- 이중 층 구조의 신 물질 개발하여 고질적 전류 손실 문제 해결 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 수소·연료전지연구단 김진영 박사팀과 계산과학연구센터 김동훈 박사팀은 한국과학기술원(KAIST, 총장 신성철) 신소재공학과 정연식 교수팀과의 공동연구를 통해 퀀텀닷 태양전지의 고질적 문제였던 전류 손실을 막아 전지효율을 기존 대비 47% 상승시켜, 퀀텀닷 태양전지의 상용화 가능성을 높였다고 밝혔다. 퀀텀닷(Quantum Dot) 태양전지는 생산비용이 저렴하고, 안정성이 뛰어나 기존에 상용화되어 있는 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 태양전지로 각광받고 있다. 하지만 퀀텀닷 태양전지는 에너지 전환 효율이 충분하지 못해 상용화에 큰 어려움을 겪고 있었다. 최근 KIST 연구진이 퀀텀닷 태양전지의 에너지 효율을 상승시키는 기술을 개발하여 관련 학계와 산업계의 주목을 받고 있다. 퀀텀닷 태양전지의 구성요소인 ‘정공수송층’은 태양전지 내부에 전류가 흐를 수 있게 하는 핵심적인 역할을 한다. 빛을 흡수하여 전기 에너지를 생성하는 과정에서 이 층에서 상당한 전류 손실이 발생하는데 이를 최소화하는 것이 퀀텀닷 태양전지 성능 향상의 핵심 키였다. 이를 해결하기 위해 전 세계 많은 연구진이 새로운 정공수송층 재료를 개발 시도했지만, 소재 내부에 전류의 흐름을 방해하는 쌍극자(dipole)가 발생되어 번번이 실패로 이어지는 실정이었다. KIST-KAIST 공동연구진은 쌍극자를 제거하기 위해 원자 단위의 조절이 가능한 양자역학 이론(밀도범함수론)을 활용하여 이중 층 구조의 신(新) 물질(α-6T/PEDOT:PSS)을 개발하였다. 이를 통해, 태양전지 내 전류 손실을 기존의 20% 수준으로 감소시켜, 전지효율을 기존대비 47% 향상시켰다. 연구진은 신개념의 소재가 향후 관련 학계나 산업계에서 널리 사용되는 소재로 자리 잡길 기대하고 있다. 또한, 본 연구를 바탕으로 누설전류를 더욱 감소시키려는 꾸준한 실험과 결과가 이어진다면, 경쟁 소자인 실리콘 또는 페로브스카이트 태양전지를 능가하는 차세대 태양전지로서의 상용화를 기대하고 있다. KIST 김진영 박사는 “이번 성과는 향후 퀀텀닷 태양전지의 에너지 전환효율을 높이기 위한 다양한 실험적 노력에 올바른 방향을 제시할 것으로 기대한다.”라고 말하며, “이를 바탕으로 출력전압과 전류를 극대화시켜, 차세대 태양전지로 자리매김하는데 기여할 것”이라고 포부를 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST의 주요사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업 및 미래소재디스커버리사업으로 수행되었으며, 연구결과는 소재 분야 최고 권위지인 ‘Advanced Energy Materials’ (IF: 24.884, JCR 분야 상위 0.392%) 최신 호에 게재되었으며, 표지논문으로 게재될 예정이다. * (논문명) Suppressing Interfacial Dipoles to Minimize Open-Circuit Voltage Loss in Quantum Dot Photovoltaics - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김동훈 선임연구원 - (제 1저자) 한국과학기술원 임훈희 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김진영 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술원 정연식 부교수 <그림설명> [그림 1] Advanced Energy Materials 커버 이미지 KIST-KAIST 공동연구진이 개발한 이중 층 구조의 신(新) 물질(α-6T/PEDOT:PSS)의 모식도 [그림 2] (a) 퀀텀 닷 태양전지의 밴드 구조 (a-1) 물질들의 독립적인 밴드구조 (a-2) 단일 계면물질을 적용한 퀀텀닷 태양전지의 물질 접합 시 밴드구조 (a-3) 이중층 계면물질을 적용한 퀀텀닷 태양전지의 물질 접합 시 밴드 구조 (b) 이중층 계면물질을 적용한 퀀텀닷 태양전지의 효율 양상 (b-1) 이종 물질 접합 시 전하의 이동을 시각화 (b-2) 이론 시뮬레이션을 통해 계산한 이종 물질 사이의 계면 쌍극자로 인한 밴드 구조의 뒤틀림 (c) 이중층 계면물질을 적용한 퀀텀닷 태양전지의 효율 양상 (c-1) 기존 계면 물질과 본 연구에서 개발한 단일층 및 이중층 계면물질을 적용한 퀀텀닷 태양전지의 J-V 양상 (c-2) 이중층 계면물질 구조를 다른 물질에 확장, 단일층일 때와 이중층일 때를 비교한 J-V 양상

- 기존 고가의 백금 촉매 대체 가능한 금속유기골격체(MOF)계 탄소 촉매 개발 - 성능 및 대량생산성으로 상용화 기대, 향후 차세대 비 백금계 촉매 연구 기여 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 수소·연료전지연구단 유성종 박사팀은 경희대학교 김진수 교수와의 공동연구를 통해, 최근 차세대 연료전지로 각광받고 있는 알칼라인 연료전지에 사용되는 고가의 촉매인 백금을 대체할 수 있는 저가형 촉매를 개발했다고 밝혔다. 이 촉매는 대량생산이 가능하여 알칼라인 연료전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 보인다. 연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응으로 전기를 생산하며 이산화탄소나 질소산화물 등 공해물질의 배출 없이 물만 배출하는 친환경 발전장치이다. 하지만 연료전지에서 일어나는 반응(산소환원반응)이 느린 속도로 일어나기 때문에 이 속도를 빠르게 하는 역할을 하는 촉매는 연료전지의 발전 효율을 증가시킬 수 있는 핵심이다. 따라서 성능을 올리기 위해서는 촉매의 역할이 굉장히 중요한데, 주로 백금계열 촉매가 사용돼왔다. 그러나, 귀금속인 백금계열 촉매는 가격이 비싸고 특정 지역에서만 생산되는 한계를 갖고 있었다. 백금 소재를 대체하고자 금속이나 질소가 첨가된 탄소계 촉매에 관한 연구들이 활발하게 진행 중이다. 현재까지 개발된 탄소계 소재의 촉매들은 우수한 효율을 보이지만, 그 원리를 정확히 알지 못한다는 문제점 등이 있어 실제 알칼라인 연료전지를 구동할 수는 없었다. KIST 연구진은 백금을 대체할 촉매로 차세대 촉매로서 꾸준히 보고되었으나, 낮은 생산 수율과 후처리 공정 문제 등 상용화에 어려움을 겪고 있는 금속유기골격체(Metal Organic Frameworks)를 활용했다. KIST-경희대학교 공동연구진은, 스프레이 열분해법을 통해 코발트 및 질소가 도핑된 MOF계 촉매를 개발하였다. 스프레이 열분해법은 연속적인 공정으로 대량생산이 가능하고 공업용 가습기를 이용하여 입자를 만들기 때문에, 필요한 구조의 입자를 쉽게 제조할 수 있었다. 개발된 촉매는 상용 백금 촉매보다 40% 성능이 향상되었다. KIST 유성종 박사는 “본 연구는 스프레이 열분해법의 도입으로 MOF계열 촉매의 성능 향상뿐만 아니라 MOF재료의 대량생산의 가능성을 가지고 있어 연료전지 산소환원반응 촉매 분야 및 흡착제, 배터리 분야 등 다양한 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대한다.”라고 연구 의의를 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST의 주요사업과 기후변화대응기술개발사업, 글로벌프론티어 멀티스케일에너지시스템연구사업 및 결정기능화공정기술센터(ERC)사업으로 수행되었으며, 경희대학교와의 공동연구로 진행된 이번 연구결과는 에너지 환경 분야 국제 저널인 ‘Applied Catalysis B-Environmental’ (IF: 14.229, JCR 분야 상위 0.962%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Hollow-sphere Co-NC synthesis by incorporation of ultrasonic spray pyrolysis and pseudomorphic replication and its enhanced oxygen reduction reaction - (제 1저자) 한국과학기술연구원 임경민 박사과정 - (제 1저자) 경희대학교 화학공학과 김동휘 석사과정 - (교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 책임연구원 - (교신저자) 경희대학교 화학공학과 김진수 교수 <그림설명> [그림 1] (a) 스프레이 열분해 공정 (Ultrasonic spray pyrolysis) 모식도 (b) 개발된 중공 입자 구조 촉매의 합성 과정 [그림 2] (a) 제조된 촉매와 상용 촉매 산소화원반응 결과 (b) 알칼라인 연료전지 구동 시 성능 결과

- 유기 태양전지 핵심소재 개발, 발전 환경의 제약을 극복하는 토대 마련 - 향후, 스마트팜, 저전력 구동 사물 인터넷(IoT) 센서 독립전원으로 활용 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 손해정 박사팀은 약한 빛에도 효과적으로 전기를 만들 수 있는 신소재를 개발하는 데 성공, 이를 태양전지에서 빛을 흡수하는 역할을 하는 광흡수층* 소재로 사용하여 고효율의 유기태양전지**를 개발했다고 밝혔다. *광흡수층 : 태양빛을 흡수하여 얻은 빛 에너지로 전력을 생산하는 전극사이의 층 **유기태양전지(Organic photovoltaics) : 탄소 기반의 전도성 광흡수 유기재료를 사용하여 만든 태양전지 미래의 핵심 친환경 에너지원으로 자리 잡을 태양전지는 날씨와 환경에 구애받지 않고 발전할 수 있는 태양전지 기술을 개발하는 것이 핵심이다. 특히 기존에 상용화된 태양전지의 경우 흐린 날씨나 햇빛이 약한 아침과 저녁에는 발전량이 급격히 감소하는 단점이 있다. 그 때문에 발전할 수 있는 기간과 시간대가 한정적이며 지속적인 전원 공급이 힘들다는 제약이 있었다. 유기태양전지의 경우, 적은 양의 햇빛에도 효과적으로 전기에너지를 만들 수 있는 것으로 알려져 있다. 특히 빛을 흡수하는 역할을 하는 광흡수층의 소재를 다양하게 디자인할 수 있어서 소재개발을 통해 흐린 날에도 태양광 발전량을 향상시킬 수 있다. 하지만 이러한 장점에도 불구하고 소재 디자인의 원리에 대한 이해도가 낮고, 적합한 소재를 찾지 못해 고효율의 안정적인 유기태양전지를 개발하지 못하고 있는 실정이다. KIST 연구진은 기존의 세계 최고 수준의 유기태양전지용 고분자(PBDBT-2F) 소재에 염소와 황 성분을 도입했다. 개발된 신소재(신규 고분자 PBDBT-SCl)는 약한 빛에도 효과적으로 전기에너지 생산이 가능하며, 구조 제어를 통해 생성된 전기의 손실을 최소화할 수 있도록 했다. 연구진은 실제로 신소재를 적용한 대면적 유기태양전지 모듈을 제작, 평상시 맑은 날뿐만 아니라 흐린 날에도 효과적으로 발전할 수 있는 것을 실험을 통해 확인했다. 개발된 신소재는 태양광***의 1/10 수준인 조건에서 기존 소재에 비해 30% 향상된 성능(13.23%의 효율)을 보였으며, 태양전지 모듈의 경우 실내조명인 형광등(500 lx)을 광원으로 사용했을 때도 약 38% 향상된 효율(21.53%)로 전기를 생성할 수 있었다. 특히 기존에 알려진 세계 최고 효율의 고분자에 비해 26% 어두운 빛의 환경(3700 lx)에서도 동일한 전력을 생산할 수 있는 높은 효율성을 가진 것으로 나타났다. 이러한 저조도 환경에 최적화된 태양전지는 향후 적은 전력으로 구동할 수 있으면서 상시 전력 공급이 필요한 스마트 팜이나, 사물 인터넷(IoT) 센서 등에도 적용할 수 있다. ***태양광 : 맑은 날 태양빛이 최고조인 상태(1 Sun). 보통의 실내조명은 태양광보다 500배 낮은 200lx 수준. KIST 손해정 박사는 “이번 성과는 우리나라와 같이 미세먼지 등으로 흐린 날이 많은 저조도 환경에서 효과적으로 발전할 수 있는 유기태양전지용 소재의 핵심기술 개발에 기여하였다.”라고 말하며, “향후 지속적인 추가연구를 통해 세계 태양광 시장에서 차세대 태양전지 핵심 소재를 조기에 선점할 수 있을 것으로 기대한다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업으로 수행되었으며, 연구결과는 에너지 분야의 국제학술지 ‘ACS Energy Letters’(IF: 16.331, JCR 분야 상위 1.923%) 표지논문으로 선정되어 게재될 예정이다. * (논문명) ‘High performance and stable nonfullerene acceptor-based organic solar cells for indoor to outdoor light’ - (제 1저자) 한국과학기술연구원 박성민 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 손해정 책임연구원 <그림설명> [그림 1] (표지 논문 이미지) 실내 광원으로 발전하는 태양전지의 활용 [그림 2] 고감도 고분자를 응용한 유연 유기태양전지 모듈

- 종이접기 활용한 3D프린팅 기술, 태양전지의 집적도 및 신축도 대폭 향상 - 전자소자 3차원 설계, 향후 3D 프린팅 의류 및 웨어러블 소자 적용 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 이필립 박사, 조만식 박사, 한양대학교 고민재 교수 공동 연구팀은 전도성 나노물질을 활용한 3D 프린팅 기술과 종이접기 기술을 융합하여, 집적도 및 신축도에 대한 자유로운 제어가 가능한 고신축성 페로브스카이트* 태양전지 모듈을 개발했다. *페로브스카이트 : 빛을 전기로 혹은 전기를 빛으로 바꾸는 특성이 있는 육방면체 구조의 반도체 물질 3D 프린팅 기술은 공간배치에 따라 성능이 극대화될 수 있는 태양전지를 포함한 에너지 소자 분야에 활용할 때 잠재력이 클 것으로 기대되고 있으나, 3D 프린팅 기술을 활용한 에너지 소자 모듈에 관한 연구는 많지 않은 실정이다. 3차원 설계가 가능한 에너지 소자 모듈 기술은 태양전지를 포함한 기존 에너지 소자의 성능 및 적용 분야의 큰 확장이 가능하다는 측면에서 많은 연구가 필요하다. 기존에 신축성 소자 제작을 위해서는 주로 섬-다리(island-bridge) 구조를 활용했다. 하지만, 이 구조에서는 신축성을 높이게 되면 에너지 소자의 집적도가 저하되고, 집적도를 높이게 되면 신축성이 저하되는 문제가 있었다. 공동 연구진은 3D 프린터 공정과 종이접기 기술**(오리가미, 키리가미 구조)을 활용하여, 신축성을 가지는 태양전지 연결부를 3차원상에 효율적으로 배치했다. 이를 통해 만들어진 페로브스카이트 태양전지 모듈은 100%에 가까운 태양전지 집적도를 달성하여 태양전지 소자로 기판을 가득 채울 수 있었다. 또한, 초기 상태 대비 5배까지 늘어나도 문제가 없었다. 제작된 페로브스카이트 태양전지 모듈은 5배로 늘이는, 1000번의 반복적인 인장 시험에서도 초기의 성능을 유지하였다. **오리가미(Origami) : 한 장의 종이를 접어 개서 다양한 형태의 모양을 만드는 종이접기 **키리가미(Kirigami) : 접은 종이를 절단하여 여러 가지 모양을 만드는 예술 이는 기존에 발표된 반도체 공정 혹은 2차원 기반 인쇄공정으로 제작된 기존 신축성 소자와 비교하여, 월등한 집적도 및 시스템 신축성을 동시에 달성한 결과이다. 공동 연구팀이 도입한 접근법을 활용하게 되면 3차원 배치에 따라 집적도 및 신축도를 한계 없이 얼마든지 늘리는 것이 가능하다. 해당 고 신축성·전도성 플랫폼 기술은 태양전지 외에도 에너지 소자, 센서, 액츄에이터 등 다양한 전자 소자에 적용이 용이하며, 3차원 설계에 따른 다양한 소자의 성능 향상을 기대할 수 있다. 또한, 의류, 패션 분야 적용에 강점을 갖는 3D 프린팅 기술을 복합적으로 활용하게 될 경우, 웨어러블 소자와 같은 생활 밀착형, 고부가 가치 사업 분야로의 확장이 가능하다. KIST 이필립 박사는 “이번 성과는 3D 프린팅 기술과 에너지 소자와의 융합을 통해 기존 2차원 기반의 소자가 갖는 한계를 극복하는 접근법을 제시한 것으로, 앞으로 태양전지 유연화 및 경량화, 3차원 설계기술 제어, 그리고 형상기억 고분자 기술과의 융합을 통해 시너지 효과를 낼 수 있을 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업, 글로벌프런티어사업, 멀티스케일 에너지시스템연구단 및 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행되었다. 이번 연구결과는 소재 분야 국제 저널인 ‘ACS Nano’ (IF: 13.903, JCR 분야 상위 5.74%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) 3D Printer-Based Encapsulated Origami Electronics for Extreme System Stretchability and High Areal Coverage - (제1저자) 한국과학기술연구원/고려대학교 조만식 박사(現, 공군) - (교신저자) 한국과학기술연구원 이필립 선임연구원 - (교신저자) 한양대학교 고민재 교수 <그림설명> [그림 1] (a) 3D 프린팅을 활용한 고 신축성 태양전지 모듈 제작 공정 (b) 제작된 고 신축성 페로브스카이트 태양전지 모듈 (좌) 및 반복 인장 특성 (우) (좌측) 페로브스카이트 태양전지 모듈 인장 사진 (우측) 1000회의 반복적인 400% 시스템 인장에 따른 성능 변화 그래프

- 반복적인 세탁, 구부림에도 물리 화학적으로 안정적인 저가의 탄소 직물 개발 - 에너지 저장 소재, 차세대 웨어러블 제품 등 다양한 분야에 응용 가능 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 기능성복합소재연구센터 선임연구원 손동익 박사, 전북대학교 김학용 교수 공동 연구팀은 손상되어 쓰지 못하게 된 소재를 재활용하여 탄소 방적 직물을 제작하고, 리튬이온 이차전지 소재로 적용했다고 밝혔다. 웨어러블 전자 기기에서 필수적 구성요소 중 하나인 유연한 전극은 수 많은 연구들을 통해 다양한 소재들이 적용되어 왔다. 하지만 그 성과로 개발된 소재들의 뛰어난 효율에도 불구하고 높은 제조 비용과 적용된 소재의 물리적, 화학적 특성의 한계로 인해 상용화에 어려움을 겪고 있었다. 손동익 박사팀은 산업용 신소재 제조 과정 중 손상된 섬유(‘Oxi-PAN’*)를 재활용하였다. 기존의 면섬유 제조 기술인 방적 공정을 통해 실 형태(방적사**)로 만든 뒤, 편직 공정을 통해 면섬유(방적 직물)로 만들었다. 그 후 안정화 및 탄화 공정을 거쳐 최종적으로 탄소 방적사와 탄소 방적 직물을 제조하였다. *Oxi-PAN 섬유(Oxidized PolyAcryloNitrile) : 내염화(anti-flammable) 섬유로써 유연성이 뛰어나 방적, 직포, 부직포 가공이 용이하고 내약품성, 내열성이 우수한 섬유 **방적사 : 면이나 양털과 같이 길이가 짧은 섬유, 단섬유를 방적한 실의 총칭 연구팀이 만든 탄소 소재는 버려지는 섬유를 재활용하고, 기존의 섬유 제조기술을 적용했기 때문에, 저렴하게 제조할 수 있어 상용화될 가능성이 매우 크다. 연구진은 이 소재를 스마트 의류에 적용 가능한 탄소 의류와 탄소 장갑으로 제조하였다. 실험을 통해 10,000번 이상 반복적으로 접거나 구겨도 형태나 전기전도도가 유지되며 세탁 또한 가능할 만큼 물리 화학적으로도 안정적인 것을 확인했다. KIST 연구진은 한발 더 나아가 제조한 탄소 소재가 이차전지의 소재로 활용하기에 최적화된 구조임을 확인하고, 이차전지의 전극의 필수소재인 집전체***로 활용하였다. 적용된 탄소섬유 집전체는 기존의 알루미늄 집전체 대비 낮은 저항값과 향상된 성능을 나타냈다. 특히, 1,200번 이상의 굽힘 테스트에도 초기 대비 90%이상의 용량을 유지하였으며, 탄소 방적 직물로 제작한 전극은 수차례의 충·방전 테스트에도 우수한 성능을 보였다. 파우치형 리튬이온 이차전지는 자유롭게 변형이 가능하며, 우수한 안정성 및 유연성을 나타내었다. ***집전체 : 이차전지 구조 소재 중에서 전기 저항이 낮으며, 충전과 방전 중에 활물질로 전류를 전달하거나 활물질에서 전류를 전달하도록 하는 구조체 KIST 손동익 박사는 “세탁 가능하고, 구겨지고, 비틀어도 원상복원이 가능한 저가의 탄소 방적 직물 개발은 에너지 저장 소재로의 응용뿐만 아니라 유연한 전자소재, 환경 소재 등 다양한 곳에 널리 응용이 가능할 것으로 생각된다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구사업 및 국가과학기술연구회 창의융합연구사업으로 수행되었다. 전북대학교와의 공동연구로 진행된 이번 연구결과는 소재 분야 국제 저널인 ‘Composites Part B : Engineering’ (IF: 6.864, JCR 분야 상위 2.00%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Versatile 3D porous recycled carbon garments with fully-loaded active materials in the current collector for advanced lithium-ion batteries - (제 1저자) National Research Council Canada(NRC) 조현진 박사 - (제 1저자) 한국기초과학지원연구원(KBSI) 김연호 박사 - (제 1저자, 교신저자) 한국과학기술연구원 손동익 선임연구원 - (교신저자) 전북대학교 김학용 교수 <그림설명> [그림 1] Oxi-PAN 방적사 제조부터 전도성 탄소 편직물의 제조 및 에너지 저장장치로의 응용 a. Oxi-PAN 단섬유. b. 방적사 공정에 의해 제조된 옥시-팬 방적 섬유. c. 편직 공정에 의해 제조된 Oxi-PAN 방적 직물, 티셔츠 및 장갑. d. 탄화 공정을 이용한 탄소방적직물, 탄소 의류 및 탄소 장갑의 제조. e. 전도성 탄소 의류(티셔츠) 및 탄소 장갑 제작, 그리고, 탄소방적직물을 사용한 방열판 및 히터 적용. f. 탄소방적직물을 열 보호소재로 응용. g. 3차원 다공성 구조를 갖는 탄소방적직물을 이용해 에너지 저장 장치 중 코인 셀 및 파우치 셀에 적용. [그림 2] 탄소방적직물(CSF)의 반복된 저항 테스트, 탄소방적직물의 열 확산 측정과 히터 응용 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트 사진. b 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트동안의 저항 자료 사진. c 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트 동안의 변화된 분석 자료 사진. d 굳힘과 늘어남에 대한 변화 동안의 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향(Course)) 실험 사진. e 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC) over time (120 s, 1 to 6 V) 의 열분석 자료. f 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC) over time (600 s, 1 to 6 V) 의 반복된 열분석 자료. g, h, i 1100도에 탄화된 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향 (Course))의 가해진 전압 (1 V, 3.75 V, and 6 V)의 사진. j, k 굳힘 테스트 동안의 전압 (3.6 V and 3.8 V)에 가해진 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향 (Course), 1100 oC) 사진. [그림 3] 탄소방적직물(CSF)의 이론적 열 확산 계산, 열 분산, 단열 및 안정성 실험 a, b 기본 세로방향 직물 (course standard)과 세로방향 직물 늘어남 (course stretching (40%))의 주사전자현미경 (SEM) 이미지. c, d 세로 방향(course) 탄소방적직물 (표준 (0 %) 및 연신 (40 %))의 finite element analysis (FEA)에서 Joule heating 시뮬레이션 자료 이미지와 탄소방적직물의 모델링 및 시뮬레이션과 실험 간의 온도 비교. e 웨어러블 전자기기용 전극으로서 유연하고 구겨진 접히고 뒤틀린 탄소방적직물 (CSF) 사진. f 탄소방적직물의 단열 시험 사진. g A-D 적외선 열화상 카메라으로 부터 열 분석 데이터와 함께 방열판으로서 상용 Cu 호일과 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC)의 LED 전기 회로 사진. [그림 4] 리튬 이온 베터리를 적용하기 위한 LiFePO4/탄소 직물 복합재의 분석 a 코인 셀의 개략도. b 코인 셀에 적용된 탄소방적직물 (CSF) (pristine) 및 CSF/LFP 합성물의 도식도. c 3 차원 다공성 구조 (top image, A)를 가진 유일한 CSF (pristine)의 비파괴 3D X-ray Microscopes (XRM)의 가상 단면 사진. 충 방전 Nc = 200 후 CSF/LFP 복합체 구조의 가상 단면 사진 (bottom image, B). d 충전/방전 후 CSF/LFP 복합체의 총 면적을 나타내는 XRM 이미지 (Nc = 200). e CSF를 제외한 LFP 활물질의 면적 계산. f LFP 활물질 및 CSF를 제외한 기공 면적. SEM-AFM (KPFM)에 의한 CSF/LFP 복합체의 구조 및 전기 분석. g 충전/방전 전에 CSF/LFP 복합체에 접근하는 AFM 팁의 SEM 이미지. h, i Surface topography 및 충전/방전 이전의 Surface potential 데이터, 스캔 크기 1.5 μm × 1.5 μm. j 충전/방전 Nc = 200 주기 후 샘플에 접근하는 AFM 팁의 SEM 이미지. k, l Surface topography 과 충전/방전 사이클 후 Surface potential 데이터, 스캔 크기 1.5 μm × 1.5 μm. [그림 5] 카본섬유를 집전체로 적용한 플렉서블 리튬이차전지 특성 (a-d) 플렉서블 카본섬유가 집전체로 적용된 리튬이차전지의 코인셀 특성 (e-g) 형태의 변형이 가능한 파우치 형태로 제작된 리튬이차전지의 굽힘 및 전지 특성.

- 알루미늄 합금, 초박막 인조보호막(MoS) 적용으로 리튬음극 불안정성 해소 - 전해질 최적화로 수명도 대폭 향상… 용량 한계 리튬이온전지 대안 재부상 이차전지의 대명사격인 리튬이온전지보다 이론상 에너지 밀도가 10배가량 더 높다고 알려진 차세대 전지시스템 ‘리튬금속전지’ 개발이 국내 연구진에 의해 다시 급물살을 타게 됐다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 에너지저장연구단 조원일 박사팀이 리튬금속전지 상용화의 최대 걸림돌인 물리화학적 불안정성을 제거할 리튬-알루미늄 합금 기반의 새로운 음극재를 개발했다고 밝혔다. 연구팀은 이와 함께 전해질 시스템을 최적화해 기존에 개발된 리튬이온전지 대비 2배 이상 수명을 끌어올리는 데도 성공했다. 리튬금속전지는 리튬금속을 음극으로 사용하는 전지이다. 리튬금속은 현재까지 파악된 음극물질 중 최상급의 에너지 밀도를 갖고 있다. 또한 산화 환원 전위는 매우 낮아 경량화 및 대용량화가 필요한 이차전지에 가장 적합한 소재로 기대를 모은 바 있다. 하지만 리튬금속 표면에서 발생하는 덴트라이트*로 인해 전극 단락과 폭발 가능성이 제기되며 흑연 음극을 사용하는 리튬이온전지가 먼저 상용화됐다. *덴드라이트(dendrite) : 금속 표면 일부에서 비정상적으로 성장하는 나뭇가지 형태의 결정. 전극 부피팽창과 전극-전해질 사이 부반응 등을 유발해 전지의 안전성과 수명을 떨어뜨린다. 상용화 이후 지속적으로 기술개발이 이뤄져온 리튬이온전지는 최근 단위 무게당 에너지 밀도를 더 이상 높이기 어려운 한계점에 이른 것으로 평가되고 있다. 반면 전기자동차, 드론 등 다양한 분야에서 더욱 높은 성능의 고용량 전지가 요구되는 상황에 따라 전 세계적으로 리튬금속 음극의 전기화학적 안정성을 확보하기 위한 연구가 활발히 진행되어 왔다. KIST 연구진은 시중에서 쉽게 구할 수 있는 알루미늄에서 문제 해결의 실마리를 찾았다. 기존의 순수 리튬금속 음극을 리튬-알루미늄 합금으로 대체해 불안정성을 제어하는 한편, 음극 표면에 이황화몰리브덴(MoS) 기반의 초박막 인조보호막을 형성해 전지 용량과 수명을 급격히 저하시키는 덴트라이트의 성장을 억제했다. 초박막 인조보호막은 KIST 조원일 박사가 개발한 인공 고체-전해질 계면상**으로 이미 지난해 그래핀계 나노소재를 리튬금속 표면에 고르게 전사하며 성능과 안정성을 입증한 바 있다(※Nature Energy volume 3, 889-898, 2018). ** 인공 고체-전해질 계면상(Artificial Solid-Electrolyte Interphase) : 각 전극과 전해액 사이에 일어나는 반응을 제어하기 위하여 양극 혹은 음극 표면에 인위적으로 만들어준 수∼수천 나노미터 두께의 얇은 층 이번 연구에서는 특히, 초박막 인조보호막의 실제 양산성 확보를 위해 그래핀 대신 이황화몰리브덴과 리튬-알루미늄 합금으로 가격을 낮추고, 복잡한 제조공정을 단순화 및 전지의 안정화에 연구력이 집중됐다. KIST 조원일 박사는 “기존 리튬이온전지의 용량 한계가 예상됨에 따라 리튬금속전지 개발의 요구가 점증하고 있다”면서 “차세대 이차전지 개발의 핵심인 리튬 음극 안정화와 전해질 기술이 고용량 전지를 필요로 하는 드론, 자율주행차, 에너지저장시스템(ESS) 등의 발전에 기여할 수 있게 되기를 기대한다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영)의 지원 아래 KIST 주요사업과 무인이동체 미래선도 핵심기술개발사업으로 수행되었으며, 연구결과는 「Science Advances」 (IF : 12.80, JCR 분야 상위 5.07%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Enabling reversible redox reactions in electrochemical cells using LiAl intermetallic compound and MoS2 Langmuir-Blodgett artificial solid-electrolyte interphase -(제1 저자) 한국과학기술연구원 김문석 연구원(現, 스탠포드대학교 박사과정) -(교신저자) 한국과학기술연구원 에너지저장연구단 조원일 책임연구원 -(교신저자) 미국 코넬대 린든 아처 교수 <그림설명> [그림 1] LBS 코팅 기술을 이용한 이황화몰리브덴 Langmuir-Blodgett 인공 고체-전해질 계면상(Artificial Solid-Electrolyte Interphase (MoS LBASEI))와 리튬-알루미늄 합금을 이용한 음극과 덴드라이트의 성장 형태에 대한 개념도

- 기존 법칙 설명 못한 저가 금속 높은 수소 투과도 학계 최초로 재규명 - 고가 팔라듐 최소화한 복합 분리막 개발로 이어져…수소 투과율 5배↑ 수소경제 시대의 도래를 앞두고 전 세계적으로 새로운 에너지 패러다임을 선점하기 위한 경쟁이 한창인 가운데, 국내 연구진이 수소경제 활성화의 핵심기술로 지목되고 있는 저비용 고효율 수소 생산 기술을 개발해 관심이 집중되고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 수소·연료전지연구단 한종희·조영석 박사팀이 고가의 귀금속 사용을 최소화하면서도 기존 대비 5배 이상 높은 수소 투과율을 보이는 고성능 복합 분리막을 개발했다고 밝혔다. 이를 통해 정제된 수소는 99.999% 이상의 고순도로 수소전기차에도 바로 활용이 가능한 수준으로 나타났다. KIST 연구진은 이와 함께 금속 복합 분리막 실험 과정에서 기존 시버트의 법칙*으로 좀처럼 설명이 되지 않던 탄탈럼(Ta), 니오븀(Nb), 바나듐(V) 등의 수소 투과 특성을 학계 최초로 재규명하는 데도 성공했다. *시버트의 법칙(Sievert’s Law) : 금속 층의 수소 원자 확산 이론. 금속 분리막의 수소 투과 현상을 이해하는 법칙으로 활용되고 있다. 우리나라는 올해 초 대대적인 수소경제 활성화 로드맵을 발표하고 관련 원천기술 확보에 박차를 가하고 있다. 정부는 연간 2천 대 수준인 수소전기차 보급을 2040년 620만 대까지 확대하고 이에 필요한 수소 생산량 역시 526만 톤 이상으로 늘릴 계획이다. 이 중 특히 수소전기차용 고순도 수소 생산 기술은 향후 수소경제 활성화 로드맵 실현의 중요한 열쇠가 될 것으로 전망되어 왔다. 현재 전 세계 수소 공급량의 90% 이상을 차지하는 추출 수소는 천연가스 등을 고온의 수증기로 열분해하는 방식이다. 하지만 수소를 고순도로 정제하기 위해서는 이산화탄소, 일산화탄소 등의 불필요한 성분들을 흡착·제거하는 복잡한 공정이 필요해 수소 가격상승의 요인이 되고 있다. 한편 분리막을 이용한 수소 정제 기술은 간단하고 모듈화가 쉬워 경제적이고 효율적으로 고순도 수소를 생산할 수 있는 잠재력을 지니고 있다. 에너지 투입량도 기존 흡착 기반 공정 대비 절반 이하다. 하지만 고가의 귀금속인 팔라듐을 기반으로 한다는 점이 약점으로 작용해 왔다. 이에 따라 KIST 연구진은 높은 수소 투과도 및 순도와 경제성을 함께 갖춘 금속 복합 분리막 소재를 개발하던 중 주기율표 5족에 속하는 전이금속들에 팔라듐을 얇은 두께로 증착시켰다. 그 결과 5족 금속의 높은 수소 투과율과 팔라듐의 우수한 수소 분리 특성을 동시에 구현하는 금속 복합 분리막을 제작했다. 또한 분리막 표면 반응성을 고려한 새로운 수소 투과 모델에 따른 실험 결과, 기존에 알려진 금속 복합 분리막의 수소 투과율 계산이 수소 용해도와 확산도를 잘못된 온도 영역에서 합산하며 발생한 오류라는 사실을 밝혀냈다. KIST 조영석 박사는 “연구팀이 제시한 수소 투과 모델과 분리막 실험 결과가 금속 복합 분리막의 투과 특성을 새롭게 이해하는 데 도움이 되기를 바란다”라고 말했다. KIST 한종희 소장은 “국내 연구진이 개발한 수소 정제 원천기술이 기존 수소 정제 공정의 효율성 개선과 수소 가격 저감에 기여할 수 있을 것으로 기대한다”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 「Journal of Membrane Science」 (IF : 7.015, JCR 분야 상위 1.724%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Unconventional Hydrogen Permeation Behavior of Pd/BCC Composite Membranes and Significance of Surface Reaction Kinetics - (제1저자) 한국과학기술연구원 수소？연료전지연구단 이찬현 위촉연구원(現에너지기술연구원) - (제1저자) 한국과학기술연구원 수소？연료전지연구단 조영석 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 청정신기술연구소 한종희 책임연구원 <그림설명> [그림 1] (좌) 개발된 금속 복합막의 수소투과 모식도 (우) Ta, Nb, V 및 Pd의 온도에 따른 수소 확산도 [그림 2] 개발된 복합 분리막 사진 및 분석 결과

- ‘황’ 들어간 그래핀, 중금속 흡착 가능 및 복합소재 강도와 가스차단성 향상 - 고부가가치 그래핀 新 제조방법 제시, 향후 차세대 에너지 저장 제품 등에 응용 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 탄소융합소재연구센터 유남호 박사팀은 황을 포함(도핑)한 그래핀을 제조하는 공정을 개발했다. 개발된 황을 포함한 그래핀은 수은을 포함한 중금속 흡착이 가능하고, 복합 소재의 강도와 가스 차단성이 향상되었으며, 사용된 황은 다시 회수하여 재사용이 가능하다. 연구진은 향후 폐기 시 환경오염을 유발하는 황 폐기물을 이용할 수 있을 것이라고 밝혔다. 최근 석유 정제과정에서 부산물로 생성되는 대량의 황 폐기물로 인한 다양한 환경적인 문제를 해결하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 국내의 경우 대부분의 황 폐기물을 처리할 방법이 없어 중국에 수출하고 있다. 하지만 중국의 산업 고도화로 인해 수출량이 줄어들 것으로 예측됨에 따라 황을 활용할 수 있는 다양한 신소재의 개발을 시도하고 있지만, 현재 가시적인 성과가 나오고 있지 않은 상황이다. 꿈의 소재라 불리는 그래핀은 흑연을 산화시킨 후 다시 환원시켜 제조할 수 있다. 이때 환원을 돕는 환원제가 필요한데, KIST 연구진은 150도 이상의 온도에서 녹은 황이 효과적인 환원제 역할을 할 수 있다는 점을 이용하였다. 황을 환원제로 사용함으로써 별도의 환원제 없이 그래핀을 제조할 수 있었다. 또한, 그래핀을 제조하고 남은 황은 재사용이 가능하고, 다시 회수할 수 있었다. KIST 연구진이 제조한 그래핀은 중금속을 흡착하는 능력이 뛰어나고 유기용매에서 분산성이 뛰어나다. 수용액 내에서 수은 이온을 94% 이상 흡착하여 제거할 수 있고 복합소재 제조 시 기존 소재보다 150% 이상 강도가 향상되었으며 복합소재의 가스 차단성 또한 95% 이상 향상됐다. 이번에 황으로 개발한 그래핀은 수은을 포함하는 중금속 제거용 필터, 자동차 및 항공용 부품 소재, 전자기기 부품 그리고 에너지 저장용 배터리 제품을 개발하는데 응용 가능하다. KIST 유남호 박사는 “이번 연구결과는 황을 유용하게 활용할 수 있는 새로운 방법을 제시할 뿐만 아니라 황이 가지고 있는 고유한 특성을 이용하여 고부가가치의 새로운 그래핀 소재를 제조하는 방법을 제시하고, 동시에 복합소재 및 필터 그리고 에너지 저장 관련 응용이 가능하고 파급효과가 큰 기술이 될 것으로 기대된다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원을 받아 KIST의 주요사업과 한국연구재단 나노소재기술개발사업 및 우주핵심기술개발사업으로 수행되었다. 이번 연구결과는 소재 분야 유명 국제 저널인 ‘Composites Part B : Engineering’ (IF: 6.86, JCR 분야 상위 2.00%) 최신호에 게재되었다. *(논문명) Sustainable production of reduced graphene oxide using elemental sulfur for multifunctional composites - (제1저자) 한국과학기술연구원 남기호 연구원(現 연세대학교 연구원) - (제1저자) 한국과학기술연구원 김경민 연구원(現 ㈜부흥산업사 연구원) - (교신저자) 한국과학기술연구원 유남호 선임연구원 <그림설명> [그림 1] 황을 이용한 그래핀 제조의 모식도 [그림 2] (a) 다양한 수은 농도에서의 황 도핑 그래핀의 수은 제거효율　 (b~c) 수은을 흡착한 그래핀의　TEM(전자현미경)　사진 및 지도 [그림 3] (a) 황 도핑 그래핀을 이용한 폴리이미드/그래핀 나노 복합체 필름의 사진. (b) 나노 복합체 필름의 stress-strain 그래프. [그림 4] (a~b) 폴리이미드/그래핀 나노 복합체 필름에서, (왼쪽) 그래핀 함량에 따른 나노 복합체 필름의 산소 투과성 그래프 (오른쪽) 그래핀 함량에 따른 나노 복합체 필름의 산소 확산성 및 용해성 그래프

- 체내 이식된 줄기세포 변화 장기간 추적하는 표지 및 영상획득 기술 개발 - 전분화능 유지와 높은 생체적합성으로 새 줄기세포 치료제 개발 기여 전망 최근 줄기세포가 세계 의과학계 최대의 관심사가 되고 있는 이유는 모든 종류의 기관과 조직으로 분화할 수 있는 전분화능(全分化能, pluripotency) 때문이다. 이론상 줄기세포를 이용하면 근육, 뼈, 장기, 뇌 등 어떤 손상 세포와 조직도 재생 가능하다. 하지만 인체에 이식한 줄기세포의 분화 과정을 적절히 제어하기 어렵다는 점이 한계로 작용해왔다. 이를 해결하기 위해서는 먼저 줄기세포의 생존과 이동, 분포 등을 정확히 파악하는 방법이 필요한 가운데, 국내 연구진이 생체 내 줄기세포의 변화상을 정밀하고 안전하게 추적할 수 있는 신기술을 개발해 관심을 끌고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 테라그노시스연구단 김광명 박사팀은 동국대학교 일산병원 신경과 김동억 박사팀과의 공동연구로 인체에 이식한 줄기세포를 추적하는 신개념 줄기세포 표지 및 영상화 기술을 개발했다고 밝혔다. 생체 적합성이 높은 조영제 나노입자를 줄기세포에 결합시켜 장기간 형광영상과 자기공명영상(MRI)의 복합영상으로 모니터링 할 수 있는 기술이다. 줄기세포 치료제의 이동과 분포를 관찰하는 표지(labeling) 및 영상화(imaging) 기술은 최근 줄기세포의 체내 이식 후 변화상을 추적하는 기술로도 주목받고 있다. 하지만 기존의 세포 표지기술은 조영제 또는 조영제가 함유된 나노입자를 줄기세포에 직접 표지하거나 유전자 조작을 통해 영상화가 가능한 세포로 전환해야 하기 때문에 줄기세포 고유의 전분화능과 인체 안전성 저하의 우려가 제기되어 왔다. KIST 연구진은 생체 적합성이 높고 줄기세포의 전분화능에도 영향을 주지 않는 신개념 표지 기술 개발을 위해 당대사공학* 및 생물직교성 무동 클릭화학**을 이용했다. 이를 통해 줄기세포 표면에 안전하게 표지할 수 있는 화학수용체를 만드는 한편, 이와 특이적으로 결합하는 산화철 기반의 복합조영제 나노입자를 개발해 줄기세포의 영상신호를 극대화하는 고감도 복합영상 획득에 성공했다. * 당대사공학(metabolic glycoengineering) : 알킨, 티올, 아자이드 등 다양한 화학 반응기를 세포 표면의 당 단백질에 인공적으로 도입할 수 있는 기술. 세포에 존재하는 당 단백질 합성과정을 이용하기 때문에 세포 독성이 없고 표지 가능한 화학 반응기의 양을 인위적으로 조절할 수 있다. ** 생물직교성 무동 클릭화학(Bioorthogonal copper-free click chemistry) : 아자이드와 알킨기가 구리 촉매 없이 특이적으로 결합되는 현상. 독성이 있는 구리 촉매를 사용하지 않기 때문에 세포나 생체 독성이 없고 기존 반응보다 반응속도가 빠르다. 연구팀은 이 기술을 이용한 뇌졸중 동물모델 실험을 통해 근적외선 형광영상 및 MRI 영상을 통해 14일 간에 걸쳐 장기간 안정적으로 관찰할 수 있었다. 이는 새로 개발된 복합조영제 나노입자 및 줄기세포 표지기술이 줄기세포의 전분화능 손실과 세포 독성 발현을 최소화했기 때문에 가능한 것이다. KIST 김광명 박사는 “이번에 개발한 줄기세포 표지 및 추적기술은 뇌에 이식한 줄기세포의 치료 효과를 고감도 복합영상으로 장기간 추적할 수 있게 하는 기술”이라며 “향후 뇌 질환용 줄기세포 치료제 개발과 효능 예측에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 전망된다”고 밝혔다. 한편 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 글로벌연구실사업 및 KIST 기관고유사업의 지원으로 수행되었으며, 관련 논문은 연구 성과의 파급력을 인정받아 재료·화학 분야 세계적 권위의 학술지 ‘ACS Nano’ (IF:13.903, JCR 분야 상위 6%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Dual-Modal Imaging-Guided Precise Tracking of Bioorthogonally Labeled Mesenchymal Stem Cells in Mouse Brain Stroke - (제1저자) 한국과학기술연구원 임승호 연구원 - (제1저자) 한국과학기술연구원 윤홍열 박사 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김광명 박사 - (교신저자) 동국대학교 의과대학 김동억 박사 <그림설명> [그림 1] 복합조영제 나노입자가 표지된 줄기세포의 추적 영상 기술의 모식도 간편하고 안전한 표지를 위해 당대사공학 및 생물직교성 무동 클릭화학을 이용하여 줄기세포 표면에 인공적으로 표적 가능한 화학수용체 형성 및 고감도 형광/자기공명 영상화를 위한 복합조영제 나노입자 표지기술. 이를 뇌졸중 모델의 뇌에 이식 후 줄기세포의 추적 영상화 모식도 [그림 2] 형광/자기공명 복합 영상을 이용한 줄기세포 추적 영상 당대사공학 및 생물직교성 무동 클릭화학을 이용해 표지된 줄기세포의 생체 내 이식 후 형광/자기공명 복합 영상을 이용한 줄기세포 추적 영상. 줄기세포의 이식 후 시간에 따라 뇌졸중 병변으로 줄기세포의 신호가 이동하는 것을 확인할 수 있음.

- 암의 에너지 대사를 방해, 폐암 세포 성장 저해하는 신규 화합물 발굴 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 화학키노믹스센터 심태보 센터장 연구팀은 암 세포의 에너지 생성을 교란하여 폐암세포의 성장을 저해함으로써 암 억제 효과를 가지는 신규 항암물질을 발굴했다고 밝혔다. 종양세포는 급속한 성장과 분열을 하는데, 일반적인 정상 세포와는 다르게 젖산 발효를 통한 에너지 생성을 선호한다. 종양세포는 당의 대사산물인 피루브산*을 미토콘드리아로 보내지 않고, 젖산염으로 변환하여 에너지를 생산한다. 이는 암과 정상 세포의 큰 차이점 중 하나이기 때문에, 이를 공략하면 정상 세포에 영향을 미치지 않고 선택적으로 암세포를 공격할 수 있다. *피루브산 : 생물체 내에서 포도당이 연소하여 에너지로 변할 때 생기는 중간 물질 KIST 연구진은 ‘피루브산 탈수소효소 키나아제(PDHK)’** 효소의 활동을 저해하는 신규 화합물을 발굴했다. ‘피루브산 탈수소효소 키나아제(PDHK)’ 효소는 당 대사산물인 피루브산이 미토콘드리아로 들어가는 것을 방해함으로써 젖산 발효를 유도하는 효소이다. 이 효소는 위암, 피부암, 폐암 등 다양한 암에서 과발현되는 것으로 알려져 있어, 이 효소의 활동을 방해하면 젖산 발효로 에너지를 생성하는 암세포의 성장을 저해할 수 있다. **피루브산 탈수소효소 키나아제(PDHK) : 피루브산이 산화적 인산화 경로로 들어가는 것을 차단하여 젖산 발효를 유도하는데 기여하는 효소 KIST 연구진은 수많은 효소의 일종인 키나아제*** 중에서 PDHK만을 선택적으로 강하게 저해하는 신규 화합물을 발굴했다. 본 화합물은 기존의 PDHK 저해제보다 폐암과 전립선암 세포의 성장 저해능력과 암세포 사멸 효과가 매우 뛰어나고, 암세포의 미토콘드리아 기능을 저해하고 에너지 생성 방법을 변화시키는 등의 방법으로 항암효과를 보이는 것을 확인하였다. ***키나아제 : 인산전달효소라고 하며 인산기전이효소의 총칭. 또한, KIST 연구진이 개발한 신규 PDHK 저해제는 정상 세포에 영향을 적게 주면서도 암세포만을 선택적으로 공격할 수 있어서, 세포독성 항암제의 부작용을 경감시킬 수 있다. 기존의 세포독성 항암제와 함께 투여하면 폐암 세포의 성장 저해와 세포 사멸 효과를 증가시킬 수 있음을 확인했다. KIST 심태보 박사는 “암 뿐만 아니라, 당뇨와 같이 PDHK 때문에 발생하는 질환들의 치료제에 활용될 수 있다”고 말하며, “아직까지 약물로 승인받은 PDHK 저해제는 전무하기 때문에 ‘first-in-class’ 신약 탐색연구가 성공하게 되면 큰 사회·경제적 파급효과를 가져올 것으로 기대한다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영)의 지원을 받아 KIST 주요사업으로 수행되었으며, 「Journal of Medicinal Chemistry」 (IF: 6.05, JCR 분야 상위 4.09%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Identification of Novel Resorcinol Amide Derivatives as Potent and Specific Pyruvate Dehydrogenase Kinase (PDHK) Inhibitors - (제 1저자) 한국과학기술연구원 조한나 연구원(박사과정) - (제 1저자) 한국과학기술연구원 신인재 연구원(박사과정) - (교신저자) 한국과학기술연구원 심태보 책임연구원 <그림설명> [그림 1] (A) PDHK 저해제의 작용기전, 암세포는 피루브산을 아세틸-coA로 전환하는 PDC 복합체 (E1,E2,E3)를 억제함으로써, 젖산 발효를 유도하는데, 이때 관여하는 효소가 PDHK이다. 본 PDHK저해제는 PDHK의 활성을 저해하여 피루브산이 정상적인 에너지 대사에 사용될 수 있도록 도와준다. (B) 336개의 키나아제들 중에서 본 저해제에 의해서 저해되는 키아나제들을 붉은색 원으로 표시하였다. 본 저해제는 336개 키나아제들 중에서 PDHK1,2,3,4만을 선택적으로 저해한다. (C) 본 PDHK 저해제를 처리한 전립선 암세포주에서 미토콘드리아의 기능 저하가 관찰되었다. 미토콘드리아의 기능이 정상일 때는 JC-1이 monomer (초록색)이 관찰되지 않지만, 미코톤드리아 세포막의 전하가 비정상적으로 변하면 붉은색형광이 관찰된다.