간단한 제조공정으로 다기능 그래핀 나노복합구조 양자점 합성 기술 개발 - 고효율 유기 태양전지 소자 기술 응용 적용 - 유기태양전지 효율 증가, 비용 절감 및 안전성 획기적 개선으로 상용화에 한 발 다가서 태양광을 전기 에너지로 바꾸는 태양전지는 화석 에너지의 고갈과 청정 에너지원의 필요성이 부각되면서 차세대 대체 에너지원으로서 각광 받고 있다. 현재 태양전지는 실리콘계 태양전지가 주로 생산되고 있으나 복잡한 제작공정 및 높은 재료 가격으로 인하여 경제성 확보에 어려움을 겪고 있다. 이에 반해, 유기태양전지는 기존 실리콘계 태양전지와 달리 가공이 쉽고 재료가 다양하며, 가격 또한 저렴하여 경제성이 높다. 그러나 상대적으로 빛을 전기로 바꾸는 광전 변환 효율이 낮고 오래 사용할 경우 안정성이 떨어져 상용화에 어려움이 있었다. 국내 연구진이 기능화된 탄소기반 양자점 단일층을 효과적으로 도입하여 유기태양전지의 안정성 및 광전 변환 효율을 획기적으로 개선한 태양전지를 개발했다. 이러한 이점을 통해 태양전지의 전기적인 성능과 다기능한 역할로 기존보다 약 17.8%이상 효율을 증가함과 동시에 광 에너지 전환 효율(power conversion efficiency: PEC)은 최대 10.3%의 효율을 얻었고, 안정성도 개선됨을 확인하였다. 그래핀 표면에 기능화 형성을 위한 합성을 하였고, 이를 통해, 유기용매 분산도를 높이고 고분자(PEIE)층과 더욱 강한 전기적 결합으로 인해 박막 형성 시 균일한 단일층을 형성할 수 있다. 기존의 금속산화물에 전기전도도가 우수한 그래핀을 껍질로써 감싸고 이를 화학적으로 기능화를 시켜주게 되면 유기용매 분산도가 향상되고, 표면 개질 고분자 층위에 코팅하게 되면 거칠기(roughness)또한 줄어들게 되므로 이는 균일한 박막이 형성되는데 도움을 준다. 이는 ITO전극에 표면개질 고분자만 존재했을 때 보다 일함수가 낮아져 생성된 전하가 빠르게 이동할 수 있다. 한국과학기술연구원(KIST) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 양자응용복합소재센터 손동익 박사 연구팀은 유기태양전지의 표면 개질 고분자 층(PEIE) 표면 위에 ‘기능화된 산화아연-그래핀 양자점’을 수 나노미터 두께인 단일층으로 처리하여, 광전환 효율을 증대시키고, 소자의 안정성을 강화한 유무기 하이브리드 구조의 유기태양전지를 개발했다. 일반적으로 유기태양전지에서 태양광을 흡수하여 전자(Electron)와 정공(Hole)을 형성하는 광활성층(Active layer)이라 불리는 유기물층 (PTB7 혹은 PTB7-Th 고분자 물질)은 태양광을 받아 전자를 내놓는 ‘전자주게물질’(Donor)과 전자를 받아서 전극으로 전달해주는 ‘전자받게물질’ (Acceptor; PCBM: 탄소나노물질)의 혼합층 (탄소복합구조)으로 이루어져 있다. 하지만, 태양전지의 효율 및 안정성을 보장하기 위해서는 몇 가지의 원활한 소자구동을 위한 전자수송층(eletron transport layer), 정공수송층(hole transport layer), 전자주입층(eletron injection layer), 정공주입층(hole imjection layer) 등이 도입되어야한다. 연구팀은 또한 기존의 표면 개질 고분자층(PEIE)을 사용한 구조에서는 ITO(Indium tin oxide:투명전극)전극의 일함수를 낮춰주고 태양전지의 전기적 성능을 증가시켜주는 역할을 해주는 데에만 그쳤으나, 광활성층에서 나오는 전하를 효과적으로 이동시켜줄 수 있도록 전자수송층을 도입하였고, 기존에 사용된 자외선 영역의 파장을 가지는 넓은 밴드갭의 금속 산화물 나노입자(ZnO)는 전자 수송층으로만 사용했었기 때문에 효율을 향상시키기에는 많은 제약이 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 기존의 금속산화물에 전기전도도가 우수한 그래핀을 껍질로써 감싸고 이를 화학적으로 기능화를 시켜주게 되면 유기용매 분산도가 향상되고, 도 좋아지며 표면 개질 고분자 층위에 코팅하게 되면 거칠기(roughness)또한 줄어들게 되므로 이는 균일한 박막이 형성되는데 도움을 준다. 이는 ITO전극에 표면개질 고분자만 존재했을 때 보다 일함수가 낮아져 생성된 전하가 빠르게 이동할 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 이점을 통해 태양전지의 전기적인 성능과 다기능한 역할로 기존보다 약 17.8%이상 효율을 증가함과 동시에 안정성도 개선됨을 확인하였다. ※ 밴드갭 : 전자가 존재하는 에너지 레벨과 전자가 존재하지 않는 에너지 레벨의 사이의 차이 ※ 일함수 : 특정한 고체 표면에서 한 개의 전자를 외부로 빼내는데 필요 <그림 1> 개발된 ‘기능화된 산화아연-그래핀 양자점 단일층’은 단순한 용액공정을 통하여 쉽고 빠르게 형성할 수 있고, 기존의 산화아연-그래핀 양자점보다 우수한 단일층 형성을 보이며 효과적으로 광활성층에서 생성된 전자가 전극으로 원활하게 이동하는 것에 도움을 주게 되어 태양전지의 광전 변환 효율의 증대를 가져 오게 된다. <그림 2> 기존 그래핀 표면에는 존재하지 않는 ？NH 또는 ？NR 기능기 (Yellow: ZnO, Black: Carbon, Red: Oxygen, Grey: Hydrogen, Blue: Nitrogen, Green: Alkyl group(-C7H15))가 옥틸아민(Octylamine)을 통해 그래핀 표면에 형성 됨으로써 유기용매 분산도를 높이고 PEIE층과 더욱 강한 전기적 결합으로 인해 박막 형성 시 균일한 단일층을 형성하고 이를 통해 증가된 태양전지의 효율과 안정성에 기여 하였다. <그림 3> (a)에서 볼수 있듯, 기능화된 산화아연-그래핀 양자점을 소자로 제작하기 위해 단일층으로 형성시킨 역구조 솔라셀 구조로 형성내며, (b)와 같이 솔라셀 소자에서 기능화된 산화아연-그래핀 양자점이 단일층으로 형성된 형상을 투과전자현미경(Transmission Electron Microscope: TEM)으로 단일층 구조체의 단면을 측정하여 확인하였다. 이 구조체를 통해서 유기용매 분산도도 좋아지며 표면 개질 고분자 층위에 코팅하게 되면 거칠기(roughness)또한 줄어들게 되고 이는 태양전지소자의 활성 폴리머 물질이 균일한 박막이 형성되는데 도움을 주게 되고, 이는 ITO전극에 표면개질 고분자(PEIE)만 존재했을 때 보다 일함수가 낮아져 생성된 전하가 빠르게 이동할 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 이점을 통해 태양전지의 전기적인 성능과 다기능한 역할로 기존보다 레퍼런스 대비 약 17.8%이상 효율을 증가함과 동시에 안정성도 개선됨을 확인하였다. <그림 4> 이러한 효과로 기능화된 산화아연 그래핀 양자점 단일층을 이용하여 제작된 역구조 유기태양전지의 특성은 태양전지소자의 광 에너지 전환 효율(power conversion efficiency: PEC)은 최대 10.3% 이상 증가 하였고, 양자점 단일층에 의해 형성된 역구조 유기태양전지는 대기와 접촉에서 안정성 증가 확보가 가능하므로, 기능화된 양자점 없는 소자와 비교해서 효율의 안정성이 94%까지 유지되는 것을 보여주는 데이터이다. KIST 손동익 박사는 “기능화된 산화아연-나노카본 양자점을 이용하여 기존 전자수송층 뿐만 아니라, 다양한 기능의 특성을 통해서 광에너지 전환 효율을 향상시키고, 솔라셀 폴리머 물질과의 계면 인터페이스 또한 우수하여 유기태양전지의 내구성을 획기적으로 개선시킨다”며, “후속으로 연구 중인 나노카본을 기반으로 한 금속 물질 복합구조 양자점을 사용한다면 유기태양전지의 상업화에 크게 기여할 것으로 보인다”고 말했다. 본 연구는 미래창조과학부가 지원하는 KIST 기관고유연구사업으로 수행되었으며, 이번 연구 성과는 에너지재료 분야의 권위지인 나노에너지(Nano energy)에 "Enhanced Photovoltaic Performance of Inverted Polymer Solar Cells utilizing Versatile Chemically Functionalized ZnO@graphene Quantum dot Monolayer"의 제목으로 2016년 1월 14일에 온라인판으로 게재되었다.

간단한 제조공정으로 다기능 그래핀 나노복합구조 양자점 합성 기술 개발 - 고효율 유기 태양전지 소자 기술 응용 적용 - 유기태양전지 효율 증가, 비용 절감 및 안전성 획기적 개선으로 상용화에 한 발 다가서 태양광을 전기 에너지로 바꾸는 태양전지는 화석 에너지의 고갈과 청정 에너지원의 필요성이 부각되면서 차세대 대체 에너지원으로서 각광 받고 있다. 현재 태양전지는 실리콘계 태양전지가 주로 생산되고 있으나 복잡한 제작공정 및 높은 재료 가격으로 인하여 경제성 확보에 어려움을 겪고 있다. 이에 반해, 유기태양전지는 기존 실리콘계 태양전지와 달리 가공이 쉽고 재료가 다양하며, 가격 또한 저렴하여 경제성이 높다. 그러나 상대적으로 빛을 전기로 바꾸는 광전 변환 효율이 낮고 오래 사용할 경우 안정성이 떨어져 상용화에 어려움이 있었다. 국내 연구진이 기능화된 탄소기반 양자점 단일층을 효과적으로 도입하여 유기태양전지의 안정성 및 광전 변환 효율을 획기적으로 개선한 태양전지를 개발했다. 이러한 이점을 통해 태양전지의 전기적인 성능과 다기능한 역할로 기존보다 약 17.8%이상 효율을 증가함과 동시에 광 에너지 전환 효율(power conversion efficiency: PEC)은 최대 10.3%의 효율을 얻었고, 안정성도 개선됨을 확인하였다. 그래핀 표면에 기능화 형성을 위한 합성을 하였고, 이를 통해, 유기용매 분산도를 높이고 고분자(PEIE)층과 더욱 강한 전기적 결합으로 인해 박막 형성 시 균일한 단일층을 형성할 수 있다. 기존의 금속산화물에 전기전도도가 우수한 그래핀을 껍질로써 감싸고 이를 화학적으로 기능화를 시켜주게 되면 유기용매 분산도가 향상되고, 표면 개질 고분자 층위에 코팅하게 되면 거칠기(roughness)또한 줄어들게 되므로 이는 균일한 박막이 형성되는데 도움을 준다. 이는 ITO전극에 표면개질 고분자만 존재했을 때 보다 일함수가 낮아져 생성된 전하가 빠르게 이동할 수 있다. 한국과학기술연구원(KIST) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 양자응용복합소재센터 손동익 박사 연구팀은 유기태양전지의 표면 개질 고분자 층(PEIE) 표면 위에 ‘기능화된 산화아연-그래핀 양자점’을 수 나노미터 두께인 단일층으로 처리하여, 광전환 효율을 증대시키고, 소자의 안정성을 강화한 유무기 하이브리드 구조의 유기태양전지를 개발했다. 일반적으로 유기태양전지에서 태양광을 흡수하여 전자(Electron)와 정공(Hole)을 형성하는 광활성층(Active layer)이라 불리는 유기물층 (PTB7 혹은 PTB7-Th 고분자 물질)은 태양광을 받아 전자를 내놓는 ‘전자주게물질’(Donor)과 전자를 받아서 전극으로 전달해주는 ‘전자받게물질’ (Acceptor; PCBM: 탄소나노물질)의 혼합층 (탄소복합구조)으로 이루어져 있다. 하지만, 태양전지의 효율 및 안정성을 보장하기 위해서는 몇 가지의 원활한 소자구동을 위한 전자수송층(eletron transport layer), 정공수송층(hole transport layer), 전자주입층(eletron injection layer), 정공주입층(hole imjection layer) 등이 도입되어야한다. 연구팀은 또한 기존의 표면 개질 고분자층(PEIE)을 사용한 구조에서는 ITO(Indium tin oxide:투명전극)전극의 일함수를 낮춰주고 태양전지의 전기적 성능을 증가시켜주는 역할을 해주는 데에만 그쳤으나, 광활성층에서 나오는 전하를 효과적으로 이동시켜줄 수 있도록 전자수송층을 도입하였고, 기존에 사용된 자외선 영역의 파장을 가지는 넓은 밴드갭의 금속 산화물 나노입자(ZnO)는 전자 수송층으로만 사용했었기 때문에 효율을 향상시키기에는 많은 제약이 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 기존의 금속산화물에 전기전도도가 우수한 그래핀을 껍질로써 감싸고 이를 화학적으로 기능화를 시켜주게 되면 유기용매 분산도가 향상되고, 도 좋아지며 표면 개질 고분자 층위에 코팅하게 되면 거칠기(roughness)또한 줄어들게 되므로 이는 균일한 박막이 형성되는데 도움을 준다. 이는 ITO전극에 표면개질 고분자만 존재했을 때 보다 일함수가 낮아져 생성된 전하가 빠르게 이동할 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 이점을 통해 태양전지의 전기적인 성능과 다기능한 역할로 기존보다 약 17.8%이상 효율을 증가함과 동시에 안정성도 개선됨을 확인하였다. ※ 밴드갭 : 전자가 존재하는 에너지 레벨과 전자가 존재하지 않는 에너지 레벨의 사이의 차이 ※ 일함수 : 특정한 고체 표면에서 한 개의 전자를 외부로 빼내는데 필요 <그림 1> 개발된 ‘기능화된 산화아연-그래핀 양자점 단일층’은 단순한 용액공정을 통하여 쉽고 빠르게 형성할 수 있고, 기존의 산화아연-그래핀 양자점보다 우수한 단일층 형성을 보이며 효과적으로 광활성층에서 생성된 전자가 전극으로 원활하게 이동하는 것에 도움을 주게 되어 태양전지의 광전 변환 효율의 증대를 가져 오게 된다. <그림 2> 기존 그래핀 표면에는 존재하지 않는 ？NH 또는 ？NR 기능기 (Yellow: ZnO, Black: Carbon, Red: Oxygen, Grey: Hydrogen, Blue: Nitrogen, Green: Alkyl group(-C7H15))가 옥틸아민(Octylamine)을 통해 그래핀 표면에 형성 됨으로써 유기용매 분산도를 높이고 PEIE층과 더욱 강한 전기적 결합으로 인해 박막 형성 시 균일한 단일층을 형성하고 이를 통해 증가된 태양전지의 효율과 안정성에 기여 하였다. <그림 3> (a)에서 볼수 있듯, 기능화된 산화아연-그래핀 양자점을 소자로 제작하기 위해 단일층으로 형성시킨 역구조 솔라셀 구조로 형성내며, (b)와 같이 솔라셀 소자에서 기능화된 산화아연-그래핀 양자점이 단일층으로 형성된 형상을 투과전자현미경(Transmission Electron Microscope: TEM)으로 단일층 구조체의 단면을 측정하여 확인하였다. 이 구조체를 통해서 유기용매 분산도도 좋아지며 표면 개질 고분자 층위에 코팅하게 되면 거칠기(roughness)또한 줄어들게 되고 이는 태양전지소자의 활성 폴리머 물질이 균일한 박막이 형성되는데 도움을 주게 되고, 이는 ITO전극에 표면개질 고분자(PEIE)만 존재했을 때 보다 일함수가 낮아져 생성된 전하가 빠르게 이동할 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 이점을 통해 태양전지의 전기적인 성능과 다기능한 역할로 기존보다 레퍼런스 대비 약 17.8%이상 효율을 증가함과 동시에 안정성도 개선됨을 확인하였다. <그림 4> 이러한 효과로 기능화된 산화아연 그래핀 양자점 단일층을 이용하여 제작된 역구조 유기태양전지의 특성은 태양전지소자의 광 에너지 전환 효율(power conversion efficiency: PEC)은 최대 10.3% 이상 증가 하였고, 양자점 단일층에 의해 형성된 역구조 유기태양전지는 대기와 접촉에서 안정성 증가 확보가 가능하므로, 기능화된 양자점 없는 소자와 비교해서 효율의 안정성이 94%까지 유지되는 것을 보여주는 데이터이다. KIST 손동익 박사는 “기능화된 산화아연-나노카본 양자점을 이용하여 기존 전자수송층 뿐만 아니라, 다양한 기능의 특성을 통해서 광에너지 전환 효율을 향상시키고, 솔라셀 폴리머 물질과의 계면 인터페이스 또한 우수하여 유기태양전지의 내구성을 획기적으로 개선시킨다”며, “후속으로 연구 중인 나노카본을 기반으로 한 금속 물질 복합구조 양자점을 사용한다면 유기태양전지의 상업화에 크게 기여할 것으로 보인다”고 말했다. 본 연구는 미래창조과학부가 지원하는 KIST 기관고유연구사업으로 수행되었으며, 이번 연구 성과는 에너지재료 분야의 권위지인 나노에너지(Nano energy)에 "Enhanced Photovoltaic Performance of Inverted Polymer Solar Cells utilizing Versatile Chemically Functionalized ZnO@graphene Quantum dot Monolayer"의 제목으로 2016년 1월 14일에 온라인판으로 게재되었다.

간단한 제조공정으로 다기능 그래핀 나노복합구조 양자점 합성 기술 개발 - 고효율 유기 태양전지 소자 기술 응용 적용 - 유기태양전지 효율 증가, 비용 절감 및 안전성 획기적 개선으로 상용화에 한 발 다가서 태양광을 전기 에너지로 바꾸는 태양전지는 화석 에너지의 고갈과 청정 에너지원의 필요성이 부각되면서 차세대 대체 에너지원으로서 각광 받고 있다. 현재 태양전지는 실리콘계 태양전지가 주로 생산되고 있으나 복잡한 제작공정 및 높은 재료 가격으로 인하여 경제성 확보에 어려움을 겪고 있다. 이에 반해, 유기태양전지는 기존 실리콘계 태양전지와 달리 가공이 쉽고 재료가 다양하며, 가격 또한 저렴하여 경제성이 높다. 그러나 상대적으로 빛을 전기로 바꾸는 광전 변환 효율이 낮고 오래 사용할 경우 안정성이 떨어져 상용화에 어려움이 있었다. 국내 연구진이 기능화된 탄소기반 양자점 단일층을 효과적으로 도입하여 유기태양전지의 안정성 및 광전 변환 효율을 획기적으로 개선한 태양전지를 개발했다. 이러한 이점을 통해 태양전지의 전기적인 성능과 다기능한 역할로 기존보다 약 17.8%이상 효율을 증가함과 동시에 광 에너지 전환 효율(power conversion efficiency: PEC)은 최대 10.3%의 효율을 얻었고, 안정성도 개선됨을 확인하였다. 그래핀 표면에 기능화 형성을 위한 합성을 하였고, 이를 통해, 유기용매 분산도를 높이고 고분자(PEIE)층과 더욱 강한 전기적 결합으로 인해 박막 형성 시 균일한 단일층을 형성할 수 있다. 기존의 금속산화물에 전기전도도가 우수한 그래핀을 껍질로써 감싸고 이를 화학적으로 기능화를 시켜주게 되면 유기용매 분산도가 향상되고, 표면 개질 고분자 층위에 코팅하게 되면 거칠기(roughness)또한 줄어들게 되므로 이는 균일한 박막이 형성되는데 도움을 준다. 이는 ITO전극에 표면개질 고분자만 존재했을 때 보다 일함수가 낮아져 생성된 전하가 빠르게 이동할 수 있다. 한국과학기술연구원(KIST) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 양자응용복합소재센터 손동익 박사 연구팀은 유기태양전지의 표면 개질 고분자 층(PEIE) 표면 위에 ‘기능화된 산화아연-그래핀 양자점’을 수 나노미터 두께인 단일층으로 처리하여, 광전환 효율을 증대시키고, 소자의 안정성을 강화한 유무기 하이브리드 구조의 유기태양전지를 개발했다. 일반적으로 유기태양전지에서 태양광을 흡수하여 전자(Electron)와 정공(Hole)을 형성하는 광활성층(Active layer)이라 불리는 유기물층 (PTB7 혹은 PTB7-Th 고분자 물질)은 태양광을 받아 전자를 내놓는 ‘전자주게물질’(Donor)과 전자를 받아서 전극으로 전달해주는 ‘전자받게물질’ (Acceptor; PCBM: 탄소나노물질)의 혼합층 (탄소복합구조)으로 이루어져 있다. 하지만, 태양전지의 효율 및 안정성을 보장하기 위해서는 몇 가지의 원활한 소자구동을 위한 전자수송층(eletron transport layer), 정공수송층(hole transport layer), 전자주입층(eletron injection layer), 정공주입층(hole imjection layer) 등이 도입되어야한다. 연구팀은 또한 기존의 표면 개질 고분자층(PEIE)을 사용한 구조에서는 ITO(Indium tin oxide:투명전극)전극의 일함수를 낮춰주고 태양전지의 전기적 성능을 증가시켜주는 역할을 해주는 데에만 그쳤으나, 광활성층에서 나오는 전하를 효과적으로 이동시켜줄 수 있도록 전자수송층을 도입하였고, 기존에 사용된 자외선 영역의 파장을 가지는 넓은 밴드갭의 금속 산화물 나노입자(ZnO)는 전자 수송층으로만 사용했었기 때문에 효율을 향상시키기에는 많은 제약이 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 기존의 금속산화물에 전기전도도가 우수한 그래핀을 껍질로써 감싸고 이를 화학적으로 기능화를 시켜주게 되면 유기용매 분산도가 향상되고, 도 좋아지며 표면 개질 고분자 층위에 코팅하게 되면 거칠기(roughness)또한 줄어들게 되므로 이는 균일한 박막이 형성되는데 도움을 준다. 이는 ITO전극에 표면개질 고분자만 존재했을 때 보다 일함수가 낮아져 생성된 전하가 빠르게 이동할 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 이점을 통해 태양전지의 전기적인 성능과 다기능한 역할로 기존보다 약 17.8%이상 효율을 증가함과 동시에 안정성도 개선됨을 확인하였다. ※ 밴드갭 : 전자가 존재하는 에너지 레벨과 전자가 존재하지 않는 에너지 레벨의 사이의 차이 ※ 일함수 : 특정한 고체 표면에서 한 개의 전자를 외부로 빼내는데 필요 <그림 1> 개발된 ‘기능화된 산화아연-그래핀 양자점 단일층’은 단순한 용액공정을 통하여 쉽고 빠르게 형성할 수 있고, 기존의 산화아연-그래핀 양자점보다 우수한 단일층 형성을 보이며 효과적으로 광활성층에서 생성된 전자가 전극으로 원활하게 이동하는 것에 도움을 주게 되어 태양전지의 광전 변환 효율의 증대를 가져 오게 된다. <그림 2> 기존 그래핀 표면에는 존재하지 않는 ？NH 또는 ？NR 기능기 (Yellow: ZnO, Black: Carbon, Red: Oxygen, Grey: Hydrogen, Blue: Nitrogen, Green: Alkyl group(-C7H15))가 옥틸아민(Octylamine)을 통해 그래핀 표면에 형성 됨으로써 유기용매 분산도를 높이고 PEIE층과 더욱 강한 전기적 결합으로 인해 박막 형성 시 균일한 단일층을 형성하고 이를 통해 증가된 태양전지의 효율과 안정성에 기여 하였다. <그림 3> (a)에서 볼수 있듯, 기능화된 산화아연-그래핀 양자점을 소자로 제작하기 위해 단일층으로 형성시킨 역구조 솔라셀 구조로 형성내며, (b)와 같이 솔라셀 소자에서 기능화된 산화아연-그래핀 양자점이 단일층으로 형성된 형상을 투과전자현미경(Transmission Electron Microscope: TEM)으로 단일층 구조체의 단면을 측정하여 확인하였다. 이 구조체를 통해서 유기용매 분산도도 좋아지며 표면 개질 고분자 층위에 코팅하게 되면 거칠기(roughness)또한 줄어들게 되고 이는 태양전지소자의 활성 폴리머 물질이 균일한 박막이 형성되는데 도움을 주게 되고, 이는 ITO전극에 표면개질 고분자(PEIE)만 존재했을 때 보다 일함수가 낮아져 생성된 전하가 빠르게 이동할 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 이점을 통해 태양전지의 전기적인 성능과 다기능한 역할로 기존보다 레퍼런스 대비 약 17.8%이상 효율을 증가함과 동시에 안정성도 개선됨을 확인하였다. <그림 4> 이러한 효과로 기능화된 산화아연 그래핀 양자점 단일층을 이용하여 제작된 역구조 유기태양전지의 특성은 태양전지소자의 광 에너지 전환 효율(power conversion efficiency: PEC)은 최대 10.3% 이상 증가 하였고, 양자점 단일층에 의해 형성된 역구조 유기태양전지는 대기와 접촉에서 안정성 증가 확보가 가능하므로, 기능화된 양자점 없는 소자와 비교해서 효율의 안정성이 94%까지 유지되는 것을 보여주는 데이터이다. KIST 손동익 박사는 “기능화된 산화아연-나노카본 양자점을 이용하여 기존 전자수송층 뿐만 아니라, 다양한 기능의 특성을 통해서 광에너지 전환 효율을 향상시키고, 솔라셀 폴리머 물질과의 계면 인터페이스 또한 우수하여 유기태양전지의 내구성을 획기적으로 개선시킨다”며, “후속으로 연구 중인 나노카본을 기반으로 한 금속 물질 복합구조 양자점을 사용한다면 유기태양전지의 상업화에 크게 기여할 것으로 보인다”고 말했다. 본 연구는 미래창조과학부가 지원하는 KIST 기관고유연구사업으로 수행되었으며, 이번 연구 성과는 에너지재료 분야의 권위지인 나노에너지(Nano energy)에 "Enhanced Photovoltaic Performance of Inverted Polymer Solar Cells utilizing Versatile Chemically Functionalized ZnO@graphene Quantum dot Monolayer"의 제목으로 2016년 1월 14일에 온라인판으로 게재되었다.

국민권익위원회 부패신고자 보호보상 안내 홍보 리플렛

2016. 2. 2(화) 국민권익위원회가 각급기관 대상 배포한 '2016년도 반부패.청렴정책 추진지침' 입니다.

심장질환, 차세대 염증억제 약물방출 스텐트로 해결한다 - 무독성 세라믹 나노입자를 이용한 비약물 염증억제 시스템 개발 - 획기적 염증 억제와 재협착을 방지하는 관상동맥용 약물방출 고성능 나노표면 스텐트 개발 전 세계 사망 원인의 1위가 심장혈관 질환으로, 2012년 기준 전체 사망자 수의 약 31%인 1,750만 여명이 심장혈관질환으로 목숨을 잃었으며 이 중 관상동맥질환으로 인한 사망자 수는 740만 명에 달한다. 국내에서의도 심장질환은 암에 이은 2번째로 높은 사망원인으로 매년 환자수가 꾸준히 증가하고 있으며, 2012년 기준 국내의 관상동맥질환 환자 수는 2003년 50만명에 비해 58.4%가 증가된 79만명으로 집계되었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 생체재료연구단 한동근 박사 연구팀(이하 연구팀)은 기존의 관상동맥용 약물방출 스텐트(drug-eluting stent, DES)의 표면에 pH 중화 기능을 가진 수산화마그네슘 무독성 세라믹입자를 코팅하여 염증을 획기적으로 억제하고 재협착을 방지하는 심장 관상동맥용 약물방출 스텐트를 세계 최초로 개발했다. 초기 금속스텐트(bare metal stent, BMS)는 비흡수성 금속소재로 제작되어 스텐트 삽입술 후 혈관 평활근세포의 증식에 의한 재협착의 부작용을 보였다. 이후 약물이 코팅된 약물방출 스텐트가 개발되어 재협착은 기존 금속 스텐트에 비해서 현저하게 줄었으나, 약물방출 스텐트 표면에 코팅된 고분자와 약물로 인해서 수년 후혈액이 응고되는 후기 혈전증 문제가 새롭게 제기되었다. 따라서 금속 스텐트와 약물방출 스텐트의 문제점을 모두 해결한 이상적인 스텐트는 개발되지 않은 상황이었다. 일반적으로 스텐트 이식 후 시간이 지남에 따라 코팅된 생분해성 고분자가 분해되면서 분해산물인 산성 단량체(작은 단위체)가 생성되는데, 이로 인해 pH가 산성화되면서 혈관 주변 조직세포의 괴사가 일어나고 그 결과 염증이 발생하여 재협착이 가속화된다. KIST 한동근 박사 연구팀은 이러한 혈관 내 염증을 현저히 억제하여 재협착을 방지하는 심근경색 치료용 차세대 관상동맥 약물방출 스텐트를 개발하였다. 본 연구팀은 제산제나 연하제 등에 이용되고 있는 염기성 수산화마그네슘 세라믹입자[Mg(OH)2]의 pH 중화 효과에 주목하였다. 염기성 수산화마그네슘 세라믹 입자를 첨가했을 경우, 산성화된 혈관 내 환경의 pH가 중화되고, 조직세포가 그대로 생존하여 괴사를 막아 염증을 억제함을 밝혀냈다. 기존에 염증억제를 위한 대표적인 약물인 ‘덱사메타손’을 첨가한 스텐트가 연구되었지만 약물의 심한 부작용으로 인하여 상품화되지 못했다. 대조적으로 생체적합성 세라믹 입자는 인체에 무해하고, 약물과 다르게 생체 내에서 분해되어 오히려 이로운 마그네슘 이온이 되는 장점을 가지고 있다. 또한 이러한 기능을 가진 수산화마그네슘 세라믹입자의 표면을 항염증 효과를 지닌 지방산과 생분해성 고분자로 개질함으로써 pH 중화뿐만 아니라 코팅 매트릭스 고분자의 기계적 물성 개선에도 효과를 보이는 수산화마그네슘 비약물 나노입자를 개발하였다. 연구팀은 개발된 비 약물 나노입자가 함유된 약물방출 스텐트의 염증 억제 및 혈관 내 재협착 방지 효과를 생체 내 검증하기 위해 전남대병원 순환기내과 정명호 교수팀과 공동 연구하여 돼지를 이용한 동물실험을 실시하였다. 그 결과, 기존 스텐트에 비해 염증이 90%이상 감소하였고, 이로 인해 협착률도 3배 이상 감소하였다. 개발된 염증억제 기술은 스텐트뿐만 아니라 생분해성 고분자를 이용한 거의 모든 의료용 이식소재에 확대 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 협심증 및 심근경색 환자의 심장 관상동맥이 막히거나 좁아졌을 때 시술하는 약물방출 스텐트 삽입술은 2014년 국내 기준 약 3천억원 이상에 육박하는 시술이 시행되었다. 국내 관상동맥용 스텐트 시장의 성장률은 식생활의 서구화 및 고지혈증과 같은 심장 질환의 증가로 급속도로 상승하고 있다. 따라서 스텐트 원천기술 확보 및 개발은 노령화 사회에 대응하는 미래첨단융합기술로 발전할 전망이다. 스텐트 제품의 경우 다국적 기업의 기술 및 상품 수입에 따른 기술의 종속화 이전에 차세대 핵심 기술이 확보되면 이를 통해 국제 경쟁에서 우위 선점이 가능하다. 연구팀은 “2015년 현재 혈관 스텐트의 세계 시장은 연간 10조원, 국내 시장은 4,000억원으로 추정되지만 스텐트는 우리나라 수입 의료용품 중 그간 1위 품목으로 수입 의존도가 높기 때문에 선진국과의 기술 격차를 좁히고, 국산화를 위한 지속적인 원천기술 개발과 지원이 필요하다”고 강조했다. 또한, 연구팀은 “이번에 개발된 약물방출제어 나노표면 스텐트는 차세대 미래형 스텐트 국산화 및 실용화에 크게 기여를 할 것이다”라고 밝혔다. 연구팀은 2008년부터 현재까지 관상동맥용 약물방출 스텐트 개발에 관한 미래창조과학부의 미래유망 융합기술 파이오니어사업으로 진행되었으며, 사업 수행기간 중 염증억제 기술을 포함한 원천 핵심기술을 연구·개발하여 다수의 국내외 특허등록을 받았으며, Small(IF=8.368) 등 국제 저명학술지에 논문을 게재한 바 있다. 또한 본 연구 결과는 “심장 관상동맥용 약물방출 스텐트 표면개질” 기술로 2015년 ㈜바이오알파(유현승 대표)에 기술 이전하여 고성능 나노표면 제어 차세대 약물방출 스텐트의 실용화 및 국산화가 진행 중이다. 향후 추가 전임상 동물실험 및 임상실험은 전남대학교 심장센터와 진행할 예정이며, 이 기술은 앞으로 2년 이내에 상품화가 가능할 것으로 전망된다. <그림자료> ○ 개발된 약물방출 스텐트의 염증억제 작용기전을 나타낸 그림. ○ 조직세포가 괴사되고 염증이 발생하는 기존 스텐트와 대조적으로, 약물방출 스텐트에 약물과 함께 코팅에 사용된 염기성 수산화마그네슘 세라믹 입자가 생분해성 고분자가 분해되면서 생성되는 산성 단량체에 의해 낮은 pH로 산성화된 주변 환경을 중화시킴으로써 조직세포의 괴사를 막고 염증을 효과적으로 억제하는 것을 확인함. ○ pH 중화 나노입자의 제조방법 및 특성을 나타낸 그림. ○ 자체의 pH 중화효과를 가지고 있는 수산화마그네슘 세라믹입자에 항염증 효과를 보이는 것으로 알려진 지방산인 리시놀레산(ricinoleic acid, RA)과 생분해성 고분자로 표면을 개질하여 최종적으로 pH 중화효과 뿐만 아니라 기계적 물성향상 효과도 보이는 수산화마그네슘 세라믹입자를 개발함. 이러한 표면개질된 나노입자도 pH 중화효과뿐만 아니라 세포를 죽이지 않고 염증도 현저하게 저하시킴을 확인함. ○ 기존의 약물방출 스텐트와 비교하여, 수산화마그네슘 세라믹 나노입자를 포함한 개발 스텐트의 우수한 염증억제 효과와 현저히 낮은 재협착률을 보여주는 4주 돼지 동물실험 결과임. ○ 개발된 스텐트가 기존 스텐트에 비해 90% 이상 염증이 감소하였고, 3배 이상의 협착률 감소를 보임. 이 결과로부터 기존 스텐트에 비해 개발 스텐트에서 염증이 거의 일어나지 않고 재협착 발생도 대폭 감소하는 것을 재확인할 수 있음.

심장질환, 차세대 염증억제 약물방출 스텐트로 해결한다 - 무독성 세라믹 나노입자를 이용한 비약물 염증억제 시스템 개발 - 획기적 염증 억제와 재협착을 방지하는 관상동맥용 약물방출 고성능 나노표면 스텐트 개발 전 세계 사망 원인의 1위가 심장혈관 질환으로, 2012년 기준 전체 사망자 수의 약 31%인 1,750만 여명이 심장혈관질환으로 목숨을 잃었으며 이 중 관상동맥질환으로 인한 사망자 수는 740만 명에 달한다. 국내에서의도 심장질환은 암에 이은 2번째로 높은 사망원인으로 매년 환자수가 꾸준히 증가하고 있으며, 2012년 기준 국내의 관상동맥질환 환자 수는 2003년 50만명에 비해 58.4%가 증가된 79만명으로 집계되었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 생체재료연구단 한동근 박사 연구팀(이하 연구팀)은 기존의 관상동맥용 약물방출 스텐트(drug-eluting stent, DES)의 표면에 pH 중화 기능을 가진 수산화마그네슘 무독성 세라믹입자를 코팅하여 염증을 획기적으로 억제하고 재협착을 방지하는 심장 관상동맥용 약물방출 스텐트를 세계 최초로 개발했다. 초기 금속스텐트(bare metal stent, BMS)는 비흡수성 금속소재로 제작되어 스텐트 삽입술 후 혈관 평활근세포의 증식에 의한 재협착의 부작용을 보였다. 이후 약물이 코팅된 약물방출 스텐트가 개발되어 재협착은 기존 금속 스텐트에 비해서 현저하게 줄었으나, 약물방출 스텐트 표면에 코팅된 고분자와 약물로 인해서 수년 후혈액이 응고되는 후기 혈전증 문제가 새롭게 제기되었다. 따라서 금속 스텐트와 약물방출 스텐트의 문제점을 모두 해결한 이상적인 스텐트는 개발되지 않은 상황이었다. 일반적으로 스텐트 이식 후 시간이 지남에 따라 코팅된 생분해성 고분자가 분해되면서 분해산물인 산성 단량체(작은 단위체)가 생성되는데, 이로 인해 pH가 산성화되면서 혈관 주변 조직세포의 괴사가 일어나고 그 결과 염증이 발생하여 재협착이 가속화된다. KIST 한동근 박사 연구팀은 이러한 혈관 내 염증을 현저히 억제하여 재협착을 방지하는 심근경색 치료용 차세대 관상동맥 약물방출 스텐트를 개발하였다. 본 연구팀은 제산제나 연하제 등에 이용되고 있는 염기성 수산화마그네슘 세라믹입자[Mg(OH)2]의 pH 중화 효과에 주목하였다. 염기성 수산화마그네슘 세라믹 입자를 첨가했을 경우, 산성화된 혈관 내 환경의 pH가 중화되고, 조직세포가 그대로 생존하여 괴사를 막아 염증을 억제함을 밝혀냈다. 기존에 염증억제를 위한 대표적인 약물인 ‘덱사메타손’을 첨가한 스텐트가 연구되었지만 약물의 심한 부작용으로 인하여 상품화되지 못했다. 대조적으로 생체적합성 세라믹 입자는 인체에 무해하고, 약물과 다르게 생체 내에서 분해되어 오히려 이로운 마그네슘 이온이 되는 장점을 가지고 있다. 또한 이러한 기능을 가진 수산화마그네슘 세라믹입자의 표면을 항염증 효과를 지닌 지방산과 생분해성 고분자로 개질함으로써 pH 중화뿐만 아니라 코팅 매트릭스 고분자의 기계적 물성 개선에도 효과를 보이는 수산화마그네슘 비약물 나노입자를 개발하였다. 연구팀은 개발된 비 약물 나노입자가 함유된 약물방출 스텐트의 염증 억제 및 혈관 내 재협착 방지 효과를 생체 내 검증하기 위해 전남대병원 순환기내과 정명호 교수팀과 공동 연구하여 돼지를 이용한 동물실험을 실시하였다. 그 결과, 기존 스텐트에 비해 염증이 90%이상 감소하였고, 이로 인해 협착률도 3배 이상 감소하였다. 개발된 염증억제 기술은 스텐트뿐만 아니라 생분해성 고분자를 이용한 거의 모든 의료용 이식소재에 확대 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 협심증 및 심근경색 환자의 심장 관상동맥이 막히거나 좁아졌을 때 시술하는 약물방출 스텐트 삽입술은 2014년 국내 기준 약 3천억원 이상에 육박하는 시술이 시행되었다. 국내 관상동맥용 스텐트 시장의 성장률은 식생활의 서구화 및 고지혈증과 같은 심장 질환의 증가로 급속도로 상승하고 있다. 따라서 스텐트 원천기술 확보 및 개발은 노령화 사회에 대응하는 미래첨단융합기술로 발전할 전망이다. 스텐트 제품의 경우 다국적 기업의 기술 및 상품 수입에 따른 기술의 종속화 이전에 차세대 핵심 기술이 확보되면 이를 통해 국제 경쟁에서 우위 선점이 가능하다. 연구팀은 “2015년 현재 혈관 스텐트의 세계 시장은 연간 10조원, 국내 시장은 4,000억원으로 추정되지만 스텐트는 우리나라 수입 의료용품 중 그간 1위 품목으로 수입 의존도가 높기 때문에 선진국과의 기술 격차를 좁히고, 국산화를 위한 지속적인 원천기술 개발과 지원이 필요하다”고 강조했다. 또한, 연구팀은 “이번에 개발된 약물방출제어 나노표면 스텐트는 차세대 미래형 스텐트 국산화 및 실용화에 크게 기여를 할 것이다”라고 밝혔다. 연구팀은 2008년부터 현재까지 관상동맥용 약물방출 스텐트 개발에 관한 미래창조과학부의 미래유망 융합기술 파이오니어사업으로 진행되었으며, 사업 수행기간 중 염증억제 기술을 포함한 원천 핵심기술을 연구·개발하여 다수의 국내외 특허등록을 받았으며, Small(IF=8.368) 등 국제 저명학술지에 논문을 게재한 바 있다. 또한 본 연구 결과는 “심장 관상동맥용 약물방출 스텐트 표면개질” 기술로 2015년 ㈜바이오알파(유현승 대표)에 기술 이전하여 고성능 나노표면 제어 차세대 약물방출 스텐트의 실용화 및 국산화가 진행 중이다. 향후 추가 전임상 동물실험 및 임상실험은 전남대학교 심장센터와 진행할 예정이며, 이 기술은 앞으로 2년 이내에 상품화가 가능할 것으로 전망된다. <그림자료> ○ 개발된 약물방출 스텐트의 염증억제 작용기전을 나타낸 그림. ○ 조직세포가 괴사되고 염증이 발생하는 기존 스텐트와 대조적으로, 약물방출 스텐트에 약물과 함께 코팅에 사용된 염기성 수산화마그네슘 세라믹 입자가 생분해성 고분자가 분해되면서 생성되는 산성 단량체에 의해 낮은 pH로 산성화된 주변 환경을 중화시킴으로써 조직세포의 괴사를 막고 염증을 효과적으로 억제하는 것을 확인함. ○ pH 중화 나노입자의 제조방법 및 특성을 나타낸 그림. ○ 자체의 pH 중화효과를 가지고 있는 수산화마그네슘 세라믹입자에 항염증 효과를 보이는 것으로 알려진 지방산인 리시놀레산(ricinoleic acid, RA)과 생분해성 고분자로 표면을 개질하여 최종적으로 pH 중화효과 뿐만 아니라 기계적 물성향상 효과도 보이는 수산화마그네슘 세라믹입자를 개발함. 이러한 표면개질된 나노입자도 pH 중화효과뿐만 아니라 세포를 죽이지 않고 염증도 현저하게 저하시킴을 확인함. ○ 기존의 약물방출 스텐트와 비교하여, 수산화마그네슘 세라믹 나노입자를 포함한 개발 스텐트의 우수한 염증억제 효과와 현저히 낮은 재협착률을 보여주는 4주 돼지 동물실험 결과임. ○ 개발된 스텐트가 기존 스텐트에 비해 90% 이상 염증이 감소하였고, 3배 이상의 협착률 감소를 보임. 이 결과로부터 기존 스텐트에 비해 개발 스텐트에서 염증이 거의 일어나지 않고 재협착 발생도 대폭 감소하는 것을 재확인할 수 있음.

심장질환, 차세대 염증억제 약물방출 스텐트로 해결한다 - 무독성 세라믹 나노입자를 이용한 비약물 염증억제 시스템 개발 - 획기적 염증 억제와 재협착을 방지하는 관상동맥용 약물방출 고성능 나노표면 스텐트 개발 전 세계 사망 원인의 1위가 심장혈관 질환으로, 2012년 기준 전체 사망자 수의 약 31%인 1,750만 여명이 심장혈관질환으로 목숨을 잃었으며 이 중 관상동맥질환으로 인한 사망자 수는 740만 명에 달한다. 국내에서의도 심장질환은 암에 이은 2번째로 높은 사망원인으로 매년 환자수가 꾸준히 증가하고 있으며, 2012년 기준 국내의 관상동맥질환 환자 수는 2003년 50만명에 비해 58.4%가 증가된 79만명으로 집계되었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 생체재료연구단 한동근 박사 연구팀(이하 연구팀)은 기존의 관상동맥용 약물방출 스텐트(drug-eluting stent, DES)의 표면에 pH 중화 기능을 가진 수산화마그네슘 무독성 세라믹입자를 코팅하여 염증을 획기적으로 억제하고 재협착을 방지하는 심장 관상동맥용 약물방출 스텐트를 세계 최초로 개발했다. 초기 금속스텐트(bare metal stent, BMS)는 비흡수성 금속소재로 제작되어 스텐트 삽입술 후 혈관 평활근세포의 증식에 의한 재협착의 부작용을 보였다. 이후 약물이 코팅된 약물방출 스텐트가 개발되어 재협착은 기존 금속 스텐트에 비해서 현저하게 줄었으나, 약물방출 스텐트 표면에 코팅된 고분자와 약물로 인해서 수년 후혈액이 응고되는 후기 혈전증 문제가 새롭게 제기되었다. 따라서 금속 스텐트와 약물방출 스텐트의 문제점을 모두 해결한 이상적인 스텐트는 개발되지 않은 상황이었다. 일반적으로 스텐트 이식 후 시간이 지남에 따라 코팅된 생분해성 고분자가 분해되면서 분해산물인 산성 단량체(작은 단위체)가 생성되는데, 이로 인해 pH가 산성화되면서 혈관 주변 조직세포의 괴사가 일어나고 그 결과 염증이 발생하여 재협착이 가속화된다. KIST 한동근 박사 연구팀은 이러한 혈관 내 염증을 현저히 억제하여 재협착을 방지하는 심근경색 치료용 차세대 관상동맥 약물방출 스텐트를 개발하였다. 본 연구팀은 제산제나 연하제 등에 이용되고 있는 염기성 수산화마그네슘 세라믹입자[Mg(OH)2]의 pH 중화 효과에 주목하였다. 염기성 수산화마그네슘 세라믹 입자를 첨가했을 경우, 산성화된 혈관 내 환경의 pH가 중화되고, 조직세포가 그대로 생존하여 괴사를 막아 염증을 억제함을 밝혀냈다. 기존에 염증억제를 위한 대표적인 약물인 ‘덱사메타손’을 첨가한 스텐트가 연구되었지만 약물의 심한 부작용으로 인하여 상품화되지 못했다. 대조적으로 생체적합성 세라믹 입자는 인체에 무해하고, 약물과 다르게 생체 내에서 분해되어 오히려 이로운 마그네슘 이온이 되는 장점을 가지고 있다. 또한 이러한 기능을 가진 수산화마그네슘 세라믹입자의 표면을 항염증 효과를 지닌 지방산과 생분해성 고분자로 개질함으로써 pH 중화뿐만 아니라 코팅 매트릭스 고분자의 기계적 물성 개선에도 효과를 보이는 수산화마그네슘 비약물 나노입자를 개발하였다. 연구팀은 개발된 비 약물 나노입자가 함유된 약물방출 스텐트의 염증 억제 및 혈관 내 재협착 방지 효과를 생체 내 검증하기 위해 전남대병원 순환기내과 정명호 교수팀과 공동 연구하여 돼지를 이용한 동물실험을 실시하였다. 그 결과, 기존 스텐트에 비해 염증이 90%이상 감소하였고, 이로 인해 협착률도 3배 이상 감소하였다. 개발된 염증억제 기술은 스텐트뿐만 아니라 생분해성 고분자를 이용한 거의 모든 의료용 이식소재에 확대 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 협심증 및 심근경색 환자의 심장 관상동맥이 막히거나 좁아졌을 때 시술하는 약물방출 스텐트 삽입술은 2014년 국내 기준 약 3천억원 이상에 육박하는 시술이 시행되었다. 국내 관상동맥용 스텐트 시장의 성장률은 식생활의 서구화 및 고지혈증과 같은 심장 질환의 증가로 급속도로 상승하고 있다. 따라서 스텐트 원천기술 확보 및 개발은 노령화 사회에 대응하는 미래첨단융합기술로 발전할 전망이다. 스텐트 제품의 경우 다국적 기업의 기술 및 상품 수입에 따른 기술의 종속화 이전에 차세대 핵심 기술이 확보되면 이를 통해 국제 경쟁에서 우위 선점이 가능하다. 연구팀은 “2015년 현재 혈관 스텐트의 세계 시장은 연간 10조원, 국내 시장은 4,000억원으로 추정되지만 스텐트는 우리나라 수입 의료용품 중 그간 1위 품목으로 수입 의존도가 높기 때문에 선진국과의 기술 격차를 좁히고, 국산화를 위한 지속적인 원천기술 개발과 지원이 필요하다”고 강조했다. 또한, 연구팀은 “이번에 개발된 약물방출제어 나노표면 스텐트는 차세대 미래형 스텐트 국산화 및 실용화에 크게 기여를 할 것이다”라고 밝혔다. 연구팀은 2008년부터 현재까지 관상동맥용 약물방출 스텐트 개발에 관한 미래창조과학부의 미래유망 융합기술 파이오니어사업으로 진행되었으며, 사업 수행기간 중 염증억제 기술을 포함한 원천 핵심기술을 연구·개발하여 다수의 국내외 특허등록을 받았으며, Small(IF=8.368) 등 국제 저명학술지에 논문을 게재한 바 있다. 또한 본 연구 결과는 “심장 관상동맥용 약물방출 스텐트 표면개질” 기술로 2015년 ㈜바이오알파(유현승 대표)에 기술 이전하여 고성능 나노표면 제어 차세대 약물방출 스텐트의 실용화 및 국산화가 진행 중이다. 향후 추가 전임상 동물실험 및 임상실험은 전남대학교 심장센터와 진행할 예정이며, 이 기술은 앞으로 2년 이내에 상품화가 가능할 것으로 전망된다. <그림자료> ○ 개발된 약물방출 스텐트의 염증억제 작용기전을 나타낸 그림. ○ 조직세포가 괴사되고 염증이 발생하는 기존 스텐트와 대조적으로, 약물방출 스텐트에 약물과 함께 코팅에 사용된 염기성 수산화마그네슘 세라믹 입자가 생분해성 고분자가 분해되면서 생성되는 산성 단량체에 의해 낮은 pH로 산성화된 주변 환경을 중화시킴으로써 조직세포의 괴사를 막고 염증을 효과적으로 억제하는 것을 확인함. ○ pH 중화 나노입자의 제조방법 및 특성을 나타낸 그림. ○ 자체의 pH 중화효과를 가지고 있는 수산화마그네슘 세라믹입자에 항염증 효과를 보이는 것으로 알려진 지방산인 리시놀레산(ricinoleic acid, RA)과 생분해성 고분자로 표면을 개질하여 최종적으로 pH 중화효과 뿐만 아니라 기계적 물성향상 효과도 보이는 수산화마그네슘 세라믹입자를 개발함. 이러한 표면개질된 나노입자도 pH 중화효과뿐만 아니라 세포를 죽이지 않고 염증도 현저하게 저하시킴을 확인함. ○ 기존의 약물방출 스텐트와 비교하여, 수산화마그네슘 세라믹 나노입자를 포함한 개발 스텐트의 우수한 염증억제 효과와 현저히 낮은 재협착률을 보여주는 4주 돼지 동물실험 결과임. ○ 개발된 스텐트가 기존 스텐트에 비해 90% 이상 염증이 감소하였고, 3배 이상의 협착률 감소를 보임. 이 결과로부터 기존 스텐트에 비해 개발 스텐트에서 염증이 거의 일어나지 않고 재협착 발생도 대폭 감소하는 것을 재확인할 수 있음.

심장질환, 차세대 염증억제 약물방출 스텐트로 해결한다 - 무독성 세라믹 나노입자를 이용한 비약물 염증억제 시스템 개발 - 획기적 염증 억제와 재협착을 방지하는 관상동맥용 약물방출 고성능 나노표면 스텐트 개발 전 세계 사망 원인의 1위가 심장혈관 질환으로, 2012년 기준 전체 사망자 수의 약 31%인 1,750만 여명이 심장혈관질환으로 목숨을 잃었으며 이 중 관상동맥질환으로 인한 사망자 수는 740만 명에 달한다. 국내에서의도 심장질환은 암에 이은 2번째로 높은 사망원인으로 매년 환자수가 꾸준히 증가하고 있으며, 2012년 기준 국내의 관상동맥질환 환자 수는 2003년 50만명에 비해 58.4%가 증가된 79만명으로 집계되었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 생체재료연구단 한동근 박사 연구팀(이하 연구팀)은 기존의 관상동맥용 약물방출 스텐트(drug-eluting stent, DES)의 표면에 pH 중화 기능을 가진 수산화마그네슘 무독성 세라믹입자를 코팅하여 염증을 획기적으로 억제하고 재협착을 방지하는 심장 관상동맥용 약물방출 스텐트를 세계 최초로 개발했다. 초기 금속스텐트(bare metal stent, BMS)는 비흡수성 금속소재로 제작되어 스텐트 삽입술 후 혈관 평활근세포의 증식에 의한 재협착의 부작용을 보였다. 이후 약물이 코팅된 약물방출 스텐트가 개발되어 재협착은 기존 금속 스텐트에 비해서 현저하게 줄었으나, 약물방출 스텐트 표면에 코팅된 고분자와 약물로 인해서 수년 후혈액이 응고되는 후기 혈전증 문제가 새롭게 제기되었다. 따라서 금속 스텐트와 약물방출 스텐트의 문제점을 모두 해결한 이상적인 스텐트는 개발되지 않은 상황이었다. 일반적으로 스텐트 이식 후 시간이 지남에 따라 코팅된 생분해성 고분자가 분해되면서 분해산물인 산성 단량체(작은 단위체)가 생성되는데, 이로 인해 pH가 산성화되면서 혈관 주변 조직세포의 괴사가 일어나고 그 결과 염증이 발생하여 재협착이 가속화된다. KIST 한동근 박사 연구팀은 이러한 혈관 내 염증을 현저히 억제하여 재협착을 방지하는 심근경색 치료용 차세대 관상동맥 약물방출 스텐트를 개발하였다. 본 연구팀은 제산제나 연하제 등에 이용되고 있는 염기성 수산화마그네슘 세라믹입자[Mg(OH)2]의 pH 중화 효과에 주목하였다. 염기성 수산화마그네슘 세라믹 입자를 첨가했을 경우, 산성화된 혈관 내 환경의 pH가 중화되고, 조직세포가 그대로 생존하여 괴사를 막아 염증을 억제함을 밝혀냈다. 기존에 염증억제를 위한 대표적인 약물인 ‘덱사메타손’을 첨가한 스텐트가 연구되었지만 약물의 심한 부작용으로 인하여 상품화되지 못했다. 대조적으로 생체적합성 세라믹 입자는 인체에 무해하고, 약물과 다르게 생체 내에서 분해되어 오히려 이로운 마그네슘 이온이 되는 장점을 가지고 있다. 또한 이러한 기능을 가진 수산화마그네슘 세라믹입자의 표면을 항염증 효과를 지닌 지방산과 생분해성 고분자로 개질함으로써 pH 중화뿐만 아니라 코팅 매트릭스 고분자의 기계적 물성 개선에도 효과를 보이는 수산화마그네슘 비약물 나노입자를 개발하였다. 연구팀은 개발된 비 약물 나노입자가 함유된 약물방출 스텐트의 염증 억제 및 혈관 내 재협착 방지 효과를 생체 내 검증하기 위해 전남대병원 순환기내과 정명호 교수팀과 공동 연구하여 돼지를 이용한 동물실험을 실시하였다. 그 결과, 기존 스텐트에 비해 염증이 90%이상 감소하였고, 이로 인해 협착률도 3배 이상 감소하였다. 개발된 염증억제 기술은 스텐트뿐만 아니라 생분해성 고분자를 이용한 거의 모든 의료용 이식소재에 확대 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 협심증 및 심근경색 환자의 심장 관상동맥이 막히거나 좁아졌을 때 시술하는 약물방출 스텐트 삽입술은 2014년 국내 기준 약 3천억원 이상에 육박하는 시술이 시행되었다. 국내 관상동맥용 스텐트 시장의 성장률은 식생활의 서구화 및 고지혈증과 같은 심장 질환의 증가로 급속도로 상승하고 있다. 따라서 스텐트 원천기술 확보 및 개발은 노령화 사회에 대응하는 미래첨단융합기술로 발전할 전망이다. 스텐트 제품의 경우 다국적 기업의 기술 및 상품 수입에 따른 기술의 종속화 이전에 차세대 핵심 기술이 확보되면 이를 통해 국제 경쟁에서 우위 선점이 가능하다. 연구팀은 “2015년 현재 혈관 스텐트의 세계 시장은 연간 10조원, 국내 시장은 4,000억원으로 추정되지만 스텐트는 우리나라 수입 의료용품 중 그간 1위 품목으로 수입 의존도가 높기 때문에 선진국과의 기술 격차를 좁히고, 국산화를 위한 지속적인 원천기술 개발과 지원이 필요하다”고 강조했다. 또한, 연구팀은 “이번에 개발된 약물방출제어 나노표면 스텐트는 차세대 미래형 스텐트 국산화 및 실용화에 크게 기여를 할 것이다”라고 밝혔다. 연구팀은 2008년부터 현재까지 관상동맥용 약물방출 스텐트 개발에 관한 미래창조과학부의 미래유망 융합기술 파이오니어사업으로 진행되었으며, 사업 수행기간 중 염증억제 기술을 포함한 원천 핵심기술을 연구·개발하여 다수의 국내외 특허등록을 받았으며, Small(IF=8.368) 등 국제 저명학술지에 논문을 게재한 바 있다. 또한 본 연구 결과는 “심장 관상동맥용 약물방출 스텐트 표면개질” 기술로 2015년 ㈜바이오알파(유현승 대표)에 기술 이전하여 고성능 나노표면 제어 차세대 약물방출 스텐트의 실용화 및 국산화가 진행 중이다. 향후 추가 전임상 동물실험 및 임상실험은 전남대학교 심장센터와 진행할 예정이며, 이 기술은 앞으로 2년 이내에 상품화가 가능할 것으로 전망된다. <그림자료> ○ 개발된 약물방출 스텐트의 염증억제 작용기전을 나타낸 그림. ○ 조직세포가 괴사되고 염증이 발생하는 기존 스텐트와 대조적으로, 약물방출 스텐트에 약물과 함께 코팅에 사용된 염기성 수산화마그네슘 세라믹 입자가 생분해성 고분자가 분해되면서 생성되는 산성 단량체에 의해 낮은 pH로 산성화된 주변 환경을 중화시킴으로써 조직세포의 괴사를 막고 염증을 효과적으로 억제하는 것을 확인함. ○ pH 중화 나노입자의 제조방법 및 특성을 나타낸 그림. ○ 자체의 pH 중화효과를 가지고 있는 수산화마그네슘 세라믹입자에 항염증 효과를 보이는 것으로 알려진 지방산인 리시놀레산(ricinoleic acid, RA)과 생분해성 고분자로 표면을 개질하여 최종적으로 pH 중화효과 뿐만 아니라 기계적 물성향상 효과도 보이는 수산화마그네슘 세라믹입자를 개발함. 이러한 표면개질된 나노입자도 pH 중화효과뿐만 아니라 세포를 죽이지 않고 염증도 현저하게 저하시킴을 확인함. ○ 기존의 약물방출 스텐트와 비교하여, 수산화마그네슘 세라믹 나노입자를 포함한 개발 스텐트의 우수한 염증억제 효과와 현저히 낮은 재협착률을 보여주는 4주 돼지 동물실험 결과임. ○ 개발된 스텐트가 기존 스텐트에 비해 90% 이상 염증이 감소하였고, 3배 이상의 협착률 감소를 보임. 이 결과로부터 기존 스텐트에 비해 개발 스텐트에서 염증이 거의 일어나지 않고 재협착 발생도 대폭 감소하는 것을 재확인할 수 있음.

심장질환, 차세대 염증억제 약물방출 스텐트로 해결한다 - 무독성 세라믹 나노입자를 이용한 비약물 염증억제 시스템 개발 - 획기적 염증 억제와 재협착을 방지하는 관상동맥용 약물방출 고성능 나노표면 스텐트 개발 전 세계 사망 원인의 1위가 심장혈관 질환으로, 2012년 기준 전체 사망자 수의 약 31%인 1,750만 여명이 심장혈관질환으로 목숨을 잃었으며 이 중 관상동맥질환으로 인한 사망자 수는 740만 명에 달한다. 국내에서의도 심장질환은 암에 이은 2번째로 높은 사망원인으로 매년 환자수가 꾸준히 증가하고 있으며, 2012년 기준 국내의 관상동맥질환 환자 수는 2003년 50만명에 비해 58.4%가 증가된 79만명으로 집계되었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 생체재료연구단 한동근 박사 연구팀(이하 연구팀)은 기존의 관상동맥용 약물방출 스텐트(drug-eluting stent, DES)의 표면에 pH 중화 기능을 가진 수산화마그네슘 무독성 세라믹입자를 코팅하여 염증을 획기적으로 억제하고 재협착을 방지하는 심장 관상동맥용 약물방출 스텐트를 세계 최초로 개발했다. 초기 금속스텐트(bare metal stent, BMS)는 비흡수성 금속소재로 제작되어 스텐트 삽입술 후 혈관 평활근세포의 증식에 의한 재협착의 부작용을 보였다. 이후 약물이 코팅된 약물방출 스텐트가 개발되어 재협착은 기존 금속 스텐트에 비해서 현저하게 줄었으나, 약물방출 스텐트 표면에 코팅된 고분자와 약물로 인해서 수년 후혈액이 응고되는 후기 혈전증 문제가 새롭게 제기되었다. 따라서 금속 스텐트와 약물방출 스텐트의 문제점을 모두 해결한 이상적인 스텐트는 개발되지 않은 상황이었다. 일반적으로 스텐트 이식 후 시간이 지남에 따라 코팅된 생분해성 고분자가 분해되면서 분해산물인 산성 단량체(작은 단위체)가 생성되는데, 이로 인해 pH가 산성화되면서 혈관 주변 조직세포의 괴사가 일어나고 그 결과 염증이 발생하여 재협착이 가속화된다. KIST 한동근 박사 연구팀은 이러한 혈관 내 염증을 현저히 억제하여 재협착을 방지하는 심근경색 치료용 차세대 관상동맥 약물방출 스텐트를 개발하였다. 본 연구팀은 제산제나 연하제 등에 이용되고 있는 염기성 수산화마그네슘 세라믹입자[Mg(OH)2]의 pH 중화 효과에 주목하였다. 염기성 수산화마그네슘 세라믹 입자를 첨가했을 경우, 산성화된 혈관 내 환경의 pH가 중화되고, 조직세포가 그대로 생존하여 괴사를 막아 염증을 억제함을 밝혀냈다. 기존에 염증억제를 위한 대표적인 약물인 ‘덱사메타손’을 첨가한 스텐트가 연구되었지만 약물의 심한 부작용으로 인하여 상품화되지 못했다. 대조적으로 생체적합성 세라믹 입자는 인체에 무해하고, 약물과 다르게 생체 내에서 분해되어 오히려 이로운 마그네슘 이온이 되는 장점을 가지고 있다. 또한 이러한 기능을 가진 수산화마그네슘 세라믹입자의 표면을 항염증 효과를 지닌 지방산과 생분해성 고분자로 개질함으로써 pH 중화뿐만 아니라 코팅 매트릭스 고분자의 기계적 물성 개선에도 효과를 보이는 수산화마그네슘 비약물 나노입자를 개발하였다. 연구팀은 개발된 비 약물 나노입자가 함유된 약물방출 스텐트의 염증 억제 및 혈관 내 재협착 방지 효과를 생체 내 검증하기 위해 전남대병원 순환기내과 정명호 교수팀과 공동 연구하여 돼지를 이용한 동물실험을 실시하였다. 그 결과, 기존 스텐트에 비해 염증이 90%이상 감소하였고, 이로 인해 협착률도 3배 이상 감소하였다. 개발된 염증억제 기술은 스텐트뿐만 아니라 생분해성 고분자를 이용한 거의 모든 의료용 이식소재에 확대 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 협심증 및 심근경색 환자의 심장 관상동맥이 막히거나 좁아졌을 때 시술하는 약물방출 스텐트 삽입술은 2014년 국내 기준 약 3천억원 이상에 육박하는 시술이 시행되었다. 국내 관상동맥용 스텐트 시장의 성장률은 식생활의 서구화 및 고지혈증과 같은 심장 질환의 증가로 급속도로 상승하고 있다. 따라서 스텐트 원천기술 확보 및 개발은 노령화 사회에 대응하는 미래첨단융합기술로 발전할 전망이다. 스텐트 제품의 경우 다국적 기업의 기술 및 상품 수입에 따른 기술의 종속화 이전에 차세대 핵심 기술이 확보되면 이를 통해 국제 경쟁에서 우위 선점이 가능하다. 연구팀은 “2015년 현재 혈관 스텐트의 세계 시장은 연간 10조원, 국내 시장은 4,000억원으로 추정되지만 스텐트는 우리나라 수입 의료용품 중 그간 1위 품목으로 수입 의존도가 높기 때문에 선진국과의 기술 격차를 좁히고, 국산화를 위한 지속적인 원천기술 개발과 지원이 필요하다”고 강조했다. 또한, 연구팀은 “이번에 개발된 약물방출제어 나노표면 스텐트는 차세대 미래형 스텐트 국산화 및 실용화에 크게 기여를 할 것이다”라고 밝혔다. 연구팀은 2008년부터 현재까지 관상동맥용 약물방출 스텐트 개발에 관한 미래창조과학부의 미래유망 융합기술 파이오니어사업으로 진행되었으며, 사업 수행기간 중 염증억제 기술을 포함한 원천 핵심기술을 연구·개발하여 다수의 국내외 특허등록을 받았으며, Small(IF=8.368) 등 국제 저명학술지에 논문을 게재한 바 있다. 또한 본 연구 결과는 “심장 관상동맥용 약물방출 스텐트 표면개질” 기술로 2015년 ㈜바이오알파(유현승 대표)에 기술 이전하여 고성능 나노표면 제어 차세대 약물방출 스텐트의 실용화 및 국산화가 진행 중이다. 향후 추가 전임상 동물실험 및 임상실험은 전남대학교 심장센터와 진행할 예정이며, 이 기술은 앞으로 2년 이내에 상품화가 가능할 것으로 전망된다. <그림자료> ○ 개발된 약물방출 스텐트의 염증억제 작용기전을 나타낸 그림. ○ 조직세포가 괴사되고 염증이 발생하는 기존 스텐트와 대조적으로, 약물방출 스텐트에 약물과 함께 코팅에 사용된 염기성 수산화마그네슘 세라믹 입자가 생분해성 고분자가 분해되면서 생성되는 산성 단량체에 의해 낮은 pH로 산성화된 주변 환경을 중화시킴으로써 조직세포의 괴사를 막고 염증을 효과적으로 억제하는 것을 확인함. ○ pH 중화 나노입자의 제조방법 및 특성을 나타낸 그림. ○ 자체의 pH 중화효과를 가지고 있는 수산화마그네슘 세라믹입자에 항염증 효과를 보이는 것으로 알려진 지방산인 리시놀레산(ricinoleic acid, RA)과 생분해성 고분자로 표면을 개질하여 최종적으로 pH 중화효과 뿐만 아니라 기계적 물성향상 효과도 보이는 수산화마그네슘 세라믹입자를 개발함. 이러한 표면개질된 나노입자도 pH 중화효과뿐만 아니라 세포를 죽이지 않고 염증도 현저하게 저하시킴을 확인함. ○ 기존의 약물방출 스텐트와 비교하여, 수산화마그네슘 세라믹 나노입자를 포함한 개발 스텐트의 우수한 염증억제 효과와 현저히 낮은 재협착률을 보여주는 4주 돼지 동물실험 결과임. ○ 개발된 스텐트가 기존 스텐트에 비해 90% 이상 염증이 감소하였고, 3배 이상의 협착률 감소를 보임. 이 결과로부터 기존 스텐트에 비해 개발 스텐트에서 염증이 거의 일어나지 않고 재협착 발생도 대폭 감소하는 것을 재확인할 수 있음.