우리얘기

우리나라의 100대 국정과제의 하나로 추진되고 있는 '그린홈 100만호 프로젝트'에 따라 해안이나 도서지역을 중심으로 10㎾급 소형 풍력 발전기 수요가 꾸준히 증가하고 있습니다.

소형 풍력 발전기 시장은 미국의 경우 연 15% 이상의 성장률을 보이는 등 세계적으로 연구개발 및 투자가 증가하고 있습니다.

소형 풍력 발전기에 장착되는 회전날개는 가벼우면서도 내구성이 강한 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)이나 유리섬유 강화 플라스틱(GFRP)을 사용해서 제작됩니다.

이 날개 제작은 성형틀에 탄소섬유 또는 유리섬유와 화학 경화제를 넣고 1차적으로 24시간 상온에서 경화시킨 뒤, 2차적으로 열을 이용해서 경화시키는 방법을 이용하는데, 제작에 많은 시간과 비용이 소모됩니다.

□ 한국원자력연구원이 첨단방사선연구소 공업환경연구부 강필현 박사팀이 방사선 조사 기술을 이용해 10㎾급 소형 풍력 발전기 핵심 부품인 날개를 더 가볍고 더 저렴하고 더 빨리 만드는 방법을 개발했습니다.

이 기술을 이용할 경우 제작 시간은 기존의 1/50로 줄이고, 비용도 기존의 65% 수준의 비용으로 감소기키면서도 고강도의 날개를 생산할 수 있습니다.

연구팀은 방사선이 투과성과 에너지 전달 능력이 높아 섬유강화 복합소재 경화에 적합한 점에 착안해 탄소섬유와 유리섬유를 이용해서 성형한 발전기 날개에 100 k㏉(킬로그레이)의 전자선을 조사한 결과 그동안 만 하루가 넘게 걸렸던 날개 경화 시간을 30분으로 대폭 단축시켰습니다.

방사선 조사 중인 소형 풍력 발전기 날개

한국원자력연구원은 이번에 개발한 소형 풍력 발전기 날개를 실제 풍력 발전 시스템에 적용하기 위해 한국에너지기술연구원 제주 글로벌신재생에너지연구센터에서 피로 시험평가를 거친 뒤 인증 절차를 진행할 예정입니다.

또 관련 기술을  기업에 이전시켜 항공기 이착륙이나 회전시 앞날개를 움직이게 하는 탄소복합소재 페널 제작에 활용하고, 향후 방사선 조사 기술을 자동차 부품이나 건축 소재 등 기타 섬유복합소재 제작에도 확대 적용할 계획입니다.

방사선 조사 기술 이용해서 제작한 소형 풍력 발전기 날개

 용  어  설  명

전자선 :
텅스텐 등을 고온으로 가열해서 발생한 전자에 고압의 전기를 가해 빛의 속도에 가깝게 가속함으로써 높은 에너지를 띄도록 한 것. 전자선의 에너지를 이용하면 물질의 구조를 바꾸고 화학반응이 선택적으로 일어나게 할 수 있다.

<강필현 박사>   인적사항  ○ 성    명 : 강필현 (姜弼鉉, 45 )  ○ 소속기관 : 한국원자력연구원     학    력   ○ 1986년 ~ 1990년  충남대학교 공과대학 화학공학과 학사   ○ 1990년 ~ 1994년  충남대학교 대학원 공업화학과 석사   ○ 1994년 ~ 1998년  충남대학교 대학원 공업화학과 공학박사   주요경력   ○ 2011년 ~ 2012년 2. 현재 한국원자력연구원, 공업환경연구부장   ○ 2000년 ~ 2012년 2. 현재 한국원자력연구원, 책임연구원   ○ 2007년 ~ 2009년 2. 전북대학교 화학공학부 겸임교수     주요연구업적 <연구 주제>   - 방사선 이용 원자력, 항공우주, 자동차 산업에 필요한 첨단 복합신소재 개발   - 방사선 융합기술이용 풍력블레이드 탄소복합소재 및 메트릭스 고분자 개발 <연구 성과>   - 연구논문 : 「전자선 가공기술을 이용한 탄소 폴리아크릴로 니트릴(PAN) 탄소나노섬유 특성연구」등 107건   - 특허출원 : '방사선 기술을 이용한 풍력블레이드용 섬유강화 복합소재의 제조방법' 등 32건   - 특허등록 : '방사선 조사에의한 탄소섬유의 제조방법 및 이를 이용하여 제조되는 탄소섬유' 등 14건

태양전지 시장은 현재 중국과 유럽 업체들이 주도하는 결정형 실리콘 태양전지가 주류를 이루고 있습니다.

결정형 실리콘 태양전지는 높은 효율과 안정적인 성능을 갖고 있지만, 제조비용이 높은 단점이 있습니다.

이에 CIGS(Cu, In,Ga, Se2)  박막형 태양전지가 재료 소모가 적고 공정이 간단하며, 비용이 적게 들어 차세대 태양전지로 각광받고 있지만, 낮은 효율과 이를 해결하기 위한 제조 공정의 최적화 문제가 남아있습니다.

최근 국내 대기업들이 CIGS 박막 태양전지의 상용화를 시도하고 있지만 핵심 제조 기술은 선진국에 의존하고 있는 실정입니다.

이는 공정 상태에 따른 박막의 성분 비율 등에 대한 분석이 어려워 기존의 제조 공정을 그대로 따라하는 수준을 벗어나지 못하고 있기 때문입니다.


□ KRISS(한국표준과학연구원) 재료측정표준센터 김경중 박사가 박막 태양전지 제작 공정 시 필수 요소지만 분석 난제 중 하나였던 '다성분 합금인 CIGS 박막의 조성'을 정확하게 분석하는 기술을 개발했습니다.

CIGS는 광전변환 효율이 높고 저가격·고효율을 실현할 수 있어 박막 태양전지 재료 중 최적의 대안으로 평가받고 있습니다.

현재 실험실 수준에서 측정된 최고 효율은 20% 이상이며, 대면적의 상용 전지로 개발되면 8~14%의 효율이 예상됩니다.

연구팀은 이차이온질량분석법(SIMS)을 이용하여 CIGS 박막의 구성 원소인 구리, 인듐, 갈륨 및 셀레늄의 상대적인 비율 뿐 아니라 깊이에 따른 분포까지 분석할 수 있는 기술을 개발했습니다.

이 기술은 지금까지 분석이 어려웠던 CIGS 박막의 조성을 인증표준물질을 이용하여 정확하게 분석하는 일종의 표준화 기술입니다.

이번 분석기술 개발은 공정 조건 변화에 따른 CIGS 박막의 조성 및 깊이분포를 분석하고 모니터링 하여 공정을 최적화함으로써 태양전지 제조에 대한 이력관리를 가능하게 해 국내 박막 태양전지 산업의 새로운 원천기술 개발을 촉진할 전망입니다.

□ 이번 기술 개발에는 ETRI 박막태양광기술연구팀의 CIGS 박막 제작 기술과 KRISS 분석화학센터의 정량 분석 기술이 매우 중요한 역할을 했습니다.

균질한 CIGS 박막을 제작하고 그 조성을 인증함으로써 대표적인 깊이분포도 분석법인 이차이온질량분석법에 의한 조성 분석 결과의 신뢰성을 확인했습니다.

앞으로 연구팀은 다성분 합금박막의 조성 및 깊이분포도 분석 절차에 대한 국제표준을 제정하고 인증표준물질을 개발해 산업체에 보급할 방침입니다.

또한 세계 표준기관이 참여하는 국제도량형위원회(BIPM) 표면분석 분야의 국제비교(KC: Key Comparision)를 주도하여 KRISS가 CIGS 박막 조성 분석 분야에서 국제사회의 선도적 위치를 지킬 계획입니다.

이차이온질량분석기를 활용해 CIGS 박막의 깊이분포 등을 측정하는 모습

 용  어  설  명

CIGS :
Cu(In,Ga)Se2 박막으로 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 셀레늄(Se)이 각각 2:1:1:4의 비율로 이루어진 결정성 박막.
CIGS는 4가지 원소 화합물의 첫 스펠링을 조합한 단어로 이를 기판에 증착, 빛을 흡수하여 전기를 생산함.
유리기판 위에 전극 역할을 하는 금속막을 깔고 그 위에 CIGS 박막을 증착한 후 광흡수층·버퍼층·투명전극·반사방지막 등을 배치하고 그 위에 전면전극을 배치함으로써 CIGS 박막 태양전지가 완성됨

이차이온질량분석법 (Secondary Ion Mass Spectrometry) :
충분한 에너지를 가진 일차 이온을 고체 시료에 조사하면 시료 표면에서 입자들이 나옴. 이 중에서 이온화된 성분인 이차이온의 질량을 분석해 표면에 존재하는 원소의 종류, 상대적인 조성 및 화학 상태 등을 알아낼 수 있는 대표적인 표면분석 방법임. 이 방법을 활용해 특정 원소의 깊이에 따른 분포도를 측정할 수 있음.

위암은 한국인에게 발생하는 주요 암의 하나로, 헬리코박터균은 위암 발생의 주요 원인으로 지목되고 있습니다.

헬리코박터균은 위벽에 만성위염을 유발하여 위암을 진행시키는 것으로 알려졌지만, 그 명확한 기전은 밝혀지지 않은 상태입니다.

헬리코박터균이 원인이 되는 위암을 VDUP1(Vitamin D Upregulated Protein 1) 유전자가 억제한다는 연구 결과가 나왔습니다.

한국생명공학연구원 김형진 박사팀은 헬리코박터균에 의해 위암이 발생한 동물모델을 이용하여 위암 발생 기간 동안 VDUP1 유전자의 역할을 규명하고, 해당 유전자가 결핍되면 종양발생이 증가한다는 사실을 확인했습니다.

연구팀은 정상 실험쥐와 VDUP1 유전자를 제거한 실험쥐를 대상으로 암 발생 유도물질을 투여한 후 헬리코박터균을 감염시켰을 때, 정상 실험쥐에 비하여 VDUP1 유전자가 제거된 쥐에서 위암 발생이 증가함을 밝혔냈습니다.

또한 VDUP1 유전자를 과 발현 처리하였을 때 염증성 물질(TNFα, NF-kB 및 COX2 등)의 발현이 억제되어 위암 발생이 감소한다는 것을 규명했습니다.

이번 연구결과는 앞으로 위암발생과 진행단계 예측 및 적절한 치료법 선택에 있어 위암 환자의 VDUP1 유전자 분석이 유용할 것임을 의미하는 것으로, 위암 예방 및 치료제 개발에 활용될 수 있을 전망입니다.

이번 연구는 생명연 김형진 박사, 권효정 박사와 함께 서울대 김대용 교수팀의 공동연구로 진행됐습니다.

연구결과는 위장관 연구분야에서 세계 최고 권위를 자랑하는 'Gut'지 2012년 1월호에 발표됐고, 주목받는 논문으로써 해설이 붙여졌습니다.
(논문명: Vitamin D₃upregulated protein 1 deficiency promotes N-methyl-N -nitrosourea and Helicobacter pylori-induced gastric carcinogenesis in mice)

VDUP1유전자가 결핍되어 있는 마우스(VDUP1 KO)와 그렇지 않은 정상마우스(WT)에서 헬리코박터균의 감염으로 발생되는 위암 병변비교결과: VDUP1결핍마우스에서 더 진행된 단계의 종양형태를 보임.

 용 어 설 명

VDUP1 : 
VDUP1 (Vitamin D3 upregulated protein 1) 유전자 :  비타민 D를 처리한 세포에서 발현이 유발되는 유전자로 처음 알려졌으며, 세포분열주기를 방해하는 자극에서 발현되고, 과발현 되면 종양세포의 성장을 억제하는 것으로 알려져 있음

APOPTOSIS :
특정한 세포내 기전을 이용하여 세포자신을 죽이는 세포사망의 한 형태 

NF-kB :
NF-kB (nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells): DNA전사를 조절하는 단백질 복합체로서 대부분의 동물세포에서 발견되며, 다양한 스트레스성 자극을 받아 나타나는 세포의 반응과 관련되어 있으며, 특히 감염에 대한 면역반응을 조절하는 핵심 역할을 담당하고 있음.  

TNFα :
TNFα (tumor necrosis factor-alpha): 전신성 염증과 관련되어 있는 싸이토카인으로서 면역세포의 조절이 주요 역할이며, 세포의 apopotosis를 유발하는 등 다양한 반응을 유발하는 것으로 알려져 있음.

COX2 :
COX2 (Cyclooxygenase-2): Arachidonic acid를 prostaglandin으로 전환하는 효소

<연 구 개 요> 위암은 전세계적으로 가장 빈발하는 악성종양 중의 하나로, 특히 한국을 비롯한 동아시아에서 높은 비율로 발생하고 있다. 위암의 발생에는 다양한 인자가 관여되어 있다고 알려져 있으며, 그 중에서 헬리코박터균의 감염은 주요 위험인자로 알려져 있다. 헬리코박터균은 만성위염증을 유발하고, 만성위축성위염, 장관성이형성 등의 과정을 거쳐서 위종양으로 진행한다.  NF-kB는 세포증식, apoptosis, innate immunity 및 염증반응에 관련되어 있는 유전자들을 조절하는 핵심역할을 수행하는 전사인자패밀리에 속하는 유전자이다. 사람의 위암발생에서는, 위암발생 초기 단계에 NF-kB가 지속적으로 활성화되는 것이 악성종양으로 진행하는데에 핵심적인 역할을 하고 있다. 헬리코박터균은 TLR 또는 TNFα를 포함한 싸이토카인 등의 염증성 신호전달체계를 자극하여 NF-kB 경로를 활성화시키게 되는데, 이 경로는 COX2와 같은 표적유전자의 발현을 유발하게 된다. 위암발생에 있어서 COX2의 상세한 역할은 잘 알려져 있지 않지만 COX2가 과발현되는 것이 세포증식의 촉진, apoptosis(세포자살) 억제, 혈관생성 유도 등과 밀접하게 관련되어 있다. 사람의 암세포주를 이용한 실험에서 비스테로이드성 항염증제 등으로 COX2를 특이적으로 억제하면 세포증식이 억제되고 apoptosis가 유도된다. 또한 COX2를 특이적으로 억제하는 약제들도 위암 발생을 효과적으로 억제한다. VDUP1은 46-kDa의 단백질로서 비타민 D을 처리한 HL-60세포에서 특이하게 발현되는 것으로 동정되었는데, 세포분열주기를 방해하는 성장억제자극으로도 발현되며, VDUP1을 과발현시키면 세포분열주기의 진행을 억제하여 종양세포의 성장을 억제한다. 특히, VDUP1은 cyclin A2의 전사를 조절하기도 하며, 세포분열주기에 중요한 여러 가지 신호전달 유전자의 발현 조절에도 관여한다. 주목할 점은 실험쥐에서 VDUP1 유전자를 제거하면 간암의 발생이 증가한다. 사람에서는 몇몇 종류의 종양조직에서 VDUP1 유전자의 발현이 감소되어 있다.   최근 VDUP1의 mRNA수준이 위암조직에서 주변정상조직에서보다 현저하게 낮아지며, VDUP1의 발현이 낮은 것이 나쁜 예후와 관련되어 있다는 것이 알려졌다. 그러나 사람에서 위암의 병리발생에 있어서 VDUP1의 역할과 종양 발생에 있어서의 정확한 기전은 알려진 바가 없다. 본 연구에서는 잘 알려진 헬리코박터균에 의한 위암모델을 이용하여 위종양 발생 동안의 VDUP1의 역할을 규명하였으며, VDUP1이 결핍되면 세포의 turnover에 영향을 줌으로써 위 종양발생의 정도를 증대시킨다는 것을 규명하였다. 위암환자의 조직에서 VDUP1의 발현 비교: 종양조직(우)에서 비종양성조직(좌)보다 VDUP1의 발현이 현저히 감소된 것을 보여주고 있음.

<김형진 박사> 1. 인적사항                            ○ 성 명 : 김형진(53세)                               ○ 소 속 : 한국생명공학연구원 의생명마우스센터   2. 학력사항   1978.3 - 1982.2  서울대학교 수의학과 학사      1982.3 - 2084.2 서울대학교 수의공중보건학 석사     1985.3 - 1991.2 서울대학교 수의공중보건학 박사       3. 경력사항    1983.2 - 1984.3   한국과학기술원 생물공학연구부 연구원   1984.4 - 2000.3   한국화학연구소 안전성연구센터 선임/책임연구원   2000.3 - 현재     한국생명공학연구원 책임연구원                    바이오의약인프라사업부장(현) 4. 주요성과  1. Hyo-Jung Kwon, Young-Suk Won, Ki-Taek Nam, Yeo-Dae Yoon, Hyang Jee, Won-Kee Yoon, Ki-Hoan Nam, Jong-Soon Kang, Sang-Uk Han, In-Pyo Choi, Dae-Yong Kim and Hyoung-Chin Kim, "Vitamin D3 upregulated protein 1 deficiency promotes N-methyl-N-nitrosourea and Helicobacter pylori-induced gastric carcinogenesis in mice", GUT, 61,1(53-63) (2012). 2. Hyo-Jung Kwon, Young-Suk Won, Yeo-Dae Yoon, Won-Kee Yoon, Ki-Hoan Nam, In-Pyo Choi, Dae-Yong Kim, and Hyoung-Chin Kim "Vitamin D3 up-regulated protein 1 deficiency accelerates liver regeneration after partial hepatectomy in mice", Journal of Hepatology 54(1168-1176) (2011) 3. Hyo-Jung Kwon, Young-Suk Won, Hyun-Woo Suh, Jun-Ho Jeon, Yan Shao, Suk-Ran Yoon, Jin-Woong Chung, Tae-Don Kim, Hwan-Mook Kim, Ki-Hoan Nam, Won-Kee Yoon, Dae-Ghon Kim, Jeong-Hwan Kim, Young-Sung Kim, Dae-Yong Kim, Hyoung-Chin Kim and Inpyo Choi , "Vitamin D3 Upregulated Protein 1 Suppresses TNF-a?-Induced NF-kB Activation in Hepatocarcinogenesis", The Journal of Immunology, 185(3980-3989), (2010) 4. Hyo-Jung Kwon, Jong-Hwan Lim, Jong-Tak Han, Sae-Bhom Lee, Won-Kee Yoon, Ki-Hoan Nam, In-Pyo Choi, Dae-Yong Kim, Young-Suk Won and Hyoung-Chin Kim ,"The role of Vitamin D3 upregulated protein 1 in