- 테라헤르츠파 기술과 메타물질을 결합한 초고감도 영상기술 개발 - 향후 다양한 극미량 질병 원인 물질 진단 기술 응용 기대 국내 연구진이 조영제 없이도 생체 내부를 촬영한 영상을 통해 질병을 모니터링 할 수 있는 기술을 개발했다. PET, CT, 형광현미경 등을 이용해 생체 내부를 촬영하기 위해서는 촬영 대상이 잘 보이도록 하는 조영제 사용이 필수적이다. 하지만 조영제는 연관검색어가 ‘부작용’일 정도로 위험성을 갖고 있으며, 몸 속에서 생체 조직과 반응하여 조직을 변형시켜 어떠한 증상을 일으킬지 모른다는 문제가 있었다. 한국과학기술연구원(원장 윤석진)은 센서시스템연구센터 서민아 박사 연구팀이 테라헤르츠(THz, 1012Hz) 전자기파를 이용하여, 조영제 없이도 생체 내에 미량만 존재하는 물질을 검출할 수 있는 새로운 방식의 이미징 기술을 개발했다고 밝혔다. 연구팀은 이 기술을 이용하여 치매 원인 물질로 알려진 ‘아밀로이드 플라크’ 단백질을 모니터링할 수 있었다. 테라헤르츠 전자기파는 X-ray나 방사선처럼 고에너지를 갖고 있지 않아 생체조직을 변형시키지 않을 수 있는 장점이 있으며, 별도의 조영제 없이도 생체 내부를 관찰할 수 있어 안전한 차세대 이미징 기술에 응용할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 하지만, X-ray나 가시광선보다 파장이 길기 때문에 매우 작거나 극미량의 물질은 관찰하는데는 어려움이 있었다. 또한, 테라헤르츠파는 생체 내 수분에 흡수되어 사라지기 때문에 관찰한 정보를 수집할 수 없다는 어려움도 있었다. KIST 연구팀은 자연계에 존재하지 않는 성질을 인위적으로 만들어낸 인공물질인 메타물질을 개발하여 위와 같은 어려움들을 극복해냈다. 메타물질을 활용하여 대상 물질의 광학적 특성을 바꾸면 특정 파장에서 금속을 플라스틱처럼 보이게 할 수도 있고, 눈에 보이지 않도록 할 수도 있다. 서민아 박사팀은 테라헤르츠파의 민감도를 높이고, 생체 내부의 물과 만나 흡수되지 않도록 수분과 만날경우 그 경계면에서 반사되어 돌아오도록 하는 새로운 메타물질을 설계, 개발했다. 그 결과, 기존 테라헤르츠파 기술로 영상화가 어려운 극미량의 생체 조직의 선명한 영상을 촬영하였다. 형광물질이나 방사성동위원소와 같은 조영제를 사용하지 않고도 기존 영상장치와 유사한 수준의 영상을 얻을 수 있게 된 것이다. 연구진은 이 기술을 활용하여 뇌 속에 극미량만 존재하고, 치매의 원인 물질로 알려진 ‘아밀로이드 플라크’ 단백질을 관찰하였다. 기존의 영상 진단 방법에서는 영상의 명암 차이를 통한 상대적인 비교만 할 수 있었으나, 테라헤르츠파는 분자들의 상태에 민감하기 때문에 아밀로이드 단백질이 축적된 양까지도 정량적으로 분석할 수 있었다. KIST 서민아 박사는 “인체 내 다양한 질병 원인 물질을 조영제 없이 직접 검출함으로써, 치매뿐만 아니라 다양한 질병 진단 기술 개발에 적용할 수 있을 것으로 전망한다.”라며 “예를 들어 인체 내 암조직 등을 조영제 없이 선명한 경계면을 확인하는 영상기술로도 활용할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업 및 한국연구재단 중견연구자지원사업, 글로벌프론티어사업을 통해 수행되었으며, 연구결과는 분석화학 분야 국제학술지인 ‘Biosensors and Bioelectronics’ (IF:10.257, JCR 분야 상위 0.581%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Label-free brain tissue imaging using large-area terahertz metamaterials - (제 1저자) 한국과학기술연구원 이상훈 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 서민아 책임연구원 <그림설명> [그림 1] 전자기파 파장별 스펙트럼과 테라헤르츠 정의 [그림 2] 메타물질을 이용한 고민감도 비표지 테라헤르츠 생체 이미징 기술 모식도 [그림 3] 테라헤르츠 메타물질을 이용한 생쥐모델의 뇌에서 노화에 따른 아밀로이드 플라크 응집 정도 모니터링 (좌) 메타물질을 이용한 정상(wildtype, 왼쪽)과 치매모델(APP/PS1, 오른쪽) 쥐 뇌의 비표지 테라헤르츠 이미지, 정상보다 치매 모델 쥐 뇌에서 월령에 따라 아밀로이드 플라크 양이 증가함을 확인할 수 있음

- 투명유리창이지만 앞면과 뒷면의 반사색상이 다른 ‘광학야누스 효과’ - 경고 알림, 정보 암호화 가능, 간단한 제조방법으로 상용화 가능성↑ 영화 속 범죄 피의자를 조사하는 장면에서 안에서는 밖에 보이지 않지만, 밖에서는 안이 보이는 취조실의 스마트 유리를 본 적이 있을 것이다. 그렇다면, 앞면과 뒷면이 서로 다른 색인 투명한 유리는 만들 수 없을까? 앞면의 색이 붉은색이라면 뒷면에서 봤을 때도 그 색이 투과되어 붉은색이 보일 수밖에 없어 큰 어려움이 따른다. 국내 연구진이 유리 양면에 서로 다른 이미지와 색을 표기할 수 있는 유리를 개발했다. 그럴 뿐만 아니라, 외부 환경에 따라 원하는 정보를 한쪽 면에만 나타나거나 사라지게 할 수 있어 유해 가스에 반응하여 경고 문구가 나타나는 유리로 활용할 수 있다. 한국과학기술연구원 (KIST, 원장 윤석진)은 센서시스템연구센터 유용상 박사팀이 경북대학교(경북대, 총장 김상동) 전자공학부 이승열 교수팀과의 공동연구를 통해 양면에 다른 색이나 이미지를 표현할 수 있고, 외부 환경에 따라 색이 변화하는 투명 유리를 개발했다고 밝혔다. KIST-경북대 공동연구팀은 머리카락의 1/1000 두께인 30나노미터 수준의 초박막 금속- 유전체(誘電體) : 전기적 유도 작용을 일으키는 물질 유전체-금속 구조를 이용했다. 이 구조의 상부 금속층과 하부 금속층을 구성하는 나노층의 구성비를 다르게 제작하여, 유리의 양면 색상이 다르게 보이는 ‘광학야누스 효과’를 구현하였다. 연구팀은 여기에서 멈추지 않고 한발 더 나아가 가스나 각종 용액 등 유체가 금속층 사이로 스며들 수 있게 했다. 이를 통해 외부 환경에 반응하여 색이나 이미지, 메시지, 심볼 등의 정보를 나타내거나 사라지게 할 수 있었다. 연구진이 개발한 초박막형 양면 반전 유리 기술은 고비용의 장비를 이용하지 않고 단순한 증착 공정을 통해 나노구조를 만들 수 있어 제작 단가를 획기적으로 절감하여 상용화를 위한 응용 가능성도 주목을 받고 있다. 또한, 염료를 사용하지 않고도 다양한 색상을 표현할 수 있는 응용기술이기 때문에, 오랜 기간이 지나면 색이 바래는 기존의 컬러 유리와는 달리 반영구적으로 색상을 유지할 수 있다. 여기서 구현된 색은 공작새의 깃털처럼 보는 각도에 따라 다른 화려한 색을 보여 인테리어용 컬러필터로도 활용할 수 있다. KIST 유용상 박사는 “이번 성과는 양면 반전형 정보를 제공하는 유리창 기술로, 정보의 불균형 배분을 가능하게 하는 신기술이다. 관찰하는 면에 따라 보이는 이미지가 다른 이 기술은 광학 스위치, 광소자 저장기기로도 응용 가능성 매우 크다.”라며, “외부가스, 액체, 온도, 습도에 따른 색상변화를 일으키는 유리창 제작과 같은 형태로 바로 적용할 수 있어 수소의 유출을 감지할 수 있는 수소저장용 유리 창고 및 수소 센서로 사용하기 위한 추가 실험이 진행 중이다.”라고 밝혔다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영)의 지원을 받아 KIST의 주요사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 광학 분야의 권위지인 ‘Light: Science and Applications’ (IF: 14.09, JCR 분야 최상위 1.9%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Asymmetric Optical Camouflage: Tuneable reflective colour accompanied by optical Janus effect - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김태현 학생연구원 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 유의상 박사후연구원 - (제 1저자) 경북대학교 배영규 석사과정 - (교신저자) 경북대학교 이승열 조교수 - (교신저자) 한국과학기술연구원 유용상 선임연구원 <그림설명> [그림1] KIST-경북대 공동연구진이 개발한 양면 반전 이미징 반사형 광학야누스 기판 모식도 [그림2] 광학 야누스 원리로 제작된 전후 상이색상의 양면 반전 이미징 기판의 노출 액체의 특성에 따른 정보 암호화 사진 [앞면 (상)과 뒷면 (하)]

- 대기와 수중 속 다양한 초미세 부유입자 정제하는‘나노갭 전극 ’원천 기술 - 낱개단위→대규모 제어 가능해져…환경·의료 응용 기대 국내 연구진이 인체 내 독성과 지구 생태계 교란의 주범이 되고 있는 미세먼지와 미세플라스틱을 효과적으로 제어하는 원천 기술을 개발했다. 눈에 보이지 않는 나노 입자들을 실시간 선별·정제·농축할 수 있는 이 기술은 특히 환경 독성 입자는 물론 바이러스 제거와 치매 단백질, 암 진단 마커 등의 검지 기술로도 응용 가능성이 커 더욱 비상한 관심을 끌고 있다. 한국과학기술연구원 (KIST, 원장직무대행 윤석진) 국가기반기술연구본부 센서시스템연구센터 유용상 박사팀은 서울대학교(서울대, 총장 오세정) 전기·정보공학부 이신두 교수팀과의 공동연구를 통해 머리카락 1/1000 굵기인 20 나노미터(nm) 수준의 유체(fluid) 내 초미세 부유 입자를 효율적으로 포획하는 ‘나노갭 전극’을 개발했다고 밝혔다. 연구진은 또한 해당 전극을 이용해 최근 신약개발 및 암 진단 신규 마커로 주목받고 있는 세포밖소포체(Extracellular vesicle, 엑소좀)와 치매 단백질(Beta-amyloid)의 선별농축과 위치제어 실험에도 성공했다. 세계 학계는 그간 나노 단위의 입자를 손상 없이 조작할 수 있는 기술을 개발하기 위해 많은 노력을 기울여 왔다. 2018년 노벨물리학상을 수상한 광 집게(optical tweezers) 기술이 대표적이다. 하지만 낱개 수준의 이동과 측정을 넘어 산업계의 숙원인 상용화는 더뎠다. 100nm 이하 입자를 포집·선별·정제·농축하는 메커니즘을 일반적인 대기 및 물 환경에서 대면적·대용량화하는 데 기술적 한계가 분명했다. KIST-서울대 공동연구진은 센티미터(cm) 단위의 입자 농축과 정제 실험을 통해 ‘유전영동 집게’ 기술을 가능하게 하는 나노갭 전극의 대면적화에 성공했다. 유전영동(dielectrophoresis)이란 1초에 수백~수천 번 진동하는 파장을 두 개의 전극에 인가해 전극 주변부에 불균일한 전기장을 형성, 이를 통해 전기장 주변의 입자를 전극부로 끌어모으거나 밀어내는 기술이다. 연구팀은 고가의 장비 대신 보편적인 반도체 공정을 이용하는 기술을 찾기 위해 다양한 전극 구조를 실험하던 중, 수직 배열의 비대칭 전극이 기존의 수평 배열보다 10배 이상 더 큰 유전영동 힘을 발생시킨다는 사실을 밝혀냈다. 이에 따라 나노갭 전극 상용화의 최대 걸림돌이었던 대면적화와 비용 절감이 동시에 가능해졌다. 기존의 수평 배열 전극 제작 방식은 손톱 크기 나노갭 구현에 최소 수십 만 원이 소요됐다. 반면 새로운 유전영동 기술을 이용하면 최대 5천 원으로 LP 레코드판 크기의 나노갭 전극을 제작할 수 있다. KIST 연구팀이 개발한 수직 배열의 나노갭 전극 원천 기술은 대면적화와 전극 형태의 다양화, 제작 단가의 획기적 절감과 함께 다양한 응용 가능성으로도 주목을 받고 있다. 공기 또는 물 필터에 활용될 경우 건전지 정도의 저전압으로도 미세먼지, 나노 플라스틱, 바이러스, 세균, 박테리아 등 다양한 미세 부유 입자의 실시간 검출과 제거를 할 수 있다는 게 연구진의 설명이다. 본 연구의 제1저자인 KIST 유의상 박사는 “이번 성과는 향후 종류나 환경에 상관없는 나노 크기 입자의 선별 정제 기술로 응용될 수 있다”라고 밝혔으며, 연구책임자인 KIST 유용상 박사는 “이를 바탕으로 다양한 사회 문제 해결과 인류의 삶의 질 향상에 전반적으로 기여할 수 있게 되기를 바란다”라고 연구 의의를 밝혔다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원을 받은 KIST 주요사업과 삼성전자 미래기술육성센터 사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 융합기술분야 나노바이오 분야의 최고 권위지인 ‘Nature Communications’ (IF: 11.878, JCR 분야 상위 6.52%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Precise capture and dynamic relocation of nanoparticulate biomolecules through dielectrophoretic enhancement by vertical nanogap architectures - (제 1저자) 한국과학기술연구원 유의상 박사후연구원 - (교신저자) 서울대학교 이신두 교수 - (교신저자) 한국과학기술연구원 유용상 선임연구원 <그림설명> [그림 1] 대표 그림 KIST-SNU 공동연구진이 개발한 수직 나노갭 전극의 나노 입자 제어기술의 모식도

- 외부 압력에 의한 페로브스카이트 태양전지 소재의 거동을 이론적으로 규명 - 극한 환경에서 견디는 고성능 페로브스카이트 태양전지 소재 설계 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 직무대행 윤석진) 계산과학연구센터 이정훈 박사팀은 UC Berkeley 물리학과 Jeffrey B. Neaton 교수팀과의 공동연구를 통해 하이브리드(유기금속 할라이드) 페로브스카이트 태양전지’가 외부 압력과 충격을 받을 때 발생하는 구조 변화와 금속화 현상으로 인한 성능 저하의 원인을 이론적으로 규명했다고 밝혀 관련 학계와 산업계의 주목을 받고 있다. 현재 태양전지는 일반 생활에서 뿐만 아니라 대기권 및 우주, 사막, 그리고 바다와 같은 극한 환경에서도 많이 사용되고 있다. 최근 높은 효율과 저렴한 생산비용으로 인해 주목받고 있는 하이브리드(유기금속, 할라이드(I), 납(Pb)으로 구성) 페로브스카이트 태양전지는 기존 상용화되어 있는 값비싼 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 태양전지로 각광받고 있다. 따라서 극한 환경에서 정상적으로 작동할 수 있는 고효율의 하이브리드 페로브스카이트 태양전지 소재를 설계하는 것에 연구자들의 이목이 집중되고 있는 상황이다. 하지만 최근 학계에서는 하이브리드 페로브스카이트 태양전지가 외부의 높은 압력 및 충격을 받았을 때, 사방정계 구조에서 입방정계 구조로 변하는 상 전이(Phase transition) 현상과 소자 내에 전기가 흘러 정상적인 기능을 수행하지 못하게 되는 금속화 현상(Metallization)이 보고되어 상용화에 큰 어려움을 겪고 있었다. 구조와 특성이 변한 하이브리드 페로브스카이트 태양전지는 태양광을 전기에너지로 변환시키는 역할을 수행할 수 없다. 이는 외부의 압력이 태양전지의 성능을 현저히 저하시키는 것을 의미하며, 현재까지 그 원인이 명확히 밝혀지지 않았다. KIST-UC Berkeley 공동연구진은 수퍼컴퓨터를 활용한 양자역학 이론(범밀도함수론)을 통해 외부 압력에 의한 하이브리드 페로브스카이트 태양전지의 구조변화(상 전이) 현상을 이론적으로 증명했다. 연구진은 상 전이가 일어나는 압력을 정확하게 예측함으로서 유기 분자들이 고압력 하에서 더 높은 안정성을 위해 원래 상태인 사방정계 구조보다 입방정계 구조로 유도되는 현상을 밝혔다. 또한 연구진은 높은 압력 하에서 하이브리드 페로브스카이트의 원소 중 하나인 납 원자들이 상호작용을 일으켜 부도체에서 도체 특성을 가지게 되는 금속화 현상을 야기하여 전기가 흐르게 하는 원인임을 이론적으로 증명해 냈다. KIST 연구진은 이번 연구를 통해 그간 외부압력에 의한 하이브리드 페로브스카이트 태양전지의 성능저하의 원인을 최초로 규명했다. KIST 이정훈 박사는 현재 후속연구로 하이브리드 페로브스카이트 태양전지에 최적화된 소재를 개발 중에 있다. 특히 구조변화를 일으키지 않는 유기금속과 금속화현상의 원인 및 환경파괴의 원인으로 지목되는 납을 대체할 수 있는 원소를 찾는다면 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 차세대 태양전지 개발에 박차를 가할 수 있을 것으로 기대하고 있다. KIST 이정훈 박사는 “이번 성과는 향후 고성능의 하이브리드 페로브스카이트 태양전지 개발 및 최적화에 있어 새로운 이론적 가이드라인을 제시할 것으로 기대한다.”라고 말하며, “하이브리드 페로브스카이트 태양전지가 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 차세대 태양전지로 자리매김하는데 기여할 것으로 기대”라고 밝혔다. 본 연구결과는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업으로 수행되었으며, 에너지소재 분야 국제학술지인 ‘ACS Energy Letters’ (IF: 16.331, JCR 분야 상위 1.923%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Origins of Pressure-Induced Phase Transition and Metallization in Halide Perovskite (CH3NH3)PbI3 - (제 1저자 & 교신저자) 한국과학기술연구원 이정훈 선임연구원 <그림설명> [그림1] 외부 압력에 의한 구조와 전기적 특성의 변화

- 대면적화와 패턴 제조기술 개발, 향후 늘어나는 디스플레이 등에 응용 - 휘어있는 은 나노와이어 네트워크의 신축 기판 위 범용 제작 기술 개발 국내 연구진이 휘어지고, 늘어나기도 하는 투명전극의 대형화에 성공했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 직무대행 윤석진)은 광전하이브리드연구센터 이상수, 손정곤 박사 연구팀이 높은 투명도에서도 신축성과 전기전도성을 유지할 수 있는 은 나노와이어 전극을 A4용지 크기 이상의 대면적으로 제작하는 기술을 개발했다고 밝혔다. 투명전극은 전기가 흐르는 전극이면서 투명하므로 태양전지, 터치스크린 기반의 디스플레이 장치 등에 필수적인 요소이다. 현재 상용화되어 활용되고 있는 것은 인듐주석산화물(ITO) 기반의 투명전극인데, ITO기반의 투명전극은 금속 산화물 성분이기에 유연성이 매우 낮아, 향후 휴대형 전자기기의 주류를 이룰 것으로 예측되는 플렉서블 및 웨어러블 기기에는 활용할 수 없어 유연성이 특화된 새로운 투명전극 개발이 필요하다. 은 나노와이어는 단면 지름이 수십 나노미터인, 가늘고 긴 막대 형태의 은(Ag) 성분의 나노소재이다. 매우 미세한 크기로 인해 외부에서 가해지는 힘에 따라 구부러질 수 있으며, 은 고유의 뛰어난 전기전도성과 함께 나노와이어가 엉켜있는 형태인 나노 네트워크를 구성하여 투명도 높은 필름을 만들 수 있어서, 차세대 유연 투명전극 소재로 주목받고 있다. 하지만, 은 나노와이어는 구부러질 수 있어서 유연하기는 하지만 늘어나는 소재로 활용할 수는 없었다. 기존 유연전극 연구그룹들은 신축성 기판을 늘려놓은 뒤 그 위에 은 나노와이어를 배치한 후 원래 크기로 돌려놓는 과정을 통해 구부러진 구조의 은 나노와이어를 구현하는 연구를 진행해 왔지만, 이 경우 늘임-이완을 몇 회만 반복해도 쉽게 끊어진다. 이를 보완하고자 나노와이어의 양을 증가시켜 높은 밀도의 나노와이어 네트워크를 제작하면 나노와이어가 부분적으로 끊어지더라도 전기적 연결이 계속 유지되도록 할 수 있어서 신축 전극으로 활용할 수 있으나, 이 경우에는 투명도가 크게 저하되기에 투명도와 전도도를 동시에 가지면서 신축 변형이 가능한 투명전극을 제조하는 것은 매우 어려웠다. KIST 이상수, 손정곤 박사팀은 미리 늘려놓은 기판 위에 나노와이어를 배치한 다음 늘어난 기판을 다시 이완시킬 때 나노와이어가 부러지거나 손상되는 현상을 극복하고자 나노와이어 네트워크에 용매를 접촉한 상태에서 늘임-이완을 진행하는 공정을 새롭게 제안하였다. 용매에 접촉하면 나노와이어가 젖으면서 나노와이어 사이의 마찰 저항이 감소하게 되어 기판과 함께 안정적으로 변형될 수 있게 되어, 나노와이어 네트워크가 부러지거나 나노와이어 층이 벗겨지는 불안정한 상태가 만들어지지 않을 수 있었다. 이렇게 제조된 은 나노와이어 네트워크 필름은 50% 이상 늘어날 수 있었으며, 5000번 이상의 반복적인 늘임에도 투명성과 전도성을 안정적으로 유지했다. 또한, 마찰저항을 경감시키는 용매로서 에탄올 등과 함께 물이 좋은 결과를 보임으로써 저렴하고 친환경적인 공정의 구성이 가능함을 입증하였다. KIST 연구진은 개발된 제작 공정으로 A4 종이 크기의 기판에도 휘어있는 은 나노와이어 네트워크 필름을 형성 할 수 있었고, 이를 통해 어른 손바닥 크기의 신축성 투명 디스플레이를 구현할 수 있었다. 다양한 기계적 변형을 가함에도 불구하고 디스플레이 소자의 발광효율은 일정하게 유지되었으며 빛을 내는 발광체 층 이외에는 모두 투명한 투명 디스플레이로서의 적용 가능성 또한 입증하였다. KIST 이상수 박사는 “본 연구를 통해 개발된 휘어있는 은 나노와이어 신축 투명전극 제작 기술은 어떠한 변형에도 전기전도도가 변하지 않는 특성을 가진다.”라고 밝혔으며, KIST 손정곤 박사는 “대면적화 양산 공정에도 사용될 수 있으므로 고기능성 스마트웨어를 포함한 웨어러블 전자기기 산업 및 의료기기 분야에 새로운 파급력을 가져올 것으로 기대한다.”라고 연구의의를 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구자지원 사업으로 수행되었다. 이번 연구결과는 소재 분야 최고 권위지인 ‘Advanced Functional Materials’ (IF: 15.621) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Buckling Instability Control of 1D Nanowire Networks for a Large-Area Stretchable and Transparent Electrode - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김병수 박사 (현재, U. Michigan Postdoc) - (제 1저자) 한국과학기술연구원 권현정 박사과정 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 권효원 석사 (현재, LG Display) - (교신저자) 한국과학기술연구원 이상수 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 손정곤 책임연구원 <그림설명> [그림 1] 기존의 미리 잡아당기는 방법을 사용하여 탄성체 기판에서 은 나노와이어를 코팅시 용매 접촉을 했을 때와 안했을 때 만들어지는 구조의 도식 이미지와 전자 현미경 사진. 직선으로 곧은 나노와이어 네트워크와 뾰족하게 접혀지고 깨진 나노와이어 네트워크, 마지막으로 물을 통해서 형성되는 큰 곡률반경으로 굽어진 은나노와이어 네트워크 [그림 2] 큰 곡률반경으로 휘어있는 은 나노와이어 네트워크 기반 신축 투명 전극을 기반으로 한 KIST 로고 패턴의 ZnS:Cu 기반 신축/투명 교류 전자 발광 (ACEL) 장치의 도식 이미지 및 사진 이미지. 신축성 및 투명한 ZnS:Cu ACEL 소자의 전자 발광 이미지 및 40% 인장시 및 비틀림 및 롤링을 포함한 다양한 기계적 변형에서 작동하는 사진 이미지

- KIST의 개인기반전파모형 툴킷으로 슈퍼컴퓨터 시뮬레이션 수행 - 현재 코로나19 확산의 저감을 위해 사회적 거리두기를 강력 실천해야 - 다양한 정책들의 의사결정에 활용 가능, 완화전략의 모델로 활용 기대 현재 코로나 19의 확진자 추이와 지역별 감염현황이 전 국민의 관심 속에 있다. 과학기술정보통신부(장관 최기영, 이하 과기정통부)는 한국과학기술연구원(KIST, 원장 직무대행 윤석진) 계산과학연구센터 김찬수 연구팀(정보·머신러닝·금융경제 연구실)와 손 잡고 8년여 전부터 개발해온 개인기반의 전파 시뮬레이션 툴킷(Toolkit)인 KIST(KIST’s Individual Simulation for Transfer phenomena)를 활용하여 코로나-19 감염병의 확산과 사회적 거리두기(social distancing) 정책의 의미를 계산하고 평가했다고 밝혔다. 영국을 비롯한 해외에서는 이러한 시뮬레이션 도구들을 활용하여 감염병 등의 전파 및 확산을 계산하여, 완화 전략을 개발하고 그 효과를 평가하는 등 정책 의사결정 전반에 활용되어 왔다. 이러한 몇몇 연구들이 국내에서 제안되어 왔지만, 빅데이터를 구축하기가 어렵고 긴 시간의 투자가 요구된 탓에 개발이 쉽지 않아, 정책 의사결정에 적극적으로 활용되어 오지 못했다. 그러나 KIST에서는 장기적인 안목으로 이러한 연구와 응용수학적 과학기술의 성장을 지원해왔다. 이번 코로나 19(COVID-19)의 확산 추이 분석을 위해 KIST 연구진은 자체 개발하여 보유중인 고유의 툴킷에 사람들의 성별, 나이, 직장과 이동 등의 빅데이터를 입력하고 과기정통부의 협조를 받아 향후 확산을 예측하고 완화정책의 실효성을 계산했다. 연구진은 5천만 명의 데이터를 기초로 ‘시뮬레이션 개인’ 들을 생성하여, 슈퍼컴퓨터 상에서 이들이 국내 지리 정보 하에서 움직일 수 있도록 하여 시뮬레이션을 수행했다. 해당 연구팀이 2013년부터 개발·개선해온 ‘KIST 툴킷’은 대개 S-(E)-(L)-I-R (Susceptible-Exposed-Latent-Infected-Recovered) 등으로 구성된 ‘인구 덩어리’ 미분방정식 모형이 가지는 감염 역학적 의미를 포함하면서, 행위자의 개념을 도입한 개인 기반 전파 시뮬레이션 도구이다. 각 개인의 상태(S-E-L-I-R 및 Q(Quarantined))와 ‘장소’ 등에 기초하고 있으므로, 이들이 상호작용하는 ‘공간’이 명시적으로 포함된다. 따라서 이번 시뮬레이션은 지역별로 감염자를 집계할 수 있다. 또한 개인의 ‘행동’이 미치는 영향에 대해서도 거대 규모로 계산이 가능하다. KIST 연구진은 본 계산들의 결과로, 코로나 19의 확산방지를 위해서 적극적으로 시행되고 있는 「강력한 사회적 거리두기」를 실천할 경우, 매우 긍정적인 효과가 있다는 것을 관찰하였다. 아울러 학교를 비롯한 여러 생활공간에서도 마스크를 제대로 착용하는 일뿐 아니라 ‘손 씻기’를 생활화할 경우, 괄목할 만한 정도의 사회적 방역 및 감염완화 효과를 기대할 수 있다는 결과가 도출되었다. 연구진은 코로나 19 확산의 여러 상황들을 사전에 이미 시뮬레이션 해보았다. KIST 툴킷을 통해 시의성 높은 정책들을 반영하고 그 효과를 평가하는 것이 더 중요하다고 판단했다. KIST 툴킷의 시뮬레이션 결과는 해외에서 유입되는 감염자들이 명시적으로 반영되지 않았음에도 불구하고, 코로나19의 확산 현황과 완화전략에 담긴 의미를 파악할 수 있다. 현재, 연구진은 해외에서 유입되는 감염자 개인들을 포함하여, ‘세 번째 피크’의 발생가능성 등을 포함한 그 사회적 영향을 시뮬레이션하고 있다. 동 계산에는 협력체계를 구축한 KT로부터 확보된 빅데이터가 포함된다. 또한 4인 이상 그룹의 접촉을 원천 차단하는 「사회적 거리두기」 정책 영향도 계산될 것이다. KIST의 김찬수 연구원은 “개인에 기반한 본 툴킷은 개인의 행동에서 비롯되는 사회적 현상을 바라볼 수 있고, 이를 통해 해석적 계산이 쉽지 않은 비선형 복잡계를 수치해석의 입장에서 해석 가능하다는 장점이 있다”며, “지속적으로 개발되어 온 덕에 개인에게 부과할 수 있는 다양한 정책들을 실험하고 평가해 볼 수 있는 좋은 테스트베드가 될 것”이라고 평했다. 또한 “‘답을 맞춰야만’하는 것이 아니라 정책과 같은 외부 요인의 유입이 ‘어떠한 변화’를 만들어내는 것을 탐구하는 것이 바로 시뮬레이션의 의미”라고 강조했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 KIST Economic & Social Simulation Research Initiative 과제, Open Research 사업, 드림프로젝트 등의 연구 사업으로 수행되었다. <그림설명> [그림 1] (02/25 결과) (x축은 시간, y축은 일일 감염자 수) 「사회적 거리두기」의 시행 효과 (2.25 결과) 먼저, 「아무런 정책이 없는」 경우와 「보통의 사회적 거리두기」가 있는 경우를 계산하였다. 한국이 시행하고 있는 수준의 사회적 거리두기 등의 조건에서 일일 감염자는 2월 29일쯤 절정에 달할 것으로 보여졌고, 실제 일일 확진자의 통계 추이와 상당히 유사한 결과로 나타났다. [그림 2] (03/05 시뮬레이션 결과) (x축은 시간, y축은 일일 감염자 수) 「강력한 사회적 거리두기」의 실천이 요구됨 (3.5 결과) 비교적 「강력한 사회적 거리두기」의 시행 후 일반적인 정책 효과를 계산한 결과, 국민의 20 % 이상의 감염자가 줄어들 수 있음이 드러났다. 이미 감소세에 있는 현재의 추이는 사회적 거리두기, 손 씻기, 마스크 쓰기, 공간 방역 조치 등의 정책을 지속적이고 안정적으로 시행할 경우 계속 유지될 가능성이 높은 것으로 나타났다. [그림 3] (03/16 결과) (x축은 시간, y축은 일일 감염자 수) 사회적 거리두기, 마스크 착용, 손 씻기 등에 대한 선별적, 복합적 수행 시의 차이를 나타낸 그래프 (3.16 결과) 「손 씻기」 에 대한 중요도도 평가가 가능했다. 마스크를 착용하고 사회적으로 거리를 두더라도, 손 씻기 등 개인위생을 철저히 한다면 사회적 감염의 확산을 방지하는 데 매우 긍정적인 결과를 도출할 것으로 예상된다. [그림 4] (03/25 결과) (x축은 시간, y축은 일일 감염자 수) 개학 후 급속한 감염자 수 증가로 비대면 접촉 상황 유지가 필요함을 보여주는 결과 (3.25 결과) 본 결과의 포인트는 4월 6일 개학이 코로나 19의 확산에 어떠한 영향을 미치는지를 나타낸다. 개학을 할 경우, 감염자가 급속히 증가하는 소규모의 피크가 나타난다. 3의 결과와 함께 해석하면, 학생들이 공동체 생활을 시작할 경우 「사회적 거리두기」를 유지하며, 「마스크 제대로 쓰기」와 「손 씻기」를 비롯한 강력한 방역조치들을 시행할 필요가 있다는 점 또한 시사(示唆)하고 있다.

- 광학 파장변환 효율 극대화를 통한 근적외선 센서 및 디스플레이 - 유연, 투명, 세탁 가능하여 폴더블·웨어러블 기기로 응용 가능 적외선은 눈에 보이지 않는 빛임에도 활용도가 높아 열화상 카메라, 바이오 센서 등 다양한 분야에서 이용되고 있다. 국내 연구진이 이러한 적외선을 시각화하여 응용의 폭을 넓히는 기술을 개발했다. 한국과학기술연구원 (KIST, 원장 직무대행 윤석진)은 나노포토닉스연구센터 권석준 박사 팀이 경희대학교(경희대, 총장 한균태) 응용화학과 고두현 교수와의 공동 연구를 통해, 근적외선을 가시광선으로 파장변환하여 시각화 할 수 있는 다기능성 광필름을 개발했다고 밝혔다. 눈에 보이지 않는 적외선이나 자외선을 가시광선으로 변환하면 빛에 담긴 데이터를 직관적으로 볼 수 있게 되어, 디스플레이나 이미지용으로 활용할 수 있게 된다. 최근 고화질 TV에 쓰이고 있는 퀀텀닷(양자점)도 자외선을 우리 눈에 보이는 가시광선으로 바꿔 디스플레이에 이용하는 일종의 파장변환 기술로 볼 수 있다. 자외선의 경우 큰 에너지를 갖고 있으므로 가시광선으로 변환하기가 상대적으로 쉽고, 변환 효율이 높다. 하지만 에너지가 낮은 근적외선의 경우 두 개 이상의 광자를 흡수해 한 개의 높은 에너지를 갖는 광자로 바꿔야 하기 때문에, 근적외선을 가시광선으로 변환하는 효율은 퀀텀닷의 1/100~1/1000 수준으로 매우 낮다는 문제점이 있었다. 이는 센서, 디스플레이, 이미징 등 다양한 분야로 응용될 수 있는 근적외선-가시광 변환 특성을 보다 현실적으로 만드는 데 큰 걸림돌이었다. KIST 연구진은 수 마이크로미터 크기의 산화 실리콘(실리카) 구체를 바둑판 모양의 격자로 배열하고, 실리카 구체 표면 위에 파장변환 나노물질과 금속 구조체를 형성시켰다. 이 구조를 통해 근적외선의 흡광과 가시광선의 발광을 동시에 극대화시켜 근적외선-가시광선 파장변환 효율을 기존 대비 1,000배 가까이 증폭시킬 수 있었다. 특히 연구진이 개발한 실리카 마이크로 구체의 격자 배열은 투명 필름으로 쉽게 전사(transfer)할 수 있고, 그 필름을 접거나 휘게 만들고, 심지어 세제로 세탁해도 파장변환된 빛의 세기가 보존됨을 확인하였다. 본 연구를 주도한 KIST 권석준 박사는 “현재 적외선을 활용한 센서는 한 종류의 데이터만 수집할 수 있는 수준인데 이 기술을 활용하면 다양한 종류의 데이터를 한 번에 수집, 이미지화할 수 있다.”라며 “접기, 세탁성, 다른 필름으로의 전사 용이성 등 다양한 공정상 장점이 있어 폴더블 기기, 웨어러블 센서나 유연한 파장변환 이미징 장치 등 다양한 분야로 응용이 확장될 수 있을 것으로 기대하고 있다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원을 받아 KIST 주요사업, 영펠로우사업, 한국연구재단 미래유망융합기술 파이오니어사업 및 산업통상자원부(장관 성윤모) 에너지기술개발사업을 통해 수행되었다. 이번 연구결과는 재료공학분야 국제저명학술지인 ‘Advanced Functional Materials’(IF: 15.62, JCR분야 상위 3.04%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) ‘A Multi-Functional Highly Efficient Upconversion Luminescent Film with an Array of Dielectric Microbeads Decorated with Metal Nanoparticles’ - (제 1저자) 한국과학기술연구원 여선주 박사((現)기계(연) 선임연구원) - (제 1저자) 경희대학교 응용화학과 안인환 석사과정 - (제 1저자) 한남대학교 기계공학과 조교수 정기남 박사 - (교신저자) 한국과학기술연구원 미래융합기술연구본부 권석준 책임연구원 - (교신저자) 경희대학교 응용화학과 부교수 고두현 박사 <그림설명> [그림 1] 입을 수 있고 접을 수 있으며 세탁도 가능한 초고효율 파장변환 투명 광필름 모식도

- 자가조립을 통한 나노미터 두께의 균일한 맥신 필름 제조 - 유연 전자소자 및 5G 통신 기기에 적용 가능 국내 연구진이 전자파 차단 신소재의 실질적 적용 기술을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 직무대행 윤석진) 물질구조제어연구센터 구종민 센터장 연구팀이 한국과학기술원(KAIST, 총장 신성철) 신소재공학과 김상욱 교수, 미국 Drexel 대학교 Yury Gogotsi 교수팀과의 공동연구를 통해 전자파 차단 신소재 ‘맥신(MXene)’을 나노미터 두께의 초박막 필름으로 제작하는 기술을 개발했다고 밝혔다. 구종민 센터장이 2016년 개발한 맥신(MXene) : KIST 구종민 센터장 연구팀이 개발한 금속과 같은 수준의 높은 전기전도도(106 S/m)를 가지며, 기존 금속 전자파 차폐 소재보다 가벼우면서도 가공이 쉬운 2차원 나노 재료. 전자파 차폐 효율은 전기전도성이 높을수록 좋아진다. (※Science 353, Issue 6304, pp. 1137-1140) ‘맥신(MXene)‘은 전자파 차폐 소재로 사용될 수 있는 전기전도성이 우수한 2차원 나노 신물질이다. 그동안 맥신 소재 자체의 우수한 전자파 차단 성능은 보고되었지만, 고집적 5G 통신 및 모바일 전자기기에 직접 응용 가능한 기술은 개발되지 않은 상태였다. KIST-KAIST-Drexel 대학교 공동연구진은 유연 전자소자 및 5G 통신 모바일 기기에 적용할 수 있는 전자파 차폐 소재 기술로써 자가조립(Self-assembly)기술을 활용하여 원자 수준의 두께 균일도를 가지는 초박막 맥신 필름을 제작했다. 맥신 수분산액 표면에 휘발성이 있는 용액을 공급하여 맥신을 표면에 표류시키고, 표면장력 차이에 의한 대류 현상에 의해 맥신 나노입자들이 스스로 배열하여 원자수준의 두께 균일도를 가지는 초박막 맥신 필름을 형성한다. 공동연구진이 개발한 자가조립 기술은 기존 용액공정으로 구현할 수 없는, 원자단위의 두께 균일도를 가지는 대면적 필름을 제조할 수 있는 기술이다. 이를 통해 제작한 초박막 맥신 필름은 원하는 기판에 쉽게 전사(tranfer)할 수 있으며 여러 번 적층하여 두께 및 투과도, 표면저항을 자유롭게 제어할 수 있다. 이 필름을 55nm 두께로 적층하면 99% 이상 전자파 차단이 가능했다. 이는 현재까지 보고된 어떤 전자파 차단 소재보다 우수한 성능(두께 대비 차단 효과)이다. KIST 구종민 센터장은 “자가조립 기술을 이용하여 원자 수준의 두께 균일도를 갖는 맥신(Ti3C2Tx) 박막 필름 제조 기술을 개발하였고, 이를 통해, 나노미터 두께에서의 2D 나노 재료의 전자파 차폐 메커니즘을 규명하여 유연 전자소자용 초박막 전자파 차폐 응용 기술을 개발하였다.”라며 “향후 개발된 맥신 박막 코팅 기술이 다양한 전자기기에 적용되고 양산화 공정을 구현할 수 있을 것으로 기대되며, 장기적으로는 차세대 전자파 차폐 및 유연인쇄 전자소자 응용 연구를 촉진하는 계기를 마련하게 될 것으로 기대된다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 KIST Research Laboratory사업, 리더연구자지원사업(다차원 나노조립제어 창의연구단), NNFC-Drexel-SMU 국제 공동연구사업으로 수행되었다. 본 연구 결과는 과학전문지인 ‘Advanced Materials’ (IF:25.809, JCR 분야 상위 1.042%) 최신 호에 표지 논문(Inside cover)으로 게재되었다. * (논문명) Electromagnetic Shielding of Monolayer MXene Assemblies - (제 1저자) 한국과학기술원 신소재공학과 윤태영 박사후연구원 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 물질구조제어연구센터 김혜림 박사과정 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 물질구조제어연구센터 Aamir Iqbal 박사과정 - (교신저자) 한국과학기술원 신소재공학과 김상욱 교수 - (교신저자) Drexel 대학교 Yury Gogotsi 교수 - (교신저자) 한국과학기술연구원 물질구조제어연구센터 구종민 책임연구원(센터장) <그림설명> [그림 1] 표지논문 이미지(Inside cover) [그림 2] 자가조립 방법에 의한 단일 층 맥신 필름 제조 모식도 맥신 나노입자 수분용액에 에틸아세테이트(ethyl acetate)를 첨가하면 증발속도 차이에 의하여 레일리-베나르 대류가 발생하게 되고 대류에 의해 떠오른 맥신 시트들은 동시에 발생하는 마란고니효과에 의해서 모여 자발적으로 단일 층 맥신 필름을 형성하게 된다. 이렇게 형성된 단일 층 맥신 필름을 원하는 기판에 전사 후 건조한다. [그림 3] 자가조립 필름의 적층 수에 따른 맥신 필름 이미지(위) 및 흡광도 측정 그래프(아래) 자가조립에 의해 제조된 단일 층 맥신 자기조립 필름을 여러 층 적층하여 원하는 두께의 필름을 제조할 수 있다. 적층 수가 증가함에 따라 흡광도가 균일하게 증가하는 것으로 보아 필름의 두께가 균일하게 증가하는 것을 알 수 있다. [그림 4] 맥신 필름의 전자파 차폐성능 및 비교 필름 두께가 증가함에 따라 전자파 차폐성능이 향상하는 것을 보여주며 (A), 맥신 필름의 두께에 따른 전자파 차폐 성능 실험 결과는 반사, 흡수, 다중반사를 고려한 이론적 계산과학 결과와 매우 일치한다 (B). 맥신 필름은 55nm 두께에서 99% 이상의 차폐 효율을 가지며 (C), 현재까지 보고된 어떤한 재료보다 우수한 절대 차폐 효과 (absolute shielding effectiveness)를 보이며, 이는 맥신 박막 필름이 단위 두께 및 중량에서 현재까지 보고된 어떠한 전자파 소재 보다 우수한 전자파 차폐 성능을 보여준다 (D).

- 나노소재 맥신 유기 잉크 개발, 물과 산소에 쉽게 산화되지 않아 - 전극소재의 코팅 및 액상공정 등 다양한 공정에 응용 가능 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 물질구조제어연구센터 구종민 센터장 연구팀은 전자파 차폐 소재로 사용될 수 있는 전기전도성이 우수한 2차원 나노 신물질인 ‘맥신(MXene)’의 상용화를 앞당길 유기 잉크 제조기술을 개발했다고 밝혔다. 드론, 자율주행차, 스마트폰 등 최신 IT 기기들에 점점 더 많은 반도체 칩과 전자 부품들이 사용되고 있다. 그만큼 전자파가 서로 뒤엉켜 생길 수 있는 기기 오작동의 우려도 커지고 있다. 그동안은 전자파 간섭을 막기 위해 금속필름으로 기판을 덮었지만, 이는 비싸고 무거우며 가공하기 어려운 단점이 있었다. 전자파 차폐 효율은 전기전도성이 높을수록 좋아지는데, KIST 구종민 센터장 연구팀은 금속 소재에 대한 대안으로 금속과 같은 수준의 높은 전기전도도(106S/m)를 갖는 2차원 나노 재료인 맥신(MXene)을 개발한 바 있다. (※Science 353, Issue 6304, pp. 1137-1140, 2016년) KIST 연구진이 개발한 맥신 소재는 우수한 전자파 차폐성능을 보여 차세대 전자파 차폐 소재 후보로서 두각을 나타냈다. 또한, 전기전도성이 우수하면서 가볍고, 수용액을 이용한 가공성이 우수하여, 전기전도성이 요구되는 전자파 차폐 및 전극 패턴 소재로의 응용뿐만 아니라 이차전지나 축전지, 가스센서, 바이오센서 등 매우 다양한 응용이 가능하다. 하지만, 이러한 장점에도 불구하고, 맥신은 수용액 속에서 물 분자 및 산소에 의해 쉽게 산화되어 그 본래의 전기전도도를 잃어버리게 되어 안정성이 좋지 않았다. 또한, 친수성 표면을 가지는 맥신은 그 반대의 성질, 즉 물과 화합되지 않는 성질인 ‘소수성’을 가지는 고분자 재료 및 특성 재료들과의 친화도가 좋지 않아 다양한 소재와의 응용이 어려웠다. KIST 연구진은 이러한 문제점을 개선하기 위하여 화학적 표면처리를 통해 2차원 맥신 입자가 소수성을 갖도록 하여 유기용매에 분산된 맥신 유기 잉크를 개발하였다. 또한, 이렇게 제조된 맥신 유기 잉크는 내부에 물 분자 및 산소가 적어 맥신이 쉽게 산화되지 않을 수 있었다. 개발된 맥신 유기 잉크를 활용하면 산화 불안전성을 극복하여 기존 스프레이 코팅, 스핀 코팅, 잉크젯 프린트 등의 액상 공정에 대한 신뢰성을 확보할 수 있다. 또한, 장기간 보관할 수 있도록 안정성이 보장된 맥신은 전자파 차폐, 전극 소재 등 다양한 분야에 적용할 수 있다. KIST 구종민 센터장은 “세계 최초로 맥신(Ti3C2) 유기분산 잉크를 제시하고, 산화 안정성을 확보함으로써 맥신의 상용화 가능성을 높였다.”라며 “향후 맥신 잉크를 기반으로 물을 사용하지 않는 용액공정 및 양산화 공정을 구현할 수 있을 것으로 기대되며, 장기적으로는 차세대 전자파 차폐 및 전자소자 응용 연구를 촉진하는 계기를 마련하게 될 것으로 기대된다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 KIST Young Fellow 사업, 한국연구재단 도약과제, 중견연구자사업, 건설기술연구사업으로 수행되었다. 본 연구 결과는 과학전문지인 ‘ACS Nano’ (IF:13.903, JCR 분야 상위 5.973%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Nonpolar Organic Dispersion of 2D Ti3C2Tx MXene Flakes via Simultaneous Interfacial Chemical Grafting and Phase Transfer Method - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김대신 인턴연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 조상호 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 구종민 책임연구원(센터장) <그림설명> 그림1. 맥신의 계면 축합 및 상 이동 동시 반응 모식도 그림 2. (a) 맥신 수용액 잉크의 한 달 동안 보관 전후 이미지. (b) 맥신 비수계 잉크의 한 달 동안 보관 전후 이미지. (c) UV-Vis 장치로 확인한 시간에 따른 맥신 잉크의 농도변화. 그림 3. (a) 맥신 필름의 유연성 확인 (b) 유기 리간드 처리 맥신 필름의 유연성 확인 (c) 맥신 및 유기 리간드 처리된 맥신 필름들의 전기전도도 (d) 맥신 필름의 물 접촉각. (접촉각이 높을수록 소수성 특성을 가진다) (e) 유기 리간드 처리 맥신 필름의 물 접촉각

- 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.