보도자료
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피한방울로 치매진행과정 한눈에
피한방울로 치매진행과정 한눈에 -신규 바이오마커 발굴로 진단 뿐 아니라 증상 변화 관찰까지 가능 -KIST 개방형 연구사업 첫 결실, 치매진단기술 곧 상용화 알츠하이머 치매는 아직까지 진단과 치료가 불가능한 사망률 100%의 퇴행성 뇌질환이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 김영수 박사 연구팀이 간단한 혈액 검사를 통해 알츠하이머 치매의 진단 뿐만 아니라 질병의 악화나 치료과정을 관찰할 수 있는 기술을 개발하였다. 치매의 원인인 베타아밀로이드 단백질과 치매로 인해 발생하는 면역체계이상 단백질인 인터루킨을 동시에 혈액에서 측정하는 방식이다. 이를 통해 정상인과 환자간 구분 뿐만 아니라, 환자들의 증상 차이나 치료 예후도 알아 낼 수 있을 것으로 보인다. 이미 국내외 대형 병원과의 임상실험을 성공적으로 수행해 온 KIST 연구팀은 이번 연구 성과를 계기로 쉽고 빠르며 보다 정밀하게 치매 진단이 가능해 관련기술을 조만간 상용화할 계획이다. KIST 뇌과학연구소 김영수 박사팀은 1년전 혈액 속 베타아밀로이드 측정으로 치매를 진단할 수 있다는 병리학적 근거를 세계최초로 제시한 바 있다. 그 동안 임상 검증 연구에 집중해 온 연구팀은 맞춤형 의료 구현을 위해 치매 환자들의 예후 관찰법의 필요성을 느끼고 신규 바이오마커 연구를 병행해왔다. 치매는 인지 증상만으로는 환자의 병리학적 상태를 정의하기가 어렵다. 뇌발달에 의해 뇌기능이 일정 수준 보완되고 고학력자일수록 증상이 늦게 나타나기 때문인데 그렇다고 해서 뇌세포 파괴와 사망시기가 늦춰지는 것은 아니다. 객관적인 병리학적 정보를 혈액 검사를 통해 얻을 수 있다면 환자 맞춤형 치료법의 개발이 가능해진다. 연구팀은 치매 환자와 동일한 병리학적 변화를 나타내는 유전자 변형 생쥐의 혈액 내 면역계 단백질 변화에 주목했다. 알츠하이머성 치매 환자의 면역체계에 이상이 발생하고 베타아밀로이드 축적에 영향을 미친다는 최신 임상 보고(미국 인디아나 의과대학)에 착안한 것이다. 유전자 변형 생쥐의 치매가 악화 될수록 면역계 내장기관인 비장에 이상이 생긴다는 것을 확인하고 혈액을 뽑아 23종 면역계 단백질의 동정을 관찰했다. 그 결과 치매 초기부터 혈액 내 인터루킨-3(IL-3)의 농도가 정상 생쥐에 비해 감소되어있고 말기로 갈수록 저하 현상이 심해진다는 사실을 확인했다. KIST 김영수 박사는 “본 연구는 혈액 검사라는 쉬운 시험법을 통해 알츠하이머 치매의 진단 뿐만이 아니라 질환의 예후 관찰 또한 가능하다는 이론적 토대를 마련했다는 데 의미가 있다”며, “현재 100 여명 이상의 환자 혈액을 대상으로 한 임상 연구가 매우 성공적이고, 조만간 치매진단기술 상용화를 통해 고령화 사회의 심각한 사회문제로 대두되고 있는 치매해결에 한 걸음 더 다가갈 것으로 기대된다.”고 말했다. KIST는 치매 혈액 진단용 나노바이오 센서 시스템(황교선 박사)을 개발하여 국내외 대형 병원과 현재 성공적으로 임상 검증 연구를 수행 중이며 연내 기술이전을 통한 상용화를 목표로 하고 있다. 이 기술이 상용화 되면 누구나 편리하게 혈액검진으로 치매를 조기에 진단할 수 있고, 또한 질병 조기 발견을 통하여 병이 중증으로 진행되는 것을 최대한 지연시킴으로 환자가 인간다운 삶을 더욱 길게 누리게 할 수 있다. 무엇보다 중요한 것은 치매환자군 분류를 가능하게 하여 치료 신약 개발연구에 기여를 할 수 있다는 점이다. 본 연구는 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 개방형 연구사업 알츠하이머 치매 혈액 진단 시스템 개발(단장 김태송, Dennis Choi) 과제로 진행되었다. KIST는 국가적 사회현안문제해결 및 신산업 창출을 위한 개방형 연구사업(Open Research Program)을 2013년부터 수행하고 있다. 연구 결과는 ‘Scientific Reports’ 10월호에 ‘Abnormalities of plasma cytokines and spleen in senile APP/PS1/Tau transgenic mouse model’라는 제목으로 10월 27일자 온라인 판에 게재되었다. <그림자료> <그림 1> 베타아밀로이드 검출 뇌척수액 및 혈액 검사 치매가 악화 될수록 혈중 베타아밀로이드 농도가 감소함. <그림 2> 치매 악화에 따른 면역계 내장 기관 이상 생쥐모델에서 치매초기부터 면역계 내장 기관인 비장의 조직이 파괴되고(좌) 비장종대 현상이 나타남. <그림 3> 혈액 내 면역계 단백질 동정 관찰 혈액 내 23종의 면역계 단백질(사이토카인)을 분석한 결과 인터루킨-3(IL-3)의 농도가 치매 초기부터 정상 생쥐에 비해 감소현상을 보임.
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- 작성자뇌과학연구소 김영수 박사팀
- 작성일2015.10.29
- 조회수25200
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조직재생을 촉진하는 신개념 금속임플란트 개발
조직재생을 촉진하는 신개념 금속임플란트 개발 - 배터리 기술을 응용하여 금속이 혈관 생성을 촉진 - 기존 의료용 금속소재에 쉽게 적용할 수 있어 상용화 가능성 높아 의료용 금속소재는 강도가 우수하고 쉽게 깨지지 않는 고유의 성질을 바탕으로 정형외과, 치과, 심혈관계 등 강도와 안정성이 요구되는 전 분야에 걸쳐 인체 내 이식소재로 사용되고 있으나, 체내에서 생화학적인 활성을 기대하기는 어려웠다. 이를 극복하기 위한 방법으로 생화학적인 활성을 부여할 수 있는 세라믹이나 고분자 코팅 등을 많이 사용하지만 금속과의 결합력이 약하여 의료기기의 내구성과 신뢰성을 저하시킬 수 있는 등 제약이 많다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 의공학 연구소 생체재료연구단 옥명렬 박사 연구팀은 기존의 의료용 금속 소재에 간단한 처리만으로 혈관 형성을 유도하여 조직 재생을 촉진하는 기능을 가지는 신개념 금속 기능화 기반기술을 개발했다. 티타늄이나 코발트-크롬 합금과 같은 의료용 금속 소재는 일반적으로 체내에서의 부식을 막아주는 나노미터 두께의 자연 산화막이나 의도적으로 형성시킨 더 두꺼운 산화막으로 덮여있다. 연구팀은 이들 금속의 산화막이 광촉매반응 또는 전기화학적 촉매반응을 통해 적절한 저농도에서 혈관 생성을 촉진한다고 알려져 있는 활성산소를 만들어낼 수 있음에 착안하여 본 기술을 개발하였다. 체내에는 이들 산화막을 촉매로 사용하는 데에 필요한 광원(光源) 또는 전원(電源)이 없다는 문제가 있다. 연구팀은 KIST 생체재료연구단의 대표 발명품인 몸에서 녹는 금속의 주성분인 마그네슘을 활용하여 이 문제를 해결했다. 즉, 의료용 금속소재와 마그네슘을 접촉시켜 배터리와 같은 구조를 만들면 마그네슘의 부식반응으로 생성된 전자가 도체인 의료용 금속 소재의 표면으로 확산되고 산화막 표면에서 산소를 환원시켜 활성산소를 만들어 낼 수 있다는 것이다. 연구팀은 산화막의 두께, 마그네슘과 의료용 금속 소재의 표면적 비율과 같은 재료과학적인 인자를 조절하여 활성산소의 생성 속도를 제어했다. 활성산소의 농도를 조절시켜 가면서 활성산소의 독성은 나타나지 않으면서도 혈관내벽세포는 활성화시키는 최적의 농도를 찾았다. 이를 통해 혈관 생성 촉진을 통한 조직 재생 유도형 의료용 금속의 개발이 가능하다는 것을 세포실험을 통해 확인하였다. 특히, 가능성의 검증에서 멈추지 않고 개발 기술의 상용화를 목표로 정형외과 및 치과에서 많이 사용하는 나사 형태의 시작품을 개발하였다. 이렇게 만들어진 시작품에서도 충분한 농도의 활성산소가 발생하고 그에 따른 혈관형성 촉진 효과를 세포실험을 통해 확인하였다. 개발된 기술의 장점은 오로지 금속과 그 산화막만으로 이루어진 기술이므로 금속 의료기기의 강도를 손상시키지 않고 코팅층의 박리와 같은 신뢰성 관련 문제가 발생하지 않는다는 점이다. 또한 새로운 재료의 개발 없이 기존에 널리 사용되는 의료용 금속소재간의 간단한 조합을 통해 개발한 기술인만큼 제품 인허가에 소요되는 시간을 단축하여 실용화 할 수 있으며 기존 시장 전체를 공략 대상으로 할 수 있다는 장점이 있다. 옥명렬 박사는 “본 기술은 KIST의 금속공학, 촉매화학, 전기화학, 조직공학, 나노공학 등 다양한 분야의 전문가들이 협력하여 개발한 융합기술로 특히 고대병원과의 협력을 통해 상용화를 위한 개발 방향 설정이 가능하였다. 간단한 추가 공정을 통해 기존의 거의 모든 금속 의료기기에 직간접적으로 적용될 수 있어 상용화 되면 경제적 파급효과가 클 것이다.”고 밝혔다. 본 연구는 KIST 의공학연구소 미래원천 연구사업과 플래그쉽 연구사업의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 독일에서 발행되는 화학 분야의 세계적 학술지인 앙게반테 케미 국제판(Angewandte Chemie International Edition) 10월 20일자 온라인판에 게재되었다. * (논문명) Magnesium corrosion triggered spontaneous generation of H2O2 on oxidized titanium for promoting angiogenesis - (제1저자) 한국과학기술연구원 박지민 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 옥명렬 선임연구원 <그림자료> <그림 1> 일차전지 반응을 이용한 활성산소 생성에 대한 개념도. 광원이나 전기 에너지와 같은 외부 자극 없이 오로지 마그네슘의 부식을 통해서 자발적으로 전자와 활성산소를 발생시키는 원리에 대한 설명 (좌). 마그네슘의 산화과정을 통해 만들어진 전자가 티타늄 쪽으로 이동하여, 티타늄 주변의 산소를 환원시켜 과산화수소를 만들게된다 (우) <그림2> 개발된 조직재생용 임플란트 내 활성산소 생성의 전기화학적 평가. 티타늄 주변에서 자발적으로 과산화수소가 발생하는 것을 다양한 전기화학 방법을 통하여서 확인하였음. 특히나 질소가 포화된 용액과 산소가 포화된 용액에서의 특성을 비교함으로써, 활성산소 생성을 확인할 수 있었음. <그림3> 개발된 조직재생용 임플란트에서 발생되는 과산화수소의 농도를 혈관내피세포 배지와 생체유사용액에서 측정. (위) 측정된 농도 데이터를 기반으로, 혈관 내피세포에 임플란트를 30분 동안 도입한 결과, 성장인자가 없음에도 불구하고 현저하게 많은 혈관 네트워크가 생성됨을 확인함. 실제로, 임플란트를 도입하지 않고, 성장인자가 없는 경우 (negative control) 거의 혈관 네트워크가 생성되지 않는 것을 확인할 수 있음. 이는 본 임플란트 기술이 성장인자 없이도 혈관생성을 유도할 수 있다는 것을 나타냄. (아래) <그림4> 앞서 이용한 마그네슘과 티타늄을 하나의 형태로 결합한 “일체형” 임플란트 모형. 앞선 결과와 유사하게, 일체형 임플란트에서도 성장인자 없이 혈관 네트워크가 생성되는 것을 확인함. <그림5> 전체 연구 결과의 모식도. 일차 화학전지 기술을 이용하여, 자발적으로 활성산소가 만들어진 마그네슘-티타늄 기반 금속 임플란트를 개발함. 자발적으로 발생된 활성산소는 조직재생에서 중요한 과정 중에 하나인, 혈관신생능력을 향상시키는 것으로 확인됨.
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- 작성자생체재료연구단 옥명렬 박사, 박지민 연구원 연구팀
- 작성일2015.10.28
- 조회수26843
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독성없이 쉽게 유전자로 암치료하는 siRNA 전달체 개발
독성없이 쉽게 유전자로 암치료하는 siRNA 전달체 개발 - RNA 폴리머 압축기술 개발로 전신주입 안정성 및 생체독성 부작용 해결 - 암세포내에서 siRNA로 전환할 수 있는 지능성 약물전달체 제조해 암유전자 억제효율 최대화 세포가 외부 단백질을 억제해 스스로를 보호하는 작용인 ‘세포 청소’는 생명을 유지시키는데 필수적이다. 세포의 자정능력으로도 알려져있는 세포 청소에는 micro RNA, siRNA(small interfering RNA)와 같은 청소부들이 유전자의 발현을 억제시켜 불필요한 단백질을 없앤다. 국내 연구진이 이러한 siRNA를 활용해 약물을 전달하는 동시에 암세포를 청소할 수 있는 신개념 RNA를 만들었다. 기존 RNA 약물에 쓰였던 독성물질을 사용하지 않아 독성 문제가 없고, 혈관에서 안정적이라 정맥주사로 치료제 투여가 가능해, 힘들고 부작용이 컸던 항암 치료에 활용될 경우 효과가 높을 것으로 보인다. 유전자를 활용한 암치료에 새로운 패러다임을 제시하였다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 의공학 연구소 안형준 박사 연구팀은 “RNA 중합효소로 합성된 RNA 폴리머를 기반으로 하는 신개념의 siRNA 전달체를 제조하고 이를 암 유전자 치료에 활용하는 기술을 개발했다”고 밝혔다. 세포가 스스로 자정작용을 하는 RNAi(RNA interference) 현상을 이용한 유전자 조절기술은 생체 대사 조절에 필요한 단백질 생산을 효과적으로 줄일 수 있는 장점이 있다. 그러나 단백질을 생산하는 표적세포까지 siRNA를 전달하는 기술 개발이 부진해 암과 같은 난치성 질환에 응용하기 어려웠다. 또한, 기존 siRNA 약물은 세포수준에서 유전자 발현을 억제해 암 세포의 증식을 막는 효과는 크지만 독성이 높은 합성물질을 사용해 동물모델에서 면역 시스템의 문제를 일으키고 암에만 선택적으로 작용되지 않는 단점이 있었다. 연구진은 혈액내의 핵산분해효소에 영향을 받지 않고 정맥주사로 쉽게 siRNA를 안정적으로 전달하기 위해 물과 섞이지 않는 소수성 콜레스테롤 분자를 이용한 RNA 폴리머 압축기술을 개발했다. 또한 건강한 조직은 건드리지 않고, 암조직으로만 약물 전달이 가능한 특정분자 코팅법을 고안하여 RNA 전달체를 제조하였다. 연구진은 DNA-콜레스테롤 및 DNA-폴레이트와의 순차적인 염기쌍을 형성한 물질을 siRNA 표면에 표시하여 siRNA를 제조하였다. 이렇게 만들어진 신개념 siRNA 전달체는 잠재적 면역독성 문제를 지니는 합성양이온을 사용하지않아 면역독성으로부터 자유롭고 혈액내에 핵산분해효소들의 공격으로부터 안정한 특징을 가지게 된다. 뿐만 아니라, 그 자체가 암 선택적 항암약물 전달체이면서 동시에 항암약물이 작동하는 전단계로서의 물질로서의 항암치료효과를 나타내게 되는 이중적 기능을 가진 siRNA가 된다. 신개념 RNA 압축기술은 RNA 밀도를 10배 이상 높여 실질적으로 생체적용이 가능한 나노사이즈 크기의 나노파티클 제조가 가능하였으며 동시에 고밀도의 siRNA 서열 탑재가 가능하였다. 본 연구팀이 개발한 RNA 폴리머 기반 약물전달체는 암세포에 도달하기 전까지는 전달체 기능을 수행하다가 암세포에 도착한 후에는 세포내의 특정 효소작용을 이용해 siRNA 약물로 전환된다. 개발한 약물은 화학적 합성법이 아니라 RNA 중합효소로 합성된다는 점에서 기존 약물 보다 수백 배 이상의 저렴한 비용으로 생산이 가능하고 이는 향후 유전자 치료제로서의 적용가능성을 높일 것으로 예상된다. 본 연구를 수행한 KIST 테라그노시스 연구단의 안형준 박사(교신저자)와 장미희 박사(제1저자)는 “개발한 기술은 생체내 약물을 전신주입 했을 때 발생하는 기존 문제점들을 해결하여 유전자 치료제의 효과가 암세포에서 집중적으로 나타나기 때문에 효과적이다”며 “암의 성장, 전이 및 약물 내성과 관련해 유전자를 활용한 치료제 개발 가능성을 높여 주었다.”고 연구의 의의를 밝혔다. 본 연구는 미래창조과학부 GiRC 시범사업, 보건복지부 암정복추진연구개발사업 및 KIST 미래원천 의공학기술개발사업의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 Nature Communications에 8월 6일(목)일자 온라인판에 게재되었다. * (논문명) Design of a platform technology for systemic delivery of siRNA to tumours using rolling circle transcription - (제1저자) 한국과학기술연구원 장미희 박사 - (교신저자) 한국과학기술연구원 안형준 박사 <그림자료> <그림 1> RNA 중합효소를 이용한 RNA 폴리머 합성, 소수성 분자 및 특정표적 분자의 순차적 염기쌍 형성을 통한 나노파티클 제조 개념도. 신개념의 양친매성 RNA 폴리머를 디자인하여 수용액상에서의 자가조립현상이 가능하도록 하였고 궁극적으로 마이크로미터 크기의 RNA 폴리머를 나노미터 크기로 압축하여 세포투과, 생체 정맥주입, 암조직으로의 선택적 전달이 가능하도록 하였다. <그림2> 동물암모델에서의 정맥 주입을 통해 siRNA 전달체가 암조직에 선택적으로 전달됨을 보여주는 형광 이미지. 실시간 형광 이미지(a)와 48시간 이후에 적출된 장기조직에서의 형광 이미지(c)는 siRNA 전달체가 효과적으로 암조직에 선택적으로 축적됨을 보여준다. <그림3> 특정 형광단백질이 표현되는 동물암모델에서 siRNA 전달체가 특정 형광단백질 유전자의 발현을 억제한다는 것을 보여주는 형광영상 이미지. 정맥주입한 후 암조직에서의 특정 형광단백질이 발현되는 것이 효과적으로 억제됨을 형광 영상이 나타내고 있으며, 그렇지 않은 동물의 암조직에서는 특정 형광단백질의 발현이 증가되고 있음을 나타내고 있다.
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- 작성자의공학연구소 안형준 박사팀
- 작성일2015.08.20
- 조회수27424
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니코틴 중독, 뇌의 작은 RNA 네트워크가 이유
니코틴 중독, 뇌의 작은 RNA 네트워크가 이유 -흡연에 의한 중독현상의 치료 및 재발 방지에 마이크로RNA 이용가능성 제시 흡연으로 인한 니코틴 중독은 개인의 건강 문제뿐만 아니라 중독 치료를 위한 사회적 비용과 노력이 요구되는 중요한 문제이다. 국내 연구진이 뇌의 마이크로RNA 네트워크를 분석해 니코틴이 중독되는 현상의 원리를 밝혀 니코틴 등 약물 중독치료 연구에 청신호가 켜졌다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 신경과학연구단 임혜인 박사팀은 인간의 흡연과 유사하게 생쥐의 니코틴 중독을 일으키는 행동실험 장비를 이용하여 니코틴에 중독된 생쥐 뇌의 마이크로RNA와 유전자를 통합적으로 분석해, 뇌의 하베뉼라 부위에 위치한 마이크로RNA가 중독에 관여하는 원리를 밝혔다. 뇌속의 해마 (hippocampus) 바로 밑에 위치하는 아주 작은 부위인 하베뉼라 (habenula) 영역은 흡연 시 니코틴에 의한 보상작용이나 금단현상에 관여하는 것이 최근 연구보고로 알려져 있으나, 이러한 현상이 어떠한 기전으로 이루어지는지는 명확히 알려져 있지 않았다. 연구진은 사람이 스스로 흡연하는 것과 유사하게 생쥐가 스스로 니코틴을 투여할 수 있도록 만들어진 행동 실험 장비에서 니코틴에 중독된 생쥐 모델을 만들었다. 그리고 니코틴의 농도를 달리했을 때 생쥐의 니코틴 투여량을 비교했다. 이후, 뇌에서 하베뉼라 영역을 분리하여 마이크로RNA와 유전자의 변화를 니코틴을 투여하지 않은 대조군과 비교하였다. 생쥐는 행동 실험 장비 내에서 버튼을 누르면 정맥에 연결된 관을 통해 니코틴이 몸속으로 들어오게 된다. 이 방식은 기존의 연구자에 의한 약물 주사 방식과는 달리 생쥐가 자발적으로 니코틴을 투여한다는 점에서 인간의 흡연과 유사한 방식으로 니코틴 중독을 일으킨다. 연구진은 하베뉼라 부위의 유전자를 통합적으로 조사했고 그 결과 변화가 두드러지는 유전자들을 확인할 수 있었다. 이러한 유전자는 신경영양인자(neurotrophin), 칼슘 시그널링 경로 등에 관계된 유전자들로 기존 다른 연구에서 흡연 중독 현상과 밀접하다고 보고된 유전자들이다. 또한 이러한 변화가 유전자 발현 조절인자인 마이크로RNA에 의한 것이라는 사실을 확인하였다. 마이크로RNA는 주로 유전자 발현을 억제하는 기능을 하므로, 마이크로 RNA가 증가하면 유전자는 감소하게 된다 (그림2 참고). 이 결과를 바탕으로 마이크로RNA와 유전자의 변화 사이의 상관관계를 확인했으며, 니코틴에 중독되는 현상과 연계되어 있음을 확인하였다. 본 연구는 니코틴 중독 현상에 마이크로RNA에 의한 유전자 조절현상이 관여하고 있음을 밝힌 것으로, 니코틴 외의 다양한 중독현상의 치료나 금단현상 방지를 위한 치료 등에 마이크로RNA가 이용될 수 있다는 가능성을 제시했다. 특히, 크기가 작은 마이크로RNA는 약물 전달 물질에 삽입하여 체내로 전달이 용이하다고 알려져 있어서 약물치료제 개발에도 활용도가 높을 것으로 보인다. KIST 임혜인 박사는 “최근 담배값의 상승과 더불어 담배중독 및 금연에 대한 관심이 급격히 증가하고 있지만 담배중독 (니코틴중독)의 원인이나 치료법이 확실하지 않았는데, 이번 연구결과를 통해 새로운 담배중독의 원인과 치료 방법 개발의 근간을 만들었다.”고 연구 의의를 밝혔다. 연구결과는 과학 학술지인 사이언티픽 리포트 (Scientific Reports)에 08월 11일자로 게재되었다. * (논문명) Integrated miRNA-mRNA analysis in the habenula nuclei of mice intravenously self-administering nicotine - (제1저자) (한국과학기술연구원 뇌과학연구소 신경과학연구단) 이상준 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 뇌과학연구소 신경과학연구단 임혜인 선임연구원 <그림자료> 1. 실험용 생쥐에서 니코틴을 스스로 투여하는 행동장치 (사람에서 자의에 의한 흡연을 가장 가깝게 모방할 수 있는 설치류 행동장치)로 다양한 니코틴의 농도에 따라 체내로 투여되는 니코틴의 양이 어떻게 변화하는지를 실험한 결과이다. 실험용 생쥐가 니코틴에 중독되는 과정에서 니코틴에 의한 자극에 둔감해지게 되어 체내로 투여되는 니코틴 농도가 높아져도 니코틴 투여량을 줄이지 못한다. 참고적으로, 중독이 되지 않은 생쥐의 경우 니코틴 농도가 높아짐에 따라 발생되는 부작용 (메스꺼움, 발작 등) 때문에 투여량을 줄이는 것이 일반적이다. 2. 다양한 종류의 마이크로RNA(윗줄)와 유전자(아랫줄)가 증가(붉은색)하거나 감소(초록색)하는 것을 마이크로어레이 실험을 통해 확인하였다. 마이크로RNA의 조절 작용에 의해 유전자와 반비례양상을 띄며 변화한다.
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- 작성자신경과학연구단 임혜인 박사팀
- 작성일2015.08.12
- 조회수15440
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휠 수 있는 얇은 태양전지, 금속 나노잉크로 값싸고 친환경적으로
휠 수 있는 얇은 태양전지, 금속 나노잉크로 값싸고 친환경적으로 - 기존 나노잉크 공정의 유기물 분산제 사용 없이 안정적인 나노 잉크 제조 - 저비용, 고효율 박막태양전지 상용화 가능성 열어 - Journal of Materials Chemistry A 표지논문 선정 나노잉크를 프린팅하는 제작기법을 사용해 얇은 막 모양의 형태로 건물이나 웨어러블 기기에 사용이 가능한 박막태양전지를 값싸게 만들 수 있는 공정이 개발되었다. 고가의 진공 장비나 독성 분산제를 사용하지않아 친환경적이고 저가의 박막태양전지 개발이 가능해졌다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 이도권(광전하이브리드연구센터)박사팀은 금속 나노잉크 프린팅 공정으로 제조비용을 절감하면서도 효율이 높은 박막태양전지를 제조할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 박막태양전지는 현재 가장 많이 쓰이는 실리콘 계 태양전지에 비해 자유롭게 형태를 변형할 수 있고 가벼워서 건물, 휴대용, 웨어러블 기기 등으로 응용처가 크게 확장될 것으로 기대된다. 그러나 박막태양전지 제조에는 보통 고가의 반도체 공정에 쓰이는 진공 장비가 사용되기 때문에 제조 단가 절감에 어려움이 있다. 연구진이 개발한 나노잉크 프린팅 공정은 기존의 박막태양전지 제조 공정에 사용되는 고가의 진공 장비가 필요 없고 유연한 기판을 이용하는 연속공정에 적용 가능하므로 공정비용이 저렴할 뿐 아니라 대량생산에 적합한 장점이 있다. 기존의 나노잉크 기술에서는 나노입자가 서로 엉기는 현상을 막고 치밀한 코팅 막을 얻기 위해 비싸고 독성이 있는 유기물 분산제를 첨가해야하고, 프린팅 후 고온 공정을 거쳐 유기물을 다시 분해해야했다. 또한, 유기물이 완전히 분해되지 않을 경우 박막에 남는 탄소 잔유물이 태양전지 성능을 저하시키는 단점이 있었다. 이도권 박사팀은 친환경적인 에탄올 용매 이외에는 어떤 유기물도 첨가하지 않고 세라믹 볼을 회전시켜 얻은 기계적 에너지만으로 나노입자를 균일하게 분산시키고 이를 치밀한 박막 형태로 만드는데 성공했다. 제조된 나노잉크는 대기 중에서 최소 한 달 이상 안정한 상태를 유지해 기존 유기물 분산제를 사용한 나노잉크와 비교해 우수한 안정성을 나타냈다. 특히, 나노잉크의 재료로 구리-인듐 계 금속 나노입자를 사용함으로써, 금속 원자들이 셀레늄과 만나 화합물을 이루는 과정에서 일어나는 부피 팽창을 적극적으로 이용하여 표면에 구조 결함이 없는 고품질의 구리-인듐-셀레늄 (CIS) 박막태양전지를 제조했다. 그 결과, 연구팀은 유사한 화합물로 구성된 저가형 태양전지 중 가장 높은 광 변환 효율인 11.4%를 달성하였다. 현재 박막태양전지의 시장 규모는 약 3 조로 개발한 공정을 활용할 경우 최대 30%의 제작비용 감소 효과가 있다. 또한 광변환 효율을 15%까지 올리게 되면 휴대용 전자기기의 이동용 전원 등으로 활용이 가능할 것으로 보인다. 이도권 박사는 “유기물 분산제를 사용하지 않고 고품질의 박막을 형성할 수 있는 나노잉크 제조 기술은 그동안 사례가 없었던 일이다”며“박막 반도체의 밴드갭 조절 등을 통해 효율 향상의 여지가 충분하기 때문에 저비용, 고효율 박막태양전지의 구현을 한층 앞당길 수 있을 것으로 기대된다 ”고 말했다. 이번 성과는 KIST-UNIST-울산시 융합 신소재 연구센터 및 KIST 미래원천사업의 지원으로 UNIST 송명훈 교수팀과의 공동연구로 이루어졌으며, 에너지 분야 Journal of Materials Chemistry A에 8월 21자 표지논문으로 선정되었다. * (논문명) High-density Cu In intermetallic nanocrystal layers: towards printable CuInSe2 solar cells with high efficiencies - (제1저자) 한국과학기술연구원 광전하이브리드연구센터, 과학기술연합대학원 대학교(UST) 석사과정 이병석 학생연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 광전하이브리드연구센터 책임연구원 이도권 <그림자료> 1. Journal of Materials Chemistry A지 2015. 8. 21일자 표지에 사용된 이미지: 금속 나노결정으로부터 제조한 나노잉크를 펴 발라 구리-인듐-셀레륨 화합물 박막태양전지를 제조하는 과정을 표현한 그림.
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- 작성자광전하이브리드연구센터 이도권 박사팀
- 작성일2015.08.11
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손으로 느끼고 조작하는 실감나는 가상현실이 온다
손으로 느끼고 조작하는 실감나는 가상현실이 온다 - 카메라형 센서로 가상현실과 실제 공간을 일치시켜 여러 사용자간 확장공간 공유 및 상호작용 - 보급형 평면 입체 디스플레이 환경에서 입체가상물체를 실제 물체처럼 보고 맨손으로 조작 서로 멀리 떨어진 곳에 있는 사람들이 하나의 가상공간에서 가상물체를 실제처럼 보고 손으로 직접 조작할 수 있는 기술이 국내연구진에 의해 개발되었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 로봇연구단 박정민 박사팀은 가상공간과 실제 공간간의 차이가 5mm로 몰입감이 우수한 가상현실공간을 개발했다. 이는 세계 최고수준으로 알려진 기존 기술의 공간 차이가 10mm 였던 것을 대폭 개선한 것으로 한층 더 높은 몰임감으로 현실처럼 가상물체를 조작할 수 있게 되었다. 보편적으로 사용되는 평면 입체 디스플레이를 이용함으로써 다양한 가상현실공간의 응용에 손쉽게 사용할 수 있으므로 기술활용도가 매우 높을 것으로 기대되며, 가상물체를 실제 물체처럼 직접 손으로 조작(잡기, 들기, 움직이기 등)하는 기술은 훈련 및 교육 어플리케이션이나 의료용 시뮬레이터 등 다양한 응용분야에서 직관적인 사용자 인터페이스로 활용될 것으로 기대된다. 현실에 있는 사용자가 가상공간의 물체를 현실과 동일한 수준의 몰입감으로 조작하기 위해서는 현실공간과 가상공간을 통합하는 기술이 필요하다. 현실공간과 가상공간을 하나로 통합하는 기술은, 사용자가 영상을 보는 평면 입체 디스플레이와, 사용자간의 상호작용을 위하여 사용자움직임을 감지하는 카메라형 센서의 위치를 추정하는 기술이 핵심이다. 연구진은 거울을 이용해 디스플레이를 비추는 영상을 얻고 각각의 센서-디스플레이 쌍에 대해서 거울을 이용한 센서변수 및 자세를 추정해 현실공간과 가상공간이 일치하는 정합결과를 얻는 기술을 개발했다. 특수한 장치로 고안된 가상공간과 현실공간을 통합하는 예는 기존에 있었으나, 특정한 입출력장치로 구성된 시스템에서 제한된 공간에서만 사용할 수 있는 한계가 있었다. 때문에 가정과 산업현장에서 보편적으로 사용하기 어려웠다. 반면, 평면 입체 디스플레이와 RGBD 센서인 키넥트(Kinect)를 사용, 색상(color)과 깊이(depth)를 이용하는 본 기술은 가상공간 구성 비용이 저렴하고 보급형 출력장치인 3D TV와 같은 평면입체디스플레이를 사용하므로 손쉽게 몰입형 가상공간을 구축할 수 있는 장점이 있다. 또한, 현실처럼 가상공간에서 상호작용이 가능하고 몰입감이 뛰어나 산업용으로나, 일반 사용자용 및 다양한 새로운 서비스 창출이 가능할 것으로 예상된다. 개발한 기술은 네트워크를 통해 여러 사용자가 하나의 확장공간을 공유하여 같은 가상 물체와 동시에 사용할 수 있도록 하였다. 연구진은 본 기술을 사용하면 가상 물체를 직접 접촉하고 조작하는 것이 필요한 응용의 전 분야에 활용이 가능하다고 밝혔다. 예를 들면 체험형 교육, 3D 관광 안내지도, 3D 인터랙티브 광고, 가상 실감 쇼핑몰, 가상 체험전자 전시나 안내물, 장치 매뉴얼 등 다양한 분야에서 새로운 서비스를 제공할 수 있다. 또한 가상현실에서의 콘텐츠를 제어하는데 마우스 대신 맨손으로 사용할 수 있어 더욱 실감나는 물체조작 환경 구축에 응용이 가능하다. 이 연구는 미래창조과학부 ‘현실과 가상의 통합을 위한 인체감응솔루션’ 글로벌 프런티어사업의 지원으로 개발되었으며 관련기술은 국내/외 특허가 등록(각 1건)되었고 국외출원(1건), 국내 특허 출원(1건)을 마쳤다. 연구책임자인 박정민 박사는“이미 널리 보급된 입출력 장치를 사용하므로 다양한 가상현실 관련 산업을 견인하는 기술파급효과가 클 것으로 예측되며, 네트워크를 통해 연결함으로써 멀리 떨어진 곳에 있는 사람이 실제처럼 만나서 함께 일하고 재미있게 놀이할 수 있는 새로운 공간이 마련되므로 신서비스 창출에 기여할 수 있을 것”이며, “손으로 직접 조작할 수 있는 기술 개발로, 누구나 손쉽게 사용할 수 있어서 웨어러블 인터페이스에서 한걸음 나아가 가상공간환경의 다양한 어플리케이션에서 가상물체를 다루는데 손쉽게 사용할 수 있는 차세대 인터페이스로 자리매김할 수 있을 것”이라고 연구의의를 밝혔다. <그림자료> 그림 1. 평면 입체 디스플레이와 카메라형 센서 간의 정합 가상공간을 나타내기 위해서는 출력장치가 필요하고 가상공간과 상호작용하기 위하여 사용자의 모습을 감지하는 입력장치가 필요하다. 본 개발에서는 출력장치로 평면입체 디스플레이를 사용하였으며, 가상공간의 범위(좌, 우)를 넓히기 위하여 예를 들면 위의 그림과 같이 좌측, 아래측으로 연결하여 구성하였다. 사용자의 모습을 감지하기 위한 센서로 깊이카메라(RGB-D)를 사용하였다. 두 종류의 입출력장치는 모두 사용자를 향하여 놓임으로 디스플레이가 제시하는 정보를 입력장치인 깊이카메라는 관측할 수 없다. 따라서 공간의 어느 부분에서 어떤 가상 물체를 조작하는지 알 수 없기때문에 디스플레이의 정보를 센서에서의 정보로 직접적인 변환하는 것이 불가능하다. 따라서 다수의 디스플레이와 다수의 센서를 통합된 하나의 좌표계에서 표시하는 기술이 필요하다. 그림 2. 다수 평면입체 디스플레이와 다수 카메라형 센서간의 정합 방법 개발 디스플레이의 영상을 센서가 볼 수 없으므로 거울을 이용하여 가시성을 확보하고 좌표계를 통합 표현하기 위하여 다수 센서-디스플레이 사이의 통합 비선형 최적화 방법을 고안하였다. 그림 3. 다수 센서와 다수 디스플레이를 이용한 몰입형 가상현실 다수의 디스플레이를 통해 출력되는 입체 가상공간과 다수의 센서로 감지되는 현실공간을 하나로 통합함으로써 다수 디스플레이를 통해 사용자에게 넓은 가상공간 영역에서 가상 물체를 현실과 같이 직접 조작할 수 있음을 보인다. 본 기술을 통해 현실공간과 가상공간이 잘 대응되어 있어서 공간 상에서 정밀한 제어가 필요한 젱가블럭놀이를 맨손으로 가상공간에서 실감나게 할 수 있음을 보인다.
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- 작성자로봇연구단 박정민 박사팀
- 작성일2015.08.04
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나노구멍으로 세포 조절, 기능성 강화된 생체재료 제작
나노구멍으로 세포 조절, 기능성 강화된 생체재료 제작 - KIST, 레이저공정을 이용한 나노표면으로 세포의 부착, 이동방향 조절 - 생체재료 표면에서의 세포 반응 규명, 차세대 기능성 인체이식 의료기기 개발에 적용 생체이식 소재연구는 몸속에서 안전하고, 생체에 안정적으로 이식이 가능해야하며, 주변 조직에 기능적으로 어떤 영향을 미치는 지가 중요한 이슈이다. 국제 연구진이 특수 레이저를 이용하여 생체이식 소재의 표면을 조절해 기능성을 강화할 수 있는 세포 조절 나노패터닝 기술을 개발했다. 기능성 생체재료는 인체에서 분해되는 금속이나 고분자, 약물 전달을 위한 고분자 코팅 등에 한정되어 사용할 수 있는 소재가 제한적이다. 생체 이식용으로 가장 많이 활용되고 있는 타이타늄과 같은 소재는 우수한 기계적 강도를 갖고 있지만, 인체 조직의 활성과는 관련이 없는 소재이다. 연구진이 개발한 레이저 패터닝 기술을 활용하면 다양한 생체재료 소재의 표면을 기능화하여, 인체에 활성을 가지지 않는 소재들도 생체기능성 소재로서 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 개발기술을 활용하면 생체재료의 부작용을 최소화하는 인공수정체와 혈관스텐트, 부러진 뼈를 고정할 뿐 아니라 뼈재생까지 촉진하는 임플란트 등의 개발이 한층 앞당겨질 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 의공학연구소 생체재료연구단 전호정 박사는 미국 버클리 캘리포니아 주립대(UC Berkeley) 기계공학과 코스타스 그리고로폴러스(Costas Grigoropoulos) 교수와 재료공학과 케빈 힐리(Kevin Healy) 교수팀과의 공동연구를 통해 펨토초 레이저를 이용하여 만든 1마이크로미터(백만분의 1미터) 미만의 나노구멍 패턴을 이용하여 재료 표면에서의 세포 성장과 운동을 조절하는 메커니즘을 규명하는데 성공했다고 밝혔다. 우리 몸을 구성하는 기본 단위인 세포는 혈액 속에 떠다니는 혈관 세포를 제외하고는 대부분 이웃하고 있는 세포나 세포주변을 감싸고 있는 조직의 표면에 부착하여 생존하거나 기능을 발현하게 된다. 임플란트와 같은 생체재료를 이식했을때도 마찬가지로 세포가 와서 붙게 된다. 이때 세포는 사람의 발과 비슷한 역할을 하는 초점 접착역(Focal Adhesion)의 형태를 통해 생체재료 표면에 부착되고 이를 통하여 외부의 물리, 화학적 신호를 받아들인다. 연구진은 생체 재료 표면에 나노구멍을 만들고 그 크기와 간격을 바꾸어 실험한 결과 나노구멍이 세포의 초점접착역에 영향을 미칠 수 있다는 점을 발견했다. 연구진은 단일 레이저 펄스의 폭이 100 펨토초(10-15초)인 레이저를 이용하여 직경이 500에서 1000 나노미터이면서 깊이가 500 나노미터인 나노구멍으로 이루어진 표면을 제작하였다. 나노구멍 간격을 조정하면 세포가 붙지 않는 표면을 만들거나, 세포를 특정한 장소로 몰아서 세포들이 띠모양, 원모양 등으로 그룹을 형성하도록 유도할 수 있다. 이러한 재료표면 제어를 통해 임플란트 표면에 세포가 붙지 않게 하거나 선택적으로 세포를 붙게 할 수 있다. 또한 패턴으로 인한 물리적 자극으로 임플란트 주변조직의 재생을 억제하거나 촉진시킬 수가 있다. 세포는 살아있는 생명체로서 주변 환경에 반응하여 스스로 살기에 더 적합한 환경 혹은 자신의 역할이 필요한 곳으로 이동하는 경향을 보인다. 세포는 일반적으로 초점접착역의 부착에 관여하는 단백질의 농도가 높고, 부착한 표면이 더 단단한 곳으로 이동한다고 알려져 있다. 연구진이 개발한 방법은 기존에 알려져 있는 세포 이동 조절인자 외에 레이저로 나노구멍을 만들어 세포의 이동 방향을 조절하는 기술로, 기존 기술과 달리 실제 인체에 삽입하는 임플란트 표면에 적용하기가 용이하여 기능성 임플란트의 상용화에 쉽게 적용될 수 있다. 또한, 연구진이 개발한 나노구멍 패터닝 기술은 펄스폭이 아주 작은 특수한 펨토초 레이저를 사용하기 때문에 고분자, 세라믹, 금속 표면에 모두 적용이 가능하며, 유해한 화학물질 사용없이 나노구멍의 크기를 조절해 인체에서 안정적이라는 장점이 있다. 인공수정체나 혈관스텐트와 같이 세포의 과다 증식으로 후속 질환이 발생하는 소재에 적용하여 세포 증식을 억제하는 기능성 생체재료를 만들 수 있고, 뼈 고정용 임플란트 표면에 활용하여 뼈 재생을 촉진시킬 수 있는 기능화된 의료기기 제작도 가능하다. 공동 제 1저자인 KIST 전호정 박사는 “개발한 기술로 다양한 차세대 기능성 인체이식 의료기기 개발이 가능할 것으로 보인다”며, “세포의 부착 특성은 세포의 분화 및 증식과도 연관이 높기 때문에 후속연구를 통해 줄기세포의 분화능력은 유지한 채, 세포의 양을 늘리는 배양 기술이 필요한 줄기세포 치료제 등의 생산에도 활용이 가능하다.”고 밝혔다. 본 연구는 미국 NIH(National Institute of Health, 국립보건원) 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 네이처 머티어리얼즈 (Nature Materials)에 7월 27(월)일자 온라인판에 게재되었다. *(논문명) Directing cell migration and organization via nanocrater-patterned cell-repellent interfaces - (공동 제1저자) (한국과학기술연구원) 전호정 박사, (UC Berkeley) 구상모 박사과정 - (공동 교신저자) (UC Berkeley) Costas Grigoropoulos 교수, (UC Berkeley) Kevin Healy 교수 <그림자료> <그림1> 펨토초 레이저 공정을 이용하여 만든 나노구멍. (a) 렌즈 선택에 따른 다양한 종횡비를 가지는 나노구멍을 보여주며, (b) 나노구멍 패턴을 보여주는 SEM 이미지 및 (c, d) 레이저의 펄스 에너지에 따른 나노구멍 크기를 보여준다. <그림 2> (a) 간격 구배를 갖는 나노구멍 패턴 디자인과 (b-f) 패턴 위에 세포를 배양했을 때 처음에는 표면 전체에 붙는 듯 하지만, 배양 시작후 5시간 뒤부터는 세포가 이동성을 보이기 시작하여 15시간 이후에는 확연하게 세포가 붙은 영역과 붙지 않는 영역을 보여준다. 나노구멍 간격이 촘촘한 영역에 붙어있던 세포들은 간격이 넓은 영역으로 경향을 띄면서 이동하는 모습을 보인다. <그림 3> (a) 간격 구배를 갖는 나노구멍 패턴 위에 붙어있는 세포의 모습 (b) 패턴 위에서 자라는 세포는 그림a의 가로축을 기준으로 45도 방향으로 이동하는 방향성을 보이지만, (c) 패턴이 없는 곳의 세포는 이동에 경향성을 보이지 않는다. (d) 패턴 위의 세포를 형광 염색해서 현미경으로 관찰하였을 때, (e) 나노구멍 위에 붙어있는 세포의 초점접착역은 안정화되지 못하고 나노구멍을 피해서 작은 크기로 형성되는 반면, (f) 패턴이 없는 곳의 세포는 길쭉한 형태의 안정된 초점접착역을 보여준다. <그림 4> 나노구멍 패턴을 이용하여 세포들을 (a) 띠 형태, 혹은 (b) 원형으로 패터닝 할 수 있다.
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- 작성자생체재료연구단 전호정 박사
- 작성일2015.07.28
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2차원 나노소재 형성 메카니즘 규명
2차원 나노소재 형성 메카니즘 규명 - 차세대 물질로 주목받고 있는 그래핀 및 2차원 소재에 대한 성장 메카니즘 정밀 분석, 정량적 데이터 제시 및 통합 합성 방정식 유도 - 금속 촉매 도움 없이, 저온에서, 직접 절연촉매 위에 그래핀 성장을 가능하게 해 주는 γ-Al2O3 기판 소재 개발 - 이러한 분석과 개발을 통해, 맨손으로 공정이 가능한 ‘그래핀 스티커’ 개발 현재 반도체 기술은 처리 능력 향상을 위해 소자 밀도가 높아지면서 단위 면적당 전력 수요가 증가함에 따라 기하급수적으로 증가하는 열처리 문제 때문에 소자의 성능을 제대로 구현할 수 없는 한계에 도달하였다. 이를 해결하기 위해, 기존 반도체 소자 물질인 실리콘을 대체하는 월등한 전기적 특성을 가지면서 저전력 고효율 물질인 2차원 나노 소재인 그래핀에 대한 연구가 활발하다. 그러나 2차원 소재가 실질적, 정량적으로 어떻게 성장하는지에 대한 메카니즘이 규명되지않아 기존 연구들이 한시적, 산발적으로 그치게 되었고, 결국 연구 결과들 간의 상호 상승효과(synergistic effect) 또한 극대화 되지 못하고 있는 실정이다. 국내 연구진이 2차원 소재가 성장하는 메카니즘을 밝히고 대면적 그래핀을 합성하는데 성공했다. 다양한 2차원 나노 소재 성장을 위한 새로운 촉매 및 성장법 연구와 새로운 나노 소재의 개발에 실질적으로 활용이 가능할 것으로 보인다. 한국과학기술연구원 (KIST, 원장 이병권) 광전소재연구단 송용원 박사 연구팀은 나노 소재의 합성 적용이 가능한 2차원 나노 소재의 합성 메카니즘을 수학적으로 유도하였으며, 이를 정량적으로 규명하였다. 연구진이 개발한 메카니즘은 이것이 적용되는 성장 환경, 촉매 기판, 전구체를 함수로 넣어 최종적으로 합성 될 2차원 소재의 정량적 형태를 정확히 예측할 수 있다. 그래핀을 이용하여 이를 증명한 연구팀은, 이를 기반으로 하여 새로운 비금속 절연 기판 소재인 γ-Al2O3 (감마상의 알루미나) 기판을 그래핀 합성을 위한 촉매이자 기판으로 개발, 응용하여 그래핀을 금속 촉매 없이 직접 절연 기판 위에 합성하는데 성공하였다. 또한 이렇게 γ-Al2O3 기판 상에 합성된 그래핀은 추가적인 금속촉매 제거공정 없이 바로 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 Cu(구리)와 Ni(니켈) 촉매를 사용하여 합성된 그래핀 보다 우수한 특성들을 가진다는 것을 증명하였다. 2009년에 전이금속 촉매를 활용한 균일한 대면적 그래핀 합성법이 개발된 이후, 비금속 촉매 기판으로 그래핀을 대면적으로 균일하게 합성한 예는 아직까지 없었다. 그런데 이 방법은 그래핀을 합성한다고 하더라도 그래핀만을 금속 촉매에서 분리하기 위해 용액 기반의 전사 공정을 거쳐야 해서 비용이나 환경적 측면에서 많은 단점이 있고 대면적으로 균일한 크기의 그레인1)으로 그래핀을 성장시키는데 한계가 있었다. 게다가 현재까지는 이러한 문제가 촉매 기판 자체의 한계로 인한 것인지, 아니면 성장 조건의 최적화 문제인지에 대한 판단의 기준도 없었다. 연구진이 수학적 유도를 통해 밝힌 메카니즘에 따르면 기존의 그래핀 합성에 대한 문제들을 모두 해결할 수 있게 되었다. 또한 촉매 기판에 합성시킬 그래핀의 형태를 정량적으로 예측할 수 있게 되었다. - 연구진이 수학적으로 유도한 2차원 나노 소재의 일반적인 형성 메카니즘은 시스템에 주입한 탄소 전구체의 종류, 압력, 촉매 기판의 정보로부터 탄소 전구체가 수소를 잃으면서 촉매 기판 위에 공급되는 탄소 원자량을 바탕으로 한다. 이러한 과정에서 생성된 탄소 원자가 기판 표면으로부터 떨어져 나가는 확률과 표면 확산2)을 통해 무사히 다른 탄소 원자 또는 다량체3)와 만나 이량체4)를 형성하거나, 그래핀 핵이 형성되고 성장하는 확률, 그리고 그래핀 그레인으로부터 탈착되는 확률에 대한 비율 평형 방정식 (balance rate equation)을 바탕으로 세워졌다. 그리고 연구 결과 촉매 기판의 촉매적 활성화 사이트 (catalytic active site)가 온도에 따라 변화되는 점을 착안하여 유도된 메카니즘 식을 보정하였다. 연구진이 개발한 매커니즘으로 예상한 그래핀 합성결과와 실제 그래핀의 합성 결과는 저온공정에서 고온공정, γ-Al2O3 촉매 절연기판, Cu와 같은 전이 금속 촉매 기판 모두에서 그래핀의 성장 결과가 정확히 일치하였다. 이러한 결과식을 시간에 따라 풀면, 온도에 따른 초기 핵형성 방정식 (initial nucleation rate)부터, 그레인의 성장 속도, 최종적으로 성장될 그레인 크기, 표면 점유율 (surface coverage) 등을 구할 수 있다. 그리고 이 연구 과정에서 새롭게 개발된 절연촉매 기판인 γ-Al2O3 기판은 (1) 다른 금속 촉매의 도움 없이 그래핀을 합성할 수 있으며, (2) 기판 자체가 전사 공정이 필요 없는 절연기판이기에 합성된 상태에서 바로 사용가능하다. 또한 (3) 그래핀 형성의 속도결정단계 (rate-determine step)의 활성장벽5)이 낮아 이론상의 그래핀 합성 최저 온도가 100oC6)에 근접하는 저온공정이다. 기존의 그래핀 합성온도가 1,000oC이고, 반도체 공정에 일반적으로 필요한 온도가 400oC 이하임을 감안할 때 매우 낮은 공정이라 할 수 이다.(4) 표면 확산 장벽7) 이 거의 0에 가까워 균일 합성에 있어서는 최적의 기판으로 예상되었고, 실험적으로 이를 증명하였다. 또한, (5) γ-Al2O3 촉매 기판이 나노미터 크기부터 마이크로미터 크기의 그레인을 갖는 그래핀을 맞춤형으로 합성 할 수 있는 기판이라는 것 역시 확인되었다. 특히 (6) 성장된 그래핀과의 접착 에너지8)가 매우 작아 성장된 그래핀 위에 폴리머를 코팅하고 물리적으로 떼어내는 방식으로 최소한의 손상으로 ‘그래핀 스티커’를 얻을 수 있으며, 이를 플렉서블 또는 스트레처블 소자에 바로 응용할 수 있다. 손으로 재단한 그래핀 스티커는 D-형 광섬유에 부착하면, 그래핀의 비선형성 광흡수를 응용한 초고속 펄스 레이저 (femtosecond laser)를 구현할 수 있다. 또한 그래핀 스티커를 활용하여 전기 신호로 빛을 제어하는 전광스위치를 개발할 수도 있으며, 이를 활용하면 광통신에 직접 응용할 수 있다. 그래핀 스티커는 패치형 바이오센서, 기체센서, 광센서에도 적용가능하다. 제1저자인 박재현 박사는 “2차원 나노 소재에 대한 일반적 합성 메카니즘을 다양한 정량적 활성화 에너지를 바탕으로 도출된 식으로 표현하였으며, 이러한 활성화 에너지 값들이 2차원 소재 성장에 어떠한 영향을 미치느냐를 잘 보여주는 실질적인 해석의 틀을 제공하였다.”며, “새로운 2차원 나노 소재 합성에 있어 고려해야할 매우 중요한 판단의 근거를 제공해 줄 수 있을 것”이라고 밝혔다. 이번 연구는 KIST의 차세대반도체연구소 융합사업의 지원으로 수행되었으며, Scientific Reports에 “Growth, Quantitative Growth Analysis, and Applications of Graphene on γ-Al2O3 catalysts” (DOI: 10.1038/screp11839)라는 제목으로 7월 3일 게재되었다. <그림자료> 그림 1. 개발된 γ-Al2O3 촉매 기판 위에 탄소 전구체로부터 그래핀 핵이 형성되는 과정을 그린 모식도. C: 탄소, H: 수소, Ea: 그래핀 형성 과정에서 고려된 에너지 장벽. 그림 2. γ-Al2O3 촉매 기판 위에 탄소 전구체로부터 그래핀 핵이 형성되는 과정을 그린 (a) 에너지 랜드스케이프 및 (b) 최저 에너지 경로를 모델링한 결과. 삽입 그림은 γ-Al2O3 촉매 기판 위에 탄소 원자가 가장 안정한 상태에 있을 때를 모델링한 결과. 그림 3. (a) γ-Al2O3 기판 위에 성장된 그래핀 위에 폴리머 필름을 코팅 후 손으로 떼어내는 방법으로 얻어진 그래핀 스티커 모식도 및 얻어진 스티커를 가위로 재단하는 사진. (b) 재단된 그래핀 스티커를 D-형 광섬유에 간단히 붙이는 방법으로 고출력 지속파를 초고속 펄스파로 변환하는 모식도 및 실제 사진. 그림 4. 2차원 나노소재의 일반적인 형성 메카니즘 유도 과정 및 해의 예.
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- 작성자광전소재연구단 송용원 박사 연구팀
- 작성일2015.07.15
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녹조로부터 안전한 먹는 물 공급 시스템
?녹조가 발생하면 문제가 되는 것? : 녹조에서 나오는 독성(마이크로시스틴), 맛·냄새물질(흙,곰팡이냄새) → 녹조발생시 국민들이 안심하고 마실 수 있는 안전한 수돗물 생산을 위한 정수공정개발 ?정수장 구성 취수장(강에서물을퍼오는곳) → 착수정(퍼온 물 속에 포함되어 있는 찌꺼기나 모래등을 가라앉히는 곳) → 혼화지 및 응집지(응집제를 주입한 후 빠르게 섞어 덩어리로 만드는곳) → 침전지(더러운 덩어리를 가라앉히는 곳) → 여과지(물 속에 남아있는 알갱이들을 없애는 곳) → 정수지(깨끗하게 처리한 물을 모아두었다가 보내는 곳) → 배수지(물 양을 조절하여 가정으로 보내주는 곳) → 가정 ?녹조 발생 시 정수장 운영 취수원에서는 녹조가 발생하는지를 감시. 녹조가 많아짐을 감지하게 되면 취수장에서 조류를 걸러내는 기술을 적용하여 1차로 제거하고, 물이 이동하는 통로에 약품 (개발산화제, 흡착제,응집제)등을 넣어 조류로부터 나오는 독성물질, 맛·냄새물질을 제거 (과학적 원리) ?모니터링기술: 맛·냄새물질은 매우 낮은 농도에서도 냄새가 나기 때문에 고감도 분석 가능 하고, 실시간으로 분석이 가능한 기기(GC/FID)를 사용하여 모니터링 ?조류제거기술: 나노버블장치- 고속으로 나노버블을 발생시켜 떠오르는 조류를 제거 ?독성물질 제거: 과망간산칼륨을 이용하여 마이크로시스틴의 독성구조를 변형(산화반응) ?맛·냄새물질 제거: 분말활성탄·응집혼화제를 응결핵으로서 응집효율을 증진시켜 흡착제거
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- 작성자이상협
- 작성일2015.07.11
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고가의 귀금속 대신 저렴한 코발트계 촉매로 수소 에너지 상용화 앞당겨
고가의 귀금속 대신 저렴한 코발트계 촉매로 수소 에너지 상용화 앞당겨 - KIST, 내구성 높은 고효율, 저가형 수소 및 산소 발생을 위한 촉매 개발 - 친환경 물분해과정을 통한 수소에너지 보급에 기여 친환경에너지인 수소를 만들기 위해 전세계적으로 다양한 연구가 진행중이다. 국내 연구진이 물의 전기분해방법으로 수소를 만드는 데 필요한 촉매의 원료를 저렴하고 내구성이 높은 코발트계 화합물로 제작하는 기술을 개발했다. 기존에 사용했던 고가의 귀금속 촉매보다 비용이 약 0.01배로 저렴하고 성능은 거의 동일한 수준으로 제작이 가능해 수소 에너지 상용화를 앞당길 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 국가기반기술연구본부 연료전지연구센터 유성종 박사와 류재윤 연구원은 자체로 음극에서 높은 수소 발생성을 띄는 인화코발트 나노입자를 산화전위 산소발생 반응의 전구촉매로 사용, 귀금속 촉매보다 가격을 획기적으로 줄이면서도 높은 성능과 내구성을 구현해내는데 성공했다고 밝혔다. 수소에너지는 채굴량 한계 및 지역 편재성이 없고, 환경 친화적이기 때문에 차세대 에너지로 각광받는 에너지원이다. 그 중 물을 전기분해해 수소를 바로 발생시켜 공급하는 수소 스테이션 방법은 고순도의 수소를 환경피해 없이 생산할 수 있지만, 건물크기 수준의 대용량 수조가 필요해 도심에서 쉽게 사용하기 위해서는 전극을 소형화해야 하는 등의 해결과제가 남아있다. 현재는 전지의 +극인 산소 발생용 전극 재료로는 이리듐 및 루테늄 계열의 귀금속촉매가, -극인 수소 발생 전극 재료로는 백금이 각각 우수하지만 비용이 높기 때문에 이를 대체하는 값 싼 재료의 개발이 요구되고 있다. 전체 전기분해 반응 중 수소 발생에 가장 중요한 속도를 결정하는 단계가 +극에서 일어나는 산소 발생 반응(oxygen evolution reaction)이다. +극은 반응은 4개의 전자가 관여되는 복잡한 반응이기 때문에, 음극의 수소 발생반응과 비교했을 때 속도가 훨씬 느리고, 이런 이유로 산소 발생에 있어 높은 추가 전압(과전압)과 에너지를 필요로 한다. 따라서 가격이 낮으면서도, 추가 전압이 낮고, 안정성은 높은 양극 원료의 개발이 필요하다. KIST 유성종 박사팀은 기존 희소 귀금속인 이리듐 및 루세늄 기반의 산소발생 촉매와 비슷한 성능의 저가의 코발트기반 화합물로 촉매를 제작하고 산소발생이 일어나는 높은 전압조건에서 해당물질의 구조의 변화를 인과 코발트와의 상호작용을 통해 제어함으로써 산소 발생이 극대화된 촉매를 제작할 수 있었다. 연구팀은 코발트와 인이 조합된 인화코발트 나노입자를 최종 촉매 물질의 전단계 상태의 물질인 전구체로 사용하게 되면 물질이 산소를 발생시키는 전압의 위치인 산화전위에 노출 될 때 자체적으로 물질이 조립되는 양상이 독특하다는 점을 발견하였다. 연구팀은 인화코발트에 존재하는 포스페이트(인의 산화형 구조)가 나노입자의 변이과정에 관여되는 것으로 보이며, 궁극적으로 독특한 미세한 그물구조의 분산된 형태와 분자 클러스터구조를 갖게 된다고 밝혔다. 유도된 분자 클러스터 구조는 높은 산화수준을 유지해 산소 발생에 유리한 촉매환경을 극대화시킬 수 있다. 이렇게 활성화된 코발트 화합물은 전기화학적 활성을 극대화 할 수 있어 소량만 사용해도 10 mA/cm2 의 전류를 얻는데 0.36 V 만의 낮은 과전압이 소요된다. 이는 최고의 귀금속 이리듐 촉매의 과전압이 약 0.35V인 점을 감안할 때 세계최고수준이라 할 수 있다. 내구성 역시 뛰어나 높은 전류와 전압 조건에서 운행된 12시간 동안의 물분해 조건에서도, 성능이 거의 감소되지 않는다. 이는 기존의 코발트 옥사이드 촉매와 귀금속계 촉매보다도 오히려 뛰어난 내구성을 보인 것이다. 인화코발트 화합물은 지구상에 풍부하게 존재하는 코발트를 기반으로 하기때문에, 가격이 저렴한 것이 장점이다. 더욱이, 인화코발트 화합물을 합성하는 조건 역시 단일 단계의 공정이기 때문에 제작 비용이 저렴하고, 효율은 높은 촉매를 쉽게 만들 수 있다. 또한, 인화코발트 나노입자는 양극뿐 아니라, 음극에서도 수소발생반응성이 높아, 양극 산소발생반응 촉매뿐 아니라 음극에서도 사용이 가능해, 한 가지 재료를 양기능성 촉매로 활용이 가능하다. KIST 유성종 박사는 “산소발생반응 촉매의 전구체라는 관점에서 나노입자를 제어해 실제로 작동하는 활성화된 촉매의 물리적 화학적 구조를 제어했다는 점에서 기존 연구와 차별성이 있다”며, “이번 연구로 수소에너지 보급 및 상용화를 한 발 앞당겼다는데 의미가 있다”고 말했다. 본 연구는 KIST 기관고유 연구사업과 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업을 통해 수행되었으며 연구결과는 촉매 분야의 국제 저명 학술지인 ACS Catalysis에 7월 2일에 게재되었다. 연구의 우수성을 인정받아 이달의 Most Read Articles 에 선정된 바 있다. 더욱이, 해당 연구결과는 국내특허 출원(출원번호:2015-0003543) 및 해외 특허 출원도 진행 중에 있다. <그림1> 인화코발트 나노입자를 통한 수소 및 산소발생 반응. 인화코발트 나노입자는 산소발생반응 활성화 촉매의 전구체이며 자체로 백금과 맞먹는 수준의 수소 발생 능력을 가진 물질이다. <그림2> 합성된 인화코발트 나노입자의 구조분석 <그림 3> 산화전위에 노출 후 자발적으로 변화되는 인화코발트 나노입자
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- 작성자연료전지연구센터 유성종 박사, 류재윤 연구원
- 작성일2015.07.08
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