KIST, 초음파 기반 기술로 생체 삽입형 배터리 무선 충전 - KIST-고려대 연구팀, 생체 친화적 초음파 수신기 개발 - 수중환경 및 인체삽입형 전자기기의 배터리 무선 충전에 활용 기대 수중환경 전자기기 혹은 이식형 의료 전자기기에 대한 수요 증가에 따라 이에 대한 안정적이고 지속적인 전력 공급은 필수적이다. 그러나 스마트폰과 무선 이어폰 등에 사용되는 기존의 무선 충전 방식(전자기 유도, Radio Frequency 기반 충전 등)은 전송 거리가 짧거나, 생체 조직 내 에너지 전달 효율이 낮으며, 전자파 간섭 등의 문제를 안고 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 최근 연구진들은 새로운 무선 전력 전송 기술 방식으로 초음파를 이용한 방식을 고려하고 있다. 초음파는 인체 친화적이며 조직 흡수가 적어, 이식형 및 피부 부착형 기기에서 더욱 안정적인 에너지 전송이 가능하다는 장점이 있다. 이에 따라 초음파 에너지를 활용한 무선 충전 기술이 차세대 전력 전송 방식으로 부상하고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 전자융합소재연구센터 허성훈 박사 연구팀과 고려대학교 송현철 교수 연구팀은 구부러져도 성능이 유지되는 생체 친화적 초음파 수신기를 개발했다. 개발 수신기는 기존 무선 전력 전송 방식이 가진 여러 한계를 극복하는 동시에 생체 적합성을 높여, 차세대 웨어러블 및 이식형 전자기기에 적용할 수 있을 것으로 보인다. 또한, 연구진은 초음파를 수신해 배터리 무선 충전을 실증함으로써 기술의 실용화를 위한 중요한 발판을 마련했다. 특히, 연구진은 고효율 압전 소재와 독자적인 구조 설계를 통해 기존 초음파 수신기 대비 전력 변환 효율을 획기적으로 향상시켰다. 신축성과 생체 적합성을 갖춘 초음파 수신기를 설계해 인체 곡면에 밀착하면서도 안정적인 전력 변환을 성공시킨 결과, 수중 3cm 거리에서 20mW의 전력을, 피부로부터 3cm 깊이에서는 7mW 수준의 전력을 전송할 수 있었다. 이는 저전력 웨어러블 기기나 이식형 의료기기의 지속적인 구동에 충분한 전력량으로 평가된다. 이번 연구 성과는 초음파 기반 무선 충전 기술이 수중 전자기기 및 이식형 의료 전자기기의 실용화를 앞당기는 데 기여할 것으로 기대된다. 특히, 이식형 심박 조율기, 신경 자극기, 웨어러블 센서와 같은 저전력 의료기기에 안전하고 지속적인 전력을 공급할 수 있는 새로운 패러다임을 제시할 것으로 보인다. 또한, 의료기기뿐만 아니라 수중 드론이나 장기적인 전력 공급이 필요한 해양 센서에도 적용될 가능성이 있어, 다양한 산업 분야에서도 활용도가 높을 것으로 전망된다. KIST 허성훈 박사는 "이번 연구를 통해 초음파를 활용한 무선 전력 전송 기술이 실질적으로 적용될 수 있음을 입증했다"며 "향후 소형화 및 상용화를 위한 추가 연구를 진행하여 기술의 실용화를 앞당길 계획"이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 기관고유사업 및 한국연구재단 나노·소재기술개발사업(RS202400448865)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 소재 분야 국제 학술지인 「Advanced Materials」 (IF: 27.4, JCR 소재 분야 상위 1.9%) 최신호에 게재 및 표지로 선정됐다. * (논문명) A Body Conformal Ultrasound Receiver for Efficient and Stable Wireless Power Transfer in Deep Percutaneous Charging [그림 1] 초음파 무선 충전을 통한 배터리 충전 인체 삽입형 의료 전자기기의 배터리 무선충전과정을 가정 시, 인체에 밀착 부착과정에서 구부러지고 변형되어도 성능이 유지됨을 보여주는 초음파 수신기 모식도 [그림 2] 소자 활용 개념도 및 내부 구성도 (좌) 마찰전기 방식의 초음파 수신기를 삽입형 의료 전자기기기에 적용할 경우의 예상도 (우) 소자 세부 구성도

KIST, 바이러스 잡고 상처 회복 돕는 다기능 펩타이드 개발 - 항바이러스‧조색 재생 기능 갖춘 천연 단백질 대사체 유래 펩타이드 개발 펩타이드 대사체의 차세대 신약 및 조직 재생용 바이오소재로 확장 가능성 높여 코로나19 팬데믹 이후 전 세계적으로 항바이러스 치료제에 관한 관심이 높아지고 있다. 최근, 위고비(Wegovy)와 같은 펩타이드 신약이 주목받으면서 천연물 기반의 효과적인 펩타이드 치료제에 대한 수요가 빠르게 증가하고 있다. 특히, 천연 단백질이 체내에서 분해되며 생성되는 ‘펩타이드 대사체’는 다기능성 신약 개발에 적합한 유망 후보물질로 주목받고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 생체재료연구센터 한형섭 박사, 천연물시스템생물연구센터 송대근 박사, 도핑컨트롤센터 권오승 박사 연구팀은 천연물에서 유래한 펩타이드를 기반으로 항바이러스와 조직 재생 기능을 동시에 갖춘 치료 물질을 개발했다고 밝혔다. 연구팀은 우리 몸에 존재하는 특정 단백질(티모신 β4)이 분해되며 생기는 펩타이드 대사체(Ac-Tβ1-17)가 항바이러스 작용과 조직 재생을 동시에 유도할 수 있는 기능성 물질임을 밝혀냈다. 연구팀이 발굴한 펩타이드 대사체(Ac-Tβ1-17)는 코로나19 바이러스의 주요 단백질 분해 효소(Mpro) 활성을 85% 이상 억제해 강력한 항바이러스 효과를 보였다. 또한, 사람 혈관 세포를 활용한 실험에서는 세포 성장과 상처 치유, 혈관 생성, 유해 산소 제거 등 몸의 회복 과정에 중요한 기능을 활성화하는 효과도 함께 확인됐다. 연구진은 펩타이드 대사체(Ac-Tβ1-17)의 우수한 생물학적 기능을 실제 치료에 활용하기 위해 지지체를 직접 제작했다. 지지체는 세포가 자라거나 손상된 조직이 회복되는 데 발판이 되는 구조물로 재생의학 분야에서 중요한 역할을 한다. 이 펩타이드 지지체는 세포가 잘 부착되고 성장하며 혈관이 잘 형성되는 등 조직 회복을 유도하는 데 매우 효과적인 것으로 나타났다. 이번 연구는 하나의 펩타이드가 항바이러스 치료와 조직 재생이라는 두 가지 기능을 동시에 수행할 수 있음을 입증해 기존 단백질 치료제의 한계를 극복할 것으로 기대된다. 또한, 단백질이 체내에서 분해되어 생성되는 대사체의 가능성에 주목했다는 점에서 신약과 의료용 바이오소재 개발에 중요한 기술적 기반이 될 수 있다. 연구팀은 펩타이드 대사체(Ac-Tβ1-17)를 활용한 맞춤형 치료제 및 조직 재생용 생체재료 실용화를 위한 연구를 수행할 계획이다. KIST 한형섭 박사는 “이번 연구는 단백질 대사체가 신약뿐만 아니라 조직 재생을 위한 바이오소재로도 활용될 수 있음을 보여준 사례로, 향후 다양한 생체 응용 분야로의 확장 가능성을 확인한 데 의의가 있다”라고 말했다. 송대근 박사는 “천연 유래 생체활성 소재를 활용한 연구를 지속해 항바이러스제, 기능성 생체재료 등 다양한 분야에서 실용화할 계획”이라고 밝혔으며, 권오승 박사는 “티모신 β4 단백질의 대사체가 공동 연구를 통해 신약 후보 물질로 발굴되어 앞으로 이 분야에 많은 활용 가능성이 기대된다”라고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 국제화기반조성사업(NRF-2021K1A3A1A74095929) 등으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Bioactive Materials」 (IF 18.0, JCR 분야 0.9%)에 게재됐다. * 논문명 : Protein to biomaterials: Unraveling the antiviral and proangiogenic activities of Ac-Tβ1-17 peptide, a thymosin β4 metabolite, and its implications in peptide-scaffold preparation [그림 1] 체내 단백질로부터 활성 펩타이드 소재 개발 인체에 존재하는 Thymosin beta 4 단백질의 대사물인 Ac-Tβ1-17의 항바이러스 효능, 세포재생효능, 상처회복효능, 신생혈관 재생 효능을 관찰하였다. [그림 2] Ac-Tβ1-17의 항바이러스 효능 발견 기존 티모신 베타4 단백질은 항바이러스 효능을 갖고 있지 않았던 반면, 그 대사체인 Ac-Tβ1-17은 코로나바이러스에 대한 강한 항바이러스 효능을 가지는 것으로 밝혀졌다. [그림 3] Ac-Tβ1-17의 신생혈관 재생 효능 적용 Ac-Tβ1-17을 펩타이드 지지체에 코팅하거나 마우스 중족골에 처리한 뒤 혈관 생성 효능을 관찰한 결과, Ac-Tβ1-17은 혈관 재생에 탁월한 효능이 있는 것으로 밝혀졌다.

KIST, 초고색재현 풀컬러 발광 상향변환 나노입자 기술 개발 - 고색재현율을 보이는 코어@다중쉘 구조의 상향변환 나노입자 개발 - 단일 나노입자로 RGB 발광 구현, 디스플레이·보안 분야 혁신 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 극한물성소재연구센터 장호성 박사 연구팀은 중심에 있는 코어 입자를 여러 층의 쉘이 둘러싼 다층 구조 형태인 코어@다중쉘 나노구조를 도입하고, 적외선 파장을 조절해 단일 입자에서 고색순도의 RGB 발광을 구현할 수 있는 상향변환 나노입자 기술을 개발했다. 발광 소재는 스스로 빛을 내는 재료로, TV, 태블릿, 모니터, 스마트폰 등 다양한 디스플레이 기기에 사용되어 우리가 다양한 이미지와 영상을 볼 수 있게 한다. 그러나 기존의 2차원 평면 디스플레이는 현실 세계의 3차원 입체감을 완전히 전달하기 어려워, 깊이감 표현에 한계가 있다. 영화 '아바타(Avatar)'는 3D 영상으로 큰 관심을 받았지만, 관객들은 입체감을 느끼기 위해 특수 안경을 착용해야만 했고, 이러한 불편함을 해소하기 위해 무안경 3D 디스플레이가 개발됐지만, 이는 시청자의 눈에 피로를 주는 단점이 있었다. 이러한 문제를 해결하고자 3차원 체적 디스플레이(3D volumetric display) 기술이 연구되고 있다. 이는 3차원 공간에 입체적인 영상 정보를 구현하는 차세대 디스플레이 기술로, 이를 위해 적외선을 흡수하여 가시광선을 발광하는 상향변환 나노입자가 필요하다. 특히, 하나의 입자에서 빛의 삼원색인 적색(R), 녹색(G), 청색(B)을 모두 발광할 수 있는 나노입자가 필요하지만, 기존 소재는 하나의 입자에서 하나의 색만 발광하거나, R/G/B 발광이 가능하더라도 밝기가 약하거나 색순도가 낮아 색재현 범위가 제한적이었다. KIST 연구진은 코어와 쉘의 물질 조성을 제어해 각각 R/G/B 발광을 유도했으며, 세 가지 파장의 적외선을 적용해 각 파장에 따라 R/G/B 발광이 나타나도록 했다. 특히, 코어에서 녹색, 안쪽 쉘에서 적색, 바깥쪽 쉘에서 청색 발광이 나타나도록 설계해 단일 입자에서 높은 색순도와 강한 발광 강도의 R/G/B 발광을 구현했다. 연구진이 개발한 나노입자는 동시에 여러 파장의 적외선을 적용하면 다양한 색을 구현할 수 있으며, 이를 통해 NTSC 색공간의 94.2%, sRGB 색공간의 133%에 달하는 넓은 색재현 범위를 달성했다. 또한, 이 나노입자를 투명 고분자 복합체와 혼합해 다양한 컬러 이미지를 디스플레이함으로써 상향변환 나노입자를 이용한 3D 체적 디스플레이 구현 가능성을 제시했다. KIST 장호성 박사는 "적외선을 흡수해 고색재현 풀컬러 발광을 나타낼 수 있는 상향변환 나노입자는 진정한 3D 영상을 볼 수 있는 3D 체적 디스플레이의 상용화를 가능하게 할 것이며, 디스플레이 분야뿐만 아니라 위조와 변조를 막을 수 있는 보안용 소재로도 활용할 수 있을 것"이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 중견연구자지원사업(NRF-2022R1A2C2005943), 산업통상자원부(장관 안덕근)의 지원을 받아 알키미스트프로젝트(20193091010240) 및 소재부품기술개발사업(RS-2024-00433146)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Advanced Functional Materials」 (IF 18.5, JCR 분야 4.1%) 최신 호에 게재됐으며, Frontispiece로 선정됐다. * (논문명) Multicolor Fine-Tunable Upconversion Luminescence from a Single Nanoparticle for Full-Color Displays with a Wide Color Gamut [그림 1] 균일한 크기, 모양을 가지는 코어@다중쉘 상향변환 나노입자 합성 (좌) 코어@다중쉘 나노입자의 전자현미경 사진 (우) 코어@다중쉘 나노구조 모식도 및 확대한 나노입자 사진 [그림 2] 코어@다중쉘 상향변환 나노입자로부터 다양한 발광색 구현 (좌) 코어@다중쉘 상향변환 나노입자로부터 나타나는 R/G/B 발광을 통해 구현되는 색재현 범위와 NTSC 및 sRGB 색영역을 보여주는 색도도(chromaticity diagram) (우) 합성된 코어@다중쉘 상향변환 나노입자가 분산된 용액에 세 가지 파장의 적외선 및 세 가지 파장을 조합한 적외선을 인가할 때 나타나는 발광 사진. 이로부터 본 연구를 통해 개발된 상향변환 나노입자로부터 다양한 발광색이 구현된다는 것을 알 수 있음. [그림 3] 코어@다중쉘 상향변환 나노입자-고분자 복합체로부터 디스플레이된 컬러 이미지 사진 (좌측 상단) 코어@다중쉘 상향변환 나노입자를 polydimethylsiloxane(PDMS) 고분자에 분산하여 합성한 투명 고분자 복합체 사진 (우) 코어@다중쉘 상향변환 나노입자-PDMS 고분자 복합체에 적외선을 인가할 때 구현된 다양한 컬러 이미지 사진들. 적외선 광원과 상향변환 나노입자-고분자 복합체로부터 원하는 모양의 컬러 디스플레이 구현이 가능함을 보여주는 사진임.

엑소좀의 한계 극복한 새로운 약물 전달체 개발 엑소좀의 조직 침투 특성을 모사한 신개념 약물 전달체 제작 및 성능 확인 뇌 질환과 고형암 치료의 한계를 넘는 차세대 치료제 개발에 적용 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 생체분자인식연구센터 김호준 박사 연구팀은 엑소좀의 한계를 극복하기 위해 새로운 약물 전달체인 엑소좀 모사 전달체(Exosome-Like Vesicle: ELV)를 개발했다고 밝혔다. 이번 연구를 통해 개발된 전달체는 뇌혈관장벽이나 고형암과 같은 치밀한 조직 내부를 효과적으로 이동하며 약물을 전달할 수 있다. 현재 다양한 질병 치료제가 개발되고 있지만, 치료 효과를 높이기 위한 가장 중요한 과제는 약물을 조직 깊숙이 침투하는 것이다. 일부 조직은 촘촘하게 이루어져 있어 치료제가 존재하더라도 조직 내부까지 충분히 도달하지 못해 효과가 제한된다. 특히, 고형암이나 뇌종양처럼 조직이 단단하고 촘촘한 경우, 치료제를 조직 깊숙한 곳까지 전달하는 것이 더욱 어려운 문제가 된다. 최근 인체가 자연적으로 분비하는 나노소포체인 엑소좀을 활용한 치료제가 주목받고 있다. 엑소좀(Exosome)은 우리 몸에서 신호 전달과 물질 운반을 담당하며 복잡하고 치밀한 조직도 자유롭게 이동할 수 있다. 그러나 세포에서 자연적으로 분비되는 엑소좀은 성분 조절과 대량 생산이 어렵다는 한계를 갖고 있다. 연구팀은 엑소좀의 조직 침투 능력에 주목해 엑소좀 모사 전달체를 개발했다. 조직 침투에 중요한 엑소좀의 핵심 성분을 선별하고 이들의 조직 확산 및 약물 전달 역할을 체계적으로 분석하여 최적의 조합을 도출했다. 특히, 합성 전달체에 엑소좀 성분을 첨가하는 기존 방식과 달리 엑소좀의 주요 성분이 가진 구조적·기능적 특징을 정밀하게 분석하고 이를 분자 수준에서 재현해 실제 엑소좀과 유사한 성능을 구현했다. 연구팀이 개발한 엑소좀 모사 전달체의 효과를 검증하기 위해 모델 조직(model tissue)을 활용한 약물 확산 실험을 수행했다. 그 결과, 기존 전달체보다 33배 높은 침투력을 보였으며 근육, 연골, 고환 피막 등 다양한 생체 조직에서 80% 이상의 높은 침투 성능을 확인했다. 또한, 고형암 조직을 모사한 동물 모델에서도 엑소좀과 유사한 확산 패턴을 나타냈으며 실제 조직 내부에서의 이동 경로와 메커니즘을 효과적으로 재현하는 것으로 밝혀졌다. 이번 연구에서 개발한 전달체는 기존 합성 전달체가 극복하지 못했던 조직 침투 한계를 해결하고 치료제 전달 효율을 극대화해 차세대 약물 전달 기술로서 다양한 치료제 개발의 새로운 가능성을 제시했다. 특히, 엑소좀 모사 전달체를 활용한 정밀의료 및 항암 치료제 개발에 중요한 전환점이 될 것으로 기대된다. 이를 위해 연구팀은 체내 안정성과 약물 탑재 효율을 최적화하고 다양한 질환 모델에서 효과를 검증하는 연구를 수행할 계획이다. KIST 김호준 박사는 “엑소좀 모사 기술이 상용화되면 뇌종양 및 고형암과 같은 난치성 질환 치료에 획기적인 돌파구가 될 것”이라며 “후속 연구를 통해 치료제뿐만 아니라 엑소좀이 활용되고 있는 화장품, 식품 등 다양한 산업 분야로 활용 범위를 확대할 계획”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 개인기초연구사업(RS-2023-00209955), Young Scientist+ research program(2023YS22) 등을 통해 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「ACS Nano」 (IF 15.8, JCR 분야 6.0%) 최신 호에 게재됐다. * 논문명 : Exosome-Inspired Lipid Nanoparticles for Enhanced Tissue Penetration [그림 1 엑소좀 모사 전달체의 개발 모식도] 치밀한 구조의 조직 내부를 자유롭게 이동하는 엑소좀의 특별한 수송능력을 모사한 엑소좀 모사 전달체. 엑소좀의 조직 침투 능력을 모사할 수 있는 3가지 핵심 요소를 사용했으며, 결과적으로 우수한 조직 침투 능력을 가진 입자를 성공적으로 개발하였다. [그림 2 엑소좀 모사 전달체의 조직 침투 성능] (좌) 기존 전달체와 엑소좀 모사 전달체가 실제 조직을 이동하는 모식도 (우) 조직 내부 기존 전달체와 엑소좀 모사 전달체의 확산 계수, 모든 조직에서 높은 확산 현상을 나타냄 [그림 3 고형암 동물모델에서 엑소좀 모사 전달체의 침투 성능] 엑소좀 모사 전달체의 시간에 따른 실제 조직 내에서의 이동 거리. 엑소좀 모사 전달체가 기존의 전달체 보다 조직 내에서 더 높은 이동 거리를 나타내었다. 또한 조직 내부의 약물 분포(빨간색)를 확인했을 때 실제 엑소좀과 비슷한 분포를 나타내는 것을 확인하였다.

인공 시각 장치 개발, AI로 더 빠르고 정밀하게 - 인공지능을 활용한 인공 시각 장치의 성능 예측 기술 개발 - 인공 시각 장치 개발 기간 획기적 단축 및 실생활 적용 가능성 증대 시각 장애인을 위한 인공 시각 장치 개발은 여전히 과학적·공학적·의학적 난제로 남아있다. 현재까지 개발된 인공 시각 기술은 사람의 얼굴을 인식하거나 책을 읽을 수 있는 수준은 구현된 바가 없으며, 사물의 인지 효율도 낮은 문제가 있다. 시각 장애인들이 인공 시각 장치를 이식받더라도 지팡이나 보호자 도움 없이 독립적인 보행이 어렵고 촉각이나 청각에 의존해야 한다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 뇌융합연구단 임매순 박사 연구팀은 인공지능(AI)을 활용해 인공 시각 장치의 인지 효율을 사전에 정밀하게 예측할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구는 인공 시각 장치의 효율적인 설계 및 성능 최적화를 가능하게 해 실생활에서 사용가능한 수준의 시각 구현을 앞당길 수 있을 것으로 기대된다. 연구팀은 인공 시각 장치의 다양한 설계 조건에 따른 최종 시각 품질을 신속하고 정밀하게 예측할 수 있는 AI 모델을 개발했다. KIST가 구축한 한국인 400명의 얼굴 이미지 데이터베이스를 활용해 기계학습 모델을 학습시켜 인간의 자연스러운 얼굴 인식 능력을 모사할 수 있도록 설계했다. 특히, 인공 시각 장치가 제공하는 저해상도 흑백 이미지에 최적화된 AI 모델을 개발해 실제 인공 시각 환경에서 적용할 수 있도록 설계됐다. 개발된 AI 모델의 성능 평가를 위해 저해상도로 변환된 3,600개의 얼굴 이미지에 대해 인식 정확도를 측정했다. 이를 정상 시력을 가진 36명을 대상으로 720개의 얼굴 이미지에 대한 인지 실험 결과와 비교했을 때, 연구진이 개발한 AI 모델은 인간과 유사한 인식 정확도를 보였다. 이러한 성능 검증을 통해 기존의 반복적인 임상시험 없이도 설계 단계에서 인공 시각 장치의 품질을 예측할 수 있다. 이번 연구는 인공 시각 기술 개발에 AI 기반 접근법을 도입하여 연구개발 비용과 시간을 절감할 수 있음을 의미한다. 기존에는 인공 시각 장치를 설계한 후 실제 제작과 임상시험을 거쳐야만 성능을 평가할 수 있었으나, AI 모델을 활용하면 설계 단계에서 성능을 예측하고 최적화할 수 있어 개발 시간을 단축할 수 있다. 또한, 최적의 시각 자극 조건을 탐색해 인공 시각 장치의 성능을 극대화하는데 기여할 수 있다. KIST 임매순 박사는 “이번에 개발된 AI 모델이 얼굴 인식뿐만 아니라 실생활 이미지 분석에도 적용될 경우, 보다 실용적인 인공 시각 시스템 개발이 가능할 것”이라며, “향후 AI 기반 인공 시각 품질 예측 모델의 적용 범위를 확대하고 현재 개발 중인 새로운 인공 시각 기술에도 적용해 임상시험 및 상용화를 앞당길 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업과 우수신진연구자지원사업(2020R1C1C1006065) 및 뇌기능규명조절기술개발사업(2022M3E5E8017395)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Advanced Science」 (IF 14.3, JCR 분야 6.5%) 최신호에 게재됐다. * 논문명 : Machine Learning Techniques for Simulating Human Psychophysical Testing of Low-Resolution Phosphene Face Images in Artificial Vision [그림 1] 얼굴 인식 정확도 측정을 위한 사람 대상 인지 실험과 이를 대체할 수 있는 인공지능 (머신러닝) 방법 개념도 인공 시각을 위한 기존 연구에서는 인공 시각으로 예상되는 저해상도 이미지를 활용하여 인지 실험을 수행함. 일반적으로, 인지 실험의 사전 테스트 단계에서는 메인 테스트 단계에서 활용하는 얼굴 이미지가 아닌 이미지로 실험 문제를 구성하여 사람들이 실험 절차를 익히도록 하고, 메인 테스트 단계에서는 인공 시각으로 표현된 사람 얼굴 이미지로 실험 문제를 구성하여 얼굴 인식 정확도를 측정함. 본 연구에서는 인간의 얼굴 인식 능력을 모방한 인공지능 (머신러닝) 모델을 학습하고, 사람 대상 인지 실험과 동일한 형태의 테스트를 수행하여 인공 시각 품질을 얼마나 정교하게 예측할 수 있는지 알아보았음. 사람 얼굴 이미지는 KIST 고유 데이터베이스 AIHub에서 제공받음. [그림 2] 여러 인공 시각 조건으로 표현된 얼굴에 대한 인지 실험 참가자와 AI 모델의 얼굴 인식 정확도 비교 본 연구진이 테스트한 AI 모델들 중 가장 얼굴 인식 성능이 높은 AI 모델과 인지 실험 참가자의 얼굴 인식 정확도를 비교한 결과 그래프임. 여러 인공 시각 조건으로 사람 얼굴을 표현했을 때, 가장 낮은 품질의 인공 시각 이미지에 대해서만 사람의 얼굴 인식 성능이 유의미하게 높고, 나머지 조건에 대해서는 AI 모델이 인지 실험 참여자들과 매우 유사한 수준의 얼굴 인식 성능을 보임. 해당 결과는 사람 대상 얼굴 인식 인지 실험을 AI 모델로 대체할 수 있음을 보여줌. [그림 3] 얼굴 인식 과정에서 인지 실험 참가자와 AI 모델의 관심 영역 비교 인공 시각으로 표현된 얼굴 이미지를 인식 과정에서 인지 실험 참여자와 AI 모델의 차이를 비교하기 위해 관심 영역 분석을 시행함, AI 모델은 Grad-CAM 기법으로, 사람은 시선 추적 장치를 통해 관심 영역을 Heatmap으로 표현함. 그 결과, 가장 높은 얼굴 인식 성능을 보이는 AI 모델은 다른 모델들보다 얼굴 특징을 보다 더 정확하게 포착했으며, 다양한 인공 시각 조건에서도 일관되게 얼굴 특징을 잘 포착하는 경향을 보임.

장내 미생물, 골근감소증 치료 효과 높인다 - 국내 최초, 다양한 유전형 쥐 실험 통해 장내 미생물-유전자 상호작용 규명 개인 맞춤형 파마바이오틱스 개발로 골근감소증 치료 효과 높여 2023년 질병관리청 국민건강영양조사에 따르면 70세 이상 노인 5명 중 1명이 ‘골근감소증’을 앓고 있는 것으로 나타났다. 골근감소증은 뼈와 근육이 함께 약해지는 질환으로, 낙상 및 골절 위험을 높여 노년기의 삶의 질을 크게 떨어뜨린다. 하지만 현재 치료법은 칼슘 및 비타민 D 보충, 근력 운동 등 증상 완화에 초점이 맞춰져 있으며, 장기간 복용할 수 있는 효과적인 약물 치료법이 부족한 실정이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 천연물유효성최적화연구센터 김명석 박사팀은 장내 미생물과 유전자의 관계를 분석해 Rg3(알지쓰리)의 치료 효과가 개인별로 다르게 나타나는 원인을 규명하고 새로운 치료제 개발 전략을 제시했다고 밝혔다. 인삼에 함유된 진세노사이드 성분인 Rg3는 골근감소증 개선에 효과가 있다고 알려져 있으며, 이를 활용한 치료제 개발을 위해 효능 평가가 이루어지고 있다. 이번 연구에서는 Rg3의 효과가 개인별로 다르게 나타나는 이유를 밝히기 위해 유전적 다양성과 장내 미생물의 역할을 함께 분석했다는 점에서 차별성을 가진다. 반면, 기존 연구들은 Rg3 단일 성분의 효과를 동일한 유전적 배경을 가진 실험 모델에서 평가하는 데 집중했다. 그 결과, 연구팀은 특정 장내 미생물이 Rg3의 치료 효과를 조절하는 핵심 요소임을 밝혀내며 개인 맞춤형 골근감소증 치료 가능성을 제시했다. 연구팀은 6종의 서로 다른 유전형질을 가진 실험용 쥐를 활용해 Rg3가 골근감소증에 미치는 영향이 유전자에 따라 어떻게 달라지는지 그리고 장내 미생물이 어떤 역할을 하는지를 분석했다. 차세대 염기서열 분석을 통해 장내 미생물 군집과 유전형별 골근감소증 및 미생물 조성 변화를 비교한 결과, Rg3 투여 후 특정 장내 미생물인 Eubacterium nodatum(EN)과 Eubacterium ventriosum(EV)이 Rg3의 효과와 밀접한 관련이 있음을 확인했다. 추가 실험에서 연구팀은 골근감소증 관련 유전적 형질 차이가 가장 큰 쥐를 선별해 EN과 EV 미생물을 각각 투여했다. 그 결과, 한 그룹의 쥐(129S1)에서는 뼈 밀도, 근력, 근육량이 모두 증가했지만, 다른 그룹의 쥐(B6)에서는 운동 능력만 향상되고 뼈와 근육에는 큰 변화가 나타나지 않았다. 이는 EN과 EV가 뼈 생성 촉진 및 근육 분해 억제 작용을 하지만, 그 효과가 개체의 유전적 배경에 따라 달라질 수 있음을 의미한다. 이번 연구는 골근감소증 치료에 개인의 유전적 특징과 장내 미생물 환경을 고려한 맞춤형 치료 전략이 필요함을 의미한다. EN과 EV 미생물은 특정 유전형에서 골근감소증 개선 효과를 보이는 유망한 파마바이오틱스로, 향후 인체 적용 가능성 및 안전성 검증을 거쳐 맞춤형 치료제 개발로 이어질 것으로 기대된다. KIST 김명석 박사는 "이번 연구는 단순히 특정 천연물의 효능을 확인하는 것을 넘어, 천연물-장내 미생물-유전자 간의 복잡한 상호작용을 밝혀냄으로써 골근감소증 치료 연구의 새로운 패러다임을 제시했다"라며, "향후 한국인에게 흔한 유전형에 맞는 맞춤형 파마바이오틱스 개발을 통해 골근감소증으로 고통받는 많은 환자에게 희망을 줄 수 있을 것"이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 박사후 국내연수 과제(2022R1A6A3A01085975)로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Microbiome」 (IF 13.8, JCR 분야 4.7%)에 게재됐다. * 논문명 : Host-specific effects of Eubacterium species on Rg3-mediated osteosarcopenia treatment in a genetically diverse mouse population [그림 1] 장내 미생물과 유전자에 따라 달라지는 골근감소증 치료 효과 인삼 성분 Rg3 투여 후 다양한 유전적 배경을 가진 쥐들의 장내 미생물 변화를 관찰하고, 특정 미생물(EN, EV) 투여가 뼈와 근육, 운동 능력에 미치는 영향이 쥐의 종류(유전자)에 따라 다르게 나타남을 보여주는 그림. [그림 2] 6종 쥐로부터 선발된 129S1 및 B6 쥐와 타겟 미생물 EN 및 EV 6종의 다양한 유전적 배경을 가진 쥐에게 인삼 성분 Rg3를 투여한 후 장내 미생물 다양성 및 조성을 분석하여, Rg3 반응성과 관련된 특정 미생물(EN, EV)을 선별하고, 이들이 129S1 쥐와 B6 쥐에서 다르게 나타남을 보여주는 그림. [그림 3] 장내 미생물 투여 후 뼈, 근육, 운동 능력의 변화: 129S1 쥐 vs. B6 쥐 129S1 쥐와 B6 쥐에게 장내 미생물(EN, EV)을 투여했을 때, 129S1 쥐는 뼈 밀도와 근육량(악력)이 모두 개선된 반면, B6 쥐는 운동 능력만 개선되어, 미생물 효과가 쥐의 유전형에 따라 다르게 나타남을 보여주는 그림.

친환경 과산화수소 생산 돌파구! KIST, 공기 중 산소를 과산화수소로 전환하는 촉매 개발 - 메조 기공(Mesopore) 도입으로 낮은 산소 농도의 공기 공급 환경에서도 세계 최고 수준의 과산화수소 생산 특성 구현 - 중성 전해질에서 과산화수소 생산, 실용성 확보 및 상용화 가능성 제시 과산화수소는 화학, 의료, 반도체 산업 등에서 폭넓게 활용되는 세계 100대 산업용 화학 물질 중 하나다. 현재 과산화수소는 주로 안트라퀴논 공정(Anthraquinone process)을 통해 생산되지만, 이 공정은 높은 에너지 소비, 고가의 팔라듐 촉매 사용, 부산물 발생으로 인한 환경 오염 등 여러 문제점을 가지고 있다. 이에 따라, 최근에는 저렴한 탄소 촉매를 활용해 산소를 전기화학적으로 환원해 과산화수소를 생산하는 친환경적 방식이 주목받고 있다. 그러나 이 방식은 고순도의 산소 가스를 주입해야 하는 높은 비용 문제와 생성된 과산화수소가 불안정한 염기성 전해질 환경에서 주로 생성되는 실용적 한계가 존재했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 극한물성소재연구센터 김종민 박사, 계산과학연구센터 한상수 박사, 한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형) 이재우 교수, 한국기초과학지원연구원(KBSI, 원장 양성광) 문준희 박사 공동연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 탄소 촉매에 메조 기공(Mesopore)을 도입해 낮은 산소 농도를 갖는 공기 공급 환경 및 중성 전해질에서도 과산화수소를 효과적으로 생산할 수 있는 고효율 메조 다공성 촉매를 개발했다. 연구팀은 온실가스인 이산화탄소(CO₂), 강력한 환원제인 수소화붕소나트륨(NaBH₄), 그리고 메조 크기의 탄산칼슘(CaCO₃) 입자를 반응시킨 후, 탄산칼슘 입자를 선택적으로 제거하는 방식으로 약 20나노미터(nm) 크기의 메조 기공을 갖는 붕소 도핑 탄소를 합성했다. 이를 전기화학적 과산화수소 생산 촉매로 활용한 결과, 메조 기공으로 인해 형성된 굴곡진 표면 특성이 과산화수소 생성 반응이 어려운 중성 전해질 환경에서도 우수한 촉매 활성을 발휘하는 것을 실험과 계산을 통해 규명했다. 또한, 실시간 라만 분석을 통해 메조 다공성 구조가 반응물인 산소의 원활한 전달을 촉진함으로써, 산소 농도가 약 20%에 불과한 공기 환경에서도 높은 촉매 활성을 유지할 수 있음을 확인했다. 이러한 연구 성과를 바탕으로, 연구팀은 붕소 도핑 메조 다공성 탄소 촉매를 과산화수소 대량생산 반응기에 적용할 경우, 상용화에 가까운 환경인 중성 전해질과 공기 공급 및 산업 규모의 전류밀도(200 mA/cm²) 조건에서 80% 이상의 세계 최고 수준 과산화수소 생산 효율을 기록할 수 있음을 입증했다. 특히, 의료용 과산화수소 농도(3%)를 초과하는 3.6% 농도의 과산화수소 용액을 제조하는 데 성공함으로써 상용화 가능성을 제시했다. KIST 김종민 박사는 "우리가 호흡하는 공기 중의 산소를 활용해 중성 전해질에서 과산화수소를 생산하는 메조 다공성 탄소 촉매 기술은 기존 촉매보다 실용성이 높아 산업화에 속도를 더할 것"이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 우수신진연구사업(2N74120), 나노소재기술개발사업(2N76070) 및 선도연구센터지원사업(NRF-2022R1A5A1033719)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Advanced Materials」 (IF 27.4, JCR 분야 1.94%) 최신 호에 게재됐다. * (논문명) Mesoporous Boron-doped Carbon with Curved B4C Active Sites for Highly Efficient H2O2 Electrosynthesis in Neutral Media and Air-supplied Environments [그림 1] 붕소 도핑 메조 다공성 탄소 촉매 구조 (좌) 다공성 탄소 촉매의 표면과 메조 기공을 이루는 탄소 벽에 붕소가 도핑되어 있는 구조를 나타낸 모식도. (우) 투과전자현미경과 원자단층현미경을 이용하여 측정된 탄소 촉매의 메조 기공 구조 및 붕소의 원자 단위 분포 상태. [그림 2] 평면 도핑 구조와 휘어진 붕소 도핑 구조의 촉매 활성 비교 (좌) 평면 도핑 구조와 메조 기공에 의해 휘어진 도핑 구조의 촉매 반응 과정 모식도. (우) 도핑 형태에 따른 중성 전해질에서 과산화수소 생성 반응에 대한 활성 비교. [그림 3] 공기를 이용한 과산화수소 생산 전극 구조 및 촉매 성능 (좌) 붕소 도핑 메조 다공성 탄소 촉매를 이용해 만든 공기 활용 과산화수소 생산 전극 구조의 모식도. (우) 중성 전해질 및 대기 환경에서 측정한 본 연구 개발 촉매와 기존 촉매와의 성능 비교표.

차세대 이미징 기술 혁신! KIST, 2차원 반도체 기반 고성능 센서 개발 - 높은 저항과 페르미 준위 고정 현상 해결해 센서 성능 획기적 향상 - 차세대 고효율 초소형 이미징 센서 기술의 상용화에 핵심적 역할 기대 차세대 이미징 기술은 스마트폰을 넘어 지능형 디바이스, 로봇, XR(확장현실) 디바이스, 의료, CCTV 등 다양한 산업 분야로 빠르게 확장되고 있다. 이러한 기술 발전의 핵심에는 빛의 신호를 전기 신호로 변환하는 고효율, 초소형 이미지 센서가 필수적으로 자리 잡고 있다. 이미지 센서는 물체와 환경의 시각적 정보를 기록하고 처리해 모양, 크기, 공간 내 위치를 정밀하게 재구성하는 역할을 한다. 현재 상용 이미지 센서는 주로 실리콘 반도체를 기반으로 제작되지만, 최근 이를 대체할 가능성이 있는 2차원 반도체 나노소재를 활용한 차세대 이미지 센서 개발이 활발히 진행되고 있다. 2차원 반도체 나노소재는 수 나노미터 두께의 원자층으로 구성된 물질로, 뛰어난 광학적 특성과 소형화 가능성을 갖추고 있어 고성능 이미지 센서 구현에 적합하다. 하지만 이러한 센서의 성능을 극대화하기 위해서는 광신호를 효율적으로 처리할 수 있는 저저항 전극이 필수적이다. 기존 2차원 반도체 기반 센서는 낮은 저항을 가진 전극 구현에 한계가 있어 광신호 처리 효율이 저하되며, 이는 상용화의 주요 장애 요소였다. 이에 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 차세대반도체연구소 양자기술연구단 황도경 박사(고려대학교 KU-KIST 융합대학원, 학연교수)와 박민철 박사 공동 연구팀은 혁신적인 전극 소재인 'Conductive-Bridge Interlayer Contact(CBIC)'을 개발하여 높은 광신호 효율을 갖춘 2차원 반도체 기반 이미지 센서를 구현하는 데 성공했다. 연구팀은 전극 내부에 금 나노입자를 형성해 전극의 저항을 획기적으로 낮추는 데 성공함으로써 2차원 반도체 이미지 센서의 성능을 크게 향상시켰다. 또한, 기존 전극 소재에서 발생하던 페르미 준위 고정 현상 문제를 효과적으로 해결해 센서의 광신호 효율을 한층 높였다. 특히, 연구팀은 이러한 기술을 적용해 잠자리 겹눈 구조와 유사한 형태의 집적영상 기반 3차원 이미징 및 무안경 방식 디스플레이 기술을 성공적으로 구현했다. 이를 통해 3차원 물체의 형상을 기록하고 재현할 수 있는 집적영상 기술을 활용해 RGB 풀컬러 기반의 3차원 영상을 획득하고 재현하는 데 성공했다. 향후, 이러한 고성능 이미지 센서는 XR 디바이스, 인공지능(AI), 자율주행 시스템 등 다양한 첨단 산업 분야에서 폭넓게 활용될 것으로 기대된다. 황도경 박사는 "이번 연구를 통해 기존 2차원 반도체 소자의 전극 문제로 인해 발생했던 기술적 한계를 극복함으로써, 광흡수성과 소형화에 유리한 차세대 이미징 시스템 기술의 산업화를 앞당기는 데 크게 기여할 것으로 기대된다"고 밝혔다. 또한, "개발된 전극 소재는 제조가 간단하고 대면적화가 용이해, 다양한 반도체 기반 광전 소자에도 폭넓게 활용될 수 있을 것"이라며 연구의 확장 가능성을 강조했다. 박민철 박사는 "페르미 준위 고정 현상 문제를 극복한 2차원 반도체 기반 광전 소자는 향후 초소형, 초고해상도, 고사양의 시각 센서가 요구되는 산업 전반에 걸쳐 큰 파급효과를 가져올 것"이라고 전망했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임), 문화체육관광부(장관 유인촌)의 지원을 받아 KIST 주요사업, 한국연구재단 개인연구사업 중견연구(RS-2023-NR077025), IITP ITRC 연구개발사업(IITP-2023-RS-00258639) , 한국콘텐츠진흥원 문화기술연구개발사업(R2020040080, RS-2020-KC000685)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Nature Electronics」 (IF : 34.5, JCR 분야 0.1%) 최신 호에 게재됐다. * (논문명) Conductive-bridge interlayer contacts for two-dimensional optoelectronic devices [그림 1] 본 연구진이 개발한 CBIC 전극의 모식도와 투과전자현미경 사진 본 연구진이 개발한 새로운 전극(CBIC)은 내부에 금 나노입자를 형성하여 전극의 저항을 효과적으로 낮출 수 있음. 투과전자현미경을 통해 전극 내부에 실제로 금 나노입자가 형성된 것을 확인함. [그림 2] 개발한 CBIC 전극을 활용한 이차원 반도체 광센서의 동작 결과 CBIC 전극을 활용한 이차원 반도체 광센서의 성능을 평가한 결과, 기존 MIS 전극 대비 선형 동적 범위 특성이 대폭 개선됨을 확인함. [그림 3] 본 연구에서 구현한 잠자리 겹눈 구조와 유사한 형태인 집접영상 기반 3차원 이미징 및 무안경방식 디스플레이 시스템의 모식도 개발한 전극을 활용하여 렌즈 어레이를 사용하여 집적영상 기반 3차원 이미징과 디스플레이를 시연, 그 성능을 확인함.

□ 일 자 : 2025년 2월 24일(화) □ 방송사/프로그램명 : 채널A / 현장 카메라 □ 주요내용 : 장기 실종자를 찾는 단서가 되는 AI 몽타주 기술 설명_김익재 AI·로봇연구소장 □ 링크 : https://www.youtube.com/watch?v=IxqHNgKd2Jk

□ 일 자 : 2025년 2월 22일(토) □ 방송사/프로그램명 : SBS / 그것이 알고싶다, 살인범과 나비 스티커 - 목포 여대생 살인 사건 □ 주요내용 : DNA를 활용한 3D몽타주 기술 소개_김익재 AI·로봇연구소장 □ 링크 : https://programs.sbs.co.kr/culture/unansweredquestions/vod/55075/22000554166