우리얘기

시 무 사

직원 여러분!

2015년 을미년 새해가 밝았습니다.  

올해는 평화와 행운을 상징하는 양의 해입니다.

특히 청양의 해로 그 어느 해보다 진취적이고 긍정적인 기운이 가득할 것으로 기대됩니다. 직원여러분 모두가 꿈과 희망이 결실을 맺는 한 해가 되기를 기원합니다.

지난 해를 돌아보면, 직원 모두가 합심하여 많은 성과를 이루어냈고, 연구원의 주요임무인 첨단 연구장비와 우수한 연구인력을 바탕으로 기초연구 플랫폼으로 국가과학기술발전에 중추적인 역할을 다하여 왔습니다.

2015년 새해, 역동적으로 활기차게 살아 숨 쉬는 연구원을 만들어 가기 위해 창조마인드로 기관운영을 수행하려 합니다. 

첫 번째, 기관임무에 연구개발이라는 새로운 임무를 부여받게 됩니다.

연구원은 지난 26년간 첨단연구장비를 활용하여 대학 중심의 연구지원과 공동연구를 성실히 수행하였습니다. 그동안의 역량을 바탕으로 연구장비와 분석기술을 독자적으로 연구하고 개발하는 새로운 임무를 부여받게 됩니다. 

‘연구지원 및 공동연구 수행’이라는 우리 기관의 설립 목적에‘연구시설․장비 및 분석과학기술 관련 연구개발’을 추가하여 독자적이고 창의적인 연구활동을 우리의 주요 임무에 포함하였습니다.

이러한 연구활동을 위해‘첨단연구장비 개발 및 실용화 지원사업’이 신규과제로 선정되어 국내장비산업 발전을 위한 첫걸음을 시작하게 됩니다.

두 번째, 연구부서 및 지역센터는 개별연구가 아닌 융합연구로의 연구재정립이 이루어집니다.

그동안 개별연구 및 개별장비를 통해 분석지원 및 공동연구를 수행해왔다면, 앞으로는 여러 분야 전문가 및 장비를 모아서 그룹으로 연구를 수행하는 부서간, 지역간 융합연구로의 연구부서 개편이 이루어집니다.  대학 교수의 개인연구와 차별화하여, 출연(연)이 부여받은 고유임무에 따른 융합연구로 국가 과학기술 발전과 국가경제에 기여하는 KBSI로 거듭나고자 합니다.

세 번째, 세계 최고 수준의 연구시설·장비를 설치·운영합니다.

세계 최고 수준의 연구시설·장비인 수퍼 바이오 투과전자현미경 및 7 테슬라 MRI를 오창본원에 설치하고, NMR-MS 장치를 서울 서부센터에 설치하여 국내외 산·학·연 연구자들에게 연구지원 및 공동연구를 위해 본격 가동하게 됩니다.  

이들 장비를 포함하여 기존 연구장비에 대해서도 선도장비 운영위원회를 구성하여 기관차원에서 보다 체계적이고 발전적인 전략을 수립하여 효율적인 장비활용으로 공동연구를 통한 우수한 성과창출을 만들어 가는 데에 지원하겠습니다.

우리 연구원이 연구장비의 국가기관으로 확고히 자리매김하여 노벨상과 창조경제를 견인하는 데에 큰 역할을 할 수 있도록 최선을 다해주시길 당부드립니다.

네 번째 ‘창조경제 실현’을 위해 중소기업과의 상생협력을 추진합니다.

정부는 중소기업지원을 강화하여 ‘창조경제’ 실현이라는 국정과제 임무수행에 적극적으로 수행할 것을 강조하고 있습니다. 우리는 중소기업의 고객편의성과 분석지원 신뢰도를 향상하기 위해 ISO 9001 인증 획득 등 분석지원 품질관리 체계를 정립하고 장비개발과 기술지원을 집중적으로 추진하여 중소기업과의 상생협력을 위해 더욱 노력하겠습니다.

다섯 번째 ICT기반의 연구시설·장비 정보 유통 플랫폼 확대 및 활성화를 수행합니다.

국가연구시설장비 총괄･관리 임무의 전담 조직인 NFEC을 통하여 국가차원의 연구시설･장비 투자 효율화 및 공동활용 촉진을 위한 관련 정책 수립지원을 강화하는 한편, ICT 기반의 연구시설･장비 정보 유통 플랫폼의 확대와 활성화를 통해 기관에 부여된 임무를 체계적으로 수행해 나가겠습니다.

이 밖에 직원들 직무역량에 필요한 KBSI 아카데미를 본격적으로 운영하고 조직진단에 필요한 직무분석과 국가직무능력표준(NCS)에 기반 한 교육 설계 등 채용에서 교육에 이르기까지의 전주기 인력관리 체계를 마련하겠습니다.

이러한 새로운 길을 나아가는 데 있어 무엇보다 중요한 것은 우리의 하나 된 마음이라고 생각합니다.

‘산을 만나면 길을 내고, 물을 만나면 다리를 놓는다’는 옛말처럼 우리가 혁신과 전진을 향한 의지와 역량을 한데 모은다면, 저는 어떤 어려움도 이겨낼 수 있다고 믿습니다.
2015년은 직원여러분과 함께 모든 어려움을 풀어 나가게 되길 바랍니다.  

직원여러분께서도 소망하시는 모든 일 이루시고 변화와 희망의 새로운 연구원을 열어 가는 데 함께 힘을 모아주시기 바랍니다.

을미년 새해, 축복이 넘치는 한 해가 되기를 기원합니다.

2015년 1월 2일

한국기초과학지원연구원장 정 광 화

수소를 생산하는 미생물인 '해양 초고온 고세균'의 총체적 대사경로가 세계 최초로 규명됐습니다.

이에 따라 고효율 수소생성 균주 개발 및 대사공학(metabolic engineering)을 통한 고효율 수소생산의 기반이 마련됐습니다.

한국기초과학지원연구원 생명과학연구부 정영호, 김승일 박사팀은 한국해양연구원 이정현, 강성균 박사팀과 공동으로 해양 초고온 고세균인 '써모코커스 온누리누스 NA1(Thermococcus onnurineus NA1)'이 개미산 또는 일산화탄소를 먹고 수소를 생성함과 동시에 포도당, 구연산 등의 유기탄소화합물을 생성해 지속적인 증식이 가능하다는 사실을 세계 최초로 규명했습니다.

또 NA1이 갖고 있는 알코올 탈수효소(alcohol dehydrogenase, ADH)가 고온의 수소생성 조건에서 전분을 먹이로 공급할 때 발현이 증가하여 알코올이 보다 효율적으로 생산된다는 사실도 확인했습니다.

바이오수소 생성 초고온 고세균 NA1의 총체적 대사 경로

공동 연구팀은 개미산과 일산화탄소, 전분이 먹이로 포함된 배양조건에서 자란 'NA1'으로부터 단백질을 추출한 후, 수소생성조건에 따른 단백질체 분석을 통해 전체 대사경로를 규명했습니다.

특히 이를 통해 개미산과 일산화탄소가 'NA1'의 에너지원으로서 뿐만 아니라 효율적인 유기탄소원으로 이용될 수 있음을 입증했고, 주요 대사 작용 및 수소생성에 관련된 기능성 단백질들을 규명하는데도 성공했습니다.

초고온성 고세균 NA1의 전자현미경사진

이러한 단일 탄소원자(C-1)로 구성된 기질들이 고세균에서 유기탄소원으로 사용된다는 것은 이번 연구를 통해 최초로 확인된 것입니다.

또 연구팀은 'NA1'이 지금까지 알려진 고세균 미생물 중 최다인 8개의 수소화효소군을 보유하고 있다는 것을 확인했습니다.

이처럼 다수의 수소화효소군을 보유한 경우, 이를 조절함으로써 생산되는 수소의 순도나 효율을 높일 수 있습니다.

특히 이들 수소생성 기능성 단백질들은 향후 고효율 수소 생산 균주 개발에 유용한 단백질 타겟으로 사용될 수 있습니다.

이번 연구로 초고온 고세균 NA1의 총체적 대사경로가 규명됨에 따라, 개미산이 수소 생성을 위한 에너지원으로 이용될 수 있을 뿐만 아니라 일산화탄소와 함께 탄소동화 과정을 거쳐 효율적인 유기탄소원으로 이용될 수 있음을 확인했습니다.

이 같은 연구결과는 향후 고효율 바이오수소 생성 균주 개발에 이용될 전망입니다.

이번 연구결과는 미국 생화학·분자생물학회에서 발간하는 국제 프로테오믹스 분야 세계 최고 권위지인 'Molecular and Cellular Proteomics 지' 의 2012년 6월호에 게재되었습니다.
(논문명 : Proteome analyses of hydrogen-producing hyperthermophilic archaeon Thermococcus onnurineus NA1 in different one-carbon substrate culture conditions. Molecular and Cellular Proteomics (IF=8.354))

<Molecular and Cellular Proteomics 誌내 논문 표지>

'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

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.

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

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.

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)

일반적으로 생체물질이나 약물 등은 자신만의 독특한 광학 이성질체 구조를 가지는데, 이러한 입체적 구조의 특이성은 생명유지를 위해 필수불가결한 요소 중 하나입니다.

따라서 생명 메커니즘 규명을 위해 생체분자의 입체구조에 대한 분석 연구는 반드시 필요합니다.

그러나 광학 이성질체가 발생시키는 광학활성 신호의 세기는 아주 미세하여 빛의 작은 요동에도 큰 영향을 받기 때문에 기존 방법에서는 이를 펨토초(1조 분의 1초 이하) 시간영역에서 측정하는 것이 매우 어려운 일입니다.

■ 한국기초과학지원연구원 이한주 박사팀과 고려대 조민행 교수 공동 연구팀이 생체물질 등 광학 이성질체의 입체구조를 극히 짧은 시간영역에서 분석할 수 있는 초감도 광학활성 측정기술을 개발했습니다.

이번 연구결과는 오직 단 하나의 펨토초(1조 분의 1초 이하) 레이저 펄스만으로 물질의 입체구조에 대한 분석이 가능함을 실험적으로 증명한 것으로, 생체물질에 대한 기존 측정원리의 한계를 근본적으로 해결할 수 있는 새로운 방법을 제시한 것입니다.

이번 연구성과를 통해 연구팀은 단 하나의 펨토초 레이저 펄스만으로도 미세한 광학활성 신호를 획득하는 것이 가능하다는 것을 성공적으로 보여주었습니다

또한 기존의 측정 방식인 두 종류의 서로 다른 빛을 사용하는 방식이 갖는 빛의 요동과 신호 정밀도, 느린 시간 분해능 문제를 근본적으로 해결했습니다.

이번 연구결과는 단백질, DNA 등과 같은 생체 내 근본적인 생화학 반응과 비대칭 촉매의 화학 반응 메커니즘 규명연구에 활용될 전망입니다.

또 고감도 신호분석을 이용한 고속 약물 스크리닝 연구 및 차세대 분광기기 개발에 활용하여 바이오 관련 산업분야의 발전도 기여할 전망입니다.
 
이번 연구결과는 물리학 분야의 저명 학술지인 Physical Review Letters誌(IF=7.621)에 2012년 3월 9일자 온라인판으로 발표되었습니다.
(논문명 : Single-Shot Electronic Optical Activity Interferometry : Power and Phase Fluctuation-Free Measurement)

입사광을 한번은 원형 좌편광 또 한번은 원형 우편광된 빛으로 만들어 둘의 흡수세기의 차이를 측정함. 빛의 요동에 큰 영향을 받음.

(a) 단일 펨토초 레이저 펄스에 의한 광학활성 측정장치 개략도 및 (b) 광학 이성질체 유기 분자에 대한 실험결과

 용  어  설  영

광학 이성질체 / 광학 활성 :
사람의 왼손과 오른손은 서로 거울상이다.
이 둘은 비슷하게 생겼지만 공간상에서 완전히 포개어 겹쳐질 수 없다.
분자들 중에도 마치 사람의 왼손과 오른손처럼 그 거울상과 서로 포개질 수 없는 것들, 즉 3차원 입체 구조가 서로 다른 것들이 있는데 이를 광학 이성질체라 한다.
그 이유는 이들이 빛에 대해 서로 상이한 특성을 가지기 때문이다.
즉, 광학 이성질체는 원형 좌편광 또는 우편광 된 빛(진행함에 따라 그 편광 방향이 왼쪽 또는 오른쪽으로 회전하는 빛)과 서로 다른 상호작용을 하여 빛의 흡수 차이 또는 속도 차이를 발생시키는데 이러한 성질을 광학 활성이라 한다. 따라서 광학 활성은 분자의 3차원 입체 구조에 대한 유용한 정보를 제공한다.

펨토 초 레이저 :
펨토(femto)는 나노(nano), 피코(pico) 다음에 오는 단위로 펨토 초는 1000조 분의 1초를 말한다.
1 펨토 초는 대략 빛이 0.3 마이크로미터를 움직일 때 걸리는 시간이다.
분자와 원자 세계에서 화학반응이 일어날 때 입자들의 움직임, 생체 내에서 효소가 분자를 떼었다 붙였다 하는 일은 펨토 초 단위에서 일어난다.
예를 들어 광합성이 일어날 때 엽록소가 에너지를 전달하는 시간은 약 350 펨토 초다.
사람이 인식하기도 어려운 이 짧은 시간에 식물은 빛을 받아 에너지로 바꾼 뒤 저장한다. 
효소가 유기물에 산소를 붙이는 시간은 약 150 펨토 초, 수소 원자에서 전자가 원자 주변을 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간은 0.1 펨토 초다.
펨토 초 동안 벌어지는 이런 물리, 화학, 생물학적 현상을 연구할 때 주로 쓰이는 것이 펨토 초 레이저다.
펨토 초 레이저는 대략 10~50 펨토 초 동안만 켜졌다 꺼지는 펄스로 이루어져 있다.
깜빡깜빡하는 펄스를 분자나 원자에 쏘면 이 펄스는 펨토 초 시간 동안만 분자를 만나게 되며 반사되거나 투과된 빛에는 분자의 모습이 담겨 있다.
바꿔 말해 펨토 초 만에 찍어 내는 카메라인 셈 이며 펄스를 연사하면 펨토 초라는 '찰나'의 시간 동안 분자가 어떻게 움직이는지를 담은 '동영상'도 만들 수 있다.

직접 메탄올 연료전지는 새로운 에너지 전환장치의 하나로 각광받고 있지만, 전기 생산과정에서 메탄올이 이산화탄소로 완전히 산화되지 않고, 수많은 반응 중간 생성물이 만들어져 효율이 떨어지는 단점이 있습니다.

직접 메탄올 연료전지와 같이 저온에서 작동하는 연료전지의 효율성을 높이려면 물의 양과 분포를 최적으로 유지하는 것이 중요하기 때문에 연료전지내 물의 분포도를 구하는 연구가 많이 수행되고 있습니다.

이에 각국의 연구팀은 연료전지의 화학반응 추적을 위해 작동 중이던 연료전지를 해체하고 시료를 채취하여 분석했기 때문에 정확한 측정이 어려했습니다.

□ 한국기초과학지원연구원 한옥희 박사팀이 작동중인 직접 메탄올 연료전지를 해체하지 않고도 전기 생산과정에서 발생하는 화학반응 추적에 성공해 연료전지의 상용화를 앞당기는 토대를 마련하게 됐다.

연구팀은 직접 메탄올 연료전지를 독창적인 'in situ 핵자기 공명 분광기법(in situ NMR spectroscopy)'을 이용해 직접 메탄올 연료전지의 화학반응 추적에 세계 최초로 성공했습니다.

여기에는 연구팀은 자체 개발한 '토로이드형 핵자기 공명용 탐침'이 이용됐습니다.

연구팀은 화합물의 규명과 정량 분석에 유리한 핵자기 공명 기법의 장점에 In Situ 기법을 추가하여, 운영하는 상태의 연료전지에서 일어나는 전기화학반응을 추적했습니다.

연구팀은 직접 메탄올 연료전지를 작동시킨 후, 중수소 핵자기 공명 분광 스펙트럼을 구하는 작업의 반복을 통해 전기 화학반응 추적이 이뤄졌으며, 이를 반응시간 동안 발생한 전하량 측정한 데이터와 비교 분석해  전기 생산과 관련된 메탄올 산화 반응과 전기 생산과 관련이 없는 메탄올의 산화반응 모두에서 PtRu/C 촉매가 Pt/C촉매보다 메탄올의 완전 산화율이 더 높은 촉매임을 처음으로 확인했습니다.

이처럼 서로 다른 재료의 연료극 촉매를 사용하는 직접 메탄올 연료전지의 내부 화학반응을 비교 분석함으로써, 보다 우수한 재료의 연료극 촉매를 개발 할 수 있는 토대가 마련됐습니다.

특히 핵자기 공명 영상(MRI) 없이도 개발된 토로이드형 핵자기 공명용 탐침을 사용하면 연료전지내 화합물들의 분포도를 구할 수 있음을 입증한 것으로 물을 포함한 연료전지의 전기화학반응 전후 화합물들의 이동 경로 추적 가능성을 보여주었습니다.

이번 연구결과는 응용화학 분야 세계 최고의 학술지인 '앙게반테 케미' (Angewandte Chemie International Edition)의 3월 인터넷판에 게재됐습니다.
(논문명 : Observation of Methanol Behavior in Fuel Cells In Situ NMR Spectroscopy, IF=12.730)

직접 메탄올 연료전지에서 반응이 진행함에 따라 메탄올 신호(3.3 ppm)의 크기는 감소하고 하이드록실 (4.8 ppm)신호의 크기는 증가함을 알 수 있다.
스펙트럼상의 숫자는 일정 전류하에서의 연료전지의 누적 반응 시간을 의미하며, 하단의 밑줄친 숫자는 전기적으로 circuit이 연결되지 않은 누적 시간을 의미한다.
동일한 시간 동안 진행된 반응에서 Pt/C에서의 메탄올의 감소가 상대적으로 빠른 것을 볼 수 있다.
이는 같은 전류 생산에 더 많은 메탄올을 사용 한 것을 의미하고 따라서 메탄올의 완전 산화율이  줄어든 것을 의미한다.
전기적 circuit이 연결되지 않은 상태에서의 메탄올 감소량을 비교했을 때 Pt/C 촉매에서 PtRu/C보다 시간당 메탄올 감소율이 작았다.
따라서 직접적인 전기 생산과 관련 없는 메탄올의 산화반응에서도 Pt/C에서 상대적으로 산화반응이 느림을 알 수 있다.

토로이드형 In Situ 핵자기 공명 탐침을 이용한 화합물의 공간 분포 측정.

핵자기 공명 신호의 검출을 위해 토로이드의 outer conductor와 central conductor 사이의 공간에 발생하는 B1 자기장의 세기가 central conductor의 중심에서 r 방향으로 선형적으로 감소하는 성질을 이용하면 r 값에 따른 화합물의 분포를 측정할 수 있음을 보여준다.
(a) 세겹의 튜브중 제일 안쪽(파랑)에 D2O, 가운데(빨강)에 CD3OH, 제일 바깥(노랑)에 DCOOD/D2O를 넣고 측정한 2D 핵자기 공명 스펙트럼. 물질의 종류는 가로축을 따라 나타나는 chemical shift (ppm) 값으로 부터 공간적인 분포는 세로축에 나타나는 위치 (r-1)에 따라 구별할 수 있음을 동시에 보여준다.
(b) 동일한 방법으로 0.1 mm 두께의 분리막 내외에 분포한 CD3OH(빨강)와 D2O(파랑)를 관찰한 것이다. 일반적으로 연료극-전해질-공기극으로 구성된 메탄올 연료전지의 전극집합체 (metal-electrolyte assembly, MEA)의 두께가 약 0.5 ~ 1 mm이므로 메탄올 연료전지의 연료극-전해질-공기극에 존재하는 메탄올과 반응 생성물의 분포를 구분해 낼 수 있음을 보여준다.

<토로이드형 핵자기 공명용 탐침>   토로이드형 핵자기 공명 탐침은 일반적으로 액체시료에 사용하는 헬름헐츠코일이나 고체 시료에 사용하는 솔레노이드코일과 달리 솔레노이드코일의 양끝을 이어놓은 듯 생긴 토로이드 코일이나 이와 같은 원리를 이용하는 원통형 토로이드 캐버티 디텍터를 사용한다. 다른 코일들과는 달리 라디오파에 의해 생성되는 자장이 코일안에만 존재해서 오로지 토로이드 코일안에 있는 시료에서만 핵자기 공명 신호를 감지하는 특징이 있다. 또한 핵자기 공명 영상 장치가 없어도 각 화합물의 2차원 영상을 코일 내부의 반지름에 대해 구할 수 있어 화합물들의 공간적 분포도를 구할 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서는 연료전지 관찰에 적합하게 내부 도체(central conductor)를 막대기 형태에서 원통형으로 변경하고 액체 연료와 배출액의 출입을 위한 튜빙들이 내부 도체의 원통을 거치게 함으로써 튜빙내에 있는 액체에서는 신호를 감지하지 못하게 하고 연료전지에 존재하는 화합물들만 관찰할 수 있게 개발하였다. 연료전지의 In Situ 핵자기 공명 연구를 위한 토로이드형 탐침 (a) 토로이드형 탐침의 전체구조. (b) 직접 메탄올 연료전지가 gasket에 둘러싸여 central conductor에 결합된 모습으로 T1과 T2는 메탄올의 공급과 배출, T3와 T4는 산소의 공급과 배출을 위한 튜브들이다. (c) 연료전지로 감싸인 central conductor를 outer conductor에 삽입해 탐침이 완전히 조립되었을 때의 모습.

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)

<박준택 한국기초과학지원연구원장 신년사>

2012년 용(龍)의 해인 임진년(壬辰年) 새해가 밝았습니다.
특히 올해는 용의 해중에서도 60년만에 한번 찾아오는 흑룡의 해라고 합니다.
임진년(壬辰年)의 임(壬)자가 '검은색'을 의미하고, 진(辰)자는 용을 뜻 합니다.
용은 황제나 임금을 상징하는 상상의 동물이며, 일반적으로는 용기, 비상, 희망 등을 상징 합니다. 그래서 '용띠 해'는 '힘찬 도약'을 연상하게 합니다.
지난해 국가연구개발의 총괄 컨트롤 타워인 '국과과학기술위원회'가 출범하였습니다.
그리고 정부출연 연구기관을 하나의 법인으로 통합하는 과학기술 거버넌스 개편이 논의되고 있는 상황입니다.
무엇이 옳고 그르고의 섣부른 판단보다는 다양한 변화가 이뤄지는 시점에서 우리 한국기초과학지원연구원의 미래상과 역할에 대해 진지하게 고민해야 할 때라고 판단됩니다.
더욱이 지난해 말 북한 김정일 국방위원장의 사망으로 인하여 동북아 안보가 중요한 이슈로 부상하고 있으며 또한, 올해에는 총선 및 대선 등 정치적으로 큰 변화가 예상되는 한해이기도 합니다.
이처럼 과학기술계 내부의 변화에서부터 정치 경제 등 우리 사회 전반의 변화가 예상되는 시기에 가장 우선시 돼야 할 부분은 굳건하게 흔들림 없이 자신의 역할에 충실한 것입니다.
특히 국민의 세금으로 운영되는 기관에 소속된 기초연 직원 여러분들은 내일 당장 어떤 변화가 있건 주어진 자신의 역할을 충실히 다하여 국가와 국민에게 신뢰를 보여줘야 할 것입니다.
그 다음으로 변화나 어려움을 과감히 극복해 나갈 수 있는 '진취적 용기'를 가져야 할 것입니다. 이를 통해 우리 기초연이 임진년 용의 해에 용처럼 힘찬 도약과 비상이 이뤄지기를 기대해 봅니다.

올해는 기초연의 국가 연구장비 대표기관, 분석과학 선도기관, 기초과학연구 거점기관이라는 3대 발전목표를 구체화하는 한 해가 될 것입니다.
'국가 연구장비 대표기관'으로서의 역할을 다하기 위해 신규 장비도입 및 운영을 계획에 맞춰 추진해 나갈 것입니다. 우선 150억원을 투자해 '연구용 휴먼 MRI'를 도입하는 사업은 지난해말 3T(테슬라)급 연구용 휴먼 MRI 구축을 완료하고, 올해 말까지 7T급 장비 구축도 마무리 할 계획입니다. 또
 180억원을 투자해 2014년 구축이 완료되는 '차세대 융복합 나노분석시스템'은 올해부터 제 모습을 드러낼 것이며, 연구원 역사상 가장 큰 예산인 270억원이 투입되는 '바이오 전자현미경 사업' 역시 2015년 완료를 목표로 빈틈없이 추진됩니다.
연구장비 자체 개발에서는 2014년 개발이 완료되는 '초정밀 열영상 현미경'을 비롯하여 'ECR이온원을 이용한 입자빔 가속장치' 개발 등도 차질 없이 진행됩니다.
이밖에도 장기적으로는 GHz급 NMR 도입, 21T FT-ICR MS 개발 추진과 함께 융합바이오 이미징센터, 고자기장 연구센터 등의 설립도 보다 가시화할 수 있도록 할 것입니다.

'분석과학 선도기관'으로서의 역할도 그 기반이 한층 더 탄탄해 질 것입니다.
지난해 11월 우리 기초연은 분석과학분야 세계 15개국의 석학들이 참가한 '2011 분석과학기술 국제심포지엄'의 성공적 개최를 통해 분석과학분야의 선도기관임을 국내외적으로 인정받는 도약대에 올라섰습니다.
또한, 국가사회문제해결형 연구과제로서 200억원이 투자되는 질량분석기반 초고속 분자진단의료시스템 개발, 55억원 규모의 세포칩 기반 생체모방형 단백질 네트워크 탐색기술 개발, 40억원이 투자되는 첨단과학수사분석기술 개발 사업, 그리고 기초연 최초의 R&D 고유사업으로서 올해부터 5년간 총 235억원이 투입되는 '국가재난대응분석체계구축사업' 등은 우리 연구원이 가진 분석역량을 토대로 하는 중요한 사업으로서 명실상부한 분석과학 선도기관으로서의 면모를 갖추게 되었습니다.
또한 충남대와 공동으로 운영 중인 '분석과학기술대학원(GRAST)'을 통한 분석과학기술 분야의 인재양성과 분석과학기술을 국내외에 알리는 분석과학기술 학술지 JAST 역시 제 3호를 발간하며 안정적인 궤도에 들어서고 있습니다.

'기초과학연구 거점기관'이라는 최종 발전목표는 국가 연구장비 대표기관, 분석과학 선도기관이라는 2개 발전목표를 달성함으로써 함께 완성될 것입니다.
또한 국가 R&D 연구장비 예산심의를 지원하는 '국가연구시설장비진흥센터'의 역할과 '엑스사이언스'와 '주니어닥터'로 대표되는 기초연의 과학대중화 사업 등이 '기초과학연구 거점기관'이라는 발전목표와 함께 할 것입니다.
그럼으로써 연구자와 일반 국민들에게 다가가는 친근한 연구기관으로서  대한민국을 대표하는 기초과학연구 거점기관으로서의 역할을 다할 것입니다.
이밖에 금년에는 지난해 베트남 IMBC, IMS, VAST와의 국제협력을 통한 기초연 국제지역센터의 설립을 추진하고자 합니다.
그리고 그리스 국립과학연구소 ''데모크리토스'와 폴란드 '아담 미츠키에비치 대학' 그리고 미국 '메사추세츠 의과대학'과의 MOU 등  올해에는 보다 실질적인 국제협력을 통해 우수 연구성과물을 창출할 것으로 기대됩니다.

새해는 과학기술계에 큰 변화가 예상되는 한 해가 될 전망입니다.
이럴 때 일수록 우리 연구원 직원 여러분은 더욱 더 맡겨진 역할을 충실히 수행하면서 변화에 대한 치열한 논의와 진취적 의지를 통해 위기를 기회로 만드는 도약의 용띠 해가 되기를 간절히 바랍니다.
올 한해는 직원 여러분 모두 흑룡처럼 욱일승천하시기를  바라며, 여러분의 가정에 건강과 행복이 깃들기를 기원합니다.

2012년 1월 2일
한국기초과학지원연구원장 박 준 택

<전문>

2011년 토끼의 해인 신묘년 (辛卯年) 새해가 밝았습니다.
지난해 신년사를 통해 호랑이처럼 용맹스럽게 달려가겠다던 말씀을 드렸던 것이 엊그제 같은데, 벌써 1년이 지나고 새로운 한해를 맞는 인사말씀을 드리게 됐습니다.
지난해 우리 과학기술계는 염원하던 국가연구개발의 컨트롤 타워를 세울 수 있는 계기를 얻었습니다. 정부는 비상임 위원회였던 국가과학기술위원회를 행정실무 위원회로 개편하는 것을 구상해, 최근 법안 통과 후 실질적인 추진이 진행되는 것으로 알고 있습니다.
 또한 G-20정상회의의 성공적인 개최로 우리의 국격을 한 단계 높이는 성과를 얻기도 했습니다. 다만 천안함 사태와 연평도 포격 등과 같은 예상치 못한 사건들로 인한 피해들에 대해서는 아쉬움을 금할 수 없습니다.

올해 기초(연)은 고유 미션인 '기초과학 진흥'을 실현하기 위해  국가 연구장비 대표기관, 분석과학 선도기관, 기초과학연구 거점기관이라는 3대 발전목표를 지난해에 이어 보다 강화해 나갈 것입니다.
'국가 연구장비 대표기관'으로서의 입지를 보다 탄탄히 하기 위해 올해부터 단계적으로 약 600억원을 투자해  '연구용 휴먼 MRI 설치' '융복합 in-situ 나노 분석시스템' '슈퍼바이오 전자현미경' 등을 도입해 나갈 계획입니다. 특히 '슈퍼바이오 전자현미경'은 세계최고의 의생물 전용 첨단 전자현미경으로, 올해부터 5년에 걸쳐 구축하게 됩니다. 분해능 0.12 nm(나노미터, 1 nm=10억분의 1 m)를 구현함으로써 나노-바이오 융합연구 및 뇌과학 연구 등에 핵심장비로 활용될 전망입니다.
7 테슬라급의 연구용 휴먼 MRI는 고해상도의 MRI 영상을 제공해 뇌  연구를 비롯 각종 의과학 연구에 획기적인 변화를 이끌 것으로 기대됩니다. 또한 융복합 in-situ 나노 분석시스템은 미래형 나노물질 분석 및 개발 연구에 필수적인 물리, 화학적 기초연구정보를 제공하게 됩니다. 새롭게 구축되는 첨단 연구장비와 더불어 함께 개발될 새로운 분석법은 이제까지 보지 못했던 새로운 세상을 향한 비밀의 문을 열게 하는 열쇠가 될 것입니다.
이밖에도 기초(연)은 지난해 펨토초 다차원 분광기를 성공적으로 개발한데 이어, 비파괴 분석 등 다양한 물질분석에 활용되는   'ECR 이온원을 이용한 입자빔 가속장치'와 반도체 및 기타 정보소자 결함분석 등에 활용될 '초정밀 열영상 현미경' 등 연구장비의 직접 개발도 계획에 맞춰 안정적으로 추진하고 있습니다.
기초(연)의 '국가연구시설장비진흥센터'는 국가 R&D 연구장비 예산심의 지원을 통해 지난 4년간 약 445억원의 국가예산을 절감하였고, 향후 지원시스템을 고도화하여, 국가 R&D 예산 절감에 더욱 기여할 것입니다. 또한 '대형연구시설구축 로드맵' 제작을 완료해 올해부터 오는 2025년까지 15년간 국가차원에서 건설하거나 업그레이드할 69개 대형 연구시설 도출을 완료하는 등 국가 연구장비 대표기관으로서의 위상을 한층 강화하게 됐습니다.

충남대와 공동으로 운영중인 '분석과학기술대학원(GRAST)'을 통한 분석과학기술 분야의 인재양성이 올해부터는 결실을 맺어갈 것으로 예상됩니다. 현재 GRAST는 교수 인력을 27명으로 확충했고, 학생수도 석사과정 42명, 박사과정 8명으로 크게 확대했습니다. 또한 분석과학기술을 국내외에 알리는 SCI급 학술지로 육성중인 분석과학기술 학술지 JAST는 지난해 말 제 2호를 출간하는 등 계획에 맞춘 순탄한 출발을 보이고 있습니다.
이처럼 기초(연)의 분석과학 능력 향상과 GRAST를 통한 인재양성이 씨실과 날실처럼 엮여가며 '분석과학 선도기관'이라는 이름에 걸맞는 성과물이 나올 것으로 기대됩니다.

현대 과학기술이 '연구장비의 전쟁'으로 불리울 만큼 연구장비에 대한 의존도가 높아지고 있으며, 우리 과학기술계는 단일 연구에서 다학제간 융?복합 연구로, 추격형 연구에서 선도형 연구로의 변화 요구에 직면하고 있습니다. 이러한 요구들의 귀결점은 바로 응용 및 개발연구에서 기초과학 및 원천기술 개발로의 방향 정립을 요구하는 것입니다. 이러한 요구들에 발맞춰 기초(연)은 국내외 우수연구자들과 함께 '방문연구자 지원', '산학연공동연구', '국제공동연구' 등 열린 경영을 통해 '기초과학연구 거점기관' 이라는 발전목표를 완성해 나갈 것입니다.

새해에는 기초(연) 전직원을 포함해 과학기술계에 종사하는 모든 분들이 위축됐던 가슴을 펴고, 자신이 과학자라는 것을, 그리고 국가의 연구개발을 책임지는 정부 출연(연)의 직원이라는 것을 자랑스럽게 말할 수 있는 한 해가 되기를 간절히 기원합니다. 지난해 호랑이의 용맹함으로 달려왔다면 올해는 토끼처럼 조용히 내실을 다지고, 연구개발과 출연(연)의 위상강화라는 측면에서 튼실한 결실을 얻을 수 있는 한해가 되기를 바랍니다.
올 한해 원하시는 큰 뜻을 이루시기를 바라며, 여러분의 건강과 행복을 기원합니다.

2011년 1월 3일
한국기초과학지원연구원장 박 준 택