우리얘기

인공광합성 구현의 핵심기술은 물로 태양에너지의 대부분을 차지하고 있는 가시광 영역에서 효율적으로 양성자를 발생시키는 기술을 확보하는 것입니다.

이 양성자는 지구 온난화의 주범인 이산화탄소와 반응해 메탄, 메탄올 등 친환경 석유연료로 만들 수 있습니다.

또 이 양성자 자체를 결합해 꿈의 자원인 수소도 효율적으로 생산할 수 있습니다.

그러나 기존의 광촉매 소재들은 태양에너지의 일부 영역인 자외선 영역과 고가의 백금 조촉매를 사용할 경우에만 물로부터 양성자를 생성시키는 것이 가능했습니다.

즉 태양광 중 가장 풍부한 가시광 영역에서는 양성자를 거의 생성할 수 없다는 한계를 갖고 있었습니다.

이엽 연구원(박사과정)

강정구 교수

또 이중금속 다전자 층상 구조는 가시광 영역의 빛을 흡수할 수 있는 이종 금속의 한쪽 금속 전자가 기저상태에서 인접한 산소와 결합하고 있는 다른 쪽의 금속에 터널링을 통해 전자 이동이 비가역적으로 이뤄져 가시광 태양빛을 효율적으로 흡수할 수 있다는 것을 확인했습니다.

이중금속 층상구조 광촉매구조의 모식도. 양이온으로 구성된 금속 산화물 층을 음이온이 전하 균형을 맞춰주며 층간 구조를 형성하고 있는 물질이다.

이중금속 층상구조 물산화 촉매 특성 (자외선에 널리 사용되고 있는 타이테이니윰 옥사이트 (TiO2) 광촉매는 거의 물산화 광촉매 특성이 가시광에서 거의 없는 반면 새롭게 개발된 층상구조 이중금속 다전자 광촉매는 활성이 좋은 것을 확인함).

  용   어   설   명

물산화 광촉매
: 물산화 광촉매는 태양광을 이용하여 전자와 정공(홀)을 생성한다. 이러한 광 여기된 전자와 정공을 이용하여 낮은 에너지로 물을 산소와 수소로 분해하는 것이 가능하다.
실용화를 위해서는 태양광의 대부분을 차지하는 가시광 영역의 빛을 이용할 수 있는 광촉매의 개발이 필요하다. 현재 대부분의 광촉매는 태양광의 매우 작은 부분을 차지하는 UV영역의 빛을 이용하기 때문에 효율이 현저하게 낮다는 문제점을 안고 있다.

이중금속 층상 구조
: 이중금속 층상구조(Layered Double Hydroxide)구조는 양이온으로 구성된 금속 산화물 층을 음이온이 전하 균형을 맞춰주며 층간 구조를 형성하고 있는 물질이다.
이중금속 층상구조 광촉매의 경우, 산화수가 서로 다른 두 종류의 금속이온이 금속 산화물 층을 형성하고 있다. 따라서 가시광 하에서 여기된 전자 및 홀이 이중금속간에 전이되어 효율적인 물산화를 통하여 산소를 발생하는 것이 가능하다.
양자역학 계산을 통하여 이러한 이중금속 층상 구조 광촉매의 전자구조를 예측하는 것이 가능하며, 이와 같은 디자인을 통하여 물을 분해하여 수소 및 산소를 발생하는 광촉매, 혹은 이산화탄소를 환원하여 메탄 및 메탄올 등의 청정연료를 생산하는 광촉매로도 활용이 기대된다.

반도체 양자점을 형광체로 이용해 고품질 LED를 만드는 원천기술을 국내 연구진이 세계 최초로 개발했습니다.

반도체 양자점(Quantum Dot)은 지름이 2~10 ㎚ 크기인 반도체 결정으로, 화학적 합성 공정을 통해 만들어지는 것으로 같은 성분임에도 크기가 바뀌면 색깔이 바뀌는 특징이 있습니다.

LED와 OLED, 태양전지, 바이오 표시자, 바이오센서, 위조방지 인쇄 등의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있습니다.

한창수 박사

현재까지 개발된 양자점 활용 LED 제작 기술은 많은 양의 양자점이나 광안정성이 떨어지는 단일껍질 양자점을 주로 활용했습니다.

낮은 광안정성은 실용화에도 어려움을 줬습니다.

그런데 이번 기술 개발로 양자점을 기존의 절반만 사용해도 목표 성능을 얻을 수 있게 됐습니다.
 

(a) 양자점 형광체를 이용한 고품질 LED 개략도 (b) 제조된 LED 사진 (c) 구동된 LED의 White Color 발광 결과 (CRI: 91, Color Temp: 4805 K)

UV를 조사하기 전과 후의 폴리머 안에서의 양자점 분포 (투과전자현미경 사진)모서리 그림은 양자점 복합체의 UV 조사 전후의 발광 사진

양자점 복합체의 UV 조사를 통한 발광효율 향상 반도체 양자점(NQD; Semiconducting Quantum Dot) : 원자가 10,000~1000,000 정도로 이루어진 Dot형태의 물질 (2~10nm)로 마치 원자 하나의 물리적 특성과 유사한 성질을 가지고 있으며, 광의 흡수 및 발광효율이 매우 높아 광학 분야에서 최근 가장 각광받고 있는 나노 크기의 신소재이다. 같은 성분임에도 크기만 바꾸면 아래와 같이 발광하는 파장이 달라져 다른 색의 빛을 발광하는 특징이 있다.

이상엽 교수

KAIST 이상엽 교수팀이 한국생명공학연구원 및 화학연구원, 전남대 이준행 교수팀 등과 공동연구를 통해 항생제에 내성을 가지는 병원균 퇴치를 가능케하는 신약 발굴 방법론을 개발했습니다.

이준행 교수

이 같은 가상세포가 생존하기 위해 필요한 화학물질은 193개로 분석됐으며, 이 중 결정적 역할을 수행하는 5개의 화학물질을 추출, 이에 관여하는 유전자를 제거함으로써 내성 비브리오균의 성장이 억제되는 효과를 증명했습니다.

○ 병원균의 기본적인 특성을 파악한다. 그 후 게놈 정보와 여러 데이터베이스에 산재해 있는 생물정보, 문헌 및 추가적인 실험을 통하여 병원성 미생물의 가상세포를 구축한다.  ○ 가상세포에 필수적으로 필요한 화학물질을 분석 적용하여 약물 표적을 체계적으로 예측하며, 이로부터 나온 약물 표적은 실제 실험을 통하여 검증한다. ○ 마지막으로는 최종적으로 선택된 필수 화학물질의 구조정보를 이용하여 화합물 라이브러리로부터 일부 화합물만을 선별한 후, 후보 항생제를 발굴한다.

 용  어  설  명

게놈 (genome)
: 한 생명체가 가지고 있는 개개의 유전형질을 발현시키는 원인이 되는 인자 즉 유전자를 일컬으며 이러한 유전자 정보의 전체인 유전체라고도 불린다. 또한 게놈에 대한 연구를 수행하는 학문을 유전체학(genomics)이라고 한다.

시스템생물학(Systems Biology)
: 생명현상을 복합체로 규정하고 생물학뿐 만아니라 전산학, 수학, 물리학, 화학 등의 제반원리를 사용하여 분석하고 모사 발명하는 것을 목표로 하는 학문이다.

가상세포
: 한 생명체 내의 게놈에 있는 모든 유전자 정보를 수집하여, 이로부터 생성되는 단백질과 생화학 반응식의 정보를 컴퓨터에 기입하여 실제 생명체의 행동을 모사할 수 있는 수학적 모델을 가리킨다. 가상세포를 이용하여 다양한 조건에서 빠른 시간 안에 특정 생명체의 행동을 모사하는 것이 가능하다.

약물 표적
: 특정 병을 일으키는 병원균의 성장에 중요한 역할을 하는 생화학 물질을 일컬으며, 흔히 단백질 효소가 약물 표적으로서 작용한다. 신약 개발은 이들 약물 표적의 기능을 효과적으로 억제할 수 있는 화합물을 개발하는 것을 말한다.

허약하게 태어난 돼지를 허약자돈, 일명 왜소돈이라고 합니다.

일반적으로 허약자돈은 돼지서코바이러스질병'(PCVAD;Prince Circovirus Associated Disease)등 감염성 질환으로 어린 기간 중 폐사율이 높습니다.

돼지서코바이러스는 허약자돈의 폐사율을 높이는 대표적인 바이러스 질환으로, 돼지 사육 농가는 폐사율을 줄이기 위해 항생제와 성장촉진제 투여 등 다양한 방법으로 대응하고 있는 실정입니다.

돼지는 보통 한 번에 15마리 내외의 새끼를 낳는데, 이 가운데 항생제 처방을 하지 않을 경우 평균 폐사율이 20~30%에 달합니다.
 
그러나 정부는 돼지 사료에 대한 항생제 사용으로 인간의 항생제 내성 축적 피해를 줄이기 위해 올 하반기부터 배합 사료 내 항생제 첨가를 전면 금지시키는 법안을 마련할 예정입니다.

국내 돼지 사료첨가제 시장 규모는 2008년 4200억원에서 2009년에는 4700억원으로 급격하게 증가하고 있으며, 사료첨가제 시장에서 항생제 대체물질 및 친환경 천연물 유래 항균, 항바이러스 제제 시장이 주목 받고 있는 실정입니다.


이런 가운데 한의학연구원이 허약자돈의 생존율을 크게 향상시키는데 효과가 있는 한약제제 기반의 사료첨가제를 개발했습니다. 

한국한의학연구원(KIOM) 신 한방제제연구센터 마진열 박사팀은 이유기의 허약자돈을 대상으로 'KIOM-C'를 1%희석시켜 투여해 본 결과 체중 증가율 및 활동성이 크게 향상됨을 밝혔습니다.

KIOM-C는 지난해 한의학연이 동물시험을 통해 신종플루 바이러스 증식을 억제하는데 효능이 있는 것으로 확인하고 특허 출원한 한약제제입니다.

연구팀은 음성대조군(허약자돈 KIOM-C 비투여)과 양성대조군(건강한 자돈, 비투여), 실험군(허약자돈,KIOM-C 음수 투여, 투여 비율 1% 희석)등 3개 군에 대해 각 10마리 씩 시험을 실시하고, 투여 4주 후 각각의 증체율을 비교했습니다.

시험 결과 음성대조군은 85%의 증체율(2마리 폐사 제외)을 기록했습니다.

그러나 KIOM-C를 투여한 허약자돈 실험군에서는 한 마리의 폐사율도 나타나지 않았고, 건강한 양성대조군에 비해 평균 97% 수준에 달하는 평균 체증 증가율을 보였습니다.

한국한의학연구원은 기존 KIOM-C와는 별도로 천궁, 방풍, 당귀, 대황, 길경 등이 포함되어 있는 사료첨가제용 'KIOM-C'를 특허출원했으며, 최근 이를  바이오 기업인 (주)비타바이오에 기술 이전했습니다.
 
※특허 : '음수 및 사료첨가용 조성물'_기술분야 / 서코바이러스 감염에 의해 초래되는 다양한 임상증상 개선 / 출원번호 10-2010-0093902.

이지스함이나 F-22 등 최신예 전투기의 핵심인 무단절 다수 목표 추적능력은 능동위상배열 레이더가 있기에 가능합니다.

기존의 회전식 레이더는 탐지면이 목표물과 접촉하지 않는 동안 목표의 고도, 속도, 위치 정보가 단절될 수 밖에 없습니다.   

그러나 능동위상배열 레이더는 송신과 수신을 수행하는 단위 소자가 360도 전방향을 주시하도록 배치해 표적 정보의 단절 없이 실시간으로 처리할 수 있기 때문에 다수 목표에 대한 정확한 추적이 가능합니다.

T/R 모듈은 이번에 개발된 송수신 다기능 칩 MMIC와 고출력 증폭기 MMIC를 사용해 레이더에서 방출되는 송신 전파와 수신 전파의 강도, 위상, 경로를 제어하는 모듈로, 고성능 레이더의 성능을 좌우하는 핵심 부품입니다.

ETRI는 이번 개발을 통해 고성능 레이더에 사용되는 국가 전략 원천 핵심 기술을 확보하는 기반을 마련했습니다.

이는 선진국으로부터 기술 이전이 불가능한 능동위상배열 레이더와 고해상도 영상 레이더의 국산화를 가능케 해 자주국방의 실현을 한층 더 앞당길 것입니다.

안도섭 ETRI 위성무선융합 연구부장은 이 기술로 고성능 레이더의 국산화가 가능할 뿐만 아니라 향후 이동통신 대역을 포함한 다양한 주파수 대역의 MMIC와 응용 기술을 개발할 수 있다고 밝혔습니다.

송수신 다기능 칩 MMIC와 고출력 증폭기 MMIC, T/R 모듈 기술은 ETRI가 천리안 위성 개발과정을 통해 확보한 인공 위성 품질 보증 절차를 통해 개발하고 검증한 것으로 RF 전문업체인 (주)에이스테크놀로지 등에 기술이전되어 제품 상용화를 추진 중입니다.

◈ MMIC와 T/R 모듈을 적용한 능동위상배열 레이더 개념도 ▶송수신 다기능 칩 MMIC는 이득 및 위상 제어 분해능력이 6 bit     이상으로 31.5 dB의 이득 제어 범위와 360도의 위상 제어 범위를     가지고 있을 뿐만 아니라, 직-병렬 변환기(Serial-to-parallel           converter)라는 디지털 회로가 마이크로파 회로와 함께 하나의 칩     에 내장되어 레이더 시스템의 크기와 무게를 획기적으로 감소시     킬 수 있다. ▶고출력 증폭기 MMIC는 X-대역의 주파수에서 12 watt의 출력과       30 %의 효율을 가지고 있으며, 이러한 성능의 고출력 증폭기        MMIC는 미국과 유럽의 일부 국가만이 선보이고 있는 세계 최고      의 기술이다. ▶전투기 등에 적용되는 능동위상배열 레이더는 수천개의 T/R 모듈     이 사용되며, 수천개의 T/R 모듈에서 나온 신호를 합하여 레이더     전파의 빔을 만든다. ▶각각의 T/R모듈에서 신호의 세기와 위상을 제어하여 송수신하는    레이더 전파의 빔의 형태 및 크기와 방향을 제어할 수 있으며, 전    투기와 같은 고속의 물체 다수를 신속히 포착하고 추적할 수 있다.

 용  어  설  명

MMIC(microwave monolithic integrated circuit)
: 모놀리식 집적 회로의 하나로, 갈륨비소(GaAs) 등의 고속·고전도율의 반도체 기판 위에 마이크로파 주파수대(809MHz~30GHz)에서 작동하는 회로 소자의 접속 부분을 형성한 집적 회로.

T/R 모듈(Transmitter/Receiver Module)
: 레이더에서 방출되는 송신 전파와 수신 전파의 강도, 위상 및 경로를 제어하는 모듈로써, 고성능 레이더의 성능을 좌우하는 핵심 부품이다. 서큘레이터, 리미터, 저잡음 증폭기, RF 스위치, 위상 변위기, 가변 감쇠기, 구동 증폭기, 고출력 증폭기, 바이어스 변조 회로 등으로 구성되어 있다.

위상(位相)
: 주기적인 신호의 한 싸이클, 또는 한 주기 내에서 시작 시점을 기준으로 위치나 시간 차이를 나타내는 값. 일반적으로 한 싸이클을 360도로 나타낸다.

이득(利得)
: 전자 공학에서 증폭기와 같은 전기 회로가 신호나 출력을 증폭하는 비율이다. 대개의 경우 전기 회로의 입력 신호 대비 출력 신호의 비의 로그 값으로 나타낸다.

한국천문연구원(이하 천문연)이 발표한 ‘두 개의 태양을 가진 외계행성 발견’ 논문이 미국 천문학회지에서 지난 2년간 가장 많이 인용된 논문 중 하나로 집계됐습니다.

두 별로 이루어진 쌍성 주위를 공전하는 외계행성계 모식도

이 발견은 영화 '스타워즈'에 등장하는 주인공 루크 스카이워커의 고향 행성인 타투인에서와 같이 두 개의 태양을 가진 외계행성의 존재 가능성과 더불어 2개의 별로 이루어진 쌍성에서도 행성이 생성되고 살아남을 수 있음을 밝히는 중요한 관측적 증거를 세계 최초로 제시하고 있습니다.

스타워즈의 한 장면. 타투인 행성에서 2개의 태양이 지고 있다

국방과학연구소(ADD)는 1월 12일 대전 본소에서 국방분야 최초 민간 기부금으로 건축된 친환경 신물질 연구센터 ‘의범관’ 개관식을 가졌습니다.

연구센터 건립 사업책임자 김인호 박사는 “의범관을 통해 친환경 신물질 원천기술들을 개발, 미래지향적 신개념 무기의 독자개발에 박차를 가할 예정”이라며 “국방과학 원천기술을 지속적으로 발전시켜 연구소 연구역량을 세계적 수준으로 배양하고 친환경 신물질 연구센터를 모태로 국방과학의 원천기술 개발 기반을 확충할 것”이라고 밝혔습니다.

◆신약재창출을 통해 세상에 나온 비아그라

최근 다국적 제약회사들은 신약개발을 위한 초기 투자비용이 증가하고 신약에 대한 안전성 심사기준이 강화됨에 따라 개발 단계의 후기에 실패하는 비중이 크게 늘어나 생산성과 수익성 악화를 겪고 있습니다.

이러한 위기를 극복하기 위해서는 저비용으로 짧은 기간에 약물을 개발할 수 있는 방법이 절실히 요구되며, 이러한 신약재창출 전략은 약물개발에 소요되는 시간과 비용을 줄이고 개발 성공 확률을 높일 수 있어 앞으로 신약개발의 대안이 될 수 있을 것으로 기대되고 있습니다.

신약재창출은 임상에서 실패한 약물 또는 시판 중인 기존 의약품을 재평가하고, 새로운 약효를 발굴하여 다른 질병의 치료제로 쓰고자 하는 시도를 말합니다.

일반적인 신약개발의 경우 임상과정을 거쳐 신약 승인까지 약 10년 이상의 기간과 10억 달러 이상의 자금이 소요되는 데 반해, 신약재창출의 경우 이미 전임상 또는 임상 초기 단계를 거친 약물이 대상이므로 초기 합성과 최적화 단계를 생략할 수 있고 기존의 임상 독성 자료도 이용할 수 있는 장점이 있습니다.  

전통적인 신약개발 과정(a)과 달리 신약재창출(b)의 경우 이미 전임상 및 임상 초기 단계를 거친 약물 및 후보물질을 대상으로 하므로 질환 표적과 후보물질의 발굴 및 최적화 단계를 생략할 수 있다 [Ashburn & Thor 2004 Nat. Rev. Drug Discov. 3, 673-683]. 따라서 약물 개발에 소요되는 비용과 시간을 줄이고 개발 성공 가능성을 높일 수 있는 장점이 있다.

구조 기반 신약재창출이란 질환 표적 단백질 간 구조적 유사성에 기초하여 기존 약물과 표적 단백질 간 새로운 교차결합(off-target binding)을 발굴하고 이로부터 기존 약물의 새로운 질환에 대한 치료 효능을 찾아내어 신약으로 개발하는 전략을 말한다.

본 연구에서는 단백질 복합체의 3차 구조 규명을 통해 MDM2 와 Bcl-2계 단백질이 p53 단백질을 결합하는 인식 기전이 매우 유사함을 발견하였다(A). 이를 근거로 하여 p53과 마찬가지로 p53 과 유사한 분자 구조를 가진 항암 약물 Nutlin-3가 여러 질환의 중요한 분자 표적으로 알려진 Bcl-2계 단백질에 교차결합한다는 사실을 규명하였다(B,C).

본 연구결과는 Nutlin-3라는 하나의 항암 약물이 MDM2 및 Bcl-2계 단백질과 결합하여 각각 핵에서의 p53 경로 및 미토콘드리아에서의 세포사멸 경로를 동시에 활성화시키는 분자 기전의 모델을 제시하였다. 이로부터 서로 상이한 항암 표적이 매개하는 두 개 이상의 암세포 생존 경로를 동시에 차단함으로써 항암 치료의 상승적 효과를 얻을 수 있다.

'ECR 이온원'은 강한 자장 속에 플라즈마를 가두고 고주파 전자공명 현상을 통해 전자들을 집중 가열함으로써 전자의 온도를 수십 keV (수억 도) 이상으로 높여 원자를 '다가이온'으로 만든 뒤 이를 선별적으로 추출해서 가속기에 공급해주는 장치입니다.

이는 가속기의 규모를 크게 늘리지 않고도 가속 에너지를 획기적으로 높일 수 있기 때문에 중이온 가속기의 성능을 좌우하는 핵심 부품 중 하나입니다.

전자공명 이온원의 원리

원자력연구원이 개발한 14.5 GHz 전자공명 이온원 본체 구성도

오병훈 박사

한국원자력연구원 핵융합공학기술개발부 오병훈 박사팀은 교육과학기술부 원자력연구개발사업의 지원으로 지난 2007년부터 4년간 18억 원을 들여 수행한 '초전도 사이클로트론용 ECR 이온원 개발' 과제를 통해 'ECR 이온원'을 자체 설계와 제작을 통해 개발하고 성능 검증을 마쳤습니다.

헬륨 가스에 의한 다가이온빔 인출 및 질량분석 결과

이번에 개발한 'ECR 이온원'은 중이온 가속기가 최종적으로 요구하는 성능과는 아직 거리가 있지만 일부 실험이 가능한 수의 우라늄 다가이온을 충분히 만들어낼 수 있는 성능을 갖춰, 초기 중이온 가속기 실험에는 직접 투입될 수 있을 것으로 보입니다.

원자력연의14.5 GHz 전자공명 이온원 본체 전경

 용  어  설  명 

중성입자빔 가열장치, 고주파 가열장치 : 토카막의 플라즈마를 핵융합이 가능한 초고온(1억도 이상)으로 가열하기 위한 중성입자빔 또는 고주파를 플라즈마에 입사시켜 플라즈마 내의 전자 또는 이온의 온도를 높이는 장치

중이온 가속기 : 수소에서 우라늄까지 다양한 원소들을 높은 에너지로 가속시켜 다른 원자의 핵에 충돌시키는 과정 등을 통해 원자 이하 크기인 펨토 미터(1천 조 분의 1 미터) 세계를 연구하는 거대 과학 장비. 원자핵이나 소립자(물질의 가장 작은 단위)를 관찰하거나 새로운 입자를 만들어낼 수 있음

중입자 가속기 : 중이온 가속기의 일종으로, 탄소 이온을 빛의 속도의 70%로 가속한 뒤 환자의 몸 속으로 보내 암세포를 파괴하는 첨단 의료 장비. 주변 세포나 조직의 손상을 최소화하고 암세포와 같은 특정 세포만 선택적으로 사멸시킬 수 있어 꿈의 암 치료기로 불림

다가이온(multi-charged ion) : 전자가 2개 이상 떨어져 나간 이온 상태. 같은 이온이라도 전자를 더 많이 떼어낸 것이 더 강한 +극을 띠므로 낮은 전압에도 더 빨리 가속이 된다. 높은 수의 다가이온을 만들어내기 위해서는 높은 온도의 전자들이 필요함