보도자료
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“폭발 위험성은 이제 옛말” 체질개선 ‘리튬금속전지’ 돌아온다
- 알루미늄 합금, 초박막 인조보호막(MoS) 적용으로 리튬음극 불안정성 해소 - 전해질 최적화로 수명도 대폭 향상… 용량 한계 리튬이온전지 대안 재부상 이차전지의 대명사격인 리튬이온전지보다 이론상 에너지 밀도가 10배가량 더 높다고 알려진 차세대 전지시스템 ‘리튬금속전지’ 개발이 국내 연구진에 의해 다시 급물살을 타게 됐다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 에너지저장연구단 조원일 박사팀이 리튬금속전지 상용화의 최대 걸림돌인 물리화학적 불안정성을 제거할 리튬-알루미늄 합금 기반의 새로운 음극재를 개발했다고 밝혔다. 연구팀은 이와 함께 전해질 시스템을 최적화해 기존에 개발된 리튬이온전지 대비 2배 이상 수명을 끌어올리는 데도 성공했다. 리튬금속전지는 리튬금속을 음극으로 사용하는 전지이다. 리튬금속은 현재까지 파악된 음극물질 중 최상급의 에너지 밀도를 갖고 있다. 또한 산화 환원 전위는 매우 낮아 경량화 및 대용량화가 필요한 이차전지에 가장 적합한 소재로 기대를 모은 바 있다. 하지만 리튬금속 표면에서 발생하는 덴트라이트*로 인해 전극 단락과 폭발 가능성이 제기되며 흑연 음극을 사용하는 리튬이온전지가 먼저 상용화됐다. *덴드라이트(dendrite) : 금속 표면 일부에서 비정상적으로 성장하는 나뭇가지 형태의 결정. 전극 부피팽창과 전극-전해질 사이 부반응 등을 유발해 전지의 안전성과 수명을 떨어뜨린다. 상용화 이후 지속적으로 기술개발이 이뤄져온 리튬이온전지는 최근 단위 무게당 에너지 밀도를 더 이상 높이기 어려운 한계점에 이른 것으로 평가되고 있다. 반면 전기자동차, 드론 등 다양한 분야에서 더욱 높은 성능의 고용량 전지가 요구되는 상황에 따라 전 세계적으로 리튬금속 음극의 전기화학적 안정성을 확보하기 위한 연구가 활발히 진행되어 왔다. KIST 연구진은 시중에서 쉽게 구할 수 있는 알루미늄에서 문제 해결의 실마리를 찾았다. 기존의 순수 리튬금속 음극을 리튬-알루미늄 합금으로 대체해 불안정성을 제어하는 한편, 음극 표면에 이황화몰리브덴(MoS) 기반의 초박막 인조보호막을 형성해 전지 용량과 수명을 급격히 저하시키는 덴트라이트의 성장을 억제했다. 초박막 인조보호막은 KIST 조원일 박사가 개발한 인공 고체-전해질 계면상**으로 이미 지난해 그래핀계 나노소재를 리튬금속 표면에 고르게 전사하며 성능과 안정성을 입증한 바 있다(※Nature Energy volume 3, 889-898, 2018). ** 인공 고체-전해질 계면상(Artificial Solid-Electrolyte Interphase) : 각 전극과 전해액 사이에 일어나는 반응을 제어하기 위하여 양극 혹은 음극 표면에 인위적으로 만들어준 수∼수천 나노미터 두께의 얇은 층 이번 연구에서는 특히, 초박막 인조보호막의 실제 양산성 확보를 위해 그래핀 대신 이황화몰리브덴과 리튬-알루미늄 합금으로 가격을 낮추고, 복잡한 제조공정을 단순화 및 전지의 안정화에 연구력이 집중됐다. KIST 조원일 박사는 “기존 리튬이온전지의 용량 한계가 예상됨에 따라 리튬금속전지 개발의 요구가 점증하고 있다”면서 “차세대 이차전지 개발의 핵심인 리튬 음극 안정화와 전해질 기술이 고용량 전지를 필요로 하는 드론, 자율주행차, 에너지저장시스템(ESS) 등의 발전에 기여할 수 있게 되기를 기대한다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영)의 지원 아래 KIST 주요사업과 무인이동체 미래선도 핵심기술개발사업으로 수행되었으며, 연구결과는 「Science Advances」 (IF : 12.80, JCR 분야 상위 5.07%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Enabling reversible redox reactions in electrochemical cells using LiAl intermetallic compound and MoS2 Langmuir-Blodgett artificial solid-electrolyte interphase -(제1 저자) 한국과학기술연구원 김문석 연구원(現, 스탠포드대학교 박사과정) -(교신저자) 한국과학기술연구원 에너지저장연구단 조원일 책임연구원 -(교신저자) 미국 코넬대 린든 아처 교수 <그림설명> [그림 1] LBS 코팅 기술을 이용한 이황화몰리브덴 Langmuir-Blodgett 인공 고체-전해질 계면상(Artificial Solid-Electrolyte Interphase (MoS LBASEI))와 리튬-알루미늄 합금을 이용한 음극과 덴드라이트의 성장 형태에 대한 개념도
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- 작성자에너지저장연구단 조원일 박사팀
- 작성일2019.11.18
- 조회수9984
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가성비 최고 ‘수소 투과 분리막’ 개발 99.999% 고순도 수소 값싸게 만든다
- 기존 법칙 설명 못한 저가 금속 높은 수소 투과도 학계 최초로 재규명 - 고가 팔라듐 최소화한 복합 분리막 개발로 이어져…수소 투과율 5배↑ 수소경제 시대의 도래를 앞두고 전 세계적으로 새로운 에너지 패러다임을 선점하기 위한 경쟁이 한창인 가운데, 국내 연구진이 수소경제 활성화의 핵심기술로 지목되고 있는 저비용 고효율 수소 생산 기술을 개발해 관심이 집중되고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 수소·연료전지연구단 한종희·조영석 박사팀이 고가의 귀금속 사용을 최소화하면서도 기존 대비 5배 이상 높은 수소 투과율을 보이는 고성능 복합 분리막을 개발했다고 밝혔다. 이를 통해 정제된 수소는 99.999% 이상의 고순도로 수소전기차에도 바로 활용이 가능한 수준으로 나타났다. KIST 연구진은 이와 함께 금속 복합 분리막 실험 과정에서 기존 시버트의 법칙*으로 좀처럼 설명이 되지 않던 탄탈럼(Ta), 니오븀(Nb), 바나듐(V) 등의 수소 투과 특성을 학계 최초로 재규명하는 데도 성공했다. *시버트의 법칙(Sievert’s Law) : 금속 층의 수소 원자 확산 이론. 금속 분리막의 수소 투과 현상을 이해하는 법칙으로 활용되고 있다. 우리나라는 올해 초 대대적인 수소경제 활성화 로드맵을 발표하고 관련 원천기술 확보에 박차를 가하고 있다. 정부는 연간 2천 대 수준인 수소전기차 보급을 2040년 620만 대까지 확대하고 이에 필요한 수소 생산량 역시 526만 톤 이상으로 늘릴 계획이다. 이 중 특히 수소전기차용 고순도 수소 생산 기술은 향후 수소경제 활성화 로드맵 실현의 중요한 열쇠가 될 것으로 전망되어 왔다. 현재 전 세계 수소 공급량의 90% 이상을 차지하는 추출 수소는 천연가스 등을 고온의 수증기로 열분해하는 방식이다. 하지만 수소를 고순도로 정제하기 위해서는 이산화탄소, 일산화탄소 등의 불필요한 성분들을 흡착·제거하는 복잡한 공정이 필요해 수소 가격상승의 요인이 되고 있다. 한편 분리막을 이용한 수소 정제 기술은 간단하고 모듈화가 쉬워 경제적이고 효율적으로 고순도 수소를 생산할 수 있는 잠재력을 지니고 있다. 에너지 투입량도 기존 흡착 기반 공정 대비 절반 이하다. 하지만 고가의 귀금속인 팔라듐을 기반으로 한다는 점이 약점으로 작용해 왔다. 이에 따라 KIST 연구진은 높은 수소 투과도 및 순도와 경제성을 함께 갖춘 금속 복합 분리막 소재를 개발하던 중 주기율표 5족에 속하는 전이금속들에 팔라듐을 얇은 두께로 증착시켰다. 그 결과 5족 금속의 높은 수소 투과율과 팔라듐의 우수한 수소 분리 특성을 동시에 구현하는 금속 복합 분리막을 제작했다. 또한 분리막 표면 반응성을 고려한 새로운 수소 투과 모델에 따른 실험 결과, 기존에 알려진 금속 복합 분리막의 수소 투과율 계산이 수소 용해도와 확산도를 잘못된 온도 영역에서 합산하며 발생한 오류라는 사실을 밝혀냈다. KIST 조영석 박사는 “연구팀이 제시한 수소 투과 모델과 분리막 실험 결과가 금속 복합 분리막의 투과 특성을 새롭게 이해하는 데 도움이 되기를 바란다”라고 말했다. KIST 한종희 소장은 “국내 연구진이 개발한 수소 정제 원천기술이 기존 수소 정제 공정의 효율성 개선과 수소 가격 저감에 기여할 수 있을 것으로 기대한다”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 「Journal of Membrane Science」 (IF : 7.015, JCR 분야 상위 1.724%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Unconventional Hydrogen Permeation Behavior of Pd/BCC Composite Membranes and Significance of Surface Reaction Kinetics - (제1저자) 한국과학기술연구원 수소?연료전지연구단 이찬현 위촉연구원(現에너지기술연구원) - (제1저자) 한국과학기술연구원 수소?연료전지연구단 조영석 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 청정신기술연구소 한종희 책임연구원 <그림설명> [그림 1] (좌) 개발된 금속 복합막의 수소투과 모식도 (우) Ta, Nb, V 및 Pd의 온도에 따른 수소 확산도 [그림 2] 개발된 복합 분리막 사진 및 분석 결과
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- 작성자수소·연료전지연구단 조영석 박사팀
- 작성일2019.11.15
- 조회수10070
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황을 이용한 그래핀 제조기술 개발, ‘처치 곤란’ 황 폐기물 활용 방법 찾았다
- ‘황’ 들어간 그래핀, 중금속 흡착 가능 및 복합소재 강도와 가스차단성 향상 - 고부가가치 그래핀 新 제조방법 제시, 향후 차세대 에너지 저장 제품 등에 응용 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 탄소융합소재연구센터 유남호 박사팀은 황을 포함(도핑)한 그래핀을 제조하는 공정을 개발했다. 개발된 황을 포함한 그래핀은 수은을 포함한 중금속 흡착이 가능하고, 복합 소재의 강도와 가스 차단성이 향상되었으며, 사용된 황은 다시 회수하여 재사용이 가능하다. 연구진은 향후 폐기 시 환경오염을 유발하는 황 폐기물을 이용할 수 있을 것이라고 밝혔다. 최근 석유 정제과정에서 부산물로 생성되는 대량의 황 폐기물로 인한 다양한 환경적인 문제를 해결하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 국내의 경우 대부분의 황 폐기물을 처리할 방법이 없어 중국에 수출하고 있다. 하지만 중국의 산업 고도화로 인해 수출량이 줄어들 것으로 예측됨에 따라 황을 활용할 수 있는 다양한 신소재의 개발을 시도하고 있지만, 현재 가시적인 성과가 나오고 있지 않은 상황이다. 꿈의 소재라 불리는 그래핀은 흑연을 산화시킨 후 다시 환원시켜 제조할 수 있다. 이때 환원을 돕는 환원제가 필요한데, KIST 연구진은 150도 이상의 온도에서 녹은 황이 효과적인 환원제 역할을 할 수 있다는 점을 이용하였다. 황을 환원제로 사용함으로써 별도의 환원제 없이 그래핀을 제조할 수 있었다. 또한, 그래핀을 제조하고 남은 황은 재사용이 가능하고, 다시 회수할 수 있었다. KIST 연구진이 제조한 그래핀은 중금속을 흡착하는 능력이 뛰어나고 유기용매에서 분산성이 뛰어나다. 수용액 내에서 수은 이온을 94% 이상 흡착하여 제거할 수 있고 복합소재 제조 시 기존 소재보다 150% 이상 강도가 향상되었으며 복합소재의 가스 차단성 또한 95% 이상 향상됐다. 이번에 황으로 개발한 그래핀은 수은을 포함하는 중금속 제거용 필터, 자동차 및 항공용 부품 소재, 전자기기 부품 그리고 에너지 저장용 배터리 제품을 개발하는데 응용 가능하다. KIST 유남호 박사는 “이번 연구결과는 황을 유용하게 활용할 수 있는 새로운 방법을 제시할 뿐만 아니라 황이 가지고 있는 고유한 특성을 이용하여 고부가가치의 새로운 그래핀 소재를 제조하는 방법을 제시하고, 동시에 복합소재 및 필터 그리고 에너지 저장 관련 응용이 가능하고 파급효과가 큰 기술이 될 것으로 기대된다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원을 받아 KIST의 주요사업과 한국연구재단 나노소재기술개발사업 및 우주핵심기술개발사업으로 수행되었다. 이번 연구결과는 소재 분야 유명 국제 저널인 ‘Composites Part B : Engineering’ (IF: 6.86, JCR 분야 상위 2.00%) 최신호에 게재되었다. *(논문명) Sustainable production of reduced graphene oxide using elemental sulfur for multifunctional composites - (제1저자) 한국과학기술연구원 남기호 연구원(現 연세대학교 연구원) - (제1저자) 한국과학기술연구원 김경민 연구원(現 ㈜부흥산업사 연구원) - (교신저자) 한국과학기술연구원 유남호 선임연구원 <그림설명> [그림 1] 황을 이용한 그래핀 제조의 모식도 [그림 2] (a) 다양한 수은 농도에서의 황 도핑 그래핀의 수은 제거효율 (b~c) 수은을 흡착한 그래핀의 TEM(전자현미경) 사진 및 지도 [그림 3] (a) 황 도핑 그래핀을 이용한 폴리이미드/그래핀 나노 복합체 필름의 사진. (b) 나노 복합체 필름의 stress-strain 그래프. [그림 4] (a~b) 폴리이미드/그래핀 나노 복합체 필름에서, (왼쪽) 그래핀 함량에 따른 나노 복합체 필름의 산소 투과성 그래프 (오른쪽) 그래핀 함량에 따른 나노 복합체 필름의 산소 확산성 및 용해성 그래프
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- 작성자탄소융합소재연구센터 유남호 박사팀
- 작성일2019.11.10
- 조회수7826
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‘변화무쌍’ 줄기세포, 복합영상으로 추적한다
- 체내 이식된 줄기세포 변화 장기간 추적하는 표지 및 영상획득 기술 개발 - 전분화능 유지와 높은 생체적합성으로 새 줄기세포 치료제 개발 기여 전망 최근 줄기세포가 세계 의과학계 최대의 관심사가 되고 있는 이유는 모든 종류의 기관과 조직으로 분화할 수 있는 전분화능(全分化能, pluripotency) 때문이다. 이론상 줄기세포를 이용하면 근육, 뼈, 장기, 뇌 등 어떤 손상 세포와 조직도 재생 가능하다. 하지만 인체에 이식한 줄기세포의 분화 과정을 적절히 제어하기 어렵다는 점이 한계로 작용해왔다. 이를 해결하기 위해서는 먼저 줄기세포의 생존과 이동, 분포 등을 정확히 파악하는 방법이 필요한 가운데, 국내 연구진이 생체 내 줄기세포의 변화상을 정밀하고 안전하게 추적할 수 있는 신기술을 개발해 관심을 끌고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 테라그노시스연구단 김광명 박사팀은 동국대학교 일산병원 신경과 김동억 박사팀과의 공동연구로 인체에 이식한 줄기세포를 추적하는 신개념 줄기세포 표지 및 영상화 기술을 개발했다고 밝혔다. 생체 적합성이 높은 조영제 나노입자를 줄기세포에 결합시켜 장기간 형광영상과 자기공명영상(MRI)의 복합영상으로 모니터링 할 수 있는 기술이다. 줄기세포 치료제의 이동과 분포를 관찰하는 표지(labeling) 및 영상화(imaging) 기술은 최근 줄기세포의 체내 이식 후 변화상을 추적하는 기술로도 주목받고 있다. 하지만 기존의 세포 표지기술은 조영제 또는 조영제가 함유된 나노입자를 줄기세포에 직접 표지하거나 유전자 조작을 통해 영상화가 가능한 세포로 전환해야 하기 때문에 줄기세포 고유의 전분화능과 인체 안전성 저하의 우려가 제기되어 왔다. KIST 연구진은 생체 적합성이 높고 줄기세포의 전분화능에도 영향을 주지 않는 신개념 표지 기술 개발을 위해 당대사공학* 및 생물직교성 무동 클릭화학**을 이용했다. 이를 통해 줄기세포 표면에 안전하게 표지할 수 있는 화학수용체를 만드는 한편, 이와 특이적으로 결합하는 산화철 기반의 복합조영제 나노입자를 개발해 줄기세포의 영상신호를 극대화하는 고감도 복합영상 획득에 성공했다. * 당대사공학(metabolic glycoengineering) : 알킨, 티올, 아자이드 등 다양한 화학 반응기를 세포 표면의 당 단백질에 인공적으로 도입할 수 있는 기술. 세포에 존재하는 당 단백질 합성과정을 이용하기 때문에 세포 독성이 없고 표지 가능한 화학 반응기의 양을 인위적으로 조절할 수 있다. ** 생물직교성 무동 클릭화학(Bioorthogonal copper-free click chemistry) : 아자이드와 알킨기가 구리 촉매 없이 특이적으로 결합되는 현상. 독성이 있는 구리 촉매를 사용하지 않기 때문에 세포나 생체 독성이 없고 기존 반응보다 반응속도가 빠르다. 연구팀은 이 기술을 이용한 뇌졸중 동물모델 실험을 통해 근적외선 형광영상 및 MRI 영상을 통해 14일 간에 걸쳐 장기간 안정적으로 관찰할 수 있었다. 이는 새로 개발된 복합조영제 나노입자 및 줄기세포 표지기술이 줄기세포의 전분화능 손실과 세포 독성 발현을 최소화했기 때문에 가능한 것이다. KIST 김광명 박사는 “이번에 개발한 줄기세포 표지 및 추적기술은 뇌에 이식한 줄기세포의 치료 효과를 고감도 복합영상으로 장기간 추적할 수 있게 하는 기술”이라며 “향후 뇌 질환용 줄기세포 치료제 개발과 효능 예측에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 전망된다”고 밝혔다. 한편 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 글로벌연구실사업 및 KIST 기관고유사업의 지원으로 수행되었으며, 관련 논문은 연구 성과의 파급력을 인정받아 재료·화학 분야 세계적 권위의 학술지 ‘ACS Nano’ (IF:13.903, JCR 분야 상위 6%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Dual-Modal Imaging-Guided Precise Tracking of Bioorthogonally Labeled Mesenchymal Stem Cells in Mouse Brain Stroke - (제1저자) 한국과학기술연구원 임승호 연구원 - (제1저자) 한국과학기술연구원 윤홍열 박사 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김광명 박사 - (교신저자) 동국대학교 의과대학 김동억 박사 <그림설명> [그림 1] 복합조영제 나노입자가 표지된 줄기세포의 추적 영상 기술의 모식도 간편하고 안전한 표지를 위해 당대사공학 및 생물직교성 무동 클릭화학을 이용하여 줄기세포 표면에 인공적으로 표적 가능한 화학수용체 형성 및 고감도 형광/자기공명 영상화를 위한 복합조영제 나노입자 표지기술. 이를 뇌졸중 모델의 뇌에 이식 후 줄기세포의 추적 영상화 모식도 [그림 2] 형광/자기공명 복합 영상을 이용한 줄기세포 추적 영상 당대사공학 및 생물직교성 무동 클릭화학을 이용해 표지된 줄기세포의 생체 내 이식 후 형광/자기공명 복합 영상을 이용한 줄기세포 추적 영상. 줄기세포의 이식 후 시간에 따라 뇌졸중 병변으로 줄기세포의 신호가 이동하는 것을 확인할 수 있음.
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- 작성자테라그노시스연구단 윤홍열 박사팀
- 작성일2019.11.08
- 조회수8705
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폐암세포의 성장을 억제하는 항암물질 개발
- 암의 에너지 대사를 방해, 폐암 세포 성장 저해하는 신규 화합물 발굴 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 화학키노믹스센터 심태보 센터장 연구팀은 암 세포의 에너지 생성을 교란하여 폐암세포의 성장을 저해함으로써 암 억제 효과를 가지는 신규 항암물질을 발굴했다고 밝혔다. 종양세포는 급속한 성장과 분열을 하는데, 일반적인 정상 세포와는 다르게 젖산 발효를 통한 에너지 생성을 선호한다. 종양세포는 당의 대사산물인 피루브산*을 미토콘드리아로 보내지 않고, 젖산염으로 변환하여 에너지를 생산한다. 이는 암과 정상 세포의 큰 차이점 중 하나이기 때문에, 이를 공략하면 정상 세포에 영향을 미치지 않고 선택적으로 암세포를 공격할 수 있다. *피루브산 : 생물체 내에서 포도당이 연소하여 에너지로 변할 때 생기는 중간 물질 KIST 연구진은 ‘피루브산 탈수소효소 키나아제(PDHK)’** 효소의 활동을 저해하는 신규 화합물을 발굴했다. ‘피루브산 탈수소효소 키나아제(PDHK)’ 효소는 당 대사산물인 피루브산이 미토콘드리아로 들어가는 것을 방해함으로써 젖산 발효를 유도하는 효소이다. 이 효소는 위암, 피부암, 폐암 등 다양한 암에서 과발현되는 것으로 알려져 있어, 이 효소의 활동을 방해하면 젖산 발효로 에너지를 생성하는 암세포의 성장을 저해할 수 있다. **피루브산 탈수소효소 키나아제(PDHK) : 피루브산이 산화적 인산화 경로로 들어가는 것을 차단하여 젖산 발효를 유도하는데 기여하는 효소 KIST 연구진은 수많은 효소의 일종인 키나아제*** 중에서 PDHK만을 선택적으로 강하게 저해하는 신규 화합물을 발굴했다. 본 화합물은 기존의 PDHK 저해제보다 폐암과 전립선암 세포의 성장 저해능력과 암세포 사멸 효과가 매우 뛰어나고, 암세포의 미토콘드리아 기능을 저해하고 에너지 생성 방법을 변화시키는 등의 방법으로 항암효과를 보이는 것을 확인하였다. ***키나아제 : 인산전달효소라고 하며 인산기전이효소의 총칭. 또한, KIST 연구진이 개발한 신규 PDHK 저해제는 정상 세포에 영향을 적게 주면서도 암세포만을 선택적으로 공격할 수 있어서, 세포독성 항암제의 부작용을 경감시킬 수 있다. 기존의 세포독성 항암제와 함께 투여하면 폐암 세포의 성장 저해와 세포 사멸 효과를 증가시킬 수 있음을 확인했다. KIST 심태보 박사는 “암 뿐만 아니라, 당뇨와 같이 PDHK 때문에 발생하는 질환들의 치료제에 활용될 수 있다”고 말하며, “아직까지 약물로 승인받은 PDHK 저해제는 전무하기 때문에 ‘first-in-class’ 신약 탐색연구가 성공하게 되면 큰 사회·경제적 파급효과를 가져올 것으로 기대한다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영)의 지원을 받아 KIST 주요사업으로 수행되었으며, 「Journal of Medicinal Chemistry」 (IF: 6.05, JCR 분야 상위 4.09%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Identification of Novel Resorcinol Amide Derivatives as Potent and Specific Pyruvate Dehydrogenase Kinase (PDHK) Inhibitors - (제 1저자) 한국과학기술연구원 조한나 연구원(박사과정) - (제 1저자) 한국과학기술연구원 신인재 연구원(박사과정) - (교신저자) 한국과학기술연구원 심태보 책임연구원 <그림설명> [그림 1] (A) PDHK 저해제의 작용기전, 암세포는 피루브산을 아세틸-coA로 전환하는 PDC 복합체 (E1,E2,E3)를 억제함으로써, 젖산 발효를 유도하는데, 이때 관여하는 효소가 PDHK이다. 본 PDHK저해제는 PDHK의 활성을 저해하여 피루브산이 정상적인 에너지 대사에 사용될 수 있도록 도와준다. (B) 336개의 키나아제들 중에서 본 저해제에 의해서 저해되는 키아나제들을 붉은색 원으로 표시하였다. 본 저해제는 336개 키나아제들 중에서 PDHK1,2,3,4만을 선택적으로 저해한다. (C) 본 PDHK 저해제를 처리한 전립선 암세포주에서 미토콘드리아의 기능 저하가 관찰되었다. 미토콘드리아의 기능이 정상일 때는 JC-1이 monomer (초록색)이 관찰되지 않지만, 미코톤드리아 세포막의 전하가 비정상적으로 변하면 붉은색형광이 관찰된다.
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- 작성자화학키노믹스센터 심태보 박사팀
- 작성일2019.11.07
- 조회수11867
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KIST 연구진이 개발한 단백질 차단막 적용한 바이오센서, 즉각적인 정밀 헬스케어 가능해진다
- 단백질 막 적용한 바이오센서, 혈청의 처리과정 없이 신속하게 질병 진단 - 향후, 환자 스스로 질병 진단하는 스마트 헬스케어 전자기기 활용 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 생체재료연구단 이관희?정영도 박사팀은 고려대학교 강석호 교수 연구팀과 공동연구를 통해 단백질 차단막을 적용한 전자기기 기반의 바이오센서를 제작, 차단막의 표면 전하를 조절해 혈청*에서 불필요한 신호를 억제하는 방법을 최초로 개발했다고 밝혔다. 이 기술을 활용하면 전자기기 기반의 바이오센서를 통해 혈청에서 전·후처리 없이 즉각적으로 질병 인자를 검출할 수 있다. *혈청(Serum) : 혈액을 채취하게 되면 응고를 일으키고, 이것을 원심하면 암적색의 덩어리인 혈병과 담황색의 투명한 액체인 혈청으로 분리됨. 혈액에서 분리해낸 혈청은 많은 생체정보를 가지고 있어 다양한 질병 진단을 할 수 있는 정보를 얻을 수 있다. 그러나 혈청은 높은 염** 농도와 약 20,000종류의 각각 다른 단백질들이 고농도로 함유되어 있어, 검출 신호의 오류가 빈번하고 측정 민감도가 낮다. 현재 의료기관에서는 전문 인력을 통해 혈청의 전처리(여과, 탈염, 희석) 또는 후처리(세척) 후에 진단기기를 이용하여 분석하고 있는 실정이다. **염 : 산의 음이온과 염기의 양이온이 결합하여 생성된 화합물. 스마트 기기를 활용한 헬스케어에 대한 관심이 높아지면서 혈청을 샘플로 하는 전자 기반의 바이오센서들이 속속 개발되고 있다. 그러나 혈청 내 혼합된 수만 종의 단백질들이 비특이적 신호를 일으켜 진단의 정밀성을 떨어뜨린다. 이런 이유로 전자기기 기반의 바이오센서는 검사 결과가 곧바로 확인되는 현장 진단 또는 자가진단용 기기로 개발하기가 어려웠다. KIST 연구진은 이 같은 문제점을 극복하기 위해 혈액에서 분리한 혈청에서 전·후처리 없이 직접 질병인자를 검출하여 질병을 진단할 수 있는 단백질 차단막을 개발, 전자기기 기반 바이오센서에 적용하였다. KIST 정영도·이관희 박사 연구팀은 차단막을 형성하는 단백질 원료가 본래 가진 정전기적 속성을 활용하여, 차단막의 표면 전하를 중성으로 조절하였다. 이를 통해 질병 진단의 정확성을 떨어뜨리는 정전기적 특성에 의한 혈청 단백질의 비특이적 결합과 전하의 불필요한 축적을 방지하였다. 결과적으로 연구진은 개발한 단백질 차단막이 적용된 바이오센서로 전립선암 질병인자를 혈청에서 직접 검출하는데 성공하였다. 이는 기존의 전·후처리를 포함하는 측정결과와 동일한 검출 능력***이다. ***KIST 연구진이 개발한 바이오센서의 측정 검지범위는 수 펨토그램(fg, 10 그램/밀리리터) ~ 수 백 나노그램(ng, 10 그램/밀리리터). 전·후처리 없는 방식은 백 펨토그램/밀리리터에서 수 나노그램/밀리리터으로 측정됨. KIST 정영도 박사는 “기존의 전자기기 기반의 바이오센서가 혈액에서 혈청을 분리하는 휴대용 기기와의 결합 등을 통해 현장 진단 또는 자가진단 센서로 발전할 것으로 기대한다.”라며, “단백질 차단막을 도입하면 향후, 스스로 정밀한 질병 진단이 가능한 스마트 헬스케어 기기가 개발되는데 활용될 수 있을 것으로 기대한다.”라고 말했다. KIST 이관희 박사는 “이번 연구 성과는 국내 연구진이 개발한 전자공학, 재료공학과 화학 분야의 융합 원천 기술로, 향후 의료기관과의 공동연구를 통해 상용화 기술로의 전환을 기획하고 있다”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 바이오의료기술개발사업으로 수행되었으며, 연구결과는 ‘Biosensors and Bioelectronics’ (IF : 9.518, JCR 분야 상위 0.595%)에 최신호에 게재되었다. *(논문명) Interfacial charge regulation of protein blocking layers in transistor biosensor for direct measurement in serum - (제 1저자) 한국과학기술연구원 생체재료연구단 박성욱 연구원(박사 과정) - (교신저자) 한국과학기술연구원 생체재료연구단 이관희 책임연구원, 한국과학기술연구원 생체재료연구단 정영도 선임연구원 <그림설명> [그림 1] 전자기기 기반의 바이오센서에 도입된 중성 단백질 차단막은 기존 방식의 바이오센서보다 6배 이상 향상된 검출 신호를 보임. [그림 2] 바이오센서에 도입된 중성 단백질 차단막은 바이오센서의 검출 범위를 넓혀서, 더 낮은 농도의 PSMA (전립선암 진단 인자) 검출이 가능하게 함.
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- 작성자생체재료연구단 이관희, 정영도 박사팀
- 작성일2019.10.31
- 조회수9504
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KIST 신(新) 촉매 소재 기술 개발, 지구 온난화 주범인 이산화탄소를 고부가가치 화학원료로
- 구리에 금속산화물 도입, 다양한 탄소화합물을 합성하는 기초 원천 기술 개발 - 계산·화학 모델링 기반으로 에틸렌·에탄올 생성을 위한 최적의 촉매 구조 밝혀 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 청정에너지연구센터 황윤정 박사 연구팀은 한국과학기술원(KAIST, 총장 신성철) 김형준 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 온실가스로 알려진 이산화탄소를 전환하여 에틸렌·에탄올 등 산업에서 활용 가능한 탄소화합물을 만들어내는 새로운 전기 촉매 기술을 개발했다고 밝혔다. 이산화탄소, 물과 같은 원료로부터 고부가가치 화학 원료를 직접 생성하는 이산화탄소 전환기술은 경제적 가치 창출뿐만 아니라, 이산화탄소 저감에도 이바지할 수 있어 기후 변화 대응의 핵심기술로 발전할 전망이다. 전기화학적 이산화탄소 전환기술의 경우, 일산화탄소나 포름산만을 선택적으로(95% 이상) 생성하는 고성능 촉매 소재들이 최근 다양하게 개발되었다. 그러나, 훨씬 복잡한 반응으로 알려진 에틸렌·에탄올 등의 탄소가 두 개 이상인 다탄소 화합물을 만드는 기술은 아직 생성전류 선택도*가 40~70% 수준으로 충분한 촉매 기술이 확보되지 못했다. *생성전류 선택도 : 전기화학적으로 이산화탄소 전환할 때 흐른 전류 대비 에틸렌 생성에 사용된 전류의 비율 또한, 현재까지 구리 금속 촉매만이 전기화학적 이산화탄소 전환을 통한 에틸렌 생성이 가능한 유일한 소재로 알려져, 보다 다양한 촉매 소재 설계에 한계점이 있었다. 따라서, 촉매 반응의 이해 및 다양한 탄소화합물을 합성하려는 연구도 더딘 실정이었다. KIST 연구진은 구리 촉매 소재에 ‘세리아’라는 금속산화물을 도입, 나노 계면을 조절함으로써 다탄소 화합물 선택도를 향상시킬 수 있는 신규 촉매 설계 기술을 개발하였다. 균일한 구리 촉매 표면은 다탄소 생성물 합성에 적절치 못하다는 이전의 연구 결과를 바탕으로, 다양한 화합물 만들 수 있도록 이종의 소재를 도입하는 접근법을 사용하였다. 연구진이 도입한 금속산화물 ‘세리아’는 구리와의 계면에서 전자 및 화합물의 교환이 가능하여 촉매 반응에 기여하였다. 구리 나노 입자의 단일 촉매의 경우 에틸렌·에탄올의 생성전류 선택도가 40% 미만이었는데, KIST 연구진이 개발한 촉매는 65%로 높은 생성전류 선택도를 보였다. 또한, KIST 연구진은 계산·화학적 모델링을 통해 계면에서의 촉매 다양성 반응 원인을 규명했다. 특히, 구리와 세리아의 계면 조절을 통해 이산화탄소 전환 생성물의 비율을 조절할 수 있었고, 결과적으로 일산화탄소나 메탄과 같이 탄소가 하나인 화합물에 비해, 에틸렌·에탄올 등의 다탄소 화합물의 비율을 향상시키는 구조를 찾을 수 있었다. KIST 황윤정 박사는 “이산화탄소 전환 생성물의 다양성을 높이는 촉매 소재의 연구가 도전적이지만 새로운 가능성을 제시할 수 있을 것이다.”라고 말하며, “본 연구로 밝혀진 촉매 반응의 이해와 촉매 소재 개발 전략은 다탄소 화합물 합성 성능 향상에 기여하여 이산화탄소 활용 기술의 실용화 가능성을 높일 것으로 기대한다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 기후변화대응기술개발사업(차세대탄소자원화 사업단, 단장 전기원)으로 수행되었으며, 연구 결과는 에너지 분야 최고 수준 과학전문지인 「ACS Energy Letters」 (IF : 16.33, JCR 분야 상위 1.92%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Metal-Oxide Interfaces for Selective Electrochemical C-C Coupling Reactions - (제 1저자) 한국과학기술연구원 이찬우 박사((現)국민대학교 조교수) 한국과학기술원 신승재 박사과정 - (교신저자) 한국과학기술연구원 황윤정 책임연구원, 한국과학기술원 김형준 교수 <그림설명> [그림 1] (좌) 전기화학적 이산화탄소 전환 장치 및 에틸렌, 에탄올 생산 촉매 모식도 (우) 구리, 구리/세륨산화물, 세륨산화물 촉매의 전기화학적 생산 선택도 결과
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- 작성자청정에너지연구센터 황윤정 박사팀
- 작성일2019.10.29
- 조회수8964
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수소전기차 핵심소재인 연료전지, KIST 연구진이 개발한 고성능 분리막으로 국산화 앞당긴다
- 열 경화를 통해 고성능의 새로운 고분자막(파라-폴리벤즈이미다졸) 개발 - 기존 전해질막보다 44% 높은 성능과 63% 낮은 전압손실 보여 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 수소·연료전지연구단 헨켄스마이어 디억 박사팀은 “고온형 고분자 전해질 연료전지(HT-PEMFC)”*의 핵심소재인 전해질막의 성능을 크게 높였다고 밝혔다. *고온형 고분자 전해질막 연료전지(High Temperature - Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, HT-PEMFC) : 연료전지 장치 중, 이온전도성 고분자막을 이온전달 전해질로 사용하는 연료전지 연료전지는 100℃ 이하의 온도에서 작동되는 저온형과 160~180℃의 온도에서 작동되는 고온형으로 나뉜다. 이중 고온형 연료전지는 작동 시 발생되는 열을 그냥 버리지 않고, 메탄올과 같은 연료를 수소로 변환시키는 공정에 사용하여 수소를 생산하고, 이 수소를 다시 연료전지 에너지원으로 재사용할 수 있다. 가격이 저렴하면서도 운반, 보관, 취급이 쉬운 메탄올은 수소변환 시 이산화탄소를 배출하지 않는다. 이러한 메탄올 개질기와 결합된 고온 연료전지는 발전기에 사용하면 기존의 디젤 발전기보다 이산화탄소 발생을 65%가량 줄일 수 있는 큰 장점이 있다. 고온형 연료전지가 널리 상용화되기 위해서는 높은 전력밀도와 긴 내구성이 필요하다. 보통 고온형 연료전지에는 이온전도도를 높이기 위해 인산이 첨가된 폴리벤즈이미다졸(PBI, PolyBenzImidazole)**계 전해질막이 사용된다. 그러나 기존의 폴리벤즈이미다졸계 분리막은 연료전지가 작동되는 고온에서 인산에 용해되는 심각한 문제가 있었다. **PBI(폴리벤즈이미다졸, PolyBenzImidazole) : 열적, 화학적인 안정성이 매우 뛰어나 방화복이나 우주복 등에 쓰이는 고분자 재료 KIST 연구진은 고분자막의 안정성과 전도성을 획기적으로 개선하기 위해, 설폰산기***를 폴리벤즈이미다졸에 부착시킨 후 열을 가해, 고온에서 부서지지 않는 단단한 고분자막을 만들었다. KIST 연구팀이 개발한 새로운 분리막은 160˚C의 인산에서도 용해되지 않았으며, 기존의 다른 분리막보다 44% 더 높은 전도성과 전력밀도를 보였다. 또한 시간에 따른 전압감소도 63% 더 낮아 우수한 내구성을 보여주었다. ***설폰산기 : 황산 분자에서 하이드록시기가 떨어져 나간 구조의 원자단 KIST 헨켄스마이어 디억 박사는 “고온용 고분자 전해질막은 수소전기차용 연료전지의 핵심소재이나 기술적인 장벽이 높아 현재는 소수의 국가에서만 생산 가능한 실정이다.”라고 말하며, “이번 연구결과를 통해 전해질막의 국산화에 크게 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 수행된 KIST 주요사업과 덴마크 혁신 기금/한국 녹색 기술 센터가 지원한 KD 연료전지 프로젝트로 수행되었으며, 「Journal of Membrane Science」 (IF: 7.02, JCR 분야 상위 1.72%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Thermally crosslinked sulfonated polybenzimidazole membranes and their performance in high temperature polymer electrolyte fuel cells - (제 1저자) 한국과학기술연구원 N. Nambi Krishnan 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 Dirk Henkensmeier 책임연구원 <그림설명> [그림 1] 160 ℃에서 85 중량 % 인산 용액에 가열된 고분자막. 맨오른쪽이 이번 개발된 고분자막으로, 용해되지 않았다. [그림 2] (a) MS-p-PBI (b) 열경화 된 c-MS-p-PBI를 사용한 고온연료전지의 작동 시간에 따른 성능 곡선
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- 작성자수소·연료전지연구단 헨켄스마이어 디억 박사팀
- 작성일2019.10.24
- 조회수8715
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빛 에너지 이용한 인공광합성 반응 원리 규명, 자연의 광합성 모사한다
- 인공광합성의 방법 중, 빛을 직접 이용시 더 높은 효율 보이는 원리 규명 - 향후, 인공광합성 시스템 디자인 시, 중요한 이론적 배경 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 청정에너지연구센터 주오심 박사팀은 자연에서 발생하는 광합성을 모사하는 인공광합성 기술에서, 반도체 전극과 금속복합체를 이용하여 빛의 유무에 따른 반응의 차이와 그 원리를 밝혀냈다. 자연의 광합성을 모사하여 급증하는 온실가스인 이산화탄소를 고부가가치 물질로 바꿀 수 있는 인공광합성 기술이 주목받고 있다. KIST 연구진은 빛의 유무에 따라서 인공광합성 반응경로가 달라지는 점을 밝혀내고 이산화탄소로부터 고부가가치 물질인 일산화탄소를 선택적으로 생산하여 주목받고 있다. 자연에 존재하는 광합성에서는 광합성 시스템과 효소를 활용해서 이산화탄소를 유용한 화합물로 전환하는 이산화탄소 환원 반응만 일어나는 데 반해, 광전극*과 조촉매**를 사용하는 인공광합성은 이산화탄소 환원 반응 외에도 수소 발생 반응이 함께 일어나기 때문에 일산화탄소 생산 효율을 높이기 어려웠다. *광전극(Photoelectrode) : 빛을 흡수하여 전력을 만들어 낼 수 있는 전극 **조촉매(Cocatalyst) : 촉매반응을 향상 시켜주는 화학종 현재 인공광합성은 태양광을 전기에너지로 바꾼 후 이용하는 방법과 빛 에너지를 직접 이용하는 방법이 있다. 하지만 두 방법을 사용했을 때의 차이가 아직 알려지지 않아 인공광합성 기술 설계에 큰 어려움이 있었다. KIST 연구진은 광전극과 조촉매를 이용하여, 빛 에너지를 직접 공급하면 자연 광합성처럼 이산화탄소 환원 반응만 일어나게 할 수 있음을 밝혀냈다. 전기에너지를 이용할 때는 이산화탄소 환원 반응을 위한 높은 에너지가 필요하다. 그 경우 높은 에너지를 가진 전자는 이산화탄소 환원뿐 아니라 수소 발생 반응도 쉽게 일으키게 된다. 그러나 빛 에너지를 공급할 경우, 반도체의 전자는 이산화탄소 환원 반응에만 적합한 수준의 에너지만 갖게 되어 수소 발생 반응은 일어나지 않게 된다. KIST 연구진은 이러한 사실을 이용하여 빛 에너지를 공급하는 조건에서 98% 이상의 전자가 이산화탄소 환원 반응에 참여하게 유도할 수 있었다. 전기에너지만 공급하는 경우에는 전자 중 14%만이 이산화탄소 환원 반응에 사용되었다. KIST 주오심 박사는 “이번 결과는 앞으로 인공광합성 모사 시스템을 디자인할 때 중요한 이론적 배경이 될 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업으로 수행되었다. 이번 연구결과는 화학 분야 국제 저널인 ‘Angewandte Chemie’ (IF: 12.26, JCR 분야 상위 9.59%) 최신호에 표지논문(Front Cover)으로 게재되었다. * (논문명) Photoelectrochemical CO2 reduction with a rhenium organometallic redox mediator at semiconductor/aqueous liquid junction interfaces - (제1저자) 한국과학기술연구원 채상윤 박사후연구원(現, FAU Postdoc.) - (교신저자) 한국과학기술연구원 주오심 책임연구원 <그림설명> 그림1. 광합성으로 고부가가치 물질을 변환시키는 원리
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- 작성자청정에너지연구센터 주오심 박사팀
- 작성일2019.10.22
- 조회수8644
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공존현실 기반 4D+ SNS 플랫폼 개발
- 현실과 가상세계가 통합된 환경에서 SNS 서비스 제공 기존 소셜네트워크서비스(SNS)를 뛰어넘어 사용자들이 현실과 가상을 넘나들며 소통할 수 있는 플랫폼이 개발되었다. (재)실감교류인체감응솔루션연구단(단장 유범재, 이하 ’인체감응 연구단‘)이 다수 사용자가 공간과 감각을 실시간으로 공유하고 소통할 수 있는 (가칭)4D+ SNS 플랫폼을 개발했다고 과학기술정보통신부(장관 최기영, 이하 ’과기정통부‘)는 밝혔다. 인체감응 연구단은 글로벌 프론티어 사업 지원을 통해 원격 인터랙션 SW 프레임워크, 핸드 모션캡처 디바이스, 아바타 모델링 기술 등을 개발해왔으며, 기존 성과들을 융합?연계하여 서비스 모델로 구현하게 된 것이다. 카카오톡, 페이스북 등 기존 SNS도 문자, 사진, 동영상 등을 공유할 수 있지만, 사용자들의 공간과 감각을 실시간 공유하는 것에 한계가 있고, 기존 가상현실(VR) 서비스도 혼자 체험하는 것이 대부분으로, 다수 사용자들이 동시에 체험하고, 소통하는 데에는 한계가 있었다. 이에 반해 인체감응 연구단이 개발한 4D+ SNS는, 다수 사용자들이 공존현실에서 공간과 감각정보를 실시간 공유하고 소통함으로써, 원격 회의, 가상 쇼핑, 미니 게임 등을 함께 할 수 있도록 다양한 협업 콘텐츠를 제공할 수 있다. 사용자는 자신을 대신하는 아바타로 표현되어 네트워크에 접속한 다른 장소에 있는 사용자들과 소통하고, 협업할 수 있다. 가상키보드를 사용하여 메시지를 보내거나, 3D 이모티콘을 보내 감정을 전달하고, 가상공간에 그림을 그리거나, 가상 물체를 조작하면서 토론하고, 함께 동영상을 감상할 수 있으며, 가위바위보, 블록쌓기 같은 가상게임을 함께 즐기거나, 다른 장소에 있는 사용자들의 아바타들을 자신이 있는 장소로 초대하여 함께 소통하고 협업할 수도 있다. 유범재 단장은 “이번 연구성과는 5G 네트워크 시대의 킬러앱(Killer App)으로 떠오르는 양방향 소통 서비스, 가상/혼합 현실 서비스를 포함하는 새로운 SNS 개념을 제시한 데 큰 의미가 있다”라며, “관련 기업들과의 협업을 바탕으로 사업화를 적극추진하여 4D 가상통신 서비스 신시장 창출에 기여할 계획이다”라고 밝혔다. 인체감응 연구단은 ㈜에스피테크놀로지, ㈜플레이스비 및 ㈜패러렐월드와 공동연구를 수행하여 플랫폼을 개발하고 두 곳 이상의 원격지를 연결하여 서비스를 자체검증한 후 상용화를 추진 중이다. <그림설명> [그림 1] 4D+ SNS 개념 : 집에 있는 친구(아바타)에게 3D 이모티콘을 보내고, 새로운 제품의 3D 모델을 함께 보면서 만져보고, 가구에 올려놓거나 혹은 아바타에게 착용해 보면서 상의하여 선택한 후, 결제 [그림 2] 사용자들이 자신의 아바타를 선택한 후 접속한 로비에서 다른 사용자들과 서로 인사하거나 그림을 그려 공유하는 화면 [그림 3] 현실 공간에서 HMD를 착용하고, 자신의 아바타를 움직이면서 4D+ SNS를 체험하고 있는 사용자들 [그림 4] 4명의 사용자들이 모여서 ‘해적 룰렛’ 게임을 함께 하는 화면 [그림 5] 사용자들이 커머스 기능을 사용할 수 있는 공간으로 이동하여, 다양한 가상 객체로 구현된 상품을 조작하고 상품 정보를 조회하여 구매 결정을 할 경우 이메일로 상품 구매 사이트를 안내해주는 서비스 [그림 6] 개발된 4D+ SNS를 다수의 사람들에게 체험하게 하고 사용성 평가를 진행하는 모습
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- 작성자실감교류인체감응솔루션연구단 유범재 단장팀
- 작성일2019.10.15
- 조회수8121