치매 전문가, 색다른 도전으로 뇌종양 치료에 변이와 내성 없는 신약 타겟 찾았다 - 단백질 ‘GRP78’*이 암 세포표면으로 이동하는 특이적 행동 규명 - 암 세포표면의 ‘GRP78’ 표적 시, 동시에 뇌종양의 전이억제와 치료가능 *단백질 ‘GRP78’ (포도당조절단백질(Glucose Regulated Protein 78 kDa)) : 분자량 78,000 포도당제어성 단백질 표적 항암치료제 ‘글리벡’은 정상세포에는 없고 암세포에만 있는 특이 유전자 변이를 찾아내고 암의 전이를 억제하는 "마법의 탄환(Magic Cancer Bullet)"이다. 하지만, 암세포가 새로운 유전자 변이를 만들 경우 내성이 생기고 표적항암제는 결국 무력화 되는 치명적인 단점이 있었다. 최근 KIST 연구진이 기존 표적항암제의 단점을 극복할 수 있는 획기적인 항암 치료전략을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 치매DTC융합연구단 김영수 박사팀은 뇌종양 발생 시, 평상시 세포 내부에만 존재하던 단백질 ‘GRP78’이 암세포표면으로 이동하여 과발현되며, 암의 전이를 조절하는 것을 세계 최초로 규명하였다. 연구진은 단백질 ‘GRP78’을 억제할 경우 뇌종양의 치료가 가능하다는 연구결과를 발표했다. 김영수 박사는 기존에 ‘혈액기반 치매진단시스템 개발’ 및 치매에 대한 괄목할만한 성과로 세간의 주목을 받았던 치매 전문가다. 김 박사는 치매 연구를 하는 동시에, 자율성을 보장, 색다르고 도전적인 연구를 위해 수행되는 KIST 기관고유사업 ‘KIST Young Fellowship’ 프로그램에 참여했다. 단순한 호기심에 의해 시작한 연구가 새로운 분야를 발굴하여 이와 같은 성과를 내었다. 연구팀은 임상 데이터 분석과 생쥐모델 연구를 통해 정상 뇌조직에 비하여 뇌종양 부위에서 단백질 ‘GRP78(Glucose Regulated Protein 78 kDa)’이 특이하게 과발현 되어있다는 점에 주목했다. 다양한 뇌종양 세포막을 분석한 결과, 신규 단백질의 접힘(Folding, 고유의 2차구조의 배치순서로 중첩을 통한 고차구조 형성)을 조절하는 열충격단백질(Heat Shock Protein, 열충격에 의해 합성이 유도되는 단백질)의 일종인 ‘GRP78’은 정상세포 내부에만 존재한다고 알려져 있었으나, 특이하게 뇌종양 암세포의 표면으로 이동하여 비이상적으로 발현된다. 연구진은 단백질 ‘GRP78’이 단순히 암세포를 정상세포로부터 구분하는 표지인자 역할 뿐만이 아니라, ‘GRP78’을 항체로 표적하여 억제 할 경우 암의 치료가 가능하다는 것을 밝혀냈다. 가장 흥미로운 점은, ‘GRP78’은 변이가 없다는 점이다. 암 특이성이 유전자 변이가 아닌 암세포막 발현 여부이기 때문에 유전자 변이에 의한 내성 문제를 피해갈 수 있다. 김영수 박사는 이번 연구를 통해 “단백질 ‘GRP78’은 전이가 되는 암의 표지인자이자 치료인자이다. 즉, 뇌종양의 전이억제와 치료가 동시에 가능하다. 특히 변이가 없기 때문에 내성이 없는 항암제의 개발을 전망하고 있다. 또한, 뇌종양은 대표적인 전이 암으로, 다른 종류의 전이 암도 ‘GRP78’ 표적항암전략으로 치료 가능할 것으로 예측하고 있다”고 말했다. 본 연구 결과는 세계적인 우수 과학 저널인 ‘Scientific Reports’에 10월 7일(금) 온라인 게재되었다. <관련자료> <그림1> 뇌종양에서의 GRP78 과발현 A) 임상 데이터, B) 세포 실험, C) 생쥐모델 실험을 통해 뇌종양 특이적으로 GRP78이 과발현 되는 점을 확인함. <그림 2> 뇌종양 세포 표면에 발현된 GRP78 정상세포에서는 세포 내부에만 존재하는 GRP78이 전이성이 높은 다양한 뇌종양 세포의 표면에 과발현 됨.

초저전력 소비하는 신개념 정보전자소재 기술개발 - 높은 전하이동도와 강한 스핀궤도 결합의 신개념 산화물 전자 소재 개발 - 산화물 전자소자-스핀트로닉스 융합으로 초저전력 정보소자 개발에 기여 정보 처리 및 저장 기기의 에너지 소비량이 폭발적으로 증가함에 따라 이를 해결하기 위한 새로운 전자 소재, 더 나아가서는 새로운 동작원리에 기반을 둔 신개념 정보 소자의 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 최근 국내 연구진이 정보처리기기에 사용되는 고성능 스핀(*용어 설명) 트랜지스터를 제작하는데 필요한 전자소재를 새로운 방식으로 개발하는데 성공했다 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 차세대반도체연구소 전자재료연구단 이수연 박사팀(제1저자 진현우 연구원)은 건국대, 가톨릭대, 서울대, 美 켄터키주립대와 공동연구를 통해 대표적 부도체 산화물인 스트론튬-타이타늄 산화물(SrTiO3)에 금속 원소인 나이오븀(Nb)을 주입(도핑)하여, 이 신개념 소재의 전기적 특성에 대한 연구를 진행하여, 기존 소재와는 달리 높은 전하 이동도(*용어 설명)와 함께 강한 스핀-궤도 결합(*용어 설명)을 가지고 있음을 규명하여 초저전력으로 제어가 용이한 산화물 기반 고성능 스핀 트랜지스터 개발 가능성을 앞당겼다. 기존의 트랜지스터에서 전하를 제어하기 위해 실리콘과 같은 반도체 소재가 필수적이었으나, 스핀 트랜지스터에서는 스핀의 분포 및 흐름을 제어하기 위한 소재의 개발이 필요하다. 스핀 트랜지스터 소재의 필요조건을 정리하면, (1) 높은 전하이동도, (2) 강한 스핀-궤도 결합이다. 첫 번째로 저항이 작아 스핀 정보를 잃지 않고 먼 거리까지 전달할 수 있도록 전하의 이동도가 커야하고, 두 번째로 스핀의 운동을 제어하기가 용이해야 한다. 스핀의 운동을 제어하는 방법으로 스핀-궤도 결합(Spin-orbit coupling, *용어 설명)을 이용하는데, 어떤 물질에 걸린 전압을 조정하여 전자의 운동을 제어하고, 이를 통해 다시 스핀 운동의 제어가 가능하다는 원리이다. 지금까지는 화합물 반도체(갈륨-비소 화합물(GaAs))와 같은 소자가 가장 활발히 연구되고 있었으나, 매우 높은 전하 이동도를 가지고 있는 반면 스핀-궤도 결합이 약하다는 단점을 가지고 있었다. 이수연 박사팀이 개발한 이 소재는 두 필요조건을 동시에 상당히 높은 수준으로 충족시켰다. 연구팀이 개발한 산화물 전자소재는 매우 다양한 전기적-자기적 특성을 가지는 산화물 재료의 기초 소재이다. 다시 말해, 개발된 소재는 다른 특성을 지닌 다양한 산화물 전자 소재와 결합하여 새롭고 우수한 성능을 가진 정보 소자를 개발할 수 있는 가능성을 넓힐 수 있다. 이수연 박사는 “본 연구 결과는 스핀트로닉스 분야에서 고성능 스핀 트랜지스터의 개발을 한 단계 앞당길 수 있을 것으로 기대한다. 또한 산화물 전자 소자 분야에서 다양한 기능성 산화물과의 접합을 통한 새로운 물리 현상을 관찰할 수 있는 토대를 제공하고, 새로운 동작 원리를 가진 신개념 정보 소자의 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.”라고 밝혔다. 신개념 정보 소자 개발 분야에서는 전자의 고유 자기적 특성인 스핀(Spin)을 정보 매개체로 이용하는 스핀트로닉스(스핀전자공학, Spintronics) 소자가 가장 가능성 높은 기술로 평가되고 있다. 스핀트로닉스 기술은 정보 저장 기술에 있어서는 하드 디스크 드라이브의 읽기 장치, 자성 메모리 (MRAM, magnetic random access memory) 등과 같이 이미 현실 생활에서 활발히 활용되고 있으며, 정보 처리를 위한 트랜지스터 및 논리-연산 소자에도 활용 범위를 넓히기 위한 연구가 매우 활발히 진행 중이다. 본 연구는 미래창조과학부의 지원으로 KIST 기관고유 Flagship/미래원천연구사업으로 수행되었으며, 10월 5일(수요일)자 Scientific Reports(IF: 5.228)에 온라인 게재되었다. <그림설명> <그림 1 > 나이오븀-타이타늄(Nb:SrTiO3) 산화물 (은색(Sr), 청색(Ti), 적색(O) 공으로 이루어진 격자 구조) 내에서 전자가 고유의 스핀을 가지고 빠른 속도로 움직이는 모습. - 전자(금색)가 빠른 속도로 움직이는 것을 규명하여 전하이동도가 높음을 밝혀냄. 이는 곧 저항이 거의 없다는 뜻으로 높은 전하이동도를 가지고 있음을 알수 있다. - 위, 아래 화살표로 인해 전자가 스핀의 정보를 유지한채 위,아래로 움직이는 것을 관찰하여 스핀궤도 결합이 강함을 규명. 이는 전자의 제어가 용이하다는 것을 알 수 있다. <그림 2> (a) 자기장 방향에 따른 자기 저항 곡선, 점선은 선형 fitting 곡선 (inset: 소자 및 전류-자기장의 방향을 보이기 위한 개념도) (b) 수직 자기장 하에서의 온도에 따른 자기 저항 곡선 - (a) 일반적인 재료에서의 자기저항곡선은 포물선(곡선) 형태를 그리게 되는데, 본 실험에서는 직선(선형) 그래프를 나타내는 결과를 볼 때, 이것은 높은 전하이동도와 스핀궤도결합이 커서 나타나는 결과임을 알 수 있음. - (b) 온도에 따라서 다른 색깔의 선형그래프가 나타나게 되는데, 각 온도마다 개발된 소재의 성능이 유지된다는 것을 의미한다.

삼림욕의 효과, 그 비밀을 풀었다 - KIST-식품연 공동연구로 소나무 피톤치드의 진정-수면효과와 그 작용기전을 규명 - 피톤치드 성분 ‘알파-피넨(α-pinene)’이 진정작용 효과와 수면의 질 개선 바쁜 일상에 지친 현대인에게 삼림욕과 등산은 건강과 활력을 불어넣어주는 방법으로 각광받고 있다. 삼림욕의 효과는 침엽수들이 만들어 내는 피톤치드(Phytoncide)에 의한 것으로, 다양한 생리활성이 보고되어 왔다. 국내 연구진이 이 피톤치드의 진정효과에 대한 과학적 작용기전(메커니즘)을 규명했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 신경과학연구단 이창준 박사 연구팀과 한국식품연구원(식품연, 원장 박용곤) 특수목적식품연구단 조승목 박사 연구팀은 공동으로 융합·협력 연구를 통해 소나무 피톤치드*의 진정-수면 효과와 그 작용기전을 규명하는데 성공했다. *우리나라의 산림에서 소나무는 약 37%의 가장 큰 비중을 차지하고 있으며(한국의 산림 자원평가, 산림청, 2013), 특히 삼림욕을 하는 침엽수림에서 소나무는 우리가 가장 흔히 접할 수 있는 품종이다. 그간 피톤치드의 다양한 효능 중 심신을 편안하게 해주는 진정작용은 잘 알려져 있음에도 불구하고, 정확한 메커니즘(작용기전)이 밝혀지지 않았었다. 이번 KIST와 식품연의 공동 연구로 이를 과학적으로 규명하는데 성공했다. 연구팀은 소나무 피톤치드의 진정작용 및 수면개선 작용기전(메커니즘)을 밝히기 위해 소나무 피톤치드의 가장 대표적인 성분인 알파-피넨(α-pinene)을 이용했다. 진정-수면과 관련된 다양한 신경세포 및 동물 실험들을 통해 알파-피넨(α-pinene)의 진정-수면 효과와 메커니즘을 과학적으로 입증하였다. 알파-피넨을 동물에 투여한 결과, 낮은 농도(25 mg/kg 이상)에서 진정작용을 보였으며, 높은 농도(100 mg/kg)에서 수면을 개선하는 효과까지 있는 것으로 확인되었다. 특히, 수면제(졸피뎀, Zolpidem)와 달리 수면의 질 저하 없이 수면을 개선하는 것으로 나타났고, 이러한 수면 효과는 알파-피넨이 GABA A형 수용체*를 활성화시켜 GABA에 의한 신경전달 과정을 연장시키는 것으로 신경세포 및 동물실험을 통해 작용기전을 증명했다. * GABA 수용체에는 A형과 B형 두 가지가 있는데, 졸피뎀 등 벤조디아제핀 계열의 수면제는 GABA A형 수용체에 결합하여 수면 개선 효과를 나타내는 것으로 알려져 있다. KIST 이창준 박사는 “본 연구는 한국식품연구원과의 첫 번째 공동 연구로, 천연물 유래 성분의 수면 개선 효과와 그 작용 기전을 최초로 행동학적, 전기생리학적, 구조학적으로 접근한 공동연구의 좋은 모델로, 이러한 공동연구를 통한 상호 협력을 통하여 천연물 기반 수면제 개발 연구를 계획 중에 있다.”고 밝혔다. 식품연 조승목 박사는 “이번 연구성과를 바탕으로 KIST 배애님, 박기덕 박사 연구팀과 협동연구사업을 통해 더 발전된 연구개발에 힘쓸 것이며, 천연물 기반 수면제를 개발하는데 매진하고 있다.”고 밝혔다. 본 연구는 한국식품연구원의 ‘수면개선 식품소재 유래 수면제 후보소재 및 선도물질’ 과제와 한국연구재단 리더연구자사업 ‘신경교세포 연구단’ 과제로 수행되었으며, 연구 결과는 약리학 분야의 저명 국제학술지인 ‘분자약리학(Molecular Pharmacology)’ 최신호에 8월 29일자 온라인 판에 게재되었다. <그림설명> <그림 1> 소나무 피톤치드 알파-피넨의 진정-수면 효능 및 작용기전 개요도 소나무 피톤치드의 주성분인 알파-피넨은 진정 작용와 수면개선 효과를 모두 가지고 있으며, 이러한 효과는 알파-피넨이 중추신경계의 GABA A형 수용체에 결합하여 GABA에 의한 억제성 신경전달을 연장시켜 나타내는 것으로 확인되었다. <그림 2> 동물을 이용한 소나무 피톤치드 알파-피넨의 진정-수면 효과 알파-피넨을 쥐에 투여한 결과, 낮은 농도(25 mg/kg 이상)에서 진정작용을 보였으며, 높은 농도(100 mg/kg)에서는 수면개선 효과를 나타내었다. 특히, 수면제와 달리 수면의 질 저하 없이 수면을 개선하는 것으로 확인되었다. 경쟁약물 시험법을 통해 동물에서 GABA A형 수용체를 활성화시킨다는 기전을 증명하였다. <그림 3> 신경세포를 이용한 알파-피넨의 전기생리학적 효능 및 기전 연구결과 알파-피넨이 수면에 영향을 미치는 기전을 확인하기 위하여 전기생리학 실험을 수행하였다. 기존에 널리 사용되고 있는 수면제인 졸피뎀과 마찬가지로, 알파-피넨은 GABA A형 수용체에 작용하여 GABA에 의한 억제성 신경전달 과정을 연장시키는 것으로 확인하였다. <그림 4> 알파-피넨의 GABA A형 수용체에 대한 결합력 시뮬레이션 모식도 알파-피넨의 GABA A형 수용체에 결합력 예측을 위하여 단백질 3차원 구조 및 결합모드 예측 결과 일반적으로 잘 알려진 벤조디아제핀 결합부위에 알파-피넨이 졸피뎀, 플루마제닐과 유사한 결합형태를 보여주는 것을 확인하였다.

금속 없는 고분자 복합체로 전자파 막는다 - 그래핀보다 훨씬 우수한 2D 新나노소재(전이금속 카바이트) 응용기술 개발 - 다층적층구조에 의한 강한 내부다중반사 효과 규명하여 우수한 전자파 차폐 입증 전자파 간섭(EMI, Electromagnetic Interference)은 전자, 통신, 운송, 항공, 군사 장비들에서 발생하는 전자기파 간에 의한 간섭 현상으로, 이 현상은 장치들의 오작동 원인이 될 뿐만 아니라 인간에게 유해한 영향을 줄 수 있다. 특히, 최근 전자 장치들이 소형화, 고집적화 및 고기능화 되면서 장치간의 전자파간섭 현상에 의한 오작동 문제가 더욱 심각해지고 있다. 최근 국내 연구진이 이러한 전자파 간섭을 막는 금속을 사용하지 않은 전자파 차폐 소재(EMI Shielding Materials)개발에 성공했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 물질구조제어연구단 구종민 박사팀은 미국 Drexel 대학교 Yury Gogotsi 교수팀과 공동연구로 ‘MXene’이라 불리는 2D 新나노재료, 전이금속 카바이트(Transition Metal Carbide)를 이용하여 전기전도성이 우수하면서도 가볍고, 저가이며, 가공성 또한 우수한 전자파 차폐 소재를 개발했다. 전자파 차폐 소재는 전자파간섭 현상을 차단하는 소재로서, 전기전도성이 높은 소재일수록 전자파차폐 효율이 우수한 특성을 가진다. 기존에는 은, 구리와 같은 금속 소재들이 주로 사용되었지만 밀도가 높고, 제조비용이 비싸며, 무겁고 부식이 되기 쉬웠으며, 가공이 어려운 단점을 가지고 있어 차세대 모바일 전자/통신 장치들에 사용에 한계가 있었다. 구종민 박사팀은 기존 소재들의 문제점들을 극복하기 위해, 2D 나노재료인 전이금속 카바이트(Transition Metal carbide (MXene))를 포함하는 고분자 복합체를 이용하여 마치 흑연의 구조와 유사한 다층적층 구조의 전자파 차폐가 우수한 소재를 개발했다. 전이금속 카바이트(MXene) 소재는 티탄늄(Ti )과 같은 중금속 원자와 탄소 (C)원자의 이중 원소로 이루어진 나노물질로서 형상적으로는 1nm(나노) 두께 와 수 μm(마이크로미터) 길이를 가지는 이차원적인 판상구조를 가지는 2D 나노 재료이다. 기존 나노재료들에 비해 제조 공정이 간편하고 저비용으로 생산 가능할 뿐만 아니라 표면에 다수의 친수기(물과 친화성이 강한 원자단)를 포함하고 있어, 용매에 분산이 용이하고 고분자 복합체 제조가 용이하다. 또한 우수한 전기전도성을 가지고 있어 전기전도성이 요구되는 다양한 필름, 코팅 제품 응용에 유리한 특성을 가진다. 전이금속 카바이트 고분자 복합체는 기존 고분자 복합체에 비해 매우 얇은 두께에서도 우수한 전자파차폐 특성을 보인다. 이는 우수한 전기전도도(5000S/cm)를 가지고 있을 뿐만 아니라, 45μm(마이크로) 두께의 얇은 필름 상에서 92dB라는 기존의 금속필름과도 비견될만한 우수한 결과(*그림 3 참조)를 나타냈다. 이는 필름 내에서 MXene들이 다층 적층 구조로 되어있어 필름 내에서 강한 내부다중반사(Internal Multiple Reflection) 효과를 발생시켜 전자파를 흡수하기 때문이다. 연구진은 이번에 개발된 고분자 복합체는 스핀코팅, 스프레이코팅, 롤가공 등의 다양한 필름가공과 코팅성형이 가능하여 향후 전자파차폐재 상용화 연구에도 매우 유리한 장점이 있을 것으로 전망했다. KIST 구종민 박사는 “본 연구의 전이금속 카바이트(MXene) 고분자 복합체는 기존 소재에서 구현하기 힘들었던 우수한 전기전도성을 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 용이한 가공성, 저비중, 저비용, 고유연 특성들을 가지고 있어 전자파차폐소재 뿐만 아니라 다양한 전자소재분야에도 응용이 기대되는 소재이다.”고 밝혔다. 현재 연구진은 개발된 MXene 고분자 복합체를 이용한 전자파차폐소재 상용화 후속연구에 박차를 가하고 있다. 본 연구는 대표적인 융합연구의 형태로 이루어졌으며, 미국 Drexel University, Yury Gogotsi 교수팀과 공동으로 수행되었다. 본 연구는 KIST 기관고유 연구사업과 미래창조과학부(장관 최양희) 미래원천기술개발사업, 산업소재원천기술개발사업, 해양경비안전사업의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 세계적인 우수 과학 저널인 ‘Science’에 9월 9일자(한국시간) 온라인 판에 게재되었다. * (논문명) Electromagnetic interference shielding with 2D transition metal carbides (MXenes) - (제 1저자) 한국과학기술연구원 Faisal Shahzad - (교신저자) 한국과학기술연구원 구종민 박사, Drexel University Yury Gogotsi 교수 <그림자료> <그림 1> Ti3C2Tx 및 Ti3C2Tx-SA 고분자 복합체 필름 제조 모식도 Ti3C2Tx MXene 표면에 다양한 관능기가 존재하여 고분자 (SA)와의 친화도가 우수하여 고분자복합체 제조 및 필름 성형이 용이하다. <그림 2> Ti3C2Tx 및 Ti3C2Tx-SA 고분자 복합체 형상 및 특성 2D 나노 판상구조의 Ti3C2Tx MXene 및 이를 이용한 MXene 고분자 복합체 이미지와 두께에 따른 전자파 차폐 특성을 보인다. Ti3C2Tx는 1나노미터(nm) 두께에 수 마이크로미터 (μm) 길이를 가지는 2D 판상구조이며 고분자 복합체 제조시 여러 층이 적층된 구조를 보이고 고분자 내에 잘 분산 된다. 또한 두께에 따라 전자파차폐성능이 증가하며 2.5마이크로미터 두께에서 58 dB, 45마이크로미터 두께에서 92dB 의 높은 전자파차폐특성을 보인다. <그림 3> Ti3C2Tx-SA 전자파차폐 특성 비교 및 메커니즘 기존 전자파차폐재료와 비교했을 때 MXene 고분자 복합체는 기존 고분자복합체 재료에 비해 매우 우수한 전자파 성능을 보이며 그 특성은 금속필름의 특성에 가까운 우수한 특성이다. 이러한 우수한 전자파차폐특성은 2D 나노 판상구조인 MXene이 우수한 전기전도도를 가지고 있을 뿐만 아니라, 필름 내에서 MXene들이 다층 적층 구조로 존재하여 필름 내에서 강한 내부다중반사(internal multiple reflection) 효과가 발생하기 때문이다.

KIST, 고효율·저가형 촉매 원천기술 개발로 수소에너지 상용화에 기여 - 고가의 귀금속 촉매 대체할 저렴한 니켈계 촉매 사용으로 수소 에너지 경제성 향상 - 친환경 물 분해과정을 통한 수소에너지 상용화 및 보급화에 기여 친환경에너지인 수소를 만들기 위해 전 세계적으로 다양한 연구가 진행 중이다. 국내 연구진이 물의 전기분해방법으로 수소를 만드는 데 필요한 촉매의 원료를 저렴하고 내구성이 높은 니켈계 화합물로 제작하는 기술을 개발했다. 기존에 사용했던 고가의 귀금속 촉매 비용보다 약 100배 저렴하고 성능은 거의 동일하여 수소 에너지 상용화에 한발짝 더 가까워질 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 국가기반기술연구본부 연료전지연구센터 유성종 박사와 KIST 한-인도협력센터 이승철 박사는 물 분해를 통한 수소 발생 반응과정에서 고결정성 인화니켈 나노선 화합물을 전극 촉매로 사용, 귀금속 촉매보다 가격을 획기적으로 낮추면서 내구성이 높고 성능이 뛰어난 새로운 촉매를 개발하는데 성공했다고 밝혔다. 수소에너지는 채굴량 한계 및 지역 편재성이 없고, 환경 친화적이기 때문에 차세대 에너지로 각광받는 에너지원이다. 하지만 상용화를 위해서 몇 가지 걸림돌이 있다. 첫째로 현재 많이 사용되고 있는 수소에너지 발전 방식은 물의 전기분해를 통해 수소를 발생시키는 ‘수소 스테이션’ 방법이다. 이 방법은 고순도의 수소를 환경파괴 없이 생산할 수 있지만 웬만한 건물 크기에 맞먹는 대용량 수조가 필요해 도심의 에너지 공급원으로 사용하기 위한 전극의 소형화가 필요하다. 둘째, 전지의 +극인 산소 발생용 전극 재료로는 이리듐 및 루테늄 계열의 귀금속 촉매가, -극인 수소 발생 전극 재료로는 백금이 각각 사용되고 있는데 비용이 높기 때문에 이를 대체하는 값 싼 재료의 개발이 요구된다. 셋째, 현재까지는 백금 촉매가 물을 수소로 전환시키는데 가장 효과적이라고 알려져 있었지만 비싼 가격과 낮은 안정성 문제 때문에 한계에 봉착해 있었다. 니켈계 금속 또는 화합물 촉매의 경우는 백금 촉매에 비해 과전압이 많이 필요로 하여, 가격적인 면의 이점(백금 가격의 1/100)에도 불구하고 주목을 받지 못하고 있었다. 연구팀은 기존 희소 금속인 백금 기반의 촉매보다 뛰어난 고효율, 저가형 촉매 제조를 위해 니켈계 화합물의 일종인 인화니켈의 고효율 반응 가능성에 주목하였다. 이에 연구팀은 양자역학 계산기법을 활용, 인화니켈을 나노선(nanowire)으로 성장시키는 기술을 개발하였다. 연구팀이 개발한 단결정 인화니켈 나노선은 표면에서 니켈 금속과 인의 강한 상호 작용을 통해 니켈금속의 전자 구조를 변형시켜 수소 발생 반응을 극대화시켰음을 보여주었으며 이는 유무기 복합체 사이의 전하 전달이 매우 중요한 역할을 한다는 것을 싱크로트론 X-ray로 세계 최초로 밝혔다. 이는 또한, 물로부터 수소를 발생시키는 경우 니켈계 금속 촉매에서 필요한 과전압보다 60% 더 낮은 과전압에서 고효율로 생산할 수 있음을 보여줌과 동시에 뛰어난 내구성으로 높은 전류와 전압조건에서 운행된 12시간 동안의 물 분해 실험에서 성능이 거의 감소되지 않았다. 이 실험은 새로운 촉매가 기존의 니켈 산화물 촉매와 귀금속계 촉매보다 내구성이 우수함을 입증한 것이다. 특히 인화니켈 나노선 촉매는 단위 면적당 높은 반응성을 보여 현재까지 보고된 니켈계 촉매들의 성능 중 최고 수준이다. KIST 유성종 박사는 “미래 청정에너지에 대한 관심이 높아지는 가운데 재생에너지로서 물을 수소와 같은 화학에너지로 변환하는 기술의 상용화는 중요한 이슈가 되고 있다.”라며, “그런 의미에서 이번 연구는 수소에너지 상용화를 한 발 앞당겼다는데 큰 의의가 있다”고 말했다. 본 연구는 KIST 기관고유 연구사업과 미래창조과학부(장관 최양희)의 글로벌프론티어사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업 그리고 한인도협력센터 GKP (Global Knowledge Platform) 사업을 통해 수행되었으며 연구결과는 에너지 및 나노 분야의 국제 저명 학술지인 Nano Energy (IF: 11.553) 8월호에 게재되었다. 더욱이, 해당 연구결과는 국내특허 출원 및 해외 특허 출원도 진행 중에 있다. * (논문명) Rationalization of electrocatalysis of nickel phosphide nanowires for efficient hydrogen production - (제1저자) 한국과학기술연구원 정영훈 박사 - (교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 박사, 이승철 박사 <그림자료> <그림1> 인화니켈 나노선 촉매를 통한 고효율 수소 발생 반응 스킴. 인화니켈 나노선은 백금과 맞먹는 수준의 수소 발생 능력을 가진 물질이다. <그림2> 고효율, 저가 촉매 제조를 위해 인화니켈을 나노 선으로 성장시키는 과정 및 반응 사이트 분석 <그림 3> 인화니켈 나노선에서 양자역학적 계산을 통한 반응 메커니즘 분석 및 싱크로트론 X-ray로 촉매 전자 구조 분석

온도차를 전기로 생산하는 고효율‘열전소재’개발 - 열전 반도체의 전기적 성질을 나노구조로 조절하는 새로운 기술 - 고효율 열전 반도체의 새로운 생산 방법 제시 열전 반도체는 주변의 열을 직접 전기 에너지로 바꾸거나, 전기로 소재를 직접 냉각하는 전자냉각 시스템(소형냉장고, 자동차 시트쿨러, 정수기 등)에 사용되고 있으며, 최근 IoT 소자와 웨어러블 기기의 전력원으로 크게 각광받고 있다. 최근 국내 연구진이 소재의 구조 제어만으로 열전 반도체의 성능을 획기적으로 높일 수 있는 기술을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전자재료연구단 백승협, 김진상 박사 공동연구팀(제1저자 김광천 연구원, 박사과정)은 대표적인 열전 반도체인 비스무스 텔루라이드* 소재의 성능을 좌우하는 전자 농도를 외부 불순물을 첨가하지 않고 소재의 미세구조 조절로 가능하다는 새로운 물리현상을 발견했다고 밝혔다. *비스무스 텔루라이드 : 열전 반도체 소재로 상온에서 가장 높은 열전 변환 계수(효율)를 가지고 있음. 이 소재는 현재 냉매를 사용하지 않는 냉각시스템에 열전소자로 널리 활용 열전 반도체에서 전자의 농도는 소재의 냉각능력 및 발전능력을 좌우하는 매우 중요한 요소이다. 열전 반도체에서 전자의 농도는 통상적으로 불순물을 첨가하는 도핑기술이 사용되어 왔다. 이에 반해, 본 연구는 소재 내 구조 결함을 이용하여 전하의 농도를 제어하는 새로운 방법을 제시하고 있다. 열전소재 내 배향이 서로 다른 두 개의 결정입자가 서로 만났을 때 형성되는 결정계면에서는 결정입자 내부에서 유지되고 있던 원자결합 규칙이 깨지게 되므로, 원자들은 원래 있어야 할 위치에서 미세하게 벗어나게 된다. 계면에서 일어나는 원자 결합구조의 변화로 인해서 본래 재료에는 존재하지 않는 새로운 특성이 발현된다. 본 연구진은 비스무스 텔루라이드 열전반도체에 존재하는 결정립 계면에서 자유전자가 생성된다는 사실을 발견하고 이에 대한 물리적 원인을 제시하였다. 금속유기화학 증착법(MOCVD)을 이용하여 결정계면의 농도가 서로 다른 비스무스 텔루라이드 박막을 성장시키고, 결정계면의 농도에 비례하여 자유전자 농도가 증가하는 것을 관찰하였다. 실험뿐 아니라 계산을 통해서 계면에 존재하는 원자들의 위치 변화가 소재의 전자구조를 변화시켜 자유전자를 생성할 수 있음을 이론적으로 증명했다. 본 기술은 불순물 도핑을 통하여 단결정 형태로 생산되어오던 기존 비스무스 텔루라이드 열전소재를 도핑이 필요치 않는 다결정 형태로 제조가 가능함을 의미하며, 이는 생산에 매우 효과적인 방법이라 할 수 있다. 백승협 박사는 “본 연구를 통해 열전 반도체 뿐 아니라, 비슷한 결정 구조를 갖는 이차원 층상구조 칼코게나이드(layered chalcogenide, 예를 들어 이황화몰리브텐(MoS2)와 같은 다양한 반도체 소재에서 전기적 특성을 이해하는 데 새로운 시각을 제공할 것으로 기대된다.”고 밝혔다. 본 연구는 국가과학기술연구회(이사장 이상천) 창의형 융합연구사업 지원으로 수행되었고, 연구결과는 국제 저명저널인 ‘Nature Communications’(IF:11.32) 8월 16일자 온라인으로 게재되었다. * (논문명) Free-electron creation at 60o twin boundary in Bi2Te3 (Nature communications, 2016. 8. 16 18:00(한국시간)온라인 게재) - (제1저자) 한국과학기술연구원 김광천 박사과정 - (교신저자) 한국과학기술연구원 백승협 박사 한국과학기술연구원 김진상 박사 <그림자료> 그림 1. 비스무스 텔루라이드 결정계면에서 생성되는 전자 모식도 (왼쪽 결정립과 오른쪽 결정립계면에서 전자형성) 그림 2. 비스무스 텔루라이드 결정계면의 전자현미경사진 및 결정계면의에 따라 증가되는 전자 농도

꿈의 물질 그래핀으로 질병 진단하는 바이오센서 개발 - 반도체 공정을 이용한 그래핀 미세 패턴의 대면적 구현 - 피 한방울에 존재하는 극미량의 단백질 검출 가능 최근 국내 연구진이 ‘꿈의 물질’이라 불리는 그래핀을 대면적 패널(4인치 웨이퍼)로 구현하여, 다양한 질병 및 질환들을 진단할 수 있는 고감도 바이오센서 제작기술을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 바이오마이크로시스템연구단 황교선 박사팀은 반도체 공정기술을 적용하여 수십 마이크로미터(10만~100만 분의 1 미터)의 패턴을 정교하게 구현한 그래핀 바이오센서를 제작하였다. 이 센서는 혈액 검진을 통해 피 한방울에 들어있는 특정 단백질의 양을 파악함으로써 질병 발현 유무를 알 수 있다. 특히, 그래핀 센서는 감도가 매우 우수하여 혈액 내 극미량(피코그램(pg/mL)*1조분의 1그램)의 바이오마커(질병표지 단백질)를 빠르고 정확하게 검출해 내어 다양한 질병의 체액 진단이 가능하다. 개발된 센서 기술의 상용화를 위해서는 민감도와 재현성 등의 센서 성능이 우수해야할 뿐만 아니라 대면적에서 센서를 구현하여 제작 단가를 낮추는 제작법이 매우 중요하다. 그러한 측면에서 본 그래핀 바이오 센서 제작 기술은 대면적 구현 가능성을 확보한 상용화 후보 기술이라고 할 수 있다. 그래핀 바이오센서는 혈액 내 존재하는 극미량의 베타아밀로이드 단백질을 검출하여 대표적 노화 질환인 알츠하이머 치매를 쉽고 빠르게 진단가능할 것으로 보인다. 유전자 변이 쥐 (Transgenic (TG) mouse)와 정상 쥐 (Wild Type (WT) mouse)의 혈액을 이용하여 치매 혈액 진단 가능성을 확인하였고, 현재 연구진은 정상인과 환자를 구분 할 수 있는 임상 시험 자료를 확보한 상태다. 본 연구는 대표적인 융합연구의 형태로 이루어졌으며 KIST 김영수 박사 연구팀과 유전자 변이 쥐 관련 연구를 공동 수행하였고, 중앙대학교 장석태 교수팀과 그래핀 센서 제작 기초 성능 평가 연구를 공동 수행하였다. 올해 초 개발된 치매혈액진단시스템을 기업에 기술 이전한 경험이 있는 황교선 박사팀은 치매 뿐만 아니라 암, 당뇨, 우울증 등 다양한 질환을 조기에 진단할 수 있는 가능성을 평가하여 상용화에 이를 수 있도록 후속연구에 박차를 가하고 있다. KIST 황교선 박사는 “본 연구 결과로 혈액 검사라는 쉬운 방법을 통해 다양한 질병이 진단 가능한 고감도 센서의 상용화에 한발 더 접근했고, 대면적에 구현할 수 있는 기술적 토대를 마련했다는 데 의미가 있다”며, “다양한 질병의 적용 가능성을 확인하기 위하여 국내외 임상 기관과 협력하여 임상 연구를 수행할 예정이다.”고 밝혔다. 향후 이 기술이 상용화 되면 누구나 편리하게 혈액검진으로 각종 난치병을 포함한 질병을 진단 가능할 것으로 기대된다. 본 연구는 KIST 기관고유 미래원천기술개발사업과 개방형 연구사업(ORP)과 보건복지부가 시행하는 질환극복기술개발사업의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 세계적인 우수 과학 저널인 ‘Scientific Reports’에 8월 10일자 온라인 판에 게재되었다. * (논문명) Wafer-scale high-resolution patterning of reduced graphene oxide films for detection of low concentration biomarkers in plasma - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김진식 박사 - (교신저자) 한국과학기술연구원 황교선 박사

나뭇잎처럼 광합성을 통해 화학원료 대량생산하는 인공광합성 시스템 개발 - 태양전지-촉매 융복합 기술을 이용한 고효율 인공광합성 디바이스 개발 - 인공광합성을 통해 새로운 패러다임의 지속가능한 화합물 생산 방법 제시 나뭇잎이 에너지를 얻는 자연의 섭리처럼 태양빛을 이용해 물과 이산화탄소로부터 직접 고부가화합물(화학원료)을 대량생산할 수 있는 세계 최고 수준의 인공 광합성 시스템 기술이 국내 연구진에 의해 개발되었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 청청에너지연구센터 민병권, 김홍곤, 황윤정 박사 연구팀과 고려대학교 그린스쿨대학원 태양전지 연구팀(김동환, 강윤묵 교수)은 태양전지기술과 촉매기술의 융복합을 통하여 태양광 에너지만으로 작동하는 자가구동, 일체형 인공광합성* 디바이스 기술을 개발했다고 밝혔다. * 광합성 : 식물 나뭇잎이 태양빛을 흡수하여 물과 이산화탄소로부터 탄화수소(포도당)를 만들어 내는 기작을 의미함 자연의 광합성을 모방하여 화석연료나 바이오매스 등과 같은 태양에너지가 저장되어 있는 매개체를 거치지 않고 태양에너지를 직접적으로 고부가화합물로 바꾸어 주는 인공광합성 기술은 오랫동안 꿈의 기술로 과학자들의 관심을 끌어 왔다. 특히 기후변화 대응형 화학원료 제조 방법이 필요한 현 시점에서 인공광합성 기술은 매우 중요한 기술로 여겨지고 있으나 아직은 세계적으로 초보적인 기술수준에 머무르고 있었고, 태양광-화학원료를 대량생산 할 수 있는 구체적인 방법에 대해 아직까지 제시된 바가 없는 상태였다. 본 연구진은 태양전지-촉매 융복합 기술개발을 통해 태양광-화학원료를 효과적으로 생산할 수 있는 디바이스 구조를 제안*한 바가 있었으며 이번 연구를 통해 선행연구 결과를 확장, 발전시켜 태양광-화학원료를 대량생산 할 수 있는 시스템을 개발하고 이를 통해 꿈의 인공광합성 기술의 현실화 가능성 제시했다는 점에서 큰 의의가 있다. * A monolithic and standalone solar-fuel device having comparable efficiency to photosynthesis in nature (Journal of materials chemistry A (IF: 8.262), 2015년 3월) 인공광합성 기술을 완성하기 위해서는 다양한 요소 기술들의 융복합이 필요하다. 특히 태양광을 흡수하여 전자를 생산하는 광전극 기술, 물 분해를 위한 촉매 기술, 또한 이산화탄소를 유용한 화합물로 전환시켜 주기 위한 촉매 기술은 핵심 요소 기술이라고 할 수 있다. 지금까지는 전 세계적으로 각 개별 요소 기술에 대한 연구가 주로 진행되어 왔지만 ‘KIST-고려대 그린스쿨’ 공동 연구팀은 각 요소기술 개발뿐만 아니라 이들 기술의 통합을 통해 실질적으로 태양빛만으로 작동되는 일체형 인공광합성 디바이스 모듈을 제작하였고 또 그 성능을 시연 하였다. 가장 일반화 되어 있는 태양전지 기술인 실리콘 태양전지 기술을 스테인레스 스틸 기판에 적용하여 광전극을 제조하였으며 이때 사용된 스테인레스 스틸 기판 반대면에 나노구조화 기술을 도입하여 물분해 특성이 획기적으로 증대된 산화전극을 개발하였다. 또한 나노구조화된 은 촉매 전극을 개발하여 이산화탄소로부터 일산화탄소를 고 선택적으로 생산할 수 있도록 하였다. 스테인레스 스틸 및 은 나노촉매 전극은 향후 인공광합성 디바이스를 상용화 시키는데 충분한 저가 촉매 소재라고 할 수 있다. 이 기술의 또 다른 장점은 태양빛 이외의 추가적 에너지 투입 없이 자가구동하는 시스템이라는 점이며 태양전지 모듈과 같이 패널형으로 제조하여 효과적으로 태양빛을 이용할 수 있다는 것이다. 단일 디바이스 8개를 모듈화하여 대량생산이 가능한 시스템을 제시하였다. 또한 이러한 인공광합성 디바이스 효율을 향후 10% 까지 발전시킨다면, 현재 우리나라 영월군 40 MW 태양전지 플랜트 면적 (0.25 km2)과 같은 수준으로 설치, 하루 4시간씩 가동시킨다면 연간 1만4천톤의 일산화탄소를 생산할 수 있으며 이는 같은 면적에서 전력을 생산하는 것 보다 3배 이상의 부가가치에 해당한다. 민병권 박사는 ‘이번 연구는 인공광합성 시스템을 태양전지와 같은 패널형 구조로 구현함으로써 태양광-화학원료의 대량생산 가능성을 보여주는 연구결과“라고 말했으며, ”향후 인공광합성의 상용화를 위해 한걸음 진일보한 연구결과라는 점에서 큰 의의가 있다“고 밝혔다. 본 연구는 KIST 기관고유 미래원천사업과 미래창조과학부(장관 최양희)와 한국연구재단(이사장 정민근)이 시행하는 특화전문대학원 학연협력지원사업의 지원을 받아 수행되었다. <그림자료> 사진 1. 태양전지 모듈과 같이 패널형으로 제조 및 설치되어 태양빛 흡수를 원활하게 하고 대량으로 화학원료 생산이 가능한 일체형 자가구동 인공광합성 디바이스 시스템.

신규 고분자 물질로 고효율 플렉시블 태양전지 제작한다 - 태양전지 내의 핵심부분을 저온 공정이 가능한 신규 고분자 물질로 대체 - 구부렸다 펴도 성능이 유지되는 고성능·고안정성 플렉시블 태양전지 구현 현재 웨어러블, 플렉시블 전자소자는 미래를 선도해갈 차세대 전자소자로 두각을 나타내고 있으며 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이러한 여러 전자소자들 중 플렉시블 태양전지는 미래 웨어러블 기기 상용화의 핵심 기술 중 하나로 그 중요성을 인정받고 있다. 최근 국내 연구진이 높은 성능과 동시에 높은 안정성을 갖는 플렉시블 태양전지를 개발하였다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 손해정, 고민재 박사팀은 기존의 태양전지 내의 핵심부분 중 하나인 정공수송층*으로 널리 이용되던 물질(PEDOT:PSS**)을 대체할 수 있는 저온공정이 가능한 신소재 고분자 물질을 개발하였고 이를 사용하여 고성능·고안정성 플렉시블 페로브스카이트*** 태양전지를 개발하였다고 밝혔다. ※용어설명 *정공수송층 : 페로브스카이트에서 생성된 전하 중 정공이 페로스카이트에서 전극 쪽으로 원활하게 추출될 수 있도록 도움을 주는 층을 말한다. **PEDOT:PSS : poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate의 약자로, 상업적으로 구매가 가능한 대표적인 전도성 고분자이다. ***페로브스카이트 : 유기물이 달린 양이온과 요오드화납 음이온이 결합되어 있는 물질로서, 최근 차세대 태양전지의 광 흡수층으로 많이 사용되는 반도체이다. 기존의 금속 산화물로 이루어진 페로브스카이트 결정구조와 유사한 구조를 갖는다. 근래 유-무기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지 분야는 급격하게 발전하여 향후 실리콘 태양전지와 경쟁을 할 수 있을 것이라 기대를 모으고 있다. 플렉시블 태양전지는 플라스틱 유연기판을 사용하기 때문에 150도 이하의 저온 공정이 필수적인데, 본 연구팀이 개발한 신규 고분자 물질은 저온에서 용액공정으로 제작이 가능한 플렉시블 태양전지에 더 적합한 물질이라고 볼 수 있다. 기존의 페로브스카이트 태양전지는 전극 사이의 경계면 층에 사용되는 물질들이 고온공정이 요구되어 플렉서블 소자 구현에 문제가 있었다. 최근 이를 극복하기 위하여 저온공정이 가능한 소자들이 제안되고 있으나 그 성능과 안정성 면에서 굉장히 제한적인 모습을 보이고 있었다. 가장 문제가 되고 있는 부분은 정공수송층으로 널리 쓰이는 PEDOT:PSS**이다. 기존의 전도성 고분자(PEDOT:PSS)는 상업적으로 구입이 가능하여 널리 이용되고 있었으나 강한 산성을 지니고 있어 인접한 층의 부식을 가속화 시키고 페로브스카이트와 적합하지 않아 많은 에너지 손실을 야기했다. KIST 손해정, 고민재 공동연구팀은 기존의 전도성 고분자(PEDOT:PSS)를 대체하여 라는 신규 고분자를 개발하여 정공수송층으로 사용하였다. 이 고분자는 물 혹은 물/알콜 혼합용액에서 높은 용해도를 보여 저온에서 손쉽게 용액공정으로 정공수송층 제작이 가능하다. 또한 기존 물질보다 우수한 전기전도도를 나타내는 것을 실험을 통해 확인하였고, 에너지 손실을 줄일 수 있음을 입증하였다. 이를 이용하여 제작된 페로브스카이트 플렉시블 태양전지는 최고 14.7%까지의 높은 전력변환효율을 기록하였다. 기존 물질을 이용한 소자가 8.4%의 전력변환을 보였다는 점을 감안하였을 때 이러한 효율은 물질의 우수함을 입증하는 결과라 할 수 있다. 또한, 물질은 기존과 달리 중성의 성질임을 확인하였으며, 이는 태양전지 소자의 안정성을 향상시켜 대기 중에서 장기안정성이 3~4배 향상된 결과를 도출하였다. 연구책임자인 손해정 박사는 “이번에 개발된 신규 전도성 고분자 소재는 고효율 플렉서블 유-무기 페로브스카이트 태양전지의 성능 향상에 지대한 기여를 하였고, 향후 태양전지 외에 광센서 등 유연 인쇄전자 소자에 중요 부품으로 활용될 것으로 기대된다” 라고 밝혔다. 본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희)와 한국연구재단이 추진하는 글로벌프런티어사업 멀티스케일 에너지시스템연구단의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 재료 분야의 전문학술지인 ‘Advanced Functional Materials’ 7월 5일자에 표지논문으로 게재되었다. <그림자료> <그림 1> (a) 본 연구에서 사용한 페로브스카이트 태양전지의 구조 (b) PhNa-1T의 화학구조 (c) 소자 각층의 에너지레벨 (d) 정공수송층의 표면거칠기 (e) 정공수송층의 투과도 <그림 2> (a) 플렉서블 페로브스카이트 태양전지의 전압-전류 곡선 (b) 페로브스카이트 태양전지의 외부양자효율 (c) PEDOT:PSS를 이용한 태양전지의 측정방향에 따른 전압-전류곡선 (d) PhNa-1T를 이용한 태양전지의 측정방향에 따른 전압-전류곡선

KIST, 당뇨병 진단용 스마트 콘택트렌즈 시제품 가시화 - 콘택트렌즈형 당뇨병 진단 스마트 플랫폼 개발 - 요소 기술별 시제품 제작 현실화 국내 연구진이 혈액이 아닌 눈물을 분석함으로써 당뇨병에 대해 보다 간편하고 정확한 자가 진단 및 관리가 가능한 콘택트렌즈형 센서 플랫폼을 개발했으며, 실제 제품 제작을 가시화하였다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전소재연구단 송용원 박사 연구팀은 눈물을 이용한 당뇨병 진단이 가능하도록 콘택트렌즈형의 진단기기를 개발했으며, 전체 기기를 이루는 각 요소기술에 대한 시제품 제작에 성공했다고 밝혔다. 구글을 포함하여 세계 다수의 그룹에서 그동안 개념적으로만 발표를 했던 콘택트렌즈형 센서를 실물로 제작하게 된 것은 큰 기술의 진보로 평가 되고 있다. 콘택트렌즈형 당뇨센서의 실제 작동을 위해서는, 눈물 속 미량의 글루코스를 검출해 낼 수 있는 높은 감도와 눈물 속 여러 가지로 혼재 된 표지자 중 글루코스만 선별적으로 검출할 수 있는 높은 선택도*가 보장된 센서가 필수적이다. 또한, 인체 정보를 갖고 있는 Basal tear**를 눈에 자극 없이 안정적으로 포집할 수 있는 기술, 센서 운용 및 측정 데이터의 외부 통신을 위한 집적 회로 설계/제작 기술, 그리고 전원 공급을 위한 박막 2차전지 기술이 동반 되어야 한다. * 선택도 (selectivity): 눈물 속에는 당뇨병의 척도가 되는 글루코스 뿐 아니라 ascorbic acid나 uric acid와 같은 다른 표지자도 같이 존재하게 된다. 이러한 다른 표지자와 섞여있는 글루코스만을 골라서 측정을 해야 정확한 당뇨병 진단으로서 실질적 가치가 있게 된다. ** Basal tear: 눈물에는 항상 안구를 감싸면서 보호하는 basal tear와, 물리적/감정적 자극에 의해 많은 양이 ‘분출되는 눈물’이 있다. 우리 몸 상태의 정보를 갖고 있는 눈물은 basal tear이며 다른 자극에 의해 basal tear 이외의 눈물 생성으로 질병 표지자의 농도 변화를 제어할 수 있어야 눈물에 의한 정확한 진단이 가능 하다. 본 기기의 기술적 특징은 다음과 같다. ■ 인체내 또는 피부 내층에 이식/삽입하지 않고, 사용자의 접근성과 편의성을 고려하여 당뇨병을 지속적으로 체크 할 수 있는, 비침습형 자가구동 인체친화/호환형 모니터링 플랫폼. ■ 기존의 혈액을 이용하는 방식의 한계를 극복하기 위해, 눈물 내의 표지자를 이용한 모니터링 방식으로, 콘택트렌즈 상에 초소형, 초고감도 센서 플랫폼을 구현하여 질병 등의 건강 상태를 모니터링. ■ 인체의 정보를 갖는 눈물은 항상 안구를 코팅하고 있는 basal tear로서 이의 안정적 포집을 위해 콘택트렌즈상에 미세 배관 구조를 도입하여 약 7 μL의 눈물을 15초내에 포집이 가능. ■ 센서의 감도는 현재 110 μA/mM？cm2이상을 달성했으며, 글루코스의 센싱은 다른 눈물내 표지자와 완전히 다른 전압에서 이루어지므로 높은 선택도가 확보 됨. ■ 초소형 플렉서블 박막 2차전지를 렌즈상에 적합화 하여, 센서의 자가 구동과 지속적인 모니터링을 가능하게 하며, 초소형 집적 모듈에 전력을 공급하여 센싱 신호의 외부 통신이 가능하게 함. ■ 2차전지의 용량은 현재 25 μAh/cm2？μm가 확보된 상태이며, 전지의 두께의 조정을 통해 최적화된 작동 조건 도출. ■ 센서 운용 및 외부 통신 모듈은 최종적으로 1 x 1 mm의 칩으로 제작될 예정이며, 현재 4 x 4 mm의 테스트용 칩 제작을 마침. ■ 개발된 플랫폼은 투명 소재/소자와의 융합으로, 궁극의 휴대용 디스플레이로서의 확장이 가능하며, 컨텐츠의 장착이 가능한 형태로 진화 가능함. KIST의 차세대반도체연구소를 기반으로 하는 해당 연구팀은, 센서, 재료, 시스템 등 다양한 분야의 전문가들이 참여한 BT/NT/ET/IT 융합 연구팀으로 2011년부터 스마트 콘택트렌즈 개발을 위한 기술을 기획/연구해 오고 있다. 연구팀은 현재, 구현된 각 요소 기술에 대한 시제품들이 결합된 전체 플랫폼 구성과 전체적 성능향상에 대해 연구를 계속하고 있다. 약 2년 후 결합된 플랫폼 시제품이 도출되게 되면 상용화를 목표로 식약처 인증 절차를 진행 할 예정이다. KIST 송용원 박사는 “이번 연구결과는 스마트 콘택트렌즈의 현실화에 대한 가능성을 보여주어, 우리나라의 관련 분야 세계 기술 선도 및 신시장 창출이 가능할 것으로 기대된다”고 밝혔다. 또한 “개발된 콘택트렌즈는 다양한 질병진단과 신약개발 등을 위한 플랫폼으로 진화할 예정이며, 정보통신 기술 연계로 응용 분야를 확장 할 계획”이라고 밝혔다. 본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희)에서 지원하는 ‘바이오의료기술개발사업’의 일환으로 수행되었으며, 제작된 시제품은 7월 13일(수)부터 3일간 일산 KINTEX에서 열리는 <2016 NANO KOREA>에 전시될 예정이다. * 전시제목: 당뇨병 진단을 위한 KIST 스마트 렌즈. ○ 참여 연구진 ■ Dr. 송용원, 책임연구원, 광전소재연구단, KIST ■ Dr. 최지원, 책임연구원, 전자재료연구단, KIST ■ Dr. 김진석, 책임연구원, 바이오닉스연구단, KIST ■ Dr, 이현정, 선임연구원, 스핀융합연구단, KIST ■ Dr. 이지연, 선임연구원, 화학키노믹스연구센터, KIST ■ Dr. 박재현, 선임연구원, 광전소재연구단, KIST ■ Prof. 강자헌, 안과교수, 강동경희대학교병원 ■ Prof. 정인경, 내과교수, 강동경희대학교병원 ■ Prof. 김영균, 안과교수, 강동경희대학교병원 ■ Prof. 김병섭, 전기전자공학과, 포항공과대학교 ■ * 특허 정보 [KIST K06845] ‘비침습형 건강지표 모니터링 시스템 및 이용 방법’, 국내 등록번호 10-1535075 (2015년 7월 2일 등록). <그림자료> <그림1> 나노코리아 전시 포스터 <그림2> 나노코리아 전시 사진