KRICT 한국화학연구원

 - 기존 탄소나노튜브 폼 대비 열전 성능 지수(zT) 5.7배 향상, 21.8K 온도 차이 있으면 센서용 전력 생산 가능
 - 10,000회 이상 반복 굽힘 시험에서도 안정적인 성능 유지해 웨어러블 센서로 활용성 높음
 - 자가 전원 센서 등 소형 장치 외에도, 배터리 열 제어·데이터센터 냉각 등 다양한 분야 활용 기대

□ 국내 연구진이 온도 차이로 전기를 생산하는 열전 발전기 제작 시, 탄소나노튜브(CNT) 소재를 스펀지처럼 만들어 기존의 단점은 개선하고 장점은 강화한 기술을 개발했다. 자유롭게 형태 변형이 가능해 움직임이 많은 웨어러블 기기 센서의 소규모 전력 공급 용도로 활용이 기대된다.

  ㅇ 한국화학연구원(원장 이영국) 한미정, 강영훈 박사팀은 탄소나노튜브, 비스무스–안티몬–텔루라이드(BiSbTe)를 다공성 폼 형태로 결합해 열전 성능을 극대화한 유연 열전 발전기를 개발했다고 발표했다.

□ 연구팀은 2019년부터 탄소나노튜브 기반 열전소재를 꾸준히 연구 중으로, 이번 연구는 그 연장선으로 2025년 1월에 발표된 결과이다.

< Carbon Energy 2025년 1월 후면 표지 논문 이미지 >

  ㅇ 일반적으로 열전소재는 금속 기반의 무기물로 제작되지만, 연구팀은 유기물인 탄소나노튜브를 활용하여 열전소재를 개발해왔다. 금속 기반 열전소재는 성능이 높은 반면 유연성이 높지 않다. 반대로 기존 탄소나노튜브 열전소재는 흐물흐물한 특성으로 인해 형태 변형은 쉬우나, 열전 성능이 낮고 기계적 내구성이 부족하다는 한계가 있었다.

□ 연구팀은 유연한 특성은 유지하되, 낮은 성능 한계를 극복하기 위해 탄소나노튜브를 부피감 있는 구조로 제작하는 독자적 기술을 개발했다.

  ㅇ 일반적인 기존 유기 열전 소재는 액체를 얇게 굳힌 필름 형태로 만든다. 연구팀은 기존과 달리 다양한 모양의 틀에 재료 분말을 채우고 열을 가하면 몇 시간 뒤 스펀지처럼 굳어지는 방식을 사용했다. 동시에 열전 소재 물질을 내부 구멍에 균일하게 분포시키는 기술을 적용했다.

< 상온 급속 용매 증발 공정에 의해 제작된 CNT-BST 폼 열전소재 >

  ㅇ 이를 통해 소재의 형태를 고정하자, 필름 형태에 비해 기계적 내구성을 높임과 동시에 열전 성능도 극대화할 수 있었다. 불규칙한 구멍의 뼈대는 오리털처럼 열의 이동을 가로막아주고, 열 이동이 느려지면 뜨겁고 차가운 부위별 온도 차이가 유지되어 발전이 잘 되기 때문이다. 

  ㅇ 실험 결과, CNT/BiSbTe 폼의 열전 성능 지수(zT)는 기존 CNT 폼보다 5.7배 향상된 7.8 × 10？³을 기록했다. 그리고 이번에 개발한 열전 발전기를 유리관에 붙인 후 온수와 냉수를 번갈아 넣는 실험도 했는데, 온도 차이가 21.8도(K, 켈빈) 날 때 15.7마이크로와트(µW)의 전력을 생산하며, 저전력 온도 센서를 작동시킬 수 있음을 보여줬다.

< CNTBST 폼에 의해 제작된 CNT-BST 폼 열전발전기 >

< CNT-BST 폼 열전 발전모듈의 발전출력 성능 >

  ㅇ 또한 10,000회 이상의 반복 굽힘 테스트에서도 성능 저하가 거의 없는 내구성을 확인했다. 특히 이번 제조 공정은 기존 탄소나노튜브 제작 방식이 3일 이상 소요되는 것과 비교해 단 4시간만에 고성능 열전소재를 제작할 수 있어 높은 생산성을 갖춘 것이 특징이다.

< BST 함량 제어에 의한 CNT-BST 폼 열전소재의 기계적 물성 평가 >

□ 연구팀은 향후 이 소재의 열전 성능을 더욱 개선하기 위해 도핑 공정을 활용한 연구를 진행할 계획이다. 이를 통해 2030년경에는 상용화가 가능할 것으로 예상된다. 앞으로 탄소나노튜브 내부에 다양한 열 제어 소재를 추가하여, 배터리의 발열 문제 해결, 인공지능 데이터센터 냉각 시스템, 겨울철 온도 유지 장치 등 새로운 응용 분야로 확대할 계획이다.

  ㅇ 연구진은 “이번 연구는 기존 열전 발전 소재의 한계를 극복하고 유연한 에너지 하베스팅 기술을 발전시키는 중요한 성과”라고 말했고, 화학연 이영국 원장은 “이번 연구는 웨어러블 기기, IoT 센서 등 다양한 분야에서 활용될 수 있는 중요한 기술로, 향후 에너지 자립형 전자기기 개발에 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다.

 < 연구진이 개발한 탄소나노튜브 기반 열전 소재, 다양한 모양의 열전 소재 제작, 유리관에 부착된 열전 발전기 >

  ㅇ 이번 논문은 2025년 1월 국제 학술지 ‘탄소 에너지(Carbon Energy(IF: 19.5))’에 후면 표지 논문으로 게재되었다. 화학연 강영훈 박사와 한미정 박사가 교신저자로, 정명훈 박사후연구원과 배은진 연구원이 1저자로 참여했다. 이번 연구는 한국화학연구원 기본사업 및 과학기술정보통신부 한국연구재단 창의소재발견사업의 지원을 받아 수행됐다.

 - 동물·인공 생체 조직 등 다양한 실험 모델(제브라피쉬, 마우스, 뇌오가노이드, 조직칩) 활용 종간 교차 연구 및 대사체 분석 통해 방향제 성분 시트로넬롤 고농도 노출 시 신경독성 가능성 규명
 - 현재의 화장품, 생활용품 내 향료 사용 기준 보완 필요성에 대해서는 다루지 못해 추가 연구 필요

□ 화장품·세제 등 생활용품에 은은한 꽃 향기를 첨가할 때 ‘시트로넬롤’ 성분이 사용된다. 미국 식품의약국(FDA)은 이 성분을 일반적으로 안전한 물질로 분류하고 있다. 그런데 이 성분에 과하게 노출 시, 뇌에 신경 독성 영향을 끼칠 수 있음을 국내 연구진이 최초로 규명했다.

  ㅇ 한국화학연구원(원장 이영국) 배명애 박사 연구팀, 고려대학교(총장 김동원) 박해철·김수현 교수 공동 연구팀은 다양한 실험 모델 종간 교차 연구와 신경계 대사체 동시 분석을 통해, 시트로넬롤 고농도 노출 시 신경·행동학적 장애 및 독성 현상을 세계 최초로 규명하였다.

< 종간 교차 연구를 통한 시트로넬롤의 종합적인 신경독성 기전 모식도 >

□ 시트로넬롤은 장미, 제라늄, 시트로넬라와 같은 식물에서 추출되는 천연 향료 성분이다. 그동안 시트로넬롤은 향기와 심리적 안정감을 주는 비교적 안전한 성분으로 여겨졌다. 다만 고농도 노출 상황에서는 신경계에 부정적인 영향을 끼칠 수도 있음이 이번 연구로 드러났다.

□ 이번 연구는 신뢰성을 높이기 위해 하나의 실험 모델이 아닌 다양한 모델로 비교했다는 특징이 있다. 2가지 동물과 2가지 인공생체 조직을 활용하여 총 4가지의 모델로 검증한 것이다. 또한 특정한 신경전달 물질의 생체 내 변화를 확인하는 대사체 분석 기술도 활용했다.

< 향료 제품에 쓰이는 ‘시트로넬롤’의 신경독성 현상을 다양한 실험모델과 신경전달물질 대사 분석을 통해 규명한 모식도(세부사항 그림 6-① ~ 6-⑤) 참조) >

  ㅇ 연구팀은 우선 실험용 물고기(제브라피쉬)와 쥐(마우스)를 이용해 향기 성분이 생체 내로 흡수된 후 혈액-뇌 장벽을 통과하여 뇌로 전달되는지 여부 및 그로 인한 뇌 세포의 손상 여부를 관찰했다.

  ㅇ 실험 결과 시트로넬롤이 혈액-뇌 장벽을 통과 후 뇌에 도달하며 활성산소종 생성, 염증 신호 증가를 보였다. 두 현상 모두 과도할 경우 신경·행동계 기능이 저하될 수 있는 요인이다. 면역 세포 활성화로 인한 신경염증 유발과 혈액-뇌 장벽 손상도 관찰되었다.

< [그림 6-①] 다양한 생체 모델에서 혈-뇌 장벽 (BBB)을 투과하는 시트로넬롤 >

< [그림 6-②] ‘시트로넬롤’에 노출에 신경계 손상 관찰 >

< [그림 6-③] 시트로넬롤’에 노출에 의한 혈액-뇌 장벽 손상 관찰 >

  ㅇ 또한 키뉴레닌이라는 신경계 대사체의 변화도 보였다. 키뉴레닌은 2가지 물질로 변할 수 있는데, 키뉴레닌산의 경우 뇌를 보호하고, 3-하이드록시 키뉴레닌(3-HK)으로 바뀌면 신경세포를 손상시킨다. 그런데 시트로넬롤은 키뉴레닌의 변화 방향을 신경독성 분자인 3-하이드록시 키뉴레닌(3-HK) 쪽으로 유도하는 것이 확인되었다. 

< 김성순 박사(1저자)가 향료 성분에 노출된 제브라피쉬들의 뇌 조직을 추출해 신경전달물질의 변화를 측정하는 장비에 넣고있다 >

< [그림 6-⑤] 신경화학물질 동시분석을 통한 신경계 변화 확인 >

  ㅇ 특히, 행동 분석에 흔히 사용되는 제브라피쉬 모델에서 시트로넬롤 노출 증가(2, 4, 8 mg/L)에 따라 불안 반응은 커지고, 평소처럼 빛을 향해 움직이는 정상 반응은 줄어드는 이상 행동이 관찰되었다.

< 김성순 박사(1저자)가 향료 성분에 노출된 제브라피쉬들의 행동을 자동 기록하는 장비로 모니터링하고 있다 >

< [그림 6-④] 시트로넬롤 노출에 의한 행동학적 장애 관찰 >

  ㅇ 동물 실험 외에도 사람 유래 세포 기반의 뇌 오가노이드와 혈-뇌 장벽 생체 조직칩을 활용해, 동물 실험 모델에서 보여준 독성 기전이 사람에게도 유사하게 나타날 수 있다는 가능성을 확인하였다.

< 인간의 혈-뇌 장벽과 뇌 조직을 모방한 '생체 조직칩'에 향료 성분을 투입하여 혈-뇌 장벽 통과 여부를 실험하는 모습 >

  ㅇ 현재 우리나라 식품의약품안전처는 화장품 알레르기 유발성분 표시 규정에서 시트로넬롤을 알레르기 유발 가능 물질로 지정하고 있다. EU처럼 일정 농도 이상 함유되면 제품에 표시 중인데, 사용 후 씻어내는 클렌징 같은 제품에서는 0.01% 이상, 로션처럼 사용 후 씻어내지 않는 제품은 0.001% 이상 함유 시 표시하도록 규제 중이다.

  ㅇ 이번 연구에서는 시트로넬롤과 같은 향료가 알레르기 반응 외에, 과도하게 노출될 경우 신경계에 부정적인 영향도 줄 수 있음을 보여줬다. 다만 향료 제품의 적정 기준이나 현재 사용 기준의 개선 필요 여부에 대해서는 다루지 않아 별도의 연구가 필요하다.

□ 연구팀은 “시험동물 대체제로 주목 받고 있는 제브라피쉬, 사람 유래 생체 모델을 활용한 차세대 생체모사 기술의 대표 성공 사례”라고 말했고, 화학연 이영국 원장은 “향후 후속 연구를 통해 생체 모사 플랫폼 기반의 인체 위해성 평가에 활용하여 국민 건강 보호에 기여할 것”이라고 말했다.

  ㅇ 이번 논문은 2025년 3월 환경분야의 저명 국제 학술지 ‘유해물질 (Journal of Hazardous Materials, IF:12.2)’에 게재됐다. 화학연 배명애 박사, 고려대 박해철·김수현 교수가 교신저자로, 화학연 김성순 연구원이 1저자로 참여했다. 이번 연구는 화학연 기본연구, 환경부 생활화학 제품 안전관리 기술개발의 지원을 받아 수행됐다.

 - 폐암 등 고형암에선 효과 낮은 CAR-T 항암제 보완 위해, 종양 침투 능력 강한 대식세포 활용 기술 개선
 - 렌티바이러스를 전달책으로 삼아 대식세포의 항암 유전자를 안정적으로 발현한 결과 첫 논문 발표
 - 향후 보완연구 거쳐 고형암 치료에 효과적인 기술 개발 기대

□ 국내 연구진이 기존 CAR-T (카-티) 항암제를 보완할 수 있는 새로운 항암 기술의 실마리를 제시했다.

  ㅇ 한국화학연구원(원장 이영국) 박지훈 박사팀은 인간 말초 혈액 유래의 대식세포(Macrophages)를 대상으로, 렌티바이러스를 이용해 항암 유전자를 안정적으로 삽입시켜 ‘CAR-M(카-엠, 카-대식세포)’ 생산에 성공했다. 향후 혈액암 외에 고형암 치료에도 적용될 것으로 기대된다.

<최지우 석사후연구원(1저자)이 혈액 성분을 대식세포로 배양하기 위해 피펫 도구를 이용해 여러 개의 웰(well, 작은 용기)에 옮기고 있다>

□ ‘키메라 항원 수용체(CAR) T 세포 치료법’은 환자의 면역 세포인 T세포를 신체 밖으로 추출하여, 특정 암세포를 공격하도록 유전자를 변형한 후 환자에게 주입하는 기술이다. 일부 백혈병 등 혈액암 치료에는 매우 효과적이지만 폐암 등 고형암 치료에는 한계가 있다.

  ㅇ 한편 대식세포도 면역 세포의 일종이다. T세포는 고형암 내부 침투가 어렵지만 대식세포는 쉽게 침투할 수 있어, T세포 대신 항암제로 적용하려는 연구가 활발하다. 다만 기존 대식세포 활용 기술은 항암 유전자 변형이 짧은 기간만 이뤄져 치료 효과가 낮은 한계가 있었다.

□ 연구팀은 ‘렌티바이러스’를 유전자 전달책으로 삼아, 대식세포의 손상 없이 항암 유전자를 효과적으로 전달하는 다양한 기술을 개발했다.

< CAR-M 항암제 제작 방법 및 개선점 >

  ㅇ 일반적으로 어떤 유전자를 렌티바이러스에 심어 다른 세포로 전달할 때, 세포막을 얇게 만드는 양이온성 중합체 ‘폴리브렌’을 투입하고 강하게 섞어 렌티바이러스의 세포 침투 및 유전자 전달을 높인다. 그런데 문제는 대식세포가 폴리브렌과 만나면 심각한 독성이 생기며 강한 회전 과정에서 구조가 손상되거나 생존율이 떨어지는 것이다.

  ㅇ 연구팀은 폴리브렌 투입이나 강한 회전 처리 대신, 렌티바이러스와 대식세포의 접촉을 당초 1시간 30분에서 16시간으로 늘렸다. 그 결과 대식세포의 손상없이 렌티바이러스의 전파가 당초보다 잘 일어났다.

  ㅇ 이와 함께 대식세포의 분화상태에 따라 유전자 전달효율이 변동됨을 확인하였다. 이를 감안하여 말초혈액에서 얻은 단핵구가 대식세포로 분화되는 동안 7일을 기다려, 암세포 추적 유전자 전달률을 높였다.

  ㅇ 또한 렌티바이러스가 어떤 세포로 들어갈 때 표면에서 열쇠 역할을 하는 ‘VSV-G 단백질’의 코돈을 최적화해 유전자 전달력을 더 높였다. 쉽게 말해 기존의 열쇠보다 다양한 문을 열 수 있는 마스터 열쇠를 만들고, 표면에 많이 자라도록 VSV-G 생성 명령어를 바꾼 것이다.

  ㅇ 마지막으로 렌티바이러스에 담겨 전달된 항암 유전자가 대식세포에서 잘 발현되도록 DNA 서열 ‘EF1a’를 찾아 적용시켰다. 그 결과 대식세포의 손상없이 유전자 전달 후 최대 20일 동안 안정적으로 항암 기능을 갖춘 ‘CAR 대식세포’ 생산이 유지되었다.

  ㅇ CAR 대식세포는 효과적으로 특정 암세포를 없애는 모습을 보여줬다. 급성 림프구성 백혈병과 B 세포 림프종의 대표적 세포주인 Nalm6와 Raji 암세포를 대상으로 붉은색 형광 단백질을 발현시킨 후, 전자 현미경으로 5일 뒤 확인했을 때 붉은색 부분이 현저히 줄어들었다. 즉 CAR 대식세포가 대부분의 암세포를 삼켜 파괴한 것이다.

< CAR-M 대식세포 활용 유전자 모식도 및 암세포 사멸-삼킴 효능 평가 결과 >

□ 연구팀은 후속 연구를 통해 CAR 대식세포의 대량생산 및 고효율 치료 적용 기술을 개발할 계획이다. 

  ㅇ 연구진은 “말초 혈액으로부터 얻은 대식세포의 낮은 항암 유전자 발현 문제를 렌티바이러스를 이용해 개선한 최초 사례라는 점에서  의미가 있다.”고 밝혔고, 화학연 이영국 원장은 “기존 CAR T 세포 치료법을 보완하여 면역항암 치료 다각화에 기여할 것”이라고 말했다.

  ㅇ 이번 논문은 2025년 1월 국제 학술지 ‘생체 신호 연구(Biomarker Research(IF: 9.5))’에 게재되었다. 화학연 박지훈 박사가 교신저자로, 최지우 석사후연구원이 1저자로 참여했다. 이 연구는 화학연 기본사업, 과학기술정보통신부·산업통상자원부·보건복지부가 공동 지원하는 “국가신약개발사업단”의 지원을 받아 수행됐다.

 - 비알콜성 간 질환 신약 개발 시, 미니 인공장기의 조직 강도를 매우 약한 압력으로 눌러 분석 가능
 - 지방이 축적된 간 모델에서 미세한 지방 밀집 부위를 정확히 찾고, 배양액 속 살아있는 상태에서 정밀 측정
 - 간 질환 대응 약물 효과 평가, 의료 연구 분야에서 널리 활용 가능

□ 국내 연구진이 지방간 치료 신약의 약효 평가에 활용 가능한 질환 모델 인공장기 및 비파괴 경도 분석 기술을 개발했다.

  ㅇ 한국화학연구원(원장 이영국) 김현우, 배명애 박사팀은 비알콜성 지방간 질환을 모사한 인공장기를 개발하고, 세포 손상을 최소화하며 조직의 특정 부위 강도를 정량적으로 측정할 수 있는 나노 탐침 기반 분석 기술을 개발했다.

<신대섭 연구원(1저자)이 지방간 상태를 모방하여 만든 오가노이드(미니 인공장기 세포)가 들어 있는 배양액을 배양접시에 옮기고 있다>

<신대섭 연구원(1저자)이 지방간 오가노이드(미니 인공장기 세포)가 담긴 접시를 배양 장비에 넣고 있다>

□ 비알콜성 지방간은 술을 마시지 않더라도 과도한 식사나 운동 부족 등으로 인하여 간 세포에 지방이 쌓여 물렁해지면서 시작된다. 나중에는 콜라겐 같은 섬유성 물질이 과다 생성되어 단단해지는 간경화를 거쳐 간암 등 목숨을 위협하는 질병으로 발전할 수도 있다. 따라서 비알콜성 간질환 치료 신약 개발 시, 초기 단계인 지방간 상태에서부터 치료 약물을 찾는 것이 중요하다.

  ㅇ 간 질환 신약 개발은 질환을 모사한 인공장기에 후보약물을 투입하고 이에 대한 반응을 측정 분석하는 과정이 반복된다. 기존의 검사 방법은 질환 모델 인공장기의 전체 부위를 파괴될 때까지 누르면서 간 조직의 딱딱한 정도(경도)를 측정했다. 이에 따라 살아있는 상태에서 계속적인 측정이 불가능하며 특정 위치의 경도 정보를 얻을 수도 없었다. 

□ 연구팀은 지방간 질환 상태로 만든 간 오가노이드(인공 장기)가 살아있는 상태로 측정할 수 있는 기술을 개발했다. 나노 단위의 미세한 압력으로 좁은 영역을 선택적으로 누르고 측정값을 분석하는 계산식을 개발해, 인공장기를 파괴하지 않고 위치별 경도를 정량 측정할 수 있었다.

  ㅇ 연구팀은 우선 지방이 쌓인 곳에서 강한 빛이 나오도록 인공장기에 형광염료를 염색해 위치를 먼저 찾았다. 그리고 해당 부위에 ‘매우 작은 막대기(나노 탐침)로 미세 압력을 가하는 방식’을 택했다.

<김현우 책임연구원(교신저자)이 지방간 오가노이드 부위 중, 지방 밀집 부분을 염색해서 빛나는 부위를 현미경으로 살펴보고 있다>

  ㅇ 나노 탐침이 인공장기를 누를 때 휘어지는 정도는 탐침 표면의 레이저 반사를 통해서 정밀 측정했다. 측정 결과를 연구팀이 개발한 수학적 계산식으로 분석하면, 지방 축적에 따른 경도 변화를 영률(Young’s modulus)이라는 정량적 수치로 측정하는 것이 가능하다.

  ㅇ 무엇보다 기존 방식은 인공장기를 고정시키느라 약품 처리해 죽였던 반면, 이번 나노 탐침 기술은 인공장기가 계속 살아있는 상태를 유지할 수 있는 배양액 내에서 적용이 가능하다. 또한 5마이크로미터 내외의 얕은 깊이만 누름으로써 간 조직에 손상을 전혀 주지 않는다.

  ㅇ 새로 개발한 ‘나노 탐침 경도 측정 기술’을 비알콜성 지방간 모델 오가노이드에 적용한 결과, 형광 빛이 강한 지방 축적 부위의 경도는 형광 빛이 약한 부위에 비해 영률 기준으로 약 35% 물렁한 결과를 보였다. 즉 원하는 부위만 정확히 찾아낸 것이다.

  ㅇ 지방 축적 형광 영상을 통해 측정 위치를 찾은 결과, 전체 측정 시간은 무작위 측정 방식에 비해 절반 이상 단축되었다. 또한 측정 후 간세포 생존율이 97% 이상 유지되는 등 손상이 최소화됨도 확인했다.

□ 연구팀은 향후 하나의 인공장기를 손상없이 계속 사용하며 간 질환 진행 상황을 단계별 연속 측정하는 약물 효능 평가 기술도 만들 계획이다. 

  ㅇ 연구진은 “지방간 신약 개발 시 질환 모델의 변화를 간편하게 분석 가능”하다고 밝혔고, 화학연 이영국 원장은 “간 질환뿐 아니라 다른 질환의 신약 개발 과정에도 널리 응용될 것으로 기대된다.”고 말했다.
  ㅇ 이번 논문은 2024년 12월 국제 학술지 ‘ACS 생체재료 과학 및 공학(ACS Biomaterials Science and Engineering(IF: 5.5))’에 게재되었다. 화학연 김현우·배영애 박사가 교신저자로, 신대섭 연구원이 1저자로 참여했다. 이번 연구는 화학연 기본사업, 산업통상자원부 “3D-조직 칩 기반 신약발굴 플랫폼 기술개발사업”의 지원을 받아 수행됐다.