□ 연구개요 본 연구는 선행 연구로부터 입증된 플라즈마 쌍극자 진동 (PDO)의 전자기파 발생 기작이 랩-우주 플라즈마 분야 중 우주 플라즈마 환경의 라디오 폭발 발생 기작(SBR, FBR)과 매우 유사한 것을 확인하였다. 이를 바탕으로 PDO를 유력한 SBR, FBR등의 라디오 폭발 메커니즘으로 정립하고자 하였고 동시에 PDO의 전자기파 방출 효율 극대화 연구를 진행하여 차세대 테라헤르츠 광원으로서 개발하는 것을 목표로 한다. □ 연구 목표대비 연구결과 ● 새로운 편광 전자기파 발견 - 외부자기장이 걸리지 않은 경우는 평행 편광파만 발생하였으나, 외부자기장이 걸렸을 때 평행 편광 파뿐만 아니라 수직 편광파도 발생함. ● 새로운 배광곡선 패턴 발견 - 평행 편광 파의 경우 자기장이 걸리지 않은 경우와 같이 쌍극자 배광곡선 패턴을 나타내었으나, 수직 편광 파는 사중극자 배광곡선 패턴을 나타냄. ● 필드 이온화를 통한 PDO 생성을 2차원 전산모사로 수행하여 중성 기체에서도 PDO가 생성됨을 확인함. ● PDO가 약하게 자화되면 H-mode가, 강하게 자화되면 X-mode cut-off가 발생됨을 알 수 있었음. ● 강한 PDO와 약한 PDO 간의 라디에이션 트랜스포트가 발생함을 2차원 전산 모사를 통해 확인함. Double PDO 간의 커플링으로 인해 플라즈마 주파수의 기본 모드가 split 되는 것을 확인하였음. ● 1차년도에 구축한 고차 멀티플 이론과 전산 모사 결과를 비교하여 이론과 잘 일치함을 확인함. 이를 통해 우주 플라즈마 환경에서 상대론적인 세기의 PDO가 2^nd harmonics 및 3^rd harmonic이 충분히 결맞은 전자기파를 발생시킴을 알 수가 있었음. ● PDO의 방출 효율 극대화 연구를 수행하여 기존의 10^-3 에 머물러 있던 방출 효율을 2~3배 높인 0.26% 정도의 효율을 얻었다. 이는 보편적인 레이저-플라즈마 기반의 테라헤르츠 광원 대비 높은 효율이라고 할 수 있음. □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) 본 연구개발성과를 잘 활용한다면 앞으로 서서히 부상하고 있는 연구 분야인 랩-우주플라즈마 분야를 선점할 수 있을 것으로 보며, 특히 레이저 펄스 충돌을 이용한 랩 스페이스 연구는 기존에 없던 새로운 랩 스페이스 연구의 방법론으로 부각될 수 있다. 또한 기존 목표의 부산물로 PDO의 라디에이션의 효율을 극대화하는 연구가 같이 수반되어 높은 전환 효율을 얻어 낼 수 있다면 이를 활용하여 차세대 레이저-플라즈마 기반의 테라헤르츠 광원으로도 활용이 가능할 것으로 본다. 기존의 레이저-플라즈마 기반의 테라헤르츠 광원은 플라즈마 내부에서 빠져나오는 라디에이션 에너지가 낮고 광대역 스펙트럼이 대다수였으나, PDO의 경우는 협대역이면서 동시에 고출력의 테라헤르츠 펄스 에너지를 뿜어낼 수 있다. 이러한 PDO의 특성은 펌프-프로브 실험 및 테라헤르츠 가속기 분야에 매우 적합하며 활용도가 높을 것으로 전망한다. (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 허민섭
• 주관연구기관 : 울산과학기술원
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 플라즈마진동자;결맞은 전자기파;랩우주플라즈마 물리;라디오폭발;플라즈마; 2. Plasma dipole oscillator;Coherent radiation;lab space physics;Radio Burst;Plasma;

□ 연구 목표 및 내용 ○ 최종 목표 본 연구의 최종목표는 인체 내에 두 번째로 많이 존재하는 (1) 무기질 형태인 휘트로카이트(Whitlockite) 나노 입자 및 생체 적합 고분자 등을 합성/이용하여, 중간엽 줄기세포(Mesenchymal stem cells)의 (2) 골 분화 (Osteogenesis) 를 촉진하고, 혈관내피세포(Endothelial cells)의 3차원 네트워크 형성을 통해 파골세포 (Osteoclasts) 및 조혈모줄기세포 (Hematopoietic stem cells)를 리쿠르팅 (Recruiting)을 유도하여 골 환경과 가장 유사한 플랫폼인 골 오가노이드 (Bone Organoid)를 만드는 데에 있음. ○ 전체 내용 효과적인 골 조직공학 및 더 빠른 골 재생재료로써 이용 가능하며 조혈모세포의 Education 및 골 생물학 또는 발생학 (Bone developmental biology)의 메커니즘을 밝히는 데에 큰 역할을 할 것으로 예상함. 본 연구의 목표를 위하여 생체재료와 인간 골 유래 중간엽 줄기세포, 혈관 내피세포, 조혈모세포가 고유하게 골 생식을 조절하는 핵심요인 (Critical factors) 골 유도 인자를 설명하기 위해 다음과 같은 단계적인 목표를 세우고 있음. ○ 1단계 ● 연구 목표 무기질이 포함된 생체재료를 이용한 혈관내피세포 및 중간엽 줄기세포의 생체고분차의 크라이오겔을 통한 3차원 배양을 통해 혈관 네트워크를 포함하는 오가노이드를 설치류의 피하에서 골 재생 구현 기술 개발 및 중요한 크기의 뼈 결함을 치료할 수 있는 인간 유래 혈관내피세포 및 중간엽 줄기세포, 무기질 생체재료의 최적화 된 비율 검증 및 복합체의 효율 확인. 골 환경안에서 여러 세포와 생체물질 간의 체내 골 유도를 일으키는 특정한 유전자 확립연구. ● 연구 내용 1차 연도 연구내용: 혈관 네트워크를 포함하는 골 오가노이드 기술 개발 확립 -동물모델을 통해 1) 골 유래 중간엽 줄기세포가 혈관내피에서 파생된 파라크린 (Paracrine) 인자에 의해 규제되고, 2) 인간 유래 골 혈관내피세포에 의해 정렬된 혈관 네트워크는 자연적으로 체내 골 생식을 유발하는 연구를 진행하였음. 이처럼 무기질 생체재료와 세포뿐만 아니라 인간 유래 혈관내피세포와 줄기세포를 포함하는 생체공학 혈관 이식술을 진행하여, 1) 골 유래 중간엽 줄기세포의 생체재료는 통한 혈관내피세포 의존, 2) 두 세포의 비율과 세포 밀도가 혈관 및 골 생성에 미치는 영향, 3) 설치류의 장기간 오가노이드의 이식을 통한 골 생성능력을 확인. -이 결과를 얻기 위해, 1) 형광 발현 이미지 처리 및 특정 유전자의 단백질 레벨 확인, 2) Luciferase 기반 생물 발광 및 3) Micro-CT를 활용하여 최대 12주 동안 정방향으로 혈관, 골유발 활동 및 골 재생 화를 모니터링. 2차 연도 연구내용: 최적화된 오가노이드를 통한 중요한 크기의 뼈 재생 -체내 중요 크기의 골 유도 잠재력을 담당하는 세포와 생체물질 사이의 특정 요인을 규명. -최적화된 오가노이드의 개발은 단순히 재료 개발에만 좌우되는 것이 아니라 세포와 재료 사이의 Interaction을 이해하고 실험을 진행하여, 1) 골격 결함 동물모델을 통한 제한적인 골 재생 유도, 2) 세포의 특정 유전자 제어 및 과발현을 통한 최적화된 골 재생, 3) 설치류의 이식을 통한 골 재생의 지속성 및 분화 가능성, 4) Host 세포와의 crosstalk 등을 확인함. -이 결과를 얻기 위해, 1) 설치류의 두개골 및 Femur 결손 모델 활용, 2) siRNA 및 shRNA를 이용한 특정 유전자의 Knockout 및 3) RNAseq, Protein array 등을 활용하여 혈관재생, 골 유발 활동 및 골 재생 화의 기작을 검증. 3차 연도 연구내용: 오가노이드의 조혈모줄기세포 리쿠르팅에 관한 연구 -최적화된 오가노이드를 통한 Host 유래의 조혈모줄기세포의 리쿠르팅 메커니즘을 규명하고자 함. 개발된 오가노이드를 통하여 조혈모줄기세포의 이동 및 행동을 관찰, 1) 조혈모줄기세포의 수용체 inhibition을 통한 세포 간의 crosstalk 금지, 2) 조혈모줄기세포에게 영향을 끼치는 단백질 존재 유/무를 통한 오가노이드의 변화 관찰, 3) 타 세포 유전자 조작을 통한 조혈모줄기세포의 리쿠르팅을 극대화하는 실험 등을 진행. -이 결과를 얻기 위해, 1) shRNA 및 CRISPR/Cas9을 통한 유전자 제거 및 삽입, 2) Recombinant 단백질 프로 파일, 3) RNAseq, Protein array 등을 활용하여 조혈모줄기세포의 미세환경체제를 검증. ○ 2단계 ● 연구 목표 세포와 생체재료의 최적한 조건확립 연구를 바탕으로, 생체 내에서 골 오가노이드로 인한 조혈모세포의 리쿠르팅 및 조혈모세포로서의 분화 체제 메커니즘 확립. 골 오가노이드의 활용을 위한, 뼈암 전이 모델에 활용 및 조혈모세포의 배양 환경을 조성하여 치료제로서의 플랫폼 제작 기술 개발. 개발된 골 오가노이드 플랫폼을 통한, 골의 발생기전 및 생체 내에서의 복합적 미세 골 환경 제어 연구. ● 연구 내용 4-5차 연도 연구내용: 골 오가노이드의 활용을 위한 플랫폼 제작 기술 개발 -생체 내 조혈모줄기세포의 리쿠르팅 및 배양모델을 확인하기 위해 형질전환 마우스 및 Radiation을 통해 조혈모줄기세포를 제어하여 제작된 오가노이드의 역할을 확인할 수 있음. -질환 모델의 메커니즘 및 배양 플랫폼을 검증하기 위해, 세포의 이동 및 병리학을 통해 상태를 확인할 예정임, 또한 단순히 세포 단위에서의 영향력을 확인하는 것이 아니라, 조혈모관련 질환 치료에도 효율을 나타내는지 확인할 예정임. -이 연구를 바탕으로 제작된 오가노이드가 1) 생체 내에서 골 생성에 어떠한 단계를 거쳐 주변 환경을 구성하는지 또한 2) 조혈모줄기세포를 어떻게 리쿠르팅 및 Education 하는지, 마지막으로 3) 이 세포들이 미세 골 환경을 어떻게 제어하는지에 대한 연구를 진행할 예정임. □ 연구성과 본 연구팀은, 혈관내피세포와 중간엽 줄기세포를 포함하는 골 오가노이드를 개발하였으며, 이 오가노이드는 골 재생을 촉진하는 효과가 있음을 확인했음. 혈관내피세포가 분비하는 KITLG가 Host 유래의 조혈모세포를 리쿠르팅하는 데 중요한 역할을 한다는 것을 입증했음. 혈관내피세포가 조혈모세포의 골화 분화를 촉진하는 데 중요한 역할을 한다는 것 또한 입증하였음. 조혈모세포의 niche와 관련된 유전자를 분석하여, 골 환경을 유지하는 혈관 환경을 조성하기 위한 유전자를 밝혀냈음. 1단계 (1-3년차)에서는 총 5편의 SCI급 논문을 게제하였으며, 32번의 국제학술대회 및 학술대회 발표를 통해 학회 및 여러단체에서 총 10번의 우수연구상 및 포스터상을 수상하였음. 2단계에서는 총 6편의 논문을 추가로 게제할 예정에 있으며, 국제학술대회 및 국내학술대회에서 연구 내용 발표 계획을 가지고 있음. □ 연구성과의 활용 계획 및 기대효과 본 연구를 통해 개발된 생체모방형 합성 무기 나노 입자를 함유한 오가노이드는 선천적 장애, 사고, 암 혹은 노화로 인한 골 손상 혹은 결손 환자들에게 경제적 부담이 없는 고성능의 골 재생치료 플랫폼으로 활용될 수 있음. 현재 골 오가노이드 분야에서 국내외에서 선도적인 기술과 기업이 없음. 따라서 생체모방 나노 입자 기반의 골 오가노이드를 통한 플랫폼 개발은 기술 우위 확보를 통한 세계시장 주도 가능-의학, 생명과학, 화학공학, 기업으로 이루어진 산학 병이 밀접히 연관될 수 있는 융합 과학으로 효율적인 협동 연구를 통해 국내 첨단 바이오 및 의료기기, 소재 부분에서 기술 경쟁력을 강화할 수 있음. 본 연구에서 개발된 골 오가노이드 플랫폼는 골 관련 치료 연구를 발전하는 데에 이바지할 수 있으며, 치료제 개발 분야에서도 유용하게 쓰일 것이라 예상됨. 미세 골 유사 환경을 통해, 골 재생의 메커니즘을 정확히 파악하여 더 효율적인 재생의학 프로토콜을 제시할 수 있을 것. 본 연구에서 초래된 결과들은 다양한 질병 모델에 새로운 치료법을 제시할 것이며, 기술의 미래원천기술 확보가 가능할 것으로 예상함. 선진국 고령 시대에 들어오면서 골 관련 질환이 증가하는 사회에서 직접 골세포의 행동 및 골환경을 구현해 낼 수 있는 기술은 앞으로 골 관련 질환의 메커니즘을 밝혀낼 수 있는 매우 혁신적인 신기술이라 여겨짐.이는 골수의 조혈모줄기세포 관련 질환 (백혈병, 림프종, 고형암, 빈혈, 면역 부전, 선천성 대사 장애) 등으로 고통을 겪는 수많은 환자의 삶의 질을 획기적으로 증대시킬 것으로 기대함.또한, 본 기술을 골세포 외 다른 세포를 적용한다면 다양한 질병의 치료에도 응용할 수 있음. (출처 : 요약문 2p)

• 연구책임자 : 김환
• 주관연구기관 : 한국교통대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 골 오가노이드;골조직공학;조혈모줄기세포 공학;골 발생학;골 생체재료; 2. bone organoid;bone tissue engineering;hematopoietic stem cells engineering;bone developmental biology;bone biomaterials;

◻ 연구개요 1) 연구 배경 - 암은 사망률 1위 질환이며, 암환자의 90%가 전이암으로 인해 사망함 - 전이암의 경우, 면역항암제와 방사선 병용 치료를 통해 생존율이 향상됨 - 그러나 면역계는 방사선에 매우 취약하므로, 면역 장기를 보호하기 위한 새로운 치료계획 전략이 필요함 2) 연구 목적 - 방사선 피폭시 혈액 선량을 계산하여 방사선 혈액 독성 사전에 예측 모델 개발 - 개발된 모델 고도화를 통해 병용 치료 예후를 환자맞춤형으로 극대화 ◻ 연구 목표대비 연구결과 1) 주요 연구 변경사항 - 기존 연구 목표였던 폐암에서 추가로 간암 및 골반 암 환자 데이터도 수집하여 혈액 선량 유효성 확인 - 기존 연구 방법이었던 딥러닝 및 머신러닝에서 추가로 수리 모델(Markov-chain 및 Voxel-based analysis) 등을 추가하여 해석력을 증대하였음 2) 주요 연구 결과 - 3차원 선량 분포 – 방사선 혈액 독성 사이에 유의미한 영역 도출. Voxel-based analysis을 방사선 분포 분석에 적용. 간암(n=66) 환자군에서 간 상부 분절 (2,7,8)이 하부 분절 (5,6) 보다 중증 림프구 감소증과 높은 연관성을 보임. 골반암(n=122) 환자군에서 엉치뼈와 양쪽 넙다리뼈에서 중증 림프구 감소증과 높은 연관성을 보임. - 확률적 혈액 선량 모델 (HEDOS) - 방사선 혈액 독성 사이에 유의미한 상관 관계. Markov-chain 기반 혈액 선량 모델 구축. 간암(n=66) 환자군에서 로지스틱 모델기반 예측 모델 수립. - 결정론적 혈액 선량 모델 (EDIC) - 방사선 혈액 독성 사이에 유의미한 상관 관계. Equation 기반 혈액 선량 모델 구축. 폐암(n=260) 환자군에서 혈액 선량이 odds ratio 3.31로 높은 상관 관계를 보임. - 위 선량들 – 생존율 및 암 재발율 사이에 상관 관계 도출. 폐암(n=260) 환자군에서 혈액 선량이 2.7 Gy 보다 낮으면 암환자 생존율이 10개월 이상 길어짐. - 머신러닝 모델을 통한 암 환자맞춤형 치료후 생존율 예측. Random survival forest 및 Support vector machine 등 예측력 비교. 뇌종양(n=467) 환자군에서 머신러닝 모델을 사용하면 예측력 70%이상 효율로 환자군 선택이 용이해짐. 폐암(n=79) 환자군에서 전이암을 많이 조사할수록 생존율이 8개월 이상 길어짐. ◻ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) 1) 활용 계획 - 개발된 예측 모델을 임상에 적용하여 환자맞춤형 방사선 치료계획 수립 - 면역항암제와 방사선 병용 치료시 최적의 방사선 조사 계획 설계 - 다양한 암종 및 전이암 환자를 대상으로 한 대규모 임상 연구수행 2) 기대효과 - 면역항암제와 방사선 병용 치료 효과를 극대화하여 전이암 환자 생존율 향상 - 방사선 피폭에 의한 면역 장기 손상을 최소화하여 환자 삶의 질 개선 - 환자맞춤형 치료계획 수립을 통해 불필요한 방사선 조사 줄이고 효율성 증대 - 면역항암제 및 방사선 병용 치료 새로운 가이드라인 제시 및 치료 패러다임 변화 - 국내 의료기술의 선진화 및 경쟁력 강화 (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 성원모
• 주관연구기관 : 가톨릭대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 방사선 치료;면역항암제;혈액 독성;머신러닝;수리 모델; 2. radiation therapy;immunotherapy;blood toxicity;machine learning;mathematical model;

비공개항목입니다.

• 연구책임자 : 최원호
• 주관연구기관 : 한국항공우주연구원
• 발행년도 : 20240100
• Keyword :

비공개항목입니다.

• 연구책임자 : 최정열
• 주관연구기관 : 한국항공우주연구원
• 발행년도 : 20240100
• Keyword :

비공개항목입니다.

• 연구책임자 : 구민희
• 주관연구기관 : 연세대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 삼중음성유방암;단세포 BioPhysical 분석;방사선치료 저항성;바이오마커 표적 나노프로브;방사선 감응성; 2. triple negative breast cancer;single cell clone biophysical analysis;radiation therapy resistance;biomarker-targeted nanoprobe;radiosensitivity;

□ 연구개요 본 연구의 최종목표로 매우 polarized된 신경세포에서 로컬한 기능 수행을 위해 존재하는 수상돌기 미니어쳐 세포소기관들(Dendritic miniature organelles)간의 상호작용(interaction)을 조절하는 분자 및 세포 기전을 규명하고, 이러한 상호작용에 의해 특이적으로 조절받는 로컬한 세포 기능을 특성화하고자 설정하였음. 특히, 선행 중견 과제를 통해 얻어진 선행연구결과인 수상돌기 골지(Golgi outposts)와 early endosome간의 상호작용 가능성에 초점을 맞추어 그 조절기전에 집중한 연구를 진행하고자 제안함. 본 과제를 통해 제안된 연구를 통해 궁극적으로는, classical한 peri-nuclear 세포소기관 외에도 신경세포에 존재하는 수상돌기 미니어쳐 세포소기관들에서도 마찬가지로 세포소기관 사이의 상호작용이 활발히 이루어지고 있으며 이를 통해 로컬한 세포 기능이 효율적으로 조절되고 있음을 밝혀내고자 하며, 이러한 로컬 프로세스를 원격으로 제어하는 신경세포 특이적인 조절 기전을 규명하고자 함. □ 연구 목표대비 연구결과 세부적인 연구목표로 1차년도에 신경세포내 미니어쳐 세포소기관들 사이의 상호작용 여부 확인과 미니어쳐 세포소기관간 상호작용에 관여하는 특이적인 Rab GTPases 동정 및 검증, 2차년도에 신규 발굴될 Rab GTPases의 1차 상위 조절 인자 발굴과 cell body로부터 로컬한 지역으로의 원격 조절 매개 인자 발굴, 그리고 3차년도에 미니어쳐 세포소기관간 상호작용에 의해 특이적으로 조절 받는 신경세포의 로컬기능 특성화 및 세포타입 특이성 확인을 설정하였음. 본 과제를 수행하며, 신경세포 수상 돌기내에서 Golgi와 endosome간의 상호작용을 특성화하였으며 이를 매개하는 인자로서 Rab19를 동정하였음. 또한, 이러한 Rab19의 활성을 조절하는 상위 인자로서 pollux를 찾아내었으며, 원격 제어 기전으로 TDP-43 기반의 조절 기전을 밝혀냈음. 최종적으로, 이러한 미니어쳐 세포소기관들간의 상호작용이 수상돌기의 형태 조절에 관여하고 있으며 plasma membrane을 공급하는 역할을 수행함을 규명하였음. 종합하면, 과제를 제안하며 설정한 모든 세부 연구목표를 성공적으로 달성하였음. □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) 그동안 많은 연구가 진행되어온 classic한 peri-nuclear 세포소기관들과는 달리 아직 연구가 많이 진행되지 않은 미니어쳐 세포소기관들은, 그들이 어떻게 생성되는지나, 세부 기능과 구성성분에서 peri-nuclear 세포소기관들과 어떤 부분이 같고 어떤 부분이 다른지조차 아직 정확히 알려져 있지 않음. 이러한 상황에서, 그들간의 상호작용에 대한 우리의 이해는 거의 미비한 상황이지만, 일부 미니어쳐 세포소기관간의 기능적 중복성에 기반해서 그들간의 상호작용이 존재할 가능성은 충분히 높았음. 본 연구진은 이처럼 많이 연구되지 않은 도전적인 분야를 개척해 나가고자 하였으며, 성공적으로 연구를 수행하며 관련 연구 분야를 국내주도로 선도해 나갈 수 있도록 충분한 연구 결과들을 확보할 수 있었음. 또한, 선행 중견과제에 연이어 미니어쳐 세포소기관에 특화된 보다 깊이 있는 주제의 과제를 수행함으로써 관련 분야 연구자들을 더욱더 전문적으로 훈련시키고 양성할 수 있었음. (출처 : 요약문 2p)

• 연구책임자 : 이성배
• 주관연구기관 : 대구경북과학기술원
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 미니어쳐 세포소기관;수상돌기;수상돌기 골지;수상돌기 엔도좀; 2. miniature organelles;dendrites;dendritic golgi;dendritic endosome;

□ 연구 목표 및 내용 ◼ 최종 목표 유연 고체 냉매/열복사 소재기반 완전 친환경, 초고효율 온도 제어 소자 구현 ◼ 전체 내용 화석 연료 고갈 및 지구 온난화로 인해 차세대 냉/난방 시스템에 대한 급진적 수요와 더불어, 에너지를 효율적으로 이용하고자 하는 노력이 전 세계적으로 이루어지고 있음. 이러한 노력의 일환으로 1) 수동 복사 냉각 기술과 2) 전기열소 냉매가 주목받고 있음. 복사 냉각 기술은 전력소모 없이 온도를 낮출 수 있는 초절전/친환경 냉각 기술이고, 전기열소 냉매는 강유 전체의 전기열소 현상(Electrocaloric effect)에 기반한 것으로 탄소 배출없는 고체 친환경/고효율 냉매임. ◆ Zero-에너지 복사 냉각: 복사 냉각 기술은 포토닉 구조를 이용하여 1) 280~3000 nm 파장의 빛은 최대한 반사하고 (반사율: 95% 이상), 2) 대기의 창 영역을 포함하는 8~30 μm의 광대역 열복사의 특징을 가져야 함 (방사율: 90% 이상) 특성이 요구됨. 이러한 광학적 특징을 통해 약 3K 의 온도의 우주와의 복사 열 교환을 통해 에너지 소모없이 대기 온도 이하의 냉각이 가능함. ◆ Zero-탄소 고체 냉매: 전기열소 현상은 강유전체에서 외부 전기장을 인가했을 때 발생하는 현상으로, 1) 외부 전계의 유무에 따라 변하는 물질 내의 분극 엔트로피를 보상하기 위한 포논 진동(Phonon vibration)에 의한 ‘단열적(Adiabatic)’온도 변화 현상을 의미하며, 2) 엔트로피 보상 흡열/발열 프로세스를 통해 탄소 배출없는 친환경 열 교환 사이클 및 냉/난방 시스템을 구현할 수 있음. ◼ 1단계 ❏ 연구 목표 본 연구의 1단계 연구목표는 크게 세 가지로 나뉨. 1) 대기 온도보다 낮은 냉각 또는 높은 가열을 달성하기 위해 복사 스펙트럼을 조절하는 수동 복사 소재를 개발하고, 2) 강유전체의 엔트로피 보상 흡열/방열 프로세스를 활용한 고체 냉매의 열교환 사이클 구현임. 이후 이 두 기술을 통합하여, 3) 온실가스 배출이 없는 완전한 친환경 및 초고효율 온도 제어 소자 개발을 목표로 하고 있음. ❏ 연구 내용 - 1차년도: 다공성 폴리머 기반 열복사 설계/제작 및 강유전성 전기 열소 소재 제작/특성평가 1) 3차원 파동광학 계산을 통해 고효율 태양광 반사/장적외선 열복사 구조의 최적 구조를 도출 2) 강유전성 폴리머 기반 전기열소 소재 제작 및 특성평가를 진행 - 2차년도: 수동 복사기 집적 전기 열소 냉각소자 제작 및 필드 테스트 1) 최적화된 복사 구조와 전기열소 소재를 집적한 냉각 소자의 구현 2) 필드 테스트를 통한 열교환 사이클 및 냉각 성능 검증 - 3차년도: 환경적응형 수동 복사 및 전기열소 기반 항온 소자 개발 및 특성평가 1) 환경적응형 복사 소재 기반 반사/복사 스펙트럼 변경 가능한 소재 개발 2) 냉각, 가열, 단열 3가지 기능의 항온 소자의 설계/제작 및 특성평가 ◼ 2단계 ❏ 연구 목표 본 연구과제의 2단계에서는 1) Si 멤브레인 구조를 기반으로 하는 3차원 형상 변환 전자소자를 구현함과 동시에, 2) 저전력/어레이 플렉서블 복사/전기열소 냉/난방 소자를 개발할 예정임. 이를 통해 연속적인 열교환으로 복사/전기열소 항온 소자의 냉/난방 효율을 극대화할 수 있을 것으로 예상됨. 이 과정에서 초저전력/대면적 항온 소자의 거동을 이해하고 소자를 제작하는 것, 어레이 구조를 도입하여 효율을 향상시키고 응용 분야를 확대하는 것도 중요한 과제임. 특히, 고성능 스마트폰과 같은 기기는 강력한 프로세서를 탑재하고 있으나 크기는 작아지고 있어, 열을 효과적으로 제어하는 것이 어려워짐에 따라 효율적인 냉각 기술이 필요함. 본 연구의 결과는 건물, 데이터 센터, 자동차는 물론, 스마트폰, 웨어러블 전자기기 등 소형 플랫폼에도 적용 가능한 새로운 냉/난방 솔루션을 제공할 것임. ❏ 연구 내용 - 4차년도: 초저전력/대면적 열복사/전기 열소 항온 소자 제작 1) 강유전성 폴리머의 물질적 특성 개선을 통한 저전력 동작 가능 소재 제작 2) 저전력/대면적 소재 집적을 통한 초고효율 고체 냉/난방기 개발(전력: < 1 mW/cm²/cycle) - 5차년도: 3차원 형상변화 플렉서블 어레이 타입 항온 소자 개발 및 특성 평가 1) 플렉서블 열복사/강유전체 폴리머 기반 소자 제작 2) 어레이 내 연속적인 전기열소 연교환 사이클 기반 냉/난방 효율 극대화 3) 곡면 플랫폼 및 소형 스마트 기기 등 다양한 응용 분야에 적용 □ 연구성과 1차년도 (정성적 성과) 1) Heat/Pressing 기법을 이용해 초고효율 다층 다공성 폴리머 복사방열 소재 제작 2) P(VDF-TrFE-CFE) 기반 강유전성 폴리머 전기열소 소재 제작 및 단열적 열변화 확인 (정량적 성과) 1) SCI 논문 주저자 2편 (Sol. Energy Mater Sol. Cells, Opt. Express) 2) 학술대회발표실적 2건 (IU-MRS, Nanokorea) 2차년도 (정성적 성과) 1) 복사방열/전기열소 소재를 집적한 냉각 소자 구현 2) 옥외 테스트를 통해 냉각 성능 확인 (정량적 성과) 1) SCI 논문 주저자 3편 (Adv. Energy Mater., IEEE Photonics J., J. Mater. Chem. C) 2) 학술대회발표실적 1건 (한국태양광발전학회) 3차년도 (정성적 성과) 1) 환경감응형 광학 스펙트럼 조절 포토닉 구조 설계, 제작, 특성 테스트 2) 냉각/가열/단열의 3가지 모드 구현 가능성 입증 (정량적 성과) 1) SCI 논문 주저자 3편 (Adv. Sci., ACS Appl. Mater. Interfaces, APL Photonics) 2) 국제 학술대회 초청강연 2건 (IMID 2023) 3) 학술대회발표실적 4건 (대한전자공학회) □ 연구성과의 활용 계획 및 기대 효과 경제적‧산업적 파급 효과: 환경적응형 친환경 온도제어 소자는 초기 연구 단계로, 성공 시 친환경 냉/난방 시스템으로 에너지 기술과 국가 경쟁력에 큰 영향을 미칠 것임. 이 기술은 건축 및 자동차 산업 등에 적용 가능하며, 에너지 효율성과 환경 보호에 중요한 역할을 할 것임. 학문적‧기술적 파급 효과: 수동형 복사 기술과 전기열소 냉매 연구가 저명 학술지에 실릴 정도로 인정받고 있으며, 복사/전기열소 기반 시스템은 새로운 형태로 큰 파급 효과 예상됨. 전자, 물리, 재료 분야 간 연구로 학문적 시너지 기대됨. 활용 계획: 이 기술은 건축물과 자동차에서의 에너지 효율적 온도 조절에 사용될 수 있으며, 장기적으로는 에너지 절약과 온실가스 감축에 기여할 것임. 또한, 연구 및 개발 과정에서 다양한 산업 분야와의 협업을 통해 시장 진입과 상업적 활용 가능성이 높음. (출처 : 요약문 2p)

• 연구책임자 : 이길주
• 주관연구기관 : 부산대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 수동 복사 냉각/가열;전기열소;고체 냉매;친환경 냉/난방;탄소중립; 2. Passive radiative cooling/heating;Electrocaloric effect;Solid-state refrigerants;Green cooling/heating;Net-zero emission;

□ 연구개요 본 리더사업을 통해 기존에 구축해 온 압력을 변수로 한 광물 및 물질 연구의 범주와 인프라를 한 단계 확장하고 보다 전문적이고 국제적인 경쟁력을 갖춘 고압 광물물리 연구단을 설립한다. 압력-온도-조성-시간을 복합적 변수로 하는 다차원 극한환경 하에서의 광물 및 물질연구를 통해 지구와 행성의 형성과 진화 과정을 이해하고, 지질과학이 중심이 된 첨단 융합적 연구로서 고압 과학의 모델을 정립시킨다. □ 연구 목표대비 연구결과 본 연구는 광물물리, 고압화학, 고압연구 인프라 확장의 세 가지 연구 주제로 구성되며 이들의 유기적인 관계 속에 단계적으로 추진된다. 1) 광물물리를 통한 섭입대 및 하부맨틀 환경의 가벼운 성분 연구: 지구의 형성과 진화 과정을 이해하는데 중요하게 남은 문제들 중 하나는 물이나 탄소, 수소로 대표되는 가벼운 성분의 전 지구적 분배와 순환 과정이다. 이들 순환의 통로로 지각판의 섭입대가 대표적이며 이들의 이동이 하부맨틀까지 확장됨을 보여줄 경우 지구와 행성의 진화과정 이해에 새로운 패러다임을 제시할 수 있다. 본 연구에서는 다양한 섭입대(~24 GPa 및 ~2000K)와 하부맨틀(~130 GPa 및 ~4000K)에 해당하는 환경을 구현하며 다음과 같은 연구 주제들이 광물물리 실험을 통해 다루어 질 것이다. (1) 지구 표면의 물과 수소, 탄소 등 가벼운 성분은 섭입대 종류에 따라 어떻게 지구 내부로 이동하며 지질 활동과 연관성을 보이는가? (2) 지구 내부에 가벼운 성분의 숨겨진 저장소가 있는가? (3) 지구 내부의 산화상태는 어떻게 진화했는가? (4) 얼음위성이나 외계행성의 내부를 구성하는 가벼운 성분은 암석성분과 어떠한 상호작용을 하는가? (5) 하부맨틀 의 온도압력 조건에서 알루미늄 광물의 함수량과 상안정성은 어떠한가? (6) 핵과 맨틀의 경계 조건에서 철-광물-가벼운 성분의 반응은 어떻게 정해지는가? 2) 천부 조건에서의 다공성 광물의 고압 화학: 초수화 현상, 압력유도 치환 및 상전이 등 다공성 광물의 고압에서 일어나는 독특한 물리적 화학적 변화의 발견을 확장하고 이의 지질학적 의미와 활용 가능성을 탐색한다. 제올라이트나 점토광물, 망간산화물 등 다공성 물질의 가장 중요한 특성 중 하나인 객체에 대한 호환성과 손쉬운 반응 특성을 압력을 변수로 새롭게 정립한다. 이를 위해 비교적 낮은 온도와 압력 조건(수 kbar 및 수 백 K) 구현에 적합한 연구 인프라(kbar 스케일의 다이아몬드앤빌셀, 대부피고압기 등)를 활용하고 산출물의 물리화학적 특성을 검증한다. 3) 탐색적 고압연구 및 인프라 확장: 운석 충돌 및 초기 지구 마그마 바다에서 일어나는 빠른 반응을 모사하기 위해 선형 4세대 가속기(PAL-XFEL, European-XFEL)를 활용하여 시간(~femtosecond)을 변수로 한 동적 고압 연구를 추진한다. 고온고압 전용 빔라인을 갖춘 3세대 방사광가속기(미국 APS-GSECARS, 독인 PETRAIII-ECB)의 지속적인 활용과 함께 국내에 추진중인 원형 4세대 가속기에 특화되고 경쟁력있는 고압 빔라인의 모델을 제시하고 공동 개발을 추진한다. 본 단계 성과: SCI 논문 총 23편 게재: 이 중 Top 10% 이내 10편(교신 7), Top 25% 이내 2편(교신 2) 게재 1) 섭입대 및 하부맨틀 광물물리 연구수행을 통한 Top 10% 이내 SCI 논문 7편 게재 2) 다공성 물질의 고압화학 연구수행을 통한 Top 10% 이내 SCI 논문 2편 게재 3) 새로운 연구 방법론 적용 및 국제공동연구 수행을 통한 Top 10% 이내 SCI 논문 1편(공저자) 게재 □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) 본 과제는 첨단 광물물리 실험 방법론을 통해 다양한 천부지권 환경에서부터 섭입대, 하부맨틀 및 핵과 맨틀의 경계에 이르기까지 지구 내부의 전 영역을 연구 대상으로 하며, 이를 통해 지구의 구성과 진화 과정에 대한 다차원적이고 통섭적인 이해를 증진할 것이다. 본 과제를 통해 추진되는 다양한 정적 및 동적 광물물리 연구는 원형 및 선형 가속기 선원의 적극적이고 독창적인 활용을 병행하며, 이는 국가거대 과학시설 활용과 개발의 모범적인 사례로서 자리매김할 것이다. 본 과제를 통해 추진되는 가벼운 성분을 주제로 한 광물물리 연구는 최근 전 세계적으로도 활발하게 연구되는 분야로 성공적으로 수행될 경우 지구와 행성의 형성 및 진화 과정의 이해에 새로운 모델을 제시하여 국민의 지질과학에 대한 관심과 과학강국으로의 자긍심 고취에 기여할 것으로 기대된다. (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 이용재
• 주관연구기관 : 연세대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 광물물리;섭입대 및 하부맨틀;초수화;외계행성;방사광가속기; 2. Mineral Physics;Subduction Zone and Lower Mantle;Super-hydration;Exo-planet;Synchrotron Radiation;

□ 연구개요 1. 매우 높은 자기장 아래에서 QSL 상태의 변화 연구 2. 위치 희석에 의한 순수 키타에프 양자 스핀 액체 탐구 3. 3차원 스핀 그물 시스템 Cu₃TeO₆과 일차원 양자 자성 물질 NiTe₂O₅의 국소적 저온물성과 자성 측정을 위한 ¹²⁵Te NMR 연구 4. 이차원 층상물질, Transition metal dichalcogenide, 2H-TaSe₂의 저온 국소물성에 대한 ⁷⁷Se NMR 연구 5. p-형 반도체 물질, CuAlO₂에서 핵자기공명 (NMR) 및 핵사중극공명(NQR) 연구 □ 연구 목표대비 연구결과 1. 2020년 본 중견연구 1차년도에 맞이한 코로나 팬데믹의 직접적 영향으로 고자기장 연구소 (NHMFL, Tallahassee, FL) 를 방문할 수 없어 이 연구목표는 시도할 수 없었음. 연구계획서에 제시한 두 번째 세부목표로 이동하여 연구를 진행하기로 함. 2. 키타에프 양자 스핀 액체 물질의 자기 이온 Ru³⁺를 비자기 이온 Ir³⁺로 대체함으로써 위치 희석 효과가 물성에 어떤 영향을 주는지 관측하기 위해, 우리는 Ir³⁺가 10%와 20% 도핑된 두 단결정 시료를 준비하였고, ³⁵Cl NMR 측정을 함. 3. Cu₃TeO₆은 비전통적인 자기적, 위상론적 성질 때문에 주목을 받는 3차원 반강자성 스핀 그물(spin web) 물질로, 이 물질의 고유한 양자 자성을 탐구하기 위해 핵자기 공명 실험을 계획하였음. NiTe₂O₅은 새로 발견된 유사-일차원 스핀-1 체인 시스템으로, 하이젠베르크 시스템에서 흔하지 않은 독특한 AFM 스핀 구조의 물리적 원인을 이해하고 고유의 양자 상을 탐색하기 위해 핵자기공명 실험을 추진. 4. 2H-TaSe₂은 전하밀도파 (charge density wave, CDW)와 초전도 현상이 동시에 나타나는 보기 드문 물질로, 이차원에서 전하밀도파의 원인과 초전도 현상과의 관계를 규명해, 궁극적으로 고온 초전도체의 원리를 이해할 목적으로 NMR 연구를 계획하고 추진함. 5. CuAlO₂은 박막의 형태일 때 투명해지는 성질 등 응용 가능성이 높고 물리적으로도 흥미로운 성질들이 있어 오랫동안 연구되어 온 p-형 반도체 물질임. 하지만 현재까지 이 물질의 단결정에 대한 연구 및 저온 물성 연구는 매우 드물었음. 이에 우리는 단결정 시료의 NMR/ NQR 실험을 통해 저온에서 CuAlO₂의 국소적 물성을 탐구하고자 하였음. □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) 1. 우리는 α-RuCl₃에서 위치 희석이 임계 도핑에 이르면 틈없는 스핀 액체 상태인 무작위 단일항(random singlet) 상이 유도된다는 것을 직접적으로 증명했다. 이는 무질서(disorder)가 양자 스핀 액체 상에 끼치는 영향에 대한 중요한 통찰력을 제공하는 것이다. 따라서 양자 스핀 액체의 궁극적 이해에 크게 기여를 한 논문이라고 할 수 있다. 2. 우리 연구 결과는 강한 스핀 틈 행동이 3차원 시스템의 복잡한 교환 작용과 강한 스핀-격자 결합을 바탕으로 발현하는 비전통적인 스핀 동역학과 관련되어 있다는 것을 암시한다. 이러한 이례적으로 강한 스핀 들뜸의 존재는 Cu₃TeO₆이 별난 3차원 양자 자석이라는 국소적 증거이며, 따라서 우리 연구 결과는 양자 자성 연구의 저변을 크게 넓힌 것이다. 또한 상자성 상태에서 이징같은 강한 스핀 상관의 존재는 저차원 자성 연구에 있어 이례적인 놀라운 발견으로, 스핀-전하의 상호작용이 비전통적인 양자 현상을 유도할 수 있다는 것을 실증했으며 양자 자성 이해를 크게 진보시킨 연구이다. 3. 전하밀도파와 초전도 현상 사이의 관계에 대한 의문은 수십년간 물리학계의 화두였으며, 우리 연구 결과는 두 현상들이 단순히 공존하거나 경쟁하는 관계가 아니라, 전하밀도파의 이맞음 (commensurability)이 초전도와 경쟁한 다는 가설의 근거를 제시하고 있다. 따라서, 이 연구는 고온 초전도 연구에 있어 중요한 획을 긋는 연구 결과라고 할 수 있다. 4. 양자역학이 정립된 이후 고립된 스핀 해밀토니안 시스템에서 폰노이만-위그너 정리를 실험적으로 직접 증명한 첫 번째 논문이라는데 큰 의미가 있다. 이 논문은 잘 정의된 조절 변수의 함수로 중첩된 양자 상태를 자유롭게 조절할 수 있다는 것을 증명한 것으로, 양자 물리학의 근본적 원리에 대한 이해를 깊게 할 뿐만 아니라 양자 계산이나 양자 정보 과정의 진보를 이끌 커다란 잠재성을 갖고 있다. (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 백승호
• 주관연구기관 : 국립창원대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 핵자기공명;양자스핀액체;키타에프; 2. Nuclear Magnetic Resonanc;Quantum spin liquid;Kitaev;