우리얘기

연구개발특구지원본부가 27일 연구개발특구진흥재단으로 새롭게 출발합니다.

연구개발특구진흥재단은 지난 2005년 9월 대덕연구개발특구지원본부로 출범, 지난해 1월 대구와 광주가 특구로 추가 지정되면서 대덕특구를 포함해 3개 특구를 관할하며 연구개발특구지원본부로 명칭이 변경됐었습니다.

이번에 새로 출발하는 연구개발특구진흥재단은 대덕, 대구, 광주 등 3개 특구의 기획 및 총괄 조정기능을 강화하고, 각 특구별 책임경영을 강화하는 내용으로 조직을 개편합니다.

이에 따라 이사장 산하 기획관리본부와 전략사업본부 및 3개 특구에 각각 본부를 두는 5본부 체제로 개편하고, 대외정책과 육성사업에 대한 기획·총괄 기능을 세분화 할 방침입니다.

이 같은 조직 편제는 연구개발특구 육성 정책의 전략적 추진을 위한 총괄기능을 대폭 강화한 것으로, 대덕-광주-대구 특구의 상호 연계는 물론 각 특구별 여건에 맞는 사업 추진에 자율과 책임을 강화하기 위한 조치입니다.

이를 바탕으로 특구진흥재단은 연구성과 ▲사업화촉진, ▲벤처생태계 선순환체계 구축, ▲국내외 산학연 네트워크 활성화, ▲특구간 연계강화, ▲비즈니스 지향적 인프라 구축 등 5대 사업을 전략적으로 추진할 방침입니다.

한국항공우주연구원이 다목적실용위성 아리랑 3호가 7월 23일 촬영한 2012년 올림픽개최지 영국 런던 올림픽파크 영상을 공개했습니다.

이번애 공개된 위성영상은 해상도 0.7m의 고해상도로 올림픽 스타디움과 각 종목 주요경기장, 선수촌 아파트 등을 확인할 수 있습니다.

아리랑 3호는 지난 5월 18일 일본 다네가시마 우주센터에서 미쓰비시 H2A 로켓에 실려 궤도에 올라갔습니다.

<관련글>

아리랑 3호 영상 http://daedeokvalley.tistory.com/516

아리랑 3호 발사 연속 촬영 http://daedeokvalley.tistory.com/495

아리랑 3호 개발 과정 http://daedeokvalley.tistory.com/493

아리랑 3호 개발 에피소드 http://daedeokvalley.tistory.com/494

기존 항암제는 세포독성 부작용과 내성 발생에 따른 암 전이와 재발을 막지 못하는 한계가 있습니다.

이에 최근 개발되는 항암치료제는 암세포를 선택적으로 파괴하는데 초점이 맞추어져 이에 부합하는 자연살해세포를 활용한 면역치료법 개발이 활발히 시도되고 있습니다.

자연살해세포(Natural Killer cell)는 암세포만 선택적인 살해능력을 보이는 선천 면역세포로, 암세포의 발생과 증식, 전이, 재발을 효과적으로 억제할 수 있어 유망한 항암 면역세포로 주목 받고 있습니다.

자연살해세포는 특히 항암제에 대한 감수성이 적어 쉽게 내성을 보이며 암의 재발에 중요한 역할을 하는 암줄기세포(Cancer stem cell)를 효과적으로 제거할 수 있습니다.

하지만 자연살해세포의 정확한 활성화 기전이 규명되지 않아 자연살해세포를 새로운 치료제로 개발하는데 많은 어려움을 겪고 있습니다.

이는 자연살해세포가 다른 면역세포와 달리 다양한 면역수용체의 조합에 의한 통합적인 신호전달경로에 의해 활성화되기 때문입니다.

이 같은 이유로 기존의 자연살해세포를 이용한 치료법은 다양한 성장인자나 염증인자로 자연살해세포를 배양하여 항암활성을 증진시키는 비특이적인 방법에 의존하고 있습니다.

그러나 암 종류 및 개인별로 치료효과의 차이가 커서 자연살해세포의 정확한 활성화 기전을 바탕으로 항암활성을 최적화할 수 있는 방법의 개발이 요구되고 있습니다.

■ 울산대 의대 김헌식 교수와 미국 국립보건원 에릭롱(Eric Long) 박사가 항암 면역세포 중 가장 주목받는 자연살해세포(NK cell)의 활성을 제어할 수 있는 새로운 원리가 규명해 신개념 항암면역치료법 개발 가능성을 열었습니다.

연구팀은 자연살해세포의 활성을 조절하는 핵심제어 단백질(SLP-76)을 새롭게 규명하고 조절을 통해 자연살해세포의 활성을 최적화한 신개념 항암세포치료제 개발의 단초를 열었습니다.

SLP-76은 면역세포 활성화에 필요한 단백질복합체 형성에 핵심적인 어댑터 단백질입니다.

 연구팀은 자연살해세포가 암세포를 인지할 때 다양한 면역수용체들이 필요하며, 이들은 공통적으로 SLP-76를 통해 자연살해세포를 활성화시킴을 밝혀냈습니다.

특히 주목할 점은 SLP-76는 인산화를 통해 자연살해세포의 활성을 조절하는데, 암세포가 제거될 때만 SLP-76가 상호보완적으로 완전히 인산화 된다는 것입니다.

특정 NK 수용체 조합에 의한 SLP-76의 상호보완적인 인산화

즉 SLP-76의 완전한 인산화가 자연살해세포 활성화에 필수적으로, SLP-76가 자연살해세포 활성화를 제어하는 핵심스위치 역할을 함을 규명했습니다.

SLP-76의 상호보완적인 인산화에 의한 NK cell 활성화

또 SLP-76의 상호보완적인 인산화는 자연살해세포에서만 관찰되는 고유한 특징으로, 자연살해세포의 활성화 기전이 다른 면역세포와 근본적으로 다르다는 새로운 원리를 밝혀냈습니다.

이번 연구성과는 항암면역세포로 주목받는 자연살해세포의 활성조절기전이 다른 면역세포와 근본적으로 다르다는 새로운 원리를 밝혀낸 것으로, 향후 이를 활용해 자연살해세포 활성을 최적화하고 이를 통한 새로운 항암치료법 개발에도 기여할 수 있을 전망입니다.

연구결과는 세포신호전달분야의 권위지인 '사이언스 시그널링(Science Signaling)' 7월 10일자에 게재되었습니다.
(논문명: Complementary Phosphorylation Sites in the Adaptor Protein SLP-76 Promotes Synergistic Activation of Natural Killer Cells)

SLP-76의 상호보완적인 인산화에 의해 NK cell의 항암활성이 유도되는 것을 나타낸 모식도.

 용  어  설  명


항암면역세포 
암세포에 선택적인 항암 활성을 보이는 면역세포로 기존 항암제의 세포독성 같은 심각한 부작용이 거의 없음. 또한 기존의 항암치료 후에 남아있는 잔존 암까지 제거해주어 암의 재발과 전이를 방지할 수 있음. 무엇보다 기존의 항암치료와 병행치료가 가능하며 환자의 면역력까지 높여주어 암치료효과를 극대화 할 수 있음.

자연살해세포(Natural Killer Cell)
다양한 암세포에 선택적인 항암활성을 보이는 선천성 항암면역세포로서, 암세포의 발생, 증식, 전이를 효과적으로 억제할 수 있으며 더불어 암의 재발에 가장 중요한 암 줄기세포도 효과적으로 제거할 수 있어 유망한 항암면역세포로써 주목 받고 있음.
 
암 줄기세포(Cancer stem cell)
암세포의 모(母)세포로 줄기세포처럼 무한히 분열 증식하여 암의 재발에 중요한 역할을 함. 따라서 암을 완전히 제거하기 위해서는 이 세포를 반드시 제거해야 함. 대부분의 항암제에 쉽게 내성을 보임.

면역수용체
면역반응을 유도하는 일차적인 스위치로, 주로 면역세포의 표면에 발현되어 있음. 암세포나 병원균에 특이적인 다양한 외부인자를 인지하여 면역세포에 활성화 신호를 전달하는 역할을 함.

SLP-76
자극된 면역수용체는 다양한 단백질들과 복합체를 형성한 후 활성신호를 전달함. SLP-76는 이 단백질 복합체가 형성되고 안정화되어 면역반응이 일어나도록 하는 뼈대역할을 함.

Science Signaling지
세계 최고 권위 학술지인 Science의 첫 번째 자매지로서 세포신호전달분야의 가장 중요한 연구결과를 주간으로 발간하는 세계적으로 권위 있는 학술지.

<김헌식 교수> 1. 인적사항                            ○ 성 명 : 김헌식   ○ 소 속 : 울산대학교 의과대학 대학원 의학과    2. 학력사항  ○ 1990.3 - 1994.2    연세대학교 생명공학 학사     ○ 1996.3 - 2001.2    한국과학기술원 생명과학 박사       3. 경력사항   ○ 2000.12 - 2003.3     한국과학기술기획평가원 선임연구원  ○ 2003.09 - 2007.5    성균관대학교 의과대학 연구조교수  ○ 2007.05 - 2010.11  미국 국립보건원 Research Fellow  ○ 2010.12 - 현재  울산대학교 의과대학 대학원 의학과 조교수  ○ 2012.01 - 현재  대한면역학회, 전산운영위원장   4. 주요성과  Hun Sik Kim and Eric O. Long. 2012. Complementary Phosphorylation Sites in the Adaptor Protein SLP-76 Promote Synergistic Activation of Natural Killer Cells. Science Signaling. 5, 232, ra49. Hun Sik Kim, Asmita Das, Catharina C. Gross, Yenan T. Bryceson, and Eric O. Long. 2010. Synergistic Signals for Natural Cytotoxicity Are Required to Overcome Inhibition by c-Cbl Ubiquitin Ligase. Immunity. 32, 175-186. Hun Sik Kim, Myoung Sook Han, Kun Wook Chung, Sunshin Kim, Eunshil Kim, Myoung Joo Kim, Eunkyeong Jang, Hyun Ah Lee, Jeehee Youn, Shizuo Akira, and Myung-Shik Lee. 2007. Toll-like Receptor 2 Senses β-Cell Death and Contributes to the Initiation of Autoimmune Diabetes. Immunity. 27, 321-333.

전립선비대증은 40대 전후 남자들에게 많이 발병하는 우리나라에서 가장 흔한 남성 비뇨기 질환입니다.

우리나라 40세 이상 남성 중 약 28%정도가 전립선비대증 환자로 분류되고, 연령이 높아질수록 전립선비대증의 유병율도 비례해서 60대에는 약 60%가,  70대는 약 70%가 앓고 있는 만성질환입니다.

전립선비대증은 빈뇨, 절박뇨 등의 배뇨장애를 유발하며, 장기간 방치하게 되면 방광 및 신장 기능 이상을 초래하고 심할 경우 요도 폐색을 초래할 수도 있습니다.

■ 한국한의학연구원 신현규 박사팀이 동물 실험을 통해 육미지황탕(六味地黃湯)을 경구 투여 했을 때 전립선비대증(BPH)이 크게 개선된다는 사실을 밝혔습니다.

육미지황탕은 한의원과 한방병원 등 한방의료기관에서 가장 많이 쓰이는 대표 처방으로, 치료 효과 및 작용기전을 동물실험을 통해 밝혀낸 것은 이번이 처음이다.

신 박사팀은 △음성대조군(정상쥐-생리식염수 투여군) △전립선비대증 유도군(전립선비대증유도군-육미지황탕 비투여) △실험군(전립선비대증 유도군에 회당 각 200mg/kg 및, 400mg/kg 육미지황탕 투여) 등 총 4개 군에 각 7마리씩 시험을 실시했습니다.

실험군에 대해서는 육미지황탕을 4주간 매일 1회씩 경구 투여 후 전립선조직과 호르몬 및 단백질 분석검사를 통해 효과를 평가했습니다.

신 박사팀은 이번 실험에서 전립선비대증 유도군의 전립선 무게를 측정한 결과 정상 쥐보다 전립선 무게가 2배 이상 증가했고 전립선조직의 상피세포 과형성을 관찰했습니다.

육미지황탕을 경구 투여한 실험군에서는 전립선비대증 유도군의 전립선무게가 최고 54.5%까지 감소했고(200mg/kg는 54.5%, 400mg/kg는 50.8% 각각 감소), 전립선조직 내 상피세포의 과형성도 완화됐습니다(상피세포 두께가 200mg/kg는 36.3%, 400mg/kg는 37.4% 각각 감소).

또한 혈청 및 전립선내에 작용하는 전립선비대증의 주요한 원인 중 하나로 알려진 디하이드로테스토스테론(dihydrotestosterone)은 전립선비대증 유도군에 비해 육미지황탕을 투여했을 경우 혈청에서는 최고 36.2%(200mg/kg는 36.2%, 400mg/kg는 22.8% 감소), 전립선내에서는 최고 38.6% (200mg/kg는 38.6%, 400mg/kg는 31.6% 감소) 이상 감소했습니다.

정상 쥐보다 전립선비대증유도 쥐의 전립선 상피세포가 과형성됐고, 육미지황탕을 투여했을 경우 상당히 줄어들었음을 보여줌.

전립선비대증 유도 쥐의 경우 혈청 및 전립선 내 디하이드로테스토스테론의 양이 정상 쥐에 비해 크게 증가하는데 반해, 육미지황탕 투여 쥐의 경우 전립선비대증 유도 쥐보다 현저하게 디하이드로테스토스테론의 양이 감소함을 보여줌.

육미지황탕은 안전성 시험기준인 KGLP 인증기관을 통해 안전하다는 것이 검증된 한약으로, 향후 임상시험을 거쳐 장기 투여용 전립선비대증치료제로 활용될 전망입니다.

이번 연구결과는 'BMC Complementary and Alternative Medicine'에 게재됐습니다.
(논문명 : Inhibitory effect of Yukmijihwang-tang, a traditional herbal formula against testosterone induced benign prostatic hyperplasia in rats, IF=2.24)

 용  어  설  명

전립선비대증 (Benign Prostatic Hyperplasia, BPH)
호르몬이상, 비만, 음주, 나이 등의 다양한 원인에 의해 전립선이 증대된 상태를 말하며, 이로 인해  방광 하부의 소변이 나오는 통로를 막아 빈뇨, 절박뇨 (소변을 볼 때 뜸을 들여야 소변이 나오는 현상), 단절뇨 (소변의 흐름이 끊기는 현상), 방광의 배출장애가 일어나고 심한 경우 요도 폐색을 일으킬 수 있다.
 우리나라에서 전립선비대증은 가장 흔한 남성 비뇨기 질환이며, 남성 40세 전후에서부터 주로 발병한다. 현재 우리나라에 40세 이상 남성 약 28%정도가 전립선비대증 환자로 분류되고, 연령이 높아질수록 전립선비대증의 유병율도 비례하여 60대에 약 60%, 70대에 약 70%에 이른다.
이러한 유병율의 증가는 고령화 시대를 맞이하는 우리나라로서 매우 중요한 질환 중 하나임을 의미한다. 전립선비대증은 빈뇨, 절박뇨 등의 배뇨장애를 유발하며, 장기간 방치하게 되면 방광 및 신장 기능 이상을 초래하여 40대 이상 남성들에게 육체적·정신적 고통을 야기한다.
또한, 장기적인 치료를 요하는 질환으로 노동력의 상실과 함께 경제적 손실도 매우 큰 질병이다.
지금까지 알려진 전립선비대증 치료제들은 약물부작용이 큰 문제가 되고 있다.
따라서 효과가 뛰어나고 부작용이 적은 치료제의 개발이 절실히 요구되며 이를 위해서 식물에서 추출한 천연 물질을 이용한 치료제의 개발이 진행되고 있다.

육미지황탕 (六味地黃湯)
육미지황탕은 간(肝)과 신(腎)의 음(陰)이 모두 허(虛)한 병증인 간신음허증(肝腎陰虛證)의 대표적인 처방으로 임상에서 널리 활용되고 있다.
면역기능 조절 및 증가효과, 항산화 효과, 간기능 개선 효과, 골형성 증가 효과, 인지기능 강화, 항당뇨 등 육미지황탕의 효능에 대한 과학적인 결과 논문들이 많이 발표되고 있다.

테스토스테론과 디하이드로테스토스테론
대표적인 남성호르몬으로 남성생식기를 발육시키고 그 기능을 유지한다.
이러한 테스토스테론은 전립선에서 5-알파환원효소 (5-alpha-reductase)에 의해 디하이드로테스토스테론 (dihydrotestosterone)으로 합성되어 전립선조직의 과형성(hyperplasia)를 유발한다.
디하이드로테스토스테론은 전립선조직의 증식을 촉진하는 호르몬으로 전립선비대증에 있어 중요한 요소다. 이러한 테스토스테론으로 유발한 전립선조직 과형성 모델은 전립선비대증 치료에 있어서의 발병기전과 새로운 약물의 효능연구에 보편적으로 사용되고 있다.
또한 테스토스테론으로 유발한 전립선비대증 모델은 전립선상피세포의 과형성과 이로 인한 전립선 무게의 증가가 특징적이다.

산호는 산호초를 만들어 해안을 보호하고, 신약물질을 제공하며, 막대한 관광산업 수입을 올리게 하는 매우 중요한 해양생물입니다.

세계적으로 약 5억 명이 산호와 관련된 산업에 종사하고 있으며, 연간 생산액도 약 400조 원에 달합니다.

그런데 산호는 해수 온도가 29~30℃를 넘으면 몸 안에 있던 심바이오디니움을 방출하게 되고, 자신의 몸을 고정하던 석회질만 남게 되어 산호초가 하얗게 변하는 백화현상(coral bleaching)이 일어납니다.

지구 온난화의 영향으로 지난 수십 년 간 20%의 산호초가 백화현상으로 없어졌습니다.

■ 서울대 정해진 교수와 포항공대 이기택 교수, 군산대 이원호 교수, 충남대 신응기 교수, 서울대 유영두 박사(공동교신저자) 등 공동 연구팀이 산호의 공생 미세조류인 '심바이오디니움(Symbiodinium)'이 당초 알려진 식물의 성질 뿐만 아니라 동물의 성질을 동시에 가지고 있음을 세계 최초로 규명했습니다.

연구팀은 심바이오디니움(Symbiodinium)이 빈영양화 상태에서 세균이나 다른 미세조류를 포식하면서 대량번식 할 수 있음을 입증, 광합성에 불리한 빈영양화 해역에서 '식물인 심바이오디니움이 대량으로 존재하며 산호초를 건강하게 유지하게 하는' 역설(paradox)에 대한 해답을 찾아냈습니다.

산호를 떠난 공생미세조류가 세균이나 다른 미세조류들을 포식하면서 번식하며, 산호유생이나 다른 산호에 들어가 건강한 산호를 유지할 수 있게 한다는 모식도

이번 발견으로 산호초에 서식하는 심바이오디니움에게 최적 먹이를 공급하여 번식을 유도할 수 있게 됨에 따라 온난화로 파괴되는 산호초 복원에도 큰 기여를 할 전망입니다.

산호에 공생하는 공생미세조류인 심바이오디니움이 먹이의 일부를 섭식관을 사용하여 포식하는 장면

이번 연구는 산호의 생태 연구 중 가장 어려운 난제를 풀게 된 것으로, 우리나라가 산호 연구의 선도국으로 발돋움 하는데 큰 기여할 전망입니다.

또 심바이오디니움은 산호 뿐만 아니라 말미잘, 해파리, 조개, 해면, 원생동물 등 광범위한 해양생물들과 공생을 하기 때문에 해양저서생태계 연구에 새로운 개념을 제시할 것도으로 보입니다.

연구결과는 미국 국립과학원회보(Proceedings of the National Academy of Sciences USA) 온라인 7월 18일자에 게재되었습니다.
(논문명 : Heterotrophic feeding as a newly identified survival strategy of the dinoflagellate Symbiodinium)

 
 용  어  설  명

빈영양화 (oligotrophic)
부영양화의 반대로 식물 성장의 필수요소인 질소, 인 등 영양염류가 매우 적은 현상을 말한다.

산호의 백화현상(Coral bleaching)
급격한 수온 변화로 인하여 산호초가 하얗게 변하는 현상을 말한다. 산호의 아름다운 색깔은 원래 몸 안에 살고 있는 공생미세조류인 심바이오디니움(Symbiodinium)의 색깔이다. 수온이 급격하게 상승하면 산호가 심바이오디니움을 방출하게 되고, 아름다운 색깔을 잃게 되다. 결국 자신의 몸을 지탱하기 위하여 분비했던 석회질 색깔만 하얗게 남는다.

산호초 (Coral reef) 
산호는 석회질을 분비하여 자신의 몸을 고정시킨다. 수많은 산호들이 석회질을 분비하고, 이들이 오랜 세월동안 쌓이면 육지도 만들 수 있는데, 산호군락이 만든 거대한  지형을 산호초라고 한다.

심바이오디니움 (Symbiodinium)
심바이오디니움은 와편모류(Dinoflagellate)에 속하는 단세포 생물로, 산호뿐만 아니라 말미잘, 해파리, 조개, 해면, 원생동물 등 다양한 해양동물들 몸 속에 들어가 공생을 하는데, 이들 동물들이 필요한 에너지의 많은 부분을 공급해주는 매우 중요한 생물이다. 심바이오디니움은 해양동물들의 몸 밖으로 나와 수영하며 지내다가 어린 유생들 안으로 들어가 새로운 공생을 시작하기도 한다. 

<정해진 교수> 1. 인적사항   ○ 소 속 : 서울대학교 지구환경과학부(해양학) 2. 학력   ○ 1982.03-1986.02 :  서울대학교 해양학과 이학사   ○ 1986.03-1988.02 :  서울대학교 해양학과 이학석사   ○ 1990.03-1995.02:  미국 캘리포니아 샌디에이고대학교 (University of California, San Diego) 해양학 이학박사 3. 경력사항   ○ 1995년02월~1995년08월 : 미국 스크립스 해양연구소 박사후연구원   ○ 1995년09월~2003년08월:  군산대학교 해양학과 전임강사/조교수/부교수   ○ 2003년09월~현재 : 서울대학교 지구환경과부 부교수/교수   ○ 2006년06월~2009년07월 : 융합기술원 환경에너지자원연구소 소장   ○ 2008년06월~현재 : Harmful Algae (Elsevier), Editor   ○ 2010년06월 ~ 현재 : 교과부-연구재단 해양극지 (해양바이오 기초원천 기술개발사업-해양공생생물 유전체 연구단) 세부연구책임자 4. 주요연구업적   ○ 2012 교육과학기술부 장관표창   ○ 2011 2011년도 기초연구사업 우수평가자 100인 선정   ○ 2011 한국해양과학기술진흥원 공로상   ○ 2002 제12회 과학기술우수논문상 5. 출판   ○ SCI급 국제전문학술지 논문 64편 게재   ○ 국내특허등록 6건, 해외특허출원 2건

분자전자소자(molecular electronics)는 분자 크기가 수 나노미터 미만으로 매우 작고 자기조립공정이 가능하여, 고집적이면서도 저렴한 전자소자를 만들 수 있어 세계적으로 활발히 연구되고 있습니다.

그러나 지금까지 알려진 분자전자소자는 대부분 실리콘 등 딱딱한 기판 위에서 만들기 때문에 자유자재로 휘어질 수  없었습니다.

반면 기존의 휘어지는 유기전자소자(organic electronics)는 두께가 수 마이크로로 상대적으로 두꺼운 것이 단점이었습니다.

■ 서울대 이탁희 교수팀이 자기조립단분자막을 이용해 극심하게 휘어져도 기능과 성능이 모두 안정한 초박막 분자전자소자를 제작했습니다.

이번 연구는 나노크기의 매우 얇은 단일 분자를 이용해 자유자재로 휘어질 수 있는 유연한 분자전자소자를 개발할 수 있는 가능성을 제시한 것입니다.

이에 따라 향후 휴대용 기기 뿐만 아니라 다양한 전자소자에서 매우 가볍고 쉽게 휘어질 수 있는 초소형 전자소자가 개발될 전망입니다.

연구팀은 박막 두께가 1~2나노미터인 자기조립단분자막을 휘어지는 플라스틱 기판 위에 전자소자로 제작하는데 성공했습니다.

특히 이 교수팀의 나노 크기의 휘어지는 유기전자소자는 반복적인 휨 현상이나 다양하게 휘어진 환경에서도 전기적 전도 특성이 안정적으로 제어됐습니다.

또 점차적으로 휘거나, 매우 심하게 혹은 다양한 형상의 휨 환경에서도 안정적이고, 1000회 이상의 반복적인 휨 테스트에서도 고유의 상태를 유지했습니다.

이탁희 교수는 지난 2009년에도 단일 분자 한 개가 트랜지스터 소자로 작동될 수 있음을 세계 최고 권위지 '네이처'에 발표하였는데, 이번 연구는 이러한 분자소자가 플렉시블한 환경에서도 정상적으로 구동될 수 있음을 검증한 연구결과입니다.

이번 연구는 이탁희 교수가 주도하고, 박성준 박사과정생(광주과기원), 왕건욱 연구원, 윤명한 교수(광주과기원) 등이 참여했습니다.

연구결과는 'Nature Nanotechnology ' 7월 4일자에 게재되었습니다.
(논문명 : Flexible molecular-scale electronic devices)

<연 구 개 요> Flexible molecular-scale electronic devices Sungjun Park, Gunuk Wang, Byungjin Cho, Yonghun Kim, Sunghoon Song, Yongsung Ji, Myung-Han Yoon, and Takhee Lee (Nature Nanotechnology, 2012. 7. 4. 출판) 1. 배경 분자전자소자(molecular electronics) 분야는, 단일 분자를 이용하거나, 소자의 중심 역할을 하는 활성층이 단 분자 단위로 만들어진 분자박막을 이용한 전자소자에 대한 연구 분야이다. 분자전자소자가 폴리머(polymer) 물질을 기본으로 하는 유기전자소자(organic electronics)와의 차별 점은 분자전자소자의 경우는 단일 분자 단위를 갖는 방향으로 전기장이 가해지므로 분자 내의 분자 궤도에 영향을 주어 분자의 특성을 변화시키고 이를 이용한 소자의 구동이 가능하다는 점이다. 그리고 분자를 이용할 경우, 그 크기와 기능면에서 대량 공정과 소자의 집적화의 부분에서 기존의 반도체 소자에 비해 유리한 장점이 있다. 현재까지 분자전자소자 연구는, 단단한 기판 위(예를 들어, 실리콘 기판)에서의 제작 공정을 거쳐, 전기적 신호의 분석을 통해 물성에 대한 이해와  이론을 바탕으로 다양한 소자로의 적용에 대한 연구가 진행되어 왔다. 하지만, 본 연구진은 이러한 전통적인 연구 관점에서 벗어나, 유기 물질의 유연한 물리적 특성을 이용하여, 2 nm 정도의 두께를 가지는 초박막 단분자박막을 이용한 분자전자소자를 제작하였다. 그리고 제작된 분자전자소자의 다양한 구부러진 상태에서의 전하수송 특성 및 그 메커니즘을 규명하였으며, 나아가 유연전자소자(flexible electronics) 연구 분야에 무한한 접목 가능성과 연구적 가치의 중요성을 제시하였다. 2. 연구결과 유연한 분자전자소자의 모식도 그림 a. 실험에 사용된 유연한 분자전자소자 개략도 (아래부터 위 순서로, 플라스틱 기판, 하부 전극 (Au/Ti), 감광제 (photo-resistor), 전도성 고분자, 상부 전극 (Au)) 그림 b. 실제 실험에 사용된 유연한 분자전자소자 사진 (총 512 개의 소자가 있음) 그림 1(a) 는 유연한 분자전자소자 개략도를 보여준다. 소자의 제작공정은 아래의 표 1처럼 유연한 분자전자소자 제작 공정에 설명되어 있다. 총 512개의 소자가 가로 3 cm × 세로 3 cm 크기의 플렉시블 기판에 만들어 졌으며 그림 1(b)에 실제 소자 사진이 포함되어 있다. 유연한 분자소자의 휨 상태에서의 전하수송 특성 그림 a. 소자가 인장(tensile)응력을 받았을 때의 이미지 그림 b. 점차적인 인장응력을 받았을 때의 전류 값을 도시하였음        (0.6 V~1.0 V 범위에서 의 각 포인트 전류 값을 도시) 그림 c. 5 mm 의 인장응력의 휨 반경 상태에서의 저온 측정 데이터 그림 d. 소자가 압축(compressive)응력을 받았을 때의 이미지 그림 e. 점차적인 압축응력을 받았을 때의 전류 값을 도시하였음.        다시 회복 시, 전류 값의 변화가 없음이 보임.        (0.6 V~1.0 V 범위에서 의 각 포인트 전류 값을 도시) 그림 f. 5 mm 의 압축 응력의 휨 반경 상태에서의 저온 측정 데이터 그림 2는 분자 소자의 bending test에 대한 데이터이다. 분자 소자가 인장 또는 압축 응력을 받았을 때의 전기적 신호를, 분석을 통하여 소자의 휨 환경에서의 안정성을 규명 하였다. 구부러진 상태에서 온도 변화에 따른 전기 신호를 분석함으로써, 분자의 전자 전달 경로(tunnelling)가 구부러진 상태에서도 유지됨을 알 수 있다. 다양한 휨 상태에서의 분자 소자의 안정성 그림 a. 이쑤시개에 걸쳐져 있는 상태에서의 소자 특성 (-0.8 V 와 0.8 V의 구간 측정) 그림 b. 소자를 특정 각도에 따라 꼬았을 때의 전류 값에 대한 데이터 그림 c. 유리막대 위 나선형으로 감겨진 분자 소자의 실제 이미지 그림 3으로부터, 매우 극심한 환경이나 다양한 휨 환경에서의 소자 안정성을 확인 할 수 있다. 그림 3(a)에서 볼 수 있듯이 아주 작은 이쑤시개에 감겨진 상태에서도 약 10,000 초(약 2시간 30분) 동안 소자의 성능 저하는 볼 수 없었으며, 그림 3(b)에서 한 축을 돌리거나(각도 > 35°), 혹은 그림 3(c)에서처럼 유리 막대에 사선 형으로 감겨져 있는 상태에서도 소자의 성능은 꾸준한 견고함을 보여 주었다.

 용  어  설  명

분자전자소자 (Molecular electronics)
분자전자소자는 분자 크기의 다양한 기능성 소재를 전자소자의 핵심적인 구성요소로 사용한다는 개념으로, 주로 분자소자의 제작과 전하수송 특성을 연구하는 과학기술분야이다. 분자 고유의 크기가 보통 수 나노미터(nm) 이하로 매우 작고, 자기 조립에 의한 상향식 공정이 가능하여, 고집적 저비용의 전자소자를 제조할 수 있다. 이러한 장점으로 인해 기존의 실리콘 반도체 소자들이 가지는 집적도의 한계를 보완할 수 있어 미래 핵심기술로 평가 받고 있으며, 세계 일류 대학들과 연구기관들이 이 분야에 대해 활발히 연구하고 있다.

자기조립단분자 박막 (Self-assembled monolayer)
자유로운 계(system) 내에서 용액 내 분자가 촉매 혹은 이동을 위한 특정 에너지의 주입이 없이, 자발적으로 상호작용을 통해 다른 물질과 접합이 되는 현상을 의미한다. 접합 하는 과정에 있어서, 용액 내에 있던 비방향성으로 움직이는 분자들은 짧은 범위의 반경 내에서 정렬을 일으키며 접합을 하며, 위 과정에서 자유에너지가 낮아지고, 평형 상태로 존재 하게 된다.

그림 a. 용액 내 존재하는 분자들의 박막 금속 위에서 자가 조립되는 원리 개략도그림 b. 금속 전극 사이에 자기조립된 단분자 박막 모식도.

<원문보기>

Flexible molecular-scale electronic devices(요약)

park-nnano.2012.81.pdf

Flexible molecular-scale electronic devices(원문)

park-nnano.2012.81-s1.pdf

<이탁희 교수> 1. 인적사항  ○ 소 속 : 서울대학교 물리천문학부(물리학) 2. 학력   ○ 1992 :  서울대학교 물리학 학사   ○ 1994 :  서울대학교 물리학 석사   ○ 2000 :  미국 퍼듀대학교 물리학 박사 3. 경력사항 ○ 2000년 ~ 2004년 : 미국 예일대학교 박사후연구원 ○ 2004년 ~ 2011년 :  광주과학기술원 신소재공학과 조교수/부교수/교수 ○ 2011년 ~현재 : 서울대학교 물리천문학부(물리학전공) 부교수 ○ 2007년 ~ 2012년 6월 : 교과부?연구재단 중견연구자(도약연구) 연구책임자 ○ 2012년 5월 ~ 현재 : 교과부?연구재단 리더연구자(창의적연구) 연구책임자 4. 주요연구업적 ○ 연구 분야 : - 분자전자소자 - 유기물 기반 메모리 소자 - 반도체 나노와이어 기반 전자소자 및 그래핀 전극 기반 광전자 소자 ○ 주요 연구업적 : 1.  Hyunwook Song et al. "Observation of Molecular Orbital Gating", Nature 462, 1039-1043 (2009) (issue of December 24, 2009). 2.  Gunuk Wang et al. "New approach for molecular electronic junctions with multi-layer graphene electrode", Advanced Materials, 23, 755 (2011). Cover Picture Article. 3.  Sangchul Lee et al. "Enhanced Charge Injection in Pentacene Field Effect Transistors with Graphene Electrodes ", Advanced Materials, 23, 100 (2011). 4.  Yongsung Ji et al. "Stable switching characteristics of organic non-volatile memory on a bent flexible substrate", Advanced Materials, 22, 3071 (2010). Cover Picture Article. 5.  Byungjin Cho et al. "Rewritable Switching of One Diode?One Resistor Nonvolatile Organic Memory Devices", Advanced Materials, 22, 1228 (2010). Cover Picture Article. 6.  Sunghoon Song et al. "Three-dimensional integration of organic resistive memory devices", Advanced Materials, 22, 5048-5052 (2010). Cover Picture Article. 7.  Gunho Jo et al. "Hybrid Complementary Logic Circuits of One-Dimensional Nanomaterials with Adjustment of Operation Voltage", Advanced Materials, 21, 2156 (2009). Cover Picture Article 8.  Gunuk Wang et al. "Enhancement of field emission transport by molecular tilt configuration in metal-molecule-metal junction", J. Am. Chem. Soc. 131, 5980 (2009). 9.  Woong-Ki Hong et al. "Tunable Electronic Transport Characteristics of Surface Architecture-Controlled ZnO Nanowire Field Effect Transistors", Nano Lett. 8, 950 (2008) and about 140 more papers. * Detailed publication list can be found at http://mnelab.com

<박성준 박사과정생> 1. 인적사항  ○ 소 속 : 광주과학기술원 신소재공학과 2. 학력  ○ 2010년 : 아주대학교 신소재공학 학사  ○ 2011년 : 광주과학기술원 신소재공학과 석사  ○ 2011년 ~ 현재 : 광주과학기술원 신소재공학과 박사과정     3. 주요발표논문 (Selected journal articles)     1. Sungjun Park, Gunuk Wang, Byungjin Cho, Yonghun Kim, Sunghoon Song, Yongsung Ji, Myung-Han Yoon & Takhee Lee, "Flexible molecular-scale electronic devices", Nature Nanotechnology (2012) 2. Jun-seok Yeo, Jin-Mun Yun, Dong-Yu Kim, Sungjun Park, Seok-Soon Kim, Myung-Han Yoon, Tae-Wook Kim, and Seok-In Na, "Significant Vertical Phase Separation in Solvent-Vapor-Annealed Poly(3,4-ethylenedioxythiop hene):Poly(styrene sulfonate) Composite Films Leading to Better Conductivity and Work Function for High-Performance Indium Tin Oxide-Free Optoelectronics" ACS Appl. Mater. Interfaces (2012) Online publised. 3. Gunuk Wang, Seok-In Na, Tae-Wook Kim, Yonghun Kim, Sungjun Park, and Takhee Lee, "Effect of PEDOT:PSS-molecule interface on the charge transport characteristics of the large-area molecular electronic junctions", Organic Electronics 13, 771  (2012).

p53 유전자는 세포의 이상증식을 억제하고 암세포 사멸을 촉진하는 유전자로, 항암 유전자라고도 불립니다.

현재까지 가장 강력한 암 억제 유전자로 알려진 p53을 타깃으로 암 치료제를 개발하려는 노력이 계속되고 있지만, 임상실험에서는 기대와 달리 효과가 거의 없었고, 또 부작용 등의 문제점이 나타났습니다.

이것은 p53을 조절하는 원리를 정확히 이해하지 못했기 때문으로, 최근 과학자들은 p53의 조절원리와 상호작용을 정확히 규명하기 위한 연구를 진행 중입니다.

PIMT의 발현에 따른 폐암 및 유방암 환자의 생존율을 보여 준다. PIMT의 발현이 많을 경우 생존율이 낮음을 알 수 있다.

■ 성균관대 한정환 교수팀이 노화된 단백질을 회복시키는 효소로만 알려진 핌트(PIMT)가 암을 억제하는 역할을 하는 유전자(p53)의 기능을 억제해 암을 유발하거나 촉진한다는 사실을 밝혀냈습니다.

연구팀은 메칠화 효소인 핌트가 강력한 암 억제 기능을 지닌 p53을 감소시켜, 궁극적으로 암 발생을 촉진한다는 새로운 원리를 규명했습니다.

연구팀은 핌트의 발현이 증가한 여러 종류의 악성 암세포에서 p53이 감소되었음을 확인하였는데, 특히 핌트가 지나치게 발현된 암환자의 생존률이 그렇지 않은 환자에 비해 약 20% 낮다는 사실을 밝혀냈습니다.
 
특히 핌트가 p53을 메칠화시키고, 이를 통해 p53의 기능을 억제하여 암을 일으키는 암 유발 효소임이 처음으로 밝혀졌습니다.

이는 핌트가 p53을 메칠화시키고, 이 메칠화는 p53의 유비퀴틴화를 촉진함으로써, 결국 p53의 양을 감소시켜 암을 유발한다는 것입니다.

연구팀은 핌트가 p53의 기능을 억제해 결국 암을 촉진한다는 이번 연구결과가 인간의 암세포에만 특이적으로 적용되는 원리라는 것도 확인했습니다.

p53의 특정 잔기의 카복실 메칠화가 p53 단백질의 안정성에 핵심적인 역할을 함을 보여준다.

연구결과는 네이처(Nature)의 자매지인 'Nature Communications' 6월 27일자에 게재되었습니다.
(논문명 : Protein L-Isoaspartyl Methyltransferase regulates p53 Activity)

 용  어  설  명

카르복실 메칠화 (carboxyl methylation)
메칠화란 단백질의 전사 후 변형(post-translational modification)의 일종으로 특정 단백질의 특정 아미노산 잔기에 메칠기(CH3-)가 결합하는 현상을 의미함.
카르복실 메칠화는 아미노산의 카르복실 잔기(CHOO-)에 일어나는 메칠화로 일반적으로 많이 알려져 있는 lysine, arginine 메칠화에 비하여 그 연구가 미미 하였다. 본 연구에서는 이러한 카르복실 메칠화의 세포내 의미를 찾고 그 조절 기전을 분석하였다.

유비퀴틴화(ubiquitination) 
특정 단백질에 유비퀴틴(76개 아미노산으로 구성된 단백질로, 다른 단백질과 결합해 분해를 촉진함) 단백질이 결합하는 현상

Nature Communication
세계  최고 권위 Nature 자매지 중 최초의 online 저널로, multidisciplinary 분야에서 권위 있는 과학전문지

<한정환 교수> 1. 인적사항  ○ 소 속 : 성균관대학교 약학대학                                  2. 학력   1978 - 1982  성균관대학교 약학대학 약학학사      1982 - 1984  성균관대학교 약학대학 약학석사     1987 - 1991  독일, Ruhr University Bochum, 이학박사    3. 경력사항   1992 - 1992 독일, Ruhr University Bochum, Post-doc   1992 - 1995 스위스, Friedrich Miescher Institute, Post-doc    1996 - 2006 성균관대학교 약학대학, 부교수   1997 - 2006 경기의약연구센터, 연구기획간사   2006 - 현재 성균관대학교 약학대학 교수   2007 - 현재 성균관대학교 생명의약협동과정 책임교수   2010 - 현재  교육과학기술부?한국연구재단 선도연구센터 (MRC, 에피지놈 제어 연구센터) 센터장 4. 전문 분야 정보 - 대한약학회 국제 협력위원장 - 암정복추진기획단 추진위원 - 대한약학회 국제 협력 위원장 - 중앙약사심의위원회 심의위원   - 응용약물학회, 편집위원    - Archives of Pharmacal Research, 편집위원 - 한국분자생물학회 회원 - 저서: 리핀코드의 그림으로 보는 생화학, 약품생화학총정리 등 5. 주요 논문 업적  - 1990년대 후반기부터 약 20년 동안 에피지놈 분야에서 활동하여 국제학술지(190편), 국내외학술회의(134여회) 발표를 하였음. 아래는 한정환 교수의 최근 주요 대표 논문업적 6편 1. Protein L-Isoaspartyl Methyltransferase regulates p53 Activity. Nat. Commun. Accepted (2012) 2. Myogenic transcriptional activation of MyoD mediated by replication-independent histone deposition. Proc Natl Acad Sci U S A. 108(1):85-90 (2011) 3. Depletion of embryonic stem cell signature by histone deacetylase inhibitor in NCCIT cells: involvement of Nanog suppression. Cancer Res. 69(14):5716-25 (2009) 4. Reversine increases the plasticity of lineage-committed cells toward neuroectodermal lineage. J Biol Chem. 284(5):2891-901 (2009) 5. Histone deacetylase inhibitor apicidin downregulates DNA methyl-transferase 1 expression and induces repressive histone modifications via recruitment of corepressor complex to promoter region in human cervix cancer cells. Oncogene. 27(10):1376-86 (2008) 6. Histone chaperones regulate histone exchange during transcription. EMBO J. 26(21):4467-74 (2007)

한국기계연구원은 자체 발간한 월간 정책분석지 '기계기술정책' 6월호에서 곽기호 선임연구원이 작성한  '대만 기계산업 동향 분석'을 분석한 결과, 대만 기계산업의 대중(對中) 수출 증가율이 지난 2011년 1월 중국과 대만 간의 경제협력기조협정(ECFA)이 EHP를 통해 조기 실시된 후 우리나라를 앞선 것으로 나타났습니다.

또 주요 품목에서의 수출경합도도 심화되고 있어, ECFA 후속 협상 타결 이전 우리나라 기계산업의 대응책 마련이 시급한 것으로 분석됐습니다.

보고서에 따르면 대만 기계산업 생산액은 2011년 기준 약 327.5억 달러로 우리나라의 약 1/3 수준이나, ECFA EHP 실시에 힘입어 對中 수출액은 2010년 대비 22.0% 증가한 71.5억 달러를 기록해 2004년 이후 최고 수준의 증가율을 보였습니다.

같은 기간 우리나라의 대중 수출액도 17% 증가하였으나 대만의 증가세에 뒤쳐졌으며, 2012년 상반기 중국의 경기 둔화 속에서도 대만의 對中 수출(1월~5월)은 24.8억 달러로 전년 동기 대비 19.5% 떨어졌습니다.

특히 기계산업 세부 품목 가운데 섬유기계, 공작기계류, 밸브, 동력 전달장치, 비전기식 기계류 부품 등은 이미 우리나라보다 對中 수출 규모가 크고 점차 수출 경합도가 심화되고 있어, 향후 ECFA 후속 협상 타결 시 국내 관련 업계가 어려움에 봉착할 가능성이 높은 것으로 나타났습니다.

이 보고서는 ECFA 후속 협상에 따른 관세 인하 효과가 더욱 커지기 전에 중국 현지화 전략 강화와 제품 서비스 통합 솔루션 제공을 통한 차별화, 고객선 유지 확보 노력 등이 강화되어야 함을 제시했습니다.

또 중국시장 진출 시 대만 기업을 활용하고, 풍력발전, 태양전지 등의 신재생에너지 분야에서 중국과 기술 협력을 하는 방안도 고려해야 할 것으로 분석했습니다.

 용 어 설 명

ECFA(Economic Cooperation Framework Agreement, 중국-대만 양안간 경제협력기조협의)
중국과 대만이 양안 간 경제협력 확대 및 통합을 목적으로 2010년 6월 29일 서명한 FTA 협정

EHP(Early Harvest Program, 조기수확프로그램)
협정 전체가 발효되기 전에 관세 양허가 가능한 일부 제품부터 조기에 무관세화    하는 조치

수출경합도(Export Similarity Index)
양국의 수출상품구조가 유사할수록 경쟁가능성이 높다는 가정 하에 특정시장에 대한 양국 수출상품구조의 유사성 정도를 계량화한 지수

차세대 에너지 생산기술 중 무한한 태양 빛을 이용한 태양전지는 소재나 사용목적, 효율 등에 따라 기술이 세분화됩니다.

그 중 식물의 광합성 원리를 이용한 염료감응형 태양전지는 현재 상용화된 실리콘이나 고분자 전지에 비해 만들기 쉽고, 경제적이며, 투명하게도 만들 수 있어 건물의 유리창 등에 직접 활용할 수 있는 차세대 고효율 전지로 각광 받고 있습니다. 

염료감응형 태양전지는 요오드를 포함하는 액체 전해질을 주로 사용하는데, 액체 전해질은 고온에서 팽창하여 새거나 안정성이 낮아 전극을 부식시키는 등 심각한 문제를 유발하기 때문에 고체 전해질로 대체하기 위한 연구가 진행 중입니다.

■ 연세대 김은경, 김종학 교수팀이 나노패턴기술을 이용해 더 많은 햇빛을 흡수해 전기를 만드는 태양전지를 개발했습니다. 

이번 연구는 나노패터닝이 광학적 특성을 변화시켜 빛의 반사를 통해 새어나가는 빛까지도 흡수하여 상당히 많은 양의 빛을 수확할 수 있다는 사실을 밝혀낸 것이 특징입니다.

연구팀은 나노미터 크기의 미세한 구멍을 메울 수 있는 전도성 고분자와 나노패터닝 기술을 이용해 안정하면서도 효율이 높은 전도성 고분자 기반의 염료감응형 태양전지를 개발했습니다.

이번 성과는 염료감응형 태양전지에 처음으로 나노패턴을 도입하여 빛 수확기술(Light Harvesting)을 활용했다는 점이 특징입니다.

빛 수확기술은  태양 빛을 흡수하여 전기로 바꿀 때 일정한 면적에서 더 많은 빛을 손실 없이 흡수해 전기를 생산하는 태양전지의 핵심 기술로, 실리콘 태양전지와 고분자 태양전지에서 이미 개발되어 효과가 입증되었습니다.

그러나 연료감응형 태양전지에서는 나노입자를 광전극으로 사용하고 이를 패터닝해야 하기 때문에 어려움이 많았습니다.

전도성 고분자와 고분자 전해질은 전도도가 높고, 기존의 염료감응형 태양전지의 액체전해질 단점을 극복할 수 있는 장점이 있지만, 대부분의 고분자는 크기가 크기 때문에 햇빛이 태양전지의 무기나노입자 사이의 구멍으로 침투할 수 없어 효율이 높은 태양전지 개발에 어려움이 있었습니다.   

특히 연구팀은 무기나노입자를 직접 나노크기로 작게 패터닝하여 광전극을 만들고, 흡수되지 못해 투과되는 빛까지도 반사시켜 빛을 수확하여 광전변환효율을 극대화시켰습니다.

PDMS 탄성체 스탬프를 이용한 나노패터닝 프로세스 및 대면적 광전극. (왼쪽 세 개의 그림) 나노 스탬프를 이용하여 패터닝을 하여 좋은 빛 반사특성을 갖는 광전극 제조. 여러 개의 나노스탬프를 이용하여 대면적의 광전극(400 cm2)을 만든 실제 사진. 여러 개의 스탬프나 큰 면적의 스탬프를 이용하여 더 넓은 면적의 광전극과 태양전지 모듈을 만들 수 있는 가능성을 제시하였다.

■ 연구팀의 기술은 기존 태양전지를 만드는 과정에서 1~2단계의 간단한 추가공정으로 나노패턴을 제작할 수 있기 때문에, 고가의 패턴장비와 노광장비가 필요한 공정에 비해 매우 간단해졌습니다.

또 스탬프의 크기와 개수를 조절하여 원하는 면적만큼 넓게 만들 수 있기 때문에 대면적화가 가능하고, 패턴스탬프를 여러 번 재사용해도 전혀 문제없어 경제적이며, 대량생산도 가능합니다.

아울러 마이크로미터에서 수백 나노미터까지 다양한 크기의 패턴과 다양한 모양의 패터닝이 가능하고, 이 기술을 빛 수확능력이 탁월한 광전극을 이용해 다양한 태양전지와 소자에도 활용할 수 있습니다. 

연구팀이 개발한 빛 수확용 광전극은 기존의 전도성 고분자 기반의 염료감응형 태양전지의 전류생산량을 40% 증대시키는 효과를 보이고 있습니다.

또 기존에 발표된 전도성 고분자 기반의 태양전지는 2~3%의 낮은 효율을 보이는 반면 이 기술을 적용하고 전도성 고분자 고체 전해질을 이용하면 7.03%의 높은 광전효율을 나타내고 있습니다.

연구팀은 이번 연구에 앞서 지난해 처음으로 열에 의해 중합되는 전도성 고분자 단량체를 나노크기의 구멍에 넣은 후, 그 속에서 직접 전도성 고분자를 키워 그것을 전해질로 이용해 효율이 높은 전도성 고분자 기반의 염료감응형 태양전지를 개발한바 있습니다.(Advanced Materials 지, 23, 1641-1646, 2011, 인용지수: 13.877) 

이번 연구는 연세대 김은경, 김종학 교수가 주도하고, 김정훈 박사, 고종관, 김병관 박사과정생이 참여했습니다.

연구결과는 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Ed., IF=13.455)'지 7월 9일 온라인판에 속표지논문으로 게재되고, 'Hot Paper'로 선정되었습니다.     
(논문명 : Nanopatterning of Mesoporous Inorganic Oxide Films for Efficient Light Harvesting of Dye-Sensitized Solar Cells)

나노패턴이 형성된 광전극이 들어오는 빛을 흡수하여 전기로 변환시키고, 흡수되지 못하고 투과되는 빛을 반사시켜 다시 전기에너지로 바꾸는 그림 (왼쪽아래). 20 나노미터 크기의 티타늄 산화물을 300 나노미터 크기의 패턴으로 만든 주사전자현미경 사진 (돋보기 안). 결함 없이 대면적 패턴이 가능함을 보여주는 주사전자현미경 사진 (둥근 바탕화면). 전도도가 높은 전도성 고분자를 의미하는 그림 (화학구조)

<연 구 개 요> Nanopatterning of Mesoporous Inorganic Oxide Films for Efficient Light   Harvesting of Dye-Sensitized Solar Cells Jeonghun Kim†, Jong Kwan Koh†, Byeonggwan Kim, Jong Hak Kim*, Eunkyoung Kim*  (Angewandte Chemie International Edition, 51, 28, 6864-6869 (2012) 7월 9일 출판) ○ 전도성 고분자와 태양전지 전도성 고분자는 전기를 흐르게 하는 기능성 고분자로서 전기로 색이 변하는 디스플레이부터 높은 전도도를 이용한 전극제조, 정공 전달 특성을 통한 LED, 태양전지 등 다양한 응용분야에 사용되고 있는 스마트 재료이다. 화학적 구조 변화를 통하여 다양한 특성을 제어할 수 있으며, 연구가 활발히 진행되고 있다. 미래 에너지 생산 기술가운데, 무한한 태양 빛을 이용하는 태양전지는 자연으로부터 많은 에너지를 얻을 수 있는 기술로서, 다양한 소재, 사용 목적, 효율에 따라 많은 기술로 세분화 되며, 상용화 및 저가화를 위해 많은 기술 개발이 활발히 이루어지고 있다. 이중, 염료감응형 태양전지는 실리콘, 고분자 태양전지에 비해 제조가 쉽고, 단가가 낮으며 상대적으로 높은 효율을 갖기 때문에 미래 태양전지중의 하나로 각광받고 있다. 염료감응형 태양전지는 요오드(I2)를 포함하는 액체전해질을 주로 사용하는데, 이 액체전해질은 고온에서의 팽창으로 인한 누출 및 낮은 안정성을 갖고, 전극의 부식과 같은 심각한 문제를 유발하기 때문에, 이를 고체전해질로 대체하기위한 기술이 활발히 진행되고 있다. 본 연구진은 열에 의해 중합이 되는 높은 전도도를 갖는 전도성 고분자를 정공전달물질로 이용하여 고체태양전지를 개발하였으며, 높은 성능을 보여주었다. 본 논문에서도 전도도가 높은 전도성 고분자를 이용하여 고체전해질로 사용하였으며, 높은 효율을 보여주었다.      ○ 빛 수확기술 최근 들어 세계적으로 태양전지 개발은 동일 면적에서 더 많은 빛을 손실 없이 흡수하여더 많은 전기를 생산해 낼 수 있는 기술개발에 많은 연구가 진행되고 있다. 빛 수확기술에는 나노와이어, 나노튜브, 광결정과 같은 나노구조를 이용하거나 반사필름의 부착, 산란을 일으키는 전해질 등, 빛을 효과적으로 이용하려는 시도가 활발히 이루어지고 있다.   나노 패턴을 이용한 빛 수확기술은 실리콘 태양전지, 고분자 태양전지에서 이미 개발되어 효과를 증명하였지만, 태양전지의 큰 주축인 염료감응형 태양전지에서는 나노입자를 광전극으로 사용하고 이를 패터닝 해야 하기 때문에 어려움이 있었다.  (그림 1) 나노패턴이 형성된 광전극 제조 방법. (a) 나노스탬프의 전자현미경 사진 및 실제 사진 (b) TiO2 계면 코팅 (c) 산성 TiO2 페이스트를 이용한 TiO2 층 제조. (d) 중성 TiO2 페이스트를 코팅. (e-g) 나노스탬프를 이용한 패터닝 공정. 본 연구에서는 PDMS 탄성체 패턴 스탬프를 이용하여 기존의 광전극 위에 간단한 방법으로 무기산화물 나노입자의 패턴을 효과적으로 제조하였다. [그림 1] 기존의 광전극 제조에 사용되는 나노입자 코팅액은 입자간의 밀집도를 높이기 위하여 산성 물질이 들어있다. 산성을 띄는 물질은 PDMS 탄성체의 표면을 -OH 작용기로 바꾸게 되고, 이 작용기는 TiO2 나노입자 표면에 존재하는 -OH와 반응하여 결합을 하게 되는데, 패터닝 공정에서 건조 후 나노스탬프를 떼어 내는 공정에서 소수성 성질을 갖는 PDMS가 뜯기어 TiO2 표면에 남게 된다. 이는 광전극 패턴 공정 후 친수성 염료용액을 이용하여 염료를 흡착할 때 친수성 용액이 소수성 TiO2 표면을 통해 들어갈 수 가 없고 염료가 흡착되지 않아 태양전지를 제조할 수 없게 된다. [그림 2d-e] 반면에 중성을 띄는 TiO2 코팅액은 PDMS 표면과 반응하지 않아 PDMS 잔류물 없이 떼어진다. 따라서 염료가 효과적으로 흡착되게 된다. [그림 2b-c] 이 후에 전도성 고분자를 투입시켜 중합한 후[그림2 f-h] 최종적으로 요오드가 들어가 있지 않은 고체상 염료감응태양전지를 제조한다.[그림 2a]  (그림 2) (a) 제조된 태양전지 구조. (b-c) 중성 페이스트로 만든 TiO2 광전극의 염료흡착실험. (d-e) 산성 페이스트로 만든 TiO2 광전극의 염료흡착. (f-h) 광전극의 나노구멍에 전도성 고분자 투입. (i) 대면적 전극 위에 나노패턴 생성 후 바로 찍은 사진. (j) 고온에서 열처리 한 후 만든 광전극. (k-l) 염료가 흡착된 빛 반사특성을 가지는 대면적 광전극. ○ 나노 패턴 및 광학적 성질 본 논문에서는 주기가 600nm 이고 패턴 사이즈가 300nm 인 나노패턴 형성을 목표로 하였으며, 최적 패턴사이즈를 빛 반사 성능을 수식으로 부터 시뮬레이션을 통해 확인하였다. (그림 3) (a) 산성페이스트로 만든 광전극 표면 전자현미경 사진. (b-c) 산성페이스트로 만들어진 광전극위에 중성 페이스트를 이용하여 만든 나노패턴 단면 및 표면 전자현미경 사진. (d-e) 그림 b-c의 확대 전자현미경 사진. (f) 나노스탬프를 재사용하여 만든 나노패턴 전자현미경 사진. (g-h) 나노스탬프의 원자현미경 사진. (i-j) 나노패턴이 형성된 광전극의 표면 원자현미경 사진. 그림 3과 같이 전자현미경과 원자 현미경을 이용하여 나노스탬프와 패턴이 형성된 나노입자를 확인하였다. 고온에서 열처리 중에 유기물이 타면서 패턴 사이즈가 원래 사이즈에서 조금 줄긴 하였지만, 주기는 600nm로 유지하고 있음을 확인하였으며, 결함 없이 나노 선 패턴이 성공적으로 형성되었음을 확인하였다. 본 연구진은 마이크로부터 수백 나노 크기의 패턴까지 다양한 크기의 패턴과 다양한 모양의 패터닝이 가능하다는 것을 실험을 통해 밝혔다. 또한 사용한 스탬프는 계속 재사용할 수 있다는 것을 확인하였으며[그림 3f], 이를 통해 대량생산 공정에도 적용 가능함을 보여주었다. (그림 4) (a) 빛의 반사를 이용한 빛 수확기술의 모식도. (b) 나노패턴이 있는 전극과 없는 전극의 반사율 측정. (c) 제조된 염료감응태양전지의 단면 전자현미경 사진. (d) 전도성 고분자의 효과적인 침투를 확인하기 위한 염료감응태양전지의 단면 SEM-EDS 사진 (원소분석). (e) 제조된 태양전지의 전압-전류 그래프. (f) 제조된 태양전지의 양자효율 측정 그래프. 그림 4a는 광전극의 투명한 성질 때문에 광전극에서 모두 흡수되어 사용되지 못하고 나가는 빛이 나노패턴에서 반사되어 다시 광전극으로 들어와 흡수되어 빛이 수확되는 "빛 수확 (light harvesting)" 현상을 보여준다. 그림 4b에서 보는 바와 같이 나노패턴이 형성된 광전극은 가시광선 전 영역에서 기존의 광전극 보다 2배 가까운 빛 반사특성을 보여 기존의 염료감응형 태양전지가 모든 빛을 다 사용하지 못하고 투과시켜 버려지는 빛을 수확할 수 있다는 것을 확인하였다. 또한 전도성 고분자가 메조포러스 기공에 효과적으로 침투된다는 것을 SEM-EDS를 통해 확인할 수 있었다.[그림 4c-d] ○ 태양전지의 효율 및 다양한 응용가능성 패턴이 형성된 태양전지는 패턴이 없는 태양전지보다 전류밀도가 40% 증가하였으며, 전체적으로 태양전지 광전변환효율은 33% 증가하였다. [그림 4e-f] 나노패턴만을 이용하여 이정도의 효과는 보고된 바는 없다는 사실에서 효과적인 기술임이 입증되었다.  이 기술은 나노입자를 효과적으로 마이크로사이즈로부터 나노사이즈까지 이르는 패터닝 공정을 제시한 것으로써, 다양한 염료, 전해질, 무기 나노입자, 재료를 사용하는 염료감응형 태양전지뿐만 아니라 하이브리드 태양전지 및 다양한 광전소자에도 응용될 수 있으며, 패턴의 사이즈와 개수를 늘려 대면적화가 가능하고 나노스탬프를 계속적으로 사용될 수 있기 때문에 대량생산 및 모듈화가 가능한 나노패터닝 공정을 제시했다는 점에서 큰 의의가 있다.

 용  어  설  명

염료감응형 태양전지 (Dye-Sensitized Solar Cell, DSSC)
염료(색소)를 이용하여 태양 빛을 전기로 바꾸는 태양전지

전도성 고분자 (Conductive Polymer)
전기를 흐를 수 있게 하는 고분자이며, 공액구조 길이와 단분자 구조에 따라 광전특성이 제어되는 가볍고 유연한 전자 소재임. 디스플레이, 투명전극, 태양전지, 발광소자 등에 두루 사용되고 있는 핵심 기능성 고분자.

광전변환 효율 
빛을 전기로 바꾸는 효율로, 높을수록 더 많은 전기를 생산할 수 있음

전도성 고분자 
전기를 흐를 수 있게 하는 고분자로서, 태양전지 개발에 핵심이 되는 기능성 고분자

패터닝(patterning)
일정한 크기와 형태를 갖도록 만드는 작업

빛 수확기술(Light Harvesting)
태양 빛을 흡수하여 전기로 바꿀 때 일정한 면적에서 더 많은 빛을 손실 없이 흡수하고 이용하여 더 많은 전기를 생산하는 태양전지의 효율 증대를 위한 핵심기술

중합(polymerization)
단량체 화학반응으로 2개 이상 결합하여 분자량이 큰 화합물을 생성하는 반응 

단량체(monomer)
고분자화합물을 구성하는 단위가 되는 분자량이 작은 물질

Angewandte Chemie International Ed. 
응용화학 연구 분야에서 최고의 권위를 인정받고 있는 대표과학전문지 ,전 과학 분야에서 상위 1.1% 이내에 랭크되는 학술지로, 융합(Multidisciplinary) 분야에서 4.6%(7위/152개) 이내에 든다. (피인용지수: 13.455)

Advanced Materials 
재료과학 연구분야에서 최고의 권위를 인정받는 학술지로, 화학 (Chemistry)과 융합(Multidisciplinary)분야에서 3.9%(6위/152개) 이내 재료과학(Materials Science)과 융합(Multidisciplinary)분야 2.6%(6위/231개)안에 든다. (피인용지수: 13.877) 

Advanced Functional Materials
재료과학 연구분야에서 최고의 권위를 인정받는 학술지로, 화학 (Chemistry)과 융합(Multidisciplinary)분야에서 6.5%(10위/152개) 이내  재료과학(Materials Science)과 융합(Multidisciplinary) 분야 4.3%(10위/231개)안에 든다. (피인용지수: 10.179)

 
<광전극 제조 프로세스 동영상>

1. 동영상 #1: 나노스탬프를 이용한 나노패터닝
링크:http://web.yonsei.ac.kr/eunkim/Supplementary.htm 
다운로드:http://webhard.yonsei.ac.kr/pub.php?get=YXZ0aTYrWVlQV3FBRlJ5WHd2VWtXQT09.avi

2. 동영상 #2: 결함 없는 탈착공정
링크 :http://web.yonsei.ac.kr/eunkim/Supplementary.htm
다운로드:http://webhard.yonsei.ac.kr/pub.php?get=eWQ5clM2YUlsTzVrTUhjT0JSTXgxdz09.avi

3. 동영상 #3: 나노패턴이 형성된 대면적 광전극
링크:http://web.yonsei.ac.kr/eunkim/Supplementary.htm
다운로드:http://webhard.yonsei.ac.kr/pub.php?get=S3NuMlBVN21weDlLb0FPSUEvOUVEdz09.avi

<김은경 교수> 1. 인적사항  ○ 소 속 : 연세대학교 화공생명공학과                     ○ home-page: http://web.yonsei.ac.kr/eunkim    http://web.yonsei.ac.kr/APCPI 2. 학력  ○ 1978 - 1982  연세대학교 화학과 학사      ○ 1982 - 1984  서울대학교 화학과 석사     ○ 1985 - 1990  미국 University of Houston, 화학과 박사 3. 경력사항  ○ 1990 - 1992  University of Houston, 화학과, Visiting Assistant Professor  ○ 1992 - 2004  한국화학연구원, 화학소재부, 책임연구원  ○ 2004 - 현재  연세대학교 화공생명공학과 교수     ○ 2004 - 현재  Adjunct Principal Research Scientist, KRICT  ○ 2006, 2007, 2009  Invited Professor, Ecole Normale Superieure de Cachan,   Paris-6 Univ., Rennes Univ., France   ○ 2006 - 2010 나노기술을 이용한 바이오 융합사업 혁신클러스터, 센터장  ○ 2007 - 현재  ERC (패턴집적형 능동폴리머 소재연구센터) 센터장   ○ 2012 Invited Professor, Ecole Normale Superieure de Lyon, France 4. 전문 분야 정보  ○ 교육과학기술부?한국연구재단 선도연구센터(ERC) 센터장 (2007 - 현재)  ○ 나노기술을 이용한 바이오 융합산업 혁신 클러스터, 센터장, (2006 - 2011)  ○ SCI 논문 136편 및 특허 100 건 이상 5. 수상 경력  ○ 2001 제1회 올해의 여성 과학기술자상, 과학기술부   ○ 2006 일본화상학회 회장특상  ○ 2009 제4회 아모레퍼시픽(AMOREPACIFIC) 여성과학자상 대상 외 다수  6. 주요 논문업적 - 유기합성을 기반으로 한 공액구조의 기능성고분자 합성 및 응용에 대한 연구를 지향하며, 특히 전도성고분자, 형광고분자를 이용한 디스플레이, 센서, 태양전지, 줄기세포 연구 등의 다양한 응용분야에 폭넓은 연구를 진행하고 있으며, 패터닝 공정을 이용한 광전기적 특성을 제어하는 연구를 활발히 진행하고 있다. Angewandte ChemieInt. Ed., Advanced Materials, Advanced Functional Materials, ACS nano, Chemical Communications, Journal of Materials Chemistry, Macromolecules의 최상급 저널을 포함하여 136편 이상의 SCI 논문을 발표. 국내외 특허 출원 및 등록 100여건 이상.

<김종학 교수> 1. 인적사항  ○ 소 속 : 연세대학교 화공생명공학과               ○ home-page: http://web.yonsei.ac.kr/EML 2. 학력  ○ 1998   연세대학교 화학공학과 공학사   ○ 2000   연세대학교 화학공학과 공학석사  ○ 2003   연세대학교 화학공학과 공학박사  ○ 2005   MIT 재료공학과 박사후 연구원  3. 경력사항   ○ 연세대학교 화학공학과 공학사 (1998)  ○ 연세대학교 화학공학과 공학석사 (2000)  ○ 연세대학교 화학공학과 공학박사 (2003)     ○ MIT 재료공학과 박사후 연구원 (2005)  ○ 연세대학교 화공생명공학과 조교수, 부교수 (2005-현재) 4. 전문 분야 정보  ○ 2006 - 현재: 한국 막학회 학술이사, 편집이사, 기획이사  ○ 2007 - 현재: 한국 화학공학회 NICE지 편집위원  ○ 2011 - 현재: 한국 광과학회 이사  ○ 2012 - 현재: 한국 청정기술학회 이사  ○ 2007년 연세대 우수강의 교수상   ○ 2009년, 2011년 연세대 우수업적 교수상   ○ 2011년 한국막학회 논문상 수상  5. 주요 논문업적 - 신에너지 전기화학 소재 분야와 (태양전지, 연료전지, 리튬전지 등), 기능성 고분자, 유무기 나노소재, 나노 복합체, 고분자 전해질, 나노입자 그리고 나노 분리막 분야의 연구를 지향하며, Angewandte ChemieInt. Ed., Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Chemical Communications, Journal of Materials Chemistry, Journal of Physical Chemistry, Macromolecules, Journal of Membrane Science 등 총 160여 편 게재. 국내외 특허 출원 및 등록 50여건.

<한국항공우주연구원 제공>

나로호 3차 발사가 오는 10월로 확정됐습니다.

교육과학기술부는 19일 제5차 ‘국가우주위원회’를 열고 한국항공우주연구원이 제출한 ‘나로호 3차 발사 계획서’에 대해 원안대로 심의·의결했습니다.

그동안 한국항공우주연구원은 지난 나로호 1, 2차 발사 실패 원인을 분석해 나로호 상단부의 보완 조치를 완료했습니다.

또 지난 5일 이송준비 검토회의를 갖고 나로호 상단부를 전남 고흥 나로우주센터로 이송하기 위한 최종 점검을 완료한 상태입니다.

나로우주센터의 발사대 시스템은 지난 5월부터 성능확인 시험을 수행 중입니다.

아래 사진은 지난 1차 발사 때 한 쪽 덮개가 전개되지 않았던 것을 보완한 페어링 분리 시험입니다.

<한국항공우주연구원 제공>

■ 이번 나로호 3차 발사에 탑재되는 위성은 '검증위성'입니다.

원래 나로호 실릴 위성은 과학기술위성 2호로, 만약의 경우에 대비해 동일한 규격의 2A호와 2B호가 함께 제작됐습니다.

그러나 두 차례의 발사 실패로 모두 사라졌고, 이후 3차 발사 준비까지 동일한 위성을 다시 만들 시간이 부족해 약간의 기능이 축소된 검증위성을 싣게 된 것입니다.

하지만 성능은 당초 계획된 과학기술위성 2호와 대부분 동일하다고 합니다.

현재 이 위성은 KAIST 인공위성연구센터에서 최종 조립을 마치고 성능 검증작업이 진행 중입니다.

<한국항공우주연구원 제공>