AI에 대한 도전장, 광자 큐디트로 오류정정 기술 없이 더 정확한 양자컴퓨팅 구현 - 광자 큐디트를 이용한 분자 구조 수준의 양자 시뮬레이션 구현 기존 해외 연구보다 적은 자원으로 더 정확한 양자화학 계산 수행 얼마 전 발표된 노벨화학상은 AI로 단백질 구조를 예측한 새로운 설계를 함으로써 신약개발이나 새로운 물질 개발이 가능하도록 한 워싱턴대 데이비드 베이커 교수, 구글 딥마인드 허샤비스 CEO, 존 점퍼 수석연구원 3명에게 돌아갔다. AI와 데이터가 과학혁명을 주도하는 시대에 신약과 새로운 물질 개발에 또 다른 게임체인저로 양자컴퓨팅 기술이 크게 부상하고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 양자기술연구단 임향택 박사 연구팀은 기존보다 적은 자원으로도 원자 간 결합거리와 바닥 상태 에너지를 화학적 정확도로 추정할 수 있는 양자컴퓨팅 알고리즘을 구현해 별도의 양자 오류 완화 기술 없이도 정확한 계산을 수행하는 데 성공했다. 양자 컴퓨터는 연산 공간이 커지면서 오류가 급격히 증가하는 단점이 있다. 이를 극복하기 위해 고전 컴퓨터와 양자컴퓨터의 장점을 결합한 VQE(Variational Quantum Eigensolver) 방식이 등장했다. VQE는 ‘변분 양자 고유값 계산기’라는 의미로, 양자 컴퓨팅 프로세서(QPU)와 고전 컴퓨팅 프로세서(CPU)를 함께 사용해 더 빠른 계산을 수행하도록 고안된 하이브리드 알고리즘이다. IBM과 구글을 비롯한 글로벌 연구팀들이 초전도, 이온 트랩 등 다양한 양자 시스템에서 이를 연구하고 있다. 하지만 큐비트 기반의 VQE는 현재 광자 시스템에서 최대 2큐비트, 초전도 시스템에서는 12큐비트까지 구현된 상태로, 더 많은 큐비트와 복잡한 연산이 필요한 경우 오류 문제가 발생하여 확장이 어렵다는 한계가 있었다. 연구팀은 큐비트 대신 큐디트(Qudit)라는 고차원의 양자 정보를 활용하는 방식을 도입했다. 큐디트는 기존 큐비트가 표현할 수 있는 0과 1 외에도 0, 1, 2 등 여러 상태를 가질 수 있는 양자 단위로, 복잡한 양자 계산에 유리하다. 이번 연구에서는 광자의 궤도각운동량 상태를 이용해 큐디트를 구현했고, 홀로그램 이미지를 통해 광자의 위상을 조절함으로써 차원 확장이 가능했다. 이를 통해 복잡한 양자 게이트 없이도 높은 차원의 계산이 가능해져 오류를 줄일 수 있었다. 연구팀은 이 방법으로 4차원에 해당하는 수소 분자와 16차원에 해당하는 리튬 하이드라이드(LiH) 분자의 결합 거리를 추정하는 양자화학 계산을 VQE로 수행했으며, 이는 광자 기반 VQE를 통해 16차원 계산을 구현한 첫 사례다. IBM, 구글 등 기존의 VQE는 화학적 정확도를 위해 오류 완화 기술이 필요했지만, KIST 연구팀의 VQE는 별도 오류 완화 없이도 정확도를 확보했다. 이는 적은 자원으로도 높은 정확도를 얻을 수 있는 방법을 제시해, 분자 특성이 중요한 산업에 폭넓게 적용될 가능성을 보여준다. 또한, 기후 모형화와 같은 복잡한 문제 해결에도 유용할 것으로 기대된다. KIST 임향택 박사는 “적은 자원으로도 화학적 정확도에 도달 가능한 큐디트 기반 양자컴퓨팅 기술을 확보함으로써, 신약 개발과 배터리 성능 개선 등 다양한 실용적인 분야에 활용되기를 기대한다”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요 사업, 한국연구재단 양자컴퓨팅기술개발사업(2022M3E4A1043330) 등으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Science Advances (IF: 11.7 JCR 분야 상위 7.8%)」 에 게재됐다. * (논문명) Qudit-based variational quantum eigensolver using photonic orbital angular momentum states [그림 1] 궤도각운동량 큐디트 기반 VQE – 수소 (H2) 분자 공간 광변조기를 이용하여 궤도각운동량 큐디트 상태를 바탕으로 양자처리장치를 구현함. VQE를 바탕으로 분자 모델의 바닥 상태 에너지를 추정함. [그림 2] 궤도각운동량 큐디트 기반 VQE – LiH 분자 궤도각운동량 큐디트 기반 VQE 실험 구성. 16차원에 해당하는 4차원 수소 분자와 같은 실험 구성으로 LiH 분자 모델의 바닥 상태 에너지를 추정함.

촉매 사용량 20분의 1! 수소 kg당 1달러 시대 앞당긴다. - 고가의 이리듐 사용량을 크게 줄이면서도 성능과 내구성을 유지하는 촉매 구현 수전해 설비 대형화 과정의 걸림돌인 수전해 촉매 비용을 낮출 것으로 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 수소·연료전지연구단 김명근 박사, 유성종 박사 연구팀은 고내구성 탄소 지지체를 도입해 이리듐 사용량을 상용 촉매의 1/20 수준으로 줄인 고효율 수전해 촉매를 개발했다고 밝혔다. 최근 전 세계적으로 수소에 대한 수요가 높아지면서 수전해 설비의 대형화를 추진하고 있으나, 수전해 반응에서 가장 우수한 성능과 내구성을 보이는 이리듐 촉매의 높은 가격이 걸림돌로 작용하고 있다. 또한, 이리듐은 남아프리카 등 특정 지역에서만 채굴되기 때문에 공급 불안정성이 높아 이리듐 사용량을 줄인 촉매 개발이 필요하다. 연구팀은 이리듐 촉매의 사용량을 줄이기 위해 고내구성 탄소 지지체를 도입한 저이리듐 촉매를 개발했다. 기존의 탄소 지지체는 수전해 반응 구동 전압인 1.6~2.0 V에서 쉽게 이산화탄소 등으로 산화되기 때문에 안정적인 지지체 개발이 중요한 과제였다. 이를 해결하기 위해 물과의 상호작용이 적은 소수성 탄소를 지지체로 적용한 결과, 이리듐 사용량을 줄이면서도 탄소 부식 반응이 억제되는 것을 확인했다. 또한, 저이리듐 촉매의 내구성을 향상하기 위해 탄소 지지체 위에 셀레늄(Se)을 도입했다. 저이리듐 촉매는 수전해 반응 중 쉽게 변하거나 용출돼 내구성이 빠르게 저하되는 문제가 있었다. 연구팀은 이리듐의 반응 중 변화를 억제하는 기능을 가진 셀레늄을 이용해 이리듐 표면에 얇은 수산화물 층을 형성함으로써 이리듐 용출을 억제했다. 이번에 개발된 저이리듐 촉매를 상용화된 수전해 설비 적용한 결과, 이리듐 사용량을 기존의 1/20 수준인 0.05 mg/cm2으로 줄이면서도 성능이 향상되는 것을 확인했다. 단위면적당 0.05 mg의 이리듐을 도포한 막전극접합체(MEA)를 제작해 고분자 전해질막 수전해(PEMWE) 실험을 진행했을 때, 1.9 V에서 3.18 A/cm²의 전류밀도를 기록해 기존 상용 촉매(2.45 A/cm²)보다 우수한 성능을 보였다. 이번 연구 성과는 이리듐 사용량을 크게 줄이면서도 성능과 내구성을 동시에 유지하는 촉매를 구현해 수소 설비 대형화 과정에서 발생하는 고비용 문제를 해결하고 수소 생산 단가를 낮출 것으로 기대된다. 저이리듐 수전해 기술의 상용화를 위해 다양한 지지체 소재와 촉매 구조를 개발해 수소 생산 효율을 높이기 위한 연구를 수행할 계획이다. KIST 김명근 박사는 “저이리듐 촉매 구현을 위한 지지체 개발 및 촉매 성능 확보를 위한 전략을 함께 제시했다”라며 “대규모 촉매 합성 기술을 접목해 그린수소 생산 단가 낮추고 수소 사회로의 전환에 기여할 것”이라고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 나노소재기술개발사업 (2021M3H4A1A02042948) 등으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「ACS Energy Letters」 (IF 19.5, JCR 분야 3.8%)에 표지논문(Front Cover)로 게재됐다. * 논문명 : Iridium Selenium Oxohydroxide Shell for Polymer Electrolyte Membrane Water Electrolyzer with Low Ir Loading [그림 1] 셀레늄 도입에 따른 표면 수산화물층 형성과 이에 따른 이리듐 산화 및 용출 억제. 이리듐 산화는 이리듐 용출을 야기하는데, 셀레늄 도입 시 일정 시간 이후 산화가 억제되고 금속성 유지됨. [그림 2] 이리듐 로딩량에 따른 성능비교: 기존연구 (속이 빈 심볼), 현 연구 (속이 찬 심볼). 점선: 2050 DOE (미국 에너지부: Department of Energy) 목표의 이미지 X축: 단위면적당 이리듐 사용량을 나타내며 2050 DOE 타겟인 0.2 mg 이하의 결과는 많지 않음. 이리듐 사용량을 줄이면 성능이 우수해 보이지만, 보통 내구성을 동시에 유지하긴 어려움. Y축: 수전해 장치의 작동 전압 (1.6V, 1.9V)에서 이리듐 g 당 전력 값을 나타냄. 전압이 높으면 대개 높은 전력 값을 나타내지만, 내구성을 유지하기 어려움. 본 촉매는 DOE 타겟을 만족하는 이리듐 사용량으로 발표된 저이리듐 촉매 중 가장 높은 무게당 성능을 나타냄. 더 나아가 우수한 내구성 지표도 나타냄. [그림 3] 표지논문(Front Cover) 이미지 탄소 지지체 위에 얹어진 이리듐 나노입자

꿈의 온도, 250℃ 고온에서 작동하는 세계 최고 수준의 차세대 수소연료전지 기술 나온다. - 수소연료전지의 한계 넘은 250°C 이상의 고온에서 구동하는 핵심 소재 개발 세계 최고 성능 및 내구성 달성, 수소연료전지의 친환경 모빌리티 생태계 기대 최근 자동차, 무인 항공기 등 모빌리티 산업에서 장시간 안정적인 에너지 공급 장치에 대한 수요가 높아지고 있다. 기존의 상용 배터리와 달리 에너지밀도가 높은 수소를 활용한 수소연료전지 시스템은 친환경 에너지원으로 많은 관심을 받고 있다. 현재 80°C 정도의 저온에서 작동하는 연료전지는 자동차용으로는 상용화에 이르렀으나, 고온에서 구동된다면 지금보다 시스템의 크기를 줄이고 에너지밀도를 높일 수 있어 다양한 모빌리티 분야로 적용을 확대할 수 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 수소‧연료전지연구단 이소영 박사, 남석우 박사(청정수소융합연구소장) 연구팀은 한국에너지공과대학교 김형준 교수 연구팀과 공동연구를 통해 꿈의 온도라 불리는 250°C 이상의 고온에서 구동할 수 있는 독자적인 연료전지 전해질막 및 막전극접합체(MEA)를 개발했다고 밝혔다. 연구진은 이번 연구에서 KIST의 세륨포스페이트 자가조립 기술에 한국에너지공과대학교의 파라-폴리벤지이미다졸(p-PBI) 합성 기술을 접목한 신규 합성법을 개발해 기존 PBI 기반 전해질막보다 150~300°C 범위에서도 뛰어난 전기화학적 성능과 내구성을 유지하는 데 성공했다. 연구팀은 자가조립형 세륨포스페이트 파라-폴리벤지이미다졸 고분자 전해질막을 설계해 막전극접합체(MEA)를 구현했다. 이를 한 반응기 안에서 파라-폴리벤지이미다졸과 세륨 수소 인산염(CeHP)을 결합해 온도 상승에 따른 자가조립이 가능한 새로운 고분자 전해질막을 설계했다. 그 결과, 250°C에서도 연료전지의 에너지밀도에 영향을 미치는 수소 이온의 높은 이온전도성을 안정적으로 유지할 수 있었다. 또한 200°C 이상에서 작동 시, 고순도 수소가 아닌 메탄올과 수소저장유기물(LOHC)를 직접 연료전지에 공급할 수 있어 효율이 높아지고, 가솔린 등의 연료 인프라를 그대로 활용 가능하다는 장점까지 확보돼 높은 경제성과 지속성을 제공할 수 있다. 이번에 개발한 ‘SAN-CeHP-PBI’ 기반의 연료전지는 250°C 조건에서 최대 출력 밀도가 세계 최고 수준인 2.35 W/cm²를 달성했으며, 80~160°C 열 사이클링 테스트에서 기존 대비 10배 이상의 5,000시간 이상의 장시간 운전이 가능함을 입증했다. 또한, 160~240°C 중고온 열 사이클링 테스트에서도 500시간 이상 성능 저하 없이 장시간 운전이 가능함을 확인했다. KIST 남석우 소장은 “이번 연구 결과는 해외 선진국들의 성과를 넘는 혁신적 성과이며, 글로벌 TOP 전략연구단의 핵심 기술로 미래 에너지의 핵심이 될 수소연료전지 기술의 글로벌 패권을 선도할 것으로 기대된다”고 밝혔다. KIST 이소영 박사는 “중대형 운송수단에 탑재 가능할 것으로 예상하며, 지속적인 연구개발을 통해 작동온도를 더 향상시킬 계획이다”라고 말했다. 한국에너지공과대학교의 김형준 교수는 “이 시스템은 다양한 산업에 걸쳐 지속 가능한 에너지원으로 자리매김하고 중대형 상용차, 도심 항공 모빌리티(UAM), 잠수함 등에 적용해 친환경 모빌리티 생태계 조성을 앞당길 것"이라고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 기후·환경연구개발사업(NRF-2022M3J1A1065570) 및 나노소재기술개발사업(RS-2023-00235295) 으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Nature Energy」 (IF 49.7, JCR 분야 0.3%)에 게재됐다. * 논문명 : Self-assembled network polymer electrolyte membranes for application in fuel cells at 250 °C [그림 1] SAN-CeHP-PBI 전해질막의 단일 반응기 합성 및 전해질막 제조과정 SAN-CeHP-PBI 전해질막의 단일 반응기 제조 과정 및 자가조립형 이온전도CeHP 채널이 형성된 고분자전해질막의 전자현미경 사진 [그림 2] SAN-CeHP-PBI 전해질막의 고온연료전지 성능 비교 결과 다른 연료전지 성능과의 온도별 비교 및 SAN-CeHP-PBI 전해질막의 가속 열사이클링 (80-160도 구간 및 160-240도 구간) 내구성 평가 결과 그리고 10% CO 함유 연료에 따른 성능평가 결과 [그림 3] SAN-CeHP-PBI 전해질막 기반 고온 연료전지의 유기액상수소저장체(NEC, 메탄올) 직결 구동 성능 비교 및 에너지효율 모식도 (위 그림 설명) SAN-CeHP-PBI 전해질 막전극접합체를 이용 수소유기액상저장체 (NEC: 좌, 메탄올: 우) 연결을 통한 순수 H2 연료이용 성능과 비교 결과 및 향후 유기액상저장체 직접연료전지 개발 시 에너지효율 모식도 (아래 그림 설명) 250도 이상에서 연료전지가 구동하게 되면 에너지밀도가 훨씬 높은 LOHC(유기액상수소저장화합물)을 이용하여 추출, 개질등의 불필요한 과정 없이 연료전지를 직접 구동하여 기존 PEMFC대비 에너지효율을 극대화 할 수 있음

ʻ지구의 탄소 순환ʼ에서 얻은 아이디어, CCU 기술 상용화 실마리 제시 탄산염-규산염 지질화학 순환 아이디어로부터 새로운 은 혼합 촉매 개발 ‘실리카-수산화물’ 순환을 통한 국소 pH 제어 및 CO2 물질 전달 저하 방지 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 청정에너지연구센터 오형석·이웅희 박사팀은 지구의 순환에 아이디어를 얻어 가역적 실리카-수산화물 순환을 통해 국소 pH 제어가 가능한 은-실리카 혼합 촉매를 개발했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 지구의 무기 탄소 순환이라 불리는 탄산염-규산염 순환으로 이산화탄소(CO2)가 균형을 이루는 과정에서 착안됐다. 이산화탄소(CO2)는 풍화 광물을 매립하는 동안 대기에서 제거되고, 화산활동을 통해 대기 중으로 돌아온다. 규산염 암석이 풍화되면서 발생한 SiO2(용해된 실리카)로 인해 탄산염 암석이 되고, 화산 작용을 거쳐 규산염 암석으로 재순환하는 과정에서 발생한 이산화탄소 수치에 따라서 지구의 온도를 조절한다. 이 순환의 핵심 물질인 실리카를 전기화학적 CO2 전환 반응에 적용한 것이다. CCU 기술에 적용되는 촉매 중 은 촉매는 이산화탄소를 석유화학 제품 원료인 일산화탄소로 전환하는 데 가장 탁월한 성능을 지녔다. 그러나 은 촉매는 높은 전류 밀도에서 촉매 표면의 입자들이 응집되거나 엉기는 현상이 발생해 일산화탄소에 대한 선택도가 급격하게 감소하는 등 아직 상용화 수준에 이르지 못하고 있다. 연구팀은 은 촉매의 성능을 유지하기 위해 실리카를 혼합한 은-실리카 혼합 촉매를 개발했다. 이 촉매는 반응 중 생성되는 수산화물 이온(OH-)이 실리카와 결합해 규산염 형태로 녹았다가 중성 조건에서 다시 석출되면서 pH를 조절한다. 이를 통해 촉매의 물리적 구조 변경 없이 화학적 접근 방식만으로도 전류 밀도가 높아지면서 발생하는 성능 저하 문제를 해결했다. 연구팀이 개발한 은-실리카 혼합 촉매는 800mA cm-2의 고전류 밀도에서 일산화탄소 선택도가 60% 수준으로 감소한 상용 은 촉매와 달리 1A cm-2의 더 높은 전류 밀도에서도 100%에 가까운 선택도를 보였다. 또한, 일산화탄소로의 CO2 전환 활성도를 약 47% 높여 고전류 밀도에서도 CO2 전환 반응의 높은 효율을 달성했다. 은-실리카 혼합 촉매는 높은 전류 밀도에서도 CO2 환원 성능과 내구성을 개선하는 데 성공해 전기화학적 CO2 전환 CCU 기술의 상용화 가능성을 크게 높일 것으로 기대된다. 고전류 밀도에서도 높은 일산화탄소 선택도 및 가역성에 의한 장기간 성능 유지가 가능해 생산성 및 경제성을 높일 수 있다. 이를 위해서 고효율 촉매의 대량생산을 위한 공정 최적화와 발전소, 석유화학 공장 등 산업시설에 적용을 위한 장기 내구성 검증 연구를 수행할 계획이다. KIST 오형석 청정에너지연구센터장은 “촉매의 가역성 향상 및 전기화학 시스템의 환경 제어 전략에 대한 방향성을 제시했다는 점에서 의미가 있다”며, “향후 전기화학 시스템의 실증 구축 및 상용화에 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 Carbon to X 사업(2020M3H7A1098229), 창의형 융합연구사업(CAP21011-100)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제학술지 ‘Energy & Environmental Science’ (IF 32.4, JCR 분야 0.3%)에 표지논문(Front Cover)으로 게재됐다. * 논문명 : Breaking the current limitation of electrochemical CO2 reduction via a silica-hydroxide cycle [그림 1] 제로갭 CO2 전기분해 디바이스의 염기성 문제를 나타낸 모식도 위의 그림은 적절한 전류 밀도에서의 CO2 환원 반응 상황을, 아래 그림은 높은 전류 밀도에서의 CO2 환원 반응을 모식도로 표현한 것이다. CO2 환원 반응에서 생성되는 수산화물 이온(OH-)이 높은 전류 밀도에서는 더 많이 발생하고, 이 수산화물 이온은 CO2와 결합하여 CO2가 촉매 표면으로 이동하는 것을 방해하여 성능을 저해하는 원인이 된다. [그림 2] 지구상에 존재하는 탄산염-규산염 순환 모식도 지구상에 존재하는 무기 탄소 순환이라고도 불리는 탄산염-규산염 순환 과정을 모식도로 표현한 것이다. 먼저 규산염이 풍화 과정을 통해 SiO2(용해된 실리카)를 용액으로 방출하면서 탄산염이 되고 다시 규산염으로 재순환되는 과정에서 대기 CO2의 흡수와 방출을 반복하며 기후 제어를 한다. [그림 3] 실리카를 수산화칼륨 용액에 용해시켰을 때와 용해시킨 후 CO2로 퍼징했을 때의 결과를 나타낸 사진과 실리카의 가역적 거동을 나타낸 모식도 실제 사용된 실리카 가루와 이 실리카를 KOH 용액에 용해한 것, 실리카를 KOH 용액에 용해한 후 CO2 가스를 주입하여 석출된 실리카를 확인한 사진(위)과 이러한 가역적 과정을 간단하게 그림(아래)으로 나타낸 것이다. 실리카가 염기성인 KOH 용액에서는 수산화물 이온과 결합한 형태로 용해되어 보이지 않다가 CO2 가스를 주입하여 중성이 되면서 다시 실리카로 석출되어 나온다. 이러한 과정이 전기화학적 CO2 환원 반응 중에 가역적으로 발생한다. [그림 4] 은-실리카 환원 전극을 이용한 전기화학적 CO2 환원 반응 중에 발생하는 실리카-수산화물 순환 모식도 은-실리카 환원 전극을 이용한 전기화학적 CO2 환원 반응 중에 발생하는 규산염-수산화물 순환을 모식도로 나타낸 것이다. CO2 환원 반응 중 생성되는 수산화물 이온에 의해 환원 전극 내 실리카의 풍화작용으로 인하여 용해된 상태로 존재하다가 음이온 교환막 근처에서 수산화물 이온을 방출하고, 이는 다시 실리카로 석출되어 환원 전극에 붙어 가역적 과정이 가능한 물질이 된다. 이러한 과정을 통하여 CO2의 물질 전달이 저해되는 현상을 방지하여 고성능의 CO2 전기분해가 가능하다. [그림 5] 표지논문(Front cover) 선정 이미지

미지의 나노세계 통해 고온 수전해 전지 성능 저하의 근본 원인 밝혔다. - 최첨단 투과전자현미경 통해 열화 매커니즘을 나노 영역에서 최초로 밝혀 - 고온(600℃)에서 안정적으로 작동하는 수전해 재료 개발의 새로운 지표 제시 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 수소에너지소재연구단 장혜정 박사, 윤경중 박사(단장) 연구팀은 첨단 투과전자현미경을 사용해 고온 수전해 전지 셀의 성능이 떨어지기 시작하는 초기 현상 메커니즘을 규명했다고 밝혔다. 기존 연구가 수전해 전지 성능의 저하를 유발하는 열화의 최종 단계를 마이크로미터(1㎛·100만분의 1m) 수준에서 파악한 것과 달리, 열화 초기에 수전해 전지의 재료가 변화 과정을 나노미터(㎚·10억분의 1m) 수준에서 실험적으로 검증하는 데 성공했다. 연구팀은 수전해 전지의 공기전극과 전해질 사이에 발생하는 열화 메커니즘을 투과전자현미경(TEM) 회절분석과 이론 계산을 통해 규명했다. 관찰 결과, 수전해 반응이 일어나도록 산소를 주입하는 과정에서 이트리아 안정화 지르코니아(Yttria Stabilized Zirconia; YSZ)라는 전해질에 산소 이온이 계면에 축적됐다. 이에 따라 원자구조가 변형되고 공기극과 전해질 사이에 균열이 발생해 전지의 성능 저하를 유발하는 것을 확인했다. 또한, 계면에 형성된 응력 및 결함들을 시각적으로 검증함으로써 열화가 유발된 초기 단계에서 발생하는 이온-원자-나노결함-기공-균열 간의 상관관계를 밝히는 데 성공했다. 이번 연구 성과는 열화 메커니즘을 나노 스케일에서 규명한 최초의 연구로서, 장기 운전 시 고온 수전해 전지의 성능이 저하되는 문제를 해결할 수 있는 가이드라인을 제공할 것으로 기대된다. 특히, 600℃ 고온에서 장시간 안정적으로 작동할 수 있는 재료 개발을 가능하게 함으로써 상용 수전해 전지의 내구성을 크게 향상시킬 수 있다. 이번 연구에서 사용된 최첨단 투과전자현미경을 활용한 나노미터 단위의 분석기술은 다양한 에너지 소자의 열화 문제를 해결하는 데 응용될 수 있다. 연구팀은 고온 수전해 전지의 상용화를 앞당기기 위해 고온 수전해 전지 제조업체와 협력해 양산용 자동화 공정을 구축할 예정이다. 또한, 수전해 셀의 특정 영역에서 산소 이온의 축적을 억제할 수 있는 새로운 소재를 개발해 수전해 전지의 대량 생산 효율을 높이고 생산 비용을 절감함으로써 청정수소의 생산 단가를 낮추는 연구를 수행할 계획이다. KIST 장혜정 박사는 “첨단 투과전자현미경 기술을 이용해 지금까지 알려지지 않은 열화 현상의 원인을 초기 단계에서 파악할 수 있었다”라며 “이를 바탕으로 고온 수전해 전지의 내구성과 생산 효율을 높일 수 있는 전략을 제시해 청정 수소 생산의 경제성 개선에 기여할 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 창의형 융합연구 사업(CAP22072-000), 산업통상자원부(장관 안덕근) 가상공학 플랫폼 구축사업(P0022331) 등으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Energy & Environmental Science」 (IF 32.4, JCR 분야 0.9%)에 최신 호에 게재됐다. * 논문명 : Unveiling the high-temperature degradation mechanism of solid oxide electrolysis cells through direct imaging of nanoscale interfacial phenomena [그림 1] 고급 투과전자현미경 분석을 활용하여 고체산화물 계면 열화 분석 (EES 논문 back cover image로 선정됨) 고체산화물 전기분해 전지 (Solid oxide electrolysis cell) 기술은 깨끗한 수소 생산을 위한 가장 효율적인 방법이지만, 전극 박리는 여전히 중요한 문제로 남아 있습니다. 전극 박리를 유발하는 원인을 규명하기 위해 최근 고급 투과 전자현미경과 밀도 함수 이론을 사용하여 나노미터 규모의 계면 열화를 발견하였습니다. [그림 2] 전극 계면 박리의 원인 규명: 산소 이온 축적이 원자 구조 변화, 나노 결함 형성을 유발함 전해질을 통해 이동하는 산소 이온이 공기 전극과 만나는 3상 계면에서 화학반응을 통해 산소 가스를 발생시키고, 전자는 공기 전극을 통해 전달됩니다. 그러나 화학반응에 참여하지 못한 일부 산소 이온은 전해질 영역에 축적됩니다. 이 축적된 산소 이온들은 전해질의 원자 구조를 변형시켜 나노 결함과 아결정립을 형성하고, 결국 고체산화물 수전해 전지의 균열을 유발합니다. [그림 3] 투과전자현미경 회절 분석과 밀도 함수 이론을 통해 규명한 나노미터 크기의 계면 응력 첨단 투과전자현미경의 전자빔 회절 분석법을 통해 전해질 계면에 형성된 응력을 시각적으로 검증하였고, 밀도 함수 이론을 사용하여 산소 이온의 축적으로 인한 원자간 거리가 감소하는 현상을 밝혀냈습니다. [그림4 ] 고온 수전해 전지 셀의 성능이 떨어지기 시작하는 초기 현상 메커니즘을 규명한 KIST 연구팀(장혜정 책임연구원, 윤경중 책임연구원, 최하늘 박사후연구원)

고성능 잉크젯 프린트 헤드로 바이오프린팅 생산성 높인다. - 압전 박막 사용으로 높은 효율 낮은 발열 바이오프린팅 기술 구현 열 안정성 문제로 적용이 어려웠던 오가노이드 분야에서 활용이 확대될 것으로 기대 바이오프린팅은 세포와 하이드로젤 등의 바이오잉크를 사용해 인체 조직이나 장기와 같은 3차원 구조물을 제작하는 기술로, 기존 잉크젯은 동작 시 발생하는 열로 인해 온도에 민감한 바이오잉크를 토출하기 어렵다. 또한, 기존 3차원 바이오프린팅은 대부분 하나의 바늘을 가지는 주사기 형태의 단순한 프린팅 장비를 활용하는 방식이어서 뇌, 폐, 심장 등의 인공장기를 제작하는 데 오랜 시간이 걸리는 단점이 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 바이오닉스연구센터 이병철 박사팀은 전자재료연구센터 백승협 박사팀, 고려대학교(총장 김동원) 김태근 교수팀과 공동으로 압전물질인 PMN-PZT를 활용해 기존보다 두께가 얇으면서도 높은 성능을 지닌 바이오잉크용 잉크젯 프린트 헤드를 개발했다고 밝혔다. 이를 적용할 경우, 여러 위치에 바이오잉크를 높은 해상도로 동시에 토출할 수 있어 바이오프린팅의 생산성을 높일 수 있을 것으로 기대된다. 연구팀은 고성능의 PMN-PZT 박막을 사용해 다중 노즐을 가진 잉크젯 프린트 헤드를 개발했다. 이 기술은 300μm 간격으로 배치된 16개의 잉크 토출부를 각각 조절할 수 있어 기존 방식 대비 구동 효율을 16배 높였다. 이는 바이오프린팅의 생산성과 안정성을 높여 인공장기의 생산시간을 단출할 수 있다. 실험 결과, 연구팀은 바이오잉크인 하이드로젤을 기존 대비 2분의 1 수준인 직경 32μm 크기로 출력하는 데 성공했으며, 프린트 출력 속도는 1.2 m/s로 기존 방식 대비 약 60배 빨라졌다. 또한, 발열 효과를 73.4% 줄여 출력 시 온도 상승을 3.2도 이내로 유지함으로써 안정적인 출력 환경을 확보했다. 이를 통해 고점도 물질의 정밀한 토출이 가능해졌으며 온도에 민감한 바이오잉크의 변성을 최소화할 수 있다. 이번에 개발된 PMN-PZT 기반 프린트 헤드는 열 안정성 문제로 바이오프린팅 기술의 적용이 어려웠던 인공장기 이식 및 약물 독성 평가 등 오가노이드 분야에서 활용될 수 있다. 또한, 동작 온도가 30도 이하로 유지돼 온도에 민감한 전자재료의 변성을 방지하고 안정적인 프린팅 환경을 제공할 수 있어 의료 분야 외 전자부품 등 다양한 산업군에서도 폭넓게 적용될 것으로 기대된다. KIST 이병철 박사는 “PMN-PZT 박막 소재를 사용한 새로운 프린트 헤드는 고해상도 3D 오가노이드 장기 모델 제작에 대한 가능성을 높였다”라며, “젤라틴 등 다양한 바이오잉크를 시도해 실제 이식 치료 및 독성 평가에 적용이 가능한 장기를 만들 수 있는 3차원 바이오프린터를 상용화할 계획”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 재원으로 KIST 주요사업 및 국가핵심소재연구단사업 (NRF-2020M3D1A2101933)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Sensors and Actuators B: Chemical」 (IF 8.0, JCR 분야 0.7%)에 게재됐다. * 논문명 : A relaxor-ferroelectric PMN-PZT thin-film-based drop-on-demand printhead for bioprinting applications with high piezoelectricity and low heat dissipation [그림 1] 바이오프린팅 응용을 위한 고성능 압전 물질 기반 프린트 헤드의 개략도 동작 신호 최적화를 통하여 압전 얇은 압전 프린트 헤드의 출력 성능 향상과 동시에 발열량을 낮추어 열적 안정성까지도 확보할 수 있음을 보임. [그림 2] 잉크젯 프린트 헤드 동작 신호에 따른 발열량 측정 실험. 동작 신호에 따라 같은 변위를 만들어 낼 때 생기는 발열량 차이를 보여주는 실험으로 양방향 (bipolar) 신호를 인가하였을 때 (a) 동작 주기 및 구동한 채널 개수에 따른 열화상 이미지, (b) 동작 채널이 4개일 때 동작 주기에 따른 온도 그래프, (c) 동작 주기가 16μs일때 채널 개수에 따른 온도 그래프. 단방향 (unipolar) 신호를 인가하였을 때 (d) 동작 주기 및 구동한 채널 개수에 따른 열화상 이미지, (e) 동작 채널이 4개일 때 동작 주기에 따른 온도 그래프, (f) 동작 주기가 16μs일때 채널 개수에 따른 온도 그래프. [그림 3] 제작된 프린트 헤드를 사용하여 하이드로젤 프린팅 결과 (a) 출력된 액체의 시간에 따른 이미지, (d) 아무 처리가 안된 기판 (좌) 발수 처리된 유리 (우)에 인쇄된 하이드로젤의 광학 이미지 (e) 좌측부터 1mm 간격으로 하이드로젤을 인쇄하였을 시, 3mm 간격으로 인쇄하였을 시, 5mm 간격으로 인쇄하였을 시 결과.

양자컴퓨팅 개발의 새로운 돌파구, 세계 최초 하이브리드 방식의 양자 오류정정 기술 개발 - 하이브리드 양자 오류정정 기술로 양자컴퓨터 개발의 새로운 방향성 제시 KIST-시카고대-서울대 공동연구진, 국제연구협력 통해 선도 핵심기술 개발 양자 컴퓨터 실용화의 핵심 과제는 ‘양자 오류정정(Quantum Error Correction)’ 기술 개발이다. 이 기술은 양자 연산의 기본 단위인 큐비트에서 발생하는 오류를 근본적으로 해결하고, 그 오류가 연산 과정에서 증폭되는 문제를 방지하는 역할을 한다. 양자 오류정정 없이는 양자 컴퓨터가 기존의 고전 컴퓨터보다 뛰어난 성능을 발휘하는 것이 사실상 불가능하다는 점에서, 현재 전 세계적으로 이 기술의 개발이 활발히 진행되고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 양자기술연구단 이승우 박사 연구팀은 세계 최초로 이산 변수(DV)와 연속 변수(CV)의 하이브리드 방식의 양자 오류정정 기술을 개발하고, 이를 기반으로 결함허용 양자컴퓨팅 아키텍처를 설계했다고 밝혔다. 양자 오류정정이 가능하도록 설계된 큐비트를 논리 큐비트라고 하며, 구현 방법은 이산 변수(Discrete Variable, DV)와 연속 변수(Continuous Variable, CV)의 두 가지 방식이 있다. IBM, Google, Quera, PsiQuantum 같은 기업들은 이산 변수(DV) 방식으로 양자 컴퓨터를 개발하고 있으며, 아마존(AWS), 자나두(Xanadu) 등은 연속 변수(CV) 방식을 채택하고 있다. 이 두 방식은 각각 조작 난이도와 자원 효율성 측면에서 장단점이 있다. KIST 연구진은 기존에 따로 개발되던 DV와 CV 방식 큐비트의 오류정정을 통합하는 방법을 제시했다. 하이브리드 기술을 기반으로 결함 허용 아키텍처를 개발, 수치 시뮬레이션을 통해서 이 기술이 각 방식의 장점을 결합해 더 효율적이고 효과적인 양자 연산과 오류정정이 가능하다는 점을 입증했다. 특히, 광학 기반 양자 컴퓨팅에서 이 하이브리드 방식을 적용하면 기존 기술 대비 최대 4배 높은 광자 손실 임계값을 달성할 수 있으며, 같은 수준의 논리 오류율을 유지하면서도 필요한 자원을 13배 이상 절약할 수 있는 것으로 나타났다. KIST 이재학 박사는 "본 연구에서 개발한 하이브리드 방식의 양자 오류정정 기술은 광학 기반 시스템뿐만 아니라 초전도 및 이온트랩 시스템과도 결합이 가능하다"고 설명했다. 본 연구를 주도한 KIST 이승우 박사는 “이번 연구는 양자컴퓨팅 개발에 새로운 방향성을 제시한 연구”라며, “규모있는 양자컴퓨터의 개발과 실용화를 위해서는 서로 다른 플랫폼의 장점을 통합하는 하이브리드 기술이 중요해질 것으로 예측된다”고 밝혔다. KIST는 지난해 3월 시카고대학교와 체결한 양자기술 공동 연구 업무협약(MOU)을 맺고, 양 기관과 서울대를 포함한 공동연구로 진행됐다. 연구진은 국제 연구협력을 통해 불과 1년여 만에 이 같은 중요한 성과를 발표하며, 매우 치열한 양자 컴퓨팅 분야에서 세계를 선도할 핵심 기술을 개발할 수 있는 가능성을 보여줬다. KIST는 ‘양자 오류정정 핵심기술 개발’을 위한 국제공동연구센터를 주관하고 있으며, 시카고대, 서울대, 캐나다 양자컴퓨팅 기업 자나두(Xanadu)가 파트너 기관으로 참여하고 있다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요 사업과 양자기술협력사업(2022M3K4A1094774)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「PRX Quantum (IF: 9.2 JCR 분야 상위 1.9%)」에 8월 2일 게재*됐다. * (논문명) Fault-Tolerant Quantum Computation by Hybrid Qubits with Bosonic Cat Code and Single Photons [그림 1] 하이브리드 큐비트를 이용한 결함허용 양자컴퓨팅 아키텍처 DV 큐비트와 CV 큐비트를 동시에 활용하는 하이브리드 큐비트를 기반으로 한 결함허용 양자컴퓨팅 아키텍처. 하이브리드 퓨전 기법을 활용해 하이브리드 큐비트를 연결하여 오류 정정이 가능한 격자 구조를 형성함. [그림 2] 광손실 결함허용 임계값 및 자원 소모량 그래프 하이브리드 방식과 기존 광기반 방식의 결과를 비교한 광손실 결함허용 임계값 및 자원 소모량 그래프. 본 연구에서 제안한 하이브리드 방식은 기존 방식에 비해 4배 이상의 광손실 결함허용 임계값을 달성하였으며 자원 소모량 측면에서도 13배 이상 크게 향상되었음.

- 수전해 촉매의 나노구조 조절로 이리듐 사용량 1/20 수준으로 절감 - 속이 비어있는 요철형 표면의 나노튜브 구조로 수전해 활성 및 내구성 개선 수전해는 현재 가장 친환경적인 에너지원으로 평가받는 그린수소를 생산하는 방법으로, 친환경에너지로부터 유래된 전기를 이용해 물(H2O)을 수소(H2)와 산소(O2)로 분해하는 과정을 거친다. 그러나 수전해 장치에는 전기에너지를 수소와 산소로 전환하는 데 도움을 주는 촉매가 필요한데, 에너지 전환 효율 및 내구성 문제로 인해 이를 백금이나 이리듐과 같은 값비싼 귀금속 물질로 사용한다는 한계가 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 수소·연료전지연구단 김진영 박사 연구팀은 나노구조 조절을 통해 이리듐의 사용량을 20분의 1 수준으로 줄인 그린수소 생산을 위한 수전해 양극 촉매를 개발했다고 밝혔다. 그린수소의 보급을 확대하기 위해서는 그레이수소 대비 2~3배 높은 가격을 낮춰야 하며, 이를 위해서는 수전해 스택 생산비용의 약 40%를 차지하는 이리듐 등의 양극 촉매 귀금속 사용량을 줄이는 것이 중요하다. 현재 촉매 활성도를 높이기 위한 합금화 기술 및 나노 구조체 연구가 진행되고 있지만, 수전해 장치의 구동 조건에 적합하지 않거나 대량생산에 필요한 수준을 확보하지 못했다. 연구팀은 수전해 양극 촉매의 이리듐 사용량을 줄이기 위해 요철형(Jagged) 표면구조를 가지며 속이 비어있는 이리듐 기반 나노튜브 구조 합성법을 개발했다. 이를 통해 전극 내부의 다양한 형태의 나노 기공 구조를 단계적으로 형성해 부피 대비 표면적이 넓고 전기전도성과 기체 이동이 쉽게 만들었다. 그 결과, 전극 내 계층적 기공 구조를 통해 빠른 촉매 반응과 기체 배출이 가능해져 수전해 활성이 높아지는 것을 확인했다. 상용 촉매의 성능과 비교하기 위해 요철형 표면구조를 가지는 나노튜브 촉매를 수전해 장치에 적용했다. 촉매 사용량에 따른 성능 시험 결과, 현재 상용 수준보다 이리듐 사용량을 1/20 수준으로(0.05 mg/cm2) 줄였음에도 불구하고 1.7 V 기준으로 상용 촉매에 비해 약 4배 높은 수전해 성능을 보였다. 또한, 100시간 내구 평가에서도 5% 이내의 성능 감소를 나타내며 안정적인 수전해 구동 특성을 확보했다. 이번 연구 결과는 고가의 이리듐을 20분의 1로 줄여도 고용량이 필요한 기존 상용 촉매 수준의 수전해 성능을 보여 그린수소 생산 단가를 낮출 수 있음을 보였다. 연구팀은 상용화를 목표로 수전해 장치에 적용할 수 있는 균일한 대면적 전극 제작 공정에 관한 연구를 수행할 예정이다. KIST 김진영 박사는 “물리적 구조 변형을 통하여 기존의 귀금속 저감형 수전해 촉매의 성능 개선 한계를 극복했다”며, “해당 기술을 통해 그린수소의 생산 단가를 크게 낮춰 친환경적인 수소 생산의 상용화에 한 걸음 더 다가갈 수 있는 방향을 제시할 수 있을 것”이라고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 미래수소원천기술개발사업(NRF-2021M3I3A1082879), 산업통상자원부(장관 안덕근) 에너지국제공동연구사업 등으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 세계 최고의 에너지 분야 국제학술지 ‘Advanced Energy Materials’(IF 24.4, JCR 분야 2.9%)에 게재됐으며 저널 Back Cover 표지로 선정됐다. [그림1] 요철 이리듐 나노튜브 촉매 개발 모식도 (상) PEM수전해 장치 내 Ir 촉매 담지량 저감시 문제점 모식도, (중) 본 연구팀에서 개발한 요철 이리듐 나노튜브 촉매 합성 모식도, (하) 요철 이리듐 나노튜브 촉매 활용 수전해 전극층 개발 모식도 [그림 2] 요철 이리듐 나노튜브 구조 분석 결과 (상) 개발 촉매 투과전자현미경 및 원소 분석 사진을 통한 형태 분석 결과, (하) 개발 촉매 분말 X-선 회절 분석 결과 * 논문명 : Ultrahigh Electrode Performance of Low-Loaded Iridium Jagged Nanotubes for Water Electrolysis Applications

- 1년 이상의 장기간 지중저장 환경 모사 실험을 통한 물 저장 안정성 평가 - 물리적 침전 공정과 연결된 지중저장 모사 시스템에서 안정적 수질 확보 최근 전 세계적으로 기후변화로 인한 극한 홍수 및 가뭄이 반복되고 있다. 이에 대응하기 위해 미국, 네덜란드, 호주 등의 국가에서는 지중저장(인공함양)기술이 실제 물 공급에 활용되고 있다. 우리나라도 여름철에 비가 집중적으로 내리고, 극심한 강우가 발생해 도시 지역을 제외한 도서 지역과 농촌 지역에서는 물 공급에 어려움이 커지고 있다. 이런 상황에서 안정적으로 물을 저장하고 공급하기 위한 방법으로 지중저장 기술이 주목받고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 물자원순환연구단 정성필, 조경진 박사 연구팀은 안정적 물 저장 가능성을 향상시킬 수 있는 지중저장 기법을 개발했다고 밝혔다. 적절한 처리 없이 지표수를 지하 대수층에 주입할 경우, 주입수 내 존재하는 동화유기탄소(Assimilable organic carbon)와 같은 유기물을 먹이로 성장하는 미생물로 인한 공극 막힘 현상이 발생하는 한계가 있을 수 있다. KIST 연구팀은 기존 연구에서 인공적으로 제조한 원수에 함유된 동화유기탄소가 지중저장 모사 조건에서 미생물에 의해 감소될 수 있음을 확인한 바 있었다. 이번 연구는 인공적으로 제조한 원수가 아닌 실제 강물을 유입 원수로 이용해 지중저장의 주기적인 주입 및 회수 과정까지 모사했다. 약 13개월 동안 실험을 진행했으며 2주 간격으로 강물을 땅속 모래층에 주입하고 2주 후에 다시 물을 회수하는 방식을 반복하면서 그 과정에서 유기물과 미생물의 변화를 관찰했다. 실험을 통해 강물의 계절적 변화에도 불구하고 토양 유기물 및 저장된 물의 유기물 농도가 안정적으로 유지된다는 사실을 확인했으며, 이는 화학적 처리 없이 간단한 물리적 침전 공정만으로도 1년 동안 공극 막힘 현상 없이 안정적인 수질이 유지됐음을 시사한다. 연구팀은 지중저장 시스템에서 수질이 안정적으로 유지되는 이유를 규명하기 위해 미생물의 변화를 조사했다. 연구 결과 실제 강물에 존재하는 유기물을 먹이로 활용할 수 있는 마이크로바이옴이 계절별로 변화됨을 확인했다. 이는 지중저장 시스템 내 미생물이 유기물을 저감시켜 공극 막힘 현상을 방지하고 안정적인 수질 확보에 기여했음을 밝혔다. 이 연구에서 사용된 실험 기법은 국내 지중저장 부지를 테스트하고, 유입수 조건에 맞는 전처리 공정을 제안하는 데 활용될 수 있으며, 향후 지중저장 시스템의 안정적인 운영을 위해 유기물과 미생물에 대한 지속적인 분석이 필요할 것으로 사료된다. 또한, 회수된 물의 수질 평가와 적절한 전처리 공정을 통해 시스템을 안정적으로 유지할 수 있는 조건을 마련해야 한다. KIST 정성필 박사와 조경진 박사는 “이 연구 성과는 물 공급의 불균형 문제를 해소하기 위한 물의 대규모 저장 기술로서 활용되고 있는 지중저장 기술의 안정적 운영에 기여할 수 있는 성과”라고 말하며 “파일럿 규모의 대수층 모사 시스템 내에서의 장기간 유기물 및 마이크로바이옴 변화에 대한 연구는 전 세계적으로 초기 연구로서 향후 확장 가능성이 있다”라고 강조했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 기후변화영향최소화기술개발사업(2020M3H5A1080712) 등으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Chemical Engineering Journal」 (IF 13.3, JCR 분야 3.1%)에 최신 호에 게재됐다. * (논문명) Comprehensive assessment for the seasonal variations of organic compounds and core soil microbiome in the simulated pilot-scale aquifer storage and recovery (ASR) system [그림 1] 지중저장 모사 파일럿 시스템 개념도 13개월 동안 약 2주 간격으로 강물을 주입, 저장 및 회수하는 물리적 침전 공정과 지중저장 모사 토양 컬럼이 결합된 지중저장 모사 파일럿 시스템 [그림 2] 토양 컬럼 내부 및 회수된 물에서의 유기물 농도 변화 토양 컬럼 내 위치 별 모래와 결합된 누적 유기물의 증가 및 회수된 물에서의 안정적 유기물 농도 결과

- 흑색종의 억제 표적 항암제(BRAF)에 내성을 가지는 핵심 기전 규명 - 폴리아민 생합성 조절로 내성 억제, 치료 효과 높은 신규 항암제 개발 기대 흑색종은 피부 속 색소를 만들어 주는 멜라닌 세포가 일으키는 암으로, 전이나 재발이 쉽게 발생해 피부암 중 가장 치명적인 암으로 알려져 있다. 전 세계적인 고령화 추세로 인해 흑색종 환자가 빠르게 늘어 2040년에는 매년 세계에서 약 10만 명이 흑색종으로 사망할 것으로 보고된다. 현재 임상에서는 BRAF(비라프)라는 발암 유전자를 억제하는 표적 항암제로 흑색종을 치료하고 있지만, 약물에 대한 내성이 빠르게 발생해 치료 효과가 높지 않다는 한계가 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 의약소재연구센터 김택훈 박사 연구팀은 흑색종이 BRAF 억제 항암제에 대한 내성을 가지게 되는 핵심 기전을 새롭게 규명하고, 내성 발생을 억제할 수 있는 새로운 항암제 개발 전략을 제시했다고 밝혔다. 연구팀은 BRAF 항암제에 내성을 지닌 세포주 모델을 이용해 AMD1 유전자의 활성이 항암제 내성을 가지는 데 중요한 역할을 하고 있음을 발견했다. AMD1 유전자는 세포의 성장과 증식을 촉진하는 폴리아민(polyamine) 생합성에 필수적인 역할을 하는데, 일반적으로 암세포에서 폴리아민이 더 높은 수준으로 나타난다. 실험을 통해 이 유전자의 활성을 조절한 결과, 폴리아민 생합성을 억제하면 BRAF 항암제에 대한 내성도 낮아져 흑색종이 사멸됨을 확인했다. 이를 바탕으로 항암제 내성 흑색종에서 발암 유전자인 c-Myc이 폴리아민 생합성의 증가를 유발하고 있음을 밝혔다. 이렇게 증가된 폴리아민이 미토콘드리아 단백질의 양을 증가시켜 미토콘드리아 활성을 높이며, 이로 인해 항암제에 내성을 지닌 암세포의 증식으로 이어지는 과정이 흑색종 항암제 내성 발생 핵심 기전임을 규명했다. 이번 연구는 기존에 거의 알려지지 않았던 폴리아민 생합성이 BRAF 항암제 내성 유발의 원인임을 밝힌 세계 최초의 연구이며, 나아가 KIST 연구팀은 BRAF 항암제에 대한 내성을 극복하기 위해 내성 기전의 각 단계를 억제하는 항암제 개발 전략을 제시했다. 본 연구를 통해 항암제 내성이 빈번하게 발생해 완치가 어려웠던 흑색종을 치료할 수 있는 폴리아민 대사 조절 기반의 신규 항암제 개발이 가능해졌다. 이를 통해 2028년 10억 달러 규모로 전망되는 BRAF 억제 항암제 시장에 적용가능한 선도 기술을 확보할 것으로 기대된다. KIST 김택훈 박사는 “가장 치명적인 피부암인 흑색종의 항암제 내성 발생의 핵심 기전을 규명했다”라며, “대사항암제 개발을 위해 BRAF 돌연변이가 자주 나타나는 대장암, 갑상선암 등에서 폴리아민 대사 조절을 통한 항암 효과 검증을 수행할 예정”이라고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 중견연구자지원사업(2021R1A2C1093499), 바이오의료기술개발사업(RS-2024-00400042), 국가과학기술연구회 선행융합연구사업(CPS23011-100) 및 창의형 융합연구사업(CAP23011-000) 등으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 ‘Molecular Cancer’(IF 27.7, JCR 분야 상위 1.1%)에 최신 호에 게재됐다. [그림 1] 폴리아민 생합성 억제를 통한 BRAF 억제 항암제 내성 극복 (위) 흑색종은 BRAF 억제 항암제 투여에도 항암제 내성이 발생하여 암이 재발함. (아래) 폴리아민 생합성 억제와 BRAF 억제 항암제를 조합하면 암의 재발을 막고 완치 가능성이 증가할 수 있음. [그림 2] BRAF 억제 항암제 내성 발생 기전 BRAF 억제 항암제 내성 흑색종은 c-Myc 발암유전자 활성에 의해 AMD1을 비롯한 폴리아민 생합성이 증가하여 결국 미토콘드리아의 활성이 증가하여 항암제 내성을 유도함. 본 연구에서는 폴리아민 생합성 저해를 통해 이 기전을 막음으로써 항암제 내성을 극복하였음.