우리얘기

KAIST 생명화학공학과 이상엽 특훈교수가 의장으로 있는 세계경제 포럼 산하 ‘미래기술 글로벌 어젠더 카운슬’에서 ‘2012년 세상을 바꿀 10대 신기술’을 선정했습니다.

이번에 선정된 10대 기술은 △정보기술 △합성생물학과 대사공학 △녹색혁명2.0 △물질설계 나노기술 △시스템생물학과 화학 생물시스템의 시뮬레이션기술 △이산화탄소의 원료로서 활용기술 △무선 파워전송기술 △고에너지밀도 파워시스템 △개인 맞춤형 의약 등입니다.

이번에 선정된 기술은 가까운 미래에 세상을 변화시킬 가능성이 높은 것으로 과학계, 산업계, 정부 등 다양한 분야에 걸친 전문가들의 의견을 바탕으로 정해졌습니다.


<2012년 세상을 바꿀 10대 신기술>

1. 정보에 가치를 보태주는 인포매틱스
개인과 조직이 접속할 수 있는 정보의 양은 현재 인류 역사상 유래를 찾을 수 없을 만큼 많고, 정보의 양은 앞으로도 계속 기하급수적으로 늘어날 것이다. 그러나, 단순히 정보의 양으로만 보자면 현재는 가치를 창출하기보다는 불필요한 잡음 역할을 할 위험성이 있을 정도로, 정보의 효율적인 사용이 제한을 받고 있다. 정보를 분류하고, 처리하여 꼭 필요한 정보만을 간추리는 혁신적인 기술이 불필요한 정보를 걸러내고,  글로벌한 정보를 제공받음으로써 세계가 직면하고 있는 긴급한 문제들을 해결하는데 꼭 필요하다.

2. 합성생물학과 대사공학
생물체의 가장 핵심인 유전자 코드는 오랜 기간 진화 과정을 통해 타의 추종을 불허하는 유용성을 지니고 있다. 합성생물학과 대사공학의 빠른 발전으로 생물학자들과 공학자들은 이제까지 시도되지 않은 방법들을 통해 이 유용성에 좀 더 가까이 갈 수 있게 되었다. 또한 특정한 목적에 사용될 수 있는 유기체가 개발되었고, 새로운 생물학적 과정의 발달도 가능하게 되었으며, 바이오 매스를 화학약품이나 연료, 재료로 전환하여 새로운 치료제를 생산하거나, 해로운 물질로부터 인체를 보호 할 수 있게 되었다.

3. 녹색 혁명 2.0
식량과 바이오 매스를 증산하는 기술 곡물의 생산량을 획기적으로 늘리는 데 기여한 화학비료는 현대 화학이 이루어 낸 위대한 업적 가운데 하나이다. 그러나, 전세계적으로 건강에 좋고 영양가 높은 식량에 대한 수요의 증가는 한정된 에너지, 물 그리고 토지 자원에 새로운 위협이 되고 있다. 생물학과 물리학을 결합한, 새로운 녹색혁명은 환경에 대한 영향을 최소화하면서도, 에너지와 물에 대한 의존도를 줄이고, 탄소 발자국을 감소시키는 한편, 식량생산량을 더욱 증대시킬 수 있는 가능성을 높여주고 있다.  

4. 나노 스케일 소재의 고안
천연자원에 대한 수요가 늘어남에 따라 효율성을 높이는 문제가 더욱 중요성을 띠게 되었다. 분자단위로 설계, 고안된 특성물질을 함유한 나노 구조의 물질들은 이미 그 새롭고 독특한 특성들로 인해 차세대 청정에너지 혁명을 이끌 것으로 기대를 모으고 있다. 이 물질들은 고갈되어가는 천연 자원에 대한 우리의 의존도를 줄이는 한편, 각종 제조업이나 가공에서 효율을 높이는 역할을 할 수 있다.

5. 시스템 생물학과 컴퓨터 모델링
화학과 생물시스템 시뮬레이션 의료분야나 바이오 관련 제조업의 기능 향상을 위해서는 생물학과 화학이 어떻게 함께 작용하는 지를 이해하는 것이 중요하다. 시스템 생물학과 컴퓨터 모델링/시뮬레이션은 인간의 신체와 환경에 대한 영향을 최소화하면서도, 매우 효율적인 치료약품, 물질 혹은 제조과정을 설계하는 데 점차 그 중요성이 강조되고 있다.

6. 이산화탄소를 자원으로 활용
지구에서 탄소는 생명의 가장 기본이 되는 물질이다. 그러나, 지구 온난화를 막기 위하여 이산화탄소 배출을 규제하는 것이 사회, 정치, 경제적으로 중요한 일이 되었다. 이산화탄소 관리에 관한 혁신적인 새로운 접근방법은 그것을 골치덩어리에서 하나의 자원으로 전환하는 것이다. 나노 구조의 물질을 바탕으로 한 촉매제는 이산화탄소를 값비싼 탄화수소와 다른 탄소를 함유한 분자로 전환시킬 수 있다. 이것들은 건물을 짓는데 사용되는 벽돌이나 화학산업의 클리너, 혹은 지속가능성이 더욱 뛰어난 석유화학물질의 대용물로 사용될 수 있다.

7. 무선 파워 전달
현대 사회는 전기를 동력으로 사용하는 기구들에 크게 의존하고 있다. 그러나 유선 송전망이나 또는 전지를 계속 재충전하는 방법을 사용해야 한다는 점 때문에 많은 제약이 있다. 전선없이 무선으로 전기나 에너지를 전달하는 기술이 전기기구를 쓰기 위해 플러그를 꼽아야 일에서 해방을 시켜줄 것이다. 이 기술은 와이파이가 인터넷 사용에 영향을 끼친 것과 마찬가지로 개인 전자 장비에 커다란 영향을 줄 것이다.

8. 고밀도 파워시스템
차세대 클린에너지 기술의 실용화 되기 위해서는 고밀도 충전시스템이 필요하다. 이러한 수요에 맞추어 신기술들이 속속 개발되고 있는데, 여기에는 나노소재 전극이나 고체전극 또는 새로운 형태의 고성능 축전지를 이용하는 방법들이 해당된다. 이런 기술들은 차세대 청정에너지 산업에 필수적이다. 

9. 개인 맞춤의학과 영양 그리고 질병예방
전세계 인구가 70억이 넘고, 모든 사람들이 건강하게 오래 살기를 원하면서, 건강을 유지하기 위한 전통적인 방법들이 점차로 그 설 자리를 잃고 있다. 유전채학, 단백질체학, 대사체학의 발달로 각 개인에 맞추어 약을 제조하거나 영양을 공급하고, 사전에 질병 예방 조치를 취하는 것이 가능한 시대가 열리고 있다. 합성 생물학과 나노 기술과 같은 신기술의 발달은 의료계의 혁명이라 할 수 있는 개인 맞춤의학의 보급을 위한 초석이 되고 있다.

10. 진보된 교육 기술
젊은 세대에게 지식경제사회에 꼭 필요한 기술을 전달하기 위해서는 새로운 접근방법이 필요하다. 빠르게 발달하고, 하이퍼 커넥티드(hyperconnected) 되어있는 글로벌 사회에서는 이것이 더욱 중요하다고 할 수 있다. 각 개인의 비판적 사고력을 높이면서도, 창조성을 키울 수 있는 방향으로 IT기술을 바탕으로 각 개인에 맞춤 교육을 제공하는 교육방법이 주목 받고 있다. 소셜 미디어와 오픈코스웨어 (열린 강의자료), 그리고 상시 가능한 인터넷 접속 덕분에 교실 밖에서의 교육이 더욱 활성화되고 있다.

개나리 개화 예상시기

진달래 개화 예상시기

 ※ 평년차, 편차에서 “-” 는 빠름, “+”는 늦음을 나타냄

 ※ 평년은 1981～2100년 자료 사용
 ※ 대전지방기상청 제공

◆ 봄꽃 개화 예상 

□ 대전지방기상청에 따르면 올해 개나리와 진달래 개화시기는 평년보다 3일정도 늦고, 작년에 비해서는 6~9일 정도 빠를 것으로 예상됩니다.

○ 봄꽃 개화시기에 가장 큰 영향을 주는 기상요소는 2월과 3월의 기온임. 올해 2월 기온이 평년보다 낮았고, 3월에도 평년보다 낮을 것으로 예상되어 봄꽃 개화시기가 늦어질 것으로 전망됨
※ 2월(2.1～2.26) 대전 및 충남의 평균기온은 -2.0℃로 평년(0.1℃)보다 2.1℃ 낮았음
  ○ 개나리는 3월 17일 서귀포를 시작으로 대전은 3월 26일경 개화 할 것으로 예상됨
  ○ 진달래는 3월 21일 서귀포를 시작으로 대전은 4월 1일경 개화 할 것으로 예상됨

◆ 봄꽃 절정시기 

□ 봄꽃(개나리, 진달래)의 절정 시기는 개화 후 만개까지 일주일 정도 소요되는 점을 고려할 때, 제주도에서 3월 24일~28일경, 남부지방에서 3월 27일~4월 7일경, 중부지방에서 4월 2일~14일경이 될 것으로 전망됩니다.

○ 대전은 4월 2일～7일경 절정에 이를 것으로 전망

◆ 최근 봄꽃 개화 경향 

□ 최근 들어 봄철 기온 변동이 급격하여 봄꽃 개화시기도 매년 큰 폭으로 변하는 경향을 보이고 있습니다.

○ 대전의 경우 개나리(진달래) 평년 개화시기는 3월 26일(3월 29일)이나 2009년에는 3월 20일(3월 20일)에 개화하였고, 3월 기온이 낮았던 2011년에는 4월 4일(4월 7일)에 개화하여 2년 사이 보름정도 차이를 보였음

◆ 기상현황 및 전망과 봄꽃 개화 매커니즘

□ 기상현황 및 전망

○ 금년 봄꽃 개화 예상시기는 지난 2월 1일부터 26일까지의 기온과 2월 하순부터 3월까지의 지역별 예상 기온을 토대로 예측한 결과임
 ○ 2월(2.1~2.26) 기상현황

   -개화시기에 가장 영향을 미치는 대전 및 충남 평균기온은 -2.0℃로 평년대비 -2.1℃가 낮았음
   -강수량은 3.5mm로 평년 28.5mm보다 매우 적었음(강수량 평년비 12%)
   -일조시간은 평균 164.7시간으로 평년 163시간과 비슷하였음.

 ○ 3월 전망
  － 3월 상순 기온은 평년보다 낮고 대륙고기압과 이동성 고기압의 영향을 받아 변동폭이 크겠으며, 강수량은 평년과 비슷하겠음
  － 3월 중순에는 이동성 고기압의 영향으로 평년기온을 회복하겠으며, 기압골의 영향으로 비가 내릴 때가 있겠음.
  － 3월 하순에는 일시적으로 대륙고기압의 영향을 받아 기온이 큰 폭으로 떨어지겠음

□ 봄꽃 개화 메커니즘

 ○ 온대 낙엽수목의 꽃눈은 가을철 일정온도 이하가 되면 내생휴면상태가 되며, 내생휴면상태 유지를 위해 일정 저온이 필요하고, 내생휴면상태 해제 후 개화를 위해서는 고온이 필요함
     * 내생휴면상태 : 살아있으나 생육이 정지된 상태

 ○ 따라서 개나리, 진달래와 같은 봄꽃의 개화 시기는 2월과 3월의 기온에 가장 큰 영향을 받으며, 일조시간과 강수량이 평년에 비해 차이가 크게 나는 경우와 개화 직전의 날씨변화에 따라 다소 차이가 발생함

수소는 미래 에너지 문제를 궁극적으로 해결할 수 있는 청정에너지원으로, 한국을 비롯해 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있습니다.

특히 주요 선진국들은 충분한 양의 수소를 작고 가벼운 저장장치에 담을 수 있는 기술을 연구 중입니다.

현재 관련 기술은 수소를 고압으로 압축하여 저장하는 방식이 주류를 이루고 있는데, 여전히 부피가 크고 사고 위험도 높기 때문에 낮은 압력에서도 효율적으로 수소를 저장하는 기술이 필요합니다.

낮은 압력 저장 방법의 하나로 현재 활발히 진행되고 있는 분야가 나노 크기 물질 사이에 수소 분자를 물리적으로 흡착시켜 저장하는 기술입니다.

이 경우 층간 간격을 어느 정도 유지할 때 저장 효율을 가장 높일 수 있는지가 핵심과제입니다.

□ 한국기초과학지원연구 김해진 박사팀이 수소 저장 재료의 층간물질 간격조절을 통해 수소 저장능력 향상시키는 실증실험에 성공했습니다.

김 박사팀은 산화그라핀(graphene oxide)의 층간 간격 조절을 통하여 0.6nm~0.65nm의 층간 간격에서 수소 저장 효율이 최대치를 보여준다는 사실을 실험적으로 증명했습니다.

그동안 학계는 0.5nm~0.7nm의 층간 간격에서 수소저장 효율이 최대가 된다는 사실은 이론적으로 제시되었지만 이를 실험적으로 증명한 것은 이번이 처음입니다.

실제 산화그라핀과 산화그라핀 간격조절의 예

산화그라핀(graphen oxide)은 그라핀에 산소를 포함한 유기물질들(-OH, -O-, -OOH)이 붙어 있는 것을 말하는 것으로, 이 그라핀 층 사이에 수소분자를 저장 할 수 있습니다.

연구팀은 산화그라핀을 간단한 열처리를 통해 층간에 존재하는 물분자와 기능성 물질들을 제거함으로써 층간 간격을 조절하여 최고 효율의 층간간격을 찾아냈습니다.

이번 연구결과는 영국왕립화학회지 'Physical Chemistry Chemical Physics'에 게재되었고, 국내 특허 출원을 완료했습니다.
 

작은 공동형 구조체가 보다 큰 공동형 구조체를 이룬 모습

층간 간격조절을 통해 수소저장량이 극대화된 PANI-VONC

 용  어  설  명

그라핀 (graphene) :
 그라핀은 흑연에서 가장 얇게 한 겹을 떼어낸 것으로, 탄소나노튜브, 플러렌(C60)처럼 탄소로 구성된 나노물질이며 층상구조를 갖고 있다.

Angstrom :
파장이나 원자간 거리의 측정단위 (100억 분의 1미터)

Nanometer(nm) :
파장이나 거리의 측정단위 (10억 분의 1 미터)

공동형 구조(hollow structure) :
속이 비어있는 구조 안에 귀속금, 전이금속 등을 넣어 수소저장량 향상 및 나노반응기와 같이 다양한 응용범위를 갖는다.

<김해진 박사>   □ 인적사항  ○ 성      명 : 김해진(金海震, Kim, Hae Jin)  ○ 소      속 : 한국기초과학지원(연) 물성과학연구부   □ 학력사항 1985. 3～1989. 2  고려대학교  물리학  학사 1989. 3～1991. 2  고려대학교  고체물리학  석사 1993. 3～1997. 2  고려대학교  고체물리학  박사 □ 경력사항  1997. 03 - 1998. 05   Jozef Stefan 연구소   박사후연수연구원  1998. 12 - 2000. 04        IOWA 주립대    박사후연수연구원  2000. 5 - 2002. 09       포항공대    연구조교수  2004 - 현재             ISNQI     국제위원  2006 - 2009      IEA- HIA    Task22 위원  2002. 10 - 현재     한국기초과학지원연구원  책임연구원  2009. 03 - 현재  분석과학기술대학원   교수   □ 대표 연구 성과     - 국내외 논문 발표 및 게재(70건), 국내외 특허출원 및 등록(21건)   - 알루미늄 산화물 골격을 이용한 망간 산화물 나노튜브 또는 나노막대의 합성 개발     해외특허 등록 (US7713660)

평판 디스플레이 산업은 21세기 정보화 산업을 주도하는 핵심 산업으로, LCD를 중심으로 활발히 연구되고 있습니다.

이는 우리나라가 세계시장의 50% 이상을 점유하고 있는 세계선도 산업이기도 합니다.

LCD에는 전기광학소자로서 액정을 구동시키기 위해 여러 기술이 집약되는데, 특히 표시 소자의 품질과 기능을 좌우하는 가장 기본적이면서 핵심적인 기술이 LCD를 구동하기 위해 사용하는 액정(Liquid Crystal)을 한쪽 방향으로 정렬하는 액정배향기술입니다.

현재 모든 LCD 제품의 액정배향기술은 얇은 고분자 필름 표면에 일정한 방향으로 기계적으로 홈을 파고, 그 홈을 따라 액정 물질을 배향시키는 기법이 적용됩니다.

그러나 고분자 배향막은 고분자 설계 합성부터 후처리까지 많은 시간과 비용이 소비되고, 고분자 안정화를 위한 고온공정은 자유롭게 기판을 선택할 수 없게 하여, 자유자재로 휘어지는 디스플레이 등 차세대 디스플레이에 활용하기 힘든 기술적 한계가 있었습니다.

기존 LCD와 달리 고분자 배향막이 필요 없는 신개념 LCD 기술이 개발됨에 따라 더욱 얇고 고화질에 속도도 빠른 차세대 디스플레가 나올 전망입니다.

□ KAIST 정희태 교수팀은 고분자 배향막 없이 LCD에 사용되는 투명한 전극용 유리막(ITO)만을 이용해 액정을 배향시키는 무배향막 기술을 개발했습니다.

정 교수팀의 원천기술인 신개념 방식의 패턴기법을 전극용 유리막에 적용하여 20nm의 높은 분해능과 높은 종횡비를 갖는 패턴을 형성한 후에도 투명전극의 고유 성질인 전도도와 투과도가 변함없이 유지되어, 배향막과 투명전극의 기능을 동시에 수행할 수 있음이 확인됐습니다.

연구팀이 개발한 기술은 고분자 배향막 없이 투명전극 패턴만을 이용하여 액정의 수평(혹은 수직) 배향 모두 가능합니다.

따라서 제조공정이 기존의 배향막 공정시간만큼 단축되었을 뿐만 아니라, 현재 사용하고 있는 LCD보다 수 ㎛에서 ㎝까지 더욱 얇게 LCD를 만들 수 있습니다.

(좌) 초고분해능(폭 20nm, 높이 200nm)과 고종횡비를 가지는 ITO 패턴의 모습 (우) ITO 패턴 (노란 점선)만을 이용한 액정 배향 편광현미경 사진

또한 현재 LCD보다 더욱 낮은 구동전압과 빠른 응답속도 등의 특성을 보여 배터리 수명도 길고 화질이 좋으면서 속도도 빠른, 고화질 초고속 화면 디스플레이 개발에 가능성을 열었습니다.

이 기술은 어떠한 기판에도 적용할 수 있고, ㎚ 단위로 미세조절이 가능해 액정 기반의 플렉시블 및 멀티도메인 모드와 같은 차세대 디스플레이에도 적용할 수 있는 기술로 평가 받고 있습니다.

또한 연구팀이 개발한 투명전극 패턴기술은 디스플레이 분야뿐만 아니라 투명전극 기판이 쓰이는 민감도가 크게 향상된 터치패널에도 활용될 수 있습니다.

이번 기술은 고분자 배향막이 필요 없고, LCD에 사용했던 기판을 그대로 활용하여 구동할 수 있다는 점에서 산업적 의의가 매우 큽니다.

이번 연구는 KAIST 정희태 석좌교수(교신저자)가 주도하고 정현수, 전환진 박사과정생(공동1저자), 한국화학연구원 김윤호 박사와 전북대학교 강신웅 교수(공동 교신저자) 등이 참여했습니다.

연구결과는 '네이처'의 자매지 'Nature Asia Materials(NPG Asia Materials)' 온라인 속보(2월 17일)에 게재되었습니다.
(논문명 : Bifunctional ITO layer with a high resolution, surface nano-pattern for alignment and switching of LCs in device applications)

장성우 연구원, 전환진 연구원, 이은형 연구원(왼쪽부터)이 ITO 패턴 제작을 위한 ion-bombardment 공정장비의 상태를 점검하고 있다.

 용  어  설  명

ITO (Indium Tix Oxide) :
ITO (인듐주석산화물): 산화 인듐과 산화주석의 혼합물로서 흔히 투명전극이나 ITO라고 한다.
얇은 박막에서 투명하고 전기전도율이 좋아 평판디스플레이, 터치스크린, 태양전지등 다양한 분야에서 투명도와 전도도가 요구되는 기판으로 사용되고 있다.
ITO를 다양한 방식으로 패턴하여 산업계에 적용시키려는 연구가 많이 진행되어 왔으나 패턴 형성 시 저항이 급격하게 올라가 전도도가 떨어져 전극으로서의 기능을 수행할 수 없었다.
따라서 고분해능의 패턴 형성 후에도 전도도와 투과도가 유지되는 것이 큰 난제였다.

액정(Liquid Crystals) :
액체와 같이 유동성이 있으면서 고체적인 특성을 나타낸다. 전기적 특성이 매우 뛰어나 LCD 구동을 위한 핵심 물질로 사용된다. 자연계에는 네마틱, 스메틱, 콜레스테릭 등 다양한 종류의 액정이 존재한다.

고분자 배향막 :
액정 배향(配向)을 위해 투명전극위에 도포하는 얇은 고분자 필름

표시소자(indicating element) :
부호나 문자, 도형, 화상 등 또는 그 조합된 정보를 입력에 대응하여 표시하기 위한 소자

<정희태 교수> 1. 인적사항   ○ 주소: 대전시 유성구 대학로 (구성동 373-1),       한국과학기술원 (KAIST) 생명화학공학과 2. 학력  1987  학사, 연세대학교, 화학공학과  1989  석사, KAIST, 생명화학공학과  1998            박사, 미국 Case Western Reserve University, 고분자공학과   3. 경력사항  1989 ~ 1994     삼성종합기술원, 선임연구원 1998 ~ 2000    미국 캘리포니아대학, 박사후 연구원 2000 ~ 현재     KAIST 생명화학공학과, 정교수 2003 ~ 2005    한국생명공학연구원, 초빙교수 2007 ~ 현재     KAIST 화학과, 겸임교수 2007 ~ 현재     KAIST 나노연구소, 겸임교수 2009 ~ 2010    미국 국가표준연구소, 방문교수 2010 ~ 현재     Macromolecular Research 부편집장 2011 ~ 현재     KAIST, 석좌교수