- KIST, 자체 개발 원스톱 배터리분석플랫폼으로 리튬이온 이동경로 규명 - 음극재 팽창·열화 메커니즘 확인…안정성·고효율 소재설계 새 방향 제시 전 세계적인 탄소중립 노력 속에 내연기관 자동차를 전기차로 전환하려는 글로벌 완성차 기업들의 연구개발도 활발하게 이루어지고 있다. 이와 함께 전기차의 핵심인 배터리 성능 향상을 위한 경쟁도 더욱 치열해지고 있다. 현재 시장의 대세는 리튬 이온 배터리로, 지난 1991년 상용화된 이후 지속적인 에너지 밀도 및 효율 개선에 힘입어 소형가전부터 전기차에 이르기까지 대부분의 시장을 석권하고 있다. 하지만 여전히 음극재 팽창, 열화와 같이 배터리 내부에서 발생하는 현상은 명확히 밝혀지지 않은 부분이 존재한다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 연구자원·데이터지원본부 안재평 본부장, 특성분석·데이터센터 김홍규 박사 연구팀이 리튬이온의 이동에 의해 배터리 내부 음극소재가 팽창 및 열화되는 과정을 실시간으로 관찰하는 데 성공했다고 밝혔다. 일반적으로 리튬 이온 배터리의 성능과 수명은 이를 충·방전하는 과정에서 발생하는 내부 전극물질의 다양한 변화에 의해 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 하지만 배터리 내부의 전극과 전해질 등 주요 소재들이 대기환경에 노출되면 순식간에 오염되기 때문에 작동 중의 물질 이동과 소재 변화를 관찰하기가 어려웠다. 따라서 리튬 이온 이동 시 전극물질의 구조변화에 대한 정확한 관찰과 분석이 성능 및 안전성 향상의 최대 관건이 되고 있다. 리튬 이온 배터리는 충전시 리튬 이온이 음극으로 이동하고, 방전시에는 양극으로 이동하는 반응이 일어난다. KIST 연구진은 최근 상용화를 위해 배터리 충전용량을 늘리기 위한 연구가 한창인 실리콘-흑연 복합 음극소재의 실시간 관찰에 성공했다. 이론상 실리콘의 충전용량은 기존의 음극소재인 흑연보다 10배나 더 높지만, 충전 과정에서 실리콘 나노입자의 부피가 4배 가까이 팽창해 성능 및 안전성 확보에 난항을 겪고 있었다. 흑연과 실리콘 사이에 존재하는 기공이 배터리 충전 시 실리콘의 부피 팽창을 수용하여 배터리 부피 변화를 준다고 알려져 있었으나, 지금까지 전기화학 전압 곡선과 함께 이를 직접 관찰해 증명한 적이 없었다. KIST 연구진은 자체적으로 구축한 배터리 분석 플랫폼을 통해 충전중 리튬 이온이 실리콘-흑연 음극 복합체로 이동하는 과정을 직접 관찰하고, 나노 기공의 실질적인 역할 규명을 시도했다. 그 결과 리튬 이온이 흑연, 나노기공, 실리콘의 순서로 주입되는 현상을 실시간으로 관찰하는데 성공했다. 연구진에 따르면, 기공의 크기가 마이크로 단위일 경우에는 기존에 알려진 대로 실리콘의 부피 팽창을 완화해주지만, 나노 크기의 기공은 실리콘의 부피 팽창을 수용하는 것이 아니라 리튬 실리콘 입자보다 먼저 리튬 이온을 저장하는 역할을 담당했다. 따라서 음극소재 설계시 실리콘의 부피팽창을 완화하여 소재의 안전성을 높이면서 동시에 리튬 이온의 저장소 역할을 하는 마이크로, 나노 크기의 기공들을 적절히 분배하는 설계법을 도입할 필요가 있음을 밝혀냈다. KIST 안재평 본부장은 “제임스웹 천체 망원경이 우주탐사의 신기원을 열었다면, KIST의 배터리 분석플랫폼은 전기 배터리의 구조변화 관찰을 가능케 함으로써 소재 연구에 새로운 지평을 열었다고 평가할 수 있을 것”이라며, “향후 대기 노출에 영향을 받지 않는 배터리 소재의 구조변화 관찰을 통해 배터리 소재 설계 혁신에 필요한 추가연구를 이어 나갈 계획이다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 한국연구재단 나노소재원천기술개발사업 및 국가과학기술연구회 창의형융합연구사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 배터리 분야 국제학술지 ‘ACS Energy Letters’ (IF: 23.991, JCR 분야 상위 3.21%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Lithiation Pathway Mechanism of Si-C Composite Anode Revealed by the Role of Nanopore using In Situ Lithiation - (제 1저자) 한국과학기술연구원 이현정 학생연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김홍규 선임연구원, 안재평 책임연구원 그림설명 [그림 1] KIST 배터리분석플랫폼 모식도 [그림 2] 전자현미경을 이용한 카본-실리콘 복합체에서의 리튬 이동 관찰

- 같은 농도의 탄소 미세먼지도 구조에 따라 뇌에 끼치는 영향이 상이 <p class="se-text-paragraph se-text-paragraph-align-justify " id="SE-3c78355e-590f-4353-9549-3d48007bb580" style="border: 0px; font-variant-numeric: inherit; font-variant-east-asian: inherit; font-stretch: inherit; font-size: 0px; line-height: 1.5; font-family: se-nanumgothic, " \\b098눔고딕",="" nanumgothic,="" sans-serif,="" meiryo;="" vertical-align:="" baseline;="" word-break:="" break-word;="" overflow-wrap:="" color:="" rgb(60,="" 63,="" 69);="" background-color:="" rgb(255,="" 255,="" 255);="" text-align:="" justify="" !important;"="">- 이와 관련된 핵심 유전자 발견-향후 뇌질환 치료제 개발로 응용 기대 최근 국내 미세먼지 농도가 급증함에 따라 미세먼지가 인체에 미치는 영향에 대한 관심이 높아지고 있다. 그러나 미세먼지 연구는 황산염, 질산염, 탄소류 등 성분에 대한 연구가 주를 이루고, 뇌에 끼치는 영향에 대한 연구는 아직 부족해 정확한 대처나 치료가 어려운 실정이다. 특히 미세먼지 중 20~50%를 차지하고 있는 탄소 미세먼지의 경우 0~3차원까지 다양한 구조가 있으나 ‘탄소류’라는 한 개의 주제로 연구가 진행되어 흡입에 대한 원천적 차단만을 권고하고 있었다. 이러한 가운데 한국과학기술연구원 (KIST, 원장 윤석진) 생채재료연구센터 이효진 박사, 도핑콘트롤센터 김기훈 박사, 뇌과학창의연구단 김홍남 박사 연구팀은 탄소 나노입자의 구조를 제어해 같은 탄소 성분이더라도 구조에 따라 생체기능에 미치는 영향이 다르다는 것을 밝히고 이 과정에서 뇌 손상에 관여하는 핵심 유전자를 발굴했다. 연구진은 탄소 미세먼지와 유사한 다양한 차원(0~3차원)의 탄소 나노재료를 합성해 국내 초미세먼지 기준 ‘나쁨’에 해당하는 농도(50μg/m3)로 신경세포에 처리하고 신경전달물질의 변화를 살펴보았다. 0차원 탄소입자는 장기간 노출시에도 신경세포의 과활성이나 사멸을 유도하지 않았다. 그러나 고차원(3차원)의 탄소입자는 단기간(72시간 이내)의 노출만으로도 신경세포의 비정상적 활성상태를 유도해 과도한 신경전달 물질이 분비되었으며, 장기간(14일) 노출시 신경세포는 사멸되었다. 더욱 흥미로운 점은 치매와 밀접한 관련이 있는 아밀로이드 베타 단백질이 존재할 때에 이러한 현상이 더욱 가속화된다는 점이었다. 이를 바탕으로 같은 농도의 미세먼지이더라도 일반인 보다 퇴행성 뇌질환 환자에 더욱 치명적이게 작용할 수 있다는 것을 알 수 있었다. 연구진은 더 나아가 고차원 탄소입자가 신경세포의 과활성을 유도하는 원인을 밝히기 위해 유전자 분석을 진행한 결과 Snca 유전자가 핵심적으로 관여하고 있다는 것을 발견하였다. 유전자 가위 방법을 통해 이 유전자를 제거하고 동일한 농도의 탄소 미세먼지를 처리하자 비정상적 신경 과활성이 일어나지 않는 것을 확인하였다. 이러한 유전 핵심 인자 발굴은 미세먼지에 농도에 따른 뇌 건강을 확인할 수 있는 지표로 사용할 수 있을 뿐만 아니라 향후 치료물질 도출 및 약물 개발에도 응용 가능할 것으로 기대된다. KIST 이효진 박사는 “본 연구를 통하여 미세먼지가 뇌에 특히 퇴행성 뇌질환자에 미칠 수 있는 영향을 보다 정확히 파악할 수 있었다.”라며 “향후 연구의 범위를 확장하여 미세먼지가 다양한 조직 및 질병에 미치는 영향에 대한 연구를 진행해 맞춤형 치료가 가능할 수 있는 방법을 모색할 계획이다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 신진연구자지원사업 및 중견연구자지원사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 생체재료 분야 국제학술지 ‘Biomaterials’ (JCR 분야 상위 2.778%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Effect of carbon nanomaterial dimension on the functional activity and degeneration of neurons - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김성찬 위촉연구원, 황경섭 학생, 임누리 학생 - (교신저자) 한국과학기술연구원 이효진, 김기훈, 김홍남 선임연구원 그림 설명

- KIST 도핑콘트롤센터, 세계 탑3 도핑 분석 능력 입증 - 평창 동계올림픽 노하우 전수 개최가 임박한 도쿄 올림픽에 도핑 관련 세계 최고수준의 기술력을 보유한 한국 도핑 전문가들이 초청됐다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 도핑콘트롤센터의 손정현 센터장과 성창민 박사를 도쿄올림픽에 파견한다고 밝혔다. KIST 도핑콘트롤센터는 아시안게임과 올림픽 개최를 위해 1984년 설립된 이래 도핑 금지약물에 대한 선수들의 생체시료 분석과 함께 최신 검출기술 개발을 위한 연구활동을 수행하고 있다. 이후 40년에 가까운 시간 동안 수많은 국제대회의 도핑 분석을 지원해 우리나라가 스포츠 강국으로 자리매김하는데 중요한 역할을 담당하고 있다. 최근에는 뇌도핑(Brain-doping), 유전자도핑(Gene-doping), 건조혈반(DBS, dried blood spot), 선수생체수첩관리단(APMU, athlete passport management unit) 등의 최신 분석시스템을 갖추기 위한 연구에 집중하고 있다. 최근 엘리트 선수들을 중심으로 사용 빈도가 증가하고 있는 성장호르몬제는 그 사용여부를 검출하기가 매우 어려운 데다가 효과가 좋아서 이를 효과적으로 검출하는 것이 이번 도쿄 올림픽에서의 중요한 화두이다. 2020년 11월 세계반도핑기구(WADA)가 발표한 ‘전 세계 도핑센터별 고위험 종목 특수분석 기술’ 자료에 따르면, 성장호르몬과 유사 금지약물의 모든 분석기술을 갖고 있는 나라는 전 세계적으로 한국, 미국, 브라질 3개국뿐이다. 도쿄 올림픽 반도핑 연구소는 KIST 도핑콘트롤센터 손정현 센터장과 성창민 박사를 초청했다. 두 사람은 도쿄 2020 올림픽 반도핑 연구실에서 KIST가 보유한 성장 호르몬 및 유사 금지약물에 대한 분석 기술과 2018 평창올림픽을 통해 축적한 도핑 시료분석 노하우를 전수할 예정이다. 뿐만 아니라 사이클 스타 랜스 암스트롱이 사용했던 금지약물로 유명해진 적혈구 생성 촉진인자(EPO, erythropoietin)의 최신 분석기술도 전수할 계획이다. KIST 손정현 센터장은 “선수들의 노력과 투지를 바탕으로 전 세계가 하나 되는 세계인의 축제 올림픽이 금지약물로 얼룩지지 않도록 최신 분석기술을 개발하고, 선수시료를 철저히 검증하는 것이 반도핑 전문가들의 역할”이라며, “KIST의 우수한 분석기술과 노하우를 이웃나라 일본에 전수할 수 있는 기회가 생겨서 자랑스럽게 생각하며, 대한민국 대표선수들의 선전을 기원한다.”고 말했다. 도쿄 올림픽에 파견되는 KIST 손정현 센터장(우)과 성창민 박사(좌)

- 마이크로웨이브 가공법으로 미량의 Rk1과 Rg5를 증대시킨 홍삼 소재 개발 - 진세노사이드 Rk1과 Rg5, 폐암으로부터 전이되는 암을 효과적으로 차단 예로부터 한의학의 중요한 약재로 사용되어온 홍삼이 최근 들어서는 건강 기능성 소재로 주목받고 있다. 홍삼은 다양한 가공 방법에 따라 성분과 효능이 달라지는 특성이 있어 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는 가운데, 국내 연구진이 홍삼이 폐암의 전이를 억제하는 효능이 있음을 규명해 주목받고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 강릉분원 천연물연구소 천연물소재연구센터 함정엽 박사팀이 서울아산병원 고현석 박사와 공동연구를 통해 홍삼에 함유된 성분(진세노사이드 : 인삼에 있는 화학적으로 배당체(配糖體: glycoside)라 부르는 화합물의 일종을 일컫는 말, 인삼(Ginseng) 배당체(Glycoside)란 의미로 '진세노사이드(Ginsenoside)'라 부른다. 진세노사이드)인 Rk1과 Rg5가 폐암의 전이를 효과적으로 억제함을 확인했다고 밝혔다. KIST 함정엽 박사는 9증9포 가공법 : 9번 찌고 말리는 한약재 가공법으로, 유효성분의 흡수를 증가시키고 식물의 독성을 경감시킨다. 9증9포 가공법 등의 기존 홍삼 가공 방법과는 달리 전자레인지와 같은 원리의 마이크로웨이브 가공법을 개발하여 홍삼의 주요 활성 성분인 Rg3, Rk1, Rg5를 기존 대비 20배 이상 증대시켰다. 연구진은 마이크로웨이브 가공법을 통해 제조된 홍삼인 KMxG에 대한 효능을 꾸준히 연구해온 결과 약물에 의해 손상된 신장의 보호 효과와 전립선암, 자궁경부암, 피부암 등에 효과가 있음을 밝혀낸 바 있다. 이 기술은 2020년 ㈜포닌바이오에 총액 기술료 8억 원으로 기술이전하여 현재 사업화를 준비하고 있다. 암세포는 원래의 조직에서 떨어져 나가면 일반적인 세포와는 달리 쉽게 죽지 않고 다른 조직으로 이동하여 다시 자리잡고 자라나게 된다. 신체 내에서 신호 물질로 사용되는 사이토카인 : 세포가 분비하는 저분자량의 단백질로 세포의 증식과 분화를 촉진하거나 억제하며, 그 외에 염증, 조혈, 암 성장 및 전이에도 관여함. 사이토카인 단백질의 일종인 ‘TGF-β1’은 위와 같은 현상과 암세포의 줄기세포화를 통해 폐암의 전이를 유도하는 것으로 알려졌다. KIST 연구진은 KMxG 홍삼에 풍부한 Rk1과 Rg5 성분을 각각 ‘TGF-β1’과 동시에 폐암 세포에 처리한 결과, 두 성분 모두 TGF-β1에 의한 다양한 폐암 세포의 이동, 침윤 및 미부착 세포의 사멸 현상(anoikis)에 대한 저항성 등 암 전이 과정들이 효과적으로 억제되는 것을 확인하였다. KIST 함정엽 박사는 “홍삼의 성분이 암세포를 사멸시키는 것은 알려져 있지만, 이번 연구를 통해 암의 전이 또한 억제하여 폐암관련 항암 효과를 증대시킬 수 있음을 입증한 것으로, 추후 천연물 유래 항암제 개발로 이어질 수 있는 과학적인 근거를 제시한 것이다.”라며, “마이크로웨이브 제조 방법으로 개발한 KMxG는 가공조건에 따라서 홍삼 유효성분의 함량을 조절할 수 있어 다양한 질환의 맞춤형 기능성 소재를 개발할 수 있다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영)의 지원을 받아 KIST 주요사업과 산업통상자원부(장관 성윤모) 나노융합산업핵심기술개발사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 인삼 연구 분야 국제학술지인 「Journal of Ginseng Research」 (JCR 분야 상위 1.786%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Ginsenosides Rk1 and Rg5 inhibit transforming growth factor-β1-induced epithelial-mesenchymal transition and suppress migration, invasion, anoikis resistance, and development of stem-like features in lung cancer - (제 1저자) 아산병원 김현희 박사과정 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 최필주 박사후연구원 - (교신저자) 아산병원 고현석 박사(現,에이치엘비생명과학 주식회사) - (교신저자) 한국과학기술연구원 함정엽 책임연구원 <그림설명> <span style="font-family: 나눔고딕코딩, NanumGothicCoding, sans-serif; font-size: 14pt;" 나눔고딕",nanumgothic,sans-serif;="" font-size:="" 10pt;"=""> [그림 1] 마이크로웨이브 가공법을 통해 제조한 KMxG 홍삼 <span style="font-family: " 나눔고딕",nanumgothic,sans-serif;="" font-size:="" 10pt;"=""> [그림 2] 인삼의 마이크로웨이브 가공에 의한 KMxG 함유 진세노사이드 변화 <span style="font-family: " 나눔고딕",nanumgothic,sans-serif;="" font-size:="" 10pt;"=""> [그림 3] 진세노사이드 Rk1과 Rg5에 의한 폐암 전이 억제 모식도