- 프로톤 세라믹 전해질의 소결 온도를 획기적으로 낮출 새로운 합성법 개발 - 획기적 공정개발로 프로톤 세라믹 전지의 경제성 및 고성능화 동시 달성 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 수소에너지소재연구단 지호일 박사, 금오공과대학교 최시혁 교수 연구팀은 차세대 고효율 세라믹 전지인 프로톤 세라믹 전지의 전해질의 치밀화 과정을 유발하는 소결 온도를 획기적으로 낮출 수 있는 신규 합성법을 개발했다고 밝혔다. 전해질, 전극 등 모든 구성요소가 세라믹과 같은 금속산화물로 구성된 기존의 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Cell; SOC)는 전력 생산과 수소 생산이 동시에 가능하다. 특히, 600℃ 이상의 고온에서 작동하기 때문에 다른 연료전지 대비 전력 변환 효율이 높다는 장점이 있으나, 고온 내구성을 지닌 재료를 사용하기 때문에 생산비용이 높고 장기간 작동 시 열화로 인한 성능 저하가 유발되는 한계가 있다. 최근, 고체산화물 전지 중 수소이온인 프로톤(Proton)을 사용하는 프로톤 세라믹 전지(Protonic Ceramic Cell; PCC)가 차세대 연료전지로 주목받고 있다. 산소이온을 전달하는 기존 전해질과 달리 크기가 작은 수소이온을 전달하기 때문에 높은 이온전도도를 구현할 수 있다. 그러나 프로톤 세라믹 전지의 전해질을 제작하기 위해서는 1,500℃ 이상 고온에서의 소결이 필요한데, 이 과정에서 구성물이 휘발 또는 석출되는 현상은 전해질의 성능을 저하하고 있어 프로톤 세라믹 전지의 상용화에 걸림돌이 되고 있다. 연구팀은 소결 온도를 낮추기 위해 전해질 소재를 합성하는 새로운 공정을 개발했다. 일반적으로는 하나의 화합물로 구성된 분말을 소결해 프로톤 세라믹 전지의 전해질을 제작한다. 하지만 소결 온도를 낮추기 위해 투입된 첨가제가 전해질에 잔류해 전지의 출력밀도를 저해하는 문제가 발생했다. 연구팀은 저온 합성을 통해 두 종류의 화합물이 혼합된 분말을 전해질로 제조했을 때, 소결 특성이 우수한 하나의 화합물로 합성되는 소결 가속화 과정에서 첨가제 없이도 소결 온도가 1,400℃로 낮아지는 것을 확인했다. 새로운 공정으로 합성된 프로톤 세라믹 전해질은 낮은 온도에서도 치밀한 막을 형성해 전지의 전기화학적 특성을 향상시켰다. 또한, 이 전해질을 실제 프로톤 세라믹 전지에 적용했을 때, 우수한 프로톤 전달 특성이 발현돼 600℃에서 기존 대비 약 2배 향상된 출력밀도(950mW/cm2)를 달성했다. 이를 통해 공정 시간을 단축하고 열적 안정성 및 세라믹 전해질의 성능 향상을 동시에 달성할 수 있을 것으로 기대된다. 연구진은 향후 프로톤 세라믹 전지 상용화를 위해 두 화합물 간 소결 가속화 현상을 이용한 새로운 공정을 대면적 전지 제작에 적용할 예정이다. KIST 지호일 박사는 "본 연구를 통해 프로톤 세라믹 전지 제작 과정 중 고질적인 소결 문제를 해결할 수 있었다"라며, "대면적화 기술이 성공적으로 개발되면 전력 생산과 수전해를 통한 그린수소, 원자력 발전소의 폐열을 활용한 핑크수소 생산 기술로 활용해 에너지의 효율적인 관리가 가능해질 것"이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 미래수소원천기술개발사업(2021M3I3A1084278), 산업통상자원부(장관 안덕근) 신재생에너지핵심기술개발사업(20223030040080)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Advanced Energy Materials」 (IF 24.4, JCR 분야 2.6%)에 게재됐다. [그림 1] 저온합성으로 제조된 프로톤 세라믹 전해질이 소결되는 원리 저온합성공정으로 제조된 이중상(dual-phase) 프로톤 세라믹 전해질은 향상된 소결특성을 보여 기존의 소결공정 온도를 낮출 수 있으며, 그 결과 전해질의 고유특성을 소자에서도 발현할 수 있게 되어 전지 특성을 향상시킬 수 있다. [그림 2] 단일상(A) 및 이중상(B) 프로톤 세라믹 전해질 소결 거동 비교 (A) 단일상(single-phase) 전해질 분말소재는 온도가 증가할수록 고유소결특성에 따라 입자 크기가 성장한다. (B) 높은 소결도 및 낮은 소결도 특성을 각각 보이는 두 개의 상으로 구성된 이중상 전해질 분말은 온도가 증가함에 따라 소결특성이 우수한 하나의 상이 초기 소결특성을 결정, 가속화하고 잔존하는 난소결 상이 오스트발트 라이프닝(Ostwald ripening) 현상으로 입자크기 성장이 이루어진 상으로 흡수되면서 최종 단일상을 형성하게 된다.

- KIST, 전기 없이도 여름철 냉방 효율을 높이는 차세대 냉각 소재 개발 - 소재에 색상 부여해 디자인과 에너지 절감 두 마리 토끼 동시에 잡아 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 나노포토닉스연구센터 강진구 박사 연구팀은 외부 전력 없이 냉각하면서 동시에 색상을 낼 수 있는 색상형 복사냉각 액정 소재를 개발했다고 밝혔다. 복사냉각 기술은 태양광의 선택적 반사·흡수를 통해 열을 방출해 온도를 떨어뜨리는 무전력 냉방 기술이다. 따라서 전력 소모가 심한 에어컨을 보조할 수 있는 차세대 친환경 냉각 기술로 주목받고 있다. 낮 시간용 복사냉각 소재는 태양광 흡수를 낮추기 위해 하얀색을 띠고 있다. 이 경우 냉각 성능은 우수하나 여러 색상 구현이 어려워 심미성이 필요한 건물이나 차량에 활용할 수 없다는 단점이 존재한다. 이에 따라 냉각과 심미성을 동시에 충족하는 색상형 복사냉각 소재 개발이 최근 관심받고 있다. 기존에 알려진 색상형 복사냉각 소재는 빛 흡수를 이용해 색깔을 냈기 때문에 온도 하강 효과가 낮았다. 대안으로 제시된 빛 반사를 이용한 광결정 형태의 색상형 소재들의 경우, 냉각 성능은 뛰어났으나 뚜렷한 색상을 구현하는데 한계가 있었다. 연구팀은 굴곡진 나선형 액정 광결정을 제작하여 이러한 문제점을 해결했다. 이번 연구에서 사용된 상용화 액정(LC242)은 복사냉각을 통해 온도를 떨어뜨리는 물질일 뿐만 아니라 유도체를 이용해 나선형으로 정렬시키면 주기적 구조를 통해 색을 띠는 광결정을 형성한다. 연구팀은 회전 코팅 공정을 이용해 이런 색상형 광결정에 굴곡을 부여했고 그 결과 각도에 따라 색상이 다르게 표현된 기존 광결정과 달리 선명한 색상을 구현할 수 있었다. 제작된 색상형 복사냉각 액정 소재를 상부 투명 고분자 필름 및 하부 금속 박막과 결합한 결과 한낮에 동일 색상 상용 페인트보다 약 30.8°C, 주변 공기보다 약 3.1°C 낮은 온도를 달성할 수 있었다고 연구팀은 밝혔다. 본 소재를 이용하면 심미성이 고려되는 건물 외부나 차량의 에어컨 소비량 절감이 가능할 뿐 아니라 야외 레저용 소품이나 군사용 텐트에도 전력 소모 없이 냉방을 공급할 수 있을 것으로 기대한다. KIST 강진구 박사는 “이번 연구에서 개발된 색상형 복사냉각 액정 소재는 저가의 단순한 회전 코팅 공정을 통해 신속하게 제작할 수 있다”라며 “본 기술의 대면적화가 성공한다면 향후 전자기기나 모빌리티 등 광범위한 분야의 냉각에 이용될 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 KIST 주요 사업과 산업통상자원부(장관 안덕근)의 지원(20213091010020)으로 수행됐다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 「Chemical Engineering Journal(IF: 13.3, JCR 분야 상위 3.1%)」 최신 호에 게재됐다. * (논문명) Efficient full-color daytime radiative cooling with diffuse-reflection-dominant cholesteric liquid crystals [그림 1] 색상형 복사 냉각 액정 소재 모식도 및 실제 사진 색상형 냉각 소재를 구성하는 나선형 액정 광결정 (좌) 구조 모식도 및 (우) 실제 사진. 첨가물(카이랄 도펀트) 양을 조절하여 전 영역 색상을 구현함. [그림 2] 색상형 복사 냉각 액정 소재의 냉각 성능 (좌) 개발된 소재로 제작한 여러 색상의 “KIST” 글자를 광학 카메라와 적외선 카메라로 각각 촬영한 결과. 글자 온도가 주변부보다 낮음을 확인. (우) 색상형 냉각 소재와 상용 페인트의 한낮 온도 변화를 측정한 결과. 상용 페인트 대비 최대 30.8 oC 낮은 온도 달성함. [사진 1] 공정 실험실에서 연구팀의 김민정 박사후연구원(좌)과 강진구 책임연구원(우)이 직접 제작한 색상형 복사냉각 소재를 보여주고 있다.

- 소수성 제어를 통해 전해질 범람 방지하는 은 나노 촉매 개발 - 전기화학 CO2 전환 기술의 실증 및 상용화를 위한 촉매 전략 제시 2050년 탄소중립 목표를 달성하기 위해 CCUS(Carbon Capture, Utilization, and Storage) 기술이 중요한 역할을 맡고 있다. 화력발전소, 정유·석유화학 공장 등에서 발생하는 CO2를 유용한 화합물로 전환하는 전기화학적 CCUS 기술의 필수 매개체인 전해질은 반응 속도와 효율성에 영향을 주는 핵심 요소이다. 그러나 이산화탄소 전해 장치의 환원 전극에서 전해질이 과도하게 흐르는 전해질 범람(electrolyte flooding) 현상은 CO2가 전극 촉매층에 전달되는 것을 방해해 CCUS 기술의 상용화에 걸림돌이 되고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 청정에너지연구센터 오형석·이웅희 박사팀은 KIST 반도체기술연구단 황규원 박사팀, LG화학 노태근 박사 연구팀과 공동연구를 통해 이산화탄소 포집 장치의 전해질 범람을 억제할 수 있는 소수성 지질 유기물이 표면에 결합된 은 나노 촉매를 개발했다고 밝혔다. 은 촉매는 CO2를 플라스틱 등 석유화학제품의 원료인 일산화탄소로 전환하는 데 탁월한 성능을 보여 가장 활발히 연구되고 있다. 연구팀은 전해질 범람 문제를 해결하기 위해 은 나노입자 표면에 지질 유기물을 결합해 물 분자와 쉽게 결합하지 않는 소수성을 지니면서 주변 반응 환경을 제어할 수 있는 새로운 은 촉매를 개발했다. 합성된 은 나노입자는 약 7나노미터(nm·10억분의 1m) 크기의 정이십면체 구조를 가지며 입자 표면에 소수성 지질 유기물이 균일하게 결합해 있다. 또한, 기존 단위 면적당 1mg의 촉매량보다 적은 0.3mg으로도 높은 CO2 전환 활성을 보였다. 연구팀이 개발한 은 촉매는 균일한 소수성을 지니고 있어 전극 표면에 물이 과도하게 축적되는 것을 방지해 전해질 범람을 억제함으로써 과전압 조건에서도 CO2 전환 성능을 유지하고 내구성을 높일 수 있다. 연구팀은 CT 촬영을 통해 전압이 높아지는 조건에서도 전해질의 범람이 줄어드는 것을 관찰했다. 또한, 실제 3.4V의 전압 조건에서 기존 촉매는 약 81.5%의 일산화탄소에 대한 선택도와 12시간의 성능 유지를 보였지만, 새롭게 합성된 촉매는 약 95.5%의 선택도와 50시간 이상의 성능을 유지했다. 이번에 개발된 촉매를 활용할 경우, 적은 촉매량으로 장기간 전기화학적 CO2 전환이 가능하다는 점에서 촉매 비용을 절감하고 교체 주기를 늘려 CCUS를 통한 일산화탄소의 생산비용이 낮아질 것으로 기대된다. 공동연구팀은 석유화학 공정 등 대규모 생산시설에 적용할 수 있도록 전기화학적 CO2 전환 실증 시스템 적용 연구를 수행할 예정이다. KIST 오형석 책임연구원은 “전기화학 시스템에서 내적, 외적 요인을 모두 고려한 촉매 합성 전략을 제시했다는 점에서 의미가 있다”라며 “LG화학과 함께 진행된 이 연구 성과는 향후 전기화학적 CO2 전환 기술의 실증 및 상용화를 앞당길 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 Carbon to X 사업(2020M3H7A1098229), 창의형 융합연구사업(CAP21011-100)으로 수행됐다. 이번 연구 결과는 국제학술지 「Nature Communications」 (IF: 14.7, JCR 분야: 5.6%)에 게재됐다. * 논문명 : Extrinsic hydrophobicity-controlled silver nanoparticles as efficient and stable catalyst for CO2 electrolysis [그림 1] 소수성 지질 유기물이 표면에 결합된 정이십면체 구조의 은 촉매 모식도 [그림 2] 상용 은 촉매와 합성된 은 촉매의 범람 정도 비교 모식도 [그림3] 전해질 범람을 막아 전기화학적 CO2 전환 성능을 높이는 소수성 은촉매를 개발한 KIST 연구팀

- KIST 연구진이 개발한 원소 제어 맥신, 수전해 촉매 담지체 응용 가능 - 몰리브데넘 기반 맥신 지지체 활용 시, 그린 수소 생산 비용 절감 효과 전 세계 137개국은 2050년까지 화석 연료 사용을 중단하고 탄소 배출을 제로로 만드는 '넷제로(Net-Zero)' 기후 변화 협약을 체결했다. 수소는 에너지원으로 활용될 때 물과 산소만을 배출하므로 친환경적인 차세대 에너지원으로 각광받고 있다. 수소 생산 방식은 사용 에너지원과 탄소 배출 유무에 따라 그레이 수소, 블루 수소, 그린 수소로 나뉜다. 그 중 그린 수소 생산 방법은 친환경 에너지를 사용해 물을 전기 분해하여 탄소 배출 없이 수소를 생산하는 가장 친환경적인 방법이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 전자파솔루션융합연구단 이성수 박사 연구팀은 전자파 차폐 및 흡수 특성을 가진 산화 안정형 몰리브데넘계 맥신을 개발했다고 밝혔다. 산화 반응에 대해 안정성을 가지고 있어 이를 수전해 촉매의 담지체로 응용할 경우, 그린 수소 생산의 산소 발생 전극으로 활용해 그린 수소 생산 비용을 절감시킬 수 있다. 물을 수소 분자와 산소 분자로 분해하려면 많은 에너지가 필요하다. 에너지를 줄이기 위해 촉매가 사용되며, 나노 단위의 작은 입자들로 이루어진 촉매가 작을수록 표면적이 넓어져 반응이 잘 일어난다. 하지만 시간이 지나면서 작은 촉매 입자들이 뭉치는 현상이 발생해 표면적이 줄어들고 수소 생산 효율이 떨어진다. 이를 방지하기 위해 촉매와 지지체를 함께 사용하는데 수소가 생성되는 양극에 주로 사용되는 탄소가 있지만, 음극에서는 산화 반응으로 탄소가 사용되면 이산화탄소로 산화되어 내산화성이 높은 지지체가 필요하다. 이때 지지체로 사용될 수 있는 물질이 바로 맥신이다. 맥신은 Ti, Mo, Hf, Ta 등의 금속 원자와 탄소 또는 질소 원자로 이루어진 나노 물질로, 전기가 잘 통하고 촉매 지지체로 적합한 구조를 지녀 수소 생산에 유리하다. 특히 티타늄(Titanium) 기반의 맥신이 가장 많이 연구됐다. 하지만 이 경우 물에 쉽게 산화된다는 티타늄의 원자적 특성으로 인해 촉매가 높은 전기전도도를 유지할 수 없다는 고질적인 단점이 있었다. 이를 보완하기 위해 연구팀은 몰리브데넘을 적용한 맥신을 지지체로 사용하는 음극 촉매를 새롭게 설계했다. 다른 원자를 사용하기 때문에 티타늄의 산화 안정성 취약 부분을 완전히 극복할 수 있는 시도로 주목을 받고 있다. 몰리브데넘 기반의 맥신을 지지체로 활용하였을 때, 맥신의 표면을 구성하고 있는 몰리브데넘 원자와 촉매 코발트 사이에 강한 화학 결합이 만들어진다. 이렇게 생성된 화학 결합을 통해 수소 생산 효율 또한 약 2.45배 증가했다. 특히, 최근 티타늄 계열의 맥신을 활용한 단위 전지 셀 내구성이 40시간이 채 되지 않았던 결과에 대비해 10배 이상의 내구성 향상 효과를 확인했다. 이를 통해 그린 수소 생산 비용 절감 효과를 기대할 수 있으며, 향후 대규모 수소 생산 발전소 및 대량 그린 수소 발전 스테이션 분야 활용에도 적용할 예정이다. KIST 이성수 박사는 “맥신을 구성하는 원소를 제어해 그린 수소 생산 환경에 적합한 후보군을 찾을 수 있었고, 이를 통해 산화 환경에서 안정성 있는 맥신 지지체를 확보했다”라며 “향후 수소 생산 효율과 내구성을 지닌 산소 발생 전극 촉매 개발로 수소 기반 생태계 활성화에 기여할 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 KIST 주요사업과 기초과학연구사업(2021M3H4A1A03047327)으로 수행됐다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 「Applied Catalysis B: Environment and Energy(IF: 20.2, JCR 분야 상위 0.6%)」 최신 호에 게재됐다. [그림 1] 맥신을 지지체로 활용한 촉매 디자인 및 이를 음이온 기반 수소 발생 장치 전극 활용/실증 확인 전체 개념도 [그림 2] 몰리브데넘 맥신/티타늄 맥신 지지체를 활용한 촉매에 따른 수전해 장치 성능(a, 전류-전압 그래프)

- 이산화탄소로부터 친환경 바이오플라스틱을 직접 생산하는 생물-전기 융합시스템 개발 - 세계 최고 수준의 미생물 유래 친환경 바이오플라스틱(PHA) 생산성 달성 기후변화와 환경오염 문제를 동시에 해결할 수 있는 이산화탄소에서 바로 바이오플라스틱을 만들어 내는 기술이 주목받고 있다. CCU(Carbon Capture and Utilization) 기술로 생산되는 화합물은 생분해성인 경우가 적고 복잡한 화학반응 단계를 거쳐야 한다. 반면, 미생물을 이용해 이산화탄소로부터 친환경 생분해성 플라스틱을 생성하는 기술은 플라스틱 폐기물 문제를 해결할 수 있으며 이산화탄소를 플라스틱으로 전환하기 위한 추가적인 에너지 투입이 적어 차세대 이산화탄소 전환 기술로 평가받고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 청정에너지연구센터 고자경·이동기 박사 연구팀은 전기화학 시스템과 미생물 배양 시스템을 결합해 공기 중 이산화탄소에서 친환경 바이오플라스틱인 폴리하이드록시알카노에이트(PHA, Polyhydroxyalkanoate)를 효율적으로 생성할 수 있는 생물-전기 융합기술을 개발했다고 밝혔다. PHA는 미생물에 의해 합성되는 천연 고분자로 토양뿐 아니라 해양 환경에서도 생분해되며 식품 포장재, 의료용품 등에 사용된다. 연구팀은 이산화탄소를 먹고 PHA를 만드는 능력을 지닌 수소 산화 박테리아에 주목했다. 이 미생물의 배양을 위해 물을 전기 분해해 실시간으로 생산된 수소를 에너지원으로 공급하고 이를 통해 이산화탄소로부터 바이오플라스틱을 생산할 수 있는 생물-전기 융합시스템을 개발했다. 그러나 물을 전기 분해하는 과정에서 독성물질인 활성산소와 금속이온이 부산물로 생성돼 미생물의 성장을 저해하는 문제가 있었다. 이를 해결하기 위해 미생물에 대한 독성이 매우 낮고 쉽게 금속으로 돌아갈 수 있는 특성을 가진 구리가 첨가된 촉매를 개발했다. 또한, 연구팀은 개발된 촉매의 표면에 코팅된 구리가 미생물 배양액에 녹았다가 다시 전극으로 돌아가는 순환과정에서 활성산소를 빠르게 분해하는 독성물질 자가 해독 메커니즘을 규명하는 데 성공했다. 그 결과, 기존 촉매를 활용할 때보다 수소 생산성 및 활성산소 제거 속도가 높아졌을 뿐만 아니라 활성산소 생산량이 감소해 300mg/L이었던 미생물 유래 PHA 생산성을 세계 최고 수준인 487mg/L으로 높였다. 연구팀은 이산화탄소로부터 생성되는 PHA의 대량생산을 위해 생물-전기 반응조 대용량화 및 반응 조건 최적화 연구를 수행할 예정이다. 이를 통해 석유 기반 플라스틱이나 다른 바이오플라스틱보다 2~5배 높은 생산 단가를 낮춤으로써 미생물 유래 PHA가 비닐, 플라스틱 용기 등 다양한 시장에서 탄소중립을 동시에 실현할 수 있는 차세대 친환경 플라스틱으로 자리매김할 것으로 기대된다. KIST 고자경 박사는 “이번 연구 성과는 생물공학과 전기화학 분야의 융합 원천 기술로 전기에너지로 이산화탄소를 복잡한 고분자 물질로 바로 변환할 수 있음을 보여주는 좋은 사례”라며 “대기 중 이산화탄소를 직접적으로 감축할 수 있는 탄소중립을 위한 핵심 기술로 많은 발전과 활용이 기대된다”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부 (장관 이종호)의 지원을 받아 KIST 주요사업과 바이오의료기술개발사업(2022M3A9F3082336), 원자력연구개발사업(RS-2022-00156236)으로 수행됐다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 「Advanced Science」（IF 14.3, JCR 분야 상위 6.5%) 최신호에 게재됐으며, ‘Hot Topic: Carbon Dioxide’에 소개됐다. * (논문명) Biocompatible Cu/NiMo Composite Electrocatalyst for Hydrogen Evolution Reaction In Microbial Electrosynthesis; Unveiling the Self-Detoxification Effect of Cu [그림 1] 이산화탄소, 물, 미생물, 전기를 이용한 생분해성 바이오플라스틱 생산 [그림 2] 생물-전기합성 반응에서 구리의 자가해독 반응

- 이온화 지질의 함량 조정, 독성을 완화한 신규 지질 나노입자 조성 방법 개발 - 면역 관련 장기로의 표적 전달 확인, 향후 K-mRNA 백신 개발 기대 코로나-19 팬데믹 동안 개발된 mRNA 백신은 높은 예방 효과와 빠른 생산 속도로 인류의 안전을 지킨 현대 과학의 위대한 성취다. mRNA 백신은 바이러스의 유전 정보를 담은 메신저 리보핵산(mRNA)을 이용해 인체 내에서 항원을 직접 생성하게 함으로써 면역 반응을 유도하는 차세대 백신으로 알려져 있다. 다만, 백신 접종 후 발생하는 여러 부작용에 대한 원인이 정확히 밝혀지지 않아 신·변종 감염병에 대비한 국산 mRNA 백신 연구가 필수적이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 뇌융합기술연구단 방은경·금교창 박사팀은 가톨릭대학교 의생명과학과 남재환 교수팀, 서울대학교병원 핵의학과 윤혜원 교수팀과 공동연구를 통해 독성이 완화된 mRNA 백신용 신규 지질 나노입자 조성 방법을 개발했다고 밝혔다. 지질 나노입자를 구성하는 물질인 이온화 지질은 mRNA 백신의 약물 전달에 중추적인 역할을 하지만, 체내에서 독성을 유발할 수 있어 이를 완화하기 위한 연구가 수행되고 있다. 이온화 지질은 mRNA와의 정전기적 상호작용으로 지질 나노입자를 만들어 mRNA의 전달 및 방출을 조절한다. 현재 사용되는 이온화 지질은 mRNA의 방출에 유리한 고깔 형태의 구조이며, RNA로부터 합성된 항원 단백질을 항원으로 인지해 항체를 형성하는 면역 반응을 일으키도록 도와준다. 연구팀은 mRNA 백신의 독성을 완화하기 위해 이온화 지질에 상응하는 면역 증강 효과가 있으면서도 독성이 없는 트레할로스(trehalose) 당지질에 주목했다. 염증 완화 효과가 있다고 알려진 트레할로스는 수소결합을 통해 mRNA와 상호작용이 가능하며 불포화지방산을 도입해 고깔 형태의 구조로 합성할 수 있다. 또한, 트레할로스 당지질은 체내 면역 인자의 수용체와 결합하는 리간드(ligand)로 작용해 면역 증강 효과를 지닌다. 지질 나노입자 내 트레할로스 당지질의 함량을 조절한 결과, 전체 지질 중 이온화 지질의 함량을 기존 50%에서 25%로 줄이고 트레할로스 당지질을 25% 추가한 새로운 지질 나노입자 조성 방법을 개발했다. 신규 지질 나노입자를 mRNA 구조체 플랫폼과 결합해 인플루엔자 mRNA 백신으로서 효능을 검증한 결과, 기존 지질 나노입자와 동일한 수준의 중화항체가(價)를 보여 면역 증강 효과가 있음을 입증했다. 또한, 유효 농도의 10배 이상 고농도 백신을 쥐에 주입했을 때 아무것도 처리하지 않은 대조군 대비 심장 독성 및 간독성 지표에 차이가 없어 독성 완화 효과가 있음을 확인했다. 한편, 생체영상분석을 통해 백신 투여 방법에 따라 면역 관련 기관인 비장 및 림프절에 선택적으로 mRNA의 전달이 가능한 것을 관찰했다. 이는 타 장기로의 전달에 따른 부작용을 낮추면서 면역 효과를 높여 독성이 완화된 국산 mRNA 백신 개발을 위한 기초 기술로 활용될 것으로 기대된다. KIST 방은경 박사는 “트레할로스 당지질은 이온화 지질의 함량을 줄이고 표적화할 수 있어 독성을 완화할 수 있는 지질 나노입자의 주요 성분이 될 것”이라며 “면역 관련 장기에 표적 전달이 가능한 mRNA 백신 전달체는 전염병 예방 및 면역 항암 치료에 활용할 수 있다”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 바이오의료기술개발사업(2021M3E5E3080563) 등으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Bioactive Materials」 (IF 18.9, JCR 분야 1.1%) 최신 호에 게재됐다. * 논문명 : A lipid nanoparticle platform incorporating trehalose glycolipid for exceptional mRNA vaccine safety [그림 1] 트레할로스 당지질로 이온화 지질의 일부를 대체한 신규 지질 나노입자 플랫폼의 디자인 및 성능 모식도 [그림 2] 트레할로스 당지질로 이온화 지질의 일부를 대체한 신규 지질 나노입자 플랫폼의 디자인 및 성능 모식도 2

- 별세포에 의한 ‘지속적 흥분’ 유발이 신경병증성 통증의 핵심 기전으로 규명 - 신경병증성 통증 시각화를 통해 향후 진단 및 예후 모니터링 활용 기대 신경병증성 통증은 경미한 자극에도 극심한 통증을 느끼는 증상이다. 일반적으로 당뇨, 항암치료, 수술 등으로 인해 말초 신경이 손상되어 통증을 관장하는 뇌에서 잘못된 신호를 보내 통증을 유발하는 질환으로 알려져 있다. 심각할 경우, 옷에 쓸리는 느낌만으로도 불에 타는 듯한 극심한 통증을 느껴 삶의 질을 저하시키고 있다. 현재까지 신경병증성 통증을 유발하는 명확한 원인을 알지 못해 진단과 치료가 어려운 상황이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 뇌과학연구소 남민호 박사 연구팀은 광주과학기술원(GIST, 총장 임기철) 김형일 교수 연구팀과 공동연구를 통해 별세포(astrocyte)에 의한 신경병증성 통증 유발의 핵심 기전을 새롭게 규명하고, 나아가 그에 따른 맞춤형 치료 및 모니터링 타겟을 제시했다고 밝혔다. 신경세포를 중심으로 통증 신호의 전달을 조절하는 것에 집중돼 있던 기존 연구에서 벗어나 별세포를 중심으로 한 새로운 타겟을 제시한 것이다. 연구팀은 쥐 실험을 통해 신경병증성 통증 모델의 척수에서 반응성 별세포가 가바(GABA)를 과도하게 생성 및 분비하는 것이 병리의 핵심임을 밝혀냈다. 중추신경계의 신경전달물질인 가바는 일반적으로 주변 신경세포의 활성과 대사를 억제시키는 역할을 한다. 그러나 신경병증성 통증이 발병한 경우, 가바의 분비로 신경세포의 특정 단백질인 ‘KCC2 운송체’의 발현이 감소해 신경세포의 염화이온 농도가 높아진다. 따라서 역설적인 현상으로 신경세포를 과도하게 활성시키는 ‘지속적 흥분(Tonic Excitation)’ 현상을 일으킨다는 것을 확인했다. 또한, 연구팀은 방사성동위원소로 표지된 포도당(18F-FDG)을 이용한 PET(양전자단층촬영)을 통해서 별세포 가바에 의한 신경세포의 ‘지속적 흥분’을 시각화하는 데에 성공했다. 그 결과, 신경병증성 통증을 겪는 동물의 척수에서 증가된 포도당 대사를 관찰할 수 있었고, 별세포가 발현하는 마오비(MAOB) 효소를 활용해 가바 생성을 억제한 이후에는 척수에서의 포도당 대사도 정상 수준으로 회복되는 것을 관찰했다. 이는 치료의 진행 정도를 가시화할 수 있음을 보여 신경병증성 통증 환자의 예후 관리에 도움이 될 것으로 기대된다. 특히, 연구팀이 개발한 마오비(MOAB) 억제제의 신경병증성 통증 치료 효과 및 안정성을 확보하기 위해 임상실험을 진행할 예정이다. KIST 남민호 박사는 “별세포의 가바에 의한 지속성 흥분이 척수 신경 과민성의 원인이자 신경병증성 통증의 핵심 기전”이라며, “이러한 결과들은 신경병증성 통증의 새로운 치료 전략 개발을 위한 중요한 기초를 제공할 것이다”라고 말했다. GIST 김형일 교수는 “별세포와 신경세포 간 상호작용의 시각화를 통해 신경병증성 통증의 예후 모니터링에 중요한 정보를 제공할 수 있을 것”이라고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원으로 KIST 주요사업 및 뇌질환극복연구사업(2020M3E5D9079744), 세종과학펠로우십(2021R1C1C2005440) 등으로 수행됐다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 'Experimental & Molecular Medicine' (IF 12.8, JCR 분야 4.8%) 최신호에 게재됐다. [그림 1] 별세포-신경세포 상호작용을 통한 신경병증성 통증의 신규 기전 [그림 2] 마오비 억제제에 의한 신경병증성 통증 치료 효과

[2024.03.07 보도자료] - 수소와 산소 동시에 생산 가능한 양기능성 촉매 내구성 한계 극복 - 전기화학 시스템의 상용화를 위한 대면적 반응기 구동 기술 제시 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 청정에너지연구센터 오형석·이웅희 박사팀은 포항공과대학과 연세대학교와 공동연구를 통해 산소 환원 반응과 발생 반응을 모두 보이는 팔면체 구조의 양기능성 백금-니켈 합금촉매를 이용해 전극의 가역-내구성을 향상하는 방법론 개발에 성공했다고 밝혔다. 양기능성 촉매란 하나의 촉매를 사용해 물에서 수소와 산소를 동시에 생산하는 차세대 촉매다. 현재 수전해 기술, CCU(이산화탄소의 포집 및 활용) 등 전기화학 시스템에서는 양쪽 전극에 별개의 촉매를 활용하기 때문에 수소의 생산 단가가 높다. 반면 1개의 생산공정으로 합성이 가능한 양기능성 촉매는 생산비용 절감이 가능해 전기화학적 에너지 전환 기술의 경제성을 높일 수 있는 기술로 주목받고 있다. 하지만 양기능성 촉매는 수소와 산소를 발생하는 각각의 전기화학 반응을 진행하고 나면 전극 물질의 구조변화로 인해 다른 반응 성능이 낮아진다는 문제가 있다. 이 때문에 양기능성 촉매를 상용화하기 위해서는 반응 후에도 장기간 촉매구조를 유지할 수 있는 가역-내구성 확보가 중요하다. 연구팀은 양기능성 촉매의 가역-내구성을 높이기 위해 각각 산소 환원반응과 발생 반응에서 높은 성능을 보이는 백금과 니켈을 섞어서 다양한 구조의 합금촉매를 합성했다. 실험 결과 팔면체 구조일 때 니켈-백금 간의 상호작용이 가장 활발했으며, 이 합금촉매는 백금, 니켈 단일 물질로 제작한 촉매 대비 산소 환원반응과 발생 반응 성능이 2배 이상 높았다. 또한, 합금촉매의 반복적인 발생 반응 과정에서 생성되는 백금 산화물이 성능 감소의 원인임을 확인해 백금 산화물을 백금으로 환원시키는 구조복구 방법론을 개발했다. 연구팀은 전자 현미경을 통해 연구팀이 개발한 방법론 적용 시 촉매의 형상이 복구되는 것을 확인했으며, 상용화를 위한 대면적 반응기 실험에서도 촉매 형상 복구에 성공해 구동 시간을 2배 이상 늘렸다. 연구팀이 개발한 양기능성 촉매와 구조복구 방법론은 기존에 산소 발생과 환원 반응을 위한 별개의 촉매를 양기능성 촉매로 대체해 일체형 재생 연료전지 기술의 상용화를 앞당길 것으로 기대된다. 수소와 전력 생산이 모두 가능한 일체형 재생 연료전지는 높은 가격의 촉매의 투입량을 줄이면서도 성능을 유지할 수 있어 생산비용을 낮출 수 있다. KIST 오형석 책임연구원은 “촉매의 가역-내구성 향상 기술은 전기화학적 에너지 전환 시스템에 중요기술인 양기능성 촉매 개발에 새로운 방향성을 제시한 것”이라며 “향후 일체형 재생 연료전지와 같은 전기화학 시스템의 상용화 및 탄소중립을 앞당기는 데 이바지할 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 ‘KIST 주요사업’, ‘Carbon to X 사업’(2020M3H7A109822921) 및 국가과학기술연구회(이사장 김복철)의 ‘창의형 융합연구사업’(CAP21013-100)으로 수행됐다. 연구결과는 저명 국제저널 ‘Advanced Energy Materials’ (IF: 27.8, JCR 분야 상위 2.5%) 최신 호에 게재됐으며, Back Cover 이미지에 선정됐다. * Activity restoration of Pt-Ni octahedron via phase recovery for anion exchange membrane-unitized regenerative fuel cells [그림1] Advanced Energy Materials Back Cover 이미지 [그림2] 일체형 재생 연료전지 구동 모식도

- 유전체, 전사체, 단백체 및 임상 데이터의 통합으로 정밀의학적 특성 규명 - 순수 국내 연구진의 공동연구로 한국인 특이적 난치 암의 신규 치료 표적 발굴 폐암의 가장 주요한 원인은 흡연이다. 그런데 비흡연자의 폐암 발병률은 꾸준히 증가하고 있으며, 특히 여성의 발생률이 높다. 비흡연 폐암 환자의 약 80%는 EGFR 및 ALK 단백질 등을 표적으로 하는 항암제가 처방되고 있지만, 표적이 없는 나머지 환자는 부작용이 많고 항암제 반응률이 상대적으로 낮은 세포독성 항암제를 사용하고 있어 표적치료제가 절실한 상황이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 화학생명융합연구센터 이철주 박사팀은 한국생명공학연구원의 김선영 박사팀, 국립암센터의 한지연 박사팀과 한국인 특이적 비흡연 폐암의 에스트로겐 신호전달 체계 과발현 현상을 다중오믹스 기반으로 규명하고, 항암제 사라카티닙(saracatinib)을 표적 치료 물질로 제시했다고 밝혔다. 다중오믹스는 유전체, 단백체 등 다양한 분자 정보를 통합해 총체적인 정보를 제공하는 기술로, 단백체의 경우 미량의 시료를 대량으로 복제하는 기술이 없어 수십 마이크로그램(μg, 100만분의 1그램) 수준의 미량 단백질을 최대한 손실 없이 분석해야 하는 고난이도 분석법이다. 연구팀은 지난 10여 년간 국립암센터에 내원한 비흡연 폐암 환자 1,597명의 생체검사 시료의 유전자 분석을 통해 치료 표적이 발견되지 않는 비흡연 폐암 환자 101명의 폐암 조직을 확보했다. 이후 임상 정보와 유전체, 전사체, 단백체, 인산화 단백체 데이터를 각각의 오믹스 분석법에 분배하는 방법으로 데이터를 상호참조할 수 있게 했다. 특히 단백체 분석에서는 동중원소표지법을 이용해 기존 단백질 분석에 필요한 양의 10%인 100μg의 단백질만으로도 시료 당 평균 9천여 종의 단백질과 5천여 종의 인산화 단백질의 양을 측정했다. 유전자변이 및 암세포의 신호전달 경로를 측정한 결과, 암 발생과 관련된 유전자로 알려진 STK11와 ERBB2의 운전자 돌연변이(driver mutation)가 비흡연 폐암 환자의 조직에서 다수 관찰됐으며, 여성호르몬인 에스트로겐 신호전달 경로가 과발현됐지만 호르몬 수용체 자체는 큰 변화가 없는 것을 확인했다. 이를 바탕으로 호르몬 치료제가 아닌 하위 신호전달 단백질 저해제인 사라카티닙을 STK11와 ERBB2의 변이가 있는 세포에 적용한 결과, 대조군 대비 통계적으로 유의미(p<0.01)한 세포 사멸 효과가 있음을 관찰했다. 이를 바탕으로 연구팀은 비흡연 폐암 환자 중 에스트로겐 신호전달경로에 특이적 발현을 보이는 환자의 감별진단이 가능한 분자 진단 기술을 개발하고 있다. 또한, 비흡연 폐암 동물모델에 대한 사라카티닙의 치료 효과 분석을 위해 국립암센터와 전임상 시험을 공동으로 진행할 계획이다. KIST 이철주 박사는 “다중오믹스 분석으로 난치암의 새로운 치료 표적을 발굴한 성공적 사례”라며, “순수 국내연구를 기반으로 병원과 연구기관이 공동연구를 통해 이룬 성과라는 점에서 큰 의미가 있으며, 이러한 경험을 바탕으로 인간 질병에 대한 다중오믹스 연구의 확장에 앞장설 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원으로 KIST 주요사업 및 바이오의료기술개발사업(2022M3H9A2096187)으로 수행됐다. 연구 성과는 국제 학술지 「Cancer Research」 (IF 11.2, JCR 분야 10.6%)」 최신 호에 온라인 게재됐다. * 논문명 : Proteogenomic Characterization Reveals Estrogen Signaling as a Target for Never-Smoker Lung Adenocarcinoma Patients without EGFR or ALK Alterations [그림 1] 비흡연폐암 유전단백체 분석 연구의 개요 [그림 2] 미확인 변이를 가지는 환자의 대표 특징 및 변이 유전자 동정

- DNA 오리가미 기술을 활용한 차세대 암백신 ‘DoriVac’ 개발 - KIST-DFCI, 보스턴 클러스터에 현지랩 설립 후 7년간의 공동 연구 성과 최근 암 치료 분야에서 암세포를 직접 파괴하는 항암제와는 다르게 면역시스템을 강화해 특정 암세포를 공격하는 암 백신에 관한 관심이 높아지고 있다. 암 백신은 환자의 개별적인 항원을 고려한 맞춤형 치료를 제공할 수 있지만 특정 암종이나 환자의 면역 상태에 따라 치료 효과가 제한적이다. 또한, 부작용을 일으킬 수 있는 면역증강제의 사용을 최소화해 안전성을 확보하는 것이 중요하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 의약소재연구센터 류주희 박사팀은 미국 보스턴의 다나파버 암 연구소(DFCI) 및 하버드 비스 연구소(Wyss Institute)와 협력해 DNA 오리가미 기술을 활용한 암 백신 ‘DoriVac’을 개발했다고 밝혔다. DoriVac(도리백, DNA origami-based Vaccine)은 기존의 항원과 면역증강제를 동시 전달하는 암 백신 전략을 확장해 면역증강제인 CpG의 공간 배열을 정밀하게 조절한 차세대 암 백신이다. 연구팀은 암 백신 개발을 위해 DNA 오리가미 기술로 면역증강제인 CpG를 DNA 나노구조체 표면에 최적의 공간 배열로 배치했다. DNA 오리가미 기술은 DNA 분자를 마치 종이처럼 접어 다양한 형태를 만들 수 있으며 나노미터(nm, 10억분의 1미터) 단위에서도 구조를 세밀하게 제어할 수 있다. 이를 활용해 DNA 나노구조체 표면에 CpG 분자들을 2.5~7nm 간격으로 정밀하게 배열했으며, 세포 실험 결과 3.5nm 간격일 때 암 면역 치료 효과가 가장 높았다. 연구팀이 수행한 동물실험에서 DoriVac이 주입된 후 피부암이 유도된 5마리의 쥐 중 1마리를 제외하고 모두 150일까지 생존했지만, 아무것도 주입되지 않은 쥐는 42일째에 모두 사망해 DoriVac이 공격적인 피부암 세포의 성장을 억제하는 예방적 효과가 있음을 확인했다. 또한, 피부암이 형성된 초기 단계의 쥐들에게 3.5nm 간격으로 18개의 CpG 분자가 포함한 DoriVac을 투여했을 때, 가장 효과적인 면역 반응을 유도해 종양 성장을 크게 억제했다. 이는 면역증강제 양을 증가시키지 않고 정밀한 공간 배열 조정만으로도 암 백신의 치료 효과를 높일 수 있다는 사실을 밝혀낸 것이다. 이번 연구는 미국 보스턴에 설립된 KIST-DFCI 현지랩에서 2016년부터 수행된 공동연구의 결과로 KIST가 가지고 있는 항암 치료 전략기술과 DFCI의 DNA 오리가미 기술에 대한 전문성을 기반으로 이뤄졌다. 글로벌 공동 연구팀은 ‘DoriNano Inc’를 보스턴에서 공동 창업해 DoriVac의 상용화를 위한 임상 시험을 추진하고 있으며, 면역관문억제제 등 다른 면역 시스템을 활용하는 암 치료 방법과의 병용을 통해 암 치료 및 재발 방지 효과를 높일 것으로 기대된다. KIST 류주희 박사는 "DoriVac의 개발은 나노기술과 암 면역 치료 기술이 융합된 중요한 발전이며, 이는 암 치료뿐만 아니라 다양한 질병에 대한 면역 치료법 개발에 기여할 수 있는 플랫폼 기술이 될 것"이라고 밝혔다. [그림 1] DNA 오리가미 기반의 백신 작용 원리 [그림 2] KIST 의약소재연구센터 류주희 박사(책임연구원)가 다나파버 암 연구소(DFCI) 등과 공동연구를 통해 DNA 오리가미 나노구조체를 활용한 혁신적인 암 백신 'DoriVac'을 개발했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 KIST 주요사업과 범부처재생의료기술개발사업(21A0504L1)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Nature Nanotechnology」 (IF 38.3, JCR 분야 상위 1.4%) 최신 호에 온라인 게재됐다.