바이오 연료를 위한 기름/알코올 분리! 불소가 해결 - 상온에서 쉽게 만드는 초발수성 탄소나노입자 기반 스펀지 구조체 개발 - 불소 도핑으로 물, 알코올 등 특정 액체에서 기름만 분리, 바이오 연료 개발 활용 젖지 않는 옷, 물속에서 작동하는 스마트폰, 스스로 청소하는 창문 등 물을 싫어하거나 밀어내는 성질인 발수 특성은 현대 생활 속에서 광범위하게 활용되고 있다. 이러한 물질은 물은 밀어내지만 기름은 빨아들여 물에서 기름을 흡착하는 용도로 쓰인다. 그러나 기름과 알코올은 분리하지 못해 추가적 용도로 사용에는 한계가 있었다. 이와 같은 초발수성 물질은 제작 공정이 복잡하고, 기능유지가 쉽지 않았다. 표면에 복잡한 고온 공정을 통해 구조를 형성하고 그 위에 테프론(Teflon)이나 왁스(wax)와 같은 물질을 코팅하는 2단계 공정을 거쳐야만 초발수성 물질을 얻을 수 있고, 이렇게 제조된 물질은 시간이 지나면 초발수성이 약해지거나, 해수 담수화 필터, 기름 흡착포와 같이 구조체 내부로 유체를 흡수시켜야 하는 3차원 구조체로의 적용은 어려웠다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 다원물질융합연구소 문명운 박사 연구팀은 ‘상온 상태에서 쉽게 만들 수 있으면서도, 기존 제품보다 더 강한 초발수성을 가진 탄소 입자 스펀지 구조체를 만들고, 이 구조체에 불소를 도핑하여 물이나 알코올 등 특정성분을 기름에서 분리하는 기능을 추가로 개발’했다고 밝혔다. 문박사팀은 초발수성을 가지면서, 기공의 크기와 표면 에너지의 제어가 가능한 3차원 탄소 구조체를 상온에서 플라즈마 증착 방법*을 이용하여 탄소 나노입자를 차곡차곡 쌓는 형식으로 구현하였다. 이 구조체는 물을 강하게 밀어내는 성질을 가진 탄소 나노입자가 3차원 구조체를 이루고 있어서 표면 뿐만 아니라 구조체 내부까지 초발수성 특성을 가지게 된다. (그림 1 참조) 한편 본 구조체는 물에 비해서 표면에너지가 낮은 기름 등은 쉽게 흡수하는 특성을 동시에 가지기 때문에 물에서 기름을 흡수하여 분리하는데 효과적이라는 장점을 가지고 있다. 이렇게 형성된 탄소나노입자 구조체를 모아서 스펀지를 만들었을 때, 다양한 물-기름 혼합액에서 구조체 무게 대비 500% 이상의 기름을 분리할 수 있음을 밝혀냈다. 문박사는 이 외에도 이러한 구조체를 형성하는 과정에서 불소 성분이 있는 탄화불소(CF4)를 표면 및 내부에 도핑하여, 물과 기름의 분리 뿐만 아니라, 에틸렌 글리콜과 같은 알코올을 실리콘 오일(기름)로부터 쉽게 분리할 수 있음을 알아내었다. 이러한 특성은 최근 중요한 에너지 자원으로 알려진 바이오 디젤을 만드는 과정에서 기름과 알코올을 분리하는 필수 공정에 적용할 수 있다.(그림 2 참고) 저온 공정으로 개발된 본 기술은 대량생산이 용이하며, 종이, 플라스틱, 금속 표면 등에 직접 코팅하여 에너지와 환경분야에 다양하게 응용될 수 있다. 본 연구성과는 온라인으로 발행하는 네이처 자매지인 사이언티픽 리포트 (Scientific Reports) 8월 29일자 논문으로 게재되었다. ○ 추가설명 * 플라즈마 증착 방식 : 탄소가 포함된 가스에다 전기를 통하게 되면 전자를 하나 잃어, 활성도가 높아져 반응성이 높아진다. 이 중 +를 가진 탄소이온을 사용하여 탄소를 증착하는 방식 ** 본 기술의 응용분야로 오염된 바다나 강에서 기름을 제거하는 기름띠 흡착포, 녹조 필터, 오염수 정화 필터 소재 및 바닷물 담수화용 필터 등에 사용할 수 있을 것으로 보인다. 이 외에도 다공성 탄소 나노입자의 기공의 크기 및 기능성 물질의 도핑을 통하여 에너지 분야의 이차 전지, 카페시터, 연료전지 등의 전극으로 활용 가능하며, 환경 분야에서 특성 물질을 탐지할 수 있는 촉매 및 촉매 지지체, CO나 암모니아 등의 유해가스의 포집 및 변환에 응용 될수 있는 등 그 관련 분야가 매우 다양하다. ○ 연구진 <문명운 박사> ○ 그림 설명 <그림1> 다공성 탄소나노입자 구조체를 형성후 한데 모은 후 찍은 이미지-병의 지름은 2cm (a), 눌러서 팬케이크 형태의 스폰지로 만든후 찍은 이미지 (b), 물(투명)과 실리콘 오일(파랑) 혼합용액에 담궈서 실리콘 오일만 선택적으로 흡수하는 과정을 찍은 이미지(c) 다공성 탄소나노입자 구조체는 증착 속도가 같은 조건의 2차원 박막 성장 대비 400배 이상 빠르기 때문에, 증착후 한데 모아서 특정한 모양으로 만들어서 혼합용액중에 기름이나 가스와 같은 특정 성분을 선택적으로 흡수할 수 있는 기능성 나노구조체 스폰지로 활용할 수 있음 <그림2> 불소 함유 다공성 탄소나노입자 구조체 적용 거름종이 일반 거름종이의 경우 물이나 기름 등을 모두 흡수하는 성질을 가지는데 반해, 본 기술이 적용된 거름종이의 경우 물/실리콘 오일 혼합용액에서는 물(빨간색)을 남기고 실리콘 오일을 흡수하고, 알코올(에틸렌글리콜)/실리콘 오일 혼합용액에서는 에틸렌글리콜(옅은 파랑) 성분을 남기고 실리콘 오일을 흡수함. <그림3> 다공성 탄소나노입자 구조체 형성 모식도 저진공, 고압 조건의 플라즈마 내에서 탄소나노입자가 스스로 뭉치기 시작하여 원하는 물질 표면에 탄소나노입자가 구조화되어 네트웍을 형성함. 기존 구조보다 기공이 많아 내부에서도 초발수성을 가진 물질을 만들 수 있으며, 불소 도핑도 가능하다.

해수담수화, 나노기술로 한걸음 도약 - 기존 해수담수화 분리막의 성능과 내구성을 획기적으로 개선 - 나노박막 구조를 자유롭게 제어·설계할 수 있는 분리막 제조기술을 이용한 해수 담수화 분자수준에서 물질을 조립하는 나노기술을 이용하여 기존 해수 담수화 분리막의 성능과 내구성을 획기적으로 개선한 신소재가 개발되었다. 지구상에 흔히 존재하는 물. 어디서나 쉽게 볼 수 있는 물이지만, 문제는 97%이상이 인간이 마시거나 사용할 수 없는 바닷물이라는 점이다. 따라서 바닷물을 담수로 분리하기 위한 기술은 인류 역사와 더불어 발전해왔다고 해도 과언이 아니다. 이러한 해수의 다양한 이용을 위해서는 해수로부터 담수를 분리하는 막(Membrane) 개발이 필요한데, 국내연구진이 나노수준에서 분자간 반응을 제어하여 나노두께의 초고밀도 분리막을 제조함으로써, 기존의 해수 담수화 분리막의 성능과 내구성을 획기적으로 개선하였다. 우리 원 물질구조제어연구단 이정현 박사와 고려대학교 방준하 교수는 미국국립표준과학연구원(NIST)와의 공동연구를 통해 벽돌을 쌓아올려 집을 짓듯이, 쉽고 다양하게, 분자들을 나노수준에서 조립하여 고성능 해수담수화 분리막을 제조할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 ‘Molecular Layer-by-Layer Assembled Thin-Film Composite Membranes for Water Desalination’이라는 제목으로, 재료분야 세계적 권위의 과학전문지 ‘Advanced Materials' 온라인판 7월호에 게재되었다. 지난 40여년간, 해수담수화에 사용되어온 기존의 고분자 분리막 제조방법은 막의 내부구조를 조절하기 어려워 분리막의 성능(염분제거율, 수투과도: 물이 투과되는 정도) 및 내구성을 향상시키는데 한계가 있었다. 이러한 문제점으로 인해 학계에서는 분리막의 구조를 정밀 제어하여 기존의 분리막이 가지고 있던 한계를 극복하는 연구에 대한 필요성이 제기되어 왔다. 이에 공동연구팀은 분자간의 반응을 나노수준에서 제어하여 레고 블록과 같이 분자 하나 하나를 조립함으로써 균일하면서도 밀도가 높은 막의 구조를 설계할 수 있는 기술을 개발하였다. 이 기술을 이용하면 조립층 수와 분자의 종류를 조절하여 막의 두께, 구조 및 성능을 자유로이 제어할 수 있으며, 기존 해수담수화 분리막 대비 동등 이상의 염분 제거율과 함께, 수투과도를 약 82% 향상시킨 분리막을 제조할 수 있었다. 또한, 개발된 분리막은 표면이 거칠고 울퉁불퉁해 막이 쉽게 오염되었던 기존의 분리막과 달리, 편평한 표면구조를 구현하여 오염원이 쉽게 부착되지 않아 내오염성을 향상시킬 수 있었다. 나노 분리막 제조 기술은 분리막의 나노구조체를 체계적으로 제어하여 과거 규명해내지 못했던 해수담수화 분리막의 구조와 물성, 성능의 메커니즘을 규명하는데 활용되었다는 점에서 학술적 의의가 있다. 향후 이 기술을 이용하면 해수담수화의 고효율, 고성능화를 가능케함으로써 전세계 물부족 문제를 해결하는데 기여를 할 것으로 기대된다. 또한, 이 기술은 수자원 문제에만 국한되지 않고 신재생에너지 생산, 온실가스제어, 연료전지 등에 사용되는 기능성 막개발에도 활용이 가능하여 물, 환경, 에너지라는 글로벌 아젠다 해결에 광범위하게 적용될 수 있을 것으로 예상된다. 이정현 박사는 “기존 다소 엔지니어링 방식에 의존했던 분리막 연구분야에 첨단 나노기술을 도입하여 보다 과학적인 접근법으로 성능과 내구성을 획기적으로 향상시킬 수 있음을 확인하였다”며 “더 많은 나노기술 연구자들이 해수담수화 분리막 분야에 참여하여 우리나라 미래소재산업의 발전에 기여할 수 있기를 기대한다” 고 말했다. ○ 기술 참고자료 <그림1> 해수담수화 분리막의 기능을 표현하는 일러스트레이션 [기술 참고자료] 기존의 해수담수화 고분자 분리막은 섞이지 않는 용액 내에 녹아있는 2개의 유기단량체간의 계면에서의 무작위한 가교반응(IP)을 통해서 제조되어, 복잡한 구조의 분리막이 만들어졌을 뿐만 아니라, 막의 내부구조를 제어하기가 매우 어려웠다. <그림 1b 참조> 본 연구에서 개발된 기술은 2개의 유기단량체간의 가교반응을 분자수준에서 제어하고 교차로 반복조립(molecular Layer-by-Layer: mLbL)함으로써 구조제어가 용이한 초고밀도의 나노박막 분리막을 제조하는 기술이다. <그림 1a 참조> 이 기술은 조립층 수를 조절하여 기존 분리막 제조기술로는 불가능한 분리막의 두께 및 성능을 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 빌딩블록으로 사용되는 유기단량체 분자의 종류와 조립위치를 자유로이 조절가능하여 다양한 물리화학적 구조를 갖는 나노박막 구조체를 설계할 수 있다. 이 기술을 이용하여 기존 해수담수화 분리막의 대비 염분 제거 성능을 동등 이상 유지하면서도 수투과도는 약 82% 이상 향상시킬 수 있었다. <그림 2 참조> 또한 개발된 분리막의 두께는 기존 분리막의 1/4 정도(약 25 nm)로 매우 얇으며, 표면이 거칠고 울퉁불퉁해 막이 쉽게 오염되었던 기존 분리막과는 달리, 편평한 표면구조를 구현하여 오염원이 쉽게 부착되지 않아 내오염성을 향상시킬 수 있었다. <그림 3 참조> ○ 그림설명 <그림1> (a)나노조립 분리막 제조기술(mLbL), (b)기존 분리막 제조기술(IP) 무작위 반응을 통하여 복잡한 구조체를 만드는 기존 기술에 비하여, 나노조립 분리제조기술은 균일한 분자구조를 가진 분리막을 만들 수 있다. <그림2> 나노조립기술(mLbL)의 조립층 수(x)에 따른 분리막의 수투과도(왼쪽 좌표), 염분 제거율(오른쪽 좌표). 표의 실선과 점선은 각각 기존 제조기술(IP)에 의한 분리막의 수투과도와 염분 제거율을 나타냄. 조립층 수가 15가 되면 수투과도 염분 제거율 모두 기존 분리막보다 성능이 뛰어나다. <그림3> (a), (c)기존 제조기술(IP)에 의한 분리막 표면과 단면이미지 (b),(d) 15 적층수의 나노조립기술(mLbL)로 제조된 분리막 표면과 단면 이미지. (기존 제조기술 분리막 대비 나노조립기술로 제조된 분리막 표면의 편평도가 매우 높으며, 분리막의 두께가 1/4 수준으로 초박막 설계가 가능함)

체내에서 녹는 뼈고정용 의료기기 임상시험 승인 - KIST, 유앤아이(주) 등이 참여한 산학연 컨소시엄은 서울시 산학연협력사업 과제를 통해 체내에서 용해되는 정형/성형외과용 의료기기의 임상시험 승인 - 개발 제품은 손상 골조직의 복원 후 의료기기를 제거할 필요 없는 새로운 개념의 뼈고정용 의료기기로서 의료기술의 새로운 개념 제시 - 막대한 규모의 미래 의료기기 시장을 선도할 신기술로서 미래 고부가가치 먹거리 개발 기대 - 연구결과는 세계적 유명 학술지 Nature 자매지 Scientific Report 8월호 게재 서울시의 대표적인 중소기업 R&D지원 프로그램인 서울전략산업 지원사업의 집중적 지원에 힘입은 한국과학기술연구원(KIST) 컨소시엄은 체내 이식 후 분해되는 새로운 금속소재를 개발하고, 이를 이용하여 정형/성형외과용 뼈 고정 장치를 개발한 후 한국식약청으로부터 임상시험 승인을 받았다. 유앤아이(주), 서울아산병원, 서울대학교 등이 공동으로 참여하는 한국과학기술연구원 컨소시엄(컨소시엄 총괄책임자; KIST 의공학연구소 석현광 박사)은 2010년도에 서울시 서울전략산업 지원사업에 선정되어 현재 3차년도 개발 진행 중이다. 생분해성 금속은 체내 이식 후 일정 기간(6개월-2년)이 경과하면 분해되어 체내에서 소멸되는 소재로서, 이러한 소재를 이용하여 의료기기를 제조하면 손상된 인체조직이 복원된 후 이식된 의료기기를 제거하는 2차 시술을 생략할 수 있기 때문에 특히 골절치료 분야의 새로운 장을 열 것으로 기대된다. KIST 컨소시엄은 인체 무해한 원소로만 구성된 저분해속도/고강도 생분해성 금속을 개발하였다. 또한 정형/성형외과용 생체분해성 의료기기를 제조하여 환자를 대상으로 하는 임상시험 승인을 획득하고, 현재 아주대학교 병원에서 임상시험을 수행하고 있다. 본 연구개발의 핵심은 금속의 기지조직과 기지조직에 분포되어 있는 제 2 상 사이의 화학적 포텐셜을 일치시키는 방법을 통해 생분해성 금속소재가 갖는 치명적 한계인 과도한 분해속도 문제를 해결한 것이며, 이 원리를 적용하여 제 2, 3의 원소가 첨가된 합금(Alloy)이지만 순(pure)금속과 동일한 전기화학적인 특성을 갖는 새로운 개념의 신소재를 개발할 수 있었다. 컴퓨터 시뮬레이션 기술과의 접목을 통해 이룬 이번 쾌거는 국민대 전산모사팀(책임자 차필령 교수)의 참여로 이루어졌다. 이는 학문적인 관점에서도 매우 획기적인 발견으로 평가 되며, 연구 결과는 Nature 자매지인 Scientific Report 2013년 8월호에 게재되었다. 생체분해성 금속으로 제조된 생분해성 정형/성형외과용 뼈고정장치는 천문학적인 규모의 미래형 의료기기 시장을 형성할 수 있는 원천기술이다. 본 연구성과는 18,000개의 진공관으로 구성된 최초의 전자식 컴퓨터인 ENIAC(애니악)이 컴퓨터 역사에서 차지하는 의미와 비교할 수 있다. 즉, 생분해성 금속을 환자에게 적용가능하다는 것을 증명한 중요한 사건인 동시에 향후의 생분해성 금속의료기기에 대한 본격적 연구를 가능하게 하는 계기가 될 것이다. 서울전략산업 지원사업은 서울시의 대표적인 R&D 지원사업으로 서울의 전략산업인 IT융합과 Bio메디컬 분야의 산학연컨소시엄 과제를 최대 4년간 지원하며, 지금까지 학술논문, 특허출원, 인력양성, 해외진출 등의 성과를 이루었다. 서울전략산업 지원사업은 서울시가 전략적 과제를 지정한 후 기업들을 모집하는 방식으로 추진되었으며, IT나 BT 분야의 융복합 과제에 대해 4년간 과제당 40억원을 집중 지원하여, 2010년부터 현재까지 10개 과제를 통해 SCI논문 18건, 특허출원 55건, 특허등록 6건, 인력양성 395명, MOU체결을 통한 해외진출 등의 성과를 이루었다. ○ 연구진 <석현광 박사> ○ 그림설명 <그림1> 동물 뼈조직에 시술 한 후 시간이 경과하면서 체내에서 녹아 점차 소멸되고 있는 생체분해성 금속의 실제 단층촬영 이미지 <그림2> 동물 뼈 조직 내 시술 6개월 후 주변 뼈조직과 결합되어 있는 생체분해성 의료기기 실제 단층 촬영 이미지 <그림3> 개발된 생체분해성 뼈고정용 의료기기 예 <그림 4> 개발된 생체분해성 의료기기를 사용하여 골절된 손가락 뼈를 고정하는 시술 개념도 <그림5> 세계적 학술지인 Nature 자매지 Scientific Report지 게재 논문

무기물 나노입자 풀 접착제를 이용해 저온에서 만드는 투명 플라스틱 태양전지 - KIST, 저온공정 투명 플라스틱 태양전지기술 개발 - 나노 풀 입자를 이용하여 굽지않고 바르고 말리면 세라믹 광전극이 형성 - 쉽고 싸게 만들 수 있는 플렉서블 태양전지 기술 다른 성질을 가진 물질들을 붙일 수 있는 풀과 같은 접착제 역할을 하는 무기물 나노입자를 이용하여 높은 열과 에너지를 가하지 않고도 세라믹 광전극을 저온(150도 이하)에서 제작할 수 있는 플렉서블 염료감응 태양전지 기술이 국내 연구진에 의해 개발되었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 광전하이브리드연구센터 고민재 박사연구팀은 ‘저온에서도 제작이 가능하고, 투명하면서도 휘어지는 플라스틱 염료감응 태양전지 기술’을 개발했다고 밝혔다. 염료감응 태양전지는 식물의 광합성 원리와 나노기술을 이용하여 투명하면서도 다양한 색상을 낼 수 있어 미학적으로도 훌륭한 태양전지를 만들 수 있다는 장점이 있지만, 많은 전기를 생산하기 위해서는 섭씨 450도 이상의 고온에서 굽는 공정을 반드시 거쳐야 한다. 전기를 생산하기 위한 광전극을 제작하기 위해서는 광전극 입자들을 연결시켜야 하는 데, 이때 고온 공정이 필요하기 때문이다. 마치 진흙으로 벽돌이나 도자기를 제작하기 위해 고온에서 굽는 열처리 과정이 필요한 것과 마찬가지다. 따라서 기존의 기술을 이용하여 휘어지는 플렉서블 염료감응 태양전지를 만들기 위해서는 열에 약한 플라스틱 기판 대신 무겁고 불투명한 금속 기판을 사용하여야만 하였다. 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해서 고온의 열처리 공정 대신 무기물 나노풀입자 (nanoglue)을 이용하여 저온에서도 기존의 광전극 입자를 서로 연결시키는 방법을 개발하였다. 세라믹 광전극입자와 무기 나노풀입자 표면에 존재하는 수산화기 반응기에 주목하여, 이들간 화학적 결합을 유도하여 서로 잘 연결된 광전극을 형성시켰다. * 수산화기: -OH 반응기를 가지는 화합물로서 다른 반응기와 화학반응이 가능하다. 나노풀입자를 이용하면, 전자전달 속도가 빨라져서 기존의 효율대비 의 약 20%의 효율 증가를 기대할 수 있다. 현재 연구팀은 풀입자를 이용한 저온공정 태양전지 기술을 바탕으로 8% 이상의 고효율 플라스틱 염료감응 태양전지 기술을 개발 중이다. 고민재 박사는 “이번에 개발된 나노 풀입자를 이용하면 높은 열과 많은 에너지를 가하지 않고도 플라스틱 기판 염료감응 태양전지를 값싸게 제작할 수 있기 때문에, 산업화를 앞두고 있는 염료감응 태양전지의 응용의 폭을 넓히는데 기여할 수 있을 것” 이라고 밝혔다. 이번 연구성과는 나노기술분야 권위학술지인 나노스케일 (Nanoscale) 6월호 표지논문으로 선정되어 게재되었다. ○ 연구진 고민재 박사 ○ 그림설명 <그림1> 플렉서블 투명 태양전지 사진 <그림2> 무기물 나노풀입자를 이용한 광전극 형성과정 나노풀입자 표면에 존재하는 수산화기(-OH)가 광전극 입자표면의 수산화기와 반응하여 화화적으로 서로 연결된 광전극을 형성함. <그림3> 논문표지 이미지 무기나노풀 입자(노란색)가 광전극입자(푸른색)를 서로 연결시켜 온도를 올리지 않고도 광전극 필름을 형성함.

박테리아와 바이러스에 치명적인 은나노 복합체 개발 - KIST, 영국 왕립화학회가 출판하는 세계적 국제학술지에 표지 논문으로 발표 환경오염 없이, 유해 박테리아와 바이러스에 치명적인 ‘은나노복합체 소재’가 국내 연구진에 의해 개발되어 그린 환경을 구축하고 삶의 질 향상에 기여할 것으로 기대된다. 은 나노입자를 마이크론 크기의 자성복합체 소재 위에 키워서 3차원 구조화함으로써, 유해 박테리아와 바이러스에 치명적이면서 환경으로 유실될 염려가 없는 은나노복합체 소재가 국내 융합연구진에 의해 개발되었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 분자인식연구센터 우경자 박사팀과 서울대학교 보건대학원 고광표 교수팀이 공동으로 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 나노·소재 기술개발사업 및 KIST 기관고유사업의 일환으로 수행되었으며, 영국 왕립화학회가 출판하는 세계적 국제학술지인 ‘Journal of Materials Chemistry B’ 에 표지(front cover) 제1권 21호의 표지 논문으로 선정되어 5월 8일 온라인 게재되었고 6월 7일 출판 예정이다. (논문명 : Magnetic hybrid colloids decorated with Ag nanoparticles bite away bacteria and chemisorb viruses) SARS와 조류 독감, 집단 식중독 등 각종 바이러스에 의한 발병이 급증하면서 유해 미생물에 대한 관심이 높아지고 있다. 나노소재기술이 발전하면서 나노입자를 유해 미생물 제거에 이용하는 기술에 대한 관심 또한 높아지고 있다. 은 나노입자는 유해 미생물에 대해 아주 우수한 효용을 나타내고 있으나, 환경으로 유실되면 생명체에 독성을 나타낼 수 있는 것으로 인식되고 있다. 은 나노입자는 작을수록 독성이 심하며, 입자 자체로써, 은 이온으로써, 그리고 이들이 발생시키는 활성 산소 종으로써 유해 미생물에 작용하는 것으로 알려져 있다. 따라서 지금까지 은 나노입자를 이용하여 유해 미생물을 제거하는 연구의 대부분은 20 nm 이하의 단위 나노입자에 집중되어 있고 단위 나노입자를 사용하는 한, 환경으로의 유실 문제를 근본적으로 해결할 수 없다. 그리고 표면이 보호된 나노입자는 유해 미생물과 직접 접촉을 할 수 없고, 표면이 보호되지 않은 단위 나노입자는 응집되어 나노 특성을 잃어버리게 되어 효과를 나타낼 수 없다. 이 문제들을 동시에 해결하는 방법이 나노소재를 마이크론소재에 접목시켜 복합소재로 만드는 것이다. 자성을 갖는 마이크론소재에 은 나노입자를 견고하게 결합하면 회수와 분산이 용이해져 환경오염은 줄이고 나노입자 표면이 그대로 노출되어 유해 미생물에 직접 작용할 수 있기 때문이다. 우경자 박사와 고광표 교수 공동 연구팀은 자성이 있는 마이크론 크기의 소재에 핵과 핵을 떠받치는 기둥을 함께 감싸는 견고한 3차원 구조로 고정된 은나노복합체 소재를 개발하고 박테리아와 바이러스 제거 효과 및 그 메커니즘을 밝혀냈다. 연구팀은 공 모양의 자성을 가진 마이크론소재 표면에 많은 수의 팔을 만들고, 팔 끝에 은으로 된 핵(1~3 nm)을 매단 후, 이 핵들을 적정 크기로 뭉쳐서 간격을 재배치하였다. 이후 재배치된 핵 뭉치와 이를 받치고 있는 팔을 함께 감싸도록 은 성분을 도포함으로써 약 30 nm 크기의 은 나노입자가 견고하게 고정된 3차원 구조의 은나노복합체 소재를 완성하였다. 연구팀은 기존의 연구가 20 nm 이하의 은 나노입자에 집중된 것과는 반대로, 바이러스가 최소 약 30 개발한 은나노복합체의 표면에서 은 나노입자가 고정되지 않은 평평한 부분은 은 이온으로 덮이도록 설계하였으며, 이러한 독특한 구조가 항균, 항바이러스 작용에 시너지 효과를 줄 것으로 예측하였다. 이번에 개발된 은나노복합체 소재를 박테리아(E. coli CN13)*와 바이러스(Bacteriophage MS2)* 제거 실험에 적용하여 효용이 뛰어난 것을 확인하였으며, 각각 99.9999%와 99% 이상의 제거율을 기록했다. 다른 종류의 박테리아와 바이러스에도 적용하여 비슷한 결과를 얻었다. 복합체 위에 고정된 은 나노입자가 이빨과 같은 역할을 하여 박테리아와 접촉하면 박테리아를 물어뜯어 박테리아 몸체가 찢어지는 효과를 주는 것을 전자현미경으로 관찰하였다. 바이러스는 복합체 위에 고정된 은 나노입자와 은 이온에 화학적으로 흡착되는 것을 확인하였다. 이러한 현상은 은 나노입자가 박테리아 몸체를 구성하고 지지하는 막 성분 중에서 칼슘 또는 마그네슘 이온을 흡착하고 또, 박테리아나 바이러스 막을 구성하는 시스테인 부분의 싸이올(╺SH) 그룹과 강한 결합을 만들기 때문에 일어나는 현상으로 해석되었다. 이렇게 큰(~30 nm) 나노입자를 이렇게 큰(~㎛) 지지체 위에 고정하여 복합체 콜로이드로 만든 것은 세계 최초의 시도이며, 유해 미생물에 대한 치명적 효과가 주목을 끌어 표지 논문으로 선정되었다. 연구진은 개발한 은나노복합체를 공기정화필터에 코팅하여 청정공기를 공급하는 시스템을 연세대학교과 공동으로 개발 중이며, 실용화를 목표로 하고 있다. KIST 우경자 박사는 “이번 연구를 통해 새로운 구조의 나노복합소재를 개발해 원천기술 확보와 그린환경 구축, 삶의 질 향상의 토대를 마련했다”고 연구의의를 밝혔다. ※ E. coli CN13: 그람-음성 박테리아로 직경×길이가 1㎛×2㎛ 크기의 막대 모양임. ※ Bacteriophage MS2: 식물성 RNA 바이러스의 일종으로 직경 27.5 nm의 구형 모양임. 초기 연구 대상으로 안전성을 고려하여 식물성 바이러스를 이용했으며, 이후 행한 병원성 바이러스에 대해서도 우수한 효능을 얻었음. ○ 연구진 <우경자 박사> ○ 그림설명 <그림1> 논문 1권 21호의 표지 왼쪽 아래에 은나노복합체의 3차원 구조를 나타내고 있으며, 여기저기에 은나노복합체가 박테리아를 물어뜯는 모양을 보여주고 있음. 사용한 은나노복합체는 왼쪽 위와 같이 자석을 이용해 회수할 수 있음. <그림2> 은나노복합체의 합성 과정을 보여주는 모식도 (A)는 평균 7 nm와 15 nm 크기의 입자가 고정된 은나노복합체를 합성하는 과정으로 금 씨드를 사용하고 (B)는 30 nm 크기의 입자가 고정된 은나노복합체를 합성하는 과정으로 은 씨드를 사용함. <그림3>은나노복합체가 박테리아를 물어뜯는 모양을 보여주는 전자현미경 이미지 왼쪽은 박테리아만 있을 때, 중앙과 오른쪽은 박테리아와 은나노복합체를 섞고 각각 15 분과 30 분이 경과한 때의 이미지임.

뇌 속 후각 정보처리의 비밀을 밝히다 - 뇌질환 진단 및 치료의 새로운 전기 마련 뇌에서 후각이 발달하는 원리와, 음식, 성(sex), 공포 등의 다양한 후각자극이 뇌에서 어떻게 구분되는 지가 밝혀졌다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 뇌과학연구소 기능커넥토믹스센터(미래부 WCI-세계수준연구센터) 올리버 브라우바흐(Oliver Braubach)박사는 물고기의 뇌에서 후각의 발달과정과 정보처리원리를 규명하였고, 관련 내용이 신경과학계 권위있는 학술지인 Journal of Neuroscience지 표지논문으로 선정되었다. 인간이 냄새를 맡고 인지하기 위해서는 냄새를 지닌 화학물질이 후각세포를 자극하고 이러한 자극으로 유입된 정보가 뇌로 전달되는 과정이 필요하다. 인간은 태어나면서 어떤 종류의 후각은 인지하지만, 대부분의 후각은 자라면서 각기 새로운 냄새를 학습하고 인지해나간다. 이처럼 후각의 발달과정은 뇌에서 정보를 형성하고, 습득하여 기억하는 원리와 관련이 있다고 할 수 있다. 본 연구는 뇌가 위험, 성과 같은 선천적 후각자극과, 음식과 같은 후천적 후각자극을 개별적으로 구분한다는 점을 밝히고, 후각자극의 인지가 뇌의 특정영역과 관련이 있음을 발견하였다. 또한 이는 후각이외의 감각기능 전체에 확대 활용할 수 있다는 점에서 의의를 주고 있다. ※ 후각 관련 뇌기능은 뇌 발달 초기에 이루워 짐. 후각은 알츠하이머와 같은 뇌질환을 조기에 발견할 수 있는 감각 기관으로 후각 연구를 통한 뇌 질환 조기진단도 가능 캐나다 Dalhousie University, 일본 RIKEN Brain Science Institute 연구진과의 공동연구를 통해 진행된 본 연구는, 투명관상어 제브라피쉬(Zebra fish)를 이용, 수술이나 절개 없이 살아있는 상태의 뇌가 후각 정보를 형성하고 습득하는 원리와 여기에 관련된 다양한 신경세포의 메커니즘을 규명하였다. 물고기는 뇌의 구조가 인간과 비슷하며, 크기가 작아 뇌를 쉽게 촬영할 수 있다는 장점이 있다. 연구진은 제브라 피쉬를 수정란 상태부터 성체가 되는 시기까지 지속적으로 관찰하였고 외부냄새를 100%로 차단한 상태에서 서로 다른 냄새로 자극을 가하여 후각처리 및 반응과정을 기록하였다. 이를 통해 후각이 뇌 속 특정영역의 발달에 영향을 미친다는 사실을 발견 하였고, 기존 물고기가 배아상태부터 유전적으로 보유하고 있는 선천적 후각정보 영역이 전체 후각정보 영역의 15%(주로 위험, 성 관련 후각 정보), 자라면서 발달 및 학습과정으로 얻게 되는 후천적 후각정보 처리 영역이 85%(음식 관련 후각 정보)로 구분된다는 사실을 증명 하였다. ※ 비슷한 종류(위험관련그룹/성관련그룹/음식관련그룹)의 냄새들을 인지하는 뇌의 후각 정보 처리영역은 그룹별로 뇌의 비슷한 곳에 위치 KIST 뇌과학연구소 브라우바흐 박사는 “물고기의 후각에 대한 정보는 양식업 등 수산 산업에 활용될 수 있을 수 있으며, 궁극적으로 인간의 뇌 속 감각기능 메커니즘 규명을 통해 기억습득 원리를 밝힐 수 있을 것이며, 이를 통하여 감각기능 손실 및 발달과정에 있어 기억의 손상으로 오는 알츠하이머 등 다양한 뇌질환을 진단, 치료하는 데에도 새로운 돌파구를 마련할 수 있을 것”이라고 밝혔다. ○ 연구진 ○ 그림설명 <그림1> 표지논문 이미지, 현미경을 이용하여 관찰한 제브라 피쉬의 뇌속 후각사구체 발달모습 (위에서부터 수정 이후 11, 21, 35일 지난 모습) <그림2> 뇌에서 선천적 후각과 관련된 부분(노란색, 파란색) 시간이 지나도 구조와 수는 변하지 않고, 일정 시기가 되면 크기가 변화하여 발현된다. (그래프 참고)

레고처럼 자유롭게 나노물질 제조한다 - KIST, 주형틀이 필요없는 자유롭게 조립 가능한 다차원 나노물질 제조기술 개발 - 불순물 제거하는 세정공정 없어 환경오염 가능성 '제로' 국내연구진이 기존에 비해 쉽고 경제적이며 친환경적인 나노물질 제조공정을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 청정에너지연구센터 김상우 박사와 특성분석센터 안재평 박사는 8일, 공동연구를 통해 레고 블럭을 조립하듯이 나노입자를 자유롭게 활용하여 다차원 반도체 나노물질(나노입자, 나노시트, 나노선)을 제조할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 세계적 권위의 과학전문지 네이처(Nature)의 자매지인 ‘Scientific Reports’ 최신호(4월)에 5일 게재되었다. 나노입자, 나노선, 나노시트와 같은 다차원 반도체 나노물질은 촉매, 반도체, 나노소자, 센서, 태양전지 등 산업계 전반에 폭넓게 활용되고 있다. 하지만 기존 공정에는 다차원 나노물질을 합성하는 과정에서 주형(템플레이트)이나 금속 성장촉진제와 같은 불순물이 사용되기 때문에 이를 제거하는 공정이 추가로 요구되어 복잡하고 비경제적이었다. 이러한 문제점으로 인해 학계에서는 불순물을 사용하지 않고 다차원 나노물질을 만들 수 있는 방법에 대한 연구의 필요성이 제기되어왔다. 이에 KIST 공동연구팀은 주형이나 성장촉진제를 사용하지 않고 초임계유체기술을 이용하여 가돌륨(Gd)과 세륨(Ce)을 초임계 이산화탄소-에탄올 혼합유체 안에서 반응시켜 나노결정의 핵입자를 마치 레고 블럭과 같이 하나 하나 합쳐 고차원의 형태로 제조하거나 다시 저차원의 형태로 분해시킬 수 있는 기술을 개발했다. 향후 이 기술을 이용하면 다양한 물질계에서 나노와이어, 나노시트 등의 다차원 나노물질을 레고 블럭과 같이 마음대로 조립하여 만들 수 있을 것으로 기대된다. 특히 이 기술은 기존의 나노물질 제조 기술로는 구현하기 어려웠던 불순물 없는 다차원 나노물질을 쉽게 제조할 수 있는 장점이 있다. 따라서 환경오염을 유발하는 고순도화 세정공정 없이 고순도 반도체 나노물질을 보다 손쉽게 제조할 수 있게 되었다. 또한, 다차원 나노물질의 미세분석을 통해 생성과 성장에 관한 메커니즘을 체계적으로 밝힘으로써 초임계유체 공정을 이용한 나노물질 제어의 가능성을 제시, 본 연구의 학술적 가치를 높이는데 기여하였다. 안재평 박사는 “이번에 게재된 논문에 다차원 나노물질을 제조하는 온도-압력 지도와 실험방법을 공개했다” 며 “더 많은 연구자들이 이 기술을 활용해 우리나라 미래소재산업의 발전에 기여할 수 있기를 기대한다” 고 말했다. 이번 연구는 KIST 및 미래창조과학부의 연구비 지원으로 수행되었다. ○ 연구진 ○그림설명 <그림 1> 본 연구를 통하여 개발된 초임계 유체 내에서 형성되는 Gd-CeO2 나노물질을 보여주며 그 형태는 P-T 맵과 같이 온도와 압력이 변화됨에 따라 3구역으로 구분된다. 각 구역에 따라서 나노입자, 나노리본, 나노선 등 다양한 크기와 형태를 갖는 나노물질이 제조된다. <그림 2> 나노물질은 온도와 압력에 따라서 나노입자, 나노 응집체, 나노선 형태로 변화될 수 있다. 이것을 지배하는 에너지는 초임계유체의 표면에너지와 초임계 CO2의 물질에 대한 투과력의 균형관계이다.본 연구에서는 이들 물질이 공정변수에 의해 매우 정밀하게 제어되었으며 나노물질의 형태는 공정에 따라서 가역적으로 변화된다.

친환경 수소연료전지 상용화 가까워졌다 - KIST, 내구성 높은 고성능, 저가형 연료전지 촉매 개발 성공 - 자동차, 가정용 발전기, 휴대용 전자기기 등 다양한 분야에 적용 가능 국내 연구진이 수소연료전지 생산에 들어가는 백금의 양을 획기적으로 줄일 수 있는 원천기술을 개발해 높은 가격으로 인해 대량 생산이 어려웠던 수소연료전지의 상용화에 청신호가 켜졌다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 국가기반기술연구본부 연료전지연구센터 황승준 연구원, 유성종 박사, 김수길 박사는 미래융합기술연구본부 전자재료연구센터 이승철 박사팀과의 공동연구를 통해 원자수준의 백금 코팅 기술을 사용하여 연료전지에서 백금의 양을 획기적으로 줄이면서도 높은 성능과 내구성을 구현해내는데 성공했다고 밝혔다. 이번 연구를 활용하여 수소 연료전지 자동차에 들어가는 백금을 백금코팅 촉매로 바꾸면 기존에 약 70g이 소요되었던 백금의 양을 20g 수준으로 절감할 수 있을 것으로 예상된다. 이번 연구성과는 국내 독자적 원천기술 확보 뿐만 아니라 연료전지 대중화의 토대가 되는 획기적인 성과로 본 연구성과는 지난 2월 19일, 세계적인 권위를 자랑하는 Nature의 온라인 자매지인 「Scientific Reports」 에 게재되었다. 최근 현대자동차가 세계 최초로 수소 연료전지 자동차의 양산 계획을 발표하면서 수소를 사용하는 차세대 연료전지 기술이 주목받고 있다. 친환경 자동차인 수소 연료전지 자동차는 수소와 산소를 이용, 전기를 생산해 연료전지를 내연기관 엔진대신 사용하여 유해가스 배출과 소음을 획기적으로 줄일 수 있다. 하지만 대당 2억 원이 넘는 가격이 대중화의 걸림돌이었다. 연료전지 가격이 수소 연료전지 자동차 값의 절반을 넘게 차지하는 탓이다. 현재 기술 수준으로 중형급 수소 연료전지 자동차 한대에 들어가는 백금은 70g가량인데, 백금 시세를 감안하면 연료전지 내 촉매의 가격만 1000만원에 달하는 셈이다. 게다가 백금이 장시간 운전 중에 용해되어 연료전지 성능을 저하시키는 현상 또한 큰 과제로 남겨져있었다. 지금까지 백금의 고비용 문제를 해결하기 위한 연구는 주로 백금 자체의 활성을 증가시키거나, 백금과 전이금속 합금 형태의 전극촉매를 개발하는 것이었다. 최근에는 높은 전기화학적 활성 및 안정성으로 인해 원자수준의 백금 코팅 기술인 ‘코어-쉘’ 구조의 전극촉매에 대한 관심이 높아지고 있다. 현재는 균일한 코팅 층을 형성하기 위해서 원자수준의 백금을 코팅할 때 안정제나 분산제 등을 사용하고 있다. 하지만 이러한 안정제나 분산제는 촉매의 반응성에 악영향을 주며, 핵심 입자의 표면에 백금 코팅 층을 형성할 때 방해가 되기 때문에 화학적 처리나 열처리를 통한 제거가 필요하다. 이러한 화학적 처리나 열처리 과정에서 핵심 입자가 응집되거나 형태가 망가질 수 있고, 백금 코팅 층의 경우에도 입자의 응집이 일어나거나 코팅 층의 붕괴가 발생할 수 있어 전극촉매의 활성이 떨어지는 문제가 발생한다. 이번에 연구팀이 개발한 기술을 사용하면, 원자수준의 백금을 코팅하는 과정에서 코팅 층이 형성된 후 안정제의 제거를 위해 행해지던 열처리 또는 화학적 처리공정이 필요 없게 된다. 이를 통해 새롭게 제시된 전극촉매는 연료전지의 음극, 양극 전극 모두에 이용될 수 있으며, 촉매의 활성도와 내구성이 뛰어나며 우수한 전기화학적 특성을 보이는 것으로 밝혀졌다. 본 연구에서 개발한 촉매합성을 위한 기술은 향후 성능이 더 우수한 촉매를 설계하는데 크게 응용될 수 있을 것으로 예상된다. KIST 유성종 박사는 “이번 연구는 친환경 수소 연료전지의 상용화를 한 발 앞당겼다는데 큰 의미가 있다” 며, 최근 전력공급 부족에 의한 블랙아웃을 대비한 가정용 발전기 등의 비상발전용 기술로도 활용 가능성이 높다” 라고 말했다. 금번 연구는 촉매합성과 설계부문으로 나누어 진행되었으며 촉매합성연구는 KIST 연료전지연구센터에서 주도하여 지경부 신재생에너지 사업의 원천기술개발과제, 기초기술연구회 협동연구과제 및 KIST 기관고유 사업을 통해 수행되었고, 촉매설계연구는 KIST 전자재료연구센터의 주도로 미래부 원천기술개발사업인 나노소재기술개발사업을 통해 수행되었다. ○ 연구진 ○ 그림설명 <그림> 2단계로 진행되는 코어-쉘 촉매 합성 모식도 균일한 사이즈를 가지는 핵심 입자위에 원자수준의 백금 층을 형성시키기 위해 백금 층을 형성하는 금속 전구체를 에스테르계 환원제로 환원시키는 방법을 사용하였다. 선택적인 원자수준의 백금 층 형성 반응은 유기화학 반응에서 느린 수소 이동 반응에 많이 사용되는 것으로 알려져 있는 한츠 에스테르(Hanztsch ester)를 환원제로 사용하였다.

그래핀 반도체 상용화 기술 개발 - KIST-MIT-동국대 공동연구팀, 새로운 소재와의 결합 통해 기존 그래핀의 한계 극복 - 전자 소자로서의 그래핀 상용화 가능성 높아져 그래핀은 전도성이 높고 강도가 강하며, 탄성이 뛰어나 꿈의 신소재라 불리며 전 세계적으로 활발히 연구되고 있다. 하지만 띠간격(band gap)이 없어 금속성을 지니고, 가장자리가 불안정하며 적합한 기판이 없어 전자소자로의 응용에 많은 어려움이 있었다. 이러한 문제점들을 해결할 수 있는 방법이 개발되었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 전북분원(분원장 홍경태) 복합소재기술연구소 소프트혁신소재연구센터 김수민 박사팀은 미국 메사추세츠 공과대학(MIT) Jing Kong 교수, 동국대학교 융합에너지신소재공학과 김기강 교수 연구팀 등과 함께 국내 최초로 그래핀과 보론나이트라이드를 이용한 결합 구조 구현에 성공했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 나노 분야의 세계적 권위지인 나노레터스(Nano Letters) 3월호에 게재되었다. 그래핀은 전자의 이동도가 높은 물질이다. 때문에 기존 반도체 실리콘(Si)의 대체 물질로 전자소자 등의 분야에 높은 활용성을 보일 것으로 기대되어 왔다. 하지만 가장자리에서의 전자 산란으로 인한 불안정성과, 기존에 기판으로 사용되어 온 산화 실리콘의 거친 표면으로 인한 전하이동도의 저하로 그동안 응용과 상용화에 어려움을 겪어왔다. 때문에 그동안 그래핀을 전자소자로 활용하기 위해 이러한 한계를 극복할 수 있는 방법에 대한 연구가 꾸준히 진행되어 왔다. 공동연구팀은 이러한 기존의 단점을 개선하기 위해 그래핀과 같은 육각형 모양을 가진, 탄소가 아닌 보론과 질소로 이루어진 보론나이트라이드를 이용하여 그래핀이 가지고 있는 문제점을 개선시킬 수 있는 새로운 하이브리드 구조를 구현하는데 성공했다. 화학증착법을 이용하여 그래핀과 보론나이트라이드 두 물질을 단층, 혹은 적층 구조의 결합 구조로 구현한 결과, 단층 결합 구조가 그래핀 가장자리의 전자 산란을 감쇠시키는 것으로 나타나 띠간격이 있는 그래핀 나노 리본 연구에 큰 기여를 할 것으로 예상된다. 그래핀은 탄소로 이루어진 구조를 가지고 있지만 탄소가 아니라 수소나 산소 같은 원소들이 붙어서 그래핀의 가장자리가 불안정해질 경우 전자 이동이 방해받는 단점이 있었다. 연구팀은 이 가장자리를 그래핀과 비슷한 구조인 질소와 보론으로 이루어진 보론나이트라이드로 구현하는데 성공, 그러한 단점을 극복한 것이다. 또 적층 구조의 경우 보론나이트라이드를 기판으로 적용한 결과 그래핀이 금속성에서 반도체성으로 전환되었으며, 기존 산화 실리콘의 거친 표면으로 인한 그래핀의 전하이동도 저하 문제 또한 개선되었다. 이는 전자소자로서의 그래핀 연구에 큰 돌파구를 마련한 것으로, 향후 투명하면서 휘어지는 태양전지, 투명전극, 트랜지스터 등의 소프트 일렉트로닉스 분야에 큰 기여를 할 것으로 기대된다. KIST 김수민 박사는 "이번 연구는 그래핀 전자소자 연구의 최대 난제를 해결할 수 있는 새로운 연구 방향을 제시한 것으로 추후 새로운 소재를 통한 하이브리드 구조 연구에 기여할 것으로 기대된다" 고 말했다. 이번 연구는 KIST 및 교과부의 연구비 지원으로 수행되었다. ○ 연구진 ○ 사진설명 <그림> 그래핀과 보론 나이트라이드를 이용한 평면, 적층 구조의 하이브리드 연구 그래핀과 보론나이트라이드 두 물질을 이용하여 단층 혹은 적층 구조의 하이브리드 구조를 합성하였다. 합성 방법에 따라 구조를 달리 조절할 수 있으며, 단층 구조일 경우 그래핀 가장자리가 안정화되어 Raman 에서 D-band가 적게 나타남을 확인할 수 있다. 그리고 적층 구조에서는 보론나이트라이드 위에 그래핀을 적층 구조로 합성 시켜서 일반적으로 거친 산화실리콘 표면에서 오는 문제점을 평평한 표면의 보론나이트라이드를 합성하여 그러한 문제점을 감소시켜 그래핀의 본래의 특성을 잘 유지시켜주는 것을 보여주었다. 오른쪽 그림의 전자투과현미경 이미지에서는 적층구조로 합성한 결과 그래핀과 보론나이트라이드가 AA-like 혹은 AB-stacking 으로 구조화되어 합성 방법으로서 적층 구조 제어를 했다는 것을 보여주었다.

치매의 원인을 밝혀내다 - KIST-포스텍-성균관대 공동연구팀, 뇌 활동을 저해하는 단백질의 기전 규명, 치매 원인 밝혀내 - 치매 예방 및 치료의 새로운 방향 제시 전체 치매환자 중 약 30%는 알파시뉴클린(alpha-synuclein)이라는 뇌신경세포 단백질의 변질에 의해 발병된다고 알려져 있다. 알파시뉴클린은 건강한 뇌세포에서는 뇌의 활성을 도와주는 이로운 물질이지만 자기들끼리 서로 엉키게 되면 치명적인 독소로 변해 치매, 파킨슨병 등 다양한 퇴행성 뇌질환을 일으키는 두 얼굴을 가진 물질로 알려져 왔다. 하지만 지금까지 이 독소체가 어떠한 방법으로 뇌세포 활동에 해를 끼쳐 치매를 일으키는지는 알려져 있지 않았다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 의공학연구소 테라그노시스연구단 신연균 교수(KIST 겸직연구원, 아이오와 주립대 교수), 포스텍(총장 김용민) 시스템생명공학부 이남기 교수, 성균관대(총장 김준영) 유전공학과 권대혁 교수 공동연구팀은 하나의 포낭 주머니가 세포막에 융합되는 과정을 실시간으로 관찰할 수 있는 첨단 단분자 융합 연구방법을 이용, 알파시뉴클린 응집독소체가 뇌 활동의 가장 중요한 부분인 시냅스에서의 신경전달물질 분비를 저하시켜 기억 및 인지 활동의 저해를 가져와 치매를 유발할 수 있다는 사실을 발견했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 치매의 원인을 규명한 획기적인 것으로 관련 내용은 19일 미국국립과학원회보(PNAS) 온라인 판에 게재되었다. 시냅스에서의 신경전달물질 분비는 이를 저장하는 포낭 주머니가 뇌세포막에 융합하여 일어난다. 공동연구팀은 스내어(SNARE)라는 단백질이 어떠한 과정을 통해 개개의 포낭을 세포막에 융합시키고 그 융합과정을 조정하는지를 단계별로 분리 측정하는데 성공하였다. 이 과정에서 알파시뉴클린은 정상적인 상태에서는 스내어 단백질을 돕는 역할을 하지만(왼쪽 그림), 여러 개가 엉켜 독소로 탈바꿈하면 스내어 단백질에 들러붙어 이들의 세포막 융합 활성을 무력화 시키는가 하면, 여러 개의 포낭 주머니들을 응집하도록 만들어 시냅스로의 신경전달물질 분비를 급격히 저하시킨다는 것을 알아냈다(오른쪽 그림). 이는 시냅스의 신경전달 기능을 약화시키고 뇌의 기억 및 인지 활동의 약화를 가져오게 된다. KIST 신연균 교수는 "이번 발견은 치매를 효과적으로 예방하고 치료할 수 있는 새로운 방향을 제시해 준다는데 큰 의미가 있다" 며 "치매 유발의 또 하나의 중요 인자인 베타아밀로이드(beta-amyloid)라는 단백질 또한 비슷한 메커니즘을 통해 치매를 유발할 것으로 보이며, 스내어 단백질의 무력화가 대다수의 치매 발병의 근본적 원인 중의 하나일 것으로 예상된다" 고 말했다. 한편 신연균 교수는 단분자 이미징과 EPR(Electron Paramagnetic Resonance)을 이용한 단백질 구조분석에 원천기술을 보유한 점을 높게 평가받아 KIST 의공학 연구소의 해외 과학자 유치사업을 통해 지난 2011년, KIST로 초빙되었다. 신 교수는 KIST의 전폭적 지원하에 KIST 내에 기초 연구를 수행할 수 있는 연구실을 구축하고 신경 전달과정 매커니즘에 관한 연구를 진행중이며 이를 통해 치매 등 정신질환 연구에서 세계를 선도하는 원천기술 확보를 위해 매진하고 있다. 이번 연구는 KIST 및 교과부, 미국국립보건원(NIH)의 연구비 지원으로 수행되었다. ○ 연구진 ○ 그림설명 (좌) 정상뇌세포에서 포낭 주머니가 세포막에 융합되어 신경전달물질이 시냅스로 분비되고 이를 다음 뇌세포막에 있는 수용체가 인지하게 되어 뇌세포간의 신경전달이 이루어진다. (우) 치매환자의 경우 알파시뉴클린 응집독소체가 포낭 표면의 스내어 단백질에 들러붙어 포낭 엉킴을 일으켜 포낭 융합을 방해하고 신경전달을 마비시킨다.