암세포 장벽 분해하는 나노물질로

암 치료의 새로운 장(場) 연다. 

암세포 장벽 분해하는 효소 발현하는 나노물질인 재조합 ‘엑소좀’ 개발

종양 미세환경 리모델링(세포외 기질 분해), 암 치료제 분야 연구에 활용

 

엑소좀*(Exosome)은 세포가 분비하는 세포간 신호전달물질로서 최근 세포 재생 및 치료, 진단 연구의 핵심과제로 떠오르는 나노물질이다. 최근 국내연구진은 암 세포 주변에 두텁고 치밀하게 발현하여 약물전달 및 면역세포의 접근을 방해하는 세포외 기질(extracellular matrix)** 장벽을 효과적으로 분해하는 엑소좀을 개발하여 암 성장을 억제시킬 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 
*엑소좀 : 세포 간 정보교환을 위해 분비하는 나노 사이즈의 막구조를 가진 소포체. 막단백질의 운반체로 유용함.
**세포외 기질(extracellular matrix) : 조직내 또는 세포외의 공간을 채우고 있는 생체고분자의 집합체.

<그림 1> 재조합 인간 히알루로니다아제 (rHuPH20)와 히알루로니다아제 엑소좀 (Exo-PH20)의 효소 활성 비교 및 암세포 주변에 과발현된 히알루론산 분해능 비교.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 테라그노시스연구단 김인산, 양유수 박사 연구팀은 세포외기질 분해 효소인 ‘히알루로니다아제’***(PH20)를 발현하는 엑소좀(Exosome) 개발에 성공했다. 이 ‘효소 엑소좀’은 암 세포 주위의 세포외 기질을 효과적으로 분해하여 약물과 면역세포의 침투를 증가시키고, 종양 동물 모델에서 암 성장을 억제시킬 수 있다.
***히알루로니다아제 : 세포외기질의 주된 성분인 ‘히알루론산’을 분해하는 효소. 본 연구에서 ‘PH20’을 사용.
 

<그림 2> 히알루로니다아제 엑소좀 (Exo-PH20)에 의해 암세포로의 나노입자 및 면역 세포 접근이 증가되었음을 확인.

히알루로니다아제는 세포막 표면에 발현되는 단백질로, 이러한 막단백질은 그 활용 가능성이 높은데도 불구하고 발현 및 정제 조건의 확립이 어렵기 때문에, 막에 결합하는 부분이 절단된 재조합 단백질 상태로 생산된다. 최근 할로자임 테라퓨틱스(Halozyme Therapeutics, Inc.)사에서는 인간에 적용 가능한 ‘재조합 인간 히알루로니다아제(rHuPH20)’을 개발하여 현재 항암 치료를 위한 임상실험을 진행 중에 있다. 그러나 KIST 연구진이 개발한 히알루로니다아제는 엑소좀 막에 결합된 상태이며, 할로자임 테라퓨틱스의 ‘재조합 인간 히알루로니다아제’ 보다 약 3배 정도 효소 활성이 높은 것으로 확인되었다. KIST 연구진이 개발한 ‘효소 엑소좀’은 암세포 성장의 지지기반을 무너뜨려, 암 성장 저해를 유도하였다. 또한 연구진은 효소 엑소좀에 의해 암세포 장벽이 무너지면, 면역세포가 암 조직 내로 침투하는 정도가 향상되며, 항암제(독소루비신)가 암 세포 깊숙이 전달되어 항암 효과를 상승시킬 수 있음을 보였다.

<그림 3> 항암제를 담지한 히알루로니다아제 엑소좀 (Exo-PH20Dox)을 이용한 효과적인 약물 전달

<그림 4> 효소 엑소좀을 이용한 종양 미세환경 리모델링 도식화

KIST 양유수 박사는 “본 연구를 통해 막단백질 치료제로서 엑소좀의 활용 가능성을 제시할 수 있었으며, 개발한 히알루로니다아제를 함유한 엑소좀은 항암(면역) 치료제 및 약물 전달체로 활용이 가능할 것으로 기대한다.”고 밝혔다.
 
본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 중견연구자 지원사업과 보건복지부 암정복추진연구개발사업으로 이루어졌으며, 연구결과는 국제학술지인 ‘Advanced Functional Materials’(IF : 12.124, JCR 분야 상위 4.73%)에 12월 4일(월)자 온라인에 게재되었다.

 

 * (논문명) Exosome as a vehicle for delivery of membrane protein therapeutics, PH20 for enhanced tumor penetration and anti-tumor efficacy
         - (제1저자) 한국과학기술연구원 홍연선 연구원(박사과정)
         - (교신저자) 한국과학기술연구원(KIST) 김인산 박사, 양유수 박사

 

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나노 소재 복합화를 통한 경제성 있는

나트륨 기반 이차전지 전극 소재 개발

온실가스 저감 및 차세대 고효율 전기 에너지 저장 시스템의 원천 기술 기대

 

정경윤 박사

기존 화석 연료를 주로 사용하던 에너지원은 점차 재생 가능한 에너지를 활용하는 신재생에너지로 이동하고 있다. 신재생에너지의 대표적인 예로 태양광, 풍력, 수력 및 조력 등은 에너지 발생을 자연현상에 의존하고 있기 때문에 에너지 발생이 간헐적이고, 또한 생산된 전기에너지는 즉각적으로 사용가능한 고품질의 전기가 아니라는 단점이 있다. 따라서 신재생에너지에 의해 발생된 전기에너지의 품질을 향상시키고 사용자가 원하는 시간대에 사용할 수 있도록 하기 위해, 생산된 전기에너지를 저장하였다가 필요할 때 사용할 수 있는 에너지 저장 시스템(ESS, Energy Storage System)이 필요하다. 최근 리튬이온전지(LIB, Lithium-Ion Batteries)와 유사하나 리튬 대신 소금의 주요 원소인 나트륨을 활용하는 나트륨이온전지(SIB, Sodium-Ion Batteries)가 잠재적 후보로 등장했다. 나트륨은 리튬대비 자원이 풍부하여 리튬이온전지 대비 가격 경쟁력이 우수한 ESS를 구성할 수 있는 장점이 있으나 이를 실현하기 위해서는 고성능의 전극 재료에 대한 연구가 필요한 상황이었다.

<그림 1> 나노 복합체 음극 SnF2/C와 마이크로 크기의 SnF2 음극의 수명 특성 비교 나노 복합체 음극 SnF2/C는 마이크로 크기의 SnF2 음극대비 높은 초기용량을 나타내며, 수명 유지율 또한 월등히 우수하다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 에너지융합연구단 정경윤 박사팀은 새로운 나노복합체(플루오린화 주석(SnF2)과 탄소(C))를 기반으로 하는 나트륨이온전지용 새로운 음극재 개발에 성공했다. 연구진이 개발한 음극재는 나노 크기의 플루오린화 주석(SnF2)과 고전도성 아세틸렌 블랙(C)을 불활성 조건에서 혼합한 후, 볼 밀링 방법을 적용하여 제조하였다. 연구진은 제조 환경을 적절히 조절하여 두꺼운 탄소 층으로 캡슐화 된 나노복합체를 제조하여 나트륨 이온전지에 적용하는 기술을 개발했다.

<그림 2> 합성 과정 개요 및 나노 복합체 음극 SnF2/C의 전자현미경 사진 합성 과정인 볼 밀링 프로세스의 개요(좌) 및 합성된 복합체의 전자현미경 사진(우)으로, SnF2의 입자 크기는 대략 25nm이며, 해당 나노 입자를 탄소 코팅층이 캡슐화 하고 있는 것으로 나타낸다.

 

연구진은 개발한 나노 복합체 음극(SnF2/C)이 563mAh/g의 높은 성능을 나타내는 것을 확인하였으며, 이는 복합화 되지 않은 SnF2 전극의 가역 용량(323mAh/g)에 비해 약 두 배 가량 향상되었음을 보여주었다. 수명 특성 또한 복합화되지 않은 SnF2 전극은 지속적인 용량 감소를 나타내며 충·방전 50 회차 시 49mAh/g의 용량을 나타내나, 나노 복합체 음극(SnF2/C) 전극은 동일한 충·방전 회차 시 337mAh/g의 높은 용량을 유지하여 수명 특성이 획기적으로 향상된 것을 확인했다. 연구진은 나노복합화를 통해 향상된 수명 특성의 효과를 이끌어 내었다. 본 연구를 주도한 KIST 정경윤 박사는 “본 연구에서 개발된 나노 복합체(SnF2/C)는 나트륨이온이차전지에 적용하여 전지 성능(에너지밀도)을 획기적으로 향상 시킬 수 있는 기술로 향후 나트륨이온이차전지를 에너지 저장 시스템에 적용하는데 기여할 것으로 기대한다.” 라고 밝혔다.

 

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)지원으로 KIST 기관고유사업으로 수행되었으며, 연구결과는 나노기술 분야의 국제학술지 ‘Nano Energy’(IF : 12.343) 최신호에 게재되었다.

* (논문명) Elucidating the reaction mechanism of SnF2@C nanocomposite as a high-capacity anode material for Na-ion batteries
      - (제 1저자) 한국과학기술연구원 Ghulam Ali 박사 (박사 후 연구원)
      - (교신저자) 한국과학기술연구원 정경윤 박사

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새로운 실리콘 음극재 개발로

배터리를 부피팽창 없이 오래 쓴다

실리콘 나노입자를 내장(embedding)한 음극재로 부피 팽창 억제 
500회 이상의 안정적인 충·방전 가능, 기존 흑연 음극재 성능 뛰어넘어

 

리튬이온전지는 1990년대 소니(SONY)에 의해 최초로 상용화되어 현재 휴대폰, 노트북의 소형 전원에서 에너지저장시스템(ESS, Energy Storage Systems) 등의 대용량 전원까지 활용되고 있으며, 그 수요가 증가하고 있다. 이에 리튬이온전지의 성능(에너지밀도)을 증대시키기 위해 양극 소재에 대한 개발이 활발히 진행되어 고용량의 양극 소재가 적용되고 있으나, 음극 소재는 상용화 후 30년 가까이 지난 지금까지도 흑연 소재 음극재(약 370mAh/g)를 사용하고 있어 한계에 가까워진 실정이다. 최근 국내 연구진이 흑연 음극재를 대체할 실리콘 기반의 음극재를 개발하여 리튬이온전지의 성능(에너지 밀도)과 수명 특성을 획기적으로 향상시켰다고 밝혔다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 녹색도시기술연구소 에너지융합연구단 정훈기 박사 연구팀은 기존 실리콘 기반 음극재 상용화의 기술적 장벽이었던 부피 팽창 문제를 획기적으로 해결하는 방법으로 단단한 다공성 구형 탄소 구조체에 실리콘 나노입자를 내장(embedding)시킨 음극재를 개발하였다.

(그림)제조된 실리콘계 음극재 소재의 미세구조, 충방전시 실리콘 나노입자의 거동 분석 결과 및 모식도, 리튬이온전지 성능 특성 평가 결과

이론적으로 실리콘 기반 음극재는 상용화된 흑연계 음극재보다 10배 이상의 높은 용량을 가진다고 알려져 있으며, 세계적으로 활발한 연구가 진행되고 있다. 그러나 실리콘 음극재는 충전과 방전을 반복함에 따라 약 4배 정도의 부피 변화를 동반하고 심지어 입자가 부서지거나 전극이 벗겨짐으로 인해 전지 성능을 급격히 감소시키는 문제가 상용화에 걸림돌이 되어왔다.
 
그동안 리튬이온전지로의 상용화를 위해 실리콘 음극재의 부피팽창을 억제하는 연구로는 전도성 소재의 표면 코팅, 다공성 실리콘 입자 기술 등 많은 공정을 거치는 방법으로 고성능과 안정된 충·방전 성능을 구현해왔다. 그러나 KIST 연구진은 간단한 수열합성방법이라는 한 번의 공정만으로 단단한 구형의 다공성 탄소 입자 내에 50 나노(nm) 이하의 실리콘 나노 입자를 캡슐화 및 고정화시켜 내장함으로서 ‘실리콘 내장 탄소 복합 재료’(Silicon Nanoparticles Embedded in Micro-Carbon Sphere Framework)를 개발하였다. 연구진은 ‘실리콘 내장 탄소 복합재료’를 음극재로 이용하여, 충·방전 시 실리콘 나노 입자의 부피 팽창을 한정된 공간인 다공성 탄소 입자 기공 내에 일어나도록 유도함으로서 전극의 벗겨짐 현상 또는 부피 팽창을 억제하여 성능 저하를 최소화 시켰다. 동시에 반복되는 충·방전을 통해 실리콘 나노 입자의 부피가 팽창하면서 점점 더 작은 크기로 부서져, 다공성 탄소 기공 내에 안정적인 위치로의 재배치가 이루어지게 하여 부피팽창 없이 500회(cycle) 이상 안정적인 충·방전이 가능한 성능을 구현하였다. 또한 연구진은 개발된 실리콘 음극재가 기존의 흑연계 음극재의 성능에 비해 4배 가량 상회하는 것을 확인함으로서, 배터리의 오랜 수명과 고출력을 구현하는데 성공했다.

 

본 연구를 주도한 KIST 정훈기 박사는 “이번 연구는 실리콘 음극재의 구조적 안정성과 고성능을 동시에 확보한 결과”라고 말하며, “안전하고 오래 쓸 수 있는 리튬이온전지용 실리콘 음극재의 상용화를 앞당겨, 향후 고용량 리튬이온전지가 전기자동차와 에너지저장시스템(ESS)으로의 적용을 기대한다.”고 밝혔다.

 

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 영펠로우(Young Fellow) 사업, 한국연구재단의 중견연구자 지원사업(과제책임자, KIST 정훈기) 등을 통해 수행되었으며, 연구결과는 나노기술 분야의 국제학술지 ‘Nano Letters’(IF:12.712)에  8월 28일 온라인 게재되었다.

 

 * (논문명) Self-Rearrangement of Silicon Nanoparticles Embedded in Micro-Carbon Sphere Framework for High-Energy and Long-Life Lithium-Ion Batteries
    - (제1저자)  한국과학기술연구원 정민기 학생연구원(한양대학교 박사과정)
    - (교신저자) 한국과학기술연구원 정훈기 박사

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실리콘 나노입자 내장(embedding)한 음극재로 부피 팽창 억제 
500회 이상의 안정적인 충·방전 가능,

기존 흑연 음극재 성능 뛰어넘어

 

리튬이온전지는 1990년대 소니(SONY)에 의해 최초로 상용화되어 현재 휴대폰, 노트북의 소형 전원에서 에너지저장시스템(ESS, Energy Storage Systems) 등의 대용량 전원까지 활용되고 있으며, 그 수요가 증가하고 있다. 이에 리튬이온전지의 성능(에너지밀도)을 증대시키기 위해 양극 소재에 대한 개발이 활발히 진행되어 고용량의 양극 소재가 적용되고 있으나, 음극 소재는 상용화 후 30년 가까이 지난 지금까지도 흑연 소재 음극재(약 370mAh/g)를 사용하고 있어 한계에 가까워진 실정이다. 최근 국내 연구진이 흑연 음극재를 대체할 실리콘 기반의 음극재를 개발하여 리튬이온전지의 성능(에너지 밀도)과 수명 특성을 획기적으로 향상시켰다고 밝혔다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 녹색도시기술연구소 에너지융합연구단 정훈기 박사 연구팀은 기존 실리콘 기반 음극재 상용화의 기술적 장벽이었던 부피 팽창 문제를 획기적으로 해결하는 방법으로 단단한 다공성 구형 탄소 구조체에 실리콘 나노입자를 내장(embedding)시킨 음극재를 개발하였다. 이론적으로 실리콘 기반 음극재는 상용화된 흑연계 음극재보다 10배 이상의 높은 용량을 가진다고 알려져 있으며, 세계적으로 활발한 연구가 진행되고 있다. 그러나 실리콘 음극재는 충전과 방전을 반복함에 따라 약 4배 정도의 부피 변화를 동반하고 심지어 입자가 부서지거나 전극이 벗겨짐으로 인해 전지 성능을 급격히 감소시키는 문제가 상용화에 걸림돌이 되어왔다. 그동안 리튬이온전지로의 상용화를 위해 실리콘 음극재의 부피팽창을 억제하는 연구로는 전도성 소재의 표면 코팅, 다공성 실리콘 입자 기술 등 많은 공정을 거치는 방법으로 고성능과 안정된 충·방전 성능을 구현해왔다. 그러나 KIST 연구진은 간단한 수열합성방법이라는 한 번의 공정만으로 단단한 구형의 다공성 탄소 입자 내에 50 나노(nm) 이하의 실리콘 나노 입자를 캡슐화 및 고정화시켜 내장함으로서 ‘실리콘 내장 탄소 복합 재료’(Silicon Nanoparticles Embedded in Micro-Carbon Sphere Framework)를 개발하였다. 연구진은 ‘실리콘 내장 탄소 복합재료’를 음극재로 이용하여, 충·방전 시 실리콘 나노 입자의 부피 팽창을 한정된 공간인 다공성 탄소 입자 기공 내에 일어나도록 유도함으로서 전극의 벗겨짐 현상 또는 부피 팽창을 억제하여 성능 저하를 최소화 시켰다. 동시에 반복되는 충·방전을 통해 실리콘 나노 입자의 부피가 팽창하면서 점점 더 작은 크기로 부서져, 다공성 탄소 기공 내에 안정적인 위치로의 재배치가 이루어지게 하여 부피팽창 없이 500회(cycle) 이상 안정적인 충·방전이 가능한 성능을 구현하였다. 또한 연구진은 개발된 실리콘 음극재가 기존의 흑연계 음극재의 성능에 비해 4배 가량 상회하는 것을 확인함으로서, 배터리의 오랜 수명과 고출력을 구현하는데 성공했다. 본 연구를 주도한 KIST 정훈기 박사는 “이번 연구는 실리콘 음극재의 구조적 안정성과 고성능을 동시에 확보한 결과”라고 말하며, “안전하고 오래 쓸 수 있는 리튬이온전지용 실리콘 음극재의 상용화를 앞당겨, 향후 고용량 리튬이온전지가 전기자동차와 에너지저장시스템(ESS)으로의 적용을 기대한다.”고 밝혔다.

<그림 1> 제조된 실리콘계 음극재 소재의 미세구조, 충방전시 실리콘 나노입자의 거동 분석 결과 및 모식도, 리튬이온전지 성능 특성 평가 결과

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 영펠로우(Young Fellow) 사업, 한국연구재단의 중견연구자 지원사업(과제책임자, KIST 정훈기) 등을 통해 수행되었으며, 연구결과는 나노기술 분야의 국제학술지 ‘Nano Letters’(IF:12.712)에  8월 28일 온라인 게재되었다.

 

 * (논문명) Self-Rearrangement of Silicon Nanoparticles Embedded in Micro-Carbon Sphere Framework for High-Energy and Long-Life Lithium-Ion Batteries
    - (제1저자)  한국과학기술연구원 정민기 학생연구원(한양대학교 박사과정)
    - (교신저자) 한국과학기술연구원 정훈기 박사

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화학용액 침투공정으로 고온에서 나노 촉매를 합성하는 매커니즘 규명
나노 촉매 접합된 전극으로 향상된 성능의 가역 고체산화물전지 상용화 기대

 

가역 고체산화물전지(Reversible Solid Oxide Cell, RSOC)*는 수소를 연료로 하여 전기를 생산하고, 물을 전기로 분해하여 수소를 생산하는 에너지 저장기능을 단일 시스템에서 동시에 수행 가능하여 미래 청정에너지 기술로 큰 기대를 받고 있다. 최근 국내 연구진이 전력과 수소 생산이 가능한 고온에서 작동하는 가역 고체산화물전지의 성능과 안정성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 나노 촉매 기술을 개발했다고 밝혔다.
*가역 고체산화물전지 : 수소와 같은 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 연료전지 반응과 물을 수소와 공기로 분리시키는 전해반응이 합쳐진 고체산화물로 이루어진 에너지 변환장치.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 고온에너지재료연구센터 윤경중 박사팀은  고온에서 안정된 구조를 유지할 수 있는 나노 사이즈의 촉매를 개발하였고, 이를 가역 고체산화물전지에 적용하여 전력 생산과 수소 생산의 효율과 장기 안정성을 크게 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다. 현재 다양한 분야에 적용되고 있는 나노 소재 기술이 가역 고체산화물전지의 성능향상을 위해 접목되는 연구가 주목받고 있다. 하지만 가역 고체산화물전지는 700도 이상의 높은 온도에서 작동하고, 이러한 고온의 환경에 나노 소재가 노출될 경우 화학적, 구조적 변형이 발생한다. 따라서 고성능 및 안정성 확보가 매우 어려워져 이 분야에 나노 기술을 적용하는 것은 한계가 있었다.

KIST 윤경중 박사팀은 나노 촉매의 형상과 크기, 분포를 정확히 조절할 수 있는 화학용액 침투공정을 개발하여 이 문제를 해결하였다. 온도가 높아지는 과정에서 화학용액으로부터 나노 촉매가 형성되는 메커니즘을 규명하고, 화학적·구조적 특성을 결정하는 단계들을 제어하여 700도 이상의 고온에서도 안정적인 나노 촉매가 접합된 고성능 전극을 제조하였다. 연구진은 일반적인 화학용액 침투 공정과 달리 용액의 건조가 일어나기 전에 화학적으로 침전을 일으키고 침전물을 전극 표면에 부착시키는 기술을 개발하여 건조되는 과정에서 발생되는 불확실성을 제거하고 나노 촉매의 분포와 크기를 정확히 제어할 수 있었다. 연구진이 최적의 나노 전극 구조를 구현한 결과, 기존 전극이 적용된 연료전지에 비하여 전력생산은 1.5배, 수소 생산량은 2배 이상 향상되었고 장시간동안 나노소재의 변형으로 인한 성능 감소가 전혀 발생하지 않는 안정적인 특성을 나타내는 것을 규명했다.  KIST 윤경중 박사는 “이번 나노 촉매 기술 개발과 구현된 고성능 전극으로 다양한 나노 기술들이 고온에서 안정적으로 사용될 수 있는 플랫폼을 제공할 것이며, 가역 고체산화물전지의 상용화를 앞당기는데 크게 기여할 것으로 예상된다.”라고 말하며, “이는 미래 신재생 에너지 시스템의 중추적인 역할을 하게 될 것으로 기대된다.”고 밝혔다.

 

 

<그림 1> 나노촉매 제조 과정 (좌측), 나노 촉매가 접합된 전극 구조 (우측)

연구진은 향후 에너지 저장과 전력 생산이 가능한 가역 고체산화물전지를 신재생 에너지원과 결합한 하이브리드 시스템을 구축하여 온실가스 감축과 수소 경제 시대 구현에 기여할 것으로 전망하고 있다. 본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 지원으로 KIST 기관고유사업과 산업부 에너지기술평가원 에너지기술개발사업으로 수행되었으며 연구결과는 나노에너지(IF : 11.553)에 4월 18일(화) 온라인 게재되었다.

 

* (논문명) Nano-tailoring of infiltrated catalysts for high-temperature solid oxide regenerative fuel cells

          - (제1저자 및 교신저자) 한국과학기술연구원 윤경중 책임연구원

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규칙적인 구멍을 형성한 그래핀 메쉬(mesh) 소재, 뛰어난 열전 성능 보여
향후 열에너지를 변환하는 웨어러블, 플렉시블 열전소자에 적용 기대 

 

전자 산업의 급속한 발전으로 웨어러블 및 스마트 밴드와 같은 고성능 모바일 전자기기의 사용이 급증하면서 신(新)개념의 자가발전 에너지 변환재료의 개발 필요성이 증대되고 있다. 그 중 열에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 열전 기술은 향후 원격 의료기기 및 IoT 모바일 기기 등의 자가 전원으로 널리 활용 가능한 기술이다. 최근 국내 연구진이 꿈의 나노 물질인 그래핀에 규칙적으로 구멍을 뚫어 그래핀 나노메쉬(graphene nanomeshes)* 구조를 제작하고 그 특성을 제어하여, 높은 열전성능을 보일 수 있는 열전소자 개발에 성공했다.
*그래핀 나노메쉬 : 그래핀에 미세패터닝을 통한 나노 크기의 규칙적인 구멍을 뚫은 구조

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 손정곤 박사팀은 단일층 혹은 이중층의 그래핀에 마치 연탄처럼 10 나노(nm) 수준의 규칙적인 구멍을 형성하여 그래핀 나노메쉬 구조를 제작했다. 이 구조는 그래핀의 높은 열전도도를 획기적으로 낮추고, 높은 열전계수를 확보할 수 있게 된다. 연구진은 매우 미세한 패턴을 넓은 면적에 균일하게 구현하여 이 구조의 열전도도와 열전 특성을 세계 최초로 측정, 그 특성 변화를 제어하는 기술을 확보했다고 밝혔다.

열전재료의 성능은 온도변화에 따른 기전력 변화인 열전계수와 전기전도도에 비례하며, 열전도도에 반비례한다고 알려져 있다. 그래핀은 기존 소재들과 다른 특이성을 지니고 있는데, 전기전도도와 열전도도가 높고, 열전계수가 비교적 낮아 열전 특성의 극대화에 걸림돌이 되고 있었다.

본 연구진이 개발한 10 나노 수준의 그래핀 나노메쉬 구조는 열을 전달하는 전자는 손실 없이 흐르게 하고, 포논의 움직임이 제어되어 포논 산란(phonon scattering)**만을 선택적으로 유발하여 전기전도도는 유지하면서 열전도도를 획기적으로 낮췄다. 동시에 패턴으로 인해 양자화되면서 밴드갭(band gap)***을 생성하여 열전계수를 증가시켜 열전 성능을 비약적으로 상승시킬 수 있음을 실험적으로 입증하였다.
** 포논 산란 : 결정 내의 주기적인 격자의 진동을 입자로 표현한 포논의 전달 현상이 결정이 왜곡된 부분에서 이동 경로가

                  변경되는 현상
*** 밴드갭 : 반도체, 절연체의 구조에서 전자에 점유된 가장 높은 에너지와 낮은 에너지의 차이

연구진은 주로 이론적인 시뮬레이션을 통해서 여러 구조의 나노패턴이 제안되었던 수준에 그치고 있었던 것을 블록공중합체(block copolymer)****를 기반으로 하는 나노크기의 패턴을 만드는 나노리소그래피(nano-lithography)기술을 통해 10 나노 이하의 대면적 나노 패턴을 그래핀 위에 형성할 수 있었고, 이를 통해 초미세 패턴된 그래핀 소재의 열전달 현상 및 열전 특성의 분석이 가능할 수 있었다.
**** 블록공중합체 : 2종류 이상의 단량체가 AAAA-BBBB의 블록 형태로 연결된 고분자로, 나노구조를 자연스럽게

                         형성할 수 있는 소재

KIST 손정곤 박사는 “본 연구의 그래핀 나노패턴을 통한 열전특성 제어 기술은 최근 대안 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 방법으로 떠오른 플렉시블 저온 열전소자의 적용에 새로운 패러다임을 제시할 것이며, 나노 구조화된 저차원 소재, 유연 열전소재의 원천 연구 및 웨어러블 자가 구동기기의 실현화에 획기적인 해결책이 될 것으로 기대한다”고 연구의의를 밝혔다.

본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 글로벌프론티어연구개발사업, KIST  기관고유연구사업, 국가과학기술연구회(이사장 이상천) R&D 컨버전스 프로그램의 지원으로 수행되었고, 연구 결과는 에너지 분야의 세계적 권위지인 ‘Nano Energy’에 3월 17일(금)자 온라인 판에 게재되었다.

 

   * (논문명) Significantly reduced thermal conductivity and enhanced thermoelectric properties of single- and

                bi-layer graphene nanomeshes with sub-10 nm neck-width
      - (제1저자)  한국과학기술연구원 오진우 박사과정
      - (교신저자) 한국과학기술연구원 손정곤 선임연구원

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생체 적합성이 우수한 나노섬유 기반의 생체이식형 신경전극 개발
신경장애 치료를 위한 신호 감지 및 제어시스템 연구에 기여

 

국내 연구진이 장기간 신경 자극에 의해 발생하는 신경 신호를 기록할 수 있는 안정하고 효율적인 생체이식형 신경전극 개발에 성공했다. 이 기술은 중추·말초 신경계 질병 및 손상에 의해 발생하는 신경장애의 치료를 위한 목적으로 사용되는 신경전극 기반 신경신호 감지 및 제어 시스템 연구에 도움이 될 전망이다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 뇌과학연구소 바이오마이크로시스템연구단 이수현 박사팀은 경희대학교 치과재료학교실 권일근 교수팀, 건국대학교 수의과대학 도선희 교수팀과 공동연구를 통해 스펀지 형태의 다공성 나노섬유구조체 표면에 은 나노 입자를 잉크젯 프린팅 방식으로 전사한 신경 전극 개발에 성공했다. 연구진은 개발한 생체이식형 전극이 말초신경계의 신경 신호를 장기간 동안 안정적으로 측정 가능하다고 밝혔다. 

[그림 1] 다공성 나노셤유 기반의 유연한 성질의 신경전극 제작과정

최근 중추신경계와 말초신경계에서의 신경치료는 생체 신경 신호의 측정 및 자극이 가능한 이식형 신경 전극을 삽입하는 치료방법이 주목받고 있는데 주로 척추 손상 환자의 재활과 치료, 시신경 자극을 통한 인공 시각 구성, 정신적 질환의 치료를 위한 뇌 심부 자극술등의 치료 및 재활에 폭넓게 활용되고 있다. 그러나 기존 대부분의 이식형 신경 전극의 경우, 실리콘이나 고분자 필름을 하부구조로 제작되어 물질 투과성이 낮고, 체내에 이식이 된 후에 신경에 충분한 영양소 및 산소공급이 힘들며, 신경 조직에 비해 상대적으로 기계적 강도가 높아 이식부위에 기계적 부조화에 의한 상처가 발생하기 쉽다. 또한 체내에서 이물반응에 의한 염증으로 신경전극이 주변 조직과 차단되어 장기간 신경신호 검출이 어렵다는 한계가 있었다.

이에, 본 연구팀은 염증억제와 장기간 미세한 신경신호 검출을 위해서 신경전극의 유연성과 물질 투과성을 크게 향상시키면서 전기적으로 높은 감도를 갖는 신경전극을 개발하였다. 기존의 신경전극에 비해 월등히 향상된 유연성과 투과성을 갖기 위해서 나노섬유(Polyimide, 폴리이미드)를 이용하여 신경전극의 하부구조를 만들고, 그 위에 은 나노입자를 잉크젯 프린팅 방식으로 전사(Patterning, 패터닝)하였다. 그리고 전사된 은 나노입자 위에 전기적인 성능을 개선하기 위해서 전도성 고분자를 증착시켰다. 이렇게 제작된 신경전극은 체내 이식 후, 신경조직을 검사한 결과 신경 변형이나

 

[그림 2] 잉크젯 프린팅 방식으로 제작된 다공성 나노섬유 기반의 신경전극 개념도  

     

위축 등 아무런 손상이 발생하지 않은 것을 확인하였다. 그 결과, 전기적 신호 감도가 뛰어나고 동시에 장기간 안정적인 신경 신호 기록이 가능한 신경전극을 개발할 수 있었다.

이수현 박사는 “본 연구로 개발된 신경전극은 장기간에 걸친 뛰어난 생체적합성을 검증받아 중추 및 말초신경계 손상의 신경계 장애인을 치료할 수 있는 안정적인 신경신호 검출과 기록이 가능하다. 또한 이 신경전극 개발에 적용된 기술은 각종 체내 삽입형 소자의 생체적합성을 향상시키는데 적용될 수 있다” 고 말했다.

본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희)의 공공복지안전연구사업으로 “신경계 장애인의 신경신호 감지 및 제어 원천기술개발”과제(총괄과제책임자, KIST 강지윤 단장) 및 KIST 기관고유사업의 지원으로 이루어졌으며, 연구결과는 미국화학학회(ACS)에서 발간하는 세계적인 권위지인 나노 분야 국제학술지 ACS NANO (IF:13.334)에 2월 14일(화)자 온라인 판에 게재되었다. 


 * (논문명) Flexible and Highly Biocompatible Nanofiber-Based Electrodes for Neural Surface Interfacing
  - (제 1저자) 허동녕 박사, The George Washington University 포닥(前 경희대 박사)
  - (교신저자) 한국과학기술연구원(KIST) 이수현 박사(과제 실무책임자)
                     경희대학교 권일근 교수(세부과제 4, 공동연구자)
                     건국대학교 도선희 교수(위탁과제 연구(동물실험))

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나노기술로 특정문양을 육안으로 관찰 가능한 위조방지 필름 개발

- 화폐, 고가의 상품, 여권, 주민등록증 등 활용분야 광범위

 

  고성능 스캐너와 프린터 기술의 발달로 지폐나, 여권 등 위조 발생 건수는 갈수록 늘고 있다. 이러한 범죄를 막기 위한 여러 가지 위조방지 기술이 있지만, 복제하기가 쉽거나 소비자가 쉽게 판독하기 어려운 문제가 있었다. 최근 국내 연구진이 저 비용으로 높은 보안성을 확보할 수 있는 위조방지 기술을 개발했다.

  한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 나노포토닉스연구센터 고형덕 박사팀은 적외선을 쪼여 진품여부를 감별할 수 있는 나노기술을 활용한 위조방지필름을 개발했다.  KIST 고형덕 박사 연구팀은 적외선을 가시광선으로 변환시킬 수 있는 상향변환* 나노형광체와 금속 나노와이어로 구성된 위조방지 필름을 제작하여, 적외선에 노출시키면 보다 효과적으로 특정문양이나 색을 육안으로 관찰 수 있음을 확인했다.
*상향변환(Upconversion) : 두 개 혹은 그 이상의 낮은 에너지 광자를 흡수하여 하나의 높은 에너지 광자를 방출하는 현상

  연구진은 금속 나노와이어에서 발생하는 플라즈몬* 특성을 이용하여, 적외선을 쪼였을 때 발생하는 가시광선의 발광 강도를 크게 증가시킬 수 있었다. 뿐만 아니라, 이 기술의 핵심은 개발한 위조방지필름을 한번 사용하고 나면 플라즈모닉 특성이 재현되지 않아서, 적외선을 다시 쪼여도 색 혹은 문양을 확인할 수 없다. 따라서, 진품의 인증 라벨을 복제하여 재활용 할 수 없는 고(高)보안성 위조방지기술이 될 것으로 기대하고 있다. 
*플라즈몬 : 금속 표면에 자유전자가 집단적으로 진동하여 발생하는 표면 전자기파

[그림] 위조방지 필름을 한번 사용하고나면 재사용이 불가능하다

  연구진은 개발된 위조방지 필름에 구성되는 금속 나노와이어 및 형광체의 특성이 제조환경에 매우 민감하고, 이들의 복합적인 구조에서 발생하는 가시광선 스펙트럼과 발광세기가 고유하여 복제 자체가 어려울 것으로 전했다. 고형덕 박사는, “해당 기술은 高보안성 위조방지기술임에도 불구하고, 낮은 비용으로 대면적 제작이 가능하여, 지폐를 비롯한 고가의 제품에 광범위하게 적용할 것으로 기대된다.”라고 밝혔다.

 

본 연구는 미래창조과학부(전담기관: 한국연구재단) 미래유망융합기술 파이오니어사업 스펙트럼제어 융합연구단(단장: 한일기 박사/KIST) 및 산업통상자원부(전담기관: 한국에너지기술평가원)의 에너지기술개발사업 지원과 한국과학기술연구원 기관고유사업을 통해 수행되었다. 연구결과는 재료공학분야 국제저명학술지인 Advanced Functional Materials紙(IF:11.382)에  11월 17일자 최신호에 게재되었다.

(논문명) Plasmonic Nanowire-Enhanced Upconversion Luminescence for Anticounterfeit Devices    
            - (제 1저자) 한국과학기술연구원 박기선 학연생
            - (교신저자) 한국과학기술연구원 고형덕 박사

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김세훈 박사팀 약물전달체용 고분자 나노입자 제조 성공

 

KIST 테라그노시스연구단 김세훈박사팀은 뇌 질환에 대한 화학약물이 효과적으로 전달될 수 있는 약물전달체용 고분자 나노입자 제조에 성공했습니다. 기사는 아래 링크에서 확인해보세요 ^^

 

[의학신문 기사보기  |  약사공론 기사보기]

 

(출처 : http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.v26.39/issuetoc, sited 10:22am, Nov.7. 2016)

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   - 간단한 공정과 저비용으로 초고효율 나노플라즈모닉 필름 개발
   - 센서, 고효율 태양전지 등 IoT분야에서 광범위하게 활용
       *근적외선 : 적외선 중 파장이 가장 짧은 것

 

한국과학기술연구원 (KIST, 원장: 이병권) 나노포토닉스연구센터의 고형덕 박사, 권석준 박사로 구성된 공동연구팀은, 매우 높은 효율로 근적외선을 가시광선으로 변환시킬 수 있는 플라즈모닉 나노구조체*를 개발하였다.
*플라즈모닉 나노구조체 : 금속 표면에 자유전자가 집단적으로 진동하여 발생하는 전자기파를 생성시킬 수 있는 금속/유전체로 구성된 나노 구조체

 

낮은 에너지의 적외선 광자가 높은 에너지의 가시광선 광자로 변환되는 상향변환 (Upconversion) 발광은, 태양전지, 광검지기*, 바이오 이미징 등 광범위한 응용 가능성이 높을 것으로 기대되어 왔으나, 현재까지는 변환 효율이 매우 낮다는 문제점으로 인해 그 적용에 제한이 있었다.
*광검지기 : 광 신호를 전기 신호로 변환시켜서 그 신호를 검출할 수 있는 소자

 

연구팀은 비주기적으로 배열된 플라즈모닉 금속 나노구조체를 이용하여, 기존의 상향변환 강도를 최대 1,300배 이상 증폭시킬 수 있음을 확인하였고, 이를 이용하여 기존 방식과 차별화된 근적외선 광검지기까지 개발하는데 성공하였다. 해당 기술은 정밀한 반도체 패터닝 공정을 거치지 않고도, 상대적으로 낮은 비용과 대면적에 상향변환 기능성 필름 제작이 가능하다는 장점으로 인해 다양한 분야에 대한 응용이 용이해질 것으로 기대되고 있다.

 

이번 연구를 통해 고형덕 박사는 “매우 간단한 공정으로도 근적외선 변환효율을 극대화시켰다는 점에서 의미가 있는 연구이며, 이러한 근적외선 변환기술을 활용하면, 향후 안개-미세먼지 등의 저시야 환경에서도 뚜렷한 사물 관찰이 가능한 카메라 이미지 센서, 3차원 위치 분석 이미징 센서 등에 적용이 가능하며, 태양전지의 효율 향상에도 기여할 수 있을 것이다” 라고 밝혔다.

 

본 연구는 미래창조과학부(전담기관: 한국연구재단) 미래유망융합기술 파이오니어사업 스펙트럼제어 융합연구단(단장: 한일기 박사/KIST) 및 산업통상자원부(전담기관: 한국에너지기술평가원)의 에너지기술개발사업, 그리고 한국과학기술연구원 기관고유사업 지원을 통해 수행되었다. 연구결과는 재료공학분야 국제저명학술지인 Advanced Materials紙(IF:18.960) 9월 28일자 전면 표지 논문으로 선정되어 게재되었다.

* (논문명) ‘Photodetectors: A Plasmonic Platform with Disordered Array of Metal Nanoparticles for

               Three-Order Enhanced Upconversion Luminescence and Highly Sensitive

               Near-Infrared Photodetector ’
      - (제 1저자) 한국과학기술연구원 권석준 박사, 정기남 박사, 이기용 학생연구원
      - (교신저자) 한국과학기술연구원 고형덕 박사, 권석준 박사

 

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