3월의 IBS 연구성과

1. 전기차 사용 앞당길 대형 에너지 저장 기술 개발

이영희 단장이 이끄는 IBS 나노구조물리연구단이 이온전지와 비슷한 에너지밀도를 유지하면서 고출력을 낼 수 있는 슈퍼커패시터가 개발했다. 슈퍼커패시터는 축전용량이 대단히 큰 에너지 저장장치로 울트라 커패시터(Ultra Capacitor) 또는 초고용량 커패시터라고도 부른다. 이로써 기존 전기자동차의 배터리(2차 전지)를 대체할 수 있는 전기 저장장치 상용화에 한발 더 가까워졌다.

연구단은 3차원 탄소나노튜브와 그래핀으로 이뤄진 독특한 빌딩모양의 슈퍼커패시터를 만들었다. 탄소나노튜브를 그래핀 사이에 수직으로 자기 배열하여 이온이 출입하도록 기공을 만들고, 최대한 넓은 표면이 이온을 흡착시키도록 3차원 구조를 설계했다. 수용액 속에서 CTAB(양이온계면활성제, Cetyl trimethy lammonium bromide)라는 고분자를 탄소나노튜브에 흡착시키면 탄소나노튜브 표면이 플러스(+) 전기를 띠게 된다. 여기에 마이너스(-) 전기를 띠고 있는 산화흑연을 넣으면 자기조립에 의해 섞이게 되고 이때 탄소나노튜브는 흑연판 사이에 수직으로 정렬하여 3차원 탄소나노튜브/그래핀 빌딩구조를 만들게 된다.

이 결과 부피당 최대 출력밀도와 최대 에너지밀도 값을 얻었고 무게당 최대 출력밀도와 최대 에너지 밀도를 얻었다. 이는 리튬이온전지 에너지밀도에 버금가는 값으로 이제까지 보고된 어떤 값보다 크다.

이영희 단장은 “슈퍼커패시터를 직접 전기자동차에 사용할 수 있는 계기를 마련해준 연구”라며 “다만 슈퍼커패시터 전극의 두께를 지금보다 굵게 만들어야 장시간 사용할 수 있기 때문에 관련 기업과 함께 성능을 떨어뜨리지 않으면서, 전극을 두껍게 하는 기술 개발을 협의 중”이라고 말했다.

이번 연구결과는 미국화학회가 발간하는 나노과학 분야 국제학술지 에이씨에스 나노(ACS NANO)에 2월 6일 온라인 게재되었다.

2. 환경변화에 따라 스스로 적응하는 스마트 고분자 개발

IBS 복잡계 자기조립 연구단 김기문 단장 연구팀이 에너지 문제와 환경 문제를 동시에 해결할 수 있는 연료전지 기술을 한 단계 더 진보시키는데 성공했다.

연구팀이 개발한 고분자 시스템은 티올(thiol) 분자가 도입된 쿠커비투[6]릴(CB[6])을 이용하여 환경에 따라 스스로 변화하여 안정된 구조체를 만들고, 스스로 재조립할 수 있다는 게 특징이다.

티올 분자가 도입된 쿠커비투[6]릴에 서로 다른 용매를 적용하여 각각 마이크로필름과 나노 캡슐의 고분자 구조체를 합성했다. 또한 용매에 따라 두 가지 구조체(마이크로필름, 나노 캡슐)가 서로 변환할 수 있다. 티올-쿠커비투[6]릴에 디클로로메탄을 용매로 적용하여 마이크로필름을 합성하였고, 반면 메탄올을 용매로 사용하여 나노캡슐을 합성했다.

특히, 이렇게 합성된 구조체도 용매를 바꾸어 주면 상호 변환이 가능하다는 사실을 밝혀 주목을 받았다. 즉, 마이크로필름에 메탄올을 용매로 적용하면 나노캡슐로 전환되고, 나노캡슐에 디클로로메탄을 용매로 적용하면 마이크로필름으로 변화했다.

이번 연구는 공유결합을 이용하여 분자 수준에서의 동적 변화를 고분자 구조체로 발전시켜 관찰하고, 구조 및 생성 원리를 밝힌 첫 사례로써 의미를 가진다. 연구진은 이번 성과를 기반으로 보다 크고 복잡한 인공의 고분자 구조체를 연구함으로써 산업 재료 및 전자 공학, 환경, 의약등 폭넓은 분야에 대한 응용 가능성을 제시할 것으로 기대하고 있다.

김기문 단장은 “스스로 재조립할 수 있는 스마트 고분자를 개발함으로써 산업재료, 환경, 나노의학 분야에 새로운 응용 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 있다”고 말했다.

이 연구 성과는 화학분야 권위지 안게반테 케미 온라인에 1월 21일 게재됐다.

3. 싹둑싹둑 ‘유전자 가위’ 맘놓고 쓸 수 있게 됐다

인간 DNA 속 염기서열 중 특정 부위만 잘라내는 ‘유전자 가위’의 안전성이 국내 연구진에 의해 처음으로 입증돼 세포치료제 연구, 돌연변이 교정 등에 적극 활용될 수 있는 길이 열렸다.

김진수 IBS 유전체교정연구단장은 서울대 의대, 생명공학 기업 툴젠과 공동연구를 통해 유전체 교정도구 중 하나인 ‘크리스퍼(CRISPR) 유전자 가위’가 인간 세포 내에서 정확히 표적 유전자만 잘라낼 수 있다는 사실을 입증하고 ‘네이처 메소드’ 10일자에 발표했다.

크리스퍼 유전자 가위는 날붙이와 손잡이로 된 진짜 가위가 아니라 단백질과 RNA로 구성된 제한효소로 DNA 속 특정 염기서열을 찾아내 잘라낼 수 있다.

하지만 이전까지는 이 유전자 가위가 원하는 유전자만 정확히 제거할 수 있는지 확인할 방법이 없어 안전성에 대한 문제가 계속 제기돼 왔다. 만약 유전자 가위가 표적으로 하는 염기서열 외에도 다른 유사한 염기서열을 잘라낸다면 예기치 않은 돌연변이를 일으킬 위험성이 있기 때문이다.

연구팀은 인간 DNA를 유전자 가위로 잘래낸 뒤 ‘유전체 시퀀싱’이라는 유전공학 기법을 통해 유전자 가위가 정확하게 표적 염기서열을 잘라냈는지 확인할 수 있는 방법을 개발했다.

또 유전자 가위를 구성하는 RNA에 ‘구아닌(Guanine)’ 염기를 추가해 인간 유전체에서 단 한 군데에만 작용하는 정교한 유전자 가위를 만드는 데도 성공했다.

김 단장은 “크리스퍼 유전자 가위의 안전성을 확인할 수 있어 앞으로 유전자 치료제, 세포치료제 개발에 큰 진전이 있을 것”이라고 말했다.

네이처 메소드는 올해 1월 이 기술을 ‘2015년 기대되는 중요실험기법’ 8개 중 하나로 소개한 바 있다.

4. 핫 전자 발생 전류 최초 검출

빛이나 열, 소리 등의 에너지가 금속 표면에 전달되면 높은 운동에너지를 가진 전자인 ‘핫 전자’가 발생한다.

이렇게 생겨난 핫 전자 때문에 금속 표면에는 미량의 전류가 발생하지만 핫 전자가 수 펨토초(1펨토초는 1000조 분의 1초)만에 흩어져 사라져버리기 때문에 핫 전자에 의한 전류를 검출하는 일은 매우 까다로웠다.

IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 박정영 그룹리더(KAIST EEWS대학원 교수) 연구팀은 자체 개발한 촉매 나노다이오드를 이용해 세계 최초로 나노촉매 반응시 발생하는 핫 전자에 의한 전류를 측정하는 데 성공했다고 15일 밝혔다.

먼저 연구팀은 얇은 금속박막과 반도체로 이뤄진 나노다이오드 표면에 촉매 역할을 하는 백금 나노입자를 단일층으로 쌓은 ‘촉매 나노다이오드’를 만들었다.

그 다음 백금을 촉매로 한 수소 산화반응을 일으키고, 이 때 발생하는 열에너지에 의해 생겨난 핫 전자의 흐름을 다이오드를 통해 검출하는 데 성공했다. 이 과정에서 다이오드는 핫 전자를 붙잡는 역할을 했다. 전류를 한쪽 방향으로만 흐르게 하는 다이오드의 성질을 이용해 핫 전자가 흩어져 사라지는 대신 다이오드를 따라 일방통행으로 움직이게 하고, 이 때 발생하는 전류를 측정한 것이다.

이를 이용해 연구팀은 촉매 나노입자의 크기가 1.7nm(나노미터)면 4.2nm일 때보다 촉매 활성도가 50% 증가하고 화학전류 생성 효율도 5배 높아진다는 사실을 새롭게 확인했다.

연구결과는 화학분야 권위 학술지 ‘앙케반테 케미’ 4일자에 실렸다. 또 논문의 혁신성을 인정 받아 '핫 페이퍼'로 선정돼 2월 28일자 저널 속표지를 장식했다.