다. <그림2/동영상> 컴퓨터시뮬레이션 과정에 따라 변화되는 나노소재의 모습을 시간에 따라 보여주고 있다. 본 그림에 사용된 컴퓨터는 가정용컴퓨터 수준이며 약 36분정도면 구조를 예측할 수 있다. 동일한 과정을 실험으로 수행 하려면 약 한달 정도의 시간 소요된다. <그림3> Experiment(실험)과 Simulation(컴퓨터 시뮬레이션)의 나노입자 분포를 정량적으로 비교해보면 놀라운 정확도를 보여주고 있다.

뇌 기능 조절 물질의 이동 통로 찾았다 - 뇌기능과 관련된 포타슘 이온의 농도를 스펀지처럼 조절하는 통로 발견 - 2개의 단백질 간의 화합결합으로 만들어진 새로운 통로임을 밝혀 - 발견된 통로는 뇌 기능의 핵심인 신호전달 물질의 통로로 밝혀져 뇌가 정상적으로 활동하기 위해서는 뇌에 존재하는 칼슘이나 포타슘(K⁺, 칼륨) 등 다양한 이온들의 농도가 일정하게 유지되어야 한다. 우리에게는 칼륨이라고 알려져 있는 포타슘 이온은 농도가 갑자기 증가하게 되면 심한 경우 발작이나 경련 등이 일어나고, 반대로 농도가 낮아지면 우울증이나 불안장애가 일어난다. 이처럼 이온의 농도가 미치는 영향은 이미 많은 연구로 밝혀진 반면, 이 이온들이 어떤 통로를 통해 이동하는지는 그동안 오랜 숙제로 남아 있었다. 국내 연구진이 스펀지가 물질을 흡수하듯, 포타슘 이온 농도를 조절하는 통로를 발견했다. 발견된 통로는 뇌의 핵심 기능인 신호전달 물질이 통과하는 통로라는 사실도 추가로 밝혀졌다. 한국과학기술연구원(KIST) 기능커넥토믹스 연구단 황은미 박사팀, 이창준 박사팀과 경상대학교 의과대학 박재용 교수팀이 공동으로 수행한 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 세계적인 연구센터 개발사업 (WCI)과 선도연구센터지원사업 (MRC)의 일환으로 수행되었으며, 네이처 출판 그룹 (Nature Publishing Group; NPG)이 출판하는 세계적 국제학술지인 ‘Nature Communications’온라인 판 2월 5일자에 게재되었다. (논문명 : A disulphide-linked heterodimer of TWIK-1 and TREK-1 mediates passive conductance in astrocytes) 뇌를 구성하는 대표적 세포는 신경세포와 성상교세포이다. 신호 전달이 이루어지는 신경세포가 활성화되기 위해서는 주변의 성상교세포가 스펀지처럼 포타슘 이온을 흡수해야 한다. 포타슘 스펀지 역할은 성상교세포에서만 발견되는 유일한 현상으로, 신경세포 외부의 포타슘이온 농도를 일정하게 유지될 수 있도록 도와주는 역할을 한다. 문제는 포타슘 이온이 어떤 통로를 통해 이동하는지를 알 수가 없다는 점이다. * 포타슘(K⁺) : 보통 칼륨이라고도 불리는 은백색의 금속원소. 신경활성을 조절하는 중요한 이온으로, 뇌척수액에서는 2.6~3.0 mmol/L 농도로 유지됨. * 성상교세포 : 신경세포에 영양분이나 신경전달물질 등을 운반하는 비신경 세포의 일종. 신경세포의 위치를 고정하거나 혈액 뇌관문을 형성하는 등 뇌 활동에 중요한 역할을 담당함. 이온이 이동하는 통로를 밝히기 위해 연구팀은 갓 태어난 생쥐의 뇌에서 성상교세포를 분석하였고, 트윅(TWIK-1)과 트렉(TREK-1) 2개의 이온통로만이 존재함을 알 수 있었다. 이에 연구진은 2개의 이온 통로가 포타슘 스펀지 역할의 핵심이라 생각했다. 유전자 조합 및 바이러스를 활용하여 각각의 이온통로의 활동을 조절한 결과, 2개의 이온통로들은 개별적으로 작용할 때는 기능을 할 수 없다는 것을 확인했다. 이온통로들이 화학적 결합을 통해 새로운 단백질로 합성되어야 이러한 기능이 나타나는 것이다. * 트윅(TWIK-1) : 최초로 발견된 K2P 이온통로 (두 개의 이온통로구를 가진 포타슘 이온통로) 로서 독립적으로 발현시키면 포유동물의 세포막에 거의 존재하지 못하기 때문에 기능이 없는 채널로 알려짐. * 트렉(TREK-1) : 두 번째로 발견된 K2P 이온통로로서 다양한 자극에 반응 하여 포타슘을 통과시키며, 세포막 전위를 결정하는 데 관여함. 그동안 트윅과 트렉은 1996년 이후 차례로 밝혀진 이온통로들이지만, 이 중 트윅은 기능이 없다고 알려져 왔다. 새로운 포타슘 이온통로의 발견은 하나의 이온통로가 하나의 특성을 가진다는 공식을 깨고 다른 종류의 단백질이 결합하여 다양한 다른 역할을 수행할 수 있다는 가능성을 보여준 좋은 예라고 할 수 있다. 한편, 연구팀은 이번에 발견한 이온통로가 글루타메이트가 배출되는 통로라는 사실을 추가로 발견했다. 글루타메이트는 주로 신경세포 말단의 시냅스에서 배출되며, 세포간에 신호를 전달하는 뇌의 핵심적인 요소이다. 최근 연구로 글루타메이트는 성상교세포에서도 배출된다는 사실이 확인되었는데, 이 배출되는 통로 역시 이번에 발견한 이온통로로 밝혀진 것이다. 글루타메이트의 농도가 높으면 신호전달이 잘 된다고 볼 수 있기 때문에, 이동 통로의 발견은 뇌기능 핵심인 신호전달 체계를 규명하는데에도 활용될 것으로 보인다. 논문 제 1 저자인 KIST 황은미 박사는 “이번 연구를 통하여 오랫동안 궁금해 해왔던 포타슘 스펀지 역할의 이온통로를 확인하였으며, 포타슘이온 농도의 조절 실패로 인한 뇌전증, 우울증, 불안장애 등의 신경계 질환에 대한 새로운 치료 가능성을 제시할 수 있을 것”이라고 밝혔다. ○ 그림자료 <그림 1> 성상교세포의 포타슘이온 농도 조절과 뇌기능에 관한 모식도 새로이 규명된 성성교세포의 트랙-트윅 이종결합 이온통로가 정상적으로 기능을 수행할 경우, 세포 외부의 포타슘이 성상교세포로 흡수되어 외부 포타슘이온 농도가 낮은 농도로 유지됨으로써 정상적인 뇌기능이 유지된다. 그러나 트랙-트윅 이종결합 이온통로의 기능에 문제가 생기면, 성상교세포가 세포 외부의 포타슘을 흡수할 수 없어 외부 포타슘이온이 과도하게 많아지게 되며 이로 인해 신경세포가 지나치게 흥분하는 뇌전증이 유발되게 된다. <그림 2> 대표적인 실험 결과 : 트윅, 트렉 이온통로의 결핍이 성상교세포의 포타슘 스펀지 능력에 미치는 영향 재조합 렌티바이러스를 이용하여 성상교세포의 트윅 또는 트렉 이온통로의 발현을 억제한 후, 동일한 세포에서 전기생리학적 실험 방법으로 포타슘 스펀지 기능을 측정하였다. 그 결과, 트윅, 트렉 이온통로가 성상교세포의 포타슘 스펀지 기능을 수행하고 있음을 확인하였다. 본 연구를 통하여 지난 20여년 동안 베일에 싸여있던 포타슘 스펀지 기능을 수행하는 이온통로의 분자적 실체를 규명하는 성과를 거두었다. <그림 3> 트윅, 트렉 이온통로의 모식도 새로이 규명된 성성교세포의 트랙-트윅 이종결합 이온통로가 정상적으로 기능을 수행할 경우, 세포 외부의 포타슘이 성상교세포로 흡수되어 외부 포타슘이온 농도가 낮은 농도로 유지됨으로써 정상적인 뇌기능이 유지된다. 그러나 트랙-트윅 이종결합 이온통로의 기능에 문제가 생기면, 성상교세포가 세포 외부의 포타슘을 흡수할 수 없어 외부 포타슘이온이 과도하게 많아지게 되며 이로 인해 신경세포가 지나치게 흥분하는 뇌전증이 유발되게 된다.

꿈의 그래핀, 플라스틱으로 더 쉽게 만들 수 있다 - 고분자 용액의 코팅과 열처리만으로 그래핀의 특성을 가진 물질 제조 - 태양 전지, 반도체칩 등 전자소자 대량 생산 가능성 열려 전도성, 유연성, 내구성 등이 다른 물질보다 탁월한 그래핀은 꿈의 신소재로 불릴만큼 각광을 받고 있다. 그러나 생산 공정이 복잡하고 대량생산이 어려워 실생활에 활용하기 어렵다는 단점이 있다. 국내 연구진이 그래핀을 만드는 과정에서 발생하는 인공적 결함은 개선하고, 특성은 그대로인 탄소물질을 개발했다. 개발된 물질은 태양전지, 반도체 칩 등 그래핀이 쓰이는 곳에 사용할 수 있고, 이미 상용화된 공정으로 개발되어 상업화에 한층 가까워졌다. 관련 연구는 연구의 참신성을 인정받아 나노분야의 권위지인 Nanoscale의 표지 논문을 장식했다. 한국과학기술연구원(KIST) 전북분원(분원장 홍경태) 복합소재기술연구소 탄소융합소재연구센터 조한익 박사팀은 전북대 유연인쇄전자공학과 나석인 교수와 한국화학연구원 김병각 박사팀과 함께 면적이 큰 CVD 그래핀이 가진 문제를 해결하고자 플라스틱의 원료인 고분자를 이용하여 그래핀과 유사한 구조와 특성을 가지면서, 투명한 탄소나노시트를 개발했다. 이번 연구 성과는 나노기술 분야의 권위지인 영국왕립화학회지의 나노스케일(Nanoscale)에 "One-step synthesis of carbon nanosheets converted from a polycylic compound and their direct use as transparent electrodes of ITO-free organic solar cells"의 제목으로 게재되었으며, 연구의 우수성 및 참신함을 인정받아 1월 21일자 권두 표지논문으로 선정되었다. <그림 1> 품질이 좋고 면적이 수 십 인치에 달하는 대(大)면적의 그래핀 제작에는 화학적 기상 증착법*이 많이 이용된다. 그러나 이 방법은 금속을 촉매로 사용해야 하기 때문에, 그래핀 제작 후에는 사용한 금속을 제거해야하고, 제작한 그래핀을 태양전지 등 다른 기판으로 옮기는 후공정(전사공정)이 반드시 필요하다. 이 때문에 주름(wrinkle) 및 균열(crack) 등의 결함(defect)이 생겨 품질이 저하된다는 단점이 있다. * 화학적 기상 증착법 (CVD, chemical vapor deposition): 촉매 작용을 하는 금속필름의 기판위에 그래핀을 만드는 기법. ‘소스 가스’(source gas)라 불리는 가스를 기판위에 불어넣어 제작한다. 제작 후 금속을 제거해야하고, 다른 기판위에 그래핀을 이동시켜야 한다. 공동 연구팀은 기판 위에 고분자 용액을 코팅시켜 열처리를 가하는 2단계 공정으로 ‘탄소나노시트’를 개발했다. 기존 그래핀 제작 공정이 8단계였던것을 감안하면 크게 단순해진 것이다. 게다가 별도의 후처리공정 없이 태양전지 등으로 바로 사용이 가능하다<그림 2> 연구팀은 탄소 분자 내에 사다리 구조의 고분자인 PIM-1(Polymer of intrinsic microporosity-1)을 합성해, 고분자 용액을 만들었다. 엷은 초록색을 띈 고분자 용액을 기판인 석영(quarts)위에 회전시켜 골고루 뿌려 코팅한 후, 섭씨 1200도로 열처리를 하면 투명한 탄소나노시트가 만들어진다. 개발된 ‘탄소나노시트’는 단순한 제작공정으로 대량 생산이 가능할 뿐 아니라, 금속 기판을 제거하고, 생성된 그래핀을 다시 이동하는 등 기존 그래핀에서 결함을 유발하는 작업이 제거되어 품질 면에서도 우수한 것으로 나타났다. 효율성 측면에도 그래핀에 뒤지지 않는다. KIST 조한익 박사는 “개발된 공정은 이미 상용화된 탄소섬유의 제조공정을 이차원 탄소소재 합성에 응용한 것으로, 이미 공정이 구축된 방법인 만큼 투명하고 전도성을 갖는 이차원 탄소소재의 상업화에 쉽게 이용될 수 있을 것으로 보인다”고 말했다. 이번 연구는 본 연구팀에 의해 최근에 게재된 폴리아크릴로니트릴을 이용한 탄소나노시트 (2013년 Carbon 55호 및 Applied Physics Letters 102호 게재)에 관한 후속 연구로, 탄소나노시트의 성장 메커니즘을 이해하고 더욱 간단한 제조 공정을 제시했다는 데 의의가 있다. 이번 연구는 KIST의 기관고유연구사업 및 한국연구재단의 연구비 지원으로 수행되었다. ○ 연구진 ○ 그림자료 <그림1> 'Nanoscale'의 2014년 1월 21일자 권두 표지논문이미지, 초록색 고분자 용액이 회전하면서 코팅되는 모습, 이러한 탄소나노시트는 검은 부분으로 표현된 그래핀이 결함은 최소화하고 유사한 특성을 가진 물질이다. <그림 2> PIM-1 고분자를 이용한 투명하고 전도성을 가진 탄소나노시트의 제작방법 및 특성. (a)는 사다리(ladder) 형태의 구조를 가지는 PIM-1 고분자 용액을 투명한 석영(quarts) 기판 위에 코팅한 다음, 고온의 열처리를 통해 탄소나노시트를 제조하고 이 위에 별도의 추가 공정 없이 유기태양전지(OSC, orgarnic solar cell)를 구성하면 태양전지 제작이 가능한다. (b), (c), (d)는 PIM-1 고분자 농도에 기인한 탄소나노시트의 두께, 표면저항 및 투명도를 나타내는 그래프로써, 고분자 용액의 농도 제어를 통해 형성되는 탄소나노시트의 전기적, 광학적 특성들을 손쉽게 제어 가능함을 보여준다. 고분자 용액의 농도((b),(c) x축))가 높아지면 (b)그림에서 보듯 두께는 두꺼워지지만 (c)그림에서 보듯 저항이 줄어들어 전류는 더 잘 흐르게 된다. <그림 3> 개발된 투명 탄소나노시트의 이미지 (15mm)

기억력 좋은 사람, 태어날 때부터 일부 결정 - 해마의 상세한 신경망 분석을 통해 신천적으로 같은 시기에 발생한 자매 세포간의 긴밀한 네트워킹 확인 - 3차원 영상 분석기술 "엠그래스프"를 통해 살아있는 상태의 쥐의 뇌를 시냅스 수준에서 분석 해마는 뇌에서 기억과 공간개념을 관장하는 중요한 부분이다. 해마를 구성하는 신경세포들의 접합부인 시냅스는 서로 끊임없이 신호를 주고 받음으로써 이러한 능력을 발휘한다. 국내 연구진이 뇌를 시냅스 차원에서 분석하여 특정 세포간의 연결이 더 밀접하다는 사실을 발견했다. 연구진은 또한 그러한 신호 패턴을 보이는 특정세포들이 선천적으로 같은 시기에 발현된 자매세포(sister cells)임을 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST) 기능커넥토믹스연구단 김진현 박사팀이 국내유치 해외연구원 린칭팽(Linqing Feng, 제 1저자) 박사와 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 세계수준의 연구센터(WCI) 사업의 일환으로 수행되었으며, 신경과학 분야의 권위있는 학술지인 ‘Neuron’ 온라인판에 1월 9일 게재되었다. (논문명 : Structured synaptic connectivity between hippocampal regions) 연구팀은 최근 개발한 mGRASP 기술(엠그래스프, 2012년 Nature methods지에 게재)에 3차원 영상 분석 소프트웨어 (2012년도 Bioinformatics 지 게재)를 접목하여 해마에서 기억과 학습에 밀접하게 관련이 있다고 알려진 부위의 신경연결망을 3차원으로 시각화하였다. CA3에서 CA1 영역의 신경세포들은 해마에서 기억과 학습영역에 밀접하게 관련이 있는 부위로 알려져 있다. 연구팀은 mGRASP기술을 통해 상세한 신경신호가 시냅스에서 어떻게 전달되는지를 밝힐 수 있었다. * 해마는 크게 DG, CA3, CA1 으로 불리는 세부 부위로 나누어진다. 주된 신호 전달 방향은DG→CA3→CA1 으로 이루어진다. 본 연구에서는 CA3와 CA1 영역의 신경세포들을 사용하였다. 그동안 뇌의 해마부위를 구성하는 신경세포들에서 신호가 어떻게 전달되는지, 연결 구조를 밝히는데 어려움이 있었다. 따라서 1:1의 단순한 구조나 균등한 연결망을 이룬다는 가설이 지배적이었다. 연구팀은 CA3, CA1 영역의 세포들의 시냅스에서 이 가설을 분석한 결과, 실제로는 특정 세포간의 연결성이 더 강하다는 사실을 발견했다. 연구팀은 더 나아가 이러한 연결패턴은 같은 발생시기에 태어난 “자매세포 (sister cells)”간에 두드러지게 나타난다는 것을 발견했다. 자매세포 간에는 시냅스의 신호전달이 더 활발하게 일어난다는 뜻이다. * 자매세포 : 발생중 한 세포의 분열에 의하여 생긴 한쌍의 세포들, 자매세포는 배아 상태에서 결정되어 각각의 뇌 특정부위로 이동하여 출생후에도 분자생물학적 공통성을 내재하고 있다. 연구진은 시냅스에서 신호전달 패턴이 고도로 조직화된 패턴으로 이루어지고, 자매세포라는 선천적 특성이 이러한 정보 처리 과정에 연관이 있다는 것을 밝혔다. 이는 자매세포라는 프레임이 구조적으로 잘 구축된 사람이 그렇지 않은 사람보다 기억력이 좋을 수 있는 가능성을 보여준다. (그림 3 참고) 김진현 박사는 “mGRASP라는 신경망 지도를 그릴 수 있는 새로운 기법을 활용하여 기존보다 정확하고 빠른 신경망회로 분석이 가능했고, 이를 통해 학습기억 습득에 선천적인 영향이 있음을 밝힐 수 있었다”며, “향후 이와 같은 연구가 뇌의 특정 부위에 특화된 약물 타겟팅 및 뇌질환 진단에 이용될 수 있을 것으로 예상된다.”고 밝혔다. ○ 그림설명 <그림 1> 20nm 간격의 시냅스를 광학현미경으로 살아있는 시냅스에서 획기적 쉽게 찾아낼 수 있는 mGRASP(mammalian GFP Reconstitution Across Synaptic Partners) 기술을 보여주는 모식도 <그림 2> mGRASP기술을 이용한 해마의 신경세포 CA3에서 CA1 연결망, CA3에서 보낸 신호가 CA1으로 연결된다. 엠그래스프 기술을 활용하면 시각화가 가능하다 <그림 3> 세포수준(A)과 수상돌기수준(B)에서 신경망회로 연결성 패턴을 알기 위해 설정한 가설들, 왼쪽은 1:1로 연결되는 모습, 오른쪽은 특정 연결패턴으로 신호가 전달되는 모습. 연구 결과 오른쪽 가설이 옳다는 것을 증명되었다 <그림 4> mGRASP기술과 분석 소프트웨어를 이용한 해마의 CA3에서 CA1 연결망을 3차원으로 가시화한 이미지

형형색색 눈에 보이는 뇌, 슈퍼 단백질에 빛을 쏘여라 - 뇌 회로의 작동을 눈으로 보여주는 센서, 슈퍼클로멜레온 개발 - 슈퍼클로멜레온 개발을 위한 자동화 로봇 개발 - 낭포성 섬유종 및 뇌 질환 기전 연구 실마리 제공 뇌 세포 간의 연결과 작동원리는 20세기 초부터 꾸준히 연구되어 왔지만 수천 개에서 수백억 개의 신경세포가 복잡하게 얽혀있는 뇌를 연구하기는 쉽지 않다. 이런 복잡한 뇌의 연결구조를 빛을 이용하여 눈으로 볼 수 있게 만든 연구가 국내 유치 해외 연구진에 의해 개발되었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 기능커넥토믹스연구단 조지어거스틴(George Augustine) 박사팀이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 세계수준의 연구센터(WCI) 사업의 일환으로 수행되었으며, 신경과학 분야의 권위있는 학술지인 ‘Journal of Neuroscience’ 10월호에 게재되었다.(논문명 : Visualization of Synaptic Inhibition with an Optogenetic Sensor Developed by Cell-Free Protein Engineering Automation) 뇌가 제 기능을 수행하는데 가장 기본이 되는 시냅스. 시냅스는 흥분성 시냅스와 억제성 시냅스로 구분되는데 두 개의 시냅스가 균형을 이룰 때 신경회로는 정상적인 기능을 할 수 있다. 시냅스간의 소통은 +와 - 성질을 가진 이온의 교환을 통해 이루어지는데, 억제성 시냅스가 활성화 되는지 여부는 세포 내의 염소 이온(Cl-)의 농도 변화에 의해 조절된다. 따라서 신경세포 내의 염소 이온의 농도 측정은 억제성 신경망 연구에 매우 중요하다. ※ 흥분성/억제성 시냅스 : 하나의 신경세포가 다른 신경세포를 흥분시키느냐 억제시키느냐에 따라서 흥분성 시냅스와 억제성 시냅스로 분류된다 연구진은 이온 농도 측정을 위해 빛을 이용했다. 빛은 파장에 따라 다른 색깔이 나타나는 특징이 있는데, 단백질 중 빛에 반응하는 형광단백질을 뇌 기능 연구를 위해 활용한 것이다. 형광 단백질은 특정 파장의 빛에 각각 반응하여, 자기만의 고유한 파장의 빛을 내는 성질이 있다. 서로 다른 두 가지 형광단백질이 서로 충분히 가까운 거리 내에 적절한 방향으로 존재하면, FRET 반응이 일어나는데, 두 형광단백질 중 빛을 받는 단백질은 염소 이온과 결합이 가능하다. ※ FRET (fluorescence resonance energy transfer)반응 : 두 형광단백질에 빛을 쬐었을 때, 처음 반응이 일어난 하나의 형광단백질(공여자; donor)에서 발산된 파장의 빛에 의해 옆에 위치한 형광단백질(수용자; accepter)이 활성화되어 자신의 파장의 빛을 발산하는 현상 이러한 두 가지 형광단백질을 연결하면, 염소 이온의 존재 여부에 따라 발산하는 빛의 파장이 달라지는 센서로서 역할을 할 수 있다. 이러한 원리에 의해 고안된 센서단백질이 클로멜레온(Clomeleon)이다. 그러나 기존의 클로멜레온은 1) 신호 대 잡음비가 낮아 염소 이온 농도 측정에 많은 오차를 유발 할 수 있는 점, 2) 염소 이온 농도에 따른 FRET 비율의 변화 폭이 좁다는 점, 3) 기존의 기법으로는 클로멜레온을 만드는데 막대한 시간이 소요된다는 점에서 한계를 가지고 있었다. 어거스틴 박사는 Duke 대학교 Hellinga 박사 연구팀과 공동으로 단시간 내에 최적의 클로멜레온을 제작하는 단백질 제작 자동화로봇 시스템을 개발 하였고, 이를 이용하여 그 특성이 훨씬 향상된 새로운 염소 이온 센서 단백질, 슈퍼클로멜레온(SuperClomeleon)을 만들게 된 것이다. 슈퍼클로멜레온은 기존 클로멜레온에 여러 가지 돌연변이를 도입하여 다양하게 변형된 후보 단백질을 만들었다. 그 후, 여러 단계의 스크리닝 및 특성을 확인하는 시험 과정을 통해 기능을 확인하였다. 그 결과 기존의 전통적인 분자생물학적, 생화학적 방법으로는 한 번에 한 가지 돌연변이 단백질 밖에 만들 수 없었던데 비해, 새로운 자동화로봇시스템을 도입하여 384개의 돌연변이 후보 단백질을 단 한 번의 작동으로 만들 수 있게 되었다. 이러한 제작 공정의 획기적인 이점 외에도, 슈퍼 클로멜레온은 기존 클레멜레온에 비해 염소 이온 변화에 따른 FRET 비율의 변화폭이 2배이상 증가하였고, 높은 신호 대 잡음비를 얻을 수 있어 오차를 줄 일 수 있었다. 따라서 슈퍼클로멜레온을 이용하면, 훨씬 선명한 이미지를 통해 염소 이온의 농도 측정할 수 있고, 이를 통하여 높은 해상도의 억제성 신경회로망 규명이 가능하다. <신경 세포 내에서 슈퍼클로멜레온(붉은 막대)은 기존의 클로멜레온(검은 막대)에 비해 향상된 높은 신호 대 잡음비를 보인다(최대 약 6 배).> 이처럼 특정 파장의 빛으로 활성이 조절되거나 혹은 특정한 이온, 막전위 등에 반응하여 빛을 내는 단백질을 신경세포 내로 도입하여, 뇌 회로를 연구하는 것이 광유전학(Optogenetics)기술이다. 본 연구는 센서단백질을 신경세포에 도입 및 발현시켜 신경세포 활성 여부를 광학 현미경을 통해 관찰했다. 이를 통해 얻어진 이미지를 분석함으로써 살아있는 쥐에서 특정부분의 뇌가 어떻게 작용하는지 효율적으로 파악할 수 있는 방법을 제시하였다. 본 연구는 복잡한 신경회로가 어떻게 기능하는지를 분석하는데 토대를 마련하고 특정 뇌질환 및 유전병의 원인 규명이 가능할 것으로 기대된다. 한 예로 뇌의 염소이온농도에 이상이 생길 경우, 체내에 점액이 과다 생산되는 낭포성 섬유증 같은 질환의 연구에 기술이 이용될 수 있다. 또한 각종 뇌 질환을 치료하는 약물 스크리닝 등에 폭넓게 활용할 수 있을 것이다. KIST 조지어거스틴 박사는“이번 연구를 통해 최적의 단백질을 단시간 내에 제조하는 기술 개발에 성공하였고, 이를 광유전학 기술과 결합하여 뇌 활동을 이미지화하는 획기적인 신경기능 회로 연구의 토대를 마련했다”고 전하며, “국내 단백질 공학 수준을 한 단계 끌어올리는 계기를 마련했다”고 연구의의를 밝혔다. ○ 그림설명 <그림1> 슈퍼클로멜레온(SuperClomeleon)이 주입된 생쥐 신경세포에서 각각 다른 양의 염소이온 양이 측정되는 것을 시각적으로 보여준다. 염소 농도가 진해질수록 청색이 더 진해지는 것을 볼 수 있다. <그림2> 화학적 시냅스의 작동원리. 전시냅스 세포 (presyanptic neuron)의 말단에서 분비된 신경전달물질 (neurotransmitter)는 후시냅스 세포 (postsynaptic neruon)의 수용체 (neurotransmitter receptor)에 결합하여 수용체를 활성화 시킨다. 활성화 된 수용체에서는 이온 통로가 개방되고, 이를 통해 이온에 이동하여 후시냅스 세포의 활성을 조절한다. 억제성 시냅스의 경우, GABA라는 신경전달물질이 분비되며, GABA 수용체가 활성화되면 염소 이온이 개방된 염소 이온 통로를 통해 신경 세포 내부로 이동하여 후시냅스 세포의 활성을 억제한다. <그림3> 클로멜레온의 작동원리. 클로멜레온은 염소 이온에 결합하지 않는 공여자 형광단백질인 CFP와 결합할 수 있는 수용자 형광단백질 YPF로 구성되어 있고 이 두 형광단백질 간에는 FRET 현상이 일어날 수 있다. 염소 이온이 결합하지 않은 경우 클로멜레온은 YFP 파장의 빛이 주로 발산되고, 염소 이온이 결합한 경우에는 CFP 파장의 빛이 주로 발산된다. 두 가지 파장의 빛의 강도를 현미경을 통해 측정할 수 있고, 그 비율을 계산함으로써 신경 세포 내의 염소 이온의 농도를 알 수 있다. <그림4> 슈퍼클로멜레온 자동화 장치 모습