Research

기계 조동우 교수-서울대병원 공동연구팀, 3D 세포 프린팅 기술로 난치성 뇌암 치료에 한 걸음 다가서

- 3D 세포 프린팅 기술로 암 세포 환경과 동일한 칩 제작, 항암 치료 재현 - 향후 환자별 최적 항암치료 조합 도출 가능 5년 이내 생존률이 2%에 불과한 난치성 뇌암을 치료할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 발표됐다. 기계공학과 조동우 교수, 서울대병원 신경외과 백선하 교수 공동 연구팀은 항암 치료로 증세가 호전된 환자와 암이 악화된 환자군을 대상으로 각각 암세포를 분리한 후 3D 세포 프린팅 기술을 이용하여 특수 제작된 칩에 세포를 배양한 결과, 칩 내부에서 기존 항암 치료와 동일한 암 세포 치료 반응을 재현했다고 연구 결과를 밝혔다. 연구진은 먼저 인공 조직이나 인공 장기를 제작할 수 있는 3D 바이오프린팅 기술을 적용하여 뇌암의 가장 흔한 형태인 교모세포종의 환경을 칩 형태로 동일하게 구현했다. 산소 투과성이 있는 실리콘으로 칩의 벽을 프린팅하고 그 안에 환자의 몸에서 추출한 교모세포종과 사람의 혈관세포로 이루어진 바이오잉크를 순차적으로 프린팅해서 동심형 고리구조를 제작했다. 실제 교모세포종의 환경을 모사한 칩에 세포를 프린팅해 배양한 결과, 전통적인 체외 세포 배양으로 확인할 수 없었던 세포종의 병리학적 특징이 칩에서 재현됐다. 그리고 항암 치료 효과가 양호했던 환자들에게서 분리한 3종의 교모세포종으로 제작한 칩들은 암세포 생존률이 약 40%이하였던 반면에, 암이 악화된 환자들에게서 분리한 4종의 교모세포종으로 제작한 칩들은 암세포 생존률이 약 53% 이상이었다. 또한, 같은 대상의 위 교모세포종 칩에 기존의 단일 약물을 사용하는 표준치료법을 시험한 칩은 약 54%의 암세포 생존율을 보인 반면, 최적 약물 조합을 시험한 칩은 암세포 생존률이 23%까지 떨어졌다. 이는, 향후 뇌암 치료에 있어서 환자별로 맞춤형 항암제 조합을 찾아내는데 세포 프린팅 기술을 유용하게 사용할 수 있음을 확인한 성과다. 이 논문의 공동 1저자인 기계공학과 이희경 박사와 경북대학교 기계공학부 정영훈 교수는 “본 연구를 통해 3D 프린팅으로 복잡한 교모세포종 특징 모사가 가능함을 제시해, 앞으로 다양한 암 칩 개발에 기술을 적용할 수 있기를 기대한다.”라고 이번 연구의 성과를 강조했다. 조동우 교수는 “지금까지 3D프린팅을 활용해 장기나 근육, 뻐대를 만들어내는 연구를 해왔지만, 이번 연구성과는 그 응용 가능성을 암치료까지 확장할 수 있다는 가능성을 엿볼 수 있었다”며 “앞으로도 사고로 인한 부상, 난치병으로 어려움을 겪고 있는 환자들에게 도움이 될 수 있도록 다양한 연구를 시도할 계획”이라고 밝혔다.

화공 김원배 교수팀, 벌집 구조 활용해 리튬-황이온전지 전극 개발

[5배 높은 용량 리튬·황배터리 개발로 전기자동차 대중화 앞당겨] 크기는 줄이고 효율은 획기적으로 높인 성능이 뛰어난 배터리를 만드는 일은 전 세계 과학자들의 숙제다. 특히 전기자동차의 경우엔 배터리의 성능이 산업의 성공 여부와 밀접하게 연결돼 있기 때문에 배터리의 성능을 높이는 일은 매우 중요하다. 국내 연구팀이 층층이 쌓인 벌집 모양의 구조체를 만들어 리튬-황배터리의 성능과 내구성을 크게 향상시켜 주목을 모으고 있다. 화학공학과 김원배 교수와 김윤곤 박사 연구팀은 전도성 고분자 물질을 활용해 벌집 모양의 3차원 전극 구조를 구현해 리튬이온배터리 대비 5배 이상 높은 용량을 갖는 리튬황이온 배터리 전극을 개발해 차세대 전지 연구의 새로운 방향을 제시했다. 이 연구는 에너지·화학분야 국제 학술지인 켐서스켐(ChemSusChem)지 커버 논문으로 최근 게재됐다. 리튬황이온 배터리는 황화리튬(Li2S)을 양극 물질로 사용해 리튬 금속을 음극으로 사용하는 기존 리튬황 전지의 단점을 보완할 수 있는 신개념의 차세대 에너지 저장 장치로 주목받고 있다. 그러나 황화리튬은 전도성이 낮아 분극현상이 일어나고, 또 충·방전이 진행되는 과정에서 황이 전해질에 용출돼 전지의 성능 및 수명이 감소한다는 문제점이 있어 상용화에 어려움이 있었다. 연구팀은 자기조립 (self-assembly) 방법을 통해 나노와이어가 얼기설기 엮여 있는 벌집 모양의 3차원 구조를 만들어 분극 현상을 해결했다. 분극 현상은 전류의 흐름이 원활하지 않아 전압이 떨어지는 현상을 말하는데 벌집 모양으로 층층이 쌓인 모양의 나노와이어로 인해 리튬이온과 전자가 원활하게 이동할 수 있어 분극현상을 크게 줄여 전극의 성능이 크게 향상됐다. 또 질소가 포함된 전구체를 전극합성에 활용해 합성 과정에서 전극 내 질소 도핑을 유도해 전극과 황 화합물과의 결합을 강화해 황이 새어 나오는 문제도 해결했다. 결합이 강화되면서 전해질 내 황의 용출을 막아 결과적으로 전지의 내구성도 크게 향상시켰다. 김 교수는 “리튬 이차전지의 다양한 연구 방향성을 제시할 수 있었고, 기존 리튬 이차전지의 고질적 문제인 양극재의 용량을 대폭 늘림으로써 짧은 주행거리가 문제점으로 지적되는 전기자동차의 대중화를 앞당길 수 있다”라고 설명했다. 이번 연구는 한국연구재단의 이공분야 기초연구사업 중견연구자지원사업과 기초연구실지원 사업의 지원을 받아 수행됐다.

기계 김동성 교수 공동연구팀, 나방 눈 모사 유리로 흐린 날씨에도 태양광 발전 맑음

[김동성 교수와 기계연 임현의실장 공동연구팀, 태양광 패널 보호 유리에 나방 눈 모사한 무반사 자가세정 유리 및 마찰전기 수확장치 개발] 야행성인 나방은 주로 밤에 활동하지만, 야행성 동물들과 달리 깜깜한 밤에 작은 빛을 받아도 눈이 반짝이지 않는다. 나방 눈 안에 나노 크기의 작은 돌기가 가득 덮여 있어 가시광선의 파장보다 작고, 겹눈으로 여러 방향의 빛을 흡수해 받은 빛을 다시 반사하지 않기 때문이다. 이런 나방의 눈을 모사해 빛 투과도를 높여 날씨에 구애받지 않는 에너지 수확장치가 개발돼 학계의 관심이 집중되고 있다. 기계공학과 김동성 교수‧박사과정 유동현 씨팀과 한국기계연구원(이하기계연, 원장 박천홍) 나노자연모사연구실 임현의 실장‧박승철 박사, 경희대 최동휘 교수 연구팀은 공동연구를 통해 태양광 패널 표면에 무반사 자기세정 유리를 적용하여 마찰전기를 일으키는 기술을 개발했다. 패널 표면에 태양광이 반사되지 않아 더 효과적으로 집광할 수 있고 비가 오면 빗방울이 나노구조물로 이뤄진 표면에 균일하게 흘러 안정적으로 마찰전기를 얻을 수 있다. 연구팀은 태양광 에너지의 효율이 흐리거나 비가 오는 등 날씨에 따라 크게 저하되는 것을 보완하기 위하여 나노구조의 표면을 적용한 마찰전기 수확 장치를 개발했다. 지금까지 태양광 에너지의 효율을 높이기 위해 떨어지는 빗방울의 마찰을 이용한 마찰전기 수확 아이디어가 제안되기는 했지만 태양광 패널에 항상 사용되는 보호유리와 유사한 광학적 성능을 갖는 마찰전기 수확장치를 개발한 것, 태양전지와 마찰전기 수확장치가 결합된 시스템 내부에서 전력전달을 고려한 회로를 제안한 것은 이번이 처음이다. 연구팀은 빛을 잘 흡수하는 나방의 눈 구조에 주목했다. 나노 크기의 작은 돌기가 균일하게 뒤덮여 있는 나방 눈 구조를 모사한 유리로 태양 전지 표면을 덮자 태양광이 반사되지 않아 더 효과적으로 빛을 모을 수 있었고, 비가 내릴 땐 빗방울이 나노 돌기 위로 균일하게 흘러 표면에 압력을 가해 안정적으로 마찰전기를 얻을 수 있었다. 연구팀은 불규칙적으로 발생하는 마찰전기 수확장치의 전기 에너지를 안정화시킨 뒤, 전력전달 시점을 조절하는 스위치 기반 회로를 적용하였다. 이를 통해 전체 시스템의 에너지 생산 효율을 높일 수 있다. 또 빗물이 흘러가면서 먼지와 같은 이물질을 없애주는 자가 세정 효과까지 확인돼 비가 올 때마다 태양전지 패널의 효율을 감소시키는 먼지까지 제거할 수 있어 태양전지의 장기적인 성능 유지도 기대할 수 있게 됐다. 개발된 기술을 적용하면 태양전지 패널의 빛 반사를 줄여 태양전지의 효율을 높이면서도 햇빛의 양이 부족해 태양광 패널을 쓰기 어려웠던 지역이나 비가 자주 오는 지역에서도 에너지를 만들 수 있다. 또한 자기세정 효과 덕에 관리가 쉬어 유지보수 비용을 줄일 수 있다. 이 연구는 대학과 정부 출연연 등 다른 기관의 실험실에서 보유하고 있는 마찰수확 기술과 나방 눈 모사 반사방지 기술이 융합되어 얻어진 기술이라는데 의의가 크다. 연구성과는 세계적 권위지인 ‘나노 에너지(Nano Energy)’ 3월호를 통해 발표되었다. 또한, 한국연구재단 중견연구자 지원사업, 한국기계연구원 기관고유사업의 지원으로 수행됐다.

화공 차형준·용기중 교수 공동연구팀, ‘연잎’과 ‘홍합’의 강력한 콜라보...몸속 의료 기구에 적용하면 혈전과 유착 방지

[복합적 생체모방을 통한 고내구성 초발수 표면 개발] 홍합 연구와 연잎 연구의 두 권위자가 만났다. 거센 파도가 몰아치는 바다에서 바위에 딱 붙어있는 홍합의 접착 단백질을 연구하는 차형준 교수와 폭우에도 젖지 않고 물방울을 또르르 흘려보내 깨끗함을 유지하는 연잎을 연구하는 용기중 교수가 손을 잡고 몸속에 넣을 수 있는 초발수 표면(superhydrophobic surface)을 만드는 데 성공했다. 화학공학과 차형준 교수박사과정 박태윤씨 팀과 용기중 교수박사과정 한기덕 씨 팀은 공동연구를 통해 홍합 접착단백질의 상분리 현상(phase separation)을 이용해 고강도를 지닌 초발수 표면을 제작하는 데 성공했다. 연구팀은 더 나아가 이 기술을 의학 분야에 적용해 혈관 안에 집어넣는 길고 가는 관인 카테터(catheter)와 특정 성분을 담은 부착제인 패치(patch)에 적용해 생체에 더 안정하고 항혈전(anti-thrombosis)과 항박테리아 특성이 유지되는 결과를 얻었다. 빗방울이나 이슬에도 잎이 젖지 않는 연잎의 구조를 모방해 만든 것이 초발수 표면이다. 하지만 내구성이 약해 실용화하는 데 한계가 있었고, 내구성을 강화하기 위해 사용되는 접착 물질들은 사람의 몸에 유해하기 때문에 몸에 직접 사용하기가 어려웠고 물속에서의 접착도 어려웠다. 여기에 홍합 접착단백질 기술이 더해졌다. 수중 환경에서 바위 등에 강력하게 부착해 살아가는 홍합의 접착단백질의 상분리 현상을 이용해 물속에서도 우수한 접착력을 지니는 비혼합성(immiscible) 홍합 접착제가 제조됐다. 홍합 접착제는 독성이 없기 때문에 우리 몸속에서도 안전하게 사용할 수 있고 물속에서 안정적인 접착도 가능하다. 연구팀은 이 두 기술이 합쳐진 비혼합성 홍합 접착제를 딥 코팅(dip coating), 스프레이 코팅 방식을 통해 몸속에서 사용하는 카테터와 패치에 적용해 초발수 표면을 제작했다. 카테터에선 항 혈전 특성이, 패치에선 혈액 내 수중 환경에서 접착력을 유지하며 상처의 봉합을 돕고 장기 유착과 박테리아 생성까지 막는 것을 확인했다. 이를 실제 돼지 피부에 적용한 결과 홍합 접착제의 상처조직 봉합 특성을 인장력 실험으로 확인했고 항 박테리아 특성이 안정적으로 유지되는 것도 확인할 수 있었다. 차 교수는 “우리나라 원천소재인 홍합 접착단백질을 이용해 세계에서 처음으로 초발수 표면 제작에 적용 가능성을 확인했고 의료 기구의 생체 내 이식 후 유착 방지를 위한 소재나 항혈전 특성이 필수적인 의료용 소재 개발에 성공적으로 적용할 수 있을 것”이라며 기대감을 밝혔다. 용 교수는 “기존의 초발수 표면의 한계점인 내구성을 증대하고 일반 제조업에만 그쳤던 연잎 기술을 의료 분야로 확대했다는데 의의가 있다”며 활용에 대한 견해를 밝혔다. 한편 이 연구는 응용소재 분야의 세계적 권위지인 ‘미국화학회 응용재료 및 계면(ACS, Applied Materials & Interfaces)’에 최근 온라인 게재됐으며 해양수산부의 ‘해양 섬유복합소재 및 바이오플라스틱소재 기술개발’과 한국연구재단의 ‘자연잎 융합 모방 표면제어 및 응용 연구실’ 연구의 일환으로 수행됐다.

화공 김진곤 교수팀, 버려지는 달걀 껍질·거미줄로 전기 만든다

[무독성·생분해 가능한 생체적합 나노발전소자 개발] 가정마다 냉장고 한쪽에 꼭 자리하고 있는 친근한 식자재인 달걀의 껍데기와 거센 바람과 폭우에도 쉽게 끊어지지 않는 탄력 좋은 거미줄을 이용해 전기를 생산할 수 있게 된다. 국내 연구팀이 거미줄 섬유와 달걀껍질의 단백질을 이용해 친환경 압전소자를 제작하는 데 성공했다. 화학공학과 블록공중합체 자기조립연구단 김진곤 교수, 산딥 마이티(Sandip Maity) 박사 연구팀은 인도 카락푸르공대(Indian Institute of Technology Kharaqpur) 카투아(Khatua) 교수 연구팀은 공동연구를 통해 생분해성 천연 재료인 달걀껍질, 거미줄을 사용해 생체적합성 나노발전소자를 개발했다. 이 연구는 압전 및 정전기 발전 소자의 전력 효율을 높였고, 이를 바탕으로 생체 적합성 재료로 인체 모니터링 센서도 개발했다. 이 연구는 에너지 분야 권위지인 어드밴스 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)지 3월 6일 자 표지 논문(front cover)으로 발표됐다. 걷거나 뛸 때 발바닥이 바닥을 누르면 생기는 에너지, 우리 몸의 체열, 손으로 가볍게 누르는 힘까지, 그냥 버려지는 이 모든 에너지를 전기로 바꿔 쓰는 기술이 에너지 하베스팅(energy harvesting)이다. 이 기술이 상용화된다면 간단한 소자를 부착해 걸어가면서 혹은 자판을 두드리는 에너지로 휴대전화를 충전할 수 있는 등 전자기기의 사용 효율이 획기적으로 높아지게 된다. 하지만 생체의학 디바이스처럼 사람의 몸에 직접 붙이거나 생체 내에서 사용되는 디바이스에는 효율이 높고 생체 적합한 발전 소자가 꼭 필요하다. 기존에 사용되었던 유기·무기 물질은 생분해성이 아니었고, 비용도 비싸고 독성을 갖고 있어서 생체에 적합하지 않다는 한계가 있었다. 많은 양의 전자폐기물로 인한 환경 오염도 문제였다. 연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 일상생활에서 볼 수 있는 생분해 가능하고 생체 적합한 자연 재료에 주목했다. 이렇게 선택된 재료가 달걀 껍질과 거미줄 섬유였고 이곳에서 얻을 수 있는 단백질과 다당류를 사용해 압전소자를 제작할 수 있었다. 특히 거미줄은 줄 형태의 특성상 수직 방향의 힘뿐만 아니라 구부리는 힘, 인장력으로도 전기 생산이 가능했다. 또 전자재료 폐기물 문제를 해결하는 데도 도움이 될 것으로 예상된다. 이 연구팀은 셀룰로스 섬유질은 양파껍질에 대한 압전 효과를 발표하기도 했다. 김진곤 교수는 “이번 연구성과는 풍부하고 다양한 자연 재료 자체로 전기를 생산할 수 있는 발전 소자를 개발했다는 것에 의의가 있다”라며 “인체 모니터링 센서와 같은 차세대 생체의학 디바이스 개발의 기반이 될 것”이라며 기대감을 밝혔다. 한편 이 연구성과는 ‘창의적 연구진흥 사업’의 지원 아래 수행되었다.

화공 김원배 교수팀, 온난화 주범 이산화탄소를 일산화탄소로...더 높은 효율로 더 많이 분해하는 촉매 개발

[이산화탄소 제거 고체산화물 전해전지용 촉매 개발] 지구온난화의 주범으로 불리는 온실가스를 줄이는 일은 지구촌의 큰 관심사다. 이산화탄소를 줄이는데 그치지 않고 새로운 자원으로 활용하는 방안에도 많은 연구가 지속되고 있다. 그런 가운데 더 높은 효율로 더 많은 이산화탄소를 분해해 산업적 활용가치가 높은 다른 물질로 전환할 수 있는 촉매 개발에 국내 연구팀이 성공했다. 화학공학과 김원배 교수, 석박사통합과정 박성민 씨 연구팀은 이산화탄소의 효율적 환원이 가능한 새로운 형태의 고체산화물 전해전지(SOEC, Solid Oxide Electrolysis Cell)용 전극 촉매 개발에 성공했다. 이 연구는 환경 촉매 분야의 권위있는 국제 학술지인 어플라이드 카탈리시스 B: 인바이런멘탈(Applied Catalysis B: Environmental)지에 게재됐다. 전극과 전해질이 모두 고체로 이루어진 고체산화물 전해전지는 더 적은 전기량으로 이산화탄소를 전기화학적으로 분해해 산업현장에서 활용가치가 더 높은 일산화탄소나 합성가스로 전환할 수 있어 친환경 기술로 주목받는다. 하지만 지금까지 고체산화물 전해전지의 경우 연료극으로 니켈 기반의 소재나 일반적인 페로브스카이트 기반 소재를 사용했는데 단점과 한계가 있었다. 니켈 소재는 우수한 전기분해 성능을 보여주지만 전지 표면에 탄소가 쉽게 침적돼 안정성이 떨어지고, 페로브스카이트 소재는 탄소가 침적되는 현상은 덜하지만 니켈과 같은 금속 기반 소재에 비해 전기분해 성능이 낮다는 단점이 있었다. 연구팀은 이 문제를 층상구조 페로브스카이트 소재 표면에 금속 나노 입자가 자발적으로 형성되는 용출(exsolution) 현상을 이용해 해결했다. 고체산화물 전해전지가 작동되면 층상구조 페로브스카이트 표면에 코발트 나노입자 촉매가 형성돼 이산화탄소의 전기분해 반응을 촉진한다. 또 형성된 나노입자는 탄소가 표면에 침적되는 것도 억제해 전지의 안정성을 높여준다. 이렇게 개발된 소재를 전극으로 적용해 테스트를 수행한 결과 1cm2라는 작은 면적의 전극에도 하루에 약 4.7리터의 이산화탄소를 분해해 일산화탄소를 생산할 수 있음을 확인했다. 또 장기구동에도 탄소 침적과 열화 없이 안정된 이산화탄소 전기분해 성능을 구현했다. 이 기술이 상용화가 된다면 발전소나 제철소 등 산업현장에서 배출되는 이산화탄소를 직접 처리하는데 활용할 수 있을 것으로 전망된다. 김원배 교수는 “이번 연구성과는 자발적으로 솟아난 코발트 나노입자 촉매를 통해 기존 전극의 성능과 안정성을 크게 향상시켜 고성능, 고안정성의 고체산화물 전해전지 전극 소재 개발에 크게 기여할 것”으로 기대감을 밝혔다. 한편, 이 연구는 미래창조과학부, 한국연구재단 기초연구사업의 지원(중견연구자 지원사업)과 산업통상자원부 산하 한국에너지기술평가원의 지원(에너지기술개발사업)을 받아 수행되었다.

화학 장영태 교수 공동연구팀, 동맥경화 진단을 위한 새로운 형광물질 발견

[살아있는 조직에서 활성화대식세포만 선택적 염색…동물실험으로 효능 확인] 동맥에 퇴행성 변화가 일어나면서 혈관이 좁아지고, 탄력이 떨어지는 동맥경화는 나이가 들수록 발병하기 쉬운 질환이다. 최근에는 생활습관 변화로 인해 젊은 나이에 발생하거나, 증상이 없는 뇌혈관 동맥경화 환자가 늘고 있는 추세다. 정확한 진단이 치료와 예방에 중요하다는 의미다. 동맥경화 진단 정확성을 높일 수 있는 새로운 기술이 나왔다. 화학과 장영태 교수(기초과학연구원 복잡계 자기조립 연구단 부연구단장)팀은 IBS 유전체 교정 연구단의 김진수 수석연구위원 팀 및 싱가포르 연구진 등 국제 공동연구를 통해 활성화대식세포만을 선택적으로 염색하는 형광물질 ‘CDg16(Compound Designation green 16)’을 발견했다. 체내 면역을 담당하는 대식세포(macrophage)는 염증반응의 신호탄으로 불린다. 체내 침입 물질을 감지했을 때 대식세포가 활성화대식세포로 분화하며 항원을 만들어내기 때문이다. 동맥경화는 물론 알츠하이머병, 간염, 암 등의 질환을 유발하는 정확한 염증부위를 파악하기 위해서는 활성화대식세포가 가장 좋은 타겟이 될 수 있다. 생체 내에서 활성화대식세포를 얼마나 선별적으로 정확히 검출해낼 수 있는지가 염증질환의 정확한 진단 및 치료의 관건이 된다. 하지만 활성화대식세포만을 선택적으로 염색하는 탐지기(probe) 개발은 어려운 과제다. 기존 개발된 유수의 형광분자들은 생체 내 활용이 어려워 살아있는 조직에서 활성화대식세포를 선별하는 데 한계가 있었다. 장영태 교수팀은 자체개발한 8200여 종류의 형광 유기 분자 라이브러리를 탐색해, 활성화대식세포만을 선택적으로 염색하는 화합물을 찾아내고, CDg16이라 명명했다. 아울러 CDg16이 활성화대식세포 내 리소좀*1을 염색하고, 세포독성이 거의 없다는 것을 검증했다. 이어 동맥경화를 유발시킨 실험쥐를 활용해 CDg16의 효능을 검증했다. 동맥경화 모델로는 비만, 동맥경화, 심혈관질환, 치매 등을 유발한다고 알려진 ApoE 유전자 제거(knock-out) 동물을 사용했다. 이후 동맥경화 생쥐의 꼬리정맥으로 CDg16을 주사했다. 면역화학염색법*2을 통한 검증 결과, CDg16이 생쥐의 죽상경화판*3에서 활성화대식세포를 선택적으로 염색하는 것을 확인했다. 실험에 활용된 생쥐의 경우 죽상경화판이 동맥경화를 유발한 정확한 염증부위라는 의미다. 일반적으로 특정 염증부위를 이미징하기 위한 약물이나 탐지기는 선택적으로 결합하는 타겟 단백질이 있다. 연구진은 다른 탐지기들과 달리 이번에 개발한 CDg16은 특정한 결합단백질이 없어도 세포 내에서 운반되는 것을 발견했다. 우리 몸 속 세포에는 약 450개 정도의 막운반체가 있는 것으로 알려져 있는데, 연구진은 이 중 물질을 세포내로 운반하는 SLC 단백질 중에 CDg16을 전달하는 시스템이 있을 것으로 예상했다. 이를 증명하기 위해 IBS 유전체 교정 연구단과 함께 추가 실험을 진행했다. 연구진은 특정 유전자 발현을 활성화시킬 수 있는 활성크리스퍼 시스템(CRISPRa system)을 이용해 380여 개의 SLC 유전자가 무작위하게 과발현시켰다. RNA 염기서열 분석으로 확인한 결과, 기존에 기능이 알려지지 않았던 SLC18B1 유전자가 CDg16 염색에 관여한다는 메커니즘을 새로 규명했다. 기존 탐지기들처럼 특정 단백질 하나와 결합하며 선택성을 획득하는 것이 아니라, 활성대식세포에서 과발현된 SLC18B1 막운반체를 통해 CDg16이 활성화대식세포에 직접 들어가서 염색한다는 것이다. 이는 기존 탐지기들과 전혀 다른 새로운 메커니즘으로 한 단백질 타겟에 하나씩 붙는 기존 방식에 비해 막운반체는 다수의 탐지기를 수송할 수 있으므로 더 뚜렷한 신호를 관찰할 수 있다는 장점이 있다. 장영태 교수는 “IBS 연구단 간의 공동연구를 토대로 고속효율 스크리닝과 유전자 조작 기술을 결합한 결과 이같은 성과를 올릴 수 있었다”며 “활성화대식세포를 선택적으로 염색하는 형광물질은 향후 다양한 염증성 질환의 진단 및 약물 개발을 견인할 것”이라고 말했다. 연구결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 12.353) 온라인 판에 3월 7일 19시(한국시간)에 게재됐다. 1. 리소좀(Lysosome) 가수분해 효소를 지니고 있는 세포소기관으로 대부분의 동물세포에서 발견된다. 2. 면역화학염색법(Immunohistochemistry) 항원-항체 결합을 기반으로 하여 조직 또는 세포 내 특정 항원의 존재 유무 및 존재 위치를 알아내기 위한 염색 방법. 3. 죽상경화판(atherosclerotic plaque) 동맥 내 콜레스테롤이 침착하거나 혈전이 축적되며 생긴다.

화학 박수진 교수 공동연구팀, 산호 닮은 실리콘으로 전기자동차 5배 빠르게 충전한다

[에너지 밀도와 출력 문제 모두 해결…고속 충전 가능한 전기자동차 상용화 기대] 전기자동차 배터리의 용량을 높이면서도 더 빠르게 충전할 수 있는 신소재가 개발됐다. 새로 개발된 소재는 산호와 꼭 닮은 모양의 실리콘 소재로, 전기자동차용 배터리의 흑연 음극 소재를 대체할 수 있다. 화학과 박수진 교수는 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 로드니 루오프(Rodney S. Ruoff) 다차원 탄소재료 연구단장 등 국내외 연구진과 공동으로 고속충전이 가능한 리튬이온 배터리용 실리콘 소재를 개발했다. 이 소재를 배터리의 음극으로 사용했을 때 기존 대비 5배 더 빨리 충전되고, 2배 이상 용량을 늘릴 수 있는 것은 물론 충‧방전을 반복해도 안정적인 구조를 유지한다는 점도 확인했다. 고성능 전기자동차의 상용화를 위해서는 지금보다 배터리의 에너지 용량을 늘리고, 충전시간을 단축하는 일이 필요하다. 하지만 현재 배터리의 음극에 사용되는 소재인 흑연은 이론적인 용량 한계가 있을뿐더러, 고속충전 시 음극 표면에 리튬 금속이 석출돼 배터리 전체의 성능과 안정성을 낮춘다는 문제가 있다. 이런 상황에서 흑연을 대신할 음극 소재로 실리콘이 주목받고 있다. 실리콘은 흑연보다 용량이 10배 이상 커서 고에너지 배터리*1에 적용하기 유리하기 때문이다. 하지만 실리콘은 충‧방전 시 부피 변화가 커서 잘 깨지고, 깨진 표면을 따라 고체전해질 계면층*2이 두껍게 형성돼 리튬 이온의 전달 특성을 저하시킨다는 단점이 있다. 이 때문에 실리콘을 이용한 고에너지‧고속충전 리튬 이온 배터리를 개발하는 일은 아직까지 풀어야 할 숙제로 남아있다. 공동연구진은 물질 단계부터 새로운 설계를 제안하며 이 문제를 해결했다. 우선 구멍(공극)이 많은 실리콘 나노와이어*3 구조체를 재료로 사용해 실리콘의 부피 팽창 문제를 완화했다. 내부 공극들은 충전 시 팽창한 실리콘을 받아들여 실리콘이 깨지지 않고 견디도록 돕는다. 이후 다공성 실리콘 나노와이어를 높은 밀도로 연결시키고, 여기에 탄소를 나노미터 두께로 얇게 씌웠다. 이렇게 만들어진 산호 모양의 ‘실리콘-탄소 복합체 일체형 전극’은 전기 전도도가 향상돼 고속충전이 가능했다. 공동 제1저자인 빈 왕(Bin Wang) 다차원 탄소재료 연구단 연구위원은 “실리콘 내부의 공극과 산호 모양의 다공성 구조는 리튬 이온을 빠르게 전달하게 돕고, 탄소층은 전극의 저항을 줄이는 동시에 계면 안정성까지 확보한다”고 설명했다. 일체형 전극 구조는 배터리 에너지 밀도를 높이는 데 기여한다. 기존 전극은 리튬 이온이 포함된 활물질과 전자를 전해주는 집전체, 둘을 이어주는 도전제와 바인더 등이 필요했다. 공간을 많이 차지해 에너지 밀도도 떨어뜨리는데, 이 문제를 개선한 것이다. 공동 제1저자인 류재건 박사는 “일체형이 되면서 에너지 저장 공간이 늘어났고 산호 모양의 3차원 구조로 전도성도 향상됐다”며 “10분만 충전해도 흑연의 4배 이상 용량을 유지했다”고 말했다. 박수진 교수는 “산호 모양 실리콘-탄소 일체형 전극은 똑같은 부피에서 에너지 밀도와 출력 밀도를 모두 높이는 ‘두 마리 토끼를 잡는 기술’”이라며 “고속충전의 필수요소를 모두 충족한 최초의 실리콘 기반 음극 소재”라고 강조했다. 이어 로드니 루오프 단장은 “이 기술은 훗날 고속충전이 가능한 고용량 양극 소재와 함께 쓰여 더 높은 수준의 리튬 이온 배터리를 실현할 것이며 전기차 배터리 산업에 크게 기여할 것”이라고 전망했다. 연구결과는 세계적인 학술지 에이씨에스 나노(ACS Nano, IF 13.709) 최신호(2월 26일자)에 실렸다. 1. 고에너지 배터리 단위부피 당 에너지 밀도가 높은 배터리. 같은 부피에 더 많은 에너지를 저장하므로 배터리 크기를 줄여도 기존 같은 성능을 보일 수 있다. 2. 고체전해질 계면층 첫 번째 충전 과정 중 음극 표면에서 전해액과 첨가제 등이 분해되면서 생기는 층이다. 3. 실리콘 나노와이어 나노미터(nm‧1nm는 10억 분의 1m) 단위의 크기를 가지는 작은 막대기둥

환경 국종성 교수 공동연구팀, 엘니뇨·열대 대양의 상호작용, 엘니뇨 장기예측의 key

[환경 국종성 교수·전남대 함유근 교수 등 전 세계 35명의 전문가 엘니뇨와 열대 대양간 상호작용 밝혀 엘니뇨 장기 예측과 기후 활동 예측] 열대 태평양의 바닷물 온도가 상승하는 엘니뇨가 발생하면 세계 곳곳에서 극심한 기상 이변이 일어난다. 엘니뇨는 가장 잘 알려지고 강력한 기후 변동 현상으로 폭염과 혹한, 가뭄과 홍수 등 전지구적으로 큰 피해를 불러 일으킨다. 그동안 만은 연구가 있어왔지만, 현재까지도 엘니뇨의 1년 이상 장기 예측은 기후분야의 난제였다. 최근 엘니뇨와 열대 인도양과 대서양간의 상호작용이 엘니뇨 장기 예측을 위한 핵심 정보를 제공해 줄 수 있음이 밝혀졌다. 환경공학과 국종성 교수, 전남대 함유근 교수, 호주연방과학산업기구(CSIRO)의 웬주 카이 (Wenju Cai) 박사를 비롯해 전 세계과학자 35명은 기후 상호작용에 대한 공동 연구를 통해 열대 인도양과 대서양, 그리고 엘니뇨가 상호작용을 통해 기후 변동에 영향을 준다는 것을 확인했다. 이 연구를 기반으로 엘니뇨의 장기 예측 등 정확한 기후 예측에 한발 다가서게 됐다. 이 연구는 세계 최고 권위의 학술지 사이언스(Science)지 2월 28일자(현지시간)에 게재됐다. 그동안 엘니뇨의 영향에 대해선 많은 연구가 이어졌지만, 열대 인도양과 대서양이 엘니뇨에 영향을 미치고 이런 상호작용이 전 지구 기후 변동에 어떤 영향을 주는지에 대해선 많이 알려지지 않았다. 연구팀은 이러한 대양간의 상호작용이 엘니뇨 전개양상에 매우 중요함을 제시했으며, 특히, 1990년 이후 대서양의 온난화가 빨라지고 있어 대서양이 엘니뇨의 변동과 지구 온난화에 어떤 역할을 하는지 상호작용에 주목했다. 연구팀은 기후 모형을 통해 열대 대양 간의 활발한 상호작용이 우리나라를 포함한 전 지구적 이상 기후를 유도하는 대기순환에 영향을 미치고 있음을 확인했다. 또 최근 대서양의 급격한 온난화로 기후 예측에 대서양의 역할이 커지고 있음을 제시했고, 이런 대서양의 기후 변동이 한반도 이상 기후에도 영향을 줄 수 있음을 확인해 이를 토대로 엘니뇨와 기후 장기 예측에 활용할 수 있음을 밝혔다. 국종성 교수는 “최근 이상 기후가 극심해지고 있는 가운데 미래변화를 예측하기 위해서는 열대 대양 간 복잡한 상호작용에 대한 이해가 필수적임을 제시한 연구”라고 연구의 의의를 밝혔다. 한편 이번 연구성과는 한국연구재단의 우수연구센터 사업, 기상청 기상지진 씨앗 기술개발 연구사업의 지원으로 수행됐다.

화학 박수진 교수팀, 리튬 금속 전지 폭발 문제점 잡고 안전성·성능 높여 상용화 앞당긴다

[리튬 금속 음극 단점 극복 가능한 복합 보호층 개발] 전기차의 가장 큰 과제는 배터리 성능이다. 한번 충전에 주행할 수 있는 거리를 대폭 늘일 수 있길 때문이다. 배터리의 성능을 획기적으로 올리려는 방안에 대해 세계 각국이 고민 중인 가운데, 우리가 흔히 사용하는 리튬 이온 전지에 비해 에너지 밀도가 10배 이상 높지만, 폭발의 우려 때문에 상용화할 수 없었던 리튬 금속 음극의 단점을 국내 연구팀이 해결해 주목을 모으고 있다. 화학과 박수진 교수, 박사 이정인 씨는 UNIST 에너지공학과 신명수, 홍동기 연구원과 함께 리튬 금속 음극의 단점인 폭발을 원천적으로 막을 리튬 전도성 유·무기 복합 보호층을 개발했다. 또 차세대 고용량 양극 물질을 사용해 고속 충전 및 고출력이 가능한 리튬 금속 전지를 구현해 이 기술이 확장된다면 성능 좋고 안전한 리튬 금속 전지의 상용화가 앞당겨져 전기차나 휴대용 디스플레이 배터리로 활용될 전망이다. 일반 리튬 이온 전지에는 음극체로 흑연이 들어간다. 흑연 대신 금속을 음극으로 사용하게 되면 질량 대비 10배, 부피대비 3배 이상 용량이 늘어나 작은 크기의 배터리로도 효율을 획기적으로 올릴 수 있게 된다. 하지만 금속을 음극체로 쓰게 되면 리튬 반응성이 좋아져서 배터리 충전 시 리튬을 반대 방향으로 보내게 되는데, 보내진 리튬이 반대편에서 바늘처럼 뾰족뾰족하게 자라게 된다. 이렇게 되면 날카로운 리튬이 분리막을 뚫어 셀이 폭파되거나 망가져 기능을 잃게 되는 현상이 일어난다. 연구팀은 이런 현상을 막기 위해 리튬 전도성 무기(리튬 티타늄 산화물 Li2TiO3, LT층)·유기(불소계 수지PVDF-HFP) 복합막을 개발해 충전과 방전을 계속하는 동안 바늘처럼 뾰족하게 리튬이 자라나는 현상인 수지상 결정을 근본적으로 차단했다. 복합막이 리튬이 자라지 않고 빈 공간을 채우며 셀 안에만 머물도록 돕기 때문에 전지의 안정성이 확보되고 수명도 향상된다. 또 다양한 차세대 고용량, 고전압 양극물질(NCM811, LNMO, LMO)를 사용해 고속충전과 고출력이 가능한 리튬 금속 전지를 구현하는 데도 성공했다. 이번에 개발된 복합막인 리튬 전도성 무기층은, 기존에 사용해오던 카보네이트계 전해액에도 그대로 적용할 수 있어 기존 시스템을 많이 바꾸지 않고도 사용할 수 있기 때문에 큰 비용 없이 상용화할 수 있다. 박수진 교수는 “이번에 개발된 리튬 이온 전도성 무기·유기 복합막은 손쉽게 차세대 전지에 적용할 수 있는 기술로 리튬 금속 전지 상용화에 크게 기여할 것”이라며 기대감을 밝혔다. 한편 이번 연구성과는 국제 학술지 어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advaned Energy Materials)지에 2월 14일에 게재됐으며, 한국연구재단 학문후속세대지원사업의 대통령 Post Doc. 펠로우십 및 원천기술개발사업의 기후변화대응기술개발사업의 지원으로 수행됐다.