상온에서 작동하는 액체 금속-공기전지

기술 개발


- 섬유실 내 갈륨/인듐 공융 금속전극물질 주입, 고신축·탄성의 웨어러블 전지개발
- 기존 금속-공기전지보다 2배 이상 출력, 다양한 형상 구현 가능

 

4차 산업혁명시대 진입과 더불어 빠르게 성장하고 있는 웨어러블 전자제품에 결합될 전지기술에 대한 관심이 모아지고 있다. 이러한 웨어러블 전지에 요구되는 특성은 기본적으로 상당히 높은 수준의 에너지밀도와 출력특성을 가지고 있어야한다. 또한 의복 기능과 동일하게 신축성, 유연성도 높아야하고 심지어는 세탁까지도 가능한 특성을 지니면서도, 발화 가능성이 없어야하는 조건이 필요하다. 최근 국내연구진이 섬유실 내부에 액상의 전극물질을 주입하여 기존 섬유제품과 동일한 기계적 특성을 지니고 있으면서도 전기에너지의 저장 특성을 지니고 있는 새로운 개념의 전지기술을 발표해 주목받고 있다.

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 에너지저장연구단 이중기, 유계성 박사 연구팀이 세계 최초로 상온에서 액체 상태로 존재하는 갈륨(Ga)/인듐(In) 공융화합물을 사용하여 기존의 이차전지*를 대체할 금속-공기전지**(air-cell)의 새로운 음극재 개발에 성공했다. 유계성(劉 桂成, 중국명 리우구쳉)박사는 해외우수신진연구자 사업으로 유치되어 2015년부터 KIST 이중기 박사 연구진에 합류하였다.


* 이차전지 : 외부의 전기에너지를 화학에너지의 형태로 바꾸어 저장하고 필요시 전기를 만들어내는 장치, 축전지라고도 함
** 금속-공기전지 : 양극에 공기 중의 산소를 사용한 차세대 이차전지로 가볍고 에너지 밀도가 높음

 

기존의 유연특성을 지닌 대부분의 금속공기전극은 얇은 와이어/시트 형태이거나 스프링모양의 구조를 갖거나, 신축성이 있는 기재 사이에 단위 전지셀을 배치한 형태이다. 또한 기재표면에 전극층을 코팅하여 여러 개의 기재들을 옷감의 직물구조처럼 엮거나 꼬아서 유연성과 신축성을 확보할 수 있도록 고안하였으나 일반적으로 사용되는 섬유만큼의 유연성과 신축성을 확보하기에는 재료의 한계를 가지고 있었다.  
 

그림 1. 케이블 형상의 갈륨-인듐 액체금속-공기배터리의 모식도. a) 간단한 제작 공정, b) 케이블 형상 전지의 내부 구조, 고유연성 및 고탄성


KIST 이중기 박사팀은 웨어러블용 전기저장장치로 기존의 알루미늄, 아연에 기반한 공기전지에 비해 에너지밀도가 높고, 수축복원력과 구부림 특성에서 기존 고체재료와 차원이 다르면서도 안전한 공융액체 금속공기전지 기술을 개발하였다. 

그림 2. 기존의 금속공기배터리와 본 연구의 액체금속공기배터리 간의 유연성, 신축성 및 성능유지율 비교

 

본 연구를 통해 개발된 갈륨(Ga)/인듐(In) 공융액체금속공기전지는 섬유실 형태의 몸체 내부에 전극물질의 단순주입만으로 100%이상의 신축성(stretching)과 1mm 이하의 반경 구부림이 가능한 유연한(Flexible) 특성을 지닌 전지 구성이 가능하고 전극활물질의 몸체 자체가 부드럽고 형상을 자유롭게 할 수 있는 우수한 특성을 유지하였다. 이는 고용량 및 고출력이 동시에 가능하면서도 섬유제품과 같이 유연하고 수축성이 있는 소재로 전지에 적용된다.   

그림 3. 탄성력을 갖는 물체의 변형 (a)전, (b)후의 형상. (c)구형상의 변형 가능한 액체금속-공기 배터리 모식도

 

연구진은 고안정성 및 장수명의 전극특성을 확보하여 고효율 성능 발현 및 공간설계가 자유로운 형상변형 전지제조가 가능하고, 추가적으로 공정이 복잡한 나노공정기술에 비해 단순한 혼합공정으로 복합금속 전극제조가 가능하여 저렴한 비용으로 고신축성 및 가변성이 있는 전극제조 공정 확보가 가능하다고 밝혔다. 향후 대량생산 공정에 용이한 단순공정을 통하여 양산성도 용이하여 상용화에 근접한 기술로 평가하고 있다.

 

KIST 이중기 박사는 “이번 연구를 통해 개발한 전지기술로 4차 산업용 웨어러블용 에너지저장시스템 (ESS, Energy Storage Systems)에 새로운 해법을 제시할 것으로 기대한다.”라고 밝혔다. 

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)지원으로 한국연구재단 중견연구사업 및 해외우수신진연구자 지원(KRF)사업을 통해 수행되었으며, 연구 결과는 화학, 물리 분야 국제 학술지인 ‘Advanced Energy Materials’(IF: 16.721, JCR 분야 상위 2.055%)에 최신호(온라인 3월 14일(수)자)에 게재되었다.

 

* (논문명) Soft, Highly Elastic, and Discharge-Current-Controllable Eutectic Gallium–Indium

             Liquid Metal–Air Battery Operated at Room Temperature
             - (제 1저자) 한국과학기술연구원 Guicheng Liu 박사
             - (교신저자) 한국과학기술연구원 이중기 박사

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Internet of Things, 사물인터넷과
웨어러블 열전 발전 소자

 

 

사물인터넷이라는 말을 들어보신 적이 있나요? 사물인터넷은 다른 말로 Internet of Things, 줄여서 IoT라고 하는데요, 인터넷을 기반으로 사람과 사물, 사물과 사물이 서로 연결되는 지능형 기술 및 서비스를 의미합니다. 데이터를 수집하고 연결하여 우리의 삶의 질을 향상시킬 수 있는 기술입니다. 과거에는 데이터의 송수신이 가능한 기기에 제한이 있었지만, 현재는 스마트기기의 빠른 발전과 더불어 IoT 기술이 우리 삶 곳곳에 스며들고 있습니다.

<그림 1> IoT, internet of things. 모든 사물과 사람 간의 데이터(정보)교류가 일어납니다. 특히 현대 사회에서는 스마트폰을 통해 각종 엔터테인먼트 활동을 즐길 수 있고, 스마트 홈 시스템을 통해 냉난방 등을 조절할 수 있습니다. 또한 SNS 등을 통해 전 세계 사람들과 연결할 수 있고, 자신의 건강상태를 수시로 확인하여 건강한 삶을 살 수 있습니다.

IoT의 시대엔 모든 사물과 사람 간의 데이터(정보)교류가 일어납니다. 이미 스마트폰을 통해 각종 엔터테인먼트 활동을 즐기고, 스마트 홈 시스템을 통해 집 밖에서도 냉난방을 조절합니다. 또한 SNS 등을 통해 전 세계 사람들과 교류할 수 있고, 자신의 건강상태를 수시로 확인하여 질병을 사전에 예방할 수도 있습니다. 또 사물인터넷을 이용하면 냉장고 안에 식품의 양이 얼마나 있는지 실시간으로 확인하고, 부족할 경우 곧바로 주문을 하게 됩니다. 가전제품 뿐 아니라 우리가 항상 착용하고 다니는 시계와 같은 스마트 웨어러블 기기는 우리에게 다양한 정보를 보내줄 수 있으며 반대로 혈압과 심박수, 혈당 등 착용자의 건강상태에 대해 실시간으로 정보를 습득할 수 있습니다. 이렇게 습득한 건강정보를 이용하여 새로이 가공된 정보를 제공함으로써 우리는 더욱 건강한 삶을 유지할 수 있을 것입니다. 실제로 최근 발매되고 있는 스마트 웨어러블 기기를 이용하면 물건을 주문하는 기능 뿐 아니라, 실시간 심박수 트랙킹까지 가능합니다.

<그림 2> 현재 상용화된 스마트 워치와 스마트 이어폰, 앞으로 상용화 될 스마트 안경과 렌즈의 이미지

하지만 현재까지는 웨어러블 기기에 치명적인 단점이 존재하고 있습니다. 그것은 바로 전원 문제인데요. 물론 사물인터넷이 탑재된 냉장고 등 대형 가전제품의 경우는 항상 전력원에 연결되어있기 때문에 문제가 되지 않습니다. 반면 스마트 웨어러블 기기는 점차 다양한 기능이 포함되며, 소형이고, 항상 들고 다니는 물건이기 때문에 전원 문제가 항상 발생하고 있습니다. 실제로 제가 사용하고 있는 스마트 워치도 사용시간이 20시간이 채 되지 않습니다.


배터리를 이용한 제품들은 매번 충전을 해야 합니다. 이런 문제를 해결하기 위해서 다양한 자가발전 기술이 개발되고 있습니다. 예를 들면 자가발전이 가능한 열전발전소자는 이런 문제를 해결할 수 있습니다. 열전 발전 소자는 온도의 차이를 이용해서 전기를 생산하는 소자인데요, 사람의 체온은 항상 일정하기 때문에 밖으로 방출되는 열을 이용하여 발전시키는 것이 웨어러블 열전 발전 소자입니다.

 

열전발전소자의 역사는 짧지 않습니다. 1787년과 1821년에 이탈리아의 과학자 Alessandro Volta에 독일의 과학자 Thomas Johann Seebeck이 반도체 물질의 양 끝에 다른 온도를 주었을 때 전기가 생산된다는 지벡효과를 발견했습니다. 하지만 200년의 시간이 흐를 때까지 커다란 반도체 물질에 대해서만 알려졌기 때문에 웨어러블 열전발전소자에 적용하기에는 문제가 있었습니다.

<그림 3> 지벡효과(좌)와 세라믹을 이용한 열전 발전소자(우). 반도체만을 이용해서 제작한 열전 발전소자는 두껍고 유연성을 가지지 않습니다. 또한 반도체 물질을 연결하는 전극 물질과의 접촉저항으로 인해 전체 내부 저항이 커진다는 단점이 있습니다.

반도체만을 이용해서 제작한 열전 발전소자는 두껍고 유연하지 않습니다. 또한 반도체 물질을 연결하는 전극 물질과의 접촉저항으로 인해 전체 내부 저항이 커진다는 단점이 있습니다. 최근에는 유연하고 튼튼한 유기물을 이용한 열전 발전 소자에 대한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 유기열전재료는 무기열전재료에 비해서 낮은 열전 성능을 가지고 있지만, 웨어러블기기에 적용하기에 알맞은 특성인 가벼움, 유연함, 낮은 가격 등의 장점을 갖고 있기 때문에 차세대 열전소자로 각광받고 있습니다.

<그림 5> 다양한 유기재료 중, 전도성고분자(좌)와 탄소나노튜브, 그래핀 같은 나노카본(우)이 열전 재료에 많이 응용되고 있는 추세입니다.

한국과학기술연구원(KIST)의 광전하이브리드센터 김희숙 박사 연구팀은 서울대학교 재료공학부와의 공동연구를 통해 탄소나노튜브 실을 이용한 웨어러블 열전 발전 소자에 대한 연구를 진행하고 있습니다. 탄소나노튜브는 단일 튜브만으로 충분히 튼튼하지만, 실 형태로 제작할 경우 강철의 100배에 해당하는 강도를 가지게 됩니다. 이번 연구에서는 탄소나노튜브 실을 직접적으로 직물에 바느질하여 직접적인 열전발전소자로 사용하였습니다. 기존의 연구에서는 새로운 열전발전소자를 제작하여 피부에 부착해야했지만, 탄소나노튜브 섬유를 이용한다면 기존에 입던 의류에 바느질을 통해 열전 발전이 가능합니다. 그리고 가닥 하나로 이루어진 탄소나노튜브 실을 이용하였기 때문에 각각의 소자를 연결할 금속 전극을 사용할 필요가 없어 더욱 유연하고 내부 저항이 적으며 전기전도도도 매우 높아 좋은 발전 성능을 기대할 수 있습니다.

<그림 6> 탄소나노튜브를 이용한 유연 열전 모듈의 제작 과정의 모식도입니다. 탄소나노튜브를 끊지 않고 연속적으로 N, P 형으로 도핑하여 높은 성능을 가지는 탄소나노튜브 섬유를 제작할 수 있습니다.

연구진이 개발한 열전 소자는 먼저 탄소나노튜브 실을 합성한 후, n-, p- 타입으로 도핑하여 열전소자를 제작되었으며, 이 자체를 전극으로 사용함으로써 소자의 저항을 낮춰 발전 밀도를 향상시켰습니다. 사람의 체온과 바깥의 온도 차이가 약 5도 정도 날 경우, 10.85 마이크로 와트(μW/g)의 에너지 발전 밀도를 기록하였는데, 이 발전량은 현재 보고된 유연열전재료 기반 소자 중 세계최고 수준의 결과입니다. 이 연구결과는 국제학술지 ACS Nano에 개제되었습니다.

<그림 7> 사람의 체온을 이용한 열전 발전기의 모습입니다. 적은 온도 차이를 가지지만, 높은 발전량을 보이고 있습니다.

탄소나노튜브 섬유를 기반으로 한 열전 발전소자는 매우 가볍고 기계적 성질이 뛰어납니다. 또 높은 열전 발전 성능을 보이며 다양한 섬유 등에 직접적인 적용도 가능합니다. 이런 열전 발전 소자를 활용한다면 향후 체온으로부터 웨어러블 디바이스에 직접 전원 공급이 가능하게 될 것으로 보입니다. 모든 물건이 인터넷을 통해 데이터의 공유를 하는 시대에는 이런 열전발전과 같은 차세대 에너지원이 웨어러블 디바이스의 전력원을 담당할 것입니다. 머지않은 미래에는 더 이상 스마트폰의 배터리를 충전하러 콘센트를 찾아다니는 일은 벌어지지 않겠죠?

 

 

 

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탄소나노튜브 실을 이용하여 열전소자로?

탄소나노튜브 실로 구성된 유연한 열전소자 개발, 뛰어난 발전 밀도 보여
향후 열에너지를 변환하는 플렉서블, 웨어러블 열전소자에 적용 기대

 

열전소자는 소자 양끝의 온도 차이를 이용하여 열에너지를 전기에너지로 변환하는 소자이다. 최근 외부 온도와 체온의 온도 차이를 통해 생산되는 전력을 웨어러블 기기의 전력원으로 사용하려는 연구가 꾸준히 이루어지고 있다. 하지만, 기존의 상용화된 열전소자는 무기 반도체 재료를 기반으로 하여 무겁고, 유연하지 않아 웨어러블 기기에 적용하기가 어려웠다. 최근 국내 연구진이 탄소나노튜브 실*을 이용하여 전기 발전을 가능케하는 유연한(flexible) 열전 소자를 개발했다고 밝혔다.
*탄소나노튜브 실(Carbon Nanotube Yarn) : 두께 5 nm(나노미터, 십억 분의 1m)의 탄소나노튜브 수천가닥을 꼬아서 실 형태로 제작, 강철의 100배 정도의 강도를 지니며 첨단섬유에 사용

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 국가기반기술연구본부 광전하이브리드연구센터 김희숙, 최재유 박사 연구팀은 서울대학교 재료공학부 박종래 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 탄소나노튜브를 실 형태로 제작한 후 별도의 금속 전극 없이 열전 소자에 적용하여 기존 열전 소자의 한계를 해결했다고 밝혔다. 연구진이 개발한 열전소자는 기존 연구와 달리 금속 전극을 사용하지 않아 더욱 유연하고, 내부에서 발생하는 저항이 적어 높은 발전 성능을 가지게 된다.

(그림1)탄소나노튜브 실 이용 플렉서블 열전모듈 제작과정

먼저, 탄소나노튜브 실을 합성하고 n-, p- 타입으로 도핑하여 열전소자를 제작하였고, 또한 금속 전극을 추가로 도입하지 않고 탄소나노튜브 자체의 고전도성을 활용하여 전극으로 사용함으로써 소자의 저항을 낮추어 발전밀도를 향상시켰다. 본 연구에서 5도의 온도 차이로부터 10.85 마이크로 와트(μW/g)의 에너지 발전 밀도를 기록하였으며, 이 발전량은 보고된 유연 열전 재료 기반 소자 중 최고 수준의 결과이다.

  (그림2)사람의 체온을 이용한 열전발전 모듈

 KIST 김희숙 박사는 “이번에 개발한 탄소나노튜브 실을 이용한 열전소자는 가볍고, 기계적 성질이 뛰어나며 높은 열전발전 성능을 보인다.”고 말하며, “이를 활용하면 향후 체온으로부터 웨어러블 디바이스에 직접 전원 공급이 가능하게 될 것”이라고 밝혔다.

 

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업과 국가과학기술연구회 R&D 컨버젼스 프로그램의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 나노재료 분야의 국제학술지 ‘ACS Nano’(IF: 13.942) 8월 23일에 온라인 게재되었다.

 

 * (논문명) ‘Flexible and robust thermoelectric generators based on all-carbon nanotube yarn without metal electrodes’
     - (제1저자) 한국과학기술연구원 최재유 박사
     - (교신저자) 한국과학기술연구원 김희숙 박사, 서울대학교 박종래 교수

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탄소나노튜브 실로 구성된 유연한 열전소자 개발

뛰어난 발전 밀도로 향후 열에너지를 변환하는

플렉서블, 웨어러블 열전소자에 적용 기대

 

열전소자는 소자 양끝의 온도 차이를 이용하여 열에너지를 전기에너지로 변환하는 소자이다. 최근 외부 온도와 체온의 온도 차이를 통해 생산되는 전력을 웨어러블 기기의 전력원으로 사용하려는 연구가 꾸준히 이루어지고 있다. 하지만, 기존의 상용화된 열전소자는 무기 반도체 재료를 기반으로 하여 무겁고, 유연하지 않아 웨어러블 기기에 적용하기가 어려웠다. 최근 국내 연구진이 탄소나노튜브 실*을 이용하여 전기 발전을 가능케하는 유연한(flexible) 열전 소자를 개발했다고 밝혔다.
*탄소나노튜브 실(Carbon Nanotube Yarn) : 두께 5 nm(나노미터, 십억 분의 1m)의 탄소나노튜브 수천가닥을 꼬아서 실 형태로 제작, 강철의 100배 정도의 강도를 지니며 첨단섬유에 사용

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 국가기반기술연구본부 광전하이브리드연구센터 김희숙, 최재유 박사 연구팀은 서울대학교 재료공학부 박종래 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 탄소나노튜브를 실 형태로 제작한 후 별도의 금속 전극 없이 열전 소자에 적용하여 기존 열전 소자의 한계를 해결했다고 밝혔다. 연구진이 개발한 열전소자는 기존 연구와 달리 금속 전극을 사용하지 않아 더욱 유연하고, 내부에서 발생하는 저항이 적어 높은 발전 성능을 가지게 된다. 먼저, 탄소나노튜브 실을 합성하고 n-, p- 타입으로 도핑하여 열전소자를 제작하였고, 또한 금속 전극을 추가로 도입하지 않고 탄소나노튜브 자체의 고전도성을 활용하여 전극으로 사용함으로써 소자의 저항을 낮추어 발전밀도를 향상시켰다.

<그림1>탄소나노튜브 실을 이용한 플렉서블 열전 모듈의 제작 과정

본 연구에서 5도의 온도 차이로부터 10.85 마이크로 와트(μW/g)의 에너지 발전 밀도를 기록하였으며, 이 발전량은 보고된 유연 열전 재료 기반 소자 중 최고 수준의 결과이다.  KIST 김희숙 박사는 “이번에 개발한 탄소나노튜브 실을 이용한 열전소자는 가볍고, 기계적 성질이 뛰어나며 높은 열전발전 성능을 보인다.”고 말하며, “이를 활용하면 향후 체온으로부터 웨어러블 디바이스에 직접 전원 공급이 가능하게 될 것”이라고 밝혔다.

<그림 2> 사람의 체온을 이용한 열전 발전 모듈

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업과 국가과학기술연구회 R&D 컨버젼스 프로그램의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 나노재료 분야의 국제학술지 ‘ACS Nano’(IF: 13.942) 8월 23일에 온라인 게재되었다.

 

 * (논문명) ‘Flexible and robust thermoelectric generators based on all-carbon nanotube yarn without metal electrodes’
     - (제1저자) 한국과학기술연구원 최재유 박사
     - (교신저자) 한국과학기술연구원 김희숙 박사, 서울대학교 박종래 교수

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KIST-서울대 공동연구팀, 초경량에 형상 변형 가능한 연료전지 기술 개발
차세대 드론용 에너지원으로 각광, 체공시간 획기적으로 늘릴 핵심 기술

 

‘연료전지’는 연료로 수소와 공기를 사용하며, 전기를 발생하고 나오는 부산물로 기존의 내연기관과 다르게 ‘물’ 만을 발생해 친환경 재생에너지로 각광받고 있다. 최근 국내 연구진이 친환경 미래 에너지원으로 주목받는 연료전지에 초경량적 설계와 유연성을 접목한 기술을 개발했다. 현재에도 상용화를 위한 기술개발이 꾸준히 이루어지고 있는 시점에서 또 하나의 기술적 장벽을 뛰어넘은 것으로 평가받고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 연료전지연구센터 유성종 박사팀은 서울대학교 멀티스케일 에너지시스템연구단 최만수 교수(단장), 차석원 교수와의 공동연구를 통해 초경량의 유연한(Flexible) 연료전지 스택*을 개발하고 실제 작동 시연에 성공했다고 밝혔다.
*스택(Stack) : 여러 개의 연료전지를 직렬로 배열하여 전압을 높이는 연료전지의 구조.

최근 전자기기 업체들은 점차 기기들에 유연성을 부여하여 형상을 자유롭게 변형 가능하게 하며, 변형에 따른 기기의 성능 감소를 최소화하는 추세이다. 그러나 이러한 유연 전자기기들이 모두 웨어러블 전자기기**나 피부이식형 전자기기와 같은 휴대용 전자기기에 활용되려면 전력공급원 또한 유연성을 지녀야 활용성이 높아진다. 따라서 현재 가장 많이 쓰이는 리튬이온배터리에 유연성을 부여하려는 연구가 있었으나 리튬이온배터리는 열역학적으로 더 이상의 동 부피 대비 에너지 저장량을 늘리기는데 한계가 있어 근본적인 대체 에너지원의 개발이 필요했다.
**웨어러블(Wearable) 전자기기: 차세대 미래 전자기기 기술로 착용가능한 의류, 액세서리등을 전자기기로 만든 형태. 의류 내부로 설치될 전자기기 또한 유연해야 하며, 이미 군용 등에 본 기술이 적용되고 있음.

유연성을 활용한 원통형 연료전지 스택 및 이의 실제 작동 사진

본 연구를 주도한 KIST 유성종 박사는 “현재 체공시간에 많은 한계를 지닌 드론에 본 초경량 유연 연료전지 스택을 적용할 경우, 기존 배터리 무게 기준 체공시간의 세 배 이상 늘어날 것”이라고 말했다. 또한 서울대학교 차석원 교수는 “연료전지는 친환경성 뿐만 아니라 에너지 저장량에서도 여타 에너지 저장기기에 비해 많은 장점을 지닌다”며 “연료전지 분야의 미래를 대한민국이 선도할 수 있는 초석이 될 것”이라 말했다. 서울대학교 최만수 교수는 “다양한 분야의 연구자들이 모여 분야융합을 통해 이뤄낸 값진 결과”라고 밝혔다. 본 연구에는 KIST 박사후연구원 박태현, 강윤식, 서울대학교 장세근 박사과정 학생이 공동 1저자로 참여하였다.

 

본 연구는 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업과 KIST 기관고유사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었으며, 네이처 자매지인 ‘NPG 아시아 머터리얼즈(NPG Asia Materials, IF : 8.772)’에 5월 26일(금) 온라인 판에 게재되었다.

 

* (논문명) A rollable ultra-light polymer electrolyte membrane fuel cell

       - (공동 제1저자) 한국과학기술연구원 박태현 박사후연구원
                             한국과학기술연구원 강윤식 박사후연구원, 서울대학교 장세근 박사과정
       - (공동 교신저자) 서울대학교 기계항공공학부 최만수 교수
                              서울대학교 기계항공공학부 차석원 교수
                              한국과학기술연구원 유성종 책임연구원

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최지현 치매 DTC 융합연구단 박사, 저비용 웨어러블 디바이스로 치매 검출연구

"매우 극적인 치매···원인 밝혀 치료법 발굴할 것"


"값싼 웨어러블 디바이스로 치매진단이 가능하다면 그건 사회적으로 임팩트 있는 일이라고 생각합니다. 본인도 자각을 못하는 뇌신경회로의 이상을 웨어러블 디바이스로 검출해 내 치매를 조기 진단하는 것. 그것이 우리의 연구 목표입니다."

 

고령화 사회가 빠르게 진행되면서 치매환자도 계속 늘고 있다. 보건복지부에 따르면 지난해 치매환자는 68만 명으로 2024년에는 100만 명, 2050년에는 200만 명을 넘어설 것으로 예측되고 있다. 치매환자는 환자 본인뿐 아니라 주변 가족들의 심리적 고통과 치료비 부담 등 한 가정을 무너뜨릴 수 있는 사회적 질환이다. 개인과 국가적인 관리가 필요하다.

 

과학기술계도 치매와의 전쟁을 선포하고 다양한 연구를 진행 중인 가운데, 그 중 독특한 방식으로 주목받는 연구단이 있다. 치매 DTC 융합연구단이다. 이 연구단은 KIST(한국과학기술연구원·원장 이병권)를 주축으로 한국과학기술정보연구원, 한국한의학연구원, 한국생명공학연구원 등 총 4개 정부출연연구기관과 삼성의료원, 서울대병원, 분당서울대병원과 연계하는 전문 인프라를 구축하고 있다. 치매를 치료하기 위해 각 분야 어벤저스가 모인 것이다.

 

치매 DTC 융합연구단에 가보니 KIST에 마련된 연구실에서 초파리와 마우스, 제브라피시 등을 통해 치매의 원인과 치료법을 연구 중이었다. 치매 치료에서 조기진단이 중요한 만큼 저렴한 진료비로 치매 진단이 가능한 웨어러블 디바이스 기반으로 치매 진단시스템을 개발하고 있다.

 

연구단의 최지현 박사는 "치매는 뇌과학적으로 봤을 때 백화점 같은 질환으로 조기진단이 중요하지만, 우리나라 노인 빈곤율은 매우 높은 편이다. 많은 환자가 저렴하게 치매를 조기 진단할 수 있도록 연구 중"이라며 "우리는 기존 신경심리검사와 본인이 자각하기 어려운 뇌신경회로의 이상을 웨어러블 디바이스 검출하는 연구를 하고 있다. 치매 조기 진단은 환자 본인에게도, 사회적으로도 꼭 필요한 일"이라고 설명했다.


느린 주파수와 빠른 주파수의 진폭변화를 그린 뇌파 맵

어레이 전극으로 측정한 실험용 쥐의 뇌 영역


렘수면 비밀 최초로 밝히다···치매 치료 실마리

 

최지현 박사는 뇌파연구를 통해 뇌의 비밀을 밝히고 치매의 원인과 치료법을 연구 중이다. 그는 의식에서 무의식으로 전환될 때 일어나는 임계전이현상을 규명하고, 인간과 같은 수준으로 마우스 뇌파를 측정하는 기술을 개발한 바 있다. 최근에는 렘수면 동안 벌어지는 뇌파를 분석해 향후 치매를 비롯한 특정 질병과 수면질환간 연관성을 연구하는 실마리를 찾았다.

 

렘수면은 수면단계의 일종으로 총 수면시간 중 상대적으로 적은 비중을 차지하지만 깨어있을 때와 비슷한 패턴의 뇌파가 관찰된다. 그러나 범위하게 벌어지는 뇌 활동을 동시에 측정하는 것이 어려워 렘수면의 기능이 무엇인지는 잘 알려지지 않았다.

 

수면시간동안 아주 잠시 나타나는 렘수면이지만 최지현 박사팀은 수면결핍과 렘수면의 영향에 주목하고 마우스 실험에 자체 제작한 뇌파맵 고해상도 측정기술을 도입했다. 이를 통해 렘수면 여러 뇌파를 동시에 감지하는 데 성공, 세계 최초로 렘수면의 숨겨진 구조를 규명했다.

 

실험 과정은 다음과 같다.

마우스 뇌 자체에 뇌파맵 고해상도 측정기를 설치 → 쳇바퀴를 활용해 마우스 수면부족 유도 → 하루 중 특정 시간 동안만 휴식 케이지로 옮겨 마우스가 잠이 들면 뇌파를 측정 → 5일 동안 반복.


어레이형 전극을 삽입한 실험 쥐



 

여기서 연구진은 렘수면이 신경세포의 회복과 기억 형성에 동시에 기여함과, 수면 중 비정상적으로 증대된 신경활동이 다음 날 기억 형성과정에 혼선을 줄 수 있음을 발견했다. 이는 만성 수면 결핍의 폐해를 예측하는 것으로 이해할 수 있다.

 

최 박사는 "렘수면의 비밀이 치매와 연관성이 있을 것"이라고 예상했다. 그는 "이번 연구에서 주되게 보고 있는 것이 렘수면 중 나타난 서파다. 이 서파는 비렘수면 서파와 나타나는 시점 및 특성이 매우 다르고 대표 뇌파인 쎄터파와 배타적으로 나타난다"며 "이 렘수면 서파가 발생하는데 ▲전전두엽과 해마를 연결하는 특정 뇌영역이 관여한다는 가설 ▲이 영역이 해마에서의 정보를 전전두엽으로 저장시키는 데 있어서 주요 역할을 한다는 가설을 가지고 있다. 이 부분은 너무나 작아서 뇌영상으로는 안 보였을 것이다. 이 영역의 신경수축과 치매환자의 증상과 관련성을 밝힌다면 새로운 관점에서 문제접근이 가능할 것"이라고 말했다.

 

불안했던 뇌파전극 실험, 10% 성공에서 90%까지

 

"개발한 뇌파전극이 불안해 마우스를 수술하기가 쉽지 않았습니다. 그런데 함께 연구했던 학생들이 수술 확률을 획기적으로 늘려 가장 긴 실험을 할 수 있었어요. 졸업 전 또 한 번 큰일을 할 것 같은 친구들이에요.(웃음)"

 

탐침은 뇌의 신경회로 활동을 측정하기 위해 중요한 역할을 하는 기술이다. 관찰하고자 하는 신경회로에 침을 꽂는 형식으로, 뇌를 연구하는 많은 연구진은 다양한 탐침개발을 활용해 뇌의 신비를 밝히고 있다.

최 박사팀도 탐침기술을 활용하지만 이번 연구에서는 자체 개발한 필름 타입의 전극으로 뇌파맵을 분석했다. 두개골 위에 씌어 분석하는 방법이다.

 

그에 따르면 필름타입은 사람의 뇌파와 같은 수준의 뇌파를 마우스 뇌에서 획득해서 종간 비교 분석이 가능하다는 장점이 있다. 특히 자유롭게 활동하는 뇌로부터 특정 활동을 했을 때의 뇌파를 측정할 수 있다. 특정행동과 뇌파간의 상관관계를 직접 밝힐 수 있다.

 

또 사람에게 적용하는 신경심리 임상평가를 마우스에도 적용해 뇌영상을 획득함으로써 환자와 질병마우스 간 일대일 비교를 통해 질병의 원인을 신경회로적 차원에서 밝힐 수 있다.


렘수면 비밀을 세계 처음으로 밝힌 최지현 박사팀


렘수면 비밀 논문 주저자인 김보원 학생과 최지현 박사가 마우스 뇌 촬영 영상을 보며 토론하고 있다.


그는 "가령 진앙지를 찾기 위해 여러 도시에 지진센서를 달아서 관찰하는 것이 뇌파맵이라고 한다면 특정 영역에 센서를 박아서 지질활동을 관찰하는 것이 탐침"이라며 "탐침이 국소적 영역을 보는 도구라면 필름타입은 탐침 대비 넓은 영역을 볼 수 있는 장점이 있다"고 설명했다.

그는 이어 "뇌는 다른 회로들이 유기적으로 협업해서 인지와 행동이라는 결과를 만들어내는 것이므로 어느 측정방식이 더 중요하다고 생각하지는 않다"라면서도 "그러나 뇌가 복잡한 만큼 멀티스케일로 측정하기 위한 방법은 중요한 연구 중 하나"라고 강조했다.


이 같은 장점에도 해결해야 할 문제가 있다. 자체 개발한 필름 타입의 전극 기술이 불안정해 수술 중 마우스들이 죽거나 오랜 기간 실험을 지속할 수 없었던 것. 그러나 이번 연구의 주저자인 김보원 학생이 제대로 실력을 발휘했다. 10%밖에 안됐던 수술성공률을 90%까지 끌어올리고, 10일 가까운 실험에도 성공했다.


그는 "몇 시간 실험하고 기록 하는 것이 아닌 무려 열흘 가까운 기간 동안 연구내용을 기록하는 유례없는 일이었다"며 "보원 학생과 김동욱 학생, 하버드의대에서 파견 나오신 김영수 박사님 등 많은 연구자들이 함께 노력해 가능했던 일이다. 보원 학생은 현재 박사 2년차로 우리 연구실에서 핵심멤버로 있다. 앞으로 정말 기대되는 친구"라고 감사함을 전했다.


실험실 모습



 "뇌파가 뭐죠?" 미숙했던 첫 연구, 그리고 사비로 구입한 램프

 

KIST에서 오랜 시간 뇌의 신비를 밝히는 연구를 활발하게 하고 있는 최 박사지만 그에게도 뇌파가 뭔지 노이즈가 뭔지 구분이 어려웠던 시절이 있었다.

 

이론물리를 하다 1999년부터 근적외선을 사람의 뇌신호를 측정하는 연구를 처음 하던 그는 뇌를 밖에서 보는 것에 한계를 느끼고 사비를 털어 앰프를 구입해 뇌파를 측정하기 시작했다. 인터넷에서 구입한 앰프는 최 박사가 태어난 제작년도가 새겨진 것이었다.

 

호기롭게 램프를 구입한 것은 좋았으나 마우스 실험이 처음이었던 그는 뇌파가 무엇이고 노이즈가 무엇인지 구분이 되지 않았다. 궁여지책으로 내놓은 방법이 마우스에 마취약을 점진적으로 넣어 궁극으로는 치사량까지 주입하며 뇌파를 관찰하는 방법이었다.

 

"죽음에 가까이 간 마우스의 뇌파는 전혀 다른 모습이었다. 코마의 뇌파가 발생하지만 이 뇌파는 금방 사라지지 않았다. 바이털 사인이 사라지듯 없어지려다 가도 어느 순간 발화하는 신호가 나왔다. 이것을 보며 '삶과 죽음의 경계가 있는 것인가'라는 생각이 들었다. 누워있는 마우스에게 고마움과 미안함과 심지어 경건함까지 느꼈다."


연구단은 마우스 외에도 치매의 원인과 치료법을 연구개발하기 위해 제브라피쉬, 초파리 등에게 도움을 받고 있다.

 

창문도 없는 밀폐된 공간에서 뇌파가 완전히 사라진 모습을 본 그는 실험이 끝나고 집으로 돌아가는 새벽길 정말 많은 생각이 들었다. 생명의 존귀함에 크고작음은 없기에 실험동물들에 고마움과 감사함은 연구생활 십여년이 흐른 지금도 잊지않고 있다.

 

앞으로 그는 "보편적 진리를 찾기 위한 연구를 계속하겠다"고 밝혔다. 물 분자를 이해하기위해 물 상태에서 수증기 상태로 상태전이시키는 것처럼, 현상임계전이 현상을 규명한 것도, 렘수면의 비밀을 박힌 것도 모두 뇌를 이해하기 위한, 뇌의 보편적 진리를 위한 방법 중 하나라는 것.

 

그는 "모든 자연스러운 뇌는 인위적으로 조작하지 않더라도 동적인 특성이 있다. 그러나 치매는 매우 극적이다"라며 "왜 그런지를 연구할 것이다. 이를 위해 전뇌기저엽이라는 영역을 보고 있는데 이 영역이 가지는 각성과 비각성을 스위치하는 그 야누스적인 특성이 실마리라고 생각한다. 원인이 밝혀지면 치매 치료법도 발굴할 수 있다고 생각한다"고 말했다.


"값싼 웨어러블 디바이스로 치매진단이 가능하다면 그건 사회적으로 임팩트 있는 일이라고 생각합니다. 본인도 자각을 못하는 뇌신경회로의 이상을 웨어러블 디바이스로 검출해 내 치매를 조기 진단하는 것. 그것이 우리의 연구 목표입니다."








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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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