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유승협 교수, 열차단과 전기생산 동시에 가능한 태양전지 개발
〈 유 승 협 교수 〉
우리 대학 전기 및 전자공학부 유승협 교수와 성균관대 화학공학부 박남규 교수 공동 연구팀이 열을 차단하는 동시에 전기도 생산할 수 있는 반투명 태양전지 기술을 개발했다.
이는 다층 금속 박막 기반의 투명전극을 이용한 기술로써 가시광선은 투과하고 적외선(열선)은 선택적으로 반사한다. 동시에 전기도 생산하기 때문에 에너지를 효율적으로 사용하면서 낮은 실내 온도를 유지할 수 있다. 자동차 선팅이나 건물 창호 등에 다방면으로 이용 가능할 것으로 기대된다.
이번 연구 성과는 에너지 분야 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 7월 20일자 표지 논문으로 선정됐다.(논문명: Empowering Semi-Transparent Solar Cells with Thermal-Mirror Functionality)
태양전지는 지붕 위에 설치하는 청색의 사각 패널 뿐 아니라 건물이나 차량 유리창에 적용할 수 있는 반투명 모양으로도 발전될 수 있다.
하지만 빛을 흡수해 전기를 생산하는 태양전지의 속성 상 빛을 투과시키는 태양전지의 반투명한 특성은 효율을 감소시킬 수밖에 없다. 또한 기존의 상용화된 결정질 실리콘 기반의 태양전지는 반투명하게 제작이 어렵다는 한계를 갖는다.
연구팀은 문제 해결을 위해 차세대 태양전지 재료로 주목받는 유, 무기 복합물로 이뤄진 페로브스카이트를 광전변환 재료로 이용했다.
그리고 양면에 투명 전극을 사용해 반투명한 태양전지를 구현했다. 이 때 한쪽 면의 투명 전극은 연구팀이 수년 간 전자소자에 적용해온 ‘절연층-금속-절연층’ 구조의 금속 기반 다층 박막을 사용했다.
금속은 통상적으로 빛이 투과되기 어렵다. 하지만 연구팀은 수십 나노미터 두께의 얇은 박막으로 제작한 뒤 그 위에 반사를 줄이는 굴절률이 높은 절연층을 적층하는 방법으로 투명한 전극을 구현했다.
또한 투명 전극 각 층의 두께를 세밀하게 조절해 사람의 눈에 보이는 가시광선 대역의 빛은 투과시키고, 눈에 보이지 않는 대역의 빛은 반사되도록 설계했다. 이를 통해 차량용 선팅 필름과 비슷한 수준인 7.4% 평균 가시광선 투과율을 갖는 동시에 13.3%의 광전변환효율을 보이는 반투명 태양전지 제작에 성공했다.
연구팀은 적외선 반사를 최대화해 태양광의 열선을 효과적으로 반사시키는 기능을 더했다. 선팅 필름 제품의 태양열차단 성능은 총태양열에너지차단율(Total Solar Energy Rejection : TSER) 지수로 평가되는데 연구팀의 반투명 태양전지는 고가 선팅 필름 제품과 동등한 수준인 89.6%의 우수한 TSER 값을 보였다.
다수의 선팅 필름 제품들이 흡수를 통해 태양빛을 차단하기 때문에 태양빛에 노출 시 필름 자체의 온도가 올라간다. 반면 연구팀의 태양전지는 반사를 통해 열을 차단해 빛에 노출돼도 온도가 거의 올라가지 않아 태양전지의 안정성 향상 측면에서도 유리할 것으로 기대된다.
유 교수는 “열 차단 기능성 반투명 태양전지는 추가적 광학 설계를 통해 색 조절도 가능하고 궁극적으로는 필름형으로도 제작 가능해 기존 차량 및 건물의 유리창을 멋있고 스마트하게 업그레이드할 수 있을 것이다”며 “태양전지가 친환경 에너지를 생산하는 것에서 더 나아가 새로운 부가가치를 갖출 때 기존보다 더 큰 시장을 개척할 수 있을 것이다”고 말했다.
김호연, 하재원 박사과정 학생과 성균관대 김희선 학생이 공동으로 참여한 이번 연구는 KAIST 기후변화연구허브 사업 등의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 게재된 저널의 표지논문 그림
그림2. 태양전지 사진
그림3. 열화상 사진
그림4. 모식도
2016.08.01 조회수 16280 -
달걀 모방한 세포보호 및 분해기술 개발
특정 미생물은 영양분이 부족한 환경에서 생존이 불리해지면 DNA 보존을 위해 세포외벽에 단단한 보호막인 내생포자를 형성한다. 이렇게 만들어진 내생포자가 생존에 적합한 환경을 만나면 다시 세포증식이 가능한 원래 상태로 돌아간다.
이 현상을 인공적으로 조절하는 기술이 국제 공동연구진에 의해 개발됐다. 달걀껍질처럼 하나의 세포를 감싸서 보존했다가 원하는 시기에 분해할 수 있어 세포기반 바이오센서·세포 치료제·바이오촉매 등에 활용될 것으로 기대된다.
우리 학교 화학과 최인성·이영훈 교수는 호주 멜버른대학교 화학공학과 프랭크 카루소(Frank Caruso) 교수와 공동으로 나노미터 스케일의 필름으로 단일 세포를 코팅해 세포의 생존을 유지하다가 원하는 시간에 분해할 수 있는 기술을 개발했다.
연구결과는 화학분야 세계적 학술지 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition) 11월 10일자 속표지(frontispiece) 논문으로 소개됐다.
세포피포화(細胞被包化)는 세포의 생존을 최대한 유지하면서 각각의 세포를 단단한 캡슐로 포획하는 기술이다. 세포를 기반으로 한 응용 분야에서 당면한 문제인 세포 안정도 유지와 세포분열제어를 위해 중요성이 높아지고 있다.
기존 세포피포화 방법은 유기박막 혹은 유기박막을 주형으로 만들어진 무기물 캡슐을 이용했다. 이들은 세포표면에 단단하게 형성됐으나 잘 분해되지 않아 활용하기가 어려웠다.
연구팀은 효모세포를 가지고 탄닌산 수용액과 철이온 수용액을 섞어 세포를 하나씩 금속-폴리페놀박막으로 감싸는 데 세계 최초로 성공했다.
탄닌산은 참나무껍질이나 포도껍질에서 추출한 천연물질로 세포친화도가 높아 철이온과 만나면 10초 이내로 금속-폴리페놀박막이 만들어진다. 이 박막으로 피포화된 세포들은 높은 생존율을 보였으며 박막 형성시간이 짧고 간단해 효율적으로 많은 양의 피포화 세포를 얻을 수 있었다.
이와 함께 연구팀은 금속-폴리페놀박막이 중성 pH(수소이온지수)에서는 안정하지만 약한 산성조건에서 빠르게 분해되는 특성을 이용해 원하는 시간에 세포를 피포화 전 상태로 복구해 세포분열을 조절할 수 있음을 밝혔다.
달걀껍질처럼 외부환경으로부터 내부 세포를 보호해주는 금속-폴리페놀박막은 △세포에 손상을 줄 수 있는 분해효소 △장시간의 자외선 처리 △은나노입자에 대한 방어기작을 가져 세포가 극한의 외부환경에 노출되더라도 높은 세포 생존도를 유지하는 결과를 나타냈다.
이영훈 교수는 이번 연구에 대해 “이 기술을 통해 피포화과정에서의 세포생존도를 유지함은 물론 극한의 외부환경에 대항하여 세포를 보호할 수 있다”며 “나아가 응답형 분해기작으로 원하는 때에 피포화된 세포의 분열시기를 조절할 수 있는 차세대 세포피포화기술”이라고 말했다.
최인성 교수는 “세포피포화기술은 아직 걸음마 단계지만 기술이 성숙함에 따라 세포조작기술의 응용가능성이 현실화될 것”이라며 “세포기반 응용분야에서 현실적으로 당면한 문제들을 해결할 맞춤형 대안이 될 것”이라고 덧붙였다.
미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업과 글로벌연구실지원사업의 지원으로 수행된 이번 연구는 KAIST와 호주 멜버른대학교 국제 공동 교수진의 지도아래 KAIST 화학과 박지훈·김경환 석사과정 학생이 주도했다.
그림 1. 앙게반테 케미 속표지
배경 : 금속-폴리페놀박막(붉은색으로 염색)이 형성된 효모세포가 생존을 유지하고 있음(초록색으로 염색-생존도를 가지고 효소활성을 나타냄)을 보여줌.
앞쪽그림 : 각 피포화 단계의 효모세포 왼쪽아래 : 세포는 피포화하기전 상태, 붉은색 화살표를 따라가면 보라색 금속-폴리페놀박막이 형성되어 보라색으로 나타나는 효모세포, 초록색 화살표를 따라가면 약 산성 pH에서 금속-폴리페놀박막이 표면에서 분해되는 것을 형상화했다.
그림 2. 금속-폴리페놀박막을 이용한 세포피포화(細胞被包化) 모식도
(위)피포화하기전 효모세포
(중간) 금속-폴리페놀 나노캡슐(Tannic Acid-Fe(III) Nanoshell)으로 피포화된 효모세포-피포화된 효모세포는 세포분열이 pH에 따라 조절(Cell-Division Control)되고, UV-C, 분해효소와 은나노입자에 대한 저항성을 가진다. (아래) 원하는 시간에 pH 조절로 금속-폴리페놀박막이 분해되는 것을 형상화
2014.11.18 조회수 16617 -
부작용 없는 간경변 치료법 개발
- 환자 중 70% 증상 호전돼, 간이식 외 치료법이 없던 간경변 치료길 열려 -- KAIST 의과학대학원, 연세대학교 의과대학과 공동으로 기초와 임상을 연계한 중개연구의 쾌거 -
새로운 방식의 간경변 치료법이 개발됐다. 환자 중 70%가 증상이 호전되는 것을 발견했으며, 자신의 골수를 이용하기 때문에 간이식이 어려운 중증 간질환자들에게 시도해 볼 수 있는 치료가 가능해 질 것으로 기대된다.
우리 학교 의과학대학원 정원일 교수와 연세대학교 의과대학 김자경 교수 연구팀이 공동으로 자가골수세포를 이용해 부작용 없는 간경변 치료법을 개발했다.
간경변증은 간염바이러스 또는 알코올 등에 의한 간 손상시 간성상세포들이 비정상적으로 콜라겐을 분비해서 간이 딱딱해지는 것을 말한다.
이 질병은 전 세계적으로 높은 사망률을 보이는 질환으로써 치료약이 개발돼 있지 않다. 따라서 환자들은 간 이식을 통해 수명을 연장할 수 있으나 이식할 수 있는 간의 부족, 높은 수술비용, 그리고 면역억제제 부작용 등의 어려움이 있었다.
연구팀은 자가골수세포를 투여한 간경변 환자들이 24시간 이후부터 혈중 인터류킨-10이라는 생체물질이 증가하는 것을 관찰했다. 인터류킨-10은 간성상세포들의 콜라겐 분비를 억제하고, 염증을 억제하는 조절 T세포를 증가시켜 결과적으로 간기능을 호전시켰다.
임상연구결과 간경변 환자 15명 중 10명의 증상이 호전되는 것을 관찰해 간경변 환자들을 치료 할 수 있는 길이 열리는 근거를 제시했다.
자가골수세포를 이용한 간경변 치료는 면역부작용이 없고, 환자 자신의 몸에서 쉽게 얻어낼 수 있고, 현재 한 번의 시술만으로도 그 효과를 볼 수 있는 게 커다란 장점이다.
또한, 기존에 실시해오던 간이식과 같은 시술법보다 훨씬 더 저렴하기 때문에 환자들의 부담도 크게 감소될 것으로 전망된다.
이와 함께 효능이 없는 나머지 30%의 환자들은 빠른 시간 내에 간이식과 같은 다른 치료법으로 유도할 수 있는 큰 장점을 가지고 있다.
정원일 교수는 “증가하는 지방간과 C형간염 환자 및 비정상적인 음주문화로 인한 간질환이 심각한 문제로 다가오고 있지만 간이식 외에 마땅한 치료법이 없다”며 “이번 연구결과를 기반으로 미래를 준비한다면 막대한 사회적 및 경제적 파급효과가 있을 것으로 예상 된다”고 말했다.
또 유욱준 KAIST 의과학대학원 책임교수는 “이번 연구는 기초와 임상연구를 접목한 대표적 중개연구로 ‘기초 의과학 연구를 통해 의과대학을 졸업한 의사학생들을 훌륭한 박사로 성장시킨다’는 학과의 설립취지와 맞물리는 성공적인 사례”라고 말했다.
한편, 2009년부터 보건복지부 중개연구 및 교육과학기술부 핵심공동연구 사업 등의 일환으로 지난 3년간 수행된 이번 연구는 간 치료 분야에서 권위 있는 학술지인 ‘헤파톨로지(Hepatology, IF=10.885)’ 온라인판에 4월 27일자로 게재됐다.
붙임 : 보충자료, 그림설명
□ 보충자료
【기초와 임상을 연계한 중개연구】이번 연구는 기초와 임상 연구를 접목한 대표적인 중개연구(translational research)로써 ‘기초 의과학 연구를 통해 의과대학을 졸업한 의사학생들을 훌륭한 M.D.-Ph.D.로 성장시킨다’는 카이스트 의과학대학원의 설립취지와 맞물리는 성공적인 사례이다.
본 연구의 제일 저자인 ▲ 서양권 학생(2009년 입학)은 연세대학교 의과대학을 졸업하고 세브란스 병원에서 전문의 수련을 받은 후 본 카이스트 의과학대학원의 박사과정으로 입학한 학생으로 3년간의 고된 연구과정을 모범적으로 수행하여 왔으며 카이스트 의과학대학원 ▲ 정원일 교수는 수의사이자 동물실험 전문가로서 임상적 결과와 동물실험의 결과를 접목해 비교 및 분석을 실시하였으며 본 연구를 주도하였다.
▲ 연세대학교 의과대학 김자경 교수팀은 환자의 자가골수세포 치료를 한국에서 유일하게 수행중인 팀으로써 지난 3년간 환자의 선별, 시술 및 임상적 자료를 수집하고 분석하는 실험을 실시하여 왔다.
따라서 본 연구결과는 이들의 연구가 삼위일체되어 수행된 성공적인 중개연구로써 이러한 결과들을 활용하여 앞으로 본격적인 임상시술 및 추가 연구가 수행될 것으로 예상된다.
【경제적 가치 및 파급효과】우리나라에서 간질환의 사회적 경제적 지출액은 연간 약 2조 6,000억원 정도이며, 요양급여 지출액은 년간 약 3,550억원, 그 수혜자들은 166만명에 다다른다. 여기에 반해 아직까지 마땅한 치료법이 없어 환자들 스스로가 민간치료법에 의존하거나 간이식을 받는 것이 대부분이다.
현재 국내에서는 B형간염 예방접종에 따라 앞으로 B형간염유래 간경변증은 점차 줄게 될 것이나, 증가하는 C형간염 및 비정상적인 음주문화로 인한 간질환은 향후 20-30년 이후에 가장 심각한 문제가 될 것이라 예상된다.
따라서 본 연구결과의 가시적인 성과들을 기반으로 하여 미래를 준비할 수 있다면 막대한 사회적 및 경제적 이익이 있을 것으로 예측된다.
□ 그림설명
그림 1. 혈관으로 주입된 골수세포(녹색)가 간 내로 이동하여 간성상세포(붉은색)를 억제하는 것이 관찰됨(간조직 사진)
그림 2. 세포배양 실험에서도 간성상세포와 골수세포를 공동배양 시 강력하게 밀착하여 작용하는 것을 관찰(좌측 골수세포 주입직후, 우측 12시간 경과후)
그림 3. 간성상세포와 결합한 골수세포들이 IL-10을 분비하고 (좌측) 이들 세포들의 모양을 관찰한 바 우측에서와 같이 CD11b와 Gr1을 발현하는 미성숙 골수세포임을 확인함
그림 4. 골수에 들어있는 여러 종류의 골수세포들 중 특정 세포마커(CD11b와 Gr1)를 발현하는 골수세포들이 간으로 이동을 하게 된 후, 인터류킨-10이라는 물질을 분비함으로써 간경변을 유발시키는 간성상세포를 직접적으로 억제하거나 수여자 몸속에 존재하는 조절 T 세포의 활성을 유도하여 간접적으로 간성상세포의 활성을 억제하여 간경변을 치료하는 기전임.
2012.05.23 조회수 18160 -
인체 감염 44종의 원인균 동시 진단용 DNA 칩 개발
KAIST, 연세대 의대, 메디제네스㈜ 공동연구 결실벤처회사와 공과대학이 DNA칩 제작, 의대에서 임상실험하는 바람직한 협력연구의 성과로 평가
사람의 생명을 위협하는 감염질환의 원인균 44종을 동시에 진단할 수 있는 DNA 칩이 국내 공동연구진에 의해 세계 최초로 개발되었다. 메디제네스 ㈜ (대표이사 이진, 李津, 39)는 KAIST 생명화학공학과 이상엽(李相燁, 41, LG화학 석좌교수)교수팀, 연세대 의대 감염내과 김준명(金俊明, 52) 교수팀(김준명, 장경희, 최준용 박사)과의 공동연구를 통해 감염질환에 자주 나타나는 주요 원인 균주 44종을 신속하게 동정(실체를 밝히는 것)할 수 있는 DNA칩을 개발했다고 9일 밝혔다.
감염질환은 세균이 인체의 내외부에 침입하여 혈액, 체액 및 조직 내에서 자라면서 발병하는 질환으로, 세균의 정확한 진단 및 적절한 치료가 이루어지지 않을 경우, 생명을 잃을 수도 있는 질병이다. 더욱이 최근에는 항생제의 오남용으로 인해 세균의 배양률이 크게 낮아 배양 검사와 같은 기존의 감염질환 진단 방법들이 한계에 부딪치고 있어 항생제의 추가적인 남용 및 검사비용의 낭비 등을 야기할 뿐만 아니라, 적합한 항생제의 투여시기를 놓쳐 환자의 생명이 위협받고 있다.
이번에 메디제네스㈜ 가 개발한 감염질환 진단용 DNA칩은 임상적으로 가장 빈번하게 출현하여 심각한 질병을 일으키는 원인균 44종을 동시에 진단할 수 있다는 특징이 있다. 메디제네스㈜는 KAIST 이상엽 교수팀, 연세대 의대 김준명 교수팀과 공동으로 감염 균주들의 균체 특이성이 높은 DNA조각을 직접 염기서열을 결정하여 특허 출원하였고, 일부 알려진 균들에 대하여는 생물정보학 기법으로 특이한 염기서열 부분을 찾아내는 방식으로 DNA 칩을 제작 하였다. 이 DNA칩은 작은 유리판에 감염질환을 일으키는 균주의 특정 DNA 염기서열과 결합할 수 있는 DNA 조각을 심은 것으로, 균주에서 추출한 DNA와 칩에 심어진 DNA가 칩의 어느 위치에서 결합하는지에 따라 원인균을 쉽게 동정할 수 있도록 설계되어 있다.
이상엽 교수는 “이 DNA 칩의 핵심기술은 우리가 자체적으로 염기서열을 밝혀서 그 서열에 관한 특허를 확보하였고, 이들로 만든 DNA 조각을 이용하여 매우 효과적으로 감염균주들을 감별해 내는데 있다. 칩 자체의 제작도 중요하지만, 임상 시험이 매우 중요한데, 공과대학과 벤처회사가 DNA 칩을 만들고, 의과대학에서 임상시험을 하는 아주 바람직한 형태의 협력연구가 결실을 맺게 되어 기쁘다.”고 밝혔다.
따라서 이번에 개발된 DNA 칩을 이용하면 환자로부터 얻은 다양한 임상 샘플내에 어떤 세균이 존재하는지를 한번의 검사로 빠른 시간내에 정확하게 진단함으로써 가장 적합한 항생제를 투여할 수 있게 된다. 기존 검사법은 균주를 일일이 배양해서 확인했기 때문에 보통 3일 이상 심지어는 몇 주 이상 소요되고 배양률도 50% 이하인데 비해, 이 칩은 14시간 정도면 여러 균주를 동시에 검색할 수 있고, 정확도도 더 높일 수 있는 장점이 있다. 이 관련 기술들은 현재 특허 출원 중이고, 예비임상시험을 마친 후, 대규모 임상시험을 연세대학교 의과대학 김준명 교수팀에서 진행 중이다. 김준명교수는 “최근에 항생제 오남용으로 감염질환의 원인균 동정에 큰 어려움을 겪고 있는 현 실정에서 이러한 DNA칩을 통한 진단법 개발은 임상에서 빠른 시간 안에 원인균을 밝혀내고, 그로 인해 환자에게 꼭 필요한 항생제를 조기에 투여함으로써 환자의 생명을 구하는 획기적인 전기가 되리라 생각한다”고 말했다.
이 감염질환 진단용 DNA칩을 이용함으로써 감염질환 치료를 위해 과다하게 소요되는 항생제 비용을 대폭 절감(연간 약 5천억원)할 수 있을 뿐만 아니라, 보통 한 환자당 2-3번의 원인균 배양이 이루어지는 기존의 검사방법에서 탈피하여 한 번의 검사로 진단이 가능함으로써 감염질환 관련 검사 비용 연간 수백억원이 절감될 수 있을 것으로 예상된다. 메디제네스㈜ 이진사장은 “앞으로 추가 임상 시험 후 식품의약품안전청의 허가를 받은 후 내년에는 국내 각 병원과 연구소에 판매할 계획이며, 이 칩의 판매로 국내에서만 내년에 30억원, 향후 연간 100억원 이상의 매출을 올리고자 하며, 연간 약 2조원으로 추정되는 세계 시장 개척에도 적극적으로 대처하고자 한다.”는 계획을 밝혔다.
2005.06.10 조회수 20541 -
움직이는 단백질 구조 실시간 규명
단백질 동영상 촬영, 신약 개발에 큰 도움이효철 교수, 미국 국립과학원 회보(PNAS) 2일자 발표
KAIST 화학과 이효철(李效澈, 33) 교수가 움직이는 단백질의 구조를 실시간으로 규명하는데 성공했고 관련 논문이 세계적인 저널인 미국 국립과학원회보(PNAS, Proceedings of National Academy of Science) 5월 2일자로 게재되고, 그 우수성을 입증받아 ‘이 주의 논문’으로도 채택됐다.
일반적으로 단백질의 삼차원 구조는 엑스선 결정법 (X-ray Crystallography)을 사용해서 밝혀내게 되는데 이 방법으로는 정지되어 있는 단백질의 안정적인 구조만을 볼 수 있다.
李 교수팀은 엑스선 결정법을 더욱 발전시킨 방식인 시간분해 엑스선 회절법이란 방식을 이용했다. 이는 정지되어 있는 단백질의 구조뿐 만 아니라 작동하고 있는 단백질의 동적인 구조까지도 밝혀낼 수 있는 획기적인 방식이다.
이 새로운 기술을 사용하면 움직이는 단백질의 동영상을 촬영할 수도 있어 단백질의 작동기작을 밝히는 데에 중요한 도구가 될 것이며 앞으로 신약개발을 하는 데에도 큰 도움을 줄 것으로 보인다. 또한 이 기술은 단백질뿐 아니라 나노물질에도 응용 가능하므로 BT뿐만 아니라 NT분야에도 기여할 수 있을 것으로 보인다.
이 연구결과는 미국의 아르곤 국립연구소의 APS 가속기와 유럽연합방사광가속기 (ESRF) 센터에서 측정되었으며 李 교수의 주도하에 이루어진 국제적인 공동연구의 결과라 할 수 있다.
2005.05.04 조회수 22467