[2024.03.07 보도자료] - 수소와 산소 동시에 생산 가능한 양기능성 촉매 내구성 한계 극복 - 전기화학 시스템의 상용화를 위한 대면적 반응기 구동 기술 제시 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 청정에너지연구센터 오형석·이웅희 박사팀은 포항공과대학과 연세대학교와 공동연구를 통해 산소 환원 반응과 발생 반응을 모두 보이는 팔면체 구조의 양기능성 백금-니켈 합금촉매를 이용해 전극의 가역-내구성을 향상하는 방법론 개발에 성공했다고 밝혔다. 양기능성 촉매란 하나의 촉매를 사용해 물에서 수소와 산소를 동시에 생산하는 차세대 촉매다. 현재 수전해 기술, CCU(이산화탄소의 포집 및 활용) 등 전기화학 시스템에서는 양쪽 전극에 별개의 촉매를 활용하기 때문에 수소의 생산 단가가 높다. 반면 1개의 생산공정으로 합성이 가능한 양기능성 촉매는 생산비용 절감이 가능해 전기화학적 에너지 전환 기술의 경제성을 높일 수 있는 기술로 주목받고 있다. 하지만 양기능성 촉매는 수소와 산소를 발생하는 각각의 전기화학 반응을 진행하고 나면 전극 물질의 구조변화로 인해 다른 반응 성능이 낮아진다는 문제가 있다. 이 때문에 양기능성 촉매를 상용화하기 위해서는 반응 후에도 장기간 촉매구조를 유지할 수 있는 가역-내구성 확보가 중요하다. 연구팀은 양기능성 촉매의 가역-내구성을 높이기 위해 각각 산소 환원반응과 발생 반응에서 높은 성능을 보이는 백금과 니켈을 섞어서 다양한 구조의 합금촉매를 합성했다. 실험 결과 팔면체 구조일 때 니켈-백금 간의 상호작용이 가장 활발했으며, 이 합금촉매는 백금, 니켈 단일 물질로 제작한 촉매 대비 산소 환원반응과 발생 반응 성능이 2배 이상 높았다. 또한, 합금촉매의 반복적인 발생 반응 과정에서 생성되는 백금 산화물이 성능 감소의 원인임을 확인해 백금 산화물을 백금으로 환원시키는 구조복구 방법론을 개발했다. 연구팀은 전자 현미경을 통해 연구팀이 개발한 방법론 적용 시 촉매의 형상이 복구되는 것을 확인했으며, 상용화를 위한 대면적 반응기 실험에서도 촉매 형상 복구에 성공해 구동 시간을 2배 이상 늘렸다. 연구팀이 개발한 양기능성 촉매와 구조복구 방법론은 기존에 산소 발생과 환원 반응을 위한 별개의 촉매를 양기능성 촉매로 대체해 일체형 재생 연료전지 기술의 상용화를 앞당길 것으로 기대된다. 수소와 전력 생산이 모두 가능한 일체형 재생 연료전지는 높은 가격의 촉매의 투입량을 줄이면서도 성능을 유지할 수 있어 생산비용을 낮출 수 있다. KIST 오형석 책임연구원은 “촉매의 가역-내구성 향상 기술은 전기화학적 에너지 전환 시스템에 중요기술인 양기능성 촉매 개발에 새로운 방향성을 제시한 것”이라며 “향후 일체형 재생 연료전지와 같은 전기화학 시스템의 상용화 및 탄소중립을 앞당기는 데 이바지할 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 ‘KIST 주요사업’, ‘Carbon to X 사업’(2020M3H7A109822921) 및 국가과학기술연구회(이사장 김복철)의 ‘창의형 융합연구사업’(CAP21013-100)으로 수행됐다. 연구결과는 저명 국제저널 ‘Advanced Energy Materials’ (IF: 27.8, JCR 분야 상위 2.5%) 최신 호에 게재됐으며, Back Cover 이미지에 선정됐다. * Activity restoration of Pt-Ni octahedron via phase recovery for anion exchange membrane-unitized regenerative fuel cells [그림1] Advanced Energy Materials Back Cover 이미지 [그림2] 일체형 재생 연료전지 구동 모식도

- 유전체, 전사체, 단백체 및 임상 데이터의 통합으로 정밀의학적 특성 규명 - 순수 국내 연구진의 공동연구로 한국인 특이적 난치 암의 신규 치료 표적 발굴 폐암의 가장 주요한 원인은 흡연이다. 그런데 비흡연자의 폐암 발병률은 꾸준히 증가하고 있으며, 특히 여성의 발생률이 높다. 비흡연 폐암 환자의 약 80%는 EGFR 및 ALK 단백질 등을 표적으로 하는 항암제가 처방되고 있지만, 표적이 없는 나머지 환자는 부작용이 많고 항암제 반응률이 상대적으로 낮은 세포독성 항암제를 사용하고 있어 표적치료제가 절실한 상황이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 화학생명융합연구센터 이철주 박사팀은 한국생명공학연구원의 김선영 박사팀, 국립암센터의 한지연 박사팀과 한국인 특이적 비흡연 폐암의 에스트로겐 신호전달 체계 과발현 현상을 다중오믹스 기반으로 규명하고, 항암제 사라카티닙(saracatinib)을 표적 치료 물질로 제시했다고 밝혔다. 다중오믹스는 유전체, 단백체 등 다양한 분자 정보를 통합해 총체적인 정보를 제공하는 기술로, 단백체의 경우 미량의 시료를 대량으로 복제하는 기술이 없어 수십 마이크로그램(μg, 100만분의 1그램) 수준의 미량 단백질을 최대한 손실 없이 분석해야 하는 고난이도 분석법이다. 연구팀은 지난 10여 년간 국립암센터에 내원한 비흡연 폐암 환자 1,597명의 생체검사 시료의 유전자 분석을 통해 치료 표적이 발견되지 않는 비흡연 폐암 환자 101명의 폐암 조직을 확보했다. 이후 임상 정보와 유전체, 전사체, 단백체, 인산화 단백체 데이터를 각각의 오믹스 분석법에 분배하는 방법으로 데이터를 상호참조할 수 있게 했다. 특히 단백체 분석에서는 동중원소표지법을 이용해 기존 단백질 분석에 필요한 양의 10%인 100μg의 단백질만으로도 시료 당 평균 9천여 종의 단백질과 5천여 종의 인산화 단백질의 양을 측정했다. 유전자변이 및 암세포의 신호전달 경로를 측정한 결과, 암 발생과 관련된 유전자로 알려진 STK11와 ERBB2의 운전자 돌연변이(driver mutation)가 비흡연 폐암 환자의 조직에서 다수 관찰됐으며, 여성호르몬인 에스트로겐 신호전달 경로가 과발현됐지만 호르몬 수용체 자체는 큰 변화가 없는 것을 확인했다. 이를 바탕으로 호르몬 치료제가 아닌 하위 신호전달 단백질 저해제인 사라카티닙을 STK11와 ERBB2의 변이가 있는 세포에 적용한 결과, 대조군 대비 통계적으로 유의미(p<0.01)한 세포 사멸 효과가 있음을 관찰했다. 이를 바탕으로 연구팀은 비흡연 폐암 환자 중 에스트로겐 신호전달경로에 특이적 발현을 보이는 환자의 감별진단이 가능한 분자 진단 기술을 개발하고 있다. 또한, 비흡연 폐암 동물모델에 대한 사라카티닙의 치료 효과 분석을 위해 국립암센터와 전임상 시험을 공동으로 진행할 계획이다. KIST 이철주 박사는 “다중오믹스 분석으로 난치암의 새로운 치료 표적을 발굴한 성공적 사례”라며, “순수 국내연구를 기반으로 병원과 연구기관이 공동연구를 통해 이룬 성과라는 점에서 큰 의미가 있으며, 이러한 경험을 바탕으로 인간 질병에 대한 다중오믹스 연구의 확장에 앞장설 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원으로 KIST 주요사업 및 바이오의료기술개발사업(2022M3H9A2096187)으로 수행됐다. 연구 성과는 국제 학술지 「Cancer Research」 (IF 11.2, JCR 분야 10.6%)」 최신 호에 온라인 게재됐다. * 논문명 : Proteogenomic Characterization Reveals Estrogen Signaling as a Target for Never-Smoker Lung Adenocarcinoma Patients without EGFR or ALK Alterations [그림 1] 비흡연폐암 유전단백체 분석 연구의 개요 [그림 2] 미확인 변이를 가지는 환자의 대표 특징 및 변이 유전자 동정

- DNA 오리가미 기술을 활용한 차세대 암백신 ‘DoriVac’ 개발 - KIST-DFCI, 보스턴 클러스터에 현지랩 설립 후 7년간의 공동 연구 성과 최근 암 치료 분야에서 암세포를 직접 파괴하는 항암제와는 다르게 면역시스템을 강화해 특정 암세포를 공격하는 암 백신에 관한 관심이 높아지고 있다. 암 백신은 환자의 개별적인 항원을 고려한 맞춤형 치료를 제공할 수 있지만 특정 암종이나 환자의 면역 상태에 따라 치료 효과가 제한적이다. 또한, 부작용을 일으킬 수 있는 면역증강제의 사용을 최소화해 안전성을 확보하는 것이 중요하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 의약소재연구센터 류주희 박사팀은 미국 보스턴의 다나파버 암 연구소(DFCI) 및 하버드 비스 연구소(Wyss Institute)와 협력해 DNA 오리가미 기술을 활용한 암 백신 ‘DoriVac’을 개발했다고 밝혔다. DoriVac(도리백, DNA origami-based Vaccine)은 기존의 항원과 면역증강제를 동시 전달하는 암 백신 전략을 확장해 면역증강제인 CpG의 공간 배열을 정밀하게 조절한 차세대 암 백신이다. 연구팀은 암 백신 개발을 위해 DNA 오리가미 기술로 면역증강제인 CpG를 DNA 나노구조체 표면에 최적의 공간 배열로 배치했다. DNA 오리가미 기술은 DNA 분자를 마치 종이처럼 접어 다양한 형태를 만들 수 있으며 나노미터(nm, 10억분의 1미터) 단위에서도 구조를 세밀하게 제어할 수 있다. 이를 활용해 DNA 나노구조체 표면에 CpG 분자들을 2.5~7nm 간격으로 정밀하게 배열했으며, 세포 실험 결과 3.5nm 간격일 때 암 면역 치료 효과가 가장 높았다. 연구팀이 수행한 동물실험에서 DoriVac이 주입된 후 피부암이 유도된 5마리의 쥐 중 1마리를 제외하고 모두 150일까지 생존했지만, 아무것도 주입되지 않은 쥐는 42일째에 모두 사망해 DoriVac이 공격적인 피부암 세포의 성장을 억제하는 예방적 효과가 있음을 확인했다. 또한, 피부암이 형성된 초기 단계의 쥐들에게 3.5nm 간격으로 18개의 CpG 분자가 포함한 DoriVac을 투여했을 때, 가장 효과적인 면역 반응을 유도해 종양 성장을 크게 억제했다. 이는 면역증강제 양을 증가시키지 않고 정밀한 공간 배열 조정만으로도 암 백신의 치료 효과를 높일 수 있다는 사실을 밝혀낸 것이다. 이번 연구는 미국 보스턴에 설립된 KIST-DFCI 현지랩에서 2016년부터 수행된 공동연구의 결과로 KIST가 가지고 있는 항암 치료 전략기술과 DFCI의 DNA 오리가미 기술에 대한 전문성을 기반으로 이뤄졌다. 글로벌 공동 연구팀은 ‘DoriNano Inc’를 보스턴에서 공동 창업해 DoriVac의 상용화를 위한 임상 시험을 추진하고 있으며, 면역관문억제제 등 다른 면역 시스템을 활용하는 암 치료 방법과의 병용을 통해 암 치료 및 재발 방지 효과를 높일 것으로 기대된다. KIST 류주희 박사는 "DoriVac의 개발은 나노기술과 암 면역 치료 기술이 융합된 중요한 발전이며, 이는 암 치료뿐만 아니라 다양한 질병에 대한 면역 치료법 개발에 기여할 수 있는 플랫폼 기술이 될 것"이라고 밝혔다. [그림 1] DNA 오리가미 기반의 백신 작용 원리 [그림 2] KIST 의약소재연구센터 류주희 박사(책임연구원)가 다나파버 암 연구소(DFCI) 등과 공동연구를 통해 DNA 오리가미 나노구조체를 활용한 혁신적인 암 백신 'DoriVac'을 개발했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 KIST 주요사업과 범부처재생의료기술개발사업(21A0504L1)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Nature Nanotechnology」 (IF 38.3, JCR 분야 상위 1.4%) 최신 호에 온라인 게재됐다.

- ‘딜리버디-H’ 한림대학교 성심병원에서 총 5일간 환자를 위한 비대면 배송 업무 수행 - 의료진 업무량과 감염 부담 낮춰 의료 서비스 질 개선 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록)은 4월 15일부터 19일까지 5일간 한림대학교 성심병원에서 지능로봇연구단 유범재 박사팀이 개발한 비대면 배송 방역로봇 ‘Deli-Buddy(딜리버디)’를 성공적으로 실증했다고 밝혔다. 딜리버디는 라스트 마일 딜리버리(Last Mile Delivery) 로봇으로, 격리된 환자들이 있는 곳까지 물품들을 안전하게 배송한다. 딜리버디는 코로나19와 같은 팬데믹 상황에서 격리된 환자들에게 음식과 생활용품을 전달할 때, 배송 인력의 감염 노출 위험을 줄이고 방호복 착용 및 물품 배송에 따른 업무 피로도를 감소시키기 위해 개발됐다. 딜리버디에는 엘리베이터 연동 관제기술과 마커리스 자율주행 기술을 적용해 현장에 별도로 인프라를 구축하거나 사람이 개입하지 않아도 원활한 주행이 가능하다. 또한 한 번에 다양한 모양과 크기의 물품을 적재할 수 있으며, 언로딩 기술을 탑재해 물품을 안전하게 배송 장소에 내려놓을 수 있다. 특히 이번 실증에 활용된 ‘딜리버디-H’는 생수와 같은 무거운 물품을 배송하기 위한 로봇으로 최대 12kg 무게의 물건을 3개까지, 총 36kg 적재할 수 있다. 또한 3시간 충전으로 약 8시간 작동할 수 있어 병원시설은 물론 공동주택 등에서도 높은 활용도가 기대된다. 실증은 팬데믹 이후에도 로봇이 환자와 의료진에게 도움을 줄 수 있다는 판단하에 7종 73대의 로봇을 3만 건 이상 활용한 경험을 보유한 한림대학교 성심병원에서 진행됐다. 한림대학교 성심병원 커맨드센터의 이미연 센터장(방사선종양학과 교수)는 “면회가 제한된 상황이나, 보호자 없이 혼자 입원하는 환자의 경우에는 필요한 물품을 의료진이 전달하거나, 환자가 직접 받으러 가는 불편이 있었다”라면서, “고령화, 1인 가구 증가 상황에서 딜리버디와 같은 로봇이 평상시에는 병원 현장에 도입되고, 새로운 팬데믹 발생 시에도 활용된다면 일거양득의 효과를 기대할 수 있을 것”이라고 말했다. KIST 유범재 박사는 “이번 실증을 통해 병원 등 현장에서 딜리버디를 사용할 때 현장의 요구사항, 로봇의 동작 성능과 개선점 등을 파악할 수 있었다”라면서 향후 실용화와 표준화를 준비할 계획이라고 밝혔다. 이번 연구성과는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 혁신도전프로젝트 시범사업(’20.7-’24.6)의 하나로 KIST, ㈜코가로보틱스, 광운대의 공동연구를 통해 수행됐다. [그림 1] (좌) 딜리버디, (우) 딜리버디-H [그림 2] 환자들을 대상으로 비대면 배송을 수행 중인 딜리버디-H

- 땀샘 자극 약물 전달과 생체 상태 모니터링이 동시에 가능한 플렉서블 디바이스 개발해 낭포성 섬유증 유아 환자 대상 임상 테스트 성공 - KIST-Northwestern University의 2년간 공동 연구 성과 땀에는 당뇨병부터 유전질환까지 다양한 건강 상태를 모니터링할 수 있는 바이오마커가 포함돼 있다. 땀 채취는 혈액 채취와 달리 통증이 없어 사용자들이 선호하는 방법이지만, 검사를 진행하기 위해 충분한 영양소나 호르몬을 땀에서 얻기 위해서는 격렬한 운동을 통해 충분한 땀을 배출해야 했다. 그런데 이런 방법은 운동기능이 제한적인 사람들에게는 적용되기 어렵다는 문제가 있었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 바이오닉스연구센터 김주희 박사, Northwestern University John A. Rogers 교수 공동연구팀은 피부 약물 전달을 통해 운동이 필요 없는 간편한 땀 모니터링 디바이스를 개발했다고 밝혔다. 운동을 통해 땀을 유도했던 기존 방법과 달리 피부를 통해 땀샘을 자극할 수 있는 약물을 전달해 땀을 유도하는 방식이다. 연구팀은 약물이 포함된 하이드로젤에 전류를 흘려 약물을 피부 밑 땀샘으로 전달할 수 있는 플렉서블(Flexible) 디바이스를 개발했다. 이 디바이스는 작고 부드러워 피부 위에 쉽게 부착할 수 있으며, 약물로 유도된 땀은 디바이스 내 마이크로 플루이딕 채널에 수집돼 바이오센서를 통해 생체 상태를 모니터링 한다. 이처럼 디바이스 부착만으로 땀 속의 바이오마커를 분석할 수 있어 병원을 방문해 검사받아야 하는 번거로움을 줄이고, 검사 과정에서 발생할 수 있는 바이오마커의 오염 가능성도 낮출 수 있어 정확도 또한 높일 수 있다. 연구팀이 개발한 디바이스를 낭포성 섬유증을 앓고 있는 아기에게 부착하고 땀 속의 바이오마커인 염소 농도를 확인한 결과, 병원에서 땀을 채취해 기존 분석 방법으로 진단한 결과와 98% 이상 일치했으며, 피부 온도 및 피부 pH 수치를 확인해 피부에 대한 디바이스 안정성을 확보했다. 낭포성 섬유증은 주로 유아기에 발현되기 때문에 질병 진행 및 신체 상태에 대한 지속적인 모니터링이 필요한데, 디바이스를 통해 집에서도 간편하게 모니터링할 수 있어 유아 환자와 보호자의 정신적·신체적 스트레스를 낮출 수 있을 것으로 기대된다. 이번에 개발된 디바이스는 건강한 성인도 별도의 운동 없이 간편하게 땀 속 바이오마커를 모니터링할 수 있어 비침습적 질병 모니터링 기술인 땀 기반의 디바이스 확대에 기여할 수 있다. 또한, 피부를 통해 약물을 전달하는 기술은 땀을 유도할 뿐만 아니라 피부질환, 피부 상처 등 국소적으로 약물 전달이 필요한 곳에서 약물 전달률을 높여 회복 속도를 높이는 데도 활용될 수 있다. KIST 김주희 박사는 “Northwestern University와 2년간 공동 연구를 통해 달성한 성과로 땀 모니터링 디바이스 개발에 있어 기존의 땀 유도 방식의 한계를 해결했을 뿐 아니라, 임상 연구에도 성공함으로써 상용화에 한 걸음 더 가까워진 연구 성과”라고 연구의 의의를 밝혔다. Northwestern University John A. Rogers 교수는 “앞으로 성인을 포함한 대규모 임상 연구 및 상용화를 위한 후속 연구를 진행할 계획”이라고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 KIST 주요사업과 우수신진연구사업(RS-2023-00211342)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Biosensors & Bioelectronics」 (IF 12.6) 최신 호에 온라인 게재됐다. * 논문명 : A skin-interfaced, miniaturized platform for triggered induction, capture and colorimetric multicomponent analysis of microliter volumes of sweat [그림 1] 땀을 유도하기 위한 피부 약물 전달과 땀 속 질병 모니터링이 동시에 가능한 웨어러블 소자의 모식도 및 실제 사진 약물 전달 시스템과 땀 속 바이오마커 모니터링을 한 번에 할 수 있는 디바이스의 모식도와 사진 [그림 2] 그림 1의 웨어러블 소자를 아이에게 부착하여 테스트하는 모습 아이의 왼쪽 팔에는 병원에서 기존에 쓰이는 유선 장비를 부착하고, 오른쪽 팔은 개발한 기기를 피부에 붙여 땀샘을 자극하는 약물을 전달하는 모습

- 항암제 내성을 고려해 최적의 용량을 계산하는 수리 모델 개발 - 계산 결과를 바탕으로 새로운 항암제 개발 및 환자 맞춤형 치료 전략 수립 가능 암은 항암제 내성이 생기거나 재발하는 경우가 많아 지속적인 관리가 필요한 난치병이다. 현재 표준 암 치료법은 환자에게 심각한 부작용이 나타나지 않는 최대용량의 항암제를 주입하는 것인데, 항암제에 저항성이 있는 세포의 성장을 촉진하거나 정상 세포를 손상하는 등 의도하지 않은 결과가 나타나기도 한다. 항암제 저항성을 최소화하기 위해서는 최적의 용량과 투약 기간을 찾는 연구가 필요한데, 지금까지는 소수의 암 환자를 대상으로 하는 제1상 임상시험 결과로 결정된 최대 내약 용량(maximum tolerated dose)을 중심으로 항암치료가 진행되고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 천연물인포매틱스연구센터 김은정 박사팀은 항암제에 내성과 가소성이 있는 암 조직의 치료에 효과가 있는 최적의 용량을 제안하는 수리 모델을 개발했다고 밝혔다. 현재까지 개발된 수학적 모델은 암 치료 중에 생긴 항암제 내성과 암세포의 빠른 진화적 변화가 치료 결과에 미치는 영향까지는 고려하지 못했다. 그런데 연구팀이 제안한 계산법은 항암제 치료 중에 생길 수 있는 내성과 암세포의 일시적인 표현형 변화를 고려해 필요한 적정용량을 제안해 주는 최초의 항암제 용량 예측 모델이다. 연구팀은 암세포 성장 속도, 항암제 내성 발생 확률, 암세포 가소성 변화율 등의 암세포 특성을 변수로 하는 수리 생물 모델을 통해 항암제 용량 변화가 암 재발에 미치는 영향을 계산했다. 이 수리 생물 모델은 서로 다른 특성이 있는 암세포 간의 경쟁을 수학적으로 표현해 항암치료 중 암세포 수의 증감을 분석했다. 이를 바탕으로 암세포 수의 변화가 없는 균형점의 존재 조건을 찾고, 안정적인 균형점에 도달할 수 있는 암의 초기조건과 항암제 용량 범위를 제안했다. 연구팀이 수리 모델로 계산한 항암제 유효범위를 검증하기 위해 피부암의 일종인 흑색종 크기 변화를 수치 시뮬레이션을 통해 예측했다. 그 결과 항암제 휴식기를 통해 가소성 있는 종양세포의 항암제 재민감화를 유도한 다음, 다시 항암제 치료를 했을 때 종양 크기를 일정 수준 이하로 유지할 수 있음을 확인할 수 있었다. 이는 다른 암종에 대해서도 치료 중단 시기, 최소용량, 최대용량으로 구성된 치료 전략 수립을 위한 이론적 토대로 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 이번에 개발된 수학모델은 임상시험 전 항암제 후보물질의 유효용량 범위를 예측함으로써 새로운 치료제의 암세포 사멸 효과 및 약물별 최적 투약용량을 결정하는 데 활용될 수 있다. 또한 개인의 항암제 민감성, 암 진행 속도 등을 고려해 환자 맞춤형 항암치료 전략 수립에 기여할 수도 있다. KIST 김은정 박사는 “수리 생물 모델은 암 환자의 종양 크기와 특성 변화를 예측할 수 있고, 환자 맞춤형 항암제 투여 전략을 제시할 수 있다”라며, “향후 천연물 유래 항암제 후보물질의 동물실험 및 임상시험을 설계할 때 수리 생물 모델을 활용해 암 크기를 지속해서 조절할 수 있는 투여 용량을 설정할 계획”이라고 밝혔다. [그림 1] 수학 모델 기반 환자 맞춤형 항암제 용량 예측 [그림 2] 수학모델에서 예측된 항암제 치료 주기치료 시 암세포 수 변화 모식도 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 KIST 주요사업과 중견연구사업(2019R1A2C1090219)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Chaos, Solitons & Fractals」 (IF 7.8, JCR 분야 상위 0.9%)에 2월 호에 게재됐다. * 논문명 : Theoretical understanding of evolutionary dosing following tumor dynamics

- 다중감각 VR로 유도된 환각에 의한 인간 격자 세포 활성 변화 관측 - 유체 이탈 등 환각 증상에 대한 객관적 진단이나 치료의 새로운 방향 제시 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 바이오닉스연구센터 문혁준 박사 연구팀은 스위스 로잔연방공과대학(이하 EPFL) 블랑캐(Olaf Blanke) 교수 연구팀과 함께 다중감각 가상현실(VR)을 이용해 자기 위치 환각을 유도하고, 이로 인한 뇌 속 격자 세포 활성의 변화 관측에 성공했다고 밝혔다. 우리 뇌에는 자신이 위치한 장소를 인지하는 GPS(위치정보시스템) 기능을 수행하는 격자 세포(grid cell)와 장소세포(place cell)가 존재하는 것으로 알려져 있다. 특정 장소로 이동하는 동안 그 경로에 있는 GPS 세포들이 위치에 따라 차례로 반응하게 되는데, 이들 세포는 우리의 위치를 좌표 형태로 인식하고 공간 내 사건들을 기억하는 데 중요한 역할을 담당한다. 인간은 상상이나 환각을 통해 실제로 몸을 움직이지 않아도 자신이 다른 공간에 있는 것처럼 인식하는 이른바 순수인지적 위치 이동이 가능한 존재다. 하지만, 이 같은 순수인지 과정에서 일어나는 뇌 속 GPS 세포의 반응은 이러한 인지를 유도하거나 확인할 수 없는 쥐 등의 동물실험으로는 관찰할 수 없었다. 더욱이 기존에 GPS 세포 연구를 위해서는 두개골을 열고 침습적 전극으로 개별 세포의 활성을 측정해야 했기 때문에 순수인지 과정의 인간 GPS 세포 활성에 관한 연구와 이해는 제한적일 수밖에 없었다. 연구팀은 순수인지적 환각에서 격자 세포의 활성을 관측하기 위해 MRI 호환 VR 기술과 다중감각 신체 신호 자극을 결합해 다양한 위치와 방향으로 자기 위치 변화 환각을 유도했다. 이 과정에서 측정된 MRI 신호를 통해 격자 세포의 변화를 분석했으며, 각 피험자의 환각 경험은 실험 후 질문지와 그들이 경험한 자기 위치를 확인할 수 있도록 고안된 행동 지표를 통해 확인했다. 그 결과, 연구팀은 환각에 의해 유도된 자기 위치에 대한 순수인지적 변화가 그에 상응하는 격자 세포의 활성을 일으킨다는 것을 최초로 증명했다. 이번 연구는 실제 위치의 이동 없이 다중 신체 감각 자극만으로 자기 위치 환각과 격자 세포 활성을 유도할 수 있다는 사실을 처음으로 입증한 임상시험 결과다. 이것은 인간 뇌 속 GPS 좌표가 신체의 물리적 위치뿐만 아니라 다양한 인지 활동과 경험에 따른 위치 정보에 반응한다는 것을 보여준 것으로 뇌 영상 분석을 통한 환각 증상의 객관적인 진단 가능성을 높였다. 또한, 이번 연구 성과가 유체 이탈 등의 환각 증상을 겪고 있는 환자들의 치료를 위한 표적을 제시해 새로운 치료법 개발에도 기여할 것으로 기대된다. KIST 문혁준 박사는 “1인칭 시점의 시각적 환경 단서의 변화에 의존해 왔던 기존 인간 격자 세포 연구와 달리 다중 신체 감각의 통합이라는 주요 연구 요소를 새롭게 제시했다”라며, “다양한 정신질환이나 신경 질환으로 인한 환각 증상의 뇌 기능적 메커니즘 이해를 통해 해당 증상을 억제할 수 있는 비침습적 신경 자극 치료를 개발하기 위한 후속 국제협력연구를 진행할 예정”이라고 밝혔다. [그림 1] 다감각 VR을 통한 통제된 자기 환각 유도와 이에 따른 격자 세포 활성 관찰 [그림 2] 내후각피질에서 관찰된 격자세포 활성 본 연구는 국내에서는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원으로 KIST 주요사업과 스위스 국립과학재단의 지원(320030_188798)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「PNAS」 (IF: 11.1)에 3월 게재됐다. * 논문명 : Changes in spatial self-consciousness elicit grid cell-like representation in the entorhinal cortex

- 웨어러블 기기에 최적화된 비정형 에너지 저장장치 기초 섬유 기술 개발 - 활성물질 추가 공정 불필요, 습식방사로 대량생산 가능 삼성 갤럭시 링과 애플의 비전프로 같은 최신 웨어러블 기기들은 건강관리에서 한 걸음 더 나아가 가상공간에서의 업무수행까지 가능하게 하는 수준에 다다르고 있다. 그런데 작고 가벼워야 하는 웨어러블 기기의 특성상 배터리 용량이 제한될 수밖에 없어 여전히 다양한 기능을 탑재하기에는 기술적 한계가 있다. 웨어러블 기기가 상상 속 삶을 완벽히 구현하려면 더 가벼우면서 형태에 구애받지 않는 비정형 에너지 저장방식의 개발이 필요하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록)은 전북분원 기능성복합소재연구센터 정현수 박사, 김남동 박사와 탄소융합소재연구센터 김승민 박사 공동 연구팀이 에너지를 저장할 수 있는 섬유형 전극 소재를 개발했다고 밝혔다. 이 섬유는 강하고 가벼운 동시에 매우 유연한 특성을 가져 웨어러블 기기 폼팩터의 자유도를 높이고, 다양한 형태와 사용 용도에 맞춰 제작할 수도 있다. 탄소나노튜브 섬유는 유연하고 가벼우며, 뛰어난 기계‧전기적 특성을 보유해 웨어러블 디바이스의 기초소재로 기대된다. 하지만 비표면적이 작고 전기화학 활성이 부족해 기존 연구에서는 주로 집전체로만 이용하고, 표면에 활성물질을 코팅하는 방법을 주로 사용했다. 그런데 이러한 접근법은 추가 물질 및 공정으로 비용이 상승하여 비경제적일 뿐만 아니라, 장기간 사용하거나 물리적 변형이 발생하면 활성물질이 섬유로부터 분리될 가능성이 높다. KIST 연구팀은 이와 같은 문제를 해결하기 위해 활성물질 없이도 높은 에너지 저장능력을 가진 섬유형 전극 소재를 개발했다. 연구팀은 파우더 형태의 탄소나노튜브를 산처리해 개질하고 섬유화함으로써 전기화학 활성과 우수한 물리적 특성을 모두 갖춘 탄소나노튜브 섬유를 개발했다. 개질된 탄소나노튜브 섬유는 일반 탄소나노튜브 섬유 대비 에너지 저장능력이 33배 증가하고, 기계적 강도는 3.3배, 전기 전도도는 1.3배 이상 증가했다. 게다가 순수한 탄소나노튜브 섬유만을 사용해 에너지 저장 전극 소재를 개발했기 때문에 습식방사 기술을 이용한 대량생산이 가능하다. 섬유형 슈퍼 커패시터로 제작해 테스트한 결과, 매듭을 지었을 때 100%에 가까운 성능이 유지되고 5,000번 구부림 테스트를 거친 후에도 95%의 성능을 유지했다. 또한 일반섬유와 탄소나노튜브 섬유를 직조해 디지털시계의 손목 줄로 제작했을 때도 구부림, 접기, 세척 후 잘 작동됐다. KIST 김승민 박사는 “최근 이차전지의 도전재로 활용되며 다시 주목을 받기 시작한 탄소나노튜브가 훨씬 다양한 분야에 활용될 수 있음을 확인했다”고 연구의 의의를 설명했다. 공동연구자인 정현수 박사는 “탄소나노튜브 섬유는 우리가 보유한 원천기술과 선진국과의 기술격차가 크지 않아 경쟁력이 있는 분야”라며, “비정형 에너지 저장 핵심 소재로 응용하기 위한 연구를 지속하겠다”고 밝혔다. 또 다른 공동연구자인 김남동 박사는 “슈퍼 커패시터에서 더 나아가 에너지 밀도가 높은 섬유형 배터리로 응용하기 위한 연구를 현재 수행 중”이라고 밝혔다. 본 연구는 KIST 주요사업 (ORP, K-DARPA)과 과학기술정보통신부 (장관 이종호)의 지역선도연구센터사업 (2019R1A5A8080326), 산업통상자원부 (장관 안덕근)의 소재부품산업핵심기술개발 사업 (20017548)과 현대자동차의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 재료분야 국제 학술지 ‘Advanced Energy Materials’ (IF 27.8, JCR 2.8%)에 표지논문 (Front Cover)으로 게재됐다. * 논문명 Active Material-Free Continuous Carbon Nanotube Fibers with Unprecedented Enhancement of Physicochemical Properties for Fiber-Type Solid-State Supercapacitors [그림 1] 기능화된 탄소나노트브의 물성과 전기화학 활성도 위 그림은 기능화된 탄소나노튜브의 원섬유 대비 기계적, 전기전도도 물성 향상 비교를 나타내며 활물질 없이 표면이 깨끗함에도 불구하고 전기화학 활성도가 33배 증가함을 나타낸다. [그림 2] 웨어러블 슈퍼캐패시터 실증 위 그림은 탄소나노튜브 섬유를 섬유형 슈퍼캐패시터 (FSSCs)로 제작하여 에너지 저장 능력과 웨어러블 특성들을 시중에서 구입한 디지털 시계로 실증한 것들이다.

- 초임계 상태 물만으로 수십 분 내에 99% 친환경 재활용 가능 - 폐 재활용섬유를 E-모빌리티 배터리 전극재로 업사이클링 까지 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)은 금속보다 가볍고 강도가 높아 항공, 우주, 자동차, 선박, 스포츠용품 등 다양한 산업 분야에서 사용되고 있다. 최근에는 에어 모빌리티와 같은 신산업에도 적용되면서 사용량이 증가해 폐기물 처리 문제가 드러나고 있다. 그런데 CFRP는 자연분해가 되지 않으며, 고온 소각방식은 독성물질을 배출해 환경오염을 초래하기 때문에 재활용 기술 개발이 시급하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록)은 RAMP융합연구단 정용채 단장 연구팀이 일정 수준 이상의 온도와 압력 조건에서 발현되는 초임계 상태의 물을 이용해 수십 분 내에 CFRP 소재를 99% 이상 재활용하는 기술을 개발했다고 밝혔다. 초임계 상태의 물은 높은 극성, 확산성, 그리고 밀도를 가져 CFRP에 함침된 에폭시만을 선택적으로 제거함으로써 재활용된 탄소섬유를 얻을 수 있다. 연구팀은 별도의 촉매제, 산화제, 유기용매등을 사용하지 않고 물만을 이용해 고효율의 재활용 시스템을 완성했다. 또한 글라이신(Glycine)을 초임계 상태의 물에 첨가하면 CFRP를 질소 원자가 도핑된 재활용 탄소섬유로 업사이클링할 수 있다는 사실도 알아냈다. 이렇게 업사이클링된 탄소섬유는 기존 재활용 탄소섬유보다 우수한 전기적 전도성을 가진다. 수십 분 내에 단일 재활용 공정만으로 CFRP의 재활용과 업사이클링을 동시에 처리해 재활용 섬유의 구조와 물성을 제어한 사례는 이번 연구성과가 처음이다. 지금까지는 재활용된 CFRP 섬유의 성질이 불균일하다는 제약으로 인해 그 활용처가 주로 복합소재의 충진제에 국한됐다. 이와 비교해 연구팀이 만들어 낸 업사이클링 탄소섬유는 E-모빌리티 배터리의 전극재로 적용했을 때 코인셀 평가에서 흑연 대비 동등 혹은 그 이상의 성능을 나타냈다. KIST 정용채 단장은 “전 세계적으로 탄소복합소재(CFRP)의 폐기물량이 증가하고 있는 상황에서 이를 친환경적으로 업사이클링하는 기술을 개발했다”면서, “탄소배출량을 획기적으로 저감시키는 것은 물론 E-모빌리티의 배터리 전극재로 전환하는 자원 선순환 구조까지 제시한 의미있는 연구성과”라고 연구의 의의를 설명했다. 이번 성과는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 KIST 융합연구단사업 (CRC23011-000)과 나노 및 소재기술개발사업 (2021M3H4A1A0304129)으로 수행되었으며, 연구결과는 국제학술지 카본 (CARBON) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Simultaneous recycling and nitrogen doping in carbon fiber reinforced plastic using eco-friendly supercritical water treatment for Li-ion batteries anode application - (공동제 1저자) 한국과학기술연구원 김영남 연구원 - (공동제 1저자) 한국과학기술연구원 이윤기 연구원 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 정용채 책임연구원 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 이성호 책임연구원 [그림 1] 탄소복합소재를 물로 재활용한 전/후실사진 이미지 (CFRP:원소재(재활용 전), N-CF: 질소도핑된 탄소섬유 (재활용 후)) [그림 2] 업사이클링 재활용 탄소섬유의 배터리 용량 평가결과 (P-CF:원소재, R-CF:재활용 탄소섬유, N-CF: 질소도핑 재활용 탄소섬유)

- 단순 자동화 장치 대비 소재 개발 효율 500배 이상 높인 AI 로봇 기반 스마트 연구실 - 노령화에 따른 연구인력 감소 문제를 해결하는 새로운 R&D 패러다임 기대 20세기 초 하버-보슈법에 의한 암모니아 합성용 촉매 개발은 성공하기까지 10,000회 이상의 실험이 따랐다고 한다. 이처럼 신소재 개발은 설계에서 상용화까지 많은 시간과 비용이 필요한 작업이다. 그런데 최근에는 인공지능(AI)을 활용해 소재개발 기간을 단축하는 연구가 활발하다. 여기에 로봇까지 접목하면 사람의 개입 없이도 1년 365일, 24시간 동안 소재개발 연구를 할 수 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록)은 계산과학연구센터 한상수 박사, 김동훈 박사와 고려대학교(총장 김동원) 화공생명공학과 이관영 교수 공동연구팀이 AI와 로봇을 활용한 맞춤형 금속 나노입자 설계 플랫폼 즉, 스마트연구실을 개발했다고 밝혔다. KIST-고려대 공동연구팀은 먼저 로봇팔을 기반으로 나노입자를 합성하고, 합성된 나노입자의 광학적 특성을 측정하는 자동화 장치를 개발했다. 여기에 AI 기술을 접목해 연구자가 원하는 소재의 물성을 입력하면 요구물성을 정확히 충족시키는 나노소재를 합성해주는 맞춤형 소재 개발 스마트연구실이 탄생했다. 스마트연구실 플랫폼에 적용된 AI 기술은 기존의 베이지안 최적화 방법에 얼리 스톱핑(early stopping) 기술을 접목해 단순 자동화 장치 대비 소재탐색 효율성을 500배 이상 높였다. 사람이 하는 실험은 연구환경이나 연구자에 따라 결과가 달라져 재현성 있는 결과를 얻기 힘든 경우가 많지만, 개발된 스마트연구실에서는 일관성 있는 양질의 데이터를 대량으로 생산할 수 있다는 장점이 있다. 연구진은 스마트연구실의 안전확보를 위한 AI 기술도 개발했다. 무인으로 운영되는 스마트연구실은 연구자가 다칠 위험은 없지만, 로봇의 과부하로 인한 오작동 등 안전사고를 예방하기는 어렵다. 연구진은 이러한 안전사고를 사전에 감지하고, 예방하기 위한 AI 비전기술(DenseSSD)을 개발해 스마트연구실에 탑재했다. DenseSSD는 실험실 내 연구장비와 재료 등 다양한 물체를 감지하고, 이상이 있으면 사용자에게 알림을 보내 적절한 조치를 취할 수 있게 한다. KIST 한상수 박사는 “사람의 개입 없이 소재개발이 가능한 스마트연구실 플랫폼은 노령화에 따른 연구인력 감소 문제를 해결할 수 있는 새로운 R&D 패러다임이 될 것”이라고 기대했다. 김동훈 박사는 “향후 비전문가도 스마트연구실을 쉽게 사용할 수 있도록 챗GPT와 같은 대화형 언어모델을 접목할 계획이다”라고 밝혔다. 연구팀은 촉매, 배터리, 디스플레이 등 다양한 소재분야로 스마트연구실 플랫폼을 확장할 예정이다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원으로 한국연구재단 나노및소재기술개발사업 지원으로 수행되었으며, 연구 결과는 재료과학 분야 국제저널인 「Advanced Functional Materials」* 및 「npj Computational Materials」**에 3월 6일과 2월 22일에 각각 온라인 게재되었다 * Bespoke Metal Nanoparticle Synthesis at Room Temperature and Discovery of Chemical Knowledge on Nanoparticle Growth via Autonomous Experimentations ** Machine Vision-based Detections of Transparent Chemical Vessels toward the Safe Automation of Material Synthesis [그림1] AI로봇을 활용한 Closed-loop 실험 단계 개념도 [그림2] 기존 방법론 대비 AI 기반 실험 설계의 정량적 효율성 비교 그림 [그림3] KIST 계산과학연구센터 스마트연구실 개발 인원 사진