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유전자가위(engineered nuclease)는 특정 염기서열(DNA 표적 자리)을 인식해 절단하거나 교정하도록 고안된 인공 제한효소로, 인간세포를 포함한 모든 동식물 세포에서 특정 유전자를 절단해 변이를 일으키거나 교정하여 다양한 질병을 치료하는데 사용되는 신기술입니다.

유전자가위 기술은 유전자의 염기서열을 교정하거나 뒤집어진 유전자를 원상 복구할 수도 있습니다.

서울대 김진수 교수가 주도적으로 개발·보급한 이 기술은 지난해 세계 최고 권위의 '네이처'지 자매지인 'Nature Methods (IF=20.7)'에서 '올해의 기술(Method of the Year 2011)'로 선정된 바 있습니다.

지금까지 유전자가위 기술은 이중나선 DNA 두 가닥을 모두 잘라내 독성을 일으키거나, 표적하지 않은 곳에서도 작동하여 원치 않는 돌연변이를 발생시키는 등의 문제점이 있었습니다.
 
이에 최근 미국 하버드대 의대 연구팀과 생명공학 회사가 각각 DNA 한 가닥만을 자르는 유전자가위 기술 개발에 성공했다고 발표하기도 했습니다.

그러나 이들은 유전자가위 기술로 표적 장소에만 변이를 일으키는지 여부를 확인하지 못하는 등 그 정확성을 입증하지 못했습니다.

서울대 김진수 교수팀은 DNA 두 가닥 중 한 가닥만을 자르는 유전자 가위 기술을 개발해 세포 독성이나 돌연변이를 유발하는 부작용 없이 원하는 장소에만 변이를 일으키는데 성공하였습니다.

김 교수팀의 유전자가위 기술은 DNA 한 가닥만 자른 후 어떠한 부작용 없이 표적 장소에서만 유전자를 교정하는 첫 사례입니다.

이는 유전자와 줄기세포 치료의 정확성을 높이는데 크게 기여할 것으로 기대됩니다.

김 교수팀은 기존의 유전자가위 기술과 마찬가지로 외부에서 넣은 유사 DNA를 이용해 유전자를 정교하게 교정할 수 있으면서도 표적 장소 외에는 변이를 일으키지 않는다는 사실을 처음으로 확인했습니다. 

향후 이 기술을 통해 유전자 또는 줄기세포 치료뿐만 아니라 에이즈나 혈우병과 같은 난치성 질환을 원천적으로 치료하는데도 활용될 수 있을 전망입니다.

이번 연구결과는 유전체 분야의 권위 있는 학술지인 '지놈 리서치(Genome Research, IF=13.588)'지에 온라인 속보(4월 21일)로 게재되었습다. 
(논문명 : Precision genome engineering with programmable DNA-nicking enzymes)

한편 김 교수팀은 지난해 1월 세포 내에 존재하는 유전자의 특정 위치를 선별해 절단하는 유전자가위 대량 합성기술 개발에 성공하였고(Nature Methods지, 2011년 1월호), 11월에는 유전자가위 기술을 이용해 특정 유전자에 돌연변이를 일으킨 동·식물 세포를 쉽게 선별하는 방법을 개발하기도 했습니다.(Nature Methods지, 2011년 11월호).

또 최근에는 뒤집어진 혈우병 유전자를 다시 뒤집어서 원상 복구하는 기술을 개발한 바 있습니다(Genome Research지, 2011. 12. 19). 

왼쪽그림: 기존에 사용되고 있는 DNA 두 가닥을 자르는 유전자 가위인 Zinc finger nuclease로 세포내 DNA 손상을 유도할 경우, NHEJ 수리 기작을 이용하여 표적자리에 돌연변이를 도입하거나 혹은 외부에서 도입한 유사 염기서열 DNA를 주형으로 하여 HR 방법에 의해 손상된 DNA를 교정한다. DNA 두 가닥을 자를 경우 세포내 수리 기작 중 HR보다 NHEJ가 더 우세하게 작용하므로, NHEJ에 의한 오류를 제어할 수 없는 단점이 있다.

오른쪽그림: 본 연구에서 개발한 유전자 가위인 Zinc finger nickase를 세포에 도입할 경우 DNA 한 가닥만을 자르는 것이 확인되었고, 외부에서 도입한 유사 염기서열 DNA를 주형으로 하여 HR에 의한 교정을 유도함은 물론, 잘린 DNA 말단의 거의 대부분이 오류 없이 다시 연결되는 것을 확인했다. 이 방법을 통해 NHEJ에 의한 오류를 제어함으로써 기존 방법의 부작용을 줄일 수 있음을 보였다.



<연 구 개 요>

Precision genome engineering with programmable DNA-nicking enzymes

 
유전자가위(engineered nuclease) 기술은 DNA의 표적자리를 인식하여 유전자 염기서열을 교정할 수 있는 방법으로, 다양한 질병치료에 사용될 수 있는 도구로 주목받고 있다.
기존의 유전자가위는 이중나선 DNA의 두 가닥을 동시에 절단하는데, 세포는 Non-Homologous End Joining (NHEJ) 방법을 이용하여 자른 부위를 다시 연결하거나, 혹은 외부에서 넣어준 유사 DNA를 주형으로 하여 Homologous recombination (HR) 방법을 이용해 복구하기도 한다.
NHEJ는 변이를 수반하고 HR은 오류 없이 정확히 수선되는 것으로 알려져 있다.
기존의 유전자가위는 NHEJ에 의한 오류를 제어할 수 없으며, 더욱이 표적자리뿐만이 아니라 표적하지 않는 자리에도 작동하는 단점이 보고됨에 따라 질병치료의 도구로서 걸림돌이 되고 있다.
본 연구에서는 DNA의 두 가닥을 자르는 현재 기술을 대신하여 DNA 한 가닥만을 자르는 새로운 유전자가위(engineered nickase)를 개발하였다.
engineered nickase는 기존 유전자가위와 마찬가지로 외부에서 넣어준 유사 DNA를 이용하여 유전자를 정교하게 교정할 수 있는 반면 표적장소에서 원치 않는 변이를 만들지는 않았다.
또한 기존 유전자가위는 표적하지 않는 자리에서도 변이를 유도하는 반면 engineered nickase는 표적장소 이외에는 변이를 유도하지 않았다.
본 연구를 통해 개발된 DNA 한 가닥만을 자르는 유전자가위는 기존 두 가닥을 자르는 유전자가위 기술의 한계를 극복했다는 점에서 큰 의의가 있다.
개발된 유전자가위를 이용하여 표적자리에 오류를 일으키지 않고 유전자를 정교하게 교정할 수 있고, 표적하지 않는 자리에 작동하는 부작용을 최소화하여 이를 통해 다양한 질병치료에 더욱 효과적으로 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

 

 용  어  설  명


Non-Homologous End Joining (NHEJ) :
세포내 두 가닥 이중나선 DNA 손상이 발생할 때 교정할 수 있는 메커니즘의 하나로, 잘려진 DNA 가닥이 유사염기서열을 이용하지 않고 잘린 말단을 바로 연결하거나 변이를 수반하여 교정하는 수리 기작이다.

Homologous recombination (HR):
세포 내 두 가닥  이중나선 DNA 손상이 발생할 때 오류 없이 교정할 수 있는 메커니즘의 하나로, NHEJ와는 달리 유사한 염기서열을 주형으로 하여 DNA 말단이 연결되는 세포내 수리 기작이다.

DNA(deoxyribonucleid acid) :
유전정보를 담은 화학물질로 두 가닥의 사슬이 서로 꼬여 있는 이중나선 모양임


<김진수 교수>

1. 인적사항

 ○ 소 속 : 서울대학교 화학부
 
2. 학력
  1983 - 1987    서울대학교 이학사
  1987 - 1989    서울대학교 이학석사
  1990 - 1994    University of Wisconsin-Madison, Ph.D.
 
3. 경력사항
  1994 - 1997  美 MIT/Howard Hughes Medical Institute, Associate
  1997 - 1999 삼성생명과학연구소, 연구책임자
  1999 - 2005   (주)툴젠 대표이사/연구소장
  2005 - 현재     서울대학교 화학부 조교수/부교수
  2010 - 현재     교과부?연구재단 지정 창의연구단장

4. 전문 분야 정보

수상실적
- 서울대 자연과학대학 연구상 (2010)
- 교육과학기술부/과학재단 이달의 과학자상 (2004)
- Best Poster Award, Drug Discovery Technology (2001)

대표 연구논문
1) Kim E et al. and Kim JS (2012) Precision genome engineering with programmble DNA-nicking enzymes. Genome Research, in press.
2) Kim HJ, Kweon J. et al. and Kim JS (2012) Targeted chromosomal duplications and inversions in the human genome using zinc finger nucleases. Genome Research 22, 539-548. (Featured in News of the Week, Chemical & Engineering News 90, 11.)
3) Kim H et al. and Kim JS (2011) Surrogate reporters for enrichment of cells with nuclease-induced mutations. Nature Methods 8, 941-943. (Featured in News of the Week, Chemical & Engineering News 89, 11.)
4) Kim S et al. and Kim JS (2011) Preassembled zinc-finger arrays for rapid construction of ZFNs. Nature Methods 8, 7. (Featured in News and Views, Nature Methods 8, 53.)
5) Kim JS, Lee HJ, Carroll D (2010) Genome editing with modularly assembled zinc finger nucleases. Nature Methods 7, 91.
6) Lee HJ, Kim E and Kim JS (2010) Site-specific DNA excision via engineered zinc finger nucleases. Trends Biotechnol. 28, 445-446.
7) Lee HJ, Kim E and Kim JS (2010) Targeted chromosomal deletions in human cells using zinc finger nucleases. Genome Res. 20, 81-89.
8) Kim HJ, Lee HJ, Kim H, Cho SW and Kim JS (2009) Targeted genome editing with zinc finger nucleases constructed via modular assembly. Genome Res. 19, 1279-1288.
9) Bae, KH et al. and Kim JS (2003) Human zinc fingers as building blocks in the construction of artificial transcription factors. Nature Biotechnol. 21, 275-280. (Featured in News and Views, Nature Biotechnol. 21, 242.)
10) Park, KS et al. and Kim JS (2003) Phenotypic alteration of eukaryotic cells using randomized libraries of artificial transcription factors. Nature Biotechnol. 21, 1208-1214.

<김은지 박사>

1. 인적사항

○ 소 속: 서울대학교 화학부                       

2. 학력
  2001 - 2006    세종대학교 이학사
  2006 - 2011    서울대학교 이학박사
 
3. 경력사항
  2011~현재     서울대학교 Post-doc.

4. 전문 분야 정보
수상실적
- 롯데 장학생, 롯데 장학재단 (2002)
- 수인장학생, 수인 장학재단 (2007)

논문실적

1) Kim E et al. and Kim JS (2012) Precision genome engineering with programmble DNA-nicking enzymes. Genome Research, in press.
2) Lee, H.J., Kweon, J.,Kim, E.,Kim, S., Kim, J.-S. (2012) Targeted chromosomal duplications and inversions in the human genome using zinc finger nucleases .Genome Res. 22,539-548.
3) Kim, S., Kim, E.J. and Kim, J.-S. (2010) Construction of combinatorial libraries that encode zinc finger-based transcription factors. Methods Mol Biol. 649,133-147.
4) Lee, H.J., Kim, E., and Kim, J.-S. (2010) Site-specific DNA excision via engineered zinc finger nucleases. Trends Biotechnol. 28,445-446
5) Kim, S., Lee, H.J., Kim, E., and Kim, J.-S. (2010) Analysis of Targeted Chromosomal Deletions Induced by Zinc Finger Nucleases. Cold Spring Harb Protoc. pdb.prot5477
6) Lee, H.J.*, Kim, E.*, and Kim, J.-S. (2010) Targeted chromosomal deletions in human cells using zinc finger nucleases. Genome Res. 20, 81-89. (*: equal contribution)

 

posted by 글쓴이 과학이야기

'편도체(amygdala)'는 인간의 뇌 영역중 공포, 불안, 성행동 등을 결정짓는 역할을 합니다. 

한국기초과학지원연구원 자기공명연구부 조경구, 김형준 박사 연구팀은 자기공명영상(MRI)을 활용한 뇌 연구를 통해, 인간 뇌 '편도체 중심핵(CeA)'의 노화에 따른 변화가 남성과 여성에 있어 현격한 차이가 있음을 세계 최초로 규명했습니다.

연구팀은 121명의 피실험자 뇌를 MRI로 촬영해 편도체 영역을 분획하고, 분획된 편도체 영역을 3차원 영상으로 변환한 뒤 형태분석 및 부핵 분석을 수행했습니다.

이번 연구결과 편도체 중심핵은 내분비계와 밀접한 관련을 가지며 불안 등 감정을 조절하는 역할을 하고, 여성의 경우 나이가 들어감에 따라 이 부분이 급격하게 줄어드는 반면 남성은 변화가 적었습니다.

특히 여성의 불안장애 유병율이 남성보다 높지만, 폐경기 이후 여성의 유병율은 감소하는 것도 편도체 중심핵 변화와 밀접한 관련이 있을 것으로 추정했습니다.

기존 연구결과에서는 50세 폐경기를 전후한 여성의 경우 여성 호르몬이 급격히 줄어드는 반면 남성 호르몬의 변화는 적기 때문에 호르몬 변화에 의해 유병율이 감소한 것으로 보고 있습니다.

또 동물은 페로몬 정보를 처리하는 뇌 편도체 피질핵(CoA)이 암수 차이를 보였지만, 인간을 대상으로 한 실험에서 남녀차이가 있는지 밝혀지지 않았었는데, 이번 연구를 통해 인간의 경우 남성의 뇌 편도체 피질핵의 크기가 보다 큰 것을 밝혀냈습니다.

지금까지 인간은 페로몬을 처리하는 보습코계라는 기관이 별도로 있지 않은 것으로 알려졌기 때문에 뇌 피질핵 크기에서 남녀차이가 없는 것으로 보고되었습니다.

연구팀은 이러한 뇌 편도체 피질핵의 크기 차이로 인해 남성이 성적인 의미를 담은 시각 자극에 여성보다 민감하게 반응하는 것도 설명할 수 있는 것으로 보고 있습니다.

이번 연구는 향후 임상적 데이터가 축적되면 편도체와 관련된 신경정신질환의 보조진단도구로 쓰일 수 있을 것으로 보고 있습니다.

이번 연구는 조경구, 김형준 박사팀을 비롯, 경희대, 서울아산병원 등 3개 기관 협동연구로 추진됐습니다.

연구결과는 뇌영상 분야 권위지인 '뉴로이미지(NeuroImage)' 5월 1일자 표지논문으로 게재되었습니다.
(논문명 : Sex differences in amygdala subregions: Evidence from subregional shape analysis, IF=5.937)


'그림 b'의 붉은 화살표가 가리키는 영역이 여성의 나이가 들어감에 따라 빠른 쇠퇴를 보이는 편도체 중심핵이다.


 용  어  설  명

부핵분석 :
편도체 표면의 특정 위치가 3개의 부핵(central nucleus, cortical nucleus, laterobasal nucleus)에 속할 확률에 근거하여 계산을 수행한 뒤, 각각의 부핵의 크기를 산출하는 방법이다.

편도체 중심핵(central nucleus) :
자율신경 반응 및 호르몬 분비를 조절한다. 불안한 심리상태와 관련을 가지는 것으로 알려져 있다.

편도체 피질핵(cortical nucleus) :
후각 자극을 처리하는 곳으로, 동물에서는 성행동 및 후각정보 처리에 관여하는 것으로 알려져 있다.

보습코계(vomeronasal organ) :
성행동에 주로 관여하는 것으로 알려진 제2의 후각기관이다. 많은 동물에 존재하지만, 대부분의 연구자들은 인간에게는 없는 것으로 생각한다.


김형준 박사

조경구 박사

 

posted by 글쓴이 과학이야기

홍합은 거친 파도를 맞으면서도 바위나 방파제에 달라붙어 생존하는데, 이는 홍합이 만들어내는 특별한 접착성분때문입니다.

홍합접착단백질은 현재 알려진 어떠한 화학 접착제보다도 강력한 접착력과, 수중에서도 접착이 가능하고, 에폭시 수지보다 두 배나 뛰어난 인장강도를 지니고 있으면서도 휘어질 수 있는 유연성을 가지고 있고, 플라스틱이나 유리, 금속, 테플론, 생체물질 등 다양한 종류의 표면에 접착할 수 있는 능력을 갖고 있습니다.

게다가 생체 내에서 인간세포를 공격하거나 면역반응을 일으키지 않아 생체친화적인 접착재료로 다양한 응용 잠재력을 가지고 있습니다.

과학자들은 이를 이용해 손상된 뼈나 피부 등의 치료에 이용하려는 연구를 진행하고 있는데요.

여기에 사용되는 지지체는 이식된 세포가 조직에 효과적으로 자리 잡을 수 있도록 도와줄 뿐만 아니라, 세포가 효율적으로 조직을 재생할 수 있도록 유도하는 중요한 역할을 담당합니다.

대표적으로 지지체는 손상된 연골, 피부, 혈관과 같은 조직 치료를 위해 광범위하게 활용되고 있습니다.

특히 3차원 지지체는 조직재생에 적합한 구조적인 이점 때문에 최근들어 각광 받고 있지만, 고분자로 이루어진 지지체 표면에 특정 기능을 부여하는 것이 쉽지 않고 효율적이지 못하기 때문에 세계 연구팀들은 이보다 쉽고 효율적인 표면개질 방법을 개발하려고 노력 중입니다.

포스텍 차형준 교수 연구팀이 안전하면서도 접착력과 코팅력이 뛰어난 홍합접착단백질을 이용해 손상된 뼈 조직을 효과적으로 재생하는 '기능성 3차원 지지체'을 개발했습니다.

연구팀은 손상된 뼈 조직을 재생하기 위해 3차원 지지체에 줄기세포를 표면에 부착했습니다.

이 때 지지체 표면에 줄기세포의 견고한 접착을 위해 홍합접착단백질을 사용했고, 여기에 줄기세포가 뼈로 분화가 잘 되도록 기능성 펩타이드를 첨가했습니다.

이 같은 방법을 쥐 실험에 적용한 결과 뼈 재생 효과가 기존보다 4배 이상 향상되는 것으로 나타났습니다.

차 교수팀은 지난 2010년에도 교과부와 연구재단의 지원으로 홍합접착단백질에 세포를 활성화시키는 생체기능성 펩타이드를 결합해, 세포의 특성을 그대로 살리면서도 접착력이 뛰어난 기능성 세포접착제를 개발한 바 있습니다.
(Biomaterials지, 2010년 9월)

연구팀은 이를 기반으로 손쉬운 표면개질방법을 이용해 뼈 세포를 활성화시키는 펩타이드가 표면에 효율적으로 노출되도록 유도하여 효과적으로 뼈 조직을 재생하는 3차원 지지체를 구현했습니다.

특히 이번에 개발된 3차원 지지체는 사람의 지방으로부터 추출한 줄기세포가 잘 붙고 성장하며, 뼈 조직으로 분화되도록 도와준다는 사실을 확인했습니다.

또한 연구팀은 파손된 쥐의 두개골에 3차원 지지체를 이식할 경우 아무 것도 이식하지 않은 쥐에 비해 4배 이상 높은 뼈 재생효과가 있으면서도 어떠한 부작용도 없음을 확인했습니다.

이번 연구는 연구팀이 자체 개발한 재조합 홍합접착단백질이 조직공학용 생체소재로서 실제 활용될 수 있음을 동물실험을 통해 확인한 첫 번째 사례로, 향후 다양한 인체 조직재생을 위한 기능성 지지체 코팅소재로 활용될 전망입니다.

이번 연구는 포스텍 차형준 교수와 조동우 교수, 가톨릭대 이종원 교수 등이 참여했습니다.

연구결과는 생체소재 분야의 권위 있는 학술지인 'Acta Biomaterialia'지 온라인판(4월 2일자)에 게재되었습니다.
(논문명: Enhancement of bone regeneration through facile surface functionalization of solid freeform fabrication-based three-dimensional scaffolds using mussel adhesive proteins)

자유 형상 가공법을 이용해 제조한 3차원 고분자 지지체 및 재조합 홍합접착단백질의 표면 코팅 형상

자유 형상 가공법을 이용하여 위 그림 A와 같이 적층 및 격자 형태로 제조된 조직공학 지지체의 전자현미경 이미지를 얻을 수 있다. 이러한 고분자 지지체 표면을 두 종류의 재조합 홍합접착단백질(fp-151, fp-151-RGD) 용액에 담가서 손쉽게 코팅할 수 있고, 그림 B와 같이 홍합접착단백질이 표면에 고르게 코팅되었음을 전자현미경을 통해서 관찰할 수 있다.  


홍합접착단백질이 표면 코팅된 3차원 기능성 지지체의 세포활성화 효과

홍합접착단백질이 코팅된 3차원 지지체의 세포와의 상호작용을 알아보기 위해 인간지방유래 줄기세포를 이용하여 세포배양 실험을 수행한 결과, 세포의 부착, 성장, 그리고 골세포로의 분화 능력이 fp-151-RGD가 코팅된 지지체에서 가장 우수함을 (A) integrin β의 mRNA 발현 분석 (B) DNA의 양 분석 (C) Ca2+ 이온의 농도 분석을 통하여 각각 확인할 수 있었다.

 

홍합접착단백질이 표면 코팅된 3차원 기능성 지지체의 동물모델에서의 뼈 조직 재생효과 확인

쥐 두개골에 그림 1에서와 같이 제조된 3차원 기능성 지지체를 이식하여 뼈 조직의 재생효과를 알아본 결과, 재조합 홍합접착단백질(fp-151-RGD)이 코팅된 지지체와 줄기세포를 함께 이식한 군이 다른 군에 비해 뼈 조직 재생효과가 매우 우수함을 마이크로 CT 분석(A,B,C) 및 조직염색법(D)을 통해 확인하였다.



<연 구 개 요>

조직공학은 손상된 조직을 재생 및 회복시키는데 활용하기 위한 분야로서, 세포와 지지체, 생리활성물질을 조합한 형태로 인체의 손상된 조직 부위에 이식하는 전략이 사용된다.
위 세 가지 구성요소 중 지지체는 이식된 세포가 유실되지 않고 조직 주위에 자리를 잡고 효과적으로 기능할 수 있도록 도와주는 매우 중요한 역할을 한다.
따라서 다양한 구조와 형태를 가지는 조직공학 지지체를 제조하는 방법들이 개발되어 왔다.

조직공학 지지체를 제조하는 여러 방법들 중, 자유형상 가공기술(solid freeform fabrication)은 이식될 조직의 모양에 맞춤식으로 디자인 할 수 있고 다공성 구조를 세밀하게 조절하면서 3차원 지지체를 제조할 수 있다는 장점을 가지고 있지만, 합성 고분자를 재료로 사용하기 때문에 세포와의 상호작용 기능을 강화시켜줘야 한다는 단점을 가지고 있다.

이러한 단점을 극복하기 위해, BMP-2 성장인자가 도입된 hydrogel이나 microsphere를 이용해 세포의 기능성을 향상시키고자 하는 노력들이 있었지만, 새로운 재료를 만들어야 한다는 복잡함이 있고, 아직까지는 다양한 연구들이 많이 이루어지지 않았다.

이번 연구에서는 홍합접착단백질의 우수한 접착력과 코팅력을 이용해 별도의 표면개질 절차를 거치지 않고 손쉽게 지지체 표면을 기능성 표면으로 개질할 수 있었다.

또한, 이렇게 손쉽게 표면개질된 3차원 지지체를 이용하여 뼈 조직재생을 위한 연구에 응용하였다.
먼저 인간지방조직유래 줄기세포의 기능성(부착, 성장 및 뼈 세포로의 분화능력)이 홍합접착단백질의 코팅으로 인해 향상되었음을 세포 배양 실험을 통해서 확인할 수 있었다.
그리고 쥐를 이용한 동물실험을 통해서 손상된 두개골의 재생이 홍합접착단백질의 코팅으로 인해 역시 향상되었고 주변 조직에 아무런 독성도 없음을 확인할 수 있었다.
따라서 이번 연구는 홍합접착단백질의 우수한 접착력과 기능성, 생체적합성을 동물실험 단계에서 확인한 첫 번째 보고사례라는 점에서 그 의의를 가진다고 할 수 있다.



 용  어  설  명

재조합 홍합접착단백질 (recombinant mussel adhesive protein) :
해양생명체인 홍합은 접착단백질을 생산, 분비함으로써 홍합 자신을 바다 속의 바위와 같은 젖은 고체표면에 단단히 부착할 수 있도록 하여 강한 파도의 충격이나 바다 속의 부력 효과에도 저항할 수 있다.
접착을 위해 홍합에서 만들어져 분비되는 홍합접착단백질은 종류와 성질을 구분하기 위하여 foot protein의 약자인 fp라는 단어를 사용하여 분류한다.
이는 홍합접착단백질이 홍합의 발에서만 분비되기 때문에 붙여진 이름이다. 현재까지 발견된 홍합접착단백질은 총 6가지로, 각각의 홍합접착단백질은 fp-1에서 fp-6까지 이름이 붙어져 있다.
홍합접착단백질은 다양한 장점을 가지고 있는데, 현재 알려진 어떠한 화학합성 접착제보다도 강력한 접착력과 수중에서의 접착이 가능한 접착능력을 가지는 것으로 알려져 있고, 대부분의 에폭시 수지보다 두 배 정도의 향상된 인장강도를 지니고 있으면서도 휘어질 수 있는 유연성을 가지고 있으며, 플라스틱, 유리, 금속, 테플론 및 생체물질 등 다양한 종류의 표면에 접착할 수 있는 능력을 가지고 있는 것으로 알려져 있다.
또한, 생체 내에서 인간세포를 공격하거나 면역반응을 일으키지 않아 생체친화적인 재료로 알려져 있어서 생체접착제 및 생체재료로의 다양한 응용 잠재력을 가지고 있다.
하지만 현재까지 상용화되어 있는 것은 홍합에서 자연 추출한 제품이 유일하며 1g의 접착단백질을 얻기 위하여 1만 마리의 홍합이 필요하기 때문에 현재 1g에 7만 5000달러의 높은 가격으로 판매되고 있다.
이에 현재로는 세포접착제로만이 용도 개발되어 있다.
그러므로 홍합접착 단백질의 유전공학적 생산기술에 많은 연구들이 이루어져 왔지만 현재까지 본 연구팀이 전세계적에서 유일하게 우수한 접착능력을 가지는 재조합 홍합접착제의 대량생산기술을 보유하고 있다.

조직공학 지지체 (tissue engineering scaffold) :
조직공학은 세포와 지지체, 생리활성물질을 조합한 형태로 인체의 손상된 조직 부위에 이식하여 조직을 재생 및 회복시키는데 활용하기 위한 분야로서, 지금까지 대표적으로 손상된 연골, 피부, 혈관 등과 같은 조직에 대한 치료를 위하여 활용되고 있으며 다양한 조직으로 확대 및 적용하기 위한 연구가 활발하게 진행 중이다.
조직공학의 세 가지 요소인 세포, 지지체, 생리활성물질 중에 지지체는 이식된 세포가 조직 부위에 효과적으로 자리를 잡도록 도와줄 뿐만 아니라 세포가 조직 재생을 위한 기능을 효율적으로 수행할 수 있도록 유도해주는 중요한 역할을 담당한다.

자유 형상 가공 기술 (solid freeform fabrication technology) :
자유 형상 가공 기술은 조직공학 지지체를 제조하는 다양한 방법 중 하나로서, 컴퓨터의 프로그램에 따라 원하는 단면 형상을 제작하고 이를 적층시킴으로써 원하는 형태 그대로 제작이 가능하며, 내부 구조의 높은 상호연결성을 가져 종래의 방법의 단점을 보완하는 새로운 인공지지체 제작 방식이라고 할 수 있다.   

기능성 펩타이드 (bioactive peptides) :
실제 인체의 조직 내의 세포 주변에는 세포가 자랄 수 있도록 도와주는 기질 역할을 하는 세포외기질이 존재하는데, 세포외기질에는 세포의 기능을 활성화시켜줄 수 있는 기능성 생체분자물질들이 존재하며, 주로 당과 단백질 성분으로 구성되어있다.
특히 이러한 세포외기질에 존재하는 기능성 단백질은 크기가 비교적 큰데, 전체 단백질 중에 세포와 상호작용을 하는 특정 짧은 아미노산 (2~20개) 서열 부위만을 기능성 펩타이드라고 부르며, 크기가 작으면서도 해당 단백질의 기능을 수행할 수 있기 때문에 공학적으로 광범위하게 이용되고 있다.

인간지방조직유래 줄기세포 (human adipose tissue-derived stem cells) :
환자의 복부, 엉덩이, 옆구리 등에서 지방을 뽑아낸 후, 그 지방 조직으로부터 추출한 성체줄기세포를 의미한다. 상대적으로 풍부한 공급원으로부터 많은 세포 양을 확보할 수 있다는 장점을 가지고 있고, 뼈나 연골, 신경 등 다양한 조직으로 분화시킬 수 있는 것으로 알려져 있다. 또한, 뼈 조직 재생에 큰 역할을 한다는 것으로 알려져 조직공학 연구를 위한 줄기세포공급원으로서 주목받고 있다.

쥐 두개골 결손모델 (rat calvarial defect model) :
뼈 조직 재생의 정도를 알아보기 위한 동물실험모델의 한 종류로서, 쥐의 두개골에 약 8 mm 지름의 원형의 결손부를 형성시키고 그곳에 실험하고자 하는 지지체를 이식하고 두개골을 덮은 후에, 일정한 시간이 지난 후 두개골의 뼈 조직 재생이 얼마나 이루어졌는지 알아보는 방식으로 실험이 진행된다.

생체기능성 펩타이드 :
2~20개의 짧은 특정 아미노산 서열로, 인체의 조직을 구성하는 세포의 활성을 도와 공학적으로 광범위하게 이용되고 있음


 

<차형준 교수>

1. 인적사항

 ○ 소 속 : 포항공과대학교 화학공학과                    
             
2. 학력
  1986 - 1990  서울대학교 화학공학과 학사   
  1990 - 1992  서울대학교 화학공학과 석사  
  1992 - 1995  서울대학교 화학공학과 박사
 
3. 경력사항
  1995 - 1996  한국생명공학연구원 박사후연구원  
  1996 - 1999  미국 University of Maryland 박사후연구원, 연구교수
  1999 - 현재  포항공과대학교 화학공학과 조교수, 부교수, 교수
  2010 - 현재  포항공과대학교 해양대학원 SA교수  
  2010 - 현재  국토해양부 해양바이오산업신소재연구단 단장 
  2012 - 현재  포항공과대학교 세아젊은석좌교수 

4. 전문 분야 정보
- Associate editor (SCI Journal): BMC Biotechnology (2010~), Applied Biochemistry and Biotechnology (2010~), Korean Journal of Chemical Engineering (2009~)
- Editorial board member (SCI Journal): Enzyme and Microbial Technology (2007~), Process Biochemistry (2005~), Microbial Cell Factories (2004~)
- SCI 논문 100여 편, 국내외 특허 출원/등록 50여건

5. 수상 경력
2011 포스텍 차세대 과학자
2010 바다의날 국무총리상
2010 12회 송곡과학기술상
2008 국가연구개발 우수성과 100선 교육과학부장관상
2008 범석논문상 (한국화학공학회)
2007 담연학술상 (한국생물공학회)

<조동우 교수>

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 포항공과대학교 기계공학과                      
 
2. 학력
  1976 - 1980  서울대학교 기계설계학과 학사   
  1980 - 1982  서울대학교 기계설계학과 석사  
  1983 - 1986  University of Wisconsin-Madison 기계공학과 박사

3. 경력사항
  1987 - 1988  Robotics Institute, Carnegie Mellon University 교환교수
  1996 - 1996  University of British Columbia 기계공학과 교환교수    
  2007 - 2008  University of Toronto, Mount Sinai Hospital, Pathology and     Laboratory Medicine, 교환교수
  2011 - 2011  대한기계학회 바이오공학부문 회장
  2006 - 2009  포항공과대학교 초소형기계기술연구소 소장  
  1986 - 현재   포항공과대학교 기계공학과 조교수, 부교수, 정교수

4. 전문 분야 정보
- Associate editor: ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering (2002~2008)
- Editorial board member: International Journal of Mechatronics and Manufacturing Systems (2006~), International Journal of Precision Engineering and Manufacturing (2006~), Biofabrication (2008~)
- SCI 논문 150여 편, 국내외 특허 출원/등록 40여건

5. 수상 경력
1994 Outstanding Young Manufacturing Engineer Award
2002 백암논문상
2003 가헌학술상
2010 국가지정연구과제(NRL) 우수성과 100선 입상

<이종원 교수>

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 가톨릭대학교 의과대학 성형외과학교실                    
              
2. 학력
  1975 - 1981  가톨릭대학교 의과대학 의학과 의학사   
  1986 - 1988  가톨릭대학교 대학원 외과학 의학석사  
  1990 - 1993  가톨릭대학교 대학원 성형외과학 의학박사
 
3. 경력사항
  1996 - 1997  미국 듀크대 성형외과 연수, 교환교수  
  2009 - 2011  가톨릭의대 서울성모병원 수련교육실장
  1999 - 현재   가톨릭의대 성모병원 성형외과 조교수, 부교수, 정교수, 과장
  2006 - 현재   가톨릭의대 의과대학 성형외과학교실 주임교수

4. 전문 분야 정보
- 대한성형외과학회 편집위원 (2004~)
- 한국조직공학재생의학회(KTERMIS) 부회장 겸 학술위원장 (2011~)
- 국내외 학술논문 180여 편, 다수의 임상시험연구 경험

5. 수상 경력
2000-2003, 2005, 2006 대한성형외과학회 기초논문학술상
2010 가톨릭 이념구현 개인상

 

posted by 글쓴이 과학이야기

KRISS(한국표준과학연구원)이 매월 선정하는 '이달의 KRISS인상' 4월 수상자로 길이센터 김종안 박사(41)가 선정됐습니다.

김종안 박사는 군사 전략물자로 분류되어 수출입이 엄격히 제한되고 있는 초고정밀 각도 표준기를 개발했습니다.

<관련글 : 1000km 밖의 미사일도 잡아내는 레이더 각도 측정기
                                                   http://daedeokvalley.tistory.com/235>

각도센서는 미사일이나 레이더와 같은 군사시설의 성능을 결정하는데 핵심 요소로, 분해능이 1초 보다 작은 고성능 각도측정기의 경우 제품의 수출입 뿐만 아니라 기술 공개도 엄격히 통제되고 있습니다.

김 박사의 연구 이전에는 국내의 각도 센서 제작 기술은 수십 초의 분해능을 구현하는 데 그쳤습니다.

정밀한 각도 센서를 제작하기 위해서는 가공, 평가, 개선 등의 과정을 거쳐야 하는데, 이번 기술개발을 통해 평가 능력을 크게 향상시켰으며, 기존의 각도 센서보다 정확한 센서를 제작할 수 있는 기반을 마련했습니다.

posted by 글쓴이 과학이야기

만약 독도 문제로 일본과 국지전이 발생한다면, 해군과 공군이 출동하겠죠.

그러면 우선 조기경보기와 함정, 공군 레이더가 해상과 공중에서 있는 적군의 움직임을 실시간으로 파악해 서로 그 데이터를 공유합니다.

최악의 경우 일본 측이 도발을 할 것이고, 구축함과 전투기들은 대함미사일을 일제히 발사할 것입니다.

우리 군 역시 즉각 발사하겠지요.

이 때 대함미사일 교환비는 약 1: 4 정도로 예상하면 될겁니다.

즉 우리나라가 약 100발의 대함미사일을 보낼경우, 일본은 400발을 우리에게 보낸다는 의미입니다. 

교전이 시작되면 함대방공 능력이 있는 이지스함인 세종대왕함은 개함방어 능력만 있는  이순신급과 광개토대왕급 구축함에 탑재된 무장을 무선 데이터 링크로 통제 전환합니다.

이렇게 조기경보기와 이지스함, 기타 구축함들이 무선 데이터 링트를 통해 유기적으로 연결되어 하나의 방어 체계를 구축합니다.

슈퍼컴이 탑재된 세종대왕함은 접근하는 적 미사일 수백 발을 동시에 각각의 예상 목표와 도달시간을 분석하고 순식간에 요격 우선 순위를 부여합니다.

그리고 다른 함정에 탑재된 요격 미사일까지 모두 통제해 발사와 요격 임무를 수행합니다.

그 결과.

현실은 소설처럼 희망적이지 못합니다. 현실은 냉정합니다.

우리나라 해군은 요격 방어 능력 이상으로 발사된 일본 대함미사일을 모두 막을 수 없어 엄청난 타격을 입을 것이고, 이지스함과 구축함이 우리보다 몇 배나 많은 일본은 약간의 피해만 입고 온전히 전력을 보존해 군사행동을 더욱 강화하겠지요.

국회에 있는 친일파 후예놈들이 지들 모국과 전쟁이라도 할까봐 이럴줄 알고 최신 구축함 건조 예산을 모조리 삭감시켰으니 말입니다.

그 돈이 어디로 갔는지, 강으로 갔는지, 주머니로 갔는지,  

어찌했건.... 

만약 지상 전투라면?

똑같습니다.

공격헬기와 전차, 포대, 조기경보기 등이 하나의 데이터링크로 연결되어 전장 정보를 취득하고, 나아가 다른 개체의 무장을 컨트롤 할수도 있습니다.

이 같은 시스템을 '통신 미들웨어'라고 합니다.

통신 미들웨어란 '여러 시스템들이 마치 하나의 시스템처럼 움직이도록 하는 SW'를 의미합니다.

미래의 무기체계는 실시간 데이터 공유를 통한 정보 우위를 바탕으로 전장에서 승리를 목표로 하는 네트워크중심 전장환경(NCW)으로 변화하고 있습니다.

따라서 분산된 개별 무기 체계들 간에 고신뢰와 실시간 데이터 공유를 효율적으로 하기 위한 연동 SW, 즉 통신 미들웨어가 필수적입니다.

ETRI(한국전자통신연구원)은 함정이나 전차 등에 탑재된 무기체계들을 연동하는 '통신 미들웨어'를 국산화하는데 성공했습니다.

ETRI는 이번 기술을 DDS에서 착안해 ETRI DDS 즉, EDDS로 명명했습니다.

그동안 우리나라는 차세대 국방무기체계가 요구하는 필수 통신 미들웨어를 전량 수입에 의존해야만 했습니다.

특히 미국산이 전 세계 시장의 80% 이상을 장악하고 있습니다.

하지만 이번 ETRI의 연구개발로 통신 미들웨어를 100% 국산화 하면서 국방 SW 자립화 기술 기반을 마련하는데 획기적 전기가 되었습니다.

이번에 개발된 핵심기술로는 다양한 무기 체계들의 서로 다른 통신 요구 사항을 만족시킬 수 있는 22종의 서비스품질(QoS) 지원하는 것과, 20만 라인 이상의 프로그램이 있습니다.

ETRI가 개발한 통신 미들웨어는 국제 표준화기구에서 표준화한 SW로, 기존의 다른 통신 미들웨어 대비 두 배 이상의 응답속도를 자랑하며, 초당 300만 개 이상의 메시지 및 이벤트를 처리할 수 있습니다.

이는 2011년 현재 서울시에 등록된 모든 자동차의 위치를 실시간으로 동시 추적할 수 있는 수준입니다.

따라서 국방 무기체계들간에 인터넷과 같은 역할을 하는 기술로, 감시정찰, 지휘통제, 타격무기체계들을 유기적으로 통합하여 적군 공격시 자동적이고 즉각적으로 대응, 정밀 타격이 가능한 기반을 마련했습니다.

미군의 경우 국제 표준화기구인 OMG에서 표준화한 DDS(Data Distribution Service) SW기술을 국방의 실질적 표준으로 정의하고 새로 개발되는 차세대 무기체계에 탑재를 권고하고 있습니다.

ETRI는 지난달 미국 워싱턴에서 개최된 OMG 국제표준화 회의에서 해외 메이저 회사들의 DDS 상용제품들과의 상호연동성 검증에도 성공했습니다.

OMG측은 국제표준 통신 미들웨어로 표준을 100% 준수하여 개발되었는지 그 기능과 성능이 만족할 수준인지가 중요한 품질 요소인데, 이에 대한 검증을 직접 수행합니다.

ETRI는 이번 기술개발로 국제특허 16건 출원과 SCI급 국제논문도 8편을 기고했으며, 현재 국내 방위산업체를 대상으로 기술이전을 진행 중입니다.

또 향후 OMG 표준화에도 적극 참여하여 국제표준에 채택되도록 노력하고, 우리나라의 특성에 적합한 대규모 게임이나 모바일 분야 적용을 위한 추가 연구를 계획 중입니다.

이번 연구는 향후 고도의 안전을 요구하는 교통통제시스템이나 원자력, 스마트계량기에도 활용이 가능하며, 대규모의 사용자에 동시 서비스 제공이 필요한 병원, 날씨, 금융증권정보 등에도 효과적으로 이용될 전망입니다.

이번 개발이 향후 국내에서 구축될 차세대 무기체계에 적용할 경우 2014년 부터 5년 간 약 2400억 원의 직접 수입대체 효과가 예상됩니다.

또 Gartner에 의하면 올해 세계 미들웨어 시장은 185억 달러이며, 이 중  50% 이상을 통신 미들웨어가 차지하고 있습니다.

미 국방부에 따르면 미 육군 아군추적시스템에 DDS를 시험 적용한 결과 개발기간 7년 단축, 응용프로그램 크기 1/10 감소, 목표 성능 10배 이상 향상 등을 기할 수 있는 소프트웨어로 평가됐습니다.

 

<연 구 개 요>

NCW는 서로 다른 특성을 가지는 수만개 이상의 통신 개체들(레이더 등 각종 센서, 컴퓨터 및 다양한 무기체계들)이 동시에 정보를 공유하고 상호 제어를 하는 구조이므로,  고신뢰 실시간 데이터 공유를 효율적으로 하기 위한 연동 SW, 즉 통신 미들웨어가 필수적이다.
이러한 미래의 무기체계들에 반드시 탑재되어야 하는 통신 미들웨어로 국제표준기구인 OMG(Object Management Group)의 DDS(Data Distribution Service) 기술은 미군을 비롯한 전 세계 국방분야의 통신 미들웨어 실질 표준으로써 그 적용이 확산되고 있다.
우리나라에서도 각종 무기체계를 연동시키는 표준적인 통신 미들웨어로 OMG DDS를 채택하고 있다. OMG DDS기반의 통신 미들웨어 시장은 미국이 전 세계 시장의 80% 이상을 점유하고 있으며, 우리 군의 최신 무기체계 개발 시에도 외산 DDS 소프트웨어를 전량 수입 탑재하여 운영 중인 실태이다.
ETRI는 2012년 3월 DDS 표준을 준수하는 통신 미들웨어 기술을 지식경제부의 R&D 지원을 받아 100% 국산화에 성공했다.
본 기술은 지난 3월 21일 미국 워싱턴DC에서 열린 OMG 상호운용성(Interoperability) 시험에서 RTI사(미) 및 PrismTech사(미)를 비롯한 대표적인 기존 DDS 상용제품들과의 완벽한 상호연동성을 검증하였으며, 기능과 성능측면에서 기존 해외 DDS 제품들과 대등한 수준의 품질을 보유하고 있음을 확인했다.
또한, 통신 개체간 연결 설정 시간의 획기적 감소 및 데이터 전송 성능의 향상을 통한 미들웨어의 고성능?고품질화를 달성하였고 미들웨어 실행엔진 최적화 기술을 개발하여 낮은 성능의 컴퓨팅 자원 환경(예, 임베디드 시스템 및 스마트폰)에서도 동일한 성능을 발휘할 수 있다.

 

 용  어  설  명

통신 미들웨어(Middleware) :
서로 다른 운영체제나 프로토콜, 통신환경 등을 갖는 디바이스들을 연결, 응용프로그램과 그 프로그램이 운영되는 환경간에 원만한 통신이 이루어질 수 있게 하는 SW

OMG(Object Management Group) :
소프트웨어 판매자, 개발자, 이용자들의 컨소시엄.
SW 애플리케이션에서 객체 중심 기술 사용 진흥을 목적으로 1989년 결성. DDS, CORBA 및 UML 등의 SW 호환 표준을 운영함.

CPS(Cyber-Physical systems)
:
다양한 센서와 액츄에이터를 갖는 물리시스템과 이를 제어하는 SW가 네트워크 기반으로 결합된 SW중심 융합산업시스템 (예, 차세대 자동차/항공기/로봇 등)

 

posted by 글쓴이 과학이야기

최근 스마트폰, 태블릿PC, 스마트TV 등 다양한 스마트 기기가 등장하고 있지만, 이를 통해 제공하고 있는 멀티미디어 서비스의 경우 인터넷 사용 환경에 따른 트래픽 변동이 발생하여 동영상 등 멀티미디어 서비스가 도중에 예기치 않게 끊어지는 문제가 발생하고 있습니다.

기존 기술은 서비스를 제공하는 콘텐츠 서버에 다양한 전송 환경과 단말 사양을 고려하여 압축된 몇 개의 미디어 시퀀스를 미리 준비한 후, 전송 채널의 트래픽 환경에 맞는 해당 시퀀스를 전송하는 방법을 이용합니다.

이에 따라 전송 채널의 트래픽이 자주 변경되거나 미리 준비해 놓은 압축 시퀀스보다 작은 대역폭이 발생할 경우 서비스 품질의 연속성을 보장하기 어려운 한계점이 있었습니다.

ETRI(한국전자통신연구원)는 이러한 문제를 해결하고 차세대 스마트TV의 미디어 전송에 활용하기 위한 '다계층 영상 부호화 기반 웹 전송 기술'을 국내 최초로 개발했습니다.

이번 성과는 방송통신위원회가 지원하는 'Beyond 스마트TV 기술 개발' 사업을 통해 개발한 것으로 차세대 스마트TV의 핵심 기술로 부각될 전망입니다.

사용자가 이 기술을 이용할 경우 하나의 미디어 콘텐츠를 단말 종류 및 전송 환경에 무관하게 언제 어디서나 끊김 없는 최적 품질의 멀티미디어 서비스를 제공받을 수 있습니다.

또 서비스 제공 사업자들은 인터넷의 유효 대역폭에 따른 최소의 미디어 시퀀스(sequence)를 보냄으로써 인터넷 트래픽 부하를 감소시키는 동시에 다양한 해상도를 갖는 최적 품질의 영상을 제공할 수 있게 됩니다.

이번 기술은 기존 압축방식(H.264) 기반의 동적 스트리밍 기술 대비 뛰어난 경쟁력을 갖추고 있습니다.

반면 ETRI가 개발한 기술은 스케일러블 비디오 부호화(SVC)를 기반 기술로 다양한 단말 및 인터넷 환경에 스스로 맞춰 최적화된 멀티미디어 스트리밍 기술을 제공하기 때문에 서비스가 중단되거나 품질이 저하되는 문제를 원천적으로 해결했습니다.

특히 이 기술은 스마트폰, 태블릿 PC, 스마트TV 등의 스마트 기기에 의한 스마트 미디어의 활성화와, 이에 따른 다양한 서비스의 출현 등으로 인터넷 대역폭을 예측하기 어려운 향후 시장 환경에서 더욱 빛을 발할 전망입니다.

ETRI는 이번 기술 개발에 국제표준을 반영해 향후 산업 활용도를 높였습니다.

국제표준화기구 ISO/IEC JTC1/SC29 MPEG에서 제정한 'MPEG 미디어의 동적 적응 HTTP 스트리밍(DASH : Dynamic Adaptive Streaming over HTTP)' 표준을 적극 반영한 결과, 향후 국내외 모든 미디어 전송 서비스에 활용토록 하고 산업체로의 기술이전 가능성도 높였습니다.

<연 구 개 요>

'다계층 영상 부호화 기반 웹 전송 기술' 필요성 및 개발 현황

최근에는 스마트 폰, 템플릿 PC, 노트북등과 같이 유선 및 무선 인터넷 연동이 가능한 다양한 단말들이 널리 보급되고 이러한 단말에 맞는 미디어 서비스가 제공되고 있다.
즉, 시간과 장소에 제약을 받던 고정형 디스플레이 장치를 이용한 멀티미디어 서비스 형태에서 탈피한 인터넷과 연동되어 언제, 어디서든 고화질의 영상을 선택해서 소비하는 서비스 형태로 변모하고 있다.
그러나 서비스 품질(QoS)이 보장되지 않는 인터넷에서의 끊김없는 고화질 미디어 스트리밍 서비스를 제공하는 데에는 기술적인 어려움이 있다.
이에 따라 최근 미국, 유럽 등 선진국을 중심으로 이러한 문제를 해결하기 위한 'HTTP 기반 적응형 스트리밍 기술'을 개발 중에 있으며, 일부는 상용화됐다.
대표적으로 애플의 'HTTP 라이브 스트리밍' 기술과 마이크로소프트(MS) 의 'Smooth 스트리밍 기술'이 이에 해당된다.
이러한 기술의 동향 및 성장에 맞추어 국제표준화 기구 ISO/IEC JTC1/SC29 MPEG에서는 MPEG 미디어의 HTTP 스트리밍을 위한 동적 적응 HTTP 스트리밍(DASH : Dynamic Adaptive Streaming over HTTP)의 표준화를 최근에 완성했으며, 독일의 프라운호퍼(Fraunhofer) HHI에서는 스케일러블 비디오 부호화(SVC) 기반의 웹 전송 기술이 제한된 네트워크 자원을 사용하는데 매우 효과적임을 증명했다.

 

 용  어  설  명


HTTP 라이브 스트리밍 :
IPHONE, IPAD에 사용한 비표준 HTTP 적응형 스트링 서비스 기술

Smooth 스트리밍 :
마이크로소프트 사에서 개발한 비표준 HTTP 적응형 스트리밍 서비스 기술

SVC(Scalable Video Coding; 스케일러블 비디오 부호화) :
하나의 비트스트림으로 다수 계층의 비디오 서비스를 제공하는 기술

posted by 글쓴이 과학이야기

한국기초과학지원연구원 물성과학연구부 허윤석 박사와 최봉길 박사 연구팀이  KAIST EEWS 대학원 최장욱 교수팀과 공동으로 엠보싱 공정을 도입한 3차원 다공성 그래핀 필름제작기술 개발에 세계 최초로 성공했습니다.

이에 따라 전기화학적 특성이 우수한 차세대 고성능 에너지 저장소자의 전극활물질 상용화를 앞당기는 토대가 마련됐습니다.

이번 연구성과는 폴리스티렌(PS) 입자를 이용한 엠보싱 공정으로, 표면적은 넓히면서 전기전도도를 높이고, 동시에 기계적 물성까지 우수한 세계 최초의 '3차원 다공성 그래핀 필름 제조 기술'입니다.

3차원 다공성 그래핀 필름의 주사전자현미경 (SEM) 이미지.

(a) PS입자 제거 후, free standing 그래핀 필름의 저배율 SEM 이미지.
(b) 2 μm 기공크기를 갖는 다공성 그래핀 필름의 고배율 SEM 이미지.
 


연구팀은 그래핀 시트 사이에서 PS 입자의 삽입하고 다시 제거하는 과정을 통해 기공 구조를 만들어 그래핀의 재적층(restacking)을 효과적으로 제어했습니다.

연구팀은 PS 입자 제거 후에도 기공을 둘러싸고 있는 multi-layered 그래핀 층과 서로 연결된 기공구조에 의하여 전체 기공구조가 무너지지 않는 것을 확인했습니다.

또 sacrificial template을 이용한 PS 입자들의 크기에 따라 다공성 그래핀 필름의 기공크기를 100 nm에서 2μm까지 손쉽게 조절이 가능하단 사실도 발견했습니다.

엠보싱 기술을 이용한 3차원 다공성 그래핀 필름 제조공정

 (a) PS 입자와 그래핀의 자기조립 후, 진공여과를 통하여 free standing film제조.
 (b) 톨루엔 용매를 이용하여 PS 입자를 선택적으로 제거함으로써, 3차원 다공성 그래핀 필름제조.
 (c) 고성능 에너지 저장소자로 응용하기 위하여, self limiting reaction방법을 이용한 전이금속 산화물(MnO2)이 증착된 다공성 그래핀 필름제조.


지금까지 2차원 그래핀 필름을 3차원 다공성 그래핀 필름으로 제작하기 위한 여러 시도들이 있었지만, 이번 연구처럼 기공 크기조절이 자유로운 3차원 다공성 그래핀 필름을 free standing film으로 제작할 수 있는 기술은 세계 최초입니다.

연구팀은 또 전기화학적, 기계적 특성이 우수한 다공성 그래핀 필름을 에너지 저장소자중의 하나인 슈퍼캐패시터의 전극물질로 활용할 소자제작 및 성능분석을 수행했습니다.

지금까지 그래핀의 반데르 발스 힘에 의한 응집현상으로 슈퍼캐패시터의 전극활물질로의 응용이 제한적이었습니다.

그러나 이번 연구를 통해 다공성 그래핀 필름 제조에 성공함으로써 재적층 현상을 제어하고 전기화학적 특성을 향상 시킬 수 있었습니다.

특히 제조된 다공성 그래핀 필름은 넓은 비표면적과 향상된 전하이동 특성을 나타냈고, 이를 통하여 고출력 에너지 저장전극 재료로 활용할 수 있게 됐습니다.

3차원 다공성 그래핀 필름을 이용한 비대칭 슈퍼캐패시터 소자의 구현.

 (a) 다공성 그래핀 필름(anode electrode)과 MnO2가 증착된 다공성 그래핀 필름(cathode electrode)을 결합한 비대칭 슈퍼캐패시터 소자 제작,
 (b) 본 연구에서 개발한 고출력, 고에너지 슈퍼캐패시터 소자의 성능을 보여주는 Ragon plot.
슈퍼캐패시터의 에너지 밀도(energy density)를 높이기 위하여 음극에 다공성 그래핀 필름을, 양극에 MnO2가 증착된 다공성 그래핀 필름을 이용하여 비대칭 슈퍼캐패시터 소자를 제작하였다. 본 연구에서 개발된 소자는 에너지 밀도(44 Wh/kg)와 파워밀도(25 kW/kg)를 크게 향상시켰으며, 높은 고출력(high-power)과 장 수명(Long-term cycle life)을 유지하였다.


슈퍼캐패시터의 성능을 결정하는 중요한 지표는 충전, 방전 속도와 사이클 수명입니다.

연구팀은 다양한 순환전위전류 속도 내에서 비정전용량을 측정해 3차원 다공성 그래핀 필름이 2차원 그래핀 적층시료에 비해 충전 및 방전 속도가 향상됨을 확인했습니다.

이는 순환전위전류 속도 내에서 전해질의 이온들이 충분히 빠르게 기공 속으로 전달되어 빠르게 그래핀 표면 위에서 전하들이 저장되었기 때문입니다.

또 일정 전류밀도 내에서 1000 cycles의 충전 및 방전 실험을 실시, 다공성 그래핀 필름이 1000 cycles 동안 비정전용량이 거의 감소되지 않고 안정적인 충전 및 방전 수명을 나타낸 것으로 확인됐습니다.

이번 연구는 향후 그래핀 기반의 다양한 전기화학적 소자의 전극물질에 적극 활용될 전망입니다.

이번 연구결과는 나노과학 분야 최고 권위지인 'ACS Nano 誌'의 4월 24일자 인터넷판에 게재되었습니다.
(논문명 : 3D Macroporous Graphene Frameworks for Supercapacitors with High Energy and Power Densities, IF=9.855)

 

 용  어  설  명


3차원 다공성 그래핀 필름 제조를 위한 엠보싱 기술 :
엠보싱(Embossing) 가공은 천이나 직물 표면에 틀을 이용하여 열과 압력을 가해  올록볼록한 형태의 모양을 나타내는 과정이다.
본 연구에서는 그래핀 시트들을 폴리스티렌(polystyrene) 입자 틀에 둘러 싼 후, 폴리스티렌입자들을 제거함으로써 볼록한 형태의 그래핀 필름을 제조하였다.

슈퍼캐패시터 : 
슈퍼캐패시터는 캐패시터(콘덴서)의 성능 중 특히 전기 용량의 성능을 중점적으로 강화한 것으로서, 충전지 형태로 사용하는 부품이다.
전자 회로에 사용되는 캐패시터는 전기적으로 충전지와 같은 기능을 가지며, 전력을 모아서 필요에 따라 방출한다.
슈퍼캐패시터는 전자 회로를 안정되게 동작시키기 위해서 반드시 필요한 부품중의 하나이며, 충·방전을 반복하는 환경에서 오랜 시간이 경과해도 안정적으로 동작하는 특징을 가지고 있다.  


허윤석 박사(선임연구원)

최봉길 박사(박사후 연구원)

 

 

 

posted by 글쓴이 과학이야기

기존 CI(G)S 박막 태양전지는 효율은 높지만 진공증착기술 이용으로 공정단가가 비싸고 대면적화에 어려움이 있습니다.

현재 나노입자 기반 CI(G)S 박막 태양전지의 기존 최고효율은 5.5%입니다.

■ 한국화학연구원 류병환·정선호박사 연구팀이 CI(G)S 박막 태양전지의 제조단가를 획기적으로 낮출 수 있는 원천 소재 기술을 개발했습니다.

이번 연구성과는 값싸고 독성이 없는 원료물질을 이용한다는 특징을 가지며, 이를 통해 광활성층의 결정성, 화학조성 및 치밀 미세구조를 제어할 수 있는 기능성 CI(G)S 나노입자를 합성하는 기술입니다.

연구팀은 태양전지용 CI(G)S 광흡수층 제조에 있어 기존의 진공증착 기술을 대체할 기능성 나노입자를 이용한 용액공정 기술을 개발해 현재 보고된 나노입자 기반의 CI(G)S 박막 태양전지 중 최고 효율을 달성했습니다.

연구팀은 공정비용이 높은 진공증착 대신에 저가의 원료물질을 이용하여 기능성 나노입자 기반 액상소재를 제조하고, 이를 단순한 용액공정으로 기판 위에 코팅하고 열처리함으로써 치밀한 미세구조의 광활성층을 제작할 수 있는 기반을 마련했습니다.

이번 연구는 나노입자 합성 및 용액공정을 통해 초저가, 고효율화를 위한 새로운 가능성을 열어준 원천기술로, 차세대 CI(G)S 박막 태양전지의 한계점을 극복할 수 있을 전망입니다.

이번 연구결과는 에너지소재 소자 분야 저명한 과학 전문지인 'Energy and Environmental Science' 온라인판(2012년 4월 20일)에 게재되었습니다.
(논문명 : An 8.2% efficient solution-processed CuInSe2 solar cell based on multiphase CuInSe2 nanoparticles)

 

공정비용이 높은 진공증착 대신에 저가의 원료물질을 이용하여 기능성 나노입자 기반 액상소재를 제조(왼쪽 위사진)하고 단순한 용액공정으로 박막을 성막시킴으로서 치밀한 미세구조를 가지는 고효율 광활성층(왼쪽 아래사진)을 포함하는 박막 태양전지 구조를 제작함.

 
  용  어  설  명


CI(G)S 박막 태양전지 :
무기 반도체 박막 태양전지의 일종.
전자(n)-정공(p)의 무기 반도체 박막 CI(G)S-CdS을 p-n으로 서로 접합하였을 때 반도체의 금지대폭(Eg: Band-gap Energy)보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되는데, 이들 전자-정공이 p-n 접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 모이게 되는 원리로 동작하는 태양전지.
효율은 높지만 제조비용이 고가이며 대면적화가 어려움.

나노 입자 :
벌크에서 발현될 수 없는 다양한 물성을 가지는 나노스케일의 기능성 입자. 입자의 형태 또는 크기에 따라서 광/전기적 특성이 제어되고, 이러한 특징을 활용하여 특정 물성을 가지는 소재를 합성하고 소자를 제작할 수 있음. 

용액 공정 :
용매내에 유기 분자/나노입자 등이 용해 또는 분산되어 있는 액상소재를 이용하여 박막을 성막하는 공정. 단순한 박막형성 공정뿐만 아니라 패턴화가 가능한 인쇄 공정을 포함함. 
진공증착 공정에 비해 단순한 저가 공정이지만, 우수한 액상 소재의 개발 및 코팅/인쇄 공정의 최적화가 용액 공정을 통한 소자 제작을 위해서 필수임.

Energy and Environmental Science誌 :
에너지소재 및 소자 분야에서 저명한 세계적으로 권위 있는 학술지로서, 영국 왕실화학협회에서 발행하는 학술지 (2010년도 SCI 피인용지수 : 9.446).


 

 

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