- 다중감각 VR로 유도된 환각에 의한 인간 격자 세포 활성 변화 관측 - 유체 이탈 등 환각 증상에 대한 객관적 진단이나 치료의 새로운 방향 제시 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 바이오닉스연구센터 문혁준 박사 연구팀은 스위스 로잔연방공과대학(이하 EPFL) 블랑캐(Olaf Blanke) 교수 연구팀과 함께 다중감각 가상현실(VR)을 이용해 자기 위치 환각을 유도하고, 이로 인한 뇌 속 격자 세포 활성의 변화 관측에 성공했다고 밝혔다. 우리 뇌에는 자신이 위치한 장소를 인지하는 GPS(위치정보시스템) 기능을 수행하는 격자 세포(grid cell)와 장소세포(place cell)가 존재하는 것으로 알려져 있다. 특정 장소로 이동하는 동안 그 경로에 있는 GPS 세포들이 위치에 따라 차례로 반응하게 되는데, 이들 세포는 우리의 위치를 좌표 형태로 인식하고 공간 내 사건들을 기억하는 데 중요한 역할을 담당한다. 인간은 상상이나 환각을 통해 실제로 몸을 움직이지 않아도 자신이 다른 공간에 있는 것처럼 인식하는 이른바 순수인지적 위치 이동이 가능한 존재다. 하지만, 이 같은 순수인지 과정에서 일어나는 뇌 속 GPS 세포의 반응은 이러한 인지를 유도하거나 확인할 수 없는 쥐 등의 동물실험으로는 관찰할 수 없었다. 더욱이 기존에 GPS 세포 연구를 위해서는 두개골을 열고 침습적 전극으로 개별 세포의 활성을 측정해야 했기 때문에 순수인지 과정의 인간 GPS 세포 활성에 관한 연구와 이해는 제한적일 수밖에 없었다. 연구팀은 순수인지적 환각에서 격자 세포의 활성을 관측하기 위해 MRI 호환 VR 기술과 다중감각 신체 신호 자극을 결합해 다양한 위치와 방향으로 자기 위치 변화 환각을 유도했다. 이 과정에서 측정된 MRI 신호를 통해 격자 세포의 변화를 분석했으며, 각 피험자의 환각 경험은 실험 후 질문지와 그들이 경험한 자기 위치를 확인할 수 있도록 고안된 행동 지표를 통해 확인했다. 그 결과, 연구팀은 환각에 의해 유도된 자기 위치에 대한 순수인지적 변화가 그에 상응하는 격자 세포의 활성을 일으킨다는 것을 최초로 증명했다. 이번 연구는 실제 위치의 이동 없이 다중 신체 감각 자극만으로 자기 위치 환각과 격자 세포 활성을 유도할 수 있다는 사실을 처음으로 입증한 임상시험 결과다. 이것은 인간 뇌 속 GPS 좌표가 신체의 물리적 위치뿐만 아니라 다양한 인지 활동과 경험에 따른 위치 정보에 반응한다는 것을 보여준 것으로 뇌 영상 분석을 통한 환각 증상의 객관적인 진단 가능성을 높였다. 또한, 이번 연구 성과가 유체 이탈 등의 환각 증상을 겪고 있는 환자들의 치료를 위한 표적을 제시해 새로운 치료법 개발에도 기여할 것으로 기대된다. KIST 문혁준 박사는 “1인칭 시점의 시각적 환경 단서의 변화에 의존해 왔던 기존 인간 격자 세포 연구와 달리 다중 신체 감각의 통합이라는 주요 연구 요소를 새롭게 제시했다”라며, “다양한 정신질환이나 신경 질환으로 인한 환각 증상의 뇌 기능적 메커니즘 이해를 통해 해당 증상을 억제할 수 있는 비침습적 신경 자극 치료를 개발하기 위한 후속 국제협력연구를 진행할 예정”이라고 밝혔다. [그림 1] 다감각 VR을 통한 통제된 자기 환각 유도와 이에 따른 격자 세포 활성 관찰 [그림 2] 내후각피질에서 관찰된 격자세포 활성 본 연구는 국내에서는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원으로 KIST 주요사업과 스위스 국립과학재단의 지원(320030_188798)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「PNAS」 (IF: 11.1)에 3월 게재됐다. * 논문명 : Changes in spatial self-consciousness elicit grid cell-like representation in the entorhinal cortex

- 웨어러블 기기에 최적화된 비정형 에너지 저장장치 기초 섬유 기술 개발 - 활성물질 추가 공정 불필요, 습식방사로 대량생산 가능 삼성 갤럭시 링과 애플의 비전프로 같은 최신 웨어러블 기기들은 건강관리에서 한 걸음 더 나아가 가상공간에서의 업무수행까지 가능하게 하는 수준에 다다르고 있다. 그런데 작고 가벼워야 하는 웨어러블 기기의 특성상 배터리 용량이 제한될 수밖에 없어 여전히 다양한 기능을 탑재하기에는 기술적 한계가 있다. 웨어러블 기기가 상상 속 삶을 완벽히 구현하려면 더 가벼우면서 형태에 구애받지 않는 비정형 에너지 저장방식의 개발이 필요하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록)은 전북분원 기능성복합소재연구센터 정현수 박사, 김남동 박사와 탄소융합소재연구센터 김승민 박사 공동 연구팀이 에너지를 저장할 수 있는 섬유형 전극 소재를 개발했다고 밝혔다. 이 섬유는 강하고 가벼운 동시에 매우 유연한 특성을 가져 웨어러블 기기 폼팩터의 자유도를 높이고, 다양한 형태와 사용 용도에 맞춰 제작할 수도 있다. 탄소나노튜브 섬유는 유연하고 가벼우며, 뛰어난 기계‧전기적 특성을 보유해 웨어러블 디바이스의 기초소재로 기대된다. 하지만 비표면적이 작고 전기화학 활성이 부족해 기존 연구에서는 주로 집전체로만 이용하고, 표면에 활성물질을 코팅하는 방법을 주로 사용했다. 그런데 이러한 접근법은 추가 물질 및 공정으로 비용이 상승하여 비경제적일 뿐만 아니라, 장기간 사용하거나 물리적 변형이 발생하면 활성물질이 섬유로부터 분리될 가능성이 높다. KIST 연구팀은 이와 같은 문제를 해결하기 위해 활성물질 없이도 높은 에너지 저장능력을 가진 섬유형 전극 소재를 개발했다. 연구팀은 파우더 형태의 탄소나노튜브를 산처리해 개질하고 섬유화함으로써 전기화학 활성과 우수한 물리적 특성을 모두 갖춘 탄소나노튜브 섬유를 개발했다. 개질된 탄소나노튜브 섬유는 일반 탄소나노튜브 섬유 대비 에너지 저장능력이 33배 증가하고, 기계적 강도는 3.3배, 전기 전도도는 1.3배 이상 증가했다. 게다가 순수한 탄소나노튜브 섬유만을 사용해 에너지 저장 전극 소재를 개발했기 때문에 습식방사 기술을 이용한 대량생산이 가능하다. 섬유형 슈퍼 커패시터로 제작해 테스트한 결과, 매듭을 지었을 때 100%에 가까운 성능이 유지되고 5,000번 구부림 테스트를 거친 후에도 95%의 성능을 유지했다. 또한 일반섬유와 탄소나노튜브 섬유를 직조해 디지털시계의 손목 줄로 제작했을 때도 구부림, 접기, 세척 후 잘 작동됐다. KIST 김승민 박사는 “최근 이차전지의 도전재로 활용되며 다시 주목을 받기 시작한 탄소나노튜브가 훨씬 다양한 분야에 활용될 수 있음을 확인했다”고 연구의 의의를 설명했다. 공동연구자인 정현수 박사는 “탄소나노튜브 섬유는 우리가 보유한 원천기술과 선진국과의 기술격차가 크지 않아 경쟁력이 있는 분야”라며, “비정형 에너지 저장 핵심 소재로 응용하기 위한 연구를 지속하겠다”고 밝혔다. 또 다른 공동연구자인 김남동 박사는 “슈퍼 커패시터에서 더 나아가 에너지 밀도가 높은 섬유형 배터리로 응용하기 위한 연구를 현재 수행 중”이라고 밝혔다. 본 연구는 KIST 주요사업 (ORP, K-DARPA)과 과학기술정보통신부 (장관 이종호)의 지역선도연구센터사업 (2019R1A5A8080326), 산업통상자원부 (장관 안덕근)의 소재부품산업핵심기술개발 사업 (20017548)과 현대자동차의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 재료분야 국제 학술지 ‘Advanced Energy Materials’ (IF 27.8, JCR 2.8%)에 표지논문 (Front Cover)으로 게재됐다. * 논문명 Active Material-Free Continuous Carbon Nanotube Fibers with Unprecedented Enhancement of Physicochemical Properties for Fiber-Type Solid-State Supercapacitors [그림 1] 기능화된 탄소나노트브의 물성과 전기화학 활성도 위 그림은 기능화된 탄소나노튜브의 원섬유 대비 기계적, 전기전도도 물성 향상 비교를 나타내며 활물질 없이 표면이 깨끗함에도 불구하고 전기화학 활성도가 33배 증가함을 나타낸다. [그림 2] 웨어러블 슈퍼캐패시터 실증 위 그림은 탄소나노튜브 섬유를 섬유형 슈퍼캐패시터 (FSSCs)로 제작하여 에너지 저장 능력과 웨어러블 특성들을 시중에서 구입한 디지털 시계로 실증한 것들이다.

- 초임계 상태 물만으로 수십 분 내에 99% 친환경 재활용 가능 - 폐 재활용섬유를 E-모빌리티 배터리 전극재로 업사이클링 까지 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)은 금속보다 가볍고 강도가 높아 항공, 우주, 자동차, 선박, 스포츠용품 등 다양한 산업 분야에서 사용되고 있다. 최근에는 에어 모빌리티와 같은 신산업에도 적용되면서 사용량이 증가해 폐기물 처리 문제가 드러나고 있다. 그런데 CFRP는 자연분해가 되지 않으며, 고온 소각방식은 독성물질을 배출해 환경오염을 초래하기 때문에 재활용 기술 개발이 시급하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록)은 RAMP융합연구단 정용채 단장 연구팀이 일정 수준 이상의 온도와 압력 조건에서 발현되는 초임계 상태의 물을 이용해 수십 분 내에 CFRP 소재를 99% 이상 재활용하는 기술을 개발했다고 밝혔다. 초임계 상태의 물은 높은 극성, 확산성, 그리고 밀도를 가져 CFRP에 함침된 에폭시만을 선택적으로 제거함으로써 재활용된 탄소섬유를 얻을 수 있다. 연구팀은 별도의 촉매제, 산화제, 유기용매등을 사용하지 않고 물만을 이용해 고효율의 재활용 시스템을 완성했다. 또한 글라이신(Glycine)을 초임계 상태의 물에 첨가하면 CFRP를 질소 원자가 도핑된 재활용 탄소섬유로 업사이클링할 수 있다는 사실도 알아냈다. 이렇게 업사이클링된 탄소섬유는 기존 재활용 탄소섬유보다 우수한 전기적 전도성을 가진다. 수십 분 내에 단일 재활용 공정만으로 CFRP의 재활용과 업사이클링을 동시에 처리해 재활용 섬유의 구조와 물성을 제어한 사례는 이번 연구성과가 처음이다. 지금까지는 재활용된 CFRP 섬유의 성질이 불균일하다는 제약으로 인해 그 활용처가 주로 복합소재의 충진제에 국한됐다. 이와 비교해 연구팀이 만들어 낸 업사이클링 탄소섬유는 E-모빌리티 배터리의 전극재로 적용했을 때 코인셀 평가에서 흑연 대비 동등 혹은 그 이상의 성능을 나타냈다. KIST 정용채 단장은 “전 세계적으로 탄소복합소재(CFRP)의 폐기물량이 증가하고 있는 상황에서 이를 친환경적으로 업사이클링하는 기술을 개발했다”면서, “탄소배출량을 획기적으로 저감시키는 것은 물론 E-모빌리티의 배터리 전극재로 전환하는 자원 선순환 구조까지 제시한 의미있는 연구성과”라고 연구의 의의를 설명했다. 이번 성과는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 KIST 융합연구단사업 (CRC23011-000)과 나노 및 소재기술개발사업 (2021M3H4A1A0304129)으로 수행되었으며, 연구결과는 국제학술지 카본 (CARBON) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Simultaneous recycling and nitrogen doping in carbon fiber reinforced plastic using eco-friendly supercritical water treatment for Li-ion batteries anode application - (공동제 1저자) 한국과학기술연구원 김영남 연구원 - (공동제 1저자) 한국과학기술연구원 이윤기 연구원 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 정용채 책임연구원 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 이성호 책임연구원 [그림 1] 탄소복합소재를 물로 재활용한 전/후실사진 이미지 (CFRP:원소재(재활용 전), N-CF: 질소도핑된 탄소섬유 (재활용 후)) [그림 2] 업사이클링 재활용 탄소섬유의 배터리 용량 평가결과 (P-CF:원소재, R-CF:재활용 탄소섬유, N-CF: 질소도핑 재활용 탄소섬유)

- 단순 자동화 장치 대비 소재 개발 효율 500배 이상 높인 AI 로봇 기반 스마트 연구실 - 노령화에 따른 연구인력 감소 문제를 해결하는 새로운 R&D 패러다임 기대 20세기 초 하버-보슈법에 의한 암모니아 합성용 촉매 개발은 성공하기까지 10,000회 이상의 실험이 따랐다고 한다. 이처럼 신소재 개발은 설계에서 상용화까지 많은 시간과 비용이 필요한 작업이다. 그런데 최근에는 인공지능(AI)을 활용해 소재개발 기간을 단축하는 연구가 활발하다. 여기에 로봇까지 접목하면 사람의 개입 없이도 1년 365일, 24시간 동안 소재개발 연구를 할 수 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록)은 계산과학연구센터 한상수 박사, 김동훈 박사와 고려대학교(총장 김동원) 화공생명공학과 이관영 교수 공동연구팀이 AI와 로봇을 활용한 맞춤형 금속 나노입자 설계 플랫폼 즉, 스마트연구실을 개발했다고 밝혔다. KIST-고려대 공동연구팀은 먼저 로봇팔을 기반으로 나노입자를 합성하고, 합성된 나노입자의 광학적 특성을 측정하는 자동화 장치를 개발했다. 여기에 AI 기술을 접목해 연구자가 원하는 소재의 물성을 입력하면 요구물성을 정확히 충족시키는 나노소재를 합성해주는 맞춤형 소재 개발 스마트연구실이 탄생했다. 스마트연구실 플랫폼에 적용된 AI 기술은 기존의 베이지안 최적화 방법에 얼리 스톱핑(early stopping) 기술을 접목해 단순 자동화 장치 대비 소재탐색 효율성을 500배 이상 높였다. 사람이 하는 실험은 연구환경이나 연구자에 따라 결과가 달라져 재현성 있는 결과를 얻기 힘든 경우가 많지만, 개발된 스마트연구실에서는 일관성 있는 양질의 데이터를 대량으로 생산할 수 있다는 장점이 있다. 연구진은 스마트연구실의 안전확보를 위한 AI 기술도 개발했다. 무인으로 운영되는 스마트연구실은 연구자가 다칠 위험은 없지만, 로봇의 과부하로 인한 오작동 등 안전사고를 예방하기는 어렵다. 연구진은 이러한 안전사고를 사전에 감지하고, 예방하기 위한 AI 비전기술(DenseSSD)을 개발해 스마트연구실에 탑재했다. DenseSSD는 실험실 내 연구장비와 재료 등 다양한 물체를 감지하고, 이상이 있으면 사용자에게 알림을 보내 적절한 조치를 취할 수 있게 한다. KIST 한상수 박사는 “사람의 개입 없이 소재개발이 가능한 스마트연구실 플랫폼은 노령화에 따른 연구인력 감소 문제를 해결할 수 있는 새로운 R&D 패러다임이 될 것”이라고 기대했다. 김동훈 박사는 “향후 비전문가도 스마트연구실을 쉽게 사용할 수 있도록 챗GPT와 같은 대화형 언어모델을 접목할 계획이다”라고 밝혔다. 연구팀은 촉매, 배터리, 디스플레이 등 다양한 소재분야로 스마트연구실 플랫폼을 확장할 예정이다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원으로 한국연구재단 나노및소재기술개발사업 지원으로 수행되었으며, 연구 결과는 재료과학 분야 국제저널인 「Advanced Functional Materials」* 및 「npj Computational Materials」**에 3월 6일과 2월 22일에 각각 온라인 게재되었다 * Bespoke Metal Nanoparticle Synthesis at Room Temperature and Discovery of Chemical Knowledge on Nanoparticle Growth via Autonomous Experimentations ** Machine Vision-based Detections of Transparent Chemical Vessels toward the Safe Automation of Material Synthesis [그림1] AI로봇을 활용한 Closed-loop 실험 단계 개념도 [그림2] 기존 방법론 대비 AI 기반 실험 설계의 정량적 효율성 비교 그림 [그림3] KIST 계산과학연구센터 스마트연구실 개발 인원 사진

- 경제성과 환경성을 동시에 갖춘 포름산 생산 CCU 공정 개발 - 세계 최대 규모 실증을 통해 CCU 기술의 상업화 앞당길 것으로 기대 이산화탄소를 포집해 유용한 화합물로 전환하는 CCU(Carbon Capture & Utilization) 기술은 탄소중립 사회로 빠르게 진입하기 위한 핵심이다. 포집된 이산화탄소를 저장만 하는 CCS(Carbon Capture & Storage) 기술은 공정이 비교적 단순하고, 운영 및 유지보수 비용이 적어 초기 상업화 단계에 진입했다. 하지만 CCU 기술은 전환 공정의 복잡성 및 화합물의 높은 생산비용으로 촉매개발 등 기술 탐색 수준의 연구만 이루어지고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 청정에너지연구센터 이웅 박사팀은 이산화탄소를 포름산으로 전환하는 CCU 신공정을 개발했다고 밝혔다. 유기산의 일종인 포름산은 가죽, 식품, 의약품 등 다양한 산업에 활용되는 고부가가치 화합물로 연간 1백만 톤 규모가 소비되는 큰 시장이 있으며, 수소 운반체 역할도 할 수 있다. 그뿐만 아니라 하나의 이산화탄소 분자를 사용해 포름산을 생산할 수 있어 다른 유기산 대비 생산 효율성이 높다. 연구팀은 포름산 생산반응을 매개하는 여러 아민 중 가장 높은 이산화탄소 전환율을 나타내는 1-메틸피롤리딘 아민을 선정하고, 루테늄금속(Ru) 기반 촉매에 대한 반응기의 운전 온도 및 압력을 최적화하는 공정을 개발해 기존 38% 수준의 이산화탄소 전환율을 2배 이상 높였다. 또한, 대기나 배출가스로부터 이산화탄소를 분리하는 과정에서 발생하는 과다한 에너지 소모 및 부식으로 인한 포름산 분해 문제를 해결하기 위해 이산화탄소를 분리하지 않고 직접 전환하는 동시 포집-전환 기술을 개발했다. 그 결과, 톤당 790달러 수준의 포름산 생산 단가를 톤당 490달러로 크게 낮추었으며 이산화탄소 발생량도 감축했다. 한편, 연구팀은 포름산 생산 CCU 기술의 상용화 가능성을 평가하기 위해 세계 최대인 하루 10kg 규모의 포름산 생산 파일럿 공정을 구축했다. 기존의 실증연구는 실험실에서 소규모로 수행돼 실제 대량생산 시 발생하는 불순물 정제공정을 고려하지 못했다. 하지만 연구팀은 부식을 최소화하는 공정 및 소재를 개발했고, 포름산 분해를 최소화하는 운전조건을 확인해 순도 92% 이상의 포름산을 생산하는 데 성공했다. 연구팀은 2025년까지 하루 100kg 규모의 파일럿을 완공하고 공정검증을 진행함으로써 2030년 상용화를 목표로 하는 후속 연구를 진행할 예정이다. 상업성 확보를 위해서는 연간 7만 톤 규모로 생산돼야 하는데, 100kg 파일럿으로 공정검증에 성공하면 수요기업으로의 운송, 판매 등이 가능해질 것으로 기대된다. KIST 이웅 박사는 “CCU 기술로 생산된 화합물이 상용화 단계까지 가지 못한 상황에서 본 연구를 통해 이산화탄소를 포름산으로 전환하는 공정의 상용화 가능성을 확인할 수 있었다”라며, “대기 중 이산화탄소를 직접적으로 감축할 수 있는 CCU 기술의 상업화를 앞당겨 2030년 국가의 탄소중립 목표 달성에 기여하겠다”라고 밝혔다. 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 Carbon-to-X 사업(2020M3H7A1098271)을 통해 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Joule」 (IF 39.8, JCR 분야 상위 0.9%)에 최신호에 게재됐다. * 논문명 : Accelerating the net-zero economy with CO2-hydrogenated formic acid production: Process development and pilot plant demonstration [그림1] 이산화탄소 전환을 통한 포름산 생산 공정 새롭게 개발된 이산화탄소를 전환하여 (CCU) 포름산을 생산하는 공정의 흐름도 (위) 및 대규모 파일럿 공정 실증 운전 자료 (아래) [그림 2] 하루 10kg의 포름산을 생산하는 파일럿 규모 실증 공정 실제 운전이 이뤄진 파일럿 실증 공정의 모습. 크게 반응부와 분리부, 재순환 및 진공 시스템으로 구성되어 있으며, 안정적인 연속 운전이 가능하며 상용화 가능성을 높임.

- 태양광 출력 변동성 반영 그린수소 생산 장치 내구성 평가기술 개발 - 그린수소 생산용 수전해 장치 핵심 소재부품 개발 지침 제시 미래의 청정에너지 운반체로 그린수소가 주목받으면서 어떤 재생에너지를 에너지원으로 활용할 것인지에 대한 문제 역시 중요해지고 있다. 그중 태양광은 지구 어디에나 존재하는 태양을 이용하기 때문에 자연 지형의 의존성이 낮은 장점이 있다. 그러나 계절 및 날씨 등에 따른 태양광 출력과 발전량 변화는 전력의 상승과 하강을 반복적으로 유발해 생산 장치의 부품을 손상시키는 문제가 있어 최적의 부품 교체 시기 및 신소재 개발을 위해서는 장치의 내구성을 정밀하게 평가할 수 있는 기술이 중요하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 수소·연료전지연구센터 서보라 박사 연구팀은 실제 태양의 조도 데이터를 활용해 1초 단위의 단계 지속시간을 갖는 그린수소 생산 장치의 내구성 평가기술을 개발했다고 밝혔다. 이는 현재까지 개발된 기술 중 가장 짧은 단계 지속시간을 적용한 것으로 실제 태양광 에너지의 출력 변동성을 가장 유사하게 시뮬레이션할 수 있다. 태양광 기반 그린수소 생산 장치의 성능저하 원인이 파악되더라도 이를 개선하기 위해서는 신뢰도가 높은 내구성 평가기술 확보가 필요하다. 하지만 지금까지는 단순히 전류를 순환하거나 일정하게 유지하는 방법으로 평가를 수행해 태양광 출력 변동성을 정밀하게 반영하지 못했다. 그뿐만 아니라 전력 변동 조건에서 우수한 내구성을 갖는 핵심 소재 개발을 위한 수전해 장치의 내구성 평가 기준도 없었다. 연구팀은 태양광 패널에서 얻은 실제 태양 조도 데이터와 수전해 스택 데이터를 활용해 조도 값을 전류밀도로 변환하는 시뮬레이션 방법을 최초로 개발했다. 이를 통해 순환전압전류법 등 기존 내구성 평가기술에서는 10초에서 3분까지 소요되던 단계 지속시간을 1초 단위로 획기적으로 단축해 태양광 출력 변동성을 실제와 유사하게 반영할 수 있게 됐다. 또한, 새롭게 개발한 내구성 평가기술을 바탕으로 수전해 장치의 소재 개발에 대한 핵심 지표를 제시했다. 전력 변동 조건에서의 촉매, 전해질막 등 소재의 성능저하 정도를 파악할 수 있는 표준화된 분석법과 촉매 용출량, 불소 배출량, 산화막 두께 등 성능저하 지표를 새롭게 제안했다. 이는 내구성 및 성능개선을 위한 그린수소 생산 장치의 소재 및 부품 개발 지침으로 활용될 수 있다. 이번에 개발된 내구성 평가기술은 태양광을 활용하는 그린수소 생산 장치의 정확한 상태진단 및 잔여 수명을 예측해 설비교체나 운영연장 여부 등을 판단할 수 있다. 해당 기술은 해상풍력, 조력발전 등 다른 신재생에너지 기반 그린수소 생산 장치의 성능을 평가하는 데에도 적용이 가능할 것으로 기대된다. KIST 서보라 박사는 “이번 연구 성과는 태양광 출력 변동성을 현실에 가장 가깝게 반영해 그린수소 생산 장치의 내구성을 평가한 첫 번째 시도”라며, “이를 통해 그린수소 생산 시스템에 대한 효율적인 설비투자와 소재·부품 경쟁력 강화에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원으로 KIST 주요사업과 산업통상자원부(장관 안덕근)의 소재부품기술개발사업(20022451)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 환경 에너지 분야 국제 저명 학술지 「Energy & Environmental Science」 (IF 32.5, JCR 상위 0.4%)에 게재됐다. * 논문명 : Systematic degradation analysis in renewable energy-powered proton exchange membrane water electrolysis [그림 1] 태양광 기반 내구성 평가 기술과 정전류법 및 순환전류법 내구성 평가 기술 비교 태양광 패널에서 얻은 태양 조도 데이터를 바탕으로 도출한 내구성 평가 기술을 적용하여 장기 운전하는 동안 수전해 시스템의 성능 변화를 추적하였다. 특히, 기존에 보고된 정전류법 및 순환전류법 기반 내구성 평가 기술을 적용하였을 때 결과와 비교 분석하여 기존 내구성 평가 기술로는 그린수소 생산 장치의 수명을 예측하는 데 실효성에 한계가 있음을 확인하였다. [그림 2] 태양광 기반 내구성 평가 전/후 수전해 핵심소재 열화분석 태양광 기반 내구성 평가 전/후 수전해 핵심소재(전해질막, 촉매, 확산체) 성능 저하 정도를 파악할 수 있는 표준화된 분석법 및 성능 저하 지표를 내구성 평가 조건별로 비교 분석하여 그린수소 생산 장치에 적합한 소재 개발 지침을 제시하였다.

- 신경세포 구조를 세밀하게 관찰할 수 있는 뉴런 표지 기술 ‘NeuM’ 개발 - 최대 72시간 동안 신경세포의 변화 모니터링 성공 뇌졸중과 함께 3대 노인성 질환으로 꼽히는 알츠하이머 치매와 파킨슨병은 신경세포인 뉴런(Neuron)의 기능이상 및 점진적 퇴행으로 발병하는 신경계 질환이다. 이러한 신경계 질환의 발병기전을 규명하고, 치료제를 개발하기 위해서는 정상적 환경뿐만 아니라 질병 상태에서 뉴런의 변화를 시각화할 수 있는 표지(Labeling) 기술이 매우 중요하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 뇌과학연구소 김윤경 박사 연구팀은 포항공과대학 장영태 교수 연구팀과 함께 차세대 뉴런 표지 기술인 NeuM을 개발했다고 밝혔다. NeuM(뉴엠, Neuronal Membrane-selective)은 신경세포막을 표지해 뉴런구조를 시각화하고 뉴런의 변화양상을 실시간으로 모니터링할 수 있는 차세대 뉴런 형광 표지 기술이다. 뉴런은 감각기관으로 받아들인 정보를 뇌로 전달해 생각, 기억, 행동을 조절하기 위해 구조와 기능을 지속해서 변화시킨다. 따라서 퇴행성 신경질환을 극복하기 위해서는 살아있는 뉴런을 선택적으로 표지해 실시간으로 모니터링하는 기술 개발이 필요하다. 하지만 뉴런을 관찰하기 위해 현재 가장 많이 사용하고 있는 유전자 기반 표지 기술과 항체 기반 표지 기술은 특정 유전자의 발현이나 단백질에 의존하기 때문에 정확성이 낮고 장기간 추적 관찰하는 데 어려움이 있었다. 연구팀이 신경세포의 분자 설계를 통해 개발한 NeuM은 신경세포막에 우수한 결합력을 갖고 있어 뉴런의 장기 추적관찰 및 고해상도 이미징이 가능하다. NeuM에 존재하는 형광 프로브(Probe)는 살아있는 세포의 활성을 이용해 신경세포막에 결합한 뒤 프로브 내의 형광 성분을 특정 파장의 빛으로 방출한다. 이를 통해 신경세포의 막을 시각화하면 신경세포 말단구조를 세밀하게 관찰할 수 있으며, 신경세포의 분화 및 신경세포 간 상호작용 또한 고해상도로 모니터링이 가능하다. NeuM은 살아있는 신경세포의 세포내이입(Endocytosis)을 통해 세포막을 염색하는 최초의 기술로 세포내이입이 없는 죽은 세포에는 반응하지 않는 선택성을 갖는다. 또한, 6시간에 불과했던 신경세포의 관찰 시간을 최대 72시간까지 늘리는 데 성공해 외부 환경 변화에 따라 살아있는 신경세포가 장시간 동안 어떤 동적인 변화 과정을 거치는지 포착할 수 있게 됐다. NeuM은 아직 치료제가 없는 퇴행성 신경질환의 연구와 치료법 개발에 실마리를 제공할 것으로 기대된다. 퇴행성 뇌질환은 아밀로이드와 같은 독성 단백질 생성 및 염증 물질의 유입으로 신경세포가 손상되어 발생하는데, NeuM은 신경세포의 변화를 더욱 정밀하게 관찰함으로써 치료 후보물질의 효능을 평가하는 데 효과적으로 활용될 수 있다. KIST 김윤경 박사는 “이번에 개발된 NeuM은 노화 및 질병으로 인해 퇴행하는 신경세포를 구분할 수 있어 퇴행성 뇌질환의 발생기전을 규명하고 치료법 개발에 중요한 도구가 될 것”이라며 “앞으로는 지금보다 더 정밀한 신경세포의 분석을 위해 형광 파장 제어설계를 통해 녹색, 빨강 등 색깔을 구분할 수 있도록 고도화할 계획”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 KIST 주요사업과 치매극복 사업(RS-2023-00261784)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Angewandte Chemie」에 최신 호에 게재됐다. [그림 1] NeuM의 신경세포막 선택적 형광 Turn-On 기술 [그림 2] 뉴런의 실시간 고해상도 시각화 기술인NeuM(뉴엠)을 개발한 KIST 김윤경 박사연구팀.

- 질산성 질소에 의한 지하수 자정작용 상승효과 발견 - 안정적 수자원 확보를 위한 인공함양기법에 새로운 수질관리 패러다임 제시 최근 기후변화로 인한 극단적인 집중호우 현상이 잦아짐에 따라 전 세계가 홍수와 가뭄에 시달리고 있다. 이 때문에 연중 안정적인 수자원을 확보하는 일은 ‘물안보’로 불리는 국가적 책무가 되었고, 수자원의 여유가 있을 때는 땅속에 지하수 형태로 보관하다가 필요한 시기에 뽑아서 쓰는 ‘인공함양’이 효과적인 수자원 운영관리기법으로 주목받고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 물자원순환연구단 이승학, 정재식, 김상현 박사 연구팀이 오염물질로 알려진 ‘질산성 질소’에 의해 땅속 수질 자정효과가 향상되는 현상을 발견했다고 밝혔다. 인공함양기법을 실제로 적용하기 위해서는 함양된 물의 수질을 예측하고 관리하는 것이 매우 중요한데, 본 연구성과를 통해 인공함양 시스템의 수질 관리전략은 전환점을 맞이할 것으로 기대된다. 인공함양기법은 수자원의 저장뿐만 아니라 땅속에서 다양한 반응을 거치면서 수질이 개선되는 부가적인 효과 또한 기대할 수 있다. 함양수에 포함된 유기 오염물질은 대수층 토양에 존재하는 미생물과 철산화 광물과의 상호작용에 의해 분해되는데, 일반적으로 분해과정에서 철산화광물 또한 점차 변이되고 유효표면적이 감소하면서 수질 자정작용이 중단된다. KIST 연구팀은 함양수에 질산성 질소가 공존하는 경우, 이로 인해 새로운 형태의 철산화광물 생성됨으로써 화학양론적으로 예측되는 유기 오염물질 제거율보다 훨씬 높은 제거율을 보인다는 것을 발견했다. 질산성 질소가 공존하는 환경에서는 유기 오염물 분해를 지속할 수 있는 새로운 종의 철산화광물이 생성되기 때문에 자정작용의 지속시간이 늘어나는 것이다. 게다가 오염물질인 질산성 질소는 연쇄반응 중에 스스로 분해되어 제거된다는 사실도 밝혀냈다. KIST 이승학 박사는 “수질 오염물질로만 알려진 질산성 질소의 긍정적인 역할을 처음으로 확인한 연구결과”라며, ”이를 토대로 인공함양 주입수 전처리 과정에 질산성 질소의 잔류 허용기준을 도입하는 등, 기존 수질관리 패러다임을 획기적으로 바꾸는 인공함양 수질관리기법 개발을 추진 중”이라고 밝혔다. [그림 1] 인공함양 개요도 [그림 2] 인공함양시 대수층 내 철산화물 환원용해에 따른 유기오염물질 자정작용 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 ‘기후변화영향최소화기술개발사업 (2020M3H5A1080712)’과 KIST K-Lab 프로그램 (2E33084)’으로 수행된 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Water Research」 2월호에 게재*되었다. * 논문명: Synergetic effect of nitrate on dissolved organic carbon attenuation through dissimilatory iron reduction during aquifer storage and recovery

- 폐기물에서 고순도의 금을 선택적으로 회수하는 섬유형 금속 회수 소재 - 회수공정 비용, 시간 대폭 감소 및 소재 대량생산, 반복 재활용 가능 우리나라는 금속자원 대부분을 수입에 의존하고 있으며, 특히 최근에는 자원 고갈과 원자재 가격 상승으로 인해 폐금속 자원을 재활용하는 ‘순환 자원’이 부상하고 있다. 이에 따라 SK하이닉스는 반도체 제조공정에서 발생하는 폐기물에서 구리, 금 등을 회수해 재사용하는 비율을 2030년까지 30% 이상으로 높이는 중장기 계획을 수립했고, 삼성전자는 비영리법인인 E-순환 거버넌스와 협력해 폐휴대폰 수거 프로그램을 운영하고 있다. 세계 순환 경제 시장 규모는 2022년 약 3,380억 달러에서 2026년 약 7,120억 달러 규모로 2배 이상 성장할 것으로 추정된다. 이런 가운데 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 물자원순환연구단 최재우 박사팀이 섬유소재를 이용해 다양한 금속이 존재하는 전기‧전자 폐기물에서 고순도의 금을 선택적으로 회수할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 금속 회수용 흡착체는 높은 비표면적을 기반으로 흡착효율을 높이기 위해 입상 형태를 가지는 것이 일반적인데, 수중에서 제어하기 어렵기 때문에 회수율이 낮아 2차 환경오염까지도 일으킬 수 있다. 반면 섬유형태의 소재는 수중제어가 쉬우면서도 직조 과정을 거치면 다양한 형태로 만들 수 있어 산업 적용 가능성이 높다. 다만 두께가 얇고 강도가 낮아 지지체에 금 회수 기능을 도입할 경우 쉽게 끊어지는 문제가 있었다. KIST 연구팀은 폴리아크릴로니트릴(PANF) 섬유소재 표면에 알칼아민 분자를 화학적으로 고정시켜 분자 금 회수 성능과 구조적인 안정성을 동시에 높였다. 아민이 함유된 고분자섬유는 표면적이 획기적으로 넓어져 연구팀에서 기존에 개발했던 입상 형태의 금 흡착 소재 대비 폐기물에 포함된 금 이온(Au) 흡착 성능을 최대 2.5배까지 향상시킬 수 있다.(576 mg/g에서 1,462mg/g) 개발된 섬유형 소재는 실제 CPU를 침출해 얻은 용액에서 99.9% 이상의 금 회수 효율을 보였을 뿐 아니라, 대부분의 폐액을 포함하는 pH 1~4의 넓은 범위에서도 100%에 가까운 금 회수 효율을 달성했다. 특히 용액 내에 14종의 다른 금속이온이 공존하는 조건에서도 오직 금 이온만 99.9% 이상 높은 순도로 회수할 수 있다는 점이 주목할만하다. 게다가 10회 사용한 후에도 금 회수율을 91%까지 유지해 우수한 재사용성을 보였다. KIST 최재우 박사는 “이번에 개발된 섬유형 흡착제는 효율적, 친환경적으로 금속 자원회수를 가능케함으로써 우라나라의 자원수입 의존도를 낮추고, 원재료 가격 상승 리스크에 대비할 수 있다”라고 기대했으며, 제1저자인 KIST 정영균 박사는 “향후 연구의 범위를 확장해 금 외에도 다양한 타겟 금속을 선택적으로 회수하기 위한 연구를 계획하고 있다”고 밝혔다. 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원으로 소재혁신선도사업(2020M3H4A3106366)과 KIST 대기환경복합대응연구사업(2E33081)으로 수행된 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Chemical Engineering Journal」에 게재*되었다. [그림 1] 아민화된 아크릴 섬유의 제조 및 물리화학적인 특성 [그림 2] 금 회수 섬유의 산업으로 적용 가능성 평가

- 콜라겐 마이크로젤 신소재 기반 차세대 줄기세포 치료제 개발 - 우수한 생체적합성 및 세포 생존율로 중증하지허혈 치료 가능성 높여 중증하지허혈은 다리 부분에 혈액을 공급하는 주요 혈관이 막혀 발생하는 질환으로 말초동맥에 동맥경화증이 점차 심해짐에 따라 혈액 흐름이 서서히 줄어드는 질환이다. 이는 말초동맥 질환 중 심각한 증상으로 하지동맥의 점진적 폐쇄를 유발해 다리 조직을 괴사시켜 절단이 불가피한 경우에 이르기도 한다. 치료법으로 스텐트 삽입과 같은 혈관성형술이나 혈전 방지 약물을 사용하고 있지만, 혈관 손상이나 혈전 재발의 위험이 있어 줄기세포를 활용한 치료법 개발에 관한 관심이 높다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 생체재료연구센터 김상헌 박사 연구팀은 신소재 마이크로젤을 이용한 줄기세포의 자기조립화 플랫폼 기술을 통해 3차원 줄기세포 중증하지허혈 치료제를 개발했다고 밝혔다. 세포 친화적 신소재인 콜라겐 마이크로젤을 이용해 세포만으로 이루어진 3차원 줄기세포 치료제 대비 체내 이식이 용이하고 세포 생존율도 높였다. 줄기세포 치료제는 높은 조직 재생 능력을 지니고 있지만, 줄기세포를 단독으로 이식할 때 유발되는 손상 부위의 저산소증, 면역반응 등으로 인해 세포 생존율이 저하돼 원하는 치료 효과를 얻을 수 없게 된다. 따라서 줄기세포 치료제의 세포 생존율을 높이기 위해서는 생분해성 고분자나 세포외 기질(Extracellular Matrix)의 성분을 지지체로 사용해 줄기세포를 전달하는 소재 개발이 필요했다. 연구팀은 콜라겐 하이드로젤을 마이크로 단위의 크기로 가공해 체내 이식이 쉽고 균일한 세포분포도를 갖는 다공성의 3차원 조직체를 만들었다. 세포외 기질의 구성성분인 콜라겐은 생체적합성과 세포 활성이 우수해 마이크로젤의 입자와 줄기세포 내 콜라겐 수용체 간 상호작용을 촉진함으로써 세포의 자기조립을 유도할 수 있다. 또한, 마이크로젤 입자 사이의 간격은 3차원 조직체의 기공률을 높여 약물 전달효율과 세포 생존율을 향상한다. 연구팀이 개발한 마이크로젤-줄기세포 조직체는 세포만으로 구성된 조직체 대비 더 많은 혈관신생인자를 발현해 높은 혈관 재생 능력을 보였다. 중증하지허혈을 가진 실험용 쥐의 근육조직에 마이크로젤-줄기세포 조직체를 주입한 결과, 세포 단독 조직체 대비 혈류 흐름은 약 40% 증가했고 하지 근육 및 혈관 재생 비율은 60% 높아져 혈류량과 허혈 부위의 괴사를 예방하는 효과를 확인할 수 있었다. 이번에 개발된 줄기세포 치료제는 탁월한 혈관 신생 효과를 보여 중증하지허혈 질환으로 절단 이외에는 다른 치료 방법이 제한적이었던 환자에게 새로운 대안으로 제공될 수 있을 것으로 기대된다. 그뿐만 아니라 혈관신생은 다양한 조직 재생 과정에서 필수적인 요소이기 때문에 말초동맥질환과 유사한 기전을 가진 다른 질환으로도 확장 적용할 수 있다. KIST 김상헌 박사는 “본 연구에서 개발된 콜라겐 마이크로젤은 생체적합성이 우수해 임상 등 실용화 가능성이 매우 높은 바이오 신소재”라며 “의료현장에서 요구하는 투여 방법에 대한 기술 개발, 그리고 치료제의 명확한 작용기전 규명 및 타겟인자 발굴 등 후속 연구를 추진할 계획이다”라고 밝혔다. [그림 1] 콜라겐마이크로젤-세포 자기조립화 줄기세포 치료제의 개념 콜라겐과 히알루론산의 다이온복합체 형성 기전을 활용한 콜라겐 마이크로젤 신소재 가공 기술과 이를 이용한 마이크로젤-세포 자기조립화 줄기세포치료제의 개발을 도모하였다. 이 자기조립화 줄기세포치료제는 미세다공성 구조를 가지고 있어, 매스 트랜스퍼가 향상되고 장기간의 세포 생존이 용이해졌고, 혈관 신생인자의 발현이 향상되었다. 이러한 자기조립화 줄기세포치료제의 특성은 중증하지허혈 치료를 위한 차세대 줄기세포치료제로서 높은 잠재력을 가지고 있다. [그림 3] 마이크로젤-세포 자기조립화 줄기세포치료제의 효능 검증 생쥐 중증하지허혈 모델에서 마이크로젤-세포 자기조립화 줄기세포치료제가 대조군, 마이크로젤 단독, 마이크로젤-세포 단순혼합, 세포단독 응집체 대비 더욱 높은 혈류 흐름과 사지 보존 효과를 보여주고 있다. 마이크로젤-세포 자기조립화 줄기세포치료제의 손상된 하지에서 높은 치료 효과는 이식 부위에서의 높은 세포 생존율과 혈관 신생 촉진 등에 기인한다. 본 연구는 범부처재생의료기술개발사업단(단장 조인호)의 지원을 받아 수행됐다(22C0620L1). 이번 연구 성과는 국제학술지 ‘Bioactive Materials’ (IF 18.9, JCR 분야 상위 1.1%) 최신 호에 게재됐다. * 논문명 : A micro-fragmented collagen gel as a cell-assembling platform for critical limb ischemia repair