우리얘기

한국천문연구원과 한국항공우주연구원의 지배구조 개편에 대한
한국우주과학회의 입장 

각 연구원의 독립성이 결여된 정부의 출연연구원지배구조 개편안은 이제 발전기에 접어든 대한민국의 천문·우주과학 분야를 나락으로 추락시킬 수 있기 때문에 한국우주과학회는 이의 철회, 또는 재고를 강력히 촉구한다. 

지난 수십 년간 우주과학의 변방이었던 우리나라에서 국가 우주과학·기술의 중추적인 역할을 담당하며, 우주강국으로 가는 수많은 연구 및 주요임무를 수행하던 한국천문연구원과 한국항공우주연구원을 효율화와 융합화란 불분명한 기준으로 포장하여 각각 기초과학연구원과 국가개발원으로 통폐합하려는 개편안을 정부는 충분한 논의와 연구현장의 의견청취 없이 밀어 붙이려고 하고 있다.

우리 민족은 고대부터 우수한 천문관측기록을 자랑스러운 과학유산으로 우리에게 남겼다. 세종대왕 당시 세계적으로 최첨단기술에 속하는 천문관측기기들이 개발된 것으로부터 알 수 있듯이, 우리 선조들은 천문·우주과학에 대한 꾸준한 관심과 열정을 갖고 있었으나, 일제의 말살정책에 그 맥이 끊기고 말았다. 그럼에도 불구하고 우리나라 최초의 근대적 이공계 박사는 천문학으로 학위를 했을 만큼 천문·우주과학은 근대 국내 과학기술계에서도 가장 뿌리가 깊다.

1974년에 설립된 국립천문대가 모태인 한국천문연구원은 천문·우주과학의 국가천문 대표기관으로서의 역할을 수행하여 왔다. 또한, 1989년에 설립된 한국항공우주연구원은 실용적인 우주의 이용 및 우주공학, 우주탐사에 기여해 왔다. 이렇게 출연연구기관인 한국천문연구원, 한국항공우주연구원, 그리고 여러 대학의 관련 학과는 우리나라의 천문·우주과학의 큰 기둥으로서 그 역할을 해 왔고, 앞으로도 이 세 축을 바탕으로 우리나라 천문·우주과학 분야가 세계적인 수준으로 발돋움할 것이다. 이러한 기초를 바탕으로 국가제정 천문법과 우주개발진흥법은 천문·우주과학의 중요성을 국가에서도 인식하고 우리나라가 우주강국으로 가고자 하는 의지의 표현인 것이다.

한국우주과학회는 천문·우주과학 관련 전문인력의 학문·기술적 관심사의 최첨단에 서있으며, 우리나라 천문·우주과학의 발전을 위해 천문·우주과학 관련 대학, 연구기관이 세계적인 수준으로 도약하기 위한 동반자 역할을 하고 있다.

그 간 한국천문연구원과 한국항공우주연구원은 독립연구기관을 유지하며 그 연구개발 능력을 극대화하기 전까지 여러 번의 기관 지배구조 변화를 겪어왔으며, 정권이 바뀔 때마다 연구개발현장의 의지와는 다르게 여러 형태의 변화를 요구 받았다. 그 때마다 연구개발 현장에서는 혼란과 우수 인력의 이직 등과 그에 따른 중요 연구의 단절도 일어났다. 매우 유감스러운 일이다.

현재 어느 선진국도 독립적인 천문·우주과학 전문연구기관을 두지 않은 나라는 없다. 세계적인 거대과학을 위한 여러 천문관측기기 사업, 국제학회, 국제기구 및 위원회에 한국천문연구원은 국가천문연구기관 대표자격으로 참여하고 있고, 한국항공우주연구원 또한 우주개발에 있어서 국가를 대표해서 국제협력을 이끌어 내고 우주기술 개발에 앞장서고 있다. 두 기관이 독립성이나 대표성을 상실하고 일개 부설기관으로 전락한다면, 우리나라에서의 천문·우주과학은 뒷전으로 밀리고 우주강국의 꿈은 사라질 것이다. 한번 무너진 토대는 다시 쌓기 어렵다.

한국우주과학회는 21세기 대한민국의 천문·우주과학의 발전을 위해서 한국천문연구원과 한국항공우주연구원이 독립성이 확보된 기관이어야 함을 다시한번 강력히 천명한다.

2012년 2월 9일

한국우주과학회 회장 김천휘

한국생명공학연구원이 창의적인 연구 아이디어를 발굴하기 위해 시행한 '이런 연구 해 주세요' 연구아이디어 공모전에서 충북대 임정화 씨가 최우수상을 수행했습니다.

임 씨는 '실험동물을 사용하지 않고도 유전자 및 화합물의 효과를 확인하는 기술'을 통해 줄기세포로부터 분화시킨 각 조직을 순환배양 시스템으로 만들어 약물 및 유전자 기능을 확인할 수 있는 '인공 동물실험 기술'을 제안했습니다.

우수상은 '뇌세포 파괴를 막거나 저지하는 효소 개발'을 제안한 미국 존스홉킨스 의과대학 차보영 박사와 '인공혈액'을 제안한 한국생명공학연구원 하태환 박사가 선정되었습니다.

 연구아이디어 공모전 수상자 명단

진단과 치료용 약으로서 펩타이드의 장점은 생산 단가가 낮고, 안전성과 반응성이 높으며, 특허 사용료가 상대적으로 저렴하고, 원하지 않는 면역시스템에 덜 노출되어 펩타이드 자체에 대한 부작용이 적고, 합성하여 쉽게 변형할 수 있는 것 등이 있습니다.

그럼에도 대부분의 펩타이드는 항체에 비해 특정 단백질 타깃에 대해 친화력과 특이성이 낮기 때문에 다른 분야에 활발히 응용되지 못하고 있는 실정입니다.

□ 항체처럼 질병 타깃과 잘 결합하면서 생산성과 안정성도 갖춘 새로운 펩타이드 플랫폼이 개발됨에 따라 차세대 진단 치료제 개발에 새 가능성을 열었습니다.

광주과기원 전상용 교수팀은 기존 펩타이드의 단점인 낮은 친화력과 특이성을 해결한 '앱타이드(Aptide)'라는 새로운 펩타이드 플랫폼 개발에 성공했습니다.

이 플랫폼은 펩타이드의 장점인 생산성 안전성과, 항체의 장점인 고친화력과 고특이성의 장점을 모두 갖췄습니다.

연구팀은 기존 펩타이드의 단점을 극복할 수 있는 새로운 개념의 펩타이드인 앱타이드를 개발해 다양한 단백질 타깃에 항체처럼 매우 잘 결합하는 고친화도, 고선택성 등을 동물실험을 통해 밝혀냈습니다.

또한 암 바이오마커에 특이적인 앱타이드를 이용해 생체 내에서 암만을 선택적으로 진단할 수 있다는 사실도 확인했습니다.

이번에 개발된 앱타이드는 항체처럼 결합력이 강해 다양한 바이오의약품으로 응용될 수 있어, 항암 표적치료제뿐만 아니라 다양한 질병에 대한 의약품으로 활용될 수 있을 것으로 기대받고 있습니다.

연구결과는 화학분야의 최고 권위의 학술지인 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie)'지 1월호(1월 24일)에 게재되었습니다.
(논문명 : Bio-Inspired Design and Potential Biomedical Applications of a Novel Class of High-Affinity Peptides)

 용  어  설  명

앱타이드 (Aptide) :
항체나 압타머와 같이 타켓물질에 고친화도와 선택성을 가지고 결합할 수 있는 펩타이드로서 Aptamer-like Peptide 의미

펩타이드 (Peptide) :
단백질과 구성 성분은 같으나 크기가 훨씬 작은 일종의 단백질의 조각에 해당하는 것으로 2개 이상에서 대략 50개 이내의 아미노산이 연결되어 구성되어 있는 물질

항체 :
타겟물질에 고친화도 및 선택성으로 결합할 수 있는 면역글로부린 구조를 가지고 있는 단백질로서 다양한 질병에 대한 획기적인 치료제로서 각광을 받고 있음

<연 구 개 요> 현재 질병 타겟에 높은 친화력을 가지며 특이적으로 붙는 펩타이드는 진단과 치료 분야에서 많은 이용 가치를 가지고 있다. 일반적으로 펩타이드는 생산 단가가 낮고 반응성이 높으며 면역반응을 잘 일으키지 않으며 합성을 통해서 생산되기 때문에 변형이 쉽고 순도가 높은 제품을 만들 수 있는 장점을 가지고 있다. 하지만 기존의 펩타이드가 후보약물이 되기 위해서는 낮은 타겟 친화력과 특이성, 단백질 가수분해 효소에 의한 생체 내 불안정성과 같은 한계점을 극복해야 한다. 이런 문제점을 해결하기 위해서 새로운 높은 친화력과 특이성을 가지는 "펩타이드 압타머 (앱타이드, Aptide)"라는 새로운 펩타이드 스캐폴드를 디자인하고 그것의 성질을 규명하였다. 그림 1.  앱타이드는 루이신 지퍼 단백질과 비슷한 모양을 가지도록 디자인을 함. 펩타이드 골격(scaffold)의 양 말단의 결합된 두 개의 펩타이드(오렌지색, 파랑색)가 공동으로 타겟분자에 결합하는 형태로 높은 친화성으로 특이적 결합력을 가지도록 함. 앱타이드는 루이신 지퍼 단백질의 구조에서 영감을 얻어 디자인을 한 총 26개의 아미노산으로 이루어진 펩타이드이다. 이는 trpzip 이라는 beta-hairpin motif scaffold를 골격으로 이용하여 trpzip 의 N- 과 C- 말단 부분에 각각 6개의 아미노산을 무작위로 배열함으로써 타겟 바인딩 부분을 만들었고 이를 통해 항체와 대등한 수준의 높은 친화력과 특이성을 가진 펩타이드를 개발하였다. 이는 기존의 펩타이드의 단점인 안정성을 극복함과 동시에 표적결합부위의 두 개의 구조로 이루어진 가변적 펩타이드를 이용하여 시너지 효과를 일으켜 타겟에 대해 매우 높은 친화력과 특이성을 확보할 수 있었다. 그림 2.  암 바이오마커인 EDB에 특이적 앱타이드의 암 표적화. (a) 쥐의 인간 뇌종양 세포를 이식하여 암을 만든 다음에 형광이 표식된 EDB 특이적인 앱타이드(APTEDB1st)와 대조군인 scramble 앱타이드 (scr-APT)를 정맥주사 한 후 시간마다 형광이미지를 얻음. 붉은 화살표는 암을 나타냄. 시간이 지나감에 따라 EDB 특이적 앱타이드는 암에 선택적으로 축적되나 scramble 앱타이드는 암에 전혀 축적되지 않음. (b) 정맥 주사 후 6시간 후에 쥐에서 암, 간, 심장, 폐, 신장, 이자를 절제하여 형광이미지를 얻음. EDB 특이적 앱타이드는 암에 많은 양이 선택적으로 표적화되었으나 scramble 앱타이드는 전혀 암에 축적되지 않았음. 예를 들어 fibronectin extra-domain B (EDB), VEGF, HSA 와 hexa-histidine tag 과 같은 여러 다른 타겟에 대해서 모두 nanomolar 범위의 친화력을 갖는 앱타이드를 발굴할 수 있었고 친화력 향상 과정을 통해 65 nM 인 EDB 특이적 앱타이드를 최대 3 nM 까지 친화력을 향상시킬 수 있었다. 중요하게, 암 바이오마커인 EDB에 특이적인 앱타이드를 이용하여 생체 내에서 암만을 선택적으로 진단할 수 있었다. 결론적으로, 이러한 앱타이드는 어떤 타겟이든 높은 친화력과 특이성을 가지는 펩타이드를 발굴할 수 있기 때문에 항암제 등의 의약품으로서의 용도뿐만 아니라 생체 내 물질의 검출, in vivo 분자 이미징, in vitro 세포 이미징, 약물전달시스템, 에스코트 분자 등에 광범위하게 응용할 수 있다.

<전상용 교수> 1. 인적사항   ○ 소 속 : 광주과학기술원 생명과학부 정교수   2. 학력   ○ 1993 : 한국과학기술원 학사  (화학과)   ○ 1995 : 한국과학기술원 석사  (화학과)   ○ 1999 : 한국과학기술원 박사  (화학과)   3. 경력사항 ○ 1999 ~ 2002 : POSTECH, Postdoctoral Research Scientist ○ 2002 ~ 2004 : MIT, Postdoctoral Associate ○ 2004 ~ 2007 : 광주과학기술원 생명과학부, 조교수 ○ 2007 ~ 2010 : 광주과학기술원 생명과학부, 부교수 ○ 2010 ~ 현재 : 광주과학기술원 생명과학부, 정교수 4. 주요연구업적 1. Park S, Kim YS, Kim WB* and Jon S*. "Carbon Nanosyringe Array as a Platform for Intracellular Delivery", Nano Lett., 2009; 9(4), 1325-1329. 2. Yu MK, Jeong YY, Park JH, Park SJ, Kim JW, Min JJ, Kim KW and Jon S*. "Drug-loaded superparamagnetic iron oxide nanoparticles for combined cancer imaging and therapy in vivo", Angew. Chem. Int. Ed., 2008; 47, 5362-5365. 3. Bagalkot V, Zhang L, Levy-Nissenbaum E, Jon S*, Kantoff PW,    Langer R and Farokhzad OC*. "Quantum Dot-Aptamer Conjugates for Synchronous Cancer Imaging, Therapy and Sensing   of Drug Delivery Based on Bi-Fluorescence Resonance Energy Transfer", Nano Lett. 2007; 7, 3065-3070. 4. Kim D, Park S, Lee JH, Jeong YY* and Jon S*. "Antibiofouling Polymer-Coated Gold Nanoparticles as a Contrast Agent for in Vivo X-ray Computed Tomography Imaging", J. Am. Chem. Soc., 2007; 129, 7661-7665. 5. Lee H, Lee E, Kim DK, Jang NK, Jeong YY* and Jon S*. "Antibiofouling Polymer-Coated Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles as Potential Magnetic Resonance Contrast Agents     for In Vivo Cancer Imaging", J. Am. Chem. Soc, 2006; 128, 7383-7389.

plasmonics is working on a chip

KAIST 부설 나노종합팹센터가 나노람다㈜와 공동으로 첨단 나노광학분야 플라즈모닉스 기술을 이용해 기존 광학기술의 한계를 극복하고, 분광기능을 갖는 초소형 센서 칩을 구현해 낼 수 있는 공정기술을 개발했습니다.

나노종합팹센터)는 2009년부터 나노람다와 나노플라즈모닉스 기술을 이용한 플라즈모닉 빛센서칩의 핵심부품인 나노옵틱필터 어래이와 스펙트럼 센서에 대한 핵심 양산공정 기술을 공동 개발했습니다.

기존 분광기는 값 비싼 광학부품인 프리즘 또는 회절격자, 미러, 광파이버 등을 사용하여 빛을 파장별로 분리하기 때문에, 크기도 크고 가격이 수천 만 원에 이릅니다.

따라서 강력한 물질분석 장비임에도, 주로 대형 실험실에서만 사용됐습니다.

그러나 새로 개발된 프라즈모닉센서는 이러한 값비싼 고전 광학부품을 전혀 사용하지 않고, 현재 스마트폰 등에 많이 쓰이는 CMOS 이미지센서 기술에, 첨단 프라즈모닉 나노광학 필터 어래이 기술 및 혁신적인 신호처리 소프트웨어 기술을 융합하여 스마트폰에도 장착할 수 있을 정도의 크기 및 가격대를 구현했습니다.

이번에 개발된 광센서 시제품은 기존의 노트북 크기의 고가의 분광기(Optical spectrometer) 기능을 초소형 센서칩에서 구현할 수 있는 세계 최초의 기술로 평가받고 있습니다.

이를 이용할 경우 스마트 TV나 디스플레이의 색상을 주변 빛 환경에 따라 항상 최적의 색을 유지하게 할 수 있습니다.

또한 스마트 LED조명 시스템에도 적용되는 등 이 분야에서만 연간 수 억 개의 센서칩이 사용될 것으로 예상됩니다.

뿐만 아니라 손목시계 형태와 같은 웨어러블 개인용 건강 모니터링 디바이스들에 내장되어 실시간으로 개인 건강상태를 모니터링 하는데도 사용되면서 이에 대한 수요 또한 연간 수 억 개를 넘어설 것으로 예상됩니다.

게다가 광센서는 현재 존재하지 않는 새로운 시장이인데다, 센서칩 자체 시장만도 1조 원을 넘으며 그 응용 및 관련 신규 시장 창출 규모는 2015년 수 조 원을 훨씬 넘을 것으로 예상됩니다.

나노종합팹센터는 최근 공정불량을 최소화해 웨이퍼 수준에서 99% 이상의 제품이 구동하는 성과를 올렸으며, 이를 토대로 성공적인 양산 체계를 위한 제반 환경과 여건을 지속적으로 지원키로 했습니다.

나노종합팹센터&(주)나노람다 공동개발 플라즈모닉 광센서

 용  어  설  명

나노플라즈모닉스 :
빛(포톤)이 나노사이즈의 구조를 가진 금속 표면에 있는 자유전자와 상호작용(공진)하여, 빛 에너지가 자유전자 그룹의 표면파 에너지로 바뀌는 현상으로, 기존의 광학 성질과는 판이하게 다른 새로운 나노광학 분야이다.
전자학이 가지고 있는 물리적 한계(속도)를 극복할 수 있는 포스트 전자학으로 광범위한 응용분야에서 다양한 연구되고 있다.

나노옵틱필터어레이 :
나노플라즈모닉스 분야중 빛의 파장을 선택적으로 처리할 수 있는 파장 필터 기능을, 아주 작은 면적 안에 수백 수천 종류를 어레이 형태로 만든 구조

현재 배관 검사는 10m 이내의 범위에서 수동으로 내시경을 배관 내부에 진입시켜 육안 검사를 하거나, 결함이 예상되는 부분 외부에서 X-선, 초음파를 이용하고 있습니다.

이는 정확성이 떨어질 뿐만 아니라 검사 거리가 짧아 배관의 극히 일부로 검사 범위가 한정되는 단점이 있습니다.

발전소나 상하수도 같은 좁은 배관 속을 스스로 이동하며 1㎜ 이하의 미세 결함까지 탐지해 낼 수 있는 로봇이 개발됐습니다.

□ 한국원자력연구원 원자력융합기술개발부 김승호 박사팀이 화력발전소 내부의 지름 10㎝ 배관 속을 100m까지 자유롭게 이동하면서 레이저를 이용해 배관 내부에 존재하는 1㎜ 이하의 이물질, 파임, 돌출 등 미세 결함을 탐지해 낼 수 있는 비파괴 검사 로봇을 개발했습니다.

지름 10㎝ 배관 내부 결함 비파괴 검사 로봇

배관 내부를 3차원으로 재현한 모습

투명 배관에 넣고 작동하는 모습



김승호 박사팀이 개발한 로봇은 4방향에서 발사되는 레이저 주사를 이용, 배관 내부의 모습을 3차원으로 복원한 다음 고화질로 전송함으로써 1㎜ 이하(탐지 가능 최소 크기 0.47㎜) 크기의 미세 결함까지 정확하게 탐지할 수 있습니다.

이동시 0.1㎜ 간격으로 레이저를 발사해서 이동 거리를 측정함으로써 로봇의 위치 좌표와 결함의 발생 위치를 정확히 알아낼 수 있습니다.

특히 크기 대비 출력이 높은 모터를 선택함으로써 소형이면서도 충분한 구동력을 확보하고, 로봇이 배관에 접촉해서 나선형으로 이동하는 나사 구동 방식을 채택, 30㎏의 물체까지 견인할 수 있는 강한 추진력을 얻음으로써 배관 내부를 최대 100m까지 이동할 수 있습니다.

이번에 개발된 로봇은 이물질, 파임, 용접 부위 불량 등 미세 결함으로 인한 배관 파손 및 폭발 가능성을 사전에 탐지할 수 있어, 일차적으로는 화력 발전소 비 가동 기간에 투입돼 배관 안전성 검사에 활용될 예정입니다.

아울러 김 박사팀은 배관 내부의 세 축을 지지점으로 삼아 전진하며 지름 50㎝ 중구경 배관을 검사할 수 있는 로봇도 개발했습니다.

지름 50㎝ 배관 내부 결함 비파괴 검사 로봇

<김승호 박사>   ○ 성    명 : 김승호 (金承鎬, 만 58세)  ○ 소속기관 : 한국원자력연구원 원자력융합기술개발부     학    력   ○ 1972년 ~ 1979년  연세대학교 기계공학과 학사   ○ 1979년 ~ 1982년  연세대학교 기계공학과 석사   ○ 1982년 ~ 1988년  연세대학교 기계공학과 박사   주요경력   ○ 1982년 ~ 1983년 미국 원자력규제위원회(US NRC) 실무연구원   ○ 1988년 ~ 2005년 한국원자력연구원 원자력로봇연구실 실장    ○ 1995년 ~ 1996년, 2003년 ~ 2004년 제어자동화시스템공학회 이사   ○ 2007년 ~ 2008년 뉴욕주립대학 교환 과학자   ○ 2011년 ~ 현재 한국원자력연구원 원자력융합기술개발부장   주요연구업적 <연구 주제>     - 원자력 산업용 첨단로봇 기술개발     - 원자력 산업용 내방사선 로봇 기술개발     - 화재진압 및 화점탐사 로봇 기술개발 <연구 성과>     - 연구논문 건수 : 60건     - 특허출원 : 30건     - 특허등록 : 50건

리튬이차전지는 현재 휴대폰, 노트북 컴퓨터 등 휴대통신기기에 폭넓게 사용되고 있고, 최근에는 하이브리드 전기자동차와 지능형 로봇 등의 동력원 뿐만 아니라 태양광, 풍력 발전 등 신재생 에너지용 전력저장 중대형 전지시스템으로 주목 받고 있습니다.   

그러나 국내외에서 심심치 않게 발생하는 배터리 폭발사고와 배터리 공장 폭발사고 등으로 인해 이를 실제 중대형 전지시스템에 적용하기 위해서는 에너지 밀도를 높이는 문제 뿐만 아니라 높은 안정성을 확보하는 문제까지 중요한 이슈로 제기되어 왔습니다.

이런 가운데 안정성이 뛰어나고 용량도 큰 리튬을 이용한 이차전지의 차세대 양극소재가 국내 연구진에 의해 개발돼 전기자동차 등 중대형 전지 개발에 새로운 가능성을 열었습니다.
 
한양대 선양국 교수팀은 최근 주목받고 있는 중대형 리튬이차전지의 안전성과 에너지밀도를 동시에 획기적으로 높인 이중구조 양극소재를 개발했습니다

여기서 이중구조란 고에너지 밀도를 갖지만 안전성이 낮은 중심물질에 고안전성, 고출력을 나타내는 외부층을 형성하여 양쪽의 장점만을 취한 독특한 구조입니다.

마이크론 사이즈의 이중구조 올리빈계 소재의 구성요소 및 각각의 장점을 표현한 그림.

 용  어  설  명

리튬이차전지 (Lithium Ion Secondary Battery) :
이차전지의 일종으로서, 방전 과정에서 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동하는 전지이다.
충전 시에는 리튬이온이 양극에서 음극으로 다시 이동하여 제자리를 찾게 되며, 충전 및 방전의 반복으로 지속적으로 사용할 수 있는 전지로 현존하는 이차전지 중 가장 에너지밀도가 높다.

올리빈 구조 (olivine structure) :
리튬이차전지에 사용되는 양극 소재의 한 종류로 orthorhombic 구조를 가진다.
일반적으로 LiMPO4 (M=Fe, Mn, Co, Ni) 화학식으로 표현되며, 사용되는 전이금속에 따라 다른 산화 환원 전위 (Fe: 3.4 V, Mn: 4.1 V, Co: 4.7 V, Ni: 5.2 V)를 갖는다.

에너지밀도 (Energy Density) :
단위 부피나 단위 무게 당 저장되는 에너지를 나타내며, 리튬이차전지에서는 사용되는 전극의 밀도에 따라 그 크기가 결정된다.

확산거리 (Diffusion Length) :
리튬이차전지의 충전 혹은 방전 시 양/음극 소재 입자에서 리튬이온이 삽입 또는 탈리 중에 이동하는 거리를 말한다.

전기화학 테스트 (Electrochemical test) :
리튬이차전지에서 사용되는 소재의 성능을 평가하기 위해 진행되는 테스트로 충방전 테스트, 수명특성, 출력특성 등을 일반적으로 평가한다.

시차주사 열량계 (Differential Scanning Calorimetry) :
일반적으로 물질은 온도가 변화됨에 따라 물리적, 화학적 변화를 일으키며, 대부분의 화학적 물리적 변화를 일으키는 물질은 각각 열을 흡수하거나 방출한다. 따라서 시료의 열 출입을 관찰하여 화학적, 물리적 변화여부를 분석하는 장비이다.

<연 구  개 요> 리튬이차전지는 휴대폰, 노트북컴퓨터 등과 같은 소형전지에 널리 사용되어 왔으며, 최근에는 하이브리드 전기자동차, 에너지 저장장치 등으로 쓰이는 중대형 전지로 사용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 중대형 전지에서 요구되는 중요한 특성은 높은 열적안전성과 장 수명특성, 높은 에너지밀도이다. 높은 열안전성과 장 수명특성을 만족시키기 위한 많은 양극 소재 중 올리빈(olivine)구조를 갖는 양극 소재가 저가격, 친환경성, 고안전성으로 각광받고 있다. 이러한 올리빈 구조의 양극 소재도 낮은 전기전도도를 갖는 단점이 있는데, 입자의 나노화, 균일한 카본코팅, 전이금속 치환의 방법으로 이를 극복하였다. 그 중 가장 많이 연구되고 발전된 소재가 LiFePO4와 LiMnPO4 조성의 소재이다. 먼저, LiFePO4의 경우 열적안전성이 우수하고 수명 특성이 뛰어난 장점이지만 평균전압대가 3.4 V로 상용화되고 있는 LiCoO2 계열의 층상계 소재 (3.7 V)에 비해 낮은 에너지 밀도를 가진다. 이에 반해, LiMnPO4의 경우 평균전압대가 4.1 V로 LiFePO4에 비해 높은 에너지 밀도를 지닌다. 하지만 이 물질은 부도체에 가까운 낮은 전기전도도와 (<10-10 S/cm) 전지 구동에 따른 Mn 금속 용해에 의해 낮은 용량과 열악한 수명특성 등이 상업화의 걸림돌이 되어왔다. 중대형 전지에서는 높은 에너지밀도를 요구하는데 그 이유는 한정적인 공간에서 더 높은 에너지를 얻을 수 있기 때문이다. 이러한 요구조건으로 인해 나노사이즈의 소재가 아닌 높은 밀도를 지닌 마이크론 사이즈의 소재의 연구가 진행되어 왔다. 하지만 높은 밀도를 갖는 마이크론 사이즈 물질은 내부에 카본코팅이 어려워 전도도가 낮아지며, 리튬이온의 확산거리 (diffusion length)가 증가하여 성능이 현저히 낮아지게 된다. 앞에서 설명한 특성을 지니며, 단점을 극복하는 소재를 개발하기 위해 이번 연구에서는 고에너지밀도를 지닌 마이크론 사이즈의 LiMn0.85Fe0.15PO4 코어에 고안전성을 지닌 LiFePO4 층을 형성하여 각각의 소재의 장점인 고에너지밀도, 고안전성을 동시에 지니게 하였다. 또한, 마이크론 사이즈 소재의 단점을 극복하기 위해 내부에 나노사이즈의 공극(pore)을 가지며, 각각의 공극 안에 균일하게 카본이 코팅된 마이크론 사이즈의 소재를 개발하였다. (그림 1. 개념도) 그림 1. 마이크론 사이즈의 LiMn0.85Fe0.15PO4 ? LiFePO4 이중구조 소재 개념도 이러한 이중구조를 지닌 올리빈 소재의 성능을 확인해 보기 위해 LiFePO4 외부층이 없는 물질과 전기화학 테스트를 비교 진행해 보았다. 그림 2. 이중구조 물질의 충방전 테스트(charge/discharge test)와 수명특성(cycle life test) 비교 그림 2.에 나타낸 것처럼 외부층이 존재함에 따라 방전용량이 증가하며, 외부층의 두께가 증가함에 따라 고온에서의 수명특성도 훨씬 향상되는 것을 볼 수 있다. 이는 LiFePO4 외부층이 전체적인 소재의 전도도도 향상시킬 뿐만 아니라 고온에서의 Mn 금속의 용해도 방지하여 수명특성을 향상시킨다는 것을 알 수 있다. 그림 3. 시차주사 열량법 (Differential Scanning Calorimetry, DSC) 분석을 통한 이중구조의 열적안전성 비교 또한, 그림 3.에 나타난 시차주사 열량법 (DSC) 테스트를 통해 외부의 LiFePO4 층이 발열온도를 높일 뿐만 아니라 발열량도 현저히 낮춰서 열적안전성을 훨씬 향상시키는 것을 볼 수 있다.

<선양국 교수> 1. 인적사항   ○ 소 속 : 한양대학교 에너지공학과 교수   2. 학력   ○ 1987 : 서울대학교 석사 (화학공학)   ○ 1992 : 서울대학교 박사 (화학공학)   3. 경력사항 ○ 1996 ~ 2000 : 삼성종합기술원, 수석연구원 ○ 2000 ~ 2008 : 정보통신신소재연구센터, 센터장 ○ 2002 ~ 2004 : Argonne National Lab., 방문연구원 ○ 2007 ~ 현재 : Illinois Institute of Technology, 연구교수 ○ 2000 ~ 2008 : 한양대학교 응용화학공학부, 교수 ○ 2007 ~ 현재 : 한국과학기술 한림원 정회원 ○ 2009 ~ 현재 : 한양대학교 에너지공학과, 교수 ○ 2012 ~ 현재 : Journal of Power Sources, Associated Editor 4. 주요연구업적 1. Y.-K. Sun, S.-M. Oh, H.-K. Park, B. Scrosati, "Micro-sized, nanoporous, high volumetric capacity LiMn0.85Fe0.15PO4cathodematerialforrechargeable lithium batteries", Advance Materials, 23(43), 5050-5054, 2011. 2. J. Hassoun, K.-S. Lee, Y.-K. Sun, B. Scrosati, "An Advanced Lithium Ion Battery Based on High Performance Electrode Materials", J. of Amer. Chem. Soc., 133(9), 3139-3143. 2011. 3. H.-G. Jung, S.-T. Myung, C.-S. Yoon, S. M. Son, K. H. Oh, K. Amine, B. Scrosati, Y.-K. Sun, "Microscale spherical carbon-coated Li4Ti5O12 as ultra high power anode material for lithium batteries", Energy and Environmental Science, 4(4), 1345-1351, 2011 4. S.-W. Oh, S.-T. Myung, S.-M. Oh, K. H. Oh, K. Amine, B. Scrosati, Y.-K. Sun, "Double carbon coating of LiFePO4 as high rate electrode for rechargeable lithium batteries", Advanced Materials, 22(43), 4842-4845, 2010. 5. S.-W. Oh, S.-T. Myung, S.-M. Oh, K. H. Oh, K. Amine, B. Scrosati, Y.-K. Sun, "Double carbon coating of LiFePO4 as high rate electrode for rechargeable lithium batteries", Advanced Materials, 22(43), 4842-4845, 2010. 6. Y.-K. Sun, D.-H. Kim, C.-S. Yoon, S.-T. Myung, J. Prakash, K. Amine, "A Novel Cathode Material with Concentration-Gradient for High Energy and Safe Lithium-Ion Batteries", Advanced Functional Materials, 20(3), 485-491, 2010. 7. 6. Y.-K. Sun, S.-T. Myung, B.-C. Park, J. Prakash, I. Belharouak, K. Amine, "High-energy cathode material for lng-life and safe lithium batteries", Nature Materials, 8(4), 320-324, 2009. 8. K.-S. Lee, S.-T. Myung, K. Amine, H. Yashiro, Y.-K. Sun, "Dual functioned BiOF-coated Li[Li0.1Al0.05Mn1.85]O4 fr lithium batteries", Journal of Materials Chemistry, 19(14), 1995-2005, 2009. 9. K. S. Lee, S.-T. Myung, K. Amine, Y.-K.Sun, "Structural and Electrochemical Properties of Layered Li[Ni1-2xCoxMnx]O2(x=0.1-0.3)PositiveElectrodeMaterialsforLi-IonBatteries", J. of Electrochem. Soc., 154(10), A971-A977, 2007. 10. Y.-K. Sun, S.-T. Myung, M.-H. Kim, J. Prakash, K. Amine, "Synthesis and characterization of Li[(Ni0.8Co0.1Mn0.1)0.8(Ni0.5Mn0.5)0.2]O2 with the microscale core-shell structure as the positive electrode material for lithium batteries", Journal of the American Chemical Society, 127(38), 13411-13418, 2005. 외 272편

ETRI(한국전자통신연구원)는 차세대 대용량 광통신 시스템의 핵심 기술인 100Gbps 광 송수신 기술을 개발했습니다.

100Gbps는 1초 당 DVD 3장 분량의 대용량 데이터를 전송할 수 있는 속도입니다.

이 기술은 기존 광전송망의 광섬유를 그대로 사용할 뿐만 아니라, 기존 채널당 10Gbps 기반 광통신 시스템에 업그레이드 적용할 수 있어 기간망과 인터넷 회선 속도를 쉽게 증가시킬 수 있습니다.

ETRI는 이 기술을 한국정보화진흥원이 운용하는 미래네트워크 연구 시험망(KOREN)에 적용하여 대전~서울 왕복 거리인 510㎞에 달하는 장거리 광전송 시험에서 장시간 무오류 전송에 성공했습니다.

여기에 적용된 기술은 100Gbps 이더넷 신호를 10㎞까지 전송하는 '100Gbps 이더넷용 광 송수신기 기술', 100 Gbps 이더넷 신호를 장거리 광전송을 위한 전송 프레임 형태로 변환하여주는 'OTN 프레이머 기술', 그리고 WDM 전송망을 통해 수백 km 이상 장거리 전송을 가능하게 해 주는 '100 Gbps OTN 광 송수신기 기술' 등 세 부분으로 구성됩니다.

100G OTN 광 송수신기

100G 이더넷용 광 송수신기

현장시험에 사용된 100G 라인 카드

  용  어  설  명

OTN(Optical Transport Network, 광전달망) :
WDM (파장 분할 다중 방식)으로 다중화된 광 채널을 전송, 다중화, 스위칭, 제어, 관리 등의 기능을 제공할 수 있도록 정의한, 광섬유로 연결된 네트워크를 의미함. ITU-T 국제 표준화 회의에서 정의 및 표준화함.

WDM(Wavelength Division Multiplexing, 파장 분할 다중 방식) :
하나의 광섬유에 수십 ~ 수 백 개의 서로 다른 파장의 광 채널들을 다중화하여 전송하는 방식으로, 대용량 광전송을 가능하게 하는 기술임.

CFP MSA(100G Form-factor Pluggable, Multi-Source Agreement) :
100 Gbps 이더넷 수용 기술의 호환성을 위해 관련 업체들이 모여 정한 업체표준으로 전기적, 물리적, 운용 관리 규격 등이 포함됨.

ROSA(Receiver optical sub-assembly) :
수신기에 사용되는 여러 개의 광 부품을 집적화한 광 모듈.

ITU-T(International Telecommunication Union (ITU) Telecommunication Standardization Sector) :
ITU의 통신 분야의 표준화 회의 단체.

FEC(Forward Error Correction, 순방향 오류 정정) :
오류 복구용 부호를 신호에 삽입하여 전송함으로써 전송 신호의 오류를 감별하는 기술

OTU4 (Optical Channel Transport Unit 4) 프레이밍 :
OTU4는 100 Gbps 이더넷 신호를 WDM 광전달망에서 수용하여 전송할 수 있도록 정의된 전송 프레임이며, 이러한 프레임을 만드는 기술을 OTU4 프레이밍 기술이라 함.

FPGA(Field programmable gate array) :
사용자 요구에 맞게 프로그래밍하여 사용할 수 있는 집적 회로 (IC)

DC-DQPSK(Dual carrier-differential quadrature phase shift keying) :
두 개의 반송파 즉 광 파장을 사용하는 차동 4 위상 편이 변조 방식

OFC/NFOEC(Optical Fiber Communication Conference/National Fiber Optic Engineers Conference) :
국제 광통신 박람회

반도체 회로의 초미세 제품개발 경쟁이 갈수록 치열해지고 있습니다.

그러나 현존 최첨단 반도체 기술로도 10㎚(나노미터) 이하의 반도체 제작은 불가능한데요.

기존 실리콘을 대체할 신물질을 이용한 차세대 반도체는 국가경쟁력 강화를 위해 반드시 풀어내야 할 숙제입니다.

특히 최근 광식각 패턴기술이 적용되던 반도체 회로의 크기가 물리적 한계에 도달하면서 이런 요구는 더욱 높아지고 있습니다.

이에 따라 생체소재를 이용해 초미세 회로을 제작하는 연구가 전 세계적으로 진행되고 있습니다.

이 중 DNA는 2㎚(나노미터)까지 정교한 미세패턴이 구현 가능해 차세대 신소재로 각광받고 있습니다.

2나노급 반도체가 개발되면 우표 크기의 메모리 반도체에 고화질 영화 1만 편을 저장하는 등 현재 상용중인 20나노급 반도체보다 약 100배나 많은 용량을 담을 수 있습니다.

□ KAIST 신소재공학과 김상욱 교수팀이 DNA를 그래핀 위에서 배열시키는 기술을 활용해 초미세 반도체 회로를 만들 수 있는 원천기술을 개발했습니다.

이번 신기술 개발을 통해 기존에 사용되고 있는 물리적 방식의 최첨단 기술로도 불가능하다고 여겨졌던 2 ㎚(나노미터)급의 선폭을 갖는 반도체 개발이 가능해질 전망입니다.

연구팀은 'DNA 사슬접기'라고 불리는 최첨단 나노 구조제작 기술을 이용해 금속 나노입자나 또는 탄소나노튜브를 2㎚(나노미터) 까지 정밀하게 조절할 수 있는 점을 발견했습니다.

그러나 이 기술은 실리카나 운모 등 일부 제한된 특정 기판위에서만 패턴이 형성되기 때문에 반도체칩에는 적용이 불가능했습니다.

이에 김 교수팀은 다른 물질과 잘 달라붙지 않는 그래핀을 화학적으로 개질해 표면에 다양한 물질을 선택적으로 흡착하도록 만들었습니다.

DNA 들이 결합하면서 DNA 오리가미를 형성과 함께 그래핀 산화물 표면과 질소도핑/환원 그래핀 산화물 표면에 흡착되는 모습.

개질된 그래핀은 원자수준으로 매우 평탄하면서도 기계적으로 잘 휘거나 변형되는 그래핀의 장점을 갖고 있습니다.

이 위에 DNA 사슬접기를 패턴화할 경우 기존에는 불가능했던 잘 휘거나 접을 수 있는 형태의 DNA 회로구성이 가능할 전망입니다.

화학적으로 개질된 그래핀 위에서 형성된 직사각형 모형의 DNA 사슬접기 모양과 측정 사진

이번 연구결과는 화학분야의 세계 최고 권위의 학술지인 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)' 1월호에 표지논문으로 발표됐으며 관련 기술은 국내외 특허출원을 마쳤습니다.

 용  어  설  명

그래핀 :
육각의 벌집구조로 결합한 탄소가 연속적으로 연결되어 탄소 원자 한 층의 두께를 가진 2차원의 평판 모양을 이룬 탄소소재

광식각 기술 :
빛에 민감한 고분자를 이용하여 미세한 패턴을 형성하는 반도체용 미세형상 제작 기술

DNA 사슬접기 :
긴 단일 DNA 사슬 하나와 정교하게 설계된 짧은 단일 DNA 사슬들이 염기 서열 규칙에 따라 이중나선 DNA 구조로 접히면서 다양한 모양의 나노구조물을 형성하는 생체소재. 
DNA는 염기서열에 따라 규칙적으로 결합되어 유전정보를 저장하는 생체소재이며, 2006년도에 최초로 개발된 DNA Origami (DNA 사슬접기)는 긴 DNA 사슬을 마치 뜨개질하듯 정밀하게 설계된 짧은 DNA 사슬들과 결합시켜 다양한 형태의 나노 구조물을 만드는 최첨단 나노기술이다.

탄소나노튜브 :
육각의 벌집구조로 결합한 탄소가 수 nm(나노미터) 크기의 직경을 갖는 튜브를 형성한 탄소소재

나노 기술 :
1나노미터는 10억분의 1m다.
즉 사람 머리카락의 1만분의 1 굵기로 반도체 회로를 그려넣는 초미세 가공기술이다. 반도체는 회로선 폭이 가늘어질수록 원가가 절감되고 에너지 효율도 높아진다

<보 충 설 명> ▣ 플레시 메모리의 회로 선폭에 대한 로드맵 2013년도에 10nm급 패턴 (16nm) 개발예정으로 되어 있고, 2011년 이후 현재 양산은 22nm 회로선폭으로 제작되고 있음을 나타냄 ▣ DNA사슬 형성과정 DNA 오리가미가 형성되는 과정을 모식도로 표현한 것이며 실제로 형성된 DNA 오리가미를 AFM 장비를 이용하여 그래핀 산화물 위에 잘 흡착되어 있는 것을 측정한 것임. ▣ DNA 사슬접기가 그래핀에 흡착된 상태를 측정 DNA 사슬접기가 화학적으로 개질된 여러 종류의 그래핀에 따라 흡착된 상태를 AFM 장비를 이용하여 측정한 것이며 그것을 증명하기 위해서 XPS 장비를 사용하여 마그네슘 이온이 존재함을 확인한 자료  A) 그래핀 산화물에 DNA 오리가미가 선택적으로 흡착됨을 AFM 분석과 흡착된 영역에 마그네슘 이온이 존재함을 XPS 분석으로 확인 B) 질소도핑/환원 그래핀 산화물에 DNA 오리가미가 선택적으로 흡착됨을 AFM 분석과 흡착된 영역에 마그네슘 이온이 존재함을 XPS 분석으로 확인 C) 환원 그래핀 산화물에 DNA 오리가미가 흡착되지 않음을 AFM 분석과 마그네슘 이온이 적게 분포함을 XPS 분석으로 확인 D) 그래핀에 DNA 오리가미가 흡착되지 않음을 AFM 분석과 마그네슘 이온이 적게 분포함을 XPS 분석으로 확인 화학적으로 개질된 그래핀 위에 DNA 사슬접기를 흡착시킨 후에 DNA 사슬접기 내에 특정 위치의 DNA 사슬 단일 가닥과 CNT와 결합된 다른 DNA사슬 단일 가닥과 결합하면서 CNT의 흡착 위치를 제어하는 것을 표현 DNA 사슬접기는 긴 원형의 단일 DNA 사슬에 수백개의 짧은 DNA 단일 사슬들과 이중나선 구조를 형성하면서 긴 원형의 단일 DNA사슬이 포개지면서 형성하는 것으로 짧은 DNA 단일 사슬들 중에 CNT에 결합되어 있는 DNA사슬과 결합할 수 있는 특정 단일 DNA 사슬을 사용하므로써 CNT의 위치를 제어 할 수 있습니다.

생존을 위해 전략적, 기능적으로 최적화된 자연 생태계의 동물과 곤충의 몸체들을 유심히 관찰하고, 이를 응용하는 것이 생체모사 공학입니다.

대표적으로 물에 젖지 않는 연꽃잎에 관한 연구나 잠자리의 눈, 곤충의 날개구조 등이 있습니다.

그런데 딱정벌레의 날개에서는 독특한 구조와 형태의 잠금장치가 있다고 합니다.

이 딱정벌레 날개에 있는 잠금장치인 미세섬모의 결합 기본원리를 모사해 신개념 나노구조 잠금장치가 개발됐습니다.

□ 서울대 서갑양 교수팀은 최근 전 세계적으로 주목받고 있는 생체모사 공학분야 중 딱정벌레 날개의 결합원리를 이용해 기존의 결합제인 벨크로(일명 찍찍이)와는 전혀 다르게, 강한 접착력을 띄면서도 소음이 발생하지 않고 반복적으로 사용할 수 있는 신개념 나노구조 잠금 테이프 개발에 성공했습니다.

서 교수팀은 우선 딱정벌레의 섬모와 유사한 크기인 마이크로와 나노 크기의 규칙적인 섬모를 다양한 길이비율과 재료들을 이용해 제작하여 접착력을 상호 비교 분석하고, 섬모간의 결합력과 형태를 직접 확인했습니다.

특히 연구팀은 미세섬모 사이에 작용하는 다양한 미세한 힘(반데르발스 힘 포함)들을 분석하고 시뮬레이션하여, 섬모 사이의 결합 현상이 일어나는 재료, 형태 및 설계의 특징을 처음으로 규명했습니다.

연구결과 딱정벌레 날개잠금장치의 구조와 현상을 모방하여 간단한 미세섬모 제조기술을 이용해 결합력도 뛰어나고 소음도 없는 획기적인 나노구조 잠금장치를 개발할 수 있었습니다.

이번 연구결과는 기존 제품을 대체할 수 있는 생활용품을 포함해 얇고 가벼운 스마트기기 및 의료장비, 강한 접착력이 필요한 우주 항공 등 다양한 분야에 활용되는 원천기술로서 파급효과가 상당히 클 것으로 기대받고 있습니다.

특히 향후 생체모사 공학분야의 나노크기 구조의 결합과 접촉을 이용한 전기접합 등 초고효율 에너지 전달과, 피부에 부착하여 생체신호를 모니터링하는 센서 등 융합기술 개발에 초석이 될 전망입니다.

연구결과는 나노기술 및 재료 분야의 권위 있는 학술지인 'Advanced Materials'지 1월호(4권, 1월 24일자) 표지논문으로 게재됐습니다.
(논문명 : Bioinspired Reversible Interlocker Using Regularly Arrayed High Aspect-Ratio Polymer Fibers)

딱정벌레 날개 잠금 장치를 모사한 가역적 나노 구조 잠금장치 논문 표지 (The front cover of Advanced Materials: Bioinspired Reversible Interlocker Using Regularly Arrayed High Aspect-Ratio Polymer Fibers). 딱정벌레의 날개는 몸체에 비해 상대적으로 크고 섬세하며, 주변 환경에 최적화되어 딱정벌레의 생존에 중요한 기능을 담당하고 있다. 이러한 날개를 보호하기 위하여 몸체와 겉날개의 맞닿는 여러 부분에 가역적 미세 섬모 배열이 존재하며, 미세 섬모의 결합을 통해 날개의 쓸림이나 자연계의 외부 힘에 대해 날개를 보호하는 기능을 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 본 연구진은 딱정벌레 날개의 잠금장치를 모사하여 신개념 나노구조 잠금장치를 개발하였다.

왼쪽부터 서갑양 교수, 방창현 박사과정, 배원규 박사과정

 용  어  설  명

전단 접착력 (Shear adhesion force) : 
물체의 어떤 단면에 평행으로 서로 반대방향인 한 쌍의 힘을 작용시키면 물체가 그 면을 따라 분리될 때까지의 작용하는 힘을 말하며 접착 강도의 척도이다. 

피일링 오프 탈착 방법 (Peeling-off) :
접착테이프의 탈착 시 테이프를 탈착 힘을 최소화하기 위해 테이프의 곡면을 주어 벗겨내는 방법을 말한다.
일반적인 테이프형 습식 및 건식 접착제의 탈착에 쓰이는 방법이다.

반데르발스 상호작용(van der Waals interaction) :
무극성 분자에서 전자의 운동으로 순간적인 쌍극자가 형성되면 그 옆의 분자도 일시적인 편극이 일어나 유발 쌍극자가 생성된다.
이런 순간적인 쌍극자와 유발 쌍극자의 인력 작용을 반데르발스 상호작용이라고 한다. 화학결합에 비하면  약하나 재료와 표면 구조에 따라 강한 인력작용을 유발할 수 있다.

모세관력 리소그래피 (Capillary force lithography) :
모세관 현상은 고분자 물질을 이용한 패턴 형성에서 유용한 개념으로 액체가 모세관을 적실 때, 낮은 자유에너지를 갖게 되며, 그 젖음 현상은 액체의 모세관 오름 현상을 일으킨다.
이러한 현상을 이용하여 고분자의 나노 혹은 마이크로 크기의 패턴을 성형 및 제조하는 리소그래피 공정 중의 하나이다.

탄성계수(Young's modulus) :
고체 물질의 탄성계수는 응력-변형률곡선의 기울기로부터 구할 수 있으며, 하중이력(history)에 따라서 다양하게 존재할 수 있다.
즉, 접선영률은 일부 고정된 백분율에서 응력-변형률 곡선에서의 기울기가 된다. 일반적으로 최대압축강도의 50%를 선택하는 경우가 많다.

Advanced Materials :
세계적인 신소재 분야의 권위 있는 학술지로, 화학, 물리, 나노기술, 세라믹, 생체재료 등을 다루며, 연구논문(Communications), 리뷰(Review), 특집 기사 (Feature Articles)를 포함한다. (2010 SCI 피인용지수: 10.880)  

<연 구 개 요> 본 연구는 딱정벌레 날개 잠금장치를 분석하여 결합체의 구조물의 멀티스케일 (마이크로 및 나노) 분석을 통한 초강도 전단 접착력(Shear adhesion force)의 방향성을 가지며, 탈착 방법(Peeling-off)에 따라 비교적 손쉬운 탈착성을 지닌 가역적 잠금장치 개발에 관한 연구이다. 그림 1은 자연계에 존재하는 딱정벌레 잠금장치에 관한 분석 및 모식도를 나타낸다. 그림 1. 딱정벌레 날개 잠금장치. (a-c) 딱정벌레 날개 잠금장치 미세 섬모(d) 가역적 딱정벌레 날개 잠금장치 모식도 일반적으로 단추, 기존의 벨크로(Velcro)와 지퍼 같은 커넥터는 서로 결합되기 위해서 기계적 상호작용이나 짝끼리의 접합을 이용한다. 하지만, 신개념의 나노구조 잠금장치는 나노크기 치수를 최소화함에 따라 분자 간 반데르발스 상호작용(van der Waals interaction)이 급격하게 증폭되는 현상을 이용한다. 또한, 모세관력 리소그래피(Capillary force lithography)를 응용한 간단한 제조 공정으로 동일한 짝으로 간단한 접착이 가능하다. (그림 2) 이것은 기존의 커넥터 기술과 대조적이고 다양한 곳에 더 쉽게 활용이 가능하며, 재료가 갖는 적정한 탄성계수(Young's modulus) 때문에 나노 구조들은 쉽게 붕괴되지 않는다.   그림 2. 가역적 신개념 나노구조 잠금장치의 제조와 탈부착 미세 섬모의 체결(interlocking)현상은 미세 섬모에 작용하는 반데르발스 힘과 섬모 고유의 구조적 변형(Deflection)의 상호 관계로부터 설명할 수 있다. 그림 3은 미세 섬모의 결합 및 강한 결합력에 의한 섬모의 분리 현상을 분석한 결과이다. 이로부터 이론적 모델을 확립함으로써 딱정벌레 날개 잠금장치의 원리를 설명하고, 기존의 벨크로와 전혀 다른 현상을 갖는 신개념 나노구조 잠금장치 개발의 기술적 토대를 확립하였다. 그림 3. 미세 섬모의 체결 메커니즘 및 결합 기준 그림 4와 같이 미세 섬모의 움직임의 반경을 계산하여 신개념 나노구조 잠금장치의 구조적 및 재료적 형성 기준을 마련하였다. 결과적으로 신개념 나노구조 잠금장치는 나노구조물의 단위면적당, 많은 개수의 섬모 체결 결합이 형성될수록 접착력이 우수해진다. 즉, 형성된 미세섬모의 밀도, 구조, 재료적 특성에 따라, 미세섬모 간의 접촉에 의한 반데르발스 힘이 커지기 때문에 접착력이 향상된다. 그림 4. 멀티스케일 미세 섬모의 결합 기준

<서갑양 교수> 1. 인적사항   ○ 소 속 : 서울대학교 기계항공공학부 부교수   2. 학력   ○ 1996 : 서울대학교  학사 (화학공학)   ○ 1998 : 서울대학교 석사 (반도체 공정)   ○ 2002 :  서울대학교 박사 (나노공정)   3. 경력사항 ○ 2002 ~ 2002 : 서울대학교 응용화학부, Postdoc Fellow & Lecturer ○ 2002 ~ 2004 : Massachusetts Institute of Technology (MIT), Postdoc Fellow ○ 2004 ~ 2008 : 서울대학교 기계항공공학부, 조교수 ○ 2010 ~ 2011 : Johns Hopkins University, 방문 연구교수 ○ 2008 ~ 현재 : 서울대학교 기계항공공학부, 부교수 4. 주요연구업적 1. M. K. Kwak, H.-E. Jeong, K.-Y. Suh, "Dry Adhesive Medical Skin Patch: Rational Design and Enhanced Biocompatibility," Adv. Mater. vol. 23, no 34, pp. 3949, 2011. 2. H. Yoon, S.-G. Oh, D. S. Kang, J. M. Park, S. J. Choi, K. Y. Suh, K. Char, H. H. Lee, "Arrays of Lucius microprisms for directional allocation of light and autostereoscopic three-dimensional displays," Nat. Commun. vol. 2, pp. 455, 2011. 3. P. Kim, S. J. Kim, J. Han, and K. Y. Suh, "Stabilization of Ion Concentration Polarization Using a Heterogeneous Nanoporous Junction," Nano Lett. vol. 10, pp. 16, 2010. 4. K.-J. Jang and K. Y. Suh, "A multi-layer microfluidic device for efficient culture and analysis of renal tubular cells," Lab Chip. vol. 10, pp. 36, 2010. 5. K. Y. Suh, M. C. Park, and P. Kim, "Capillary force lithography: a versatile tool for structured biomaterials interface towards cell and tissue engineering," Adv. Funct. Mater. vol. 19, pp. 2699, 2009. 6. T. I. Kim, H. E. Jeong, K. Y. Suh, and H. H. Lee, "Stooped nanohairs: geometry-controllable, unidirectional, reversible, and robust gecko-like dry adhesive," Adv. Mater. vol. 21, pp. 2276, 2009. 7. H. E. Jeong, J. K. Lee, H. N. Kim, S. H. Moon, and K. Y. Suh, "A nontransferring dry adhesive with hierarchical polymer nanohairs," Proc. Natl. Acad. Sci. vol. 106, pp. 5639, 2009.

간섬유화와 간경화의 주된 원인은 음주, 바이러스감염, 지방간염, 약물 등으로 알려져 있는데, 병이 진행될 경우 간을 이식하는 것 이외에는 효과적인 치료가 없는 실정입니다. 

일반적으로 간섬유화증은 간세포가 손상되면서 간에 섬유소가 축적되고, 이런 상황이 오래 지속되면서 간경화 또는 간암으로 발전하게 됩니다.

□ 간섬유화 등 만성 간 질환 환자에게서 나타나는 간세포의 죽음을 마이크로RNA 조절로 억제하는 원리가 개발됐습니다.

이에 따라 치사율이 높은 간경화증을 약물로 치료할 수 있는 새로운 가능성이 열렸습니다.

서울대 김상건 교수팀은 마이크로RNA가 비정상적으로 증가할 경우 만성 간 질환의 초기증세인 간섬유화에서 간경화로 악화될 때 발생하는 간세포 손상을 촉진하고, 간의 항상성을 조절하는 핵수용체(FXR)가 활성화되면 간 손상을 억제한다는 사실을 규명했습니다. 

김 교수팀은 간경화 환자에게서 간세포의 손상이 진행될수록 특정 마이크로RNA가 비정상적으로 증가한다는 사실을 발견하고, 이 변화가 간섬유화와 간경화에서 세포 손상을 촉진하는 중요한 원리임을 밝혀냈습니다.

간섬유화 또는 간경변 환자에서 핵수용체 FXR의 감소와 마이크로RNA의 비정상적인 증가를 발견

특히 이 마이크로RNA는 항산화능과 항암작용에 관여하는 단백질(LKB1)을 억제하는 것으로 확인되었습니다. 

또한 연구팀은 간의 항상성을 조절하는 단백질(핵수용체, FXR)을 활성화하면 마이크로RNA의 양을 줄여 간 손상을 막을 수 있다는 사실도 밝혀냈습니다.
 
이번 연구결과는 간경화의 악화를 억제하는 핵수용체와 마이크로RNA 타깃을 제시하여, 여러 가지 원인으로 손상을 입은 간을 치료하는 새로운 가능성을 연 획기적인 성과로 평가받고 있습니다.

이번 연구결과는 소화기 연구 분야의 권위 있는 학술지인 'Gastroenterology'지 1월 18일자 온라인 속보로 게재되었습니다.  
(논문명: FXR Protects Hepatocytes form Injury by Repressing miR-199a-3p,  which Increases Levels of LKB1)

김상건 교수(오른쪽)과 이찬규 연구원

 용  어  설  명

Gastroenterology :
소화기계 질병을 연구하고 치료법을 제시하는 기초연구 및 임상연구 결과를 보고하는 국제 학술지.
Thomson 사에 의해 집계되는 SCI 저널 중 "the Gastroenterology and Hepatology category" 분야에 속하는 전체 72개 중 가장 높은 Impact factor를 기록하고 있으며, 이는 소화기계 중 세계 최고의 권위를 갖는 SCI 학술지임을 의미함.
최신의 소화기계 임상정보, 유전자, 치료타겟, 약물치료법에 관한 폭넓은 영역을 주제로 함 (Latest Impact Factor is 12.032)

간섬유증/간경화증 :
간섬유증 및 간경변증은 높은 치사율을 갖는 만성 간 질환으로, 질병에 의한 사망의 주요한 원인중 하나임.
바이러스 감염, 술, 약물 등 다양한 원인에 의해 간섬유증이 나타나며 심화될 경우 간경변, 간암으로 진행됨.
현재까지 간섬유증 및 경변증을 치료할 수 있는 효과적인 치료약물은 개발되지 않았음.

마이크로RNA :
마이크로RNA는 생물의 유전자 발현을 제어하는 역할을 하는 작은 RNA으로 보통의 mRNA가 수천개의 뉴클레오타이드 (nucleotide)로 이뤄진 데 반해 마이크로RNA는 20∼25개의 뉴클레오타이드로 구성돼 있음.
지금까지 RNA는 DNA의 유전 정보를 전달하고 아미노산을 운반하는 역할을 하는 것으로 알려져 있었으나, 마이크로RNA가 이 과정에서 mRNA와 상보적으로 결합해 세포 내 유전자 발현과정에서 중추적인 조절인자로 작용한다는 사실이 밝혀지면서 새롭게 주목을 끌기 시작하였음.
마이크로RNA는 새로운 형태의 생체 조절물질로서 다양하고도 필수적인 기능을 가질 것으로 추측되고 있으며, 비정상적인 발현은 다양한 질병의 원인이 되고 있음.
 
Farnesoid X receptor (FXR) : 
간과 장관에 높게 발현되어 있으며, chenodeoxycholic acid를 포함한 다양한 담즙산을 리간드로 갖는 핵수용체임.
FXR의 활성화는 답즙산 생성의 필수 단백질인 cholesterol 7 alpha-hydroxylase를 억제한다는 것이 잘 알려져 있으며, 간의 답즙산, 지질 및 당대사 항상성 유지를 담당하고 있음.

<연 구 개 요> FXR Protects Hepatocytes form Injury by Repressing miR-199a-3p, which Increases Levels of LKB1 (핵수용체인 FXR의 활성화는 miR-199a-3p을 억제하여 LKB1의 생성을 올리고 간경변증에서 세포 손상을 막는다.) 간 섬유화 또는 경화는 바이러스 감염, 술, 약물 등 다양한 원인에 의해 간손상과 재생이 반복되면서 생기는 반흔조직 (상처가 아물 때 생기는 흉터)이 간에 축적되는 현상이다. 간세포의 손상과 사멸은 간섬유화를 촉진하는 세포인 간성상세포를 활성화시키고 섬유소를 비정상적으로 축적시킨다. 최근 간성상세포를 표적으로 하는 약물개발이 진행되고 있으나, 간성상세포는 전체 간의 일부분만을 차지하며 간 실질세포에서 예측하지 못한 부작용이 발생하여 개발에 난항을 겪고 있다. 반복되는 세포 사멸은 염증인자 및 성장인자를 유리하여 간섬유화를 촉진한다. 따라서 간세포의 손상 억제는 섬유화증을 예방하고 치료하는 전략이 될 수 있다. Farnesoid X Receptor (FXR)은 소화기계와 신장에서 주로 발현되며 담즙산, 지질 및 당대사를 조절하여 우리 몸의 항상성 유지에 관여하는 핵수용체다. 1차 담즙산인 chenodeoxycholic acid 또는 리간드를 처치할 때 FXR이 활성화되며, 그 효과로는 염증 억제, 간세포 재생 촉진을 들 수 있다. 마이크로RNA는 mRNA의 3'-비번역부위 (untranslated region)에 결합하여 전사 후 유전자 조절에 관여한다. 최근 여러 질병에서 마이크로RNA의 발현이 바뀌는 것이 보고되고 있으며, 대사성 간질환 및 간암에서도 마이크로RNA의 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 간염 환자의 간에서 섬유화가 진행되면서 특정 마이크로RNA가 올라가는 현상을 관찰하였으며 FXR 핵수용체의 발현감소와 연관되는 것을 찾아냈다. 발현이 바뀌는 마이크로RNA 중 특히 miR-199a-3p에 주목하여 이 마이크로RNA가 간세포의 항산화와 항암 활성에 관여하는 단백질인 LKB1을 억제한다는 것을 밝혔다. 특정 마이크로RNA가 LKB1 단백질 생성을 조절하며, 그 마이크로RNA가 비정상적으로 높아질수록 환자의 LKB1 양이 현저히 줄어듦을 볼 수 있다. 다양한 세포 및 동물을 활용한 간손상 모델에서 FXR 활성이 낮아지고, 이때 특정 마이크로RNA가 증가하고 LKB1이 억제되며 간세포가 손상된다. 이 핵수용체를 약물로 자극하면 이러한 현상이 개선된다. 세포와 동물을 이용하여 FXR이 miR-199a-3p의 발현을 억제한다는 것을 알아냈으며, 약물에 의한 FXR 활성화가 마이크로RNA를 억제하여 LKB1을 올릴 수 있음을 다양한 연구 모델에서 검증하였다. 본 연구 결과는 간섬유화와 함께 생기는 간세포 손상에서 마이크로RNA을 조절함으로써 간세포의 기능과 항산화능을 개선하고, 이러한 것이 FXR 핵수용체를 자극함으로써 가능하다는 것을 보여준다. 간손상 시 비정상적으로 증가하는 마이크로RNA의 발현이 세포 항산화능에 핵심적 역할을 하며, FXR은 해당 마이크로RNA를 억제하여 항산화능을 올리는 핵수용체임을 보여준다. 이와 같은 일련의 신호전달 기작의 발견은 다양한 원인에 의해 발생하는 간손상을 효과적으로 치료할 수 있는 기술의 구축과 신약 후보물질 도출에 활용될 것으로 평가한다.