우리얘기

이슬점은 공기 중 포함된 수증기가 물로 응축되는 온도를 말하는데, 이슬점을 안다고 하는 것은 공기 속에 얼마나 많은 수분이 존재하고 있는가, 혹은 얼마나 건조한 상태인가를 알 수 있는 수분의 척도입니다.

일상생활과 산업공정에서 적정한 습도의 존재는 매우 고마운 존재이지만, 반도체 등 첨단산업에서는 수분은 불청객으로 취급 받습니다.

반도체 공정에서 극미량의 수분 일지라도 이는 제품의 품질에 결정적인 영향을 미치는데, 특히 반도체 제조과정 가운데 식각 공정에 쓰이는 각종 가스의 수분이 정상치를 넘을 경우 박막의 전기 광학적 성질이 바뀌어 제품의 불량률을 높이는 요인이 됩니다.

때문에 최근 첨단 산업공정에서는 ppb 정도의 극미량 수분의 측정 및 조절이 필수적입니다.

이 영역에서 수분을 측정할 수 있는 계측기가 최근 개발되어 반도체 공정 등에 설치되어 품질을 책임지고 있지만, 이런 계측기들의 정확도를 평가할 수 있는 극미량 수분표준이 없어 그동안 측정 신뢰성 및 품질 관리에 문제점으로 작용했습니다.

■ 한국표준과학연구원(KRISS) 온도센터 최병일 박사팀이 반도체 수율 향상에 핵심 요소인 ppb 수준의 극미량 수분표준을 국내 최초로 확립했습니다.

이번에 확립한 수분표준 영역은 이슬점으로 -105 ℃, 5 ppb(10억 분의 5) 수준으로, 일반 가정용 가습기 습도의 100만 분의 1에 해당하는 극미량의 수분양입니다.

현재 5 ppb 수준까지 수분을 정확히 측정하고 제어할 수 있는 기술을 보유한 나라는 미국, 영국, 독일, 일본 등에 불과합니다.

연구팀은 극미량의 수분을 정확하게 제어하고 발생시킬 수 있는 장치를 개발해 수분표준을 확립했습니다.

연구팀인 극저온인 -95 ℃를 유지하며 내부가 얼음으로 코팅되어 있는 용기(포화조) 내에 건조가스를 주입해 고압 상태에서 얼음과 수증기가 열적 평형상태인 포화된 습공기를 만들고, 이를 다른 압력과 온도로 방출시키는 방법으로 온도와 압력과의 열역학적 관계식을 응용했습니다.

이를 통해 정밀하게 조절된 극저수분 공기를 만들어 수분의 양을 100억 분의 5개(0.5 ppb)이내로 정밀하게 측정하는데 성공했습니다.

현재 산업체에서 필요로 하는 극미량 수분계측기 교정의 하한 영역은 이슬점 -120℃ 인 0.2 ppb(100억분의 2)입니다.

앞으로 연구팀은 산업체가 필요로 하는 수분 영역까지 극미량 수분표준을 확립하거, 확립한 극미량 수분표준을 보급하기 위해 산업체에서 사용하고 있는 수분계측기에 대해 교정을 실시할 계획입니다.

극미량 수분표준 발생장치로 수분계측기를 교정하는 최병일 박사.

냉동인간의 해동과정에서 얼음이 재결정화면서 세포의 파괴가 진행되는데 현재 기술로는 이를 해결할 방법이 없습니다.

그러나 이 때 진행되는 현상을 분석해 결빙현상을 막아주는 해동기술에 적용하면 한가닥 가능성이 생기는 셈인데, 이를 연구하려면 액체 상태에서 원자분석이 가능해야 합니다.

여기에 이용되는 것이 투과전자현미경인데, 아직까지 액체를 원자단위로 연구할 방법은 없었습니다.

■ 투과전자현미경은 0.004nm에 불과한 아주 짧은 파장의 전자빔을 이용하기 때문에 가시광선을 이용하는 광학현미경 보다 약 1000배 높은 분해능을 갖고 있습니다.

따라서 계면의 결정구조와 격자결함 등 원자단위까지 분석이 가능해 최근 다양한 종류의 차세대 신소재 연구에 필수적인 장비로 사용되고 있습니다.

그러나 투과전자현미경은 0.001~0.00001 기압(atm)의 고진공상태에서 사용하기 때문에 액체를 관찰하려해도 고정이 되지 않고 즉시 공중으로 분해되기 때문에 관찰이 불가능합니다.

게다가 투과전자현미경의 원리상 전자빔이 수백 나노미터 이하의 시편을 투과해야 되는데 액체를 그만큼 얇게 만드는 것도 매우 어렵습니다.

■ KAIST 신소재공학과 이정용 교수팀은 꿈의 신소재인 그래핀을 이용해 수백 나노미터 두께로 액체를 가두는 데 성공했습니다

과학계의 오랜 숙원으로 꼽히던 액체를 원자단위까지 관찰하고 분석하는 기술이 세계 최초로 개발된 것입니다.

탄소원자들이 육각 벌집모양의 한 층으로 형성된 그래핀은 두께가 0.34nm로, 지금까지 합성할 수 있는 물질 중 가장 얇은 물질입니다.

그래핀으로 나노미터 크기의 결정이 담긴 액체를 감싸면 투과전자현미경 안에서 그래핀이 투명하게 보이며, 또한 액체를 감싸고 있는 그래핀은 강도가 매우 뛰어나 고진공 환경에서도 액체를 고정시킬 수 있습니다.

즉 투명한 유리 어항에 담긴 물속의 물고기들을 눈으로 볼 수 있는 것처럼 투명한 그래핀을 이용해 액체를 담아 그 속에 있는 결정들을 원자단위에서 관찰 할 수 있는 원리입니다.

그래핀 두 층으로 이루어진 그래핀 액체 용기를 보여주는 모식도이다. 회색으로 보여지는 그래핀이 위아래로 두층이 있고 그 사이에 백금 원자들을 포함한 유기 용액의 액체가 담겨있다.

연구팀은 이를 이용해 세계 최초로 액체 안에서 원자단위로 백금 결정들이 초기 형성되는 것과 성장과정을 관찰하는 데 성공했습니다.

가장 왼쪽의 녹색 모식도는 두 개의 백금 결정들이 서로 결합하는 것을 보여준다. 이것을 실제 투과전자현미경 안에서 두 개의 백금 결정들을 원자 단위에서 관찰한 것이 두 번째 사진이다. 화살표로 표시된 것이 두 개의 백금 결정들이다. 현재 백금 결정들은 액체 안에 담겨 있는 상태이다. 오른쪽으로 갈수록 시간이 지남에 따라 두 개의 백금 결정들이 하나로 합쳐지면서 그 모양이 육각형으로 변해가는 것을 볼 수 있다. 이 투과전자현미경 사진에서 백금들 안에 하얀 점들은 원자가 아니고 원자의 규칙을 보여주는 격자 사진이다. 이 격자 사진의 하얀 점들은 원자와 1대 1로 매칭할 수 있다. 즉, 이것은 원자 단위에서 관찰된 것이다.

이 기술은 액체가 고체로 결정화되는 메카니즘을 확인할 수 있어 나노 크기의 재료 제조나 전지 내에서 전해질과 전극 사이의 반응, 액체 내에서의 각종 촉매 반응, 혈액 속 바이러스 분석, 몸속 결석의 형성과정 등 다양한 분야에 활용될 전망입니다.

이번 연구는 이정용 교수의 지도아래 육종민 박사(제1저자)가 박사학위 논문으로 미국 UC버클리대 알리비사토스 교수, 및 제틀 교수와 공동으로 수행됐습니다.

연구결과는 세계적 학술지 '사이언스(Science)' 4월호(6일자)에 게재됐습니다.

그래핀 액체 용기 안에서 백금 원자들을 포함한 액체에 투과전자현미경을 이용해 전자 빔을 조사하였을 때 백금 결정들이 자라나는 것을 역동적인 모식도로 표현한 것

 용  어  설  명

투과전자현미경 :
고진공 하에서 아주 얇은 시편을 전자 빔을 이용해 원자 단위로 확대하여 볼 수 있는 장비

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

결정구조 :
물질을 구성하고 있는 원자가 공간 내에서 규칙적으로 배열되어 결정을 이루는 구조다.

격자결함 :
결정체 속에서 결정격자가 불완전한 상태인 것을 말한다. 실제로 결정은 여러 이유로 원자가 결여되어 있거나 원자의 배열이 흐트러져 있다. 이는 물질의 열전도도나 전기전도도, 재료의 강도에 큰 영향을 끼친다.

계면 :
기체상, 액체상, 고체상 등의 3상 중 인접한 2개의 상(相)사이의 경계면이다. 흡착이나 분자의 배향 등, 특유한 현상이 나타난다.

재결정 :
온도에 따른 용해도 차이를 이용해 원하는 용질을 다시 결정화시키는 방법.

<이정용 교수> 1. 인적사항 ○ 소  속 : KAIST 공과대학 신소재공학과 2. 학    력 ○ 서울대학교 재료공학과 학사 1974 ○ KAIST 재료공학과 석사 1976 ○ U. C. Berkeley 재료공학과 박사 1986 3. 경력사항 ○ 1986. 7.~현재 KAIST 교수 ○ 1981. 10.~1986. 7. 미국 Lawrence Berkeley Laboratory 연구조교 ○ 1976. 1.~1981. 8. 금성사/금성정밀공업 중앙연구소 사원/과장 4. 주요연구실적 ○ 2010 한국물리학회에서 Best Poster Award 수상 ○ 2008 교육과학기술부 국가연구개발 우수개발성과패 수상 ○ 2008 한국학술진흥재단 학술연구조성사업 우수성과사례 인증패 수상 ○ 2001 한국과학기술단체총연합회 과학기술우수논문상 수상 ○ 1996 KAIST 학술상 수상 ○ 1985 미국전자현미경학회 Presidential Student Award 수상 ○ 1985 미국금속학회 Scholastic Achievement Award 수상 5. 출판 ○ 국외논문 400여편 게재 ○ 저서 7권 ○ 13개의 국내 특허 보유

<육종민 박사> 1. 인적사항 ○ 소  속 : KAIST 신소재공학과 2. 학    력 ○ KAIST 신소재공학과 학사 2004 ○ KAIST 신소재공학과 석사 2007 ○ KAIST 신소재공학과 박사 2012 3. 경력사항 ○ 2012. 3.~현재 울산 과학기술대학교 방문 연구원 ○ 2012. 3.~현재 KAIST 응용과학 연구소 연수 연구원 ○ 2010. 2.~2011. 8. 미국 U.C. Berkeley에 방문 연구 ○ 2008. 8.~2009. 8. 미국 Lawrence Berkeley National Laboratory의 National Center for Electron Microscopy에 방문 연구 4. 주요수상경력 ○ 2010 BK 21 해외 장기 연수 장학금 수상 ○ 2008 BK 21 해외 장기 연수 장학금 수상 ○ 2007 한국장학재단 대학원생 국가연구장학금 수상 5. 출판 ○ 15 편의 국제 학술 논문 출판 ○ 8번의 국내 및 국제 학회 발표 ○ 3개의 국내 특허 보유

미래 꿈의 신소재로 각광받고 있는 그래핀은 지난 2004년 가임과 노보셀로프 교수 연구팀은 스카치테이프를 이용해 연필심(흑연)으로부터 마이크로미터 크기의 그래핀을 분리해내면서 주목받았습니다.

그래핀은 탁월한 물리적, 전기적 특성을 갖고 있어 현재 사용되는 고가의 물질들을 대체할 수 있는 '꿈의 신소재'로 부각됐습니다.

그러나 기계적인 방법으로 얻을 수 있는 그래핀의 양이 매우 적어 실제로 활용하기에는 한계가 있었습니다.

현재 그래핀 생산은 강산성이나 강한 부식성 산화제 등 독성물질을 이용해 복잡한 과정을 거쳐 생산하고 있습니다.

그래핀을 대량 생산하기 위해 가장 많이 사용되고 있는 방법은 흑연을 강산과 산화제로 처리하해 산화흑연을 만든 후, 초음파분쇄 과정을 거쳐 산화 그래핀을 얻고, 이를 다시 환원시켜 최종적으로 그래핀을 얻는 것입니다.

그러나 흑연을 산화시키기 위해서는 강산과 산화제를 사용해야 하기 때문에 환경적인 문제가 발생하고, 흑연의 산화와 초음파 분쇄 과정을 거쳐 생성된 그래핀은 완벽한 결정구조에서 나타나는 우수한 전기적·구조적 특성을 잃어버리게 됩니다.

이 특성을 복원하기 위해서는 산화된 그래핀을 발암물질이 포함된 유독성 환원제로 환원시키는 과정을 거치는데, 그럼에도 약 70%만 환원되고 30%는 산화된 상태로 남아 성능이 뛰어난 그래핀을 생산하는데 어려움이 있었습니다.

■ 울산과기대 백종범 교수팀이 꿈의 신소재인 그래핀을 친환경적 방법으로 대량 생산할 수 있는 EFG 기술을 개발했습니다.

백 교수팀이 개발한 방법은 흑연을 드라이아이스와 함께 볼밀(ball mill) 용기에 넣고 고속으로 분쇄할 때, 분쇄된 흑연이 주위에 존재하는 이산화탄소와 반응하여 가장자리가 카르복실산으로 기능화된 흑연(EFG, edge-functionalized graphite)이 합성되고, EFG를 물과 같은 친환경용매에 분산하면 그래핀이 생성되는 매우 간단한 기술입니다.

이 기술을 이용하면 분쇄할 때 이산화탄소 대신 다른 물질을 이용해 그래핀 가장자리에 다양한 기능을 갖는 그래핀을 생산해낼 수 있습니다.

EFG법을 이용한 그래핀 형성 메커니즘 모식도. 볼밀 과정에서 분쇄된 흑연이 주변의 이산화탄소와 반응하여 기능화된 그래핀이 형성되고 있다.

그래핀의 탁월한 물리적·전기적 특성들은 이론값으로, 실제 그 특성을 갖춘 그래핀을 생산하기에는 매우 어렵습니다.

그러나 연구팀이 개발한 EFG 방식을 사용하면, 다양한 기능을 갖는 그래핀을 대량으로 생산할 수 있습니다.

특히 이 기술은 간단한 볼밀 방법으로 그래핀을 친환경적이면서도 저렴하게 대량 생산할 수 있음을 보여주는 사례로, 향후 다양한 분야에서 그래핀을 활용할 수 있는 가능성을 획기적인 높였습니다.

이번 연구는 백종범 교수가 주도하고 전인엽 박사과정생(제1저자), 장동욱 박사, 리밍 다이 Case Western Reserve University 교수 등이 참여햇습니다.

이번 연구결과는 세계적으로 권위 있는 과학전문지인 '미국립과학원회보(PNAS)'에 3월 27일자로 게재되었다. 
(논문명: Edge-carboxylated graphene nanosheets via ball milling)

전인엽 박사과정생 (앞줄 왼쪽 첫 번째), 백종범 교수 (앞줄 왼쪽 두 번째) 장동욱 박사 (뒷 줄 왼편 두 번째)를 포함한 UNIST 연구팀

 용  어  설  명

그래핀 (Graphene) :
그래핀은 탄소의 동소체 중 하나로서, 탄소원자들이 각각 sp2 결합으로 연결된 원자 하나 두께의 2차원 구조로 육각형 형태의 벌집 모형의 결정 구조를 이룬다. 강철보다 200배 이상 강하고 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하는 등의 우수한 물리적, 전기적 특성을 가져 디스플레이, 에너지, 환경, 반소체 소자 등에서 주목받는 꿈의 신소재이다.

산화 흑연 (Graphite Oxide) :
가장 많이 사용되고 있는 그래핀 합성 방법인 화학적 합성법의 중간체로서, 강산과 산화제로 흑연을 산화시켜 강한 친수성을 도입하여 면간 간격이 3.4Å에서 6~12Å으로 넓어진 상태로 있다.

산화 그래핀 (Graphene oxide) :
장시간의 교반이나 초음파 분쇄기를 이용하여 산화 흑연을 박리시킨 것이다. 산화 그래핀은 많은 기능기를 가지고 있기 때문에 그래핀 고유의 우수한 성질을 대부분 상실하고 있으며, 그래핀을 얻기 위해서는 추가적으로 환원 공정이 필요하다.

<백종범 교수>  1. 인적사항                            ○ 성 명 : 백종범(46세)  ○ 생년월일 : 1967.03.17.  ○ 소 속 : UNIST 친환경에너지공학부 2. 학력   1984.3 - 1991.2  경북대학교 공업화학과 학사      1991.3 - 1993.2 경북대학교 고분자공학과 석사     1994.8 - 1998.8 University of Akron, Department of Polymer Science 박사       3. 경력사항    1993.07 - 1998.08   국비장학생    1998.12 - 1999.10   Liquid Crystal Institute, Kent State University 박사후 연구원   1999.11 - 2003.08   US Air Force Research Lab/UDRI 선임연구원   2003.09 - 2008.08  충북대학교 부교수   2008.08 - 2009.08   Georgia Institute of Technology 방문교수   2010.04 - 현재     UNIST 저차원 탄소소재 연구센터장   2008.11 - 현재     UNIST 친환경에너지공학부 부교수

<전인엽 연구원>  1. 인적사항  ○ 성 명 : 전인엽 (34세)  ○ 소 속 : UNIST 친환경에너지공학부   2. 학력   1998.03 - 2004.02     충북학교 공업화학과 학사      2005.09 - 2007.08      충북대학교 공업화학과 석사     2008.03 - 2009.02     충북대학교 공업화학과 박사과정   2009.03 - 현재        UNIST 친환경에너지공학부 박사과정

20세기 인류에게 농업혁명을 안겨준 질소비료가 생산한 산화이질소는 태양으로부터 지구를 보호하는 오존층의 파괴 촉매제입니다.

세계 인구 증가에 따른 식량·에너지 문제는 화학비료와 생물연료의 사용을 가속화시킬 것이며, 이로 인해 산화이질소의 배출도 지속적으로 증가될 것입니다.

지금까지 지구온난화와 오존층 파괴의 주범으로 지목되어 온 CFCs(프레온가스)는 많은 노력으로 감소 추세에 있지만, 산화이질소의 경우 산업혁명 이후 지속적인 증가 추세에 있고, 최근에는 더욱 가파르게 상승하고 있습니다.

과학자들은 현재의 증가 추세가 지속된다면 앞으로 산화이질소가 오존층에 입히는 피해는 기존에 알려진 어떤 물질보다도 더 클 것이라고 합니다.

이 산화이질소의 동위원소는 생성과 소멸의 과정을 말해주는 꼬리표입니다.

지구온난화의 주범인 산화이질소의 생성과 소멸 메커니즘을 추적하는 방법이 과학적으로 규명되었습니다.

■ 서울대 박선영 교수팀은 1940년 이후 60여 년 동안 대기 중 산화이질소 동위원소 변화 과정을 추적해 대기 중 산화이질소의 농도 증가가 질소비료 사용에 기인한 것임을 확인했습니다.

또 비료의 사용이 토양 내 미생물의 화학적 반응을 더욱 활성화 시킨다는 사실도 밝혀냈습니다.

그리고 산화이질소 동위원소의 분포가 계절에 따라 주기적으로 변하는 사실도 증명했습니다.

이러한 동위원소 변동성이 갖는 폭과 주기는 산화이질소가 어디서 얼마나 발생하고 분해되었는가를 말해줍니다.

이 변동성은 산화이질소 생성원을 규명하고 오존층이 존재하는 성층권에서 발생하는 광분해 영향 정도를 밝히는 새로운 척도로 평가받고 있습니다.

(a):

이번 연구는 서울대 박선영 연구교수(제1저자)가 주도하고 미국 UC Berkeley 및 호주 CSIRO 기후연구센터 연구팀이 참여했습니다.

연구결과는 세계 최고 권위의 학술지인 '네이처'의 자매지 네이처 지구과학(Nature Geoscience) 온라인(3월 11일)에 게재되었습니다.
 (논문명 : Trends and seasonal cycles in the isotopic composition of nitrous oxide since 1940)

호주 Cape Grim의 풍광. 본 연구에서는 이곳에서 매주 채취되어 보관되어온 공기시료를 이용하여 지난 60여 년간의 산화이질소 변화를 추적하였음

 용 어 설 명

안정동위원소 :
원자번호는 같지만, 원자핵 내 중성자수의 차이로 원자량이 다른 원소를 동위원소라고 하며, 방사능 붕괴를 하지 않는 동위원소를 특히 안정동위원소라고 부른다.
산화이질소(N2O)의 질소 동위원소는 14N과 15N이며, 산소 동위원소는 16O, 17O와 18O이다.
산화이질소 분자 내 이들 동위원소의 상대적 비는 산화이질소가 관여하는 생물-지구화학 반응에 따라 달라진다.
따라서 동위원소는 산화이질소가 경험하는 생성과 소멸의 순환 기작를 추적하는 꼬리표로 사용될 수 있다.

교토의정서(Kyoto protocol) :
지구 온난화의 규제 및 방지를 목적으로, 1997년 일본 교토에서 지구 온난화 방지 교토 회의(COP3) 제3차 당사국 총회에서 채택하고 2005년 발효한 국제 협약.
본 의정서를 인준한 국가는 이산화탄소, 산화이질소 등을 포함하는 여섯 종류의 온실 가스의 배출량을 감축하며 배출량을 줄이지 않는 국가에 대해서는 비관세 장벽을 적용하게 된다.

질산화 반응 :
미생물에 의해 암모니아(NH3)가 아질산염(nitrite, NO2-)으로, 이어 아질산염이 질산염 (nitrate, NO3-)으로 산화하는 일련의 반응.
이때 암모니아가 산소와 반응하여 아질산염으로 되는 단계의 부산물로서 산화이질소가 만들어진다.

탈질산화 반응 :
질소산화물들이 유기물 산화를 위해 전자 수용체로서 사용되는 환원 반응.
즉, 미생물들에 의해 질산염이 아질산염, 산화질소(NO), 산화이질소를 차례로 거쳐 질소(N2)로 환원되어지는 일련의 반응을 일컫는다.
이때 만들어지는 주요 중간 산물이 산화질소와 산화이질소이다.

<박선영 교수>(제 1저자)    1995. 02. 서울대학교 해양학 학사  1997. 02. 서울대학교 해양화학 석사  2005. 05. University of California at Berkeley (UC Berkeley) 지구과학 박사  2005. 07. ~ 2008. 06. Harvard University 박사후 연구원  2008. 07. ~ 2011. 08. Harvard University 연구원  2011. 03. ~ 현재 서울대학교 지구환경과학부 연구 교수  연구 분야: 온실기체 농도와 동위원소 측정을 통한 생물-지구화학 순환 과정 연구

<Kristie A. Boering>(교신저자)      1985. University of California at San Diego (UC San Diego) 화학 학사  1991. Stanford University 물리화학 박사  1991. ~ 1998. Harvard University 박사후 연구원 및 연구원  1998. ~ 2005. UC Berkeley 화학 및 지구과학과 겸임 조교수  2006. ~ 현재 UC Berkeley 화학 및 지구과학과 겸임 부교수  연구 분야: 고층대기 온실기체 측정과 농도 시뮬레이션 및 탄화수소 광화학 연구

<김경렬 교수>(공동저자)     1971. 02. 서울대학교 화학 학사  1973. 02. 서울대학교 분석화학 석사  1983. University of California at San Diego 해양화학 박사  1984. ~ 현재 서울대학교 지구환경과학부 교수  2006. 03. ~ 2012. 02. 서울대학교 지구환경과학부 학부장  2006. 03. ~ 현재 서울대학교 지구환경과학부 BK21 사업단 단장  연구 분야: 해양화학 및 온실기체 대기모니터링, 산화이질소 동위원소에 관한 연구로 1990년 Nature지에 이어 1993년 Science지에 논문 게재 4. L. Paul Steele,  Ray L. Langenfelds, Paul J. Fraser, and Paul B. Krummel (공동저자) (Paul.Steele@csiro.au; Ray.Langenfelds@csiro.au; Paul.Fraser@csiro.au; Paul.Krummel@csiro.au) 호주 기후연구센터/CSIRO 대기 및 해양 연구소 (Centre for Australian Weather and Climate Research /CSIRO Marine and Atmospheric Research) 책임 연구원   연구 분야: 남반구 온실기체 분포 특성 및 공기 시료 장기 보존에 관한 연구. Nature 및 Science 논문 다수 게재. 5. David M. Etheridge, Dominic Ferretti, Tas.D. van Ommen, and Cathy M. Trudinger (공동저자) (David.Etheridge@csiro.au; domferretti@yahoo.com; Tas.Van.ommen@aad.gov.au; Cathy.Trudinger@csiro.au)  호주 기후연구센터/CSIRO 대기 및 해양 연구소/타스마니아 대학 (Centre for Australian Weather and Climate Research /CSIRO Marine and Atmospheric Research/University of Tasmania) 책임 연구원   연구 분야: 극지방 빙핵 및 firn에 포집된 과거 공기시료에서의 온실기체 연구

한전전력연구원이 화석연료의 연소과정 중 발생하는 이산화탄소를 전량 회수하는 0.7MW급 '순산소 석탄화력 통합 파일럿 플랜트'를 세계에서 두 번째로 개발했습니다.

이번 '순산소 석탄화력 통합 파일럿 플랜트'는 석탄화력발전소에서 발생하는 온실가스를 완벽하게 처리할 수 있고, 순산소 만으로 석탄을 완전연소할 경우 이산화탄소를 전량 회수할 수 있습니다.

또 기존 발전설비를 활용해도 공해물질을 전혀 배출하지 않기 때문에 청정발전이 가능한 획기적인 기술로 평가받고 있습니다.

이번 순산소 파일런 플랜트는 연소설비, 제어설비, 보일러 및 환경설비, 산소생산설비, 그리고 이산화탄소 압축 및 저장설비 등으로 구성됐고, 운전시뮬레이터는 별도로 구축하여 실증 및 상용화에 요구되는 핵심기술 연구개발에 활용할 계획입니다.

현재 '순산소 석탄화력 통합 파일럿 플랜트'는 독일과 스웨덴을 중심으로 유럽에서 처음 개발에 착수했고, 미국, 중국, 호주, 일본 등 다른 세계 여러나라에서 연구가 진행 중입니다.

한전전력연구원은 2015년까지 100MW급 실증시스템을 한국남동발전 영동화력발전소에 설치할 계획입니다.

한국천문연구원 이대희 박사팀이 개발한 적외선 우주관측카메라 시스템이 3월 22일  미국 뉴멕시코주 화이트샌드 미사일 기지에서 발사된 NASA 로켓에 실려 우주로 올라갔습니다.

탑재된 적외선카메라시스템(CIBER-Cosmic Infrared Background ExpeRiment)은 빅뱅 이후 우주 태초의 빛을 추적하기 위한 관측 장비로, 한국천문연구원이 국제협력의 일환으로 미국 NASA/JPL, Caltech, 일본의 JAXA/ISAS 등과 함께 개발한 것입니다.

NASA 로켓 탑재용 적외선카메라 (CIBER) 시스템

NASA로켓을 사용한 CIBER발사는 이번이 세 번째입니다.

이 중 NASA로부터 인증된 우주용 적외선카메라 시스템 핵심 기술은 차세대 적외선우주망원경 국제 공동 개발과 대면적 적외선센서 구동 핵심기술 개발, 대구경 극저온 적외선 광기계 기술개발, 적외선 우주 감시 기술개발 등에 활용될 예정입니다.

KAIST가 '지능형 SoC 로봇워 2012' 참가접수를 오는 5월 31일까지 홈페이지(http://www.socrobotwar.org)를 통해 받습니다.

'지능형 SoC 로봇워 대회'는 반도체 기술을 로봇에 접목한 지능형 로봇대회입니다.

대회 종목은 '휴로-컴피티션(HURO-Competition)'과 'SoC 태권로봇'으로 나뉜다.

'휴로-컴피티션'은 장애물 피해가기, 다리건너기, 골프공 넣기 등의 미션을 수행하는 것으로, 로봇의 눈과 위치센서를 이용해 빠른 시간 내에 장애물을 통과하는 경기입니다.   

'SoC 태권로봇' 대회는 태권도 공격기술로 획득한 점수를 기준으로 순위를 결정하는 것으로, 영상인식, 전략, 로봇모션에 따라 승패가 결정됩니다.

이 경기에서 로봇은 사람의 조종 없이 스스로 경기를 수행해야 하며, 이를 위해 칩과 소프트웨어를 이용해 인간과 같은 지능을 갖추어야 합니다.

참가자격은 대학(원)생을 포함한 2인 이상 6인 이하로 구성된 팀이면 누구나 가능합니다.

참고로 작년에는 105개 팀, 500여 명이 참가했습니다.

본선대회는 오는 10월 말 일산 킨텍스에서 개최될 예정이며,  대회 우승팀에게는 대통령상과 국무총리상이 수여됩니다.

그동안 신경모세포종을 일으키는 발암 유전자로 MYCN와 ALK 돌연변이 유전자가 중요한 인자로 알려졌지만, 암이 발생하는 기작이나 두 유전자 간의 상호작용에 대해서는 많은 부분이 밝혀지지 않았습니다.

한국생명공학연구원 노화과학연구센터 이정수 박사가 미국 다나-파버 암연구소(Dana-Farber Cancer Institute)와 공동으로 소아암의 일종인 신경모세포종에서 두 개의 발암 유전자의 상호작용을 통해 암이 발생되는 과정을 밝혀냈습니다.

연구팀은 모델동물인 제브라피시를 활용해 MYCN 유전자가 비정상으로 증폭되면서 신경모세포가 암세포로 발전하는 과정에서 ALK 돌연변이 유전자가 작용하여 암의 발생을 촉진시키는 과정을 새롭게 규명했습니다.

연구팀은 우선 제브라피시에서 MYCN 유전자만을 교감신경계 특이적으로 과량 발현시켜 제브라피시의 교감신경계 신경모세포가 비정상적으로 증식하다가 특정 시기에 도달하면 다수의 신경모세포가 죽어 버리는 현상을 확인했습니다.

MYCN 증폭과 ALK 돌연변이간의 상승작용에 의한 신경모세포종의 형성과정 모식도

또 ALK 돌연변이 유전자만을 발현시킨 경우에는 신경모세포의 비정상적인 증식이 일어나지 않아 암세포로 발전하지 않은 사실도 밝혀냈습니다.

반면 MYCN 유전자와 ALK 돌연변이 유전자를 동시에 발현시킨 결과 MYCN 유전자만 발현된 경우보다 암 발생의 빈도가 약 3배 (55.6% vs 17.3%) 증가했습니다.

암의 발생시기도 ALK와 MYCN 유전자가 같이 발현되는 경우 MYCN 유전자만 발현될 경우에 비해 약 6~8주 이상 빨리 발병하는 결과를 보였습니다.

이러한 결과의 원인으로 MYCN 유전자에 의해 암 발생 과정 중 나타나는 신경모세포의 죽음을 돌연변이 ALK 유전자가 저해함으로써 암의 발생시기와 빈도를 증가시킨다는 사실이 확인됐습니다.

이번 연구 결과는 신경모세포종의 진단이나 치료에 암 유전자 변이에 따른 맞춤 치료를 위한 중요 단서를 제공하고 있습니다.

특히 증폭된 MYCN 유전자와 ALK 돌연변이 유전자를 같이 갖고 있는 신경모세포종의 치료에 있어서 ALK 유전자를 저해하는 치료물질을 활용해 암을 치료할 수 있는 가능성을 제시하고 있습니다.

이번 연구결과는 종양학 분야의 세계적 권위지인 'Cancer Cell'지 10주년 기념호에 3월 19일자로 발표됐습니다.
(논문명 : Activated ALK Collaborates with MYCN in Neuroblastoma Pathogenesis)

 용  어  설  명

신경모세포종 (Neuroblastoma) :
소아기에서 암과 관련된 사망의 약 10%를 차지하는 소아암(pediatric cancer)의 일종으로서, 발생 중의 교감신경계에서 발병하는 것으로 알려져 있으며, 미국의 경우 한 해 약 700여명의 신경모세포종 환자가 새롭게 발생하는 것으로 보고되고 있다.

신경모세포 (Neuroblast) :
신경계에서 세포분열을 통해 신경세포를 생산할 수 있는 전구체 세포

MYCN : 
전사인자인 MYC 단백질 중 신경계 특이적 인자로서, 특히 신경모세포종에서의 증폭이 빈번하게 관찰되며 나쁜 예후에 중요한 마커로 사용된다.

ALK (Anaplastic lymphoma kinase) :
세포의 신호수용체 중 하나로서, 림프종, 비소세포성 폐암, 신경모세포종 등에서 유전자 이상이 발견된다. ALK의 저해제로 개발된 화이자사에서 crizotinib (상품명 Xalkori)의 경우 현재 임상실험이 진행 중이며 폐암 치료에 효과가 있는 것으로 보고되었다.

제브라피시 :
경골어류 중 하나인 제브라피시는 담수에 서식하는 관상용 물고기로서, 1980년 초 실험용 동물로 도입이 되었다. 많은 자손의 개체수, 빠른 초기 발생, 투명한 몸체, 실험조작의 용이성, 다양한 종류의 돌연변이체와 형질전환체, 사람과의 높은 유전학적 유사성 등의 장점으로 인해 최근 들어 마우스와 더불어 실험용 척추동물로서 많이 사용되고 있다.

교감신경계 (sympathetic nervous system) :
부교감신경계와 함께 자율신경계를 이루는 신경계로서, 맥박 증가, 혈압 상승 등의 '싸움'을 준비하는 긴장상태를 유지시켜주는 기능을 담당한다.

Cancer Cel :
미국 Cell Press에서 발행되는 Cell 자매지로서, 종양학 분야에서 세계 최고 권위의 과학잡지 (IF값 26.925)

<이정수 박사> 1972년생  주요 학력   1991～1995   연세대학교 생물학 (학사)   1995～1997   연세대학교 생물학 (석사)   1998～2004   미국 유타주립대학교 (박사)   주요 경력  2004～2010   Dana-Farber Cancer Institute, 박사후 연구원  2010～현재   한국생명공학연구원, 선임연구원    연구분야  ㅇ 신경계 발생 및 혈관계 발생  ㅇ 신경유도물질의 암 발생 기전 연구  ㅇ 신경유래 유전자의 대사 조절 기전 연구 주요 연구업적 ○ Lee JS, Sophia von der Hardt, Melissa A. Rusch, Sally E. Stringer, Heather L. Stickney, William S. Talbot, Robert Geisler, Christiane N?sslein-Volhard, Scott B. Selleck, Chi-Bin Chien, Henry Roehl. (2004) Neuron. 44:947-60 "Axon sorting in the optic tract requires HSPG synthesis by ext2/dackel and extl3/boxer" ○ Lee JS, Chien CB (2004) Nature Reviews Genetics. 5: 923-935 "When sugars guide axons: insights from heparan sulphate proteoglycan mutants." ○ Padmanabhan A*, Lee JS*, Ismat FA, Lu MM, Lawson ND, Kanki JP, Look AT, Epstein JA. (2009) Proceedings of the National Academy of Sciences. 106: 22305-10 "Cardiac and vascular functions of the zebrafish orthologues of the type I Neurofibromatosis gene NFI." (* Co-first authors) ○ Lee JS*, Arun Padmanabhan*, Jimann Shin, Feng Guo, Shizhen Zhu, Jonathan A. Epstein, John Kanki, Thomas Look. (2010) Human Molecular Genetics, 19: 4643-4653.  "Proliferation and migration of oligodendrocyte progenitor cells are regulated by the zebrafish orthologues of the NF1 tumor suppressor gene" (* Co-first authors). ○ Zhu S*, Lee JS*, Guo F, Shin J, Perez-Atayde AR, Kutok JL, Rodig SJ, Neuberg DS, Helman D, Feng H, Stewart RA, Wang W, George RE, Kanki JP, Look AT. (2012) Cancer Cell. 2012 21(3):362-73. "Activated ALK Collaborates with MYCN in Neuroblastoma Pathogenesis". (* Co-first authors)

지난 3일 발행된 지식재산 전문 잡지 'IP Today' 4월호에 ETRI(한국전자통신연구원)가 미국 등록 특허 기준 '2011년도 특허종합평가(Innovation Anchor Scorecard)'에서 세계 1위를 차지했다는 내용이 실렸습니다.

'IP Today'가 게재한 이번 내용은 미국 Patent Board에서 시행한 특허종합평가 결과를 인용한 것으로, Patent Board는 미국 등록특허를 기준으로 전 세계 기업, 연구소, 대학, 정부기관의 기술 및 특허의 경쟁력을 매년 평가하고 있습니다.

이번에 발표된 특허종합평가의 순위는 양질의 특허 경쟁력을 종합평가하는 '기술력(Technology Strength)'으로 가늠됐습니다.

여기에서 '기술력'은 보유기관의 특허폴리오가 타 기관의 기술 진보에 영향력 미치는 '산업 영향력' 지수와 '특허등록건수', 해당 기관의 기술변화 및 진보속도를 보여주는 '혁신주기'로 결정됩니다.

이 중 ETRI의 '혁신주기'는 7.5년으로 타 기관 대비 가장 짧아 글로벌 기술혁신을 주도하고 있는 것으로 분석됐습니다.

이와 관련해 ETRI는 이미 지식재산경영을 추진하기 위한 전담조직을 운영중이며, 특허의 질적 평가를 위한 '발명등급제도'를 시행하고 있습니다.

또 연구원 1인이 1년에 세계적인 혁신 아이디어 1건을 창출토록 하는 '1-1-1 운동'도 전개 중입니다.

한편 Patent Board의 특허평가는 Fortune 500 기업들이 자사 및 경쟁사의 특허포트폴리오 분석을 통하여 기술전략 등을 수립하는 데 활용하고 있으며, 월스트리트저널(WSJ)의 경우 투자 정보 제공을 목적으로 17개 산업분야에 대한 특허종합평가 정보를 온라인 기업시장정보센터(Market Data Center)를 통해 투자자들에게 실시간으로 제공하고 있습니다.

한국기계연구원 나노역학연구실 한승우 박사팀이 열 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 세계 최고 수준의 박막 열전 기술과 이를 이용한 초소형 열전 발전소자를 개발했습니다.

이번에 개발된 열전 발전소자는 주위의 열을 모아 전력을 공급하는 여러 분야에 이용될 수 있습니다.

예를 들어 신체에 착용해 원격으로 건강 상태를 측정하는 건강진단시스템(WHMS)에 장착하면 사람의 체온으로 전원을 공급할 수 있습니다.

개발된 박막 열전기술이 응용될 수 있는 원격 건강진단시스템 (Wearable Health Monitoring Systems?University of Alabama)

또 고전압, 땅 밑, 고공 등 전지를 교환하기 힘든 지능형 플랜트, 스마트 빌딩, 수송기계 등에 쓰이는 모니터링시스템의 무선센서에 적용하면 주위 열을 이용한 전원 공급이 가능해집니다.

이번 개발품은 증착온도와 압력, 열처리 조건 등의 공정 조건을 최적화 해 세계 최고 수준의 열전박막 효율을 갖고 있습니다.

지금까지 발표된 독일 마이크로펠트사의 Bi-Te박막(N-type)과 Bi-Sb-Te박막(P-type)의 파워펙터(power factor)는 각각 3 mW와 4 mW 였으나, 한국기계연구원이 개발한 열전박막은 각각 3.07 mW와 4.41 mW로 이를 상회했습니다.

열에서 전기가 발생하는 에너지 변환 원리를 거꾸로 이용하면 스마트폰, 태플릿 PC, 마이크로 패키지 등 휴대용 전자제품의 국소 냉각 시스템에도 응용할 수 있습니다.

이번 연구결과는 Microelectronic Engineering등의 저널에 5편의 SCI 논문이 게재됐고, 3건의 국내특허 등록과 1건의 국제특허가 출원 중입니다.

한편 시장조사 전문기업인 IDTechEx에 따르면 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 응용기기 시장규모는 오는 2020년에 43억 7000만 달러에 이를 것으로 전망되며, 이 가운데 열전소자 분야의 시장 규모는 2억 3600만 달러로 추정됩니다.

에너지 하베스팅 응용분야