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정상권 교수 연구팀,극저온 냉동기 탑재형 초전도 모터 개발
- 세계최초로 회전하는 극저온 냉동기를 탑재한 ‘초전도 모터’ 개발
기계공학과 정상권 교수 연구팀이 회전하는 극저온 냉동기를 탑재해 영하 210도 이하로 냉각되는 초전도 모터를 세계 최초로 개발했다고 18일 밝혔다.
기존의 초전도 회전기기는 LTS(Low Temperature Superconductor; 저온 초전도체로서 주로 액체 헬륨으로 냉각) 또는 HTS(High Temperature Superconductor; 고온 초전도체로서 주로 액체 네온 또는 질소로 냉각)를 사용하는 경우, 정지된 극저온 냉동기로부터 차가운 냉각재를 회전하는 계자 코일에 공급하면서 초전도체를 임계온도 이하로 냉각하는 구조로 되어 있었다. 즉, 극저온 냉동기와 회전기기가 분리되어 초전도 모터가 작동했었다.
이러한 구조는 영하 210 도 이하의 차가운 유체를 진공으로 단열시키면서, 정지부에서 회전부 그리고 또한 정지부로 이송하는 극저온 구성품이 필요하며, 상온에서부터 극저온부로의 열침입이 필연적으로 증가하는 문제로 인하여 전체 극저온 냉동 시스템이 커져야 한다.
이번에 연구 개발한 극저온 냉동기를 탑재하는 초전도 모터의 경우에는, 극저온 냉각부를 초전도 코일과 매우 가깝게 위치시켜, 부가적인 열손실을 방지할 수 있는 장점이 있어서, 전체 시스템의 소형화가 가능한데, 지금까지는 극저온 냉동기의 특성과 초전도 코일의 설계/제작을 동시에 고려하여야 하기 때문에 쉽게 이루어지지 않았었다.
이번 연구에서는 고속으로 회전하는 상황에서도 냉각성능의 변화가 없는 축대칭 구조의 국내산 소형 스털링 냉동기가 사용됐다. 이번에 개발한 초전도 모터는 회전부와 고정부 사이에서 일어나던 극저온 유체의 이동을 철저하게 배재시키고, 유일하게 존재하는 에너지 전달 메커니즘은 전기 접촉을 통한 전기 에너지 및 온도차에 의한 열전달이다. 또한, 극저온 냉각부를 초전도 코일과 매우 가깝게 위치시켜 부가적인 열손실을 방지할 수 있는 장점이 있어서, 전체 시스템의 소형화가 가능하다. 초전도 계자코일은 차세대 유망 초전도 선재인 YBCO를 사용하여 제작했으며, 외부로 부터의 열침입 및 냉동 부하는 6W미만이고, 유도 모터의 고정자를 사용하여 90rpm 까지 회전 테스트를 수행하였다.
정 교수는 “이번에 개발된 ‘극저온 냉동기 탑재형 초전도 모터’는 소형화와 고신뢰성을 위한 초전도 회전기기의 새로운 냉각 방식으로 기술혁신적인 발상의 전환을 이루었으며, 다양한 에너지(수송, 플랜트 산업, 재생에너지) 분야에서의 응용이 기대된다”며 ”상용화를 위해 동적인 균형 문제, 초전도 선재 수급문제 해결하도록 연구를 진행중이다“고 말했다.
일반적으로 초전도 모터나 발전기는 극저온에서 전기 저항이 사라져 전류가 아무 장애없이 흐르는 초전도체의 현상을 이용한다. 따라서 전기 에너지의 효율 향상과, 동일한 용량에서는 소형화의 목적으로 차세대 전기기기로서 많은 연구가 진행되고 있다. 모터나 발전기의 구조를 보면 크게 회전자와 고정자로 구분할 수 있는데, 초전도 코일은 직류 전류가 흐르는 회전자에 적용됨으로써, 전체 에너지 변환 효율을 0.5 %내지 1% 정도 향상시킬 수 있다. 따라서, 현재까지 초전도 회전기기는 전체 효율 향상이 그에 수반되는 부가적인 극저온 냉동기의 요구 전력보다 더 큰 1 MW 급 이상의 대용량에서 매력적이다.
이러한 기기의 적용 분야는 주로 플랜트 산업에서 사용되는 전동기를 비롯하여 발전소의 대형 발전기, KTX와 같은 고속 전철, 전기 추진 방식의 선박 등 에도 확장될 수 있다.
이번연구는 교육과학기술부의 국가지정연구실사업의 지원과 차세대초전도응용기술개발사업단을 통한 한국전기연구원의 도움으로 수행됐으며, 이번 연구결과는 2010년 8월에 열리는 응용초전도학회(ASC; Applied Superconductivity Conference)에서 발표할 예정이다.
논문제목: HTS (high temperature superconductor) motor cooled by on-board cryocooler (극저온 냉동기를 회전자에 탑재한 고온 초전도 모터)
<용어설명>
○ 초전도 : 어떤 종류의 금속이나 합금을 절대영도(0 K; －273.16℃)에 가까이 냉각할 때, 전기저항이 갑자기 소멸하여 전류가 아무런 장애 없이 흐르는 현상이다. 물질마다 이러한 현상이 일어나는 임계온도가 다르며, 액체 질소의 비등점 (77 K, －196℃) 이상에서 초전도 성질을 보이는 물질을 고온 초전도체라고 한다.
○ 이트륨 바륨 구리 산화물(Yttrium barium copper oxide, YBCO) : 고온 초전도체 물질 중 하나로 임계 온도는 93 K(-180℃)로 비교적 높아 경제적인 초전도 합금 중 하나이다.
○ ASC(Applied Superconductivity Conference, 국제 응용 초전도 학회):1966년부터 국제 전기전자공학회 (IEEE Council on Superconductivity) 주관으로 격년으로 미국에서 개최되는 이 분야 최고 권위의 학회임. 전 세계로부터 많은 학자와 연구원들이 참여한 가운데 우수한 연구 성과와 정보를 교환하고 미래의 초전도 산업과 기술을 논의하는 학회로서 2010 년에는 Washington D.C. Omni Shoreham Hotel에서 8월 1일부터 6일 까지 개최될 예정이다.
○ 계자코일(Field coil) : 초전도 모터의 회전자에서 일정한 자기장을 발생시키기 위하여 감은 코일로서, 일반 구리선을 초전도선으로 대치하였을 때 주어진 크기에서 더 강한 자기장을 발생시키게 할 수 있으므로, 전체 모터의 크기를 소형화할 수 있다.
2010.03.18
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KAIST가 개발한 온라인 전기차, 서울 대공원 달린다
- KAIST 온라인전기자동차 상용화를 위한 첫걸음 내딛어 - 매연과 소음이 심각한 코끼리 열차 친환경 전기 자동차로 탈바꿈
우리대학이 심혈을 기울여 개발한 온라인 전기자동차(On-Line Electric Vehicle, OLEV)가 서울대공원을 힘차게 달린다. 무선으로 전력을 공급받아 운행되는 전기자동차를 세계 최초로 개발하여 서울대공원에 시범사업으로 적용했다.
과천 서울대공원에서 디젤기관으로 운행되고 있는 무궤도 코끼리 열차를 KAIST의 기술력을 통해 온라인 전기자동차로 새롭게 제작했다. 경유를 연료로 운행해 매연과 소음이 심각했던 코끼리 열차가 친환경 전기자동차로 탈바꿈했다.
온라인전기자동차(OLEV)는 정차 및 주행 중에 도로에 매설된 전력선으로부터 무선으로 전력을 전송받아 구동에너지로 사용하거나 배터리를 충전하는 신개념의 전기자동차로써 전기자동차의 상용화를 크게 앞당길 수 있는 기술이다.
즉, 온라인전기자동차는 일반도로에 안전하고 견고하게 보호된 전선을 매설하고 차량하부에 별도의 집전장치를 부착하여 도로에 매설된 전선에 전력이 공급될 때 발생하는 자기장을 차량하부의 집전장치를 통해 효과적으로 모아 동력원으로 사용한다. 집전장치를 통해 모아진 전력은 주행 중 모터로 바로 연결되어 쓰이거나 필요한 경우에는 자동으로 배터리에 충전이 된다.
동력차와 객차 3량으로 이뤄진 이 전기자동차가 서울대공원에서 호수 순환도로 총 길이 2.2Km 구간을 운행한다. 급전구간은 1,2,3구간 각 122.5M, 4구간 5M로 4개 구간 총 372.5M이다. 집전효율은 최대 62kw 효율 74%에 달한다. 전자파 측정결과 정차 중 동력차 옆에서 50mG이내, 주행 중 객차내부는 20mG이내로 매우 안전하다.(국제기준치 20Khz-62.5mG)
이번 시범사업을 통해 KAIST는 온라인 전기차에 대한 신뢰성을 확보하고, 온라인 전기차의 상용화에 성큼 다가섰다.
지난해 2월, 공극간격 1cm에서 80% 효율이 기술적으로 가능하다는 것을 입증했으며, 7월에는 자체 개발한 급전장치 및 집전장치를 개조된 하이브리드 버스에 장착해 세계 최초로 공극간격 17cm 이상에서 최대 70% 이상의 효율을 달성하는데 성공했다. 올해에는 20Cm이상에서 최대 효율 80%에 이르는 기술을 확보할 목표이다. 연구개발 1년 만에 놀라운 기술적 진보를 이뤄낸 것.
노력과 끈기로 연구원들이 만들어낸 값진 연구개발 성과이며 KAIST의 무한한 도전정신이 보여준 놀라운 결과다.
온라인전기자동차의 전력 전달 원리인 비접촉 자기유도 방식 충전기술이 자동차에 적용되어 일반도로에서 실용화가 되기 위해서는 현재 운행되는 자동차의 환경에 맞게 도로바닥으로부터 차량 하부까지의 지상고를 법적 기준치(한국 12cm) 이상으로 유지하면서 높은 효율을 유지해야 한다.
KAIST는 세계적으로 불가능한 것으로 여겨졌던 이 기술적 한계를 도로, IT, 자동차, 전기, 전자 분야 전문가로 구성된 융합연구팀을 가동하여 2009년 원천기술개발 단계에서 극복하고, 산학연 협력 연구체계를 구축하여 실제 도로환경에 구현하여 실용화 가능성을 입증하였다. 현재 120건 이상의 특허가 출원된 상태이다.
KAIST는 서울시와 협의하여 대공원의 나머지 코끼리열차 7대를 추가로 개조하여 운행할 계획이다. 또한, 제주도 중문단지, 서울 상암 월드컵 공원 순환도로 등에도 온라인전기버스 시험인프라를 구축할 계획이다.
온라인 전기자동차사업단 조동호 단장은 “주차장, 버스 시점, 종점, 교차로 등에 온라인전기버스용 비접촉 충전인프라를 구축(전체 전용버스 노선의 20% 수준)하여 본격적인 도로 급전인프라 구축 이전에 온라인전기버스 보급 촉진에 기여할 예정이다” 라며 “지방자치단체와 협력하여 시험사업 및 시범사업 추진을 통해 제한된 지역을 운행하는 버스 중심 대중교통 시스템을 우선 공략하여 상용화 가능성을 실증할 것”이라고 밝혔다.
한편, 온라인 전기차 준공식 및 시승행사가 지난 9일(화) 11시부터 서울 대공원 동물원 입구(무궤도열차 순환구간)에서 있었다.
<보충자료>
■ KAIST는 지난 2009년 5월 정부의 추경사업으로 온라인전기자동차사업을 본격적으로 시작한 이후 캠퍼스 내의 테스트베드에서 온라인전기버스, 온라인전기승용차(SUV)의 실험모델 운행에 성공하여 주목을 받은 바 있다.
■ 전세계 자동차 시장은 석유에너지 고갈과 환경오염 문제로 인해 친환경 에너지 절약형 자동차 위주로 변신하고 있는 중이다.
세계 각국 정부는 그린카 기술개발, 전기자동차의 구입지원, 탄소가스 배출에 대한 과세, 연비향상 의무화 등의 정책을 적극적으로 채택하고 있으며, 이에 따라 자동차업체들은 친환경 자동차 특히 전기자동차 개발에 경쟁적으로 투자를 하고 있는 상황이다.
주행 중에 이산화탄소를 전혀 배출하지 않고 소음이 적으며 화석연료에 의존하지 않는 전기자동차 상용화를 위한 많은 노력에도 불구하고 현재까지 개발되고 있는 순수 전기자동차는 배터리에만 전적으로 의존하기 때문에 배터리의 중량과 부피가 지나치게 크고 비용이 과도하게 증가하는 난제를 안고 있다.
일부 국가에서는 배터리를 국가가 소유하고 배터리를 교환하는 방식을 통해 문제 해결을 시도하거나, 구입 초기 세제지원 등을 통한 전폭적인 지원을 통해 전기자동차의 보급을 위해 노력하고 있으나 구입후 배터리 유지보수에서 개인의 부담금이 과다한 문제 등 아직까지 현재 전기자동차가 가지고 있는 배터리 문제와 충전 인프라 문제를 근본적으로 해결하는 데는 한계를 지니고 있다.■ 이러한 일반 전기자동차의 배터리 문제와 충전 인프라문제, 배터리 유지보수 과다 부담금 문제 등을 동시에 해결하는 방안으로 제시된 개념이 주행 중 도로 바닥에서 급전을 받고 배터리도 충전을 하면서 급전선로가 없는 구간에서는 배터리만으로 주행하도록 하는 온라인전기자동차 방식이다.
온라인전기자동차는 일반도로에 안전하고 견고하게 보호된 전선을 매설하고 차량하부에 별도의 집전장치를 부착하여 도로에 매설된 전선에 전력이 공급될 때 발생하는 자기장을 차량하부의 집전장치를 통해 효과적으로 모아 동력원으로 사용하는 원리로써 집전장치를 통해 모아진 전력은 주행 중 모터로 바로 연결되어 쓰이거나 필요한 경우에는 자동으로 배터리에 충전이 된다.
이 경우 온라인 전기자동차는 일반 전기차와 비교하여 약 1/5수준의 배터리를 장착하고도 자유로운 운행이 가능하므로 비싼 배터리 문제를 해결할 수 있으며, 별도의 충전소 개념없이 도로에 충전소를 설치하는 원리이므로 충전인프라 문제 또한 쉽게 해결할 수 있다.
온라인전기자동차 기술을 일반 노선버스에 적용할 경우 버스 시점, 종점, 정류장, 교차로 및 주차장 등에 전체 버스 운행노선의 20% 가량에만 급전 인프라를 구축하더라도 충전의 걱정없이 편리하게 운행이 가능하다.
■ 온라인전기자동차의 향후 사업 추진 방향은 1단계로 정해진 노선과 지역을 운행하는 버스 중심의 대중교통시스템 진입을 통해 경제성과 안전성을 확보하고 2단계로 핵심기술을 지하철 및 철도 등 궤도차량에 적용한 뒤 궁극적으로는 온라인전기승용차 시장을 개척하여 수송시스템을 혁신하는 것이다.국내에서는 서울특별시와 제주도를 비롯하여 많은 지방자치단체들의 친환경 도시교통시스템 구축에 온라인전기자동차 기술을 적용하고자 희망하고 있는 상황이다.
해외에서도 많은 언론과 기관들이 KAIST의 온라인전기자동차 기술에 관심을 가지고 기술개발 현황과 성과에 대해 보도를 하고 있다. 특히 KAIST는 말레이시아에서 계획하고 있는 에코단지에 온라인전기자동차 시스템을 구축하기 위해 협의를 진행하고 있다.
이와 동시에 전기자동차 시대를 앞당기기 위해 필수적인 충전 인프라 구축 사업에 있어서도 접촉식 충전방식보다 안전성과 경제성 면에서 우수한 비접촉 충전방식을 도입할 수 있도록 노력할 계획이며, 놀이공원, 수송터미널, 공항, 군부대, 산림욕장 등 특정한 구역에서의 시험사업 및 시범사업을 통해 상용화의 기반을 구축할 계획이다.
■ 온라인 전기버스의 상용화를 위해서는 ‘실험시제품 개발(09년) → 시험시제품 개발(10년) → 실용시제품 개발(11년) → 표준시제품 개발(12년) → 상용제품 개발(13년 이후)’의 로드맵에 따른 단계별 연구개발이 필요하며 이를 통한 기술적 완성도를 높여 나갈 필요가 있다.
KAIST는 지방자치 단체와 연계한 시험사업과 소규모 인프라 구축사업을 통해 상용화 가능성과 기술적 완성도를 지속적으로 높여나갈 계획이다.
■ 한편 온라인전기자동차 개발 관련 급집전 핵심기술과 결과물은 타산업과의 융합연구를 통한 활용 및 파생기술 보급의 가속화를 가능하게 할 전망이다. 국내에서도 이미 일부 그룹에서 비접촉 충전기술을 이용한 새로운 수요창출을 준비하고 있는 상태이다.
급집전 기술의 주요 활용분야로는 노트북, 휴대폰, 휴대플레이어 등의 휴대기기 분야, TV•가전제품, 청소기 등의 가정용 전기기기 분야, 가정용, 산업용, 군용 등으로 활용이 가능한 로봇분야, 사파리, 보트, 물놀이 공원 등 레저분야, 시내버스, 마을버스, 고속버스, 택시, 승용차, 골프카, 대규모 단지 내 이송차량, 트럭 등 자동차 분야, BRT/PRT, 경전철, 지하철, 고속철도 등 철도분야 등을 꼽을 수 있다.
■ 미래 전기자동차 시대는 자동차 산업이 가진 엄청난 잠재력을 고려할 때 과거 아날로그 시대에서 디지털 시대로의 전환에 견줄만한 새로운 산업의 창출과 직결된다.
이러한 전기자동차 시장에서의 주도력을 가지기 위해서는 기존 산업을 점진적으로 개선 발전시키는 Evolution Path를 통한 접근이 아니라 Revolution Path를 통한 접근이 필요하다.
온라인 전기자동차 개발을 통해 전기자동차시대를 혁신적으로 앞당길 수 있다면 대한민국은 자동차 시장에서 세계 최고 수준의 경쟁력을 확보할 수 있을 것이고, Evolution을 통해서는 확보가 불가능한 원천기술을 Revolution을 통해 확보함으로써 국가 신성장 동력 확보에 크게 기여할 수 있을 것이다.
2010.03.09
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가상세포를 이용한 병원균의 약물표적 예측기술 개발
- 가상세포 시스템 활용한 새로운 항생제 개발에 큰 파급효과 기대
- 분자 바이오시스템(Molecular BioSystems)지 표지 논문으로 게재
생명화학공학과 이상엽(李相燁, 46세, LG화학 석좌교수, 생명과학기술대학 학장)특훈교수팀이 항생제에 내성을 가지는 병원성 미생물의 가상세포를 구축하고 이를 이용해 병원균의 성장을 효과적으로 억제할 수 있는 약물 표적을 예측하는 기술을 최근 개발했다.
김현욱(생명화학공학과 박사과정)연구원의 학위 논문연구로 수행한 이번 연구 결과는 유럽 화학 관련 학술단체 RSC(The Royal Society of Chemistry)에서 발간하는 분자 바이오시스템(Molecular BioSystems)지의 2월호 표지 논문으로 게재됐다.
예전에는 병원성 세균들을 항생제로 쉽게 치유할 수 있었지만 이제는 항생제의 오남용으로 인해서 병원균들은 항생제에 대한 내성을 가지게 됐으며, 따라서 한 번 감염이 되면 치유가 이전보다 쉽지 않다.
그 대표적인 병원균이 바로 아시네토박터 바우마니(Acinetobacter baumannaii)다. 본래 흙이나 물에서 쉽게 발견되는 이 미생물은 항생제에 내성을 갖지 않아 치료가 쉽고 건강한 사람은 잘 감염되지 않는 균이었다. 그러나 지난 10년 동안에 항생제에 내성을 갖는 슈퍼박테리아로 변했으며, 이라크 전쟁에 참전한 다수의 미군과 프랑스군도 이 균에 감염되면서 상처가 낫질 않아 많은 희생을 야기했다.
李 교수 연구팀은 아시네토박터 바우마니의 게놈과 전체적인 대사특성을 알아보기 위해 각종 데이터베이스에 산재해 있는 생물정보와 문헌정보를 컴퓨터에 입력, 분석, 디자인하여 가상세포를 구축하고, 다양한 네트워크 분석기법, 필수 대사반응 및 대사산물 분석 등 융합 방법론을 이용해 이 병원균의 성장을 효과적으로 차단할 수 있는 약물표적을 예측했다. 인간에게는 영향을 미치지 않으면서 병원균에게만 작용하는 최종 약물표적들이다.
필수 대사반응은 생명체가 대사활동을 정상적으로 하기 위하여 반드시 필요한 효소반응을 말하며, 필수 대사산물이란 생명체가 생존하기 위해 대사에 반드시 필요로 하는 화학물질로서 이들을 제거할 경우 이와 반응을 하는 효소들을 모두 억제되는 효과가 있다.
이 약물표적은 가상세포를 구성하고 있는 대사 유전자, 효소 반응, 신진대사들의 기능을 짧은 시간 안에 빠짐없이 체계적으로 검토해 예측함으로써 그 신뢰성을 높였다.
이번 연구 결과는 최근 많은 관심을 받고 있는 시스템 생물학 연구기법을 이용하여, 처음으로 필수 대사물질의 체계적인 발굴을 통해 효과적인 약물표적을 찾고, 나아가 새로운 항생제 개발의 가능성을 열었다는 점에서 높이 평가받고 있다. 또한 병원균에 의한 감염 현상과 신약개발에 큰 공헌을 할 것으로 기대를 모으고 있다.
李 교수는 “현재 수많은 생물의 게놈 정보가 쏟아지고 있지만 이것을 실질적으로 유용한 정보로 전환하는 데에는 아직도 많은 어려움이 있다. 아시네토박토 바우마니의 게놈 정보로부터 의학적으로 실용성이 있는 정보를 재생산했다는 점에서 의의가 있다”며 “특히 이 병원균의 가상세포 개발은 특정 환경에서 필수 유전자나 효소 반응에 대한 대량의 새로운 생물정보를 제공할 수 있는 계기를 마련했다.”고 말했다.
李 교수팀은 교육과학기술부 시스템 생물학 연구개발사업의 지원으로 이번 연구를 수행했으며, 다양한 병원성 균주의 가상세포 개발 및 항생제 약물표적 예측 방법을 특허 출원했다.
▣ 용어설명 ○ 약물표적 : 차단 시 병원성 미생물의 성장을 효과적으로 억제할 수 있는 단백질 효소 및 그와 관련된 화학물질
▣ (자료1) 가상세포.
(자료2) 가상세포로부터 필수대사산물을 예측한 후에, 병원균을 가장 효과적으로 죽일 수 있으면서 동시에 인간에게는 영향을 미치지 않는 약물표적만을 추리는 과정
2010.02.18
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김봉수 교수팀, 초탄성 무결점 금속나노선 개발
화학과 김봉수 교수팀은 차세대 3차원 메모리 소자의 대량생산이 가능한 새로운 초탄성․무결점 금속 나노선(nanowire)을 개발했다. 이는 촉매없이 금속 나노선을 기판위에 손쉽게, 원하는 형태로 성장(epitaxial growth)시킬 수 있는 원천기술이다.
교육과학기술부(장관 안병만)는「21세기 프론티어연구개발사업」나노소재기술개발사업단(단장 서상희 박사)의 지원을 받은 KAIST 김봉수 교수 연구팀이 초탄성․무결점의 단결정 금속 나노선을 개발 하는데 성공했다고 18일 밝혔다.
지난 2004년 MIT 선정 10대 유망기술에 선정된 바 있는 나노선(nanowire)은 단면 지름이 수십에서 수 나노미터(1nm = 10억분의 1m) 정도인 극미세선으로, 트랜지스터, 메모리, 센서 등 첨단 전기전자 소자를 개발하는데 핵심적인 미래기술이다.
기존의 반도체 나노선은 정렬된 성장(epitaxial growth)이 가능했으나 금, 팔라듐 등 금속 나노선의 경우에는 적절한 촉매가 없어서 이러한 정렬된 성장을 실현하기 어려웠다.
KAIST 김봉수 교수 연구팀은 증기의 양, 온도, 압력 등을 최적으로 조절함으로써, 촉매 없이 금, 팔라듐, 및 금팔라듐 합금 나노선을 원하는 대로 방향성 있게 성장시키는 데 세계 최초로 성공하였다. 또한, 어떠한 물질이라도 기판 위에 씨앗 결정을 형성하기만 하면 잘 정렬된 나노선으로 성장시킬 수 있다는 사실을 밝혔다.
※ 질병을 일으키는 병원균의 DNA 농도에 따라 금나노선에 부착되는 금입자의 갯수가 달라짐(이 금입자의 갯수로 부터 병원균의 갯수를 검출) (스케일바 : 20 nm)
KAIST 화학과 김봉수 교수는 “이 기술을 한 단계 더 발전시켜 기판 위에 씨앗을 원하는 위치에 놓을 수 있다면, 나노선의 위치 및 방향을 마음대로 제어할 수 있게 되기 때문에, 차세대 3차원 메모리 소자의 대량생산이 가능해져 세계 메모리 산업에서 선도적 위치를 차지할 수 있을 것으로 기대된다.”고 밝혔다.
한편 이번 연구결과는 나노 분야의 세계적 권위지인 나노레터스(Nano Letters)지 1월 6일자 온라인 속보판에 소개되었으며, 현재 미국 및 독일 등에 특허 출원중이다.
[그림 1] 사파이어 기판 위에 수직으로 성장한 완전 단결정 금 나노선
이번에 개발된 기술을 통해 성장된 나노선은 초탄성(超彈性)․무결점 뿐만 아니라 완벽히 깨끗한 표면을 가지고 있다는 특징이 있어, 나노크기의 탄성에너지 저장장치, 나노안테나, 질병진단용 메디컬 센서 등 새로운 기술분야에 다양하게 응용가능하다.
[그림 2] 금 나노선을 이용한 질병진단 센서 (예)
2010.01.18
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생명화공 장호남 교수, 폐자원을 활용한 바이오 에탄올 생산 성공
- 페자원을 활용한 국내 녹색 에너지 자립화에 기여 -
생명화학공학과 장호남교수팀이 포도당 기반 공법과 휘발성 유기산 공법을 이용해 유기성 폐자원 및 해조류에서 연료용 알코올을 생산하는데 최근 성공했다.
포도당 기반 공법의 연구결과는 ‘바이오에탄올 생산을 위한 비식용 바이오메스 동시 당화 발효(Simultaneous saccharification and fermentation of lignocellulosic residues pretreated with phosphoric acid–acetone for bioethanol production)’ 라는 제목으로 생물자원공학 분야의 국제학술지인 생물자원기술(Bioresource Technology)에 지난 7월 게재됐다.
이 연구결과로 장교수팀은 포도당 기반 공법을 이용해 갈대로부터 56g/L, 잔디에서 50g/L, 유채줄기에서 20g/L의 에탄올을 얻었다. 특히 갈대를 이용한 유가배양연구에서는 69g/L을 얻었다.
이 연구를 응용하여 지금까지 에탄올 생산이 거의 불가능하다고 생각했던 다시마(갈조류)에서 29g/L의 에탄올을 생산했다. 이 기술은 지난 9월 특허로 등록됐다.
또한, 포도당 기반 공법을 개선한 저비용 고효율의 휘발성 유기산공법 (Volatile Fatty Acid, VFA공법)을 통해 국내 유기성 폐자원(음식물쓰레기, 해조류 쓰레기)을 건조 폐기물 톤당 약 500L의 에탄올을 얻을 수 있는 연구 성과를 내놨다.
VFA공법은 포도당 기반 공법의 효소처리 비용을 자연발효를 통해 없앴고 바이오메스 일부가 아닌 전체를 발효시켜 효율을 높인 기술이다.
장교수는 “음식물 쓰레기와 유기성 폐기물은 값이 싸서 제품의 원가에 크게 부담을 주지 않아 경제성이 있으며 폐기물을 활용할 경우 상당한 양의 친환경 에너지 자립이 가능하다”라고 말했다. 또한 “국내에서 해양투기, 매립 등 버려지는 음식물 쓰레기 400만톤(건조 중량 80만톤)의 50%를 VFA공법으로 처리하면 연산 10만톤 공장2기에서 연간 20만톤 규모의 에탄올을 생산할 수 있어 국내의 녹색에너지 자립화에 많은 기여를 할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
이러한 연구 성과를 기반으로 장교수는 최근 국내특허(국제특허 출원중)를 취득한 MSC-HCDC (다단계 고농도 세포배양)공법을 활용하여 VFA 생산 및 정제, 수소첨가 반응연구를 수행하여 최근 실험실 규모의 연료용 알코올 생산에 성공했다.
현재 2010년 약 1톤 정도의 연료용 알코올 파이로트 공장 건설을 위한 준비를 하고 있으며 수건의 관련 특허도 출원 중에 있다.
※ 용어설명 :
○포도당 기반 공법: 셀루로즈를 당화효소로 분해하여 포도당을 만든 후 이를 효모로 알콜 발효하는 공법이다. 바이오매스 톤당 최고 300-L의 에탄올을 생산하는 것으로 알려져 있다.
○VFA 공법: 지구상의 모든 바이오매스는 혐기성 자연상태에서 초산, 프로피온산, 부칠산의 휘발산 유기산으로 분해되어 최종적으로 메탄가스와 탄산가스로 대기 중으로 방출된다. VFA-공법은 메탄가스로 가는 공정을 막고 이를 연료용 알코올 및 각종 화합물로 보내는 공법으로 에탄올 생산량은 유기물 톤당 500-L에 달한다.
2009.12.09
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대사공학적으로 개량된 박테리아로 범용 플라스틱 생산기술 개발
- 이상엽 교수팀과 LG 화학 연구팀 공동개발
- 바이오테크놀로지 바이오엔지니어링(Biotechnology and Bioengineering)지 게재예정
생명화학공학과 이상엽(李相燁, 45세, LG화학 석좌교수, 생명과학기술대학 학장) 특훈교수팀과 LG화학 기술연구원(원장 유진녕) 박시재, 양택호박사팀이 4년여 간의 공동연구를 통해 박테리아를 이용하여 재생 가능한 바이오매스로부터 플라스틱을 생산하는 기술을 최근 개발했다.
교육과학기술부 시스템생물학 연구개발 사업과 LG화학 석좌교수 연구비로 지원된 이번 연구에서는 시스템 대사공학과 효소공학 기법을 접목, 자연적으로는 생성되지 않는 플라스틱(unnatural polymer)의 일종으로 최근 각광을 받고 있는 폴리유산(Polylactic acid, PLA)을 효율적으로 생산할 수 있는 대장균을 개발한 것이다.
이번 연구 결과는 바이오공학 분야 최고 전통의 바이오테크놀로지 바이오엔지니어링(Biotechnology and Bioengineering)지에 게재 승인됐으며 스포트라이트 논문(Spotlight paper)으로 선정돼 2010년 1월호에 두 편의 연속 논문으로 게재될 예정이다.
두 논문의 제목은 ‘개량된 프로피오네이트 코엔자임 에이 트랜스퍼레이즈와 폴리하이드록시알카노에이트 중합효소를 이용한 폴리유산과 그의 공중합체의 생합성(Biosynthesis of Polylactic acid and its Copolymers Using Evolved Propionate CoA Transferase and PHA Synthase)’과 ‘폴리유산과 그의 공중합체의 생산을 위한 대장균의 대사공학(Metabolic Engineering of Escherichia coli for the Production of Polylactic Acid and its Copolymers)’이다. 19건의 특허가 전 세계 출원 중이다.
기존의 복잡한 2단계 공정을 통해 생산되던 폴리유산을 재생가능한 원료로부터 미생물의 직접 발효에 의해 생산이 가능하도록 한 혁신적인 본 연구 전략은 앞으로 석유 유래 플라스틱을 대체할 수 있는 다양한 비자연 고분자(unnatural polymer)들의 생산에 활용될 획기적인 기술로 평가되고 있다.
폴리유산 (Polylactic acid, PLA)은 많은 바이오매스 유래 고분자들 중에서도 생분해성, 생체적합성, 구조적 안정성, 그리고 낮은 독성과 같은 뛰어난 물성으로 인해 석유 유래 플라스틱의 대체물로서 대두되고 있다.
그러나, 폴리유산은 현재 두 단계 공정으로 합성된다. 우선, 미생물 발효를 통해 유산(락트산, Lactic acid)을 생산, 정제한 후 여러 가지 시약, 용매 및 촉매가 첨가되는 복잡한 공정의 화학적 중합반응에 의해 폴리유산이 합성된다.
또한, 폴리유산의 물성을 다양하게 개선하기 위해 폴리하이드록시알카노에이트 (Polyhydroxyalkanoate, PHA)와 같은 다른 고분자들과의 공중합이나 혼합반응 등의 연구가 이루어지고 있다.
이러한 노력에도 불구하고, 공중합 반응에 사용되는 락톤계 모노머들의 가용성과 비용을 고려했을 때, 기존의 화학적 합성 방법은 효과적이지 않다. 이에, 미생물 유래 고분자인 폴리하이드록시알카노에이트의 생합성 시스템을 기반으로, 폴리유산과 그의 공중합체들의 생합성이 가능할 수 있는 대사경로를 효소공학을 통해 구축했다.
그러나, 외래 대사경로의 도입 및 조작만으로는 폴리유산 단일 중합체와 유산의 함량이 높은 공중합체의 생산이 효율적이지 않아, 시스템 수준으로 세포 내 대사흐름을 증가시킬 필요성을 인지했다. 이에, 대장균 균주의 인실리코 게놈 수준의 시뮬레이션을 이용한 대사흐름분석 기법을 활용하여 고분자 생산을 위한 주요 전구체의 대사 흐름을 논리적으로 강화시킴으로써, 세포성장과 함께 목적 고분자의 효율적 생산이 가능하도록 했다.
따라서, 효소공학을 통한 고분자 합성 경로의 직접적 조작 및 강화 뿐 아니라, 시스템 대사공학을 통한 논리적 접근으로 조작된 대사흐름을 바탕으로 다양한 폴리유산 플라스틱을 보다 효율적으로 생산할 수 있었다.
이는 시스템 대사공학과 효소공학을 접목시킨 고기술 전략으로 비자연 고분자를 효율적으로 생산한 최초의 성공적인 예로서, 재생가능한 자원으로부터 폴리유산뿐 아니라 석유유래 플라스틱을 대체할 수 있는 다른 비자연 고분자들의 일단계 생산을 위한 기반 기술을 마련해줌으로써, 플라스틱 생산 공정에 있어 새로운 전략을 제시했다.
李 교수는 “자연계에 없는 고분자를 미생물로 생산하는 것이 과연 될까? 라는 의문을 갖고 시작했다. 우리 KAIST 연구실의 정유경박사와 LG화학 기술연구원 연구팀원 10여명이 4년간의 끈질긴 노력 끝에 성공했다”며, “이번 연구는 대장균의 가상세포 시뮬레이션을 통해 세포 내 대사흐름을 목적한 고분자 생산에 유리하도록 논리적으로 조작하고, 고분자 생합성 경로를 구성하는 외래 효소들을 새롭게 만들어 도입함으로써, 강화된 대사흐름을 이용해 보다 효율적으로 목적 고분자를 생산할 수 있는 균주를 개발하는데 성공한 세계 첫 번째 케이스다. 특히, 유산이 단량체로 함유된 공중합체의 경우에는 세계최초로 만든 것이 되어 물질특허들로 출원중이다”라고 밝혔다.
한편, 이 혁신적인 연구 성과는 22일 미국 CNN 홈페이지의 Top기사 등 해외언론의 주요기사로 소개됐다. 주요내용은 한국의 KAIST 이상엽 교수팀과 LG화학 연구팀이 전 세계적으로 석유고갈, 지구온난화 및 환경오염 문제로 재생가능한 자원을 이용한 바이오매스 기반 기술의 개발이 시급한 현 시대의 흐름에 부응하면서, 재생가능한 자원으로부터 효율적으로 바이오공학을 통한 플라스틱 (Bioengineered plastics) 폴리유산의 생산이 가능한 대장균 균주를 개발했다는 내용이다.
2009.11.24
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김봉수 교수 연구팀, 그래핀을 이용한 플렉서블 전계방출 디스플레이(FED)용 이미터 전극 개발
-『Advanced Materials』온라인판 11월 5일자 게재 -
우리대학 화학과 김봉수 교수 연구팀이 新소재 그래핀 위에 코발트 게르마늄 나노선을 성장시켜 ‘차세대 플렉서블 전계방출 디스플레이’용 이미터 전극을 개발했다. ‘차세대 플렉서블 전계방출 디스플레이(FED)"용 고효율 · 고내구성 이미터(Emitter) 전극 기술이 개발되어, 향후 초박형(超薄形) 두루마리 컴퓨터 · TV, 3차원 디스플레이 등 다양한 분야에 응용될 것으로 기대된다.
‘꿈의 디스플레이로’로 불리는 전계방출 디스플레이(Field Emission display, FED)는 LCD보다 얇게, 브라운관 화질보다 선명하게 화면을 구현할 수 있고, 전력소모가 LCD의 1/4, PDP의 1/6밖에 안 들며 내부에 수은 등 공해 물질이 전혀 없는 친환경 디스플레이다. 특히 휘도가 아주 높아서 차세대 3차원 디스플레이를 구현할 수 있다.
FED는 상하 기판 사이에 진공으로 채워진 구조로 되어있으며, 상판(양극판)에는 형광체가 도포되어 있고, 하판(음극판)에는 미세한 마이크론 크기의 전자발사체(Emitter) 들이 무수히 형성되어 있다.
우수한 FED를 만들기 위해서는 고효율․안정한 구조의 이미터가 무엇보다 중요한 데, 지금까지 이미터 재료로서 주로 연구되던 탄소나노튜브(CNT)는 깜빡거림 및 내구성 등의 문제점을 가지고 있었다.
김봉수 교수 연구팀은 새로운 이미터 재료로 최근 新소재로 각광받고 있는 그래핀과 단결정 코발트 게르마늄 합금을 활용하여, ‘플렉서블’하면서 ‘효율적인’ 전계 방출 디스플레이 개발의 새로운 전기(轉機)를 마련했다.
그래핀은 흑연에서 얇은 한 층을 떼어낸 것으로 투명하고 수 nm이하의 초박형 제작이 가능하며, 뛰어난 전기전도성과 열전도성을 지니고 있어 고성능 투명전극으로 적합하다. 금번 연구팀은 큰 종횡비를 가지고 화학적 및 열적 내구성이 매우 우수한 단결정 코발트 게르마늄 합금 나노선을 최초로 개발했고, 이를 다층 그래핀 위에 수직으로 성장시키는 데 성공했다. 이 구조는 탄소나노튜브(CNT)에 필적하는 뛰어난 전계방출 특성을 보이면서 보다 우수한 내구성을 가지는 것으로 나타났다.
김봉수 교수는 "투명하고 구부릴 수 있는 그래핀 전극 위에 코발트 게르마늄 합금 나노선을 결합시켜 개발된 고효율 전계 방출 이미터는, 초박형 두루마리 컴퓨터·TV 및 3차원 디스플레이 등의 다양한 응용이 가능하여 차세대 디스플레이 시장을 선도할 수 있는 핵심 원천기술이 될 것이다.“라고 밝혔다.
한편, 이번 연구결과는 신소재 분야의 세계적 학술지인 "어드밴스드 머티리얼즈 (Advanced Materials)"지 온라인판 11월 5일자에 게재되었고, 현재 국·내외 특허 출원 중이다.
2009.11.13
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온라인 전기자동차 개발에 민간기업 큰 관심
- 관련 기술개발에 16개 기업에서 적극적인 참여의사 밝혀
우리대학 온라인 전기자동차 사업이 민간기업의 큰 관심을 사고 있다. 온라인전기자동차 사업단(단장 조동호 교수)은 지난 9월 1일 국내 기업 20개 업체가 참여한 가운데 관련사업 컨소시엄 구성을 위한 사업설명회를 문지캠퍼스에서 가졌다.
그 결과로 16개 업체가 컨소시엄 참여의향서를 접수했다. 대표적 기업은 전장품 분야의 현대중공업과 LS산전, 전선분야의 LS전선, 버스분야의 대우버스(주), (주)한국화이바, 운행 및 운영분야의 KT 등이다.
민간기업의 적극적인 관심표명에 따라, KAIST는 온라인전기자동차 개발에 필요한 산학협력 체제를 구축하고, 관련기업의 기술 및 자본과의 적극적인 상호교류와 투자를 통해 국책사업인 온라인전기자동차의 원천기술개발이 탄력을 받게 됐다.
배터리 및 충전문제를 비롯한 전기자동차가 가지는 문제를 해결함과 동시에 대한민국의 융합신산업을 창출하고 세계 자동차 산업의 미래를 선도할 온라인전기자동차(OLEV)를 개발하고 있다.
미국에서는 부시행정부 시절의 수소관련연구에서, 오바마 행정부로 바뀌면서 전기차 분야와 배터리 연구로 과학기술 분야의 연구기조가 바뀌었다. 일본에서도 전기차 연구에 대대적으로 투자하고 있다.
이러한 국제적인 연구환경 속에서 대한민국의 온라인전기자동차 개발이 성공적으로 수행되어 본격적으로 상용화될 경우, 우리나라가 급집전 플랫폼/ 동력관리 플랫폼 분야에서 국제표준을 주도하고 미래 세계 자동차시장에서 선도적인 역할을 수행할 수 있을 것으로 기대된다.
온라인전기자동차(OLEV)는 정차 및 주행 중에 도로에 매설된 전력선으로부터 무선으로 전력을 전송받아 구동에너지로 사용하거나 배터리를 충전하는 신개념의 전기자동차로써 전기자동차의 상용화를 크게 앞당길 수 있는 기술이다.
온라인전기자동차(OLEV) 연구팀은 도로 표면과의 충분한 이격거리에서 실용화수준의 효율성 확보, 전자파 안전성 보장, 운행 중 좌우 위치 오차 극복 등 상용화에 필요한 핵심원천기술을 확보하여 국제적으로 가장 앞서고 있다는 평가를 받고 있다.
또한 정부와 지방자치단체의 지원으로 이미 2009년에 서울시와 제주도에서 온라인전기버스 시험사업을 진행할 예정이고 2010년에는 서울시의 특정버스 노선에 온라인 전기버스를 시범 투입하기로 결정하여 본격적인 온라인 전기버스의 대중교통 시대를 맞이하게 되었다.
2009.10.12
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유룡 교수, 나노판상 제올라이트 촉매 물질 합성 성공
화학과 유룡(54)교수가 특수한 계면활성제 분자와 실리카를 조립하는 새로운 방법으로 세계 최초로 2나노미터(nm) 극미세 두께의 나노판상형 제올라이트 촉매 물질을 합성하는데 성공했다.
이 연구결과는 세계 최고 권위의 과학저널인 ‘네이처(Nature)지’ 10일자에 게재됐으며, 이 논문은 세계 과학계에서 저자의 위상과 연구결과의 과학적 중요성을 인정받아 네이처 인터뷰 기사로 소개되는 영예를 얻었다.
이번에 합성된 제올라이트는 2nm두께의 판상으로, 제올라이트 물질에 대해 이론적으로 예상할 수 있는 최소 두께다. 또한 이렇게 얇은 두께임에도 불구하고, 이 물질은 섭씨 700도의 고온에서도 높은 안정성을 나타냈다.
연구를 주도한 유교수는 “이처럼 극미세 두께의 제올라이트 물질은 분자가 얇은 층을 뚫고 쉽게 확산할 수 있기 때문에 석유화학공정에서 중질유 성분처럼 부피가 큰 분자를 반응시키는 촉매로 사용될 수 있다. 특히 이 제올라이트 촉매는 메탄올을 가솔린으로 전환시키는 화학공정에서 기존의 제올라이트 촉매에 비해 수명이 5배 이상 길어, 촉매 교체 주기를 연장시킬 수 있기 때문에 경제효과가 매우 높다.”라고 연구의의를 설명했다.
이번 연구결과는 앞으로 대체에너지 자원개발과 녹색성장에 적합한 친환경 고성능 촉매 개발연구에 직접적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
유교수팀이 독창적으로 설계한 계면활성제 분자는 머리 부분에 제올라이트 마이크로 기공(micropore)유도체를 포함하여 제올라이트 골격의 형성을 유도하고, 꼬리 부분에 긴 알킬(alkyl) 그룹이 연결되어 제올라이트의 마이크로 기공보다 더 큰 메조 기공(mesopore)을 규칙적으로 배열할 수 있도록 했다.
이러한 독창적인 물질 설계는 제올라이트 합성 메커니즘에 대한 과학적 지식을 넓히는 획기적인 연구 결과로서, 향후 다양한 구조의 다른 물질을 합성하는 새로운 분야를 개척한 선구적인 성과라고 평가할 수 있다.
유교수는 2000, 2001년에 국내 최초로 2년 연속 ‘Nature’지에 메조다공성 실리카와 메조다공성 탄소에 대한 논문을 게재했고, 2003년과 2006년에 ‘Nature Materials"지에 고분자-탄소 복합물질과 메조다공성 제올라이트에 관한 논문을 게재한 후, 이번에 세 번째로 ’Nature"지에 책임저자(교신저자)로 논문을 게재하는 쾌거를 올렸다. 이것은 국내 과학자도 세계 과학을 선도하는 그룹의 반열에 올랐다는 것을 의미하며, 우리나라 과학의 우수성을 전 세계에 알리는 기회가 됐다.
이 연구는 교육과학기술부(장관 안병만)와 한국연구재단(이사장 박찬모)이 추진하는 ‘국가과학자지원사업’의 지원을 받아 이뤄졌다. 또한 교육과학기술부와 한국연구재단이 추진하는 ‘세계수준의 연구중심대학(WCU, World Class University)육성사업’과 나노기술육성사업(나노팹사업)에 따른 결실이다. 이번 연구에서 유 교수팀은 KAIST 부설 나노팹센터와 테라사키교수 연구팀의 협조로, 전자현미경을 통해 물질의 세부구조를 분석하였다. 특히 나노팹의 높은 기술력은 연구시간을 최대로 단축시켜 단시간에 훌륭한 연구 성과를 도출할 수 있도록 했다.
2007년 국가과학자로 임명된 유교수의 주도 하에, KAIST 최민기 박사, 나경수연구원(화학과 박사과정), 김정남연구원(화학과 박사과정)이 연구를 수행하고, 분해능이 높은 현미경 사진으로 구조를 확인하기 위해 스웨덴 스톡홀름대학교의 오사무 테라사키 교수와 야수히로 사카모토 박사가 추가로 참여했다. 테라사키 교수는 현재 스웨덴 스톡홀름대학교 석좌교수로, WCU사업의 지원을 받아 올해부터 KAIST EEWS(Energy, Environment, Water and Sustainability)학과에 겸임교수로 재직하고 있다.
이번 연구결과는 세계 수준의 연구중심대학과 세계적인 나노과학기술 육성을 위한 정부의 지원으로, 우리나라 과학기술의 수준을 한 단계 발전시킨 결과로서, 국내 기술력과 해외 우수 연구자들의 연구능력과 기술력을 통합한 국제공동연구의 모범사례로 평가된다.
2009.09.10
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KAIST-성균관대 연구팀, 인구와 시설분포 사이의 존재 법칙 규명
- 공공시설과 이윤추구시설의 차이를 복잡계 이론으로 설명
- 무분별한 공공시설 설치는 50% 이상의 사회적 비용을 초래- 세계적 권위지인‘미국 국립과학원회보(PNAS)’8월 25일자에 게재
예전에는 시골영감이 도시 나들이에서 거리의 수많은 인파와 하늘 높은 줄 모르고 뻗어 있는 빌딩 숲에 놀랐다고 한다. 하지만 요즘은 골목마다 있는 별다방(스타벅스 커피전문점의 별칭)에 또 한 번 놀라게 된다.
불과 몇 년 전만해도 스타벅스는 매일 세계 각지에 평균 4.5개의 점포를 새로 열었고, 편의점 체인업체인 세븐일레븐도 하루 6개의 점포를 열었다고 한다.
새로운 점포를 열 때에는 유동인구, 교통량, 주변 상권 등을 감안해 가장 최적화된 위치에, 적절한 수의 점포를 배치해야 수익을 극대화할 수 있으며, 이런 분석을 생략하고 마구잡이식 점포 확장에 나섰다면 곧 점포를 급히 처분하기 위해 공인중개사 사무소를 들락거려야 할 지 모른다.
최근 성균관대 김범준(金範埈, 43세) 교수와 KAIST 정하웅(鄭夏雄, 41세) 교수 연구팀은 복잡계(Complex Systems) 과학 방법론을 이용하여 인구분포와 시설분포의 관계를 이론적으로 밝혀내고, 미시적 경제 원리를 이용한 행위자 기반 모형 분석법을 이용하여 이를 입증했다.
이 연구결과는 지난 25일 세계 최고의 과학기술 분야 권위지 중 하나인 ‘미국 국립과학원회보(Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, 이하 PNAS)’에 발표됐다.
사람들이 많은 곳에 편의점이나 식당을 비롯하여 학교, 병원과 같은 시설이 몰리는 것은 당연하다. 하지만 연구팀의 KAIST 손승우 박사는 “종로 거리에 존재하는 커피전문점과 학교의 개수 차이가 그 시설이 수익을 쫓는 이윤추구시설인지, 아니면 공공시설인지에 따른 것은 아닐까 하는 의문에서 이번 연구를 시작하게 되었다”고 한다. 즉, 인구분포와 시설분포는 서로 밀접한 상관관계를 가지지만, 그 밀접함의 정도가 시설의 성격에 따라 다를 수 있다는 것이다.
연구팀이 미국 전역의 인구밀도와 각종 시설의 분포를 분석한 결과, 예상했던 것처럼 이윤추구시설은 인구가 많은 곳에 집중적으로 분포하는 것을 알 수 있었다. 하지만 공공시설은 인구가 적은 곳에도 골고루 분포하는 특성을 보였는데, 특히 경찰서나 소방서는 사람이 사는 곳이라면 언제 어디서건 공공 서비스를 제공할 만반의 태세를 갖추고 있었다고 한다.
연구팀의 고등과학원(KIAS) 엄재곤 박사는 “새로운 시설을 설치할 때 이윤추구시설은 ‘방문 고객수’를, 공공시설은 방문객들의 ‘이동 거리’를 중요한 요소로 삼을 것이라고 가정한 뒤 보다 세밀한 분석을 시작했다”고 한다.
연구팀은 최근 복잡계 과학 분야에 활발하게 응용되고 있는 ‘행위자 기반 분석 모형’을 이용하여 인구분포를 바탕으로 시설분포를 예측했는데, 실제 시설분포와 거의 일치하는 결과를 얻었다고 한다. 특히 시설분포와 인구분포의 관계를 축척 지수로 나타냈는데, 이 지수가 클수록 두 분포는 더욱 밀접한 상관관계를 가지게 된다. 연구팀이 계산한 이윤추구시설의 축척 지수는 1, 공공시설은 2/3이다. 축척 지수 1은 인구수가 2배가 될 때, 시설의 수가 2배가 되어야함을, 지수 2/3는 1.6배의 시설만이 필요하다는 점을 나타낸다.
축척 지수를 바탕으로 은행, 주차장, 시장, 보건소 등 다양한 시설들이 이윤추구시설인지, 혹은 공공시설인지 살펴본 결과, 흥미롭게도 공립학교는 공공시설이지만 사립학교는 이윤추구시설에 가까웠다. 또한 개인병원 역시 ‘방문 고객수’에 기반하여 이윤을 추구하고 있다는 사실도 밝혀냈다.
인구분포와 전혀 상관없는 시설의 경우 0의 축척 지수를 갖게 되는데, 다행스럽게도 우리나라 보건소의 경우 이 값이 0.09에 불과해, 보건소의 분포만으로 본다면 미국도 부러워 할 공공 의료 서비스 시설을 갖고 있다고 한다.
한편, "이동 거리‘를 중요하게 생각해야 하는 경찰서나 소방서와 같은 공공시설을 이윤추구시설처럼 분포시켜 측정해 본 결과, 이용자들이 평소보다 50% 이상의 거리를 더 가야 시설을 이용할 수 있었다. 연구팀은 공공시설을 정해진 원칙 없이 마구잡이식으로 배치했을 경우 50% 이상의 사회적 비용이 발생할 수 있다고 강조했다.
[자료그림] 미국 개인병원과 공립학교 밀도분포도: 실제 미국의 개인병원(A)과 공립학교(B)의 밀도분포를 나타낸다. 그림에서 (A)에서는 고도밀집지역이 확연히 드러나는 반면, (B)에서는 비교적 균일한 시설분포를 보이고 있다. 실제 미국 지도의 인구밀도분포를 바탕으로 2천여개의 이윤추구시설(C)과 공공시설(D)의 컴퓨터 시뮬레이션 결과 분포를 보여준다. 컴퓨터 시뮬레이션 결과에서도 공공시설의 분포가 이윤추구시설의 분포보다 균일함을 알 수 있다.
▶ 행위자 기반 모형: 상호작용하는 많은 행위자들로 이루어진 작은 가상세계이다. 여기서 크게 행위자, 행위자가 활동하고 상호작용 하는 시스템 공간, 시스템에 영향을 끼치는 외부환경 등의 세 가지 요소로 구성되며, 이들 요소를 설계하여 조립하는 방식으로 모형을 만든다. 이 때문에 행위자 기반 모형으로 복잡계를 탐구하는 방법을 생성적 접근법 또는 구성적 접근법이라고 한다.
2009.09.01
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이상엽 특훈교수팀, 대사공학기술로 바이오매스로부터 나일론 원료를 생산하는 녹색기술 개발
- 화석원료 기반의 화학산업에서 바이오 기반 녹색 화학산업으로 -
우리대학 생명화학공학과 이상엽 특훈교수(45, 생명과학기술대학 학장, 바이오융합연구소 공동소장, LG화학 석좌교수)팀이 대사공학 기술을 이용하여 대장균으로부터 나일론의 원료가 되는 다이아민(diamine)을 효율적으로 생산하는 시스템을 최근 개발했다.
이 연구결과는 미국 와일리-블랙웰(Wiley-Blackwell)사가 발간하는 가장 오랜 전통의 공학계열 생명공학 학술지인 바이오테크놀로지 바이오엔지니어링지(Biotechnology and Bioengineering) 27일자 온라인 판으로 소개됐다.
현재, 의약을 제외하고도 1,800조원 시장 규모의 화학 물질들은 주로 화석원료에 기반한 석유화학 공정으로 생산돼 왔다. 이 연구결과는 세계에서 처음으로 나일론 등의 원료로 쓰이는 1,4-다이아미노부탄 (1,4-diaminobutane), 일명 푸트레신 (putrescine)을 석유화학공정이 아닌 포도당이나 설탕과 같은 바이오매스 유래 원료로부터 대사공학으로 개량된 대장균을 이용하여 생산하는 기술을 제공하고 있다.
와일리(Wiley)사는 이 연구결과를 향후 석유화학 산업을 환경 친화적인 바이오기반 화학산업으로 바꾸는데 핵심이 되는 대사공학의 적용 예를 잘 보인 것으로 높이 평가하여 지난 27일 보도자료를 통해 언론에 소개하기도 했다.
李 교수는 “본 연구는 교육과학기술부의 시스템생물학 연구개발 사업의 결실 중에 하나로서, 다이아민을 바이오 기반 환경 친화적인 공정으로 생산할 수 있다는 것을 보여준 좋을 예라고 생각한다. 본 기술에 이용된 시스템대사공학 기법은 다른 화학물질의 바이오 기반 생산도 효율적으로 가능하게 할 것이다. 현재 특허 출원된 본 기술 관련하여 박사학위 주제로 잘 수행한 취안지강(Qian Zhi Gang) 박사와 시아샤시아(Xia Xiao Xia) 박사와 함께 다른 다이아민 생산 공정도 개발 중이다”고 밝혔다.
바이오테크놀로지 바이오엔지니어링지의 50주년 기념해를 맞이하여 투고한 본 논문은 학술지의 표지논문, 스포트라이트 논문, 그리고 편집장 우수 논문으로 동시에 선정되기도 했다.
KAIST 관계자는 “이 교수팀은 세계적인 대사공학 연구 전문그륩으로서 이 기술을 이용한 산업바이오텍 기술 개발에서 탁월한 연구 결과들을 내 놓고 있다. 우리나라에서 주도하고 있는 녹색성장의 핵심 전략으로 바이오 기반 화학산업을 발전시키는데 크게 기여할 수 있을 것으로 생각한다.”고 했다.
李 교수는 내년 6월 제주도에서 개최되는 세계 대사공학 학술회의의 의장으로 최근 추대됐으며, 지난 달 미국 듀퐁사, 델라웨어주립대학교, 마이크로소프트사, 스탠포드대학교, 캘리포니아 버클리 주립대학교, 시스템생물학연구소 등에서 시스템대사공학을 통한 산업바이오텍을 주제로 초청강연을 하는 등 대사공학 연구를 선도하고 있다.
2009.08.31
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이효철 교수팀, 물에 녹은단백질 모양 변화 실시간 관찰 성공
- 관련 논문, 9월 22일(일)자 네이처 메서드(Nature Methods)誌 게재- 단백질의 작동메커니즘 규명에 중요한 도구 역할 및 신약개발에도 큰 도움 줄 것으로 기대
KAIST(총장 서남표) 화학과 이효철(李效澈, 36) 교수팀이 ‘물에서 변하는 단백질 분자구조를 실시간으로 규명’ 하는데 성공했다. 관련 논문은 네이처 자매지인 네이처 메서드(Nature Methods)誌 9월 22일자 온라인 판에 게재됐고 10월호에 출판될 예정이다.
논문의 제목은 “시간분해 엑스선 산란을 이용한 용액상의 단백질의 구조동역학 추적(Tracking the structural dynamics of proteins in solution using time-resolved wide-angle X-ray scattering)”으로 온라인에 게재되는 논문들 중에서도 특히 주목받는 하이라이트 논문으로 소개될 예정이다. 李 교수는 이 논문의 교신저자다.
이번 연구결과는 李 교수팀의 집념의 산물이라 할 수 있다. 李 교수팀은 지난 2005년 5월, 소금처럼 딱딱하게 고체상으로 굳어 있는 상태에서의 단백질의 안정적인 구조만을 볼 수 있는 기존의 방법을 시간분해 엑스선 결정법으로 발전시켜, 정지되어 있는 단백질의 구조뿐 만 아니라 움직이는 단백질의 동영상을 촬영하는데 성공했다. 관련 논문은 미국 국립과학원회보(PNAS, Proceedings of National Academy of Science)에 발표되었으며, 학계의 큰 주목을 받았다.
그러나 이 방법으로도 해결할 수 없는 치명적인 문제는 우리 몸에서 작용하는 일반적인 단백질은 고체상으로 있지 않고 물에 녹아있는 용액상태라는 점이다. 마치 고체 소금이 물에 녹아 소금물이 되는 것과 같은 원리다. 물은 인간의 몸의 약 70% 이상을 차지하고 있고 생명 유지에 필수적인 단백질들은 물에 녹아 있는 상태로 존재한다고 볼 수 있다. 따라서 단백질이 어떻게 기능을 발휘하는 지를 실시간으로 관측하기 위해서는 물에 녹아 있는 단백질 분자의 모양 변화를 실시간으로 추적할 수 있는 기술이 필요하다.
이러한 목표를 향한 첫 열매로 물에 녹아 있는 간단한 유기분자의 구조변화를 실시간 측정하는 데 성공하였으며, 관련 연구논문이 2005년 7월 사이언스(Science)誌에 발표된 바 있다. 당시 이 연구결과는 용액상에서 분자의 움직임을 실시간 추적할 수 있다는 점 때문에 많은 관심을 불러 일으켰는데, 李 교수는 그 기술을 더욱 발전시키면 단백질에도 응용 가능할 것으로 전망했다. 그러나 일반적으로 단백질은 그 당시 성공한 유기분자보다 적어도 1,000배 정도 크고 구조가 훨씬 더 복잡할 뿐 아니라 훨씬 적은 양으로 존재하기 때문에 물에 녹아 있는 단백질에서도 성공할 수 있다는 것에는 많은 과학자들이 회의적으로 생각했다.
이번 네이처 메서드誌에 발표한 연구결과는 그러한 부정적인 생각을 깨고 기존에 성공한 유기분자보다 ‘1,000배 더 큰 단백질 분자가 물에 녹아 있을 때에 이들의 3차원 구조변화를 실시간으로 관측하는데 성공’한 획기적인 연구성과다. 논문에서는 3가지 종류의 단백질에 대한 연구결과를 발표했는데, 우리 몸에서 산소를 이동하는데 중요한 헤모글로빈 단백질과, 근육에서의 산소공급에 관여하는 미오글로빈 단백질 등이다. 이 외에도 단백질은 주로 접혀있어 특정한 구조를 형성하는데 환경이 바뀌면 이 구조가 풀리게 된다. 풀려 있는 단백질은 일반적으로 제 역할을 할 수 없어 이러한 단백질의 접힘-풀림 현상을 이해하는 것은 매우 중요한데 씨토크롬씨라는 단백질이 풀린 상태에서 접히는 과정도 실시간으로 추적하는데 성공하였다.
이 새로운 기술을 사용하면 물에서 움직이는 단백질의 동영상을 촬영할 수도 있어 단백질의 작동메커니즘을 밝히는 데에 중요한 도구가 될 것이며, 앞으로 신약개발을 하는 데에도 큰 도움을 줄 것으로 기대된다. 또한 이 기술은 단백질은 물론이고 나노물질에도 응용이 가능하므로 BT뿐만 아니라 NT분야에도 기여할 수 있을 것으로 전망된다.
이 연구는 교육과학기술부의 창의적연구진흥사업의 연구비 지원으로 진행되었다. 연구결과는 유럽연합방사광가속기센터에서 측정되었으며, 李 교수의 주도하에 이뤄진 국제적인 공동연구의 성과다.
李 교수는 “현재 포항에 있는 제3세대 가속기에 이어 한국에서도 차세대 광원으로 건설이 논의되고 있는 제4세대 방사광가속기(XFEL)가 성공적으로 가동되면, 현재 발표된 데이터보다 적어도 1,000배정도 더 좋은 데이터를 얻을 수 있을 것으로 예상된다.”고 밝혔다.
<이효철 교수 프로필>
■ 학 력
1990 경남과학고 2년 수료, KAIST 화학과 학사과정 입학
1994 KAIST 화학과 학사과정 졸업
1994 Caltech(California Institute of Technology) 박사과정 입학
2001 Caltech 졸업(박사)
2001 시카고 대학 박사 후 연구원(Post Doc.)
2003.8.1-2007.2.28 KAIST 화학과 조교수 2007.3.1-현재 KAIST 화학과 부교수
■ 수상경력
2006 젊은 과학자상(과학기술부/한국과학기술한림원)
2006 과학기술우수논문상(한국과학기술단체총연합회)
2006 KAIST 학술상 2001-2003 美國 대먼 러년 암재단(Damon Runyon Cancer Research Foundation)펠로우쉽
(설명) 시간분해 엑스선 산란의 개념을 예술적으로 표현한 그림
2008.09.22
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