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‘연구성과 카드뉴스’ 제작구성

지원사업		원천기술개발사업>미래소재디스커버리사업>소재융합혁신기술개발
과제명		신규 분자 구조 기반의 고효율 장수명 청색 소재 연구
연구자		경희대학교 정보디스플레이학과 권장혁 교수
성과	구분	논문 발표 및 특허 출원
	논문제목/ 저널명	[논문 발표: 논문 제목 (저널 명)] Achieving High Efficiency and Pure Blue Color in Hyperfluorescence Organic Light Emitting Diodes using Organo-Boron Based Emitters (Advanced Functional Materials) Deep blue diboron embedded multi-resonance thermally activated delayed fluorescence emitters for narrowband organic light emitting diodes (Chemical Engineering Journal) Modular design for constructing narrowband deep-blue multiresonant thermally activated delayed fluorescent emitters for efficient organic light emitting diodes (Chemical Engineering Journal) Manipulating Spectral Width and Emission Wavelength towards Highly Efficient Blue Asymmetric Carbazole Fused Multi-Resonance Emitters (ACS Applied Materials & Interfaces) [특허 출원: 발명의 명칭/ 출원 번호] 보론 화합물 및 이를 포함하는 유기발광소자 (10-2022-0027423) 고효율 유기발광소자용 발광층 및 이를 포함하는 유기발광소자 (10-2021-0116436) 보론 화합물 및 이를 포함하는 유기발광소자 (10-2020-0148459) 보론 화합물 및 이를 포함하는 유기 발광 소자 (10-2020-0145870)
	임팩트 팩터	Advanced Functional Materials (19.9) Chemical Engineering Journal (14.7) ACS Applied Materials & Interfaces (9.2)
성과요약		고색순도 및 고효율 특성을 가진 다중-공명구조의 지연형광 연구 기존 발표된 v-DABNA에 치환기를 도입하여, 고효율 & 고색순도 특성을 보이는 다중-공명구조의 지연형광 연구 기존 발표된 v-DABNA를 구조적으로 수정하여, 역계간전이 (Reverse Intersystem Crossing) 속도 개선 다중 공명구조 지연형광의 반치폭 개선 연구
연구를 시작한 계기나 배경은?		최근 다중-공명구조의 지연형광은 좁은 반치폭으로 인한 고색순도 및 고효율 특성으로 많은 연구가 되어지고있음. 대표적인 구조로는 Hatakeyama등의 연구진으로부터 발표된 DABNA-1과 v-DABNA가 존재함. 하지만, DABNA-1은 최대 발광 스펙트럼 459nm, 28nm의 반치폭 (Full-Width Half Maximum, FWHM), CIE 색좌표 (0.13, 0.09) 및 약 13.5%의 외부 양자 효율(External Quantum Efficiency, EQE)을 보여줌. 비록 높은 색순도 특성을 가졌지만, 기존 지연형광 대비 상당히 낮은 효율 특성을 가짐. 이를 개선하기 위하여, 다중-공명구조를 강화시킨 v-DABNA를 제시하였음. v-DABNA는 약 34%의 높은 외부 양자 효율 및 18nm의 좁은 반치폭을 지니고 있지만, 발광 최대 파장이 469nm로 CIE 색좌표 (0.12, 0.11)을 가짐. 이는 청색 NTSC 색좌표인 (0.14, 0.07)에 못 미침. 따라서, 고효율, 고색순도 및 청색 NTSC 색좌표를 만족 시킬 수 있는 다중-공명구조 지연형광에대한 연구를 진행함.
기존 지식/기술과 어떻게 차별화되나? (성과의 차별성)		1 선진연구 추격		2 선진연구와 경쟁			3 세계최초 구현
		기존 다중-공명 구조 지연형광의 소재 디자인은 트레이드-오프 관계에 있었음. 다중-공명구조의 강화는 호모 (Highest Occupied Molecular Orbital, HOMO)와 루모 (Lowest Unoccupied Molecular Orbital, LUMO)를 더욱 분리 시켜, 단일항과 삼중항 사이 에너지 준위 차이를 감소시키고 이는 빠른 역계간전이 속도를 유도하여 높은 효율을 얻을 수 있었음. 반치폭 또한 감소된 진동-전자 상호작용 (Vibronic Coupling)으로 인하여 좁은 반치폭을 낼 수 있었음. 하지만, 다중-공명 구조를 강화시키기 위해선, 많은 전자 주개 및 전자 받개 원자가 도입이 되어야하며, 이는 결과적으로 콘쥬게이션 (Conjugation)을 증가시켜 최대 발광 피크를 적색 편이되도록 만듬. 우리는 다음과 같은 기존 전략을 탈피하여, 최대 발광 피크를 단파장으로 이동 시키고 역계간전이 속도를 개선하였음. 우선 도입된 원소의 전자 주개 및 전자 받개 능력을 감소시키는 전략을 도입함. 전자 받개 역할을 하는 붕소 화합물의 파라 위치에 전자 주개역할을 하는 메틸기를 도입하였고, 전자 주개 역할을 하는 질소의 오쏘 위치에 전기음성도가 큰 플루오린을 도입하여 전자주개 능력을 감소시켜 재료의 호모와 루모 사이 밴드갭을 증가시키는 방법을 사용하였음. 또한, 역계간전이 속도를 개선하기 위해 오비탈의 특성을 변경하여 전이속도를 개선하였음. 그 외에도, 프랭크-콘돈 이론 (Frank-condon theory)을 통하여, 진동 모드와 (바닥 상태와 여기 상태 사이) 구조적인 변화를 비교하여 다중-공명구조의 반치폭에 대한 연구를 진행함.
이번 성과는 어떤 점에서 혁신적인지? (성과의 혁신성)		1 기존의 방법으로 현안 도출, 해결방안 제시	2 기존 지식을 개선하는 발견/발명		3 알려진 방법으로 기존 지식을 근본적으로 개선	4 새로운 원리에 기반한 차세대 지식의 발견/발명		5 완전히 새로운 발견/발명
		현재까지, 고효율 특성과 NTSC 색좌표 만족을 동시 달성할 수 없었지만, 해당 성과는 두가지 경우를 동시 달성하였음. 그 외에도, 재료의 오비탈 특성을 변경시켜 역계간전이 속도를 개선하여, roll-off 특성을 개선시키는 연구 및 다중-공명구조 지연형광의 반치폭 개선에 대한 연구 진행.
이번 성과의 혜택이나 활용의 수준 (성과의 혜택 및 기대 파급효과)		1 기존에 제공가능한 혜택을 다른 방식으로 제공가능	2 기존에 제공 가능한 혜택보다 향상된 혜택을 제공		3 기존에 제공하지 못한 혜택을 제공	4 수요자의 이목을 끌만한 차별적인 혜택의 향상		5 새로운 지평을 개척할 수 있는 발명/발견
		고효율 및 고색순도의 진청색 특성으로 NTSC 색좌표를 만족하는 디스플레이에 적용가능
이번 성과가 후속 단계로 발전하기 위해 필요한 과제는? (후속연구 가능성)		- 장수명 소자를 위한 고순도 확보를 위한 합성법 개발 - BT2020 색좌표를 만족하는 장수명 소자 특성 확보를 위한 초형광 및 인광 감광형 형광 소자 연구
연구과정에서 어려웠던 점은 무엇이며 어떻게 극복하였는지?		붕소 합성의 어려움 및 높은 분자량으로 인한 순도 확보가 힘들었음. 이를 해결하기 위한 방안으로 각 합성 스텝 별 컬럼 크로마토그래피 진행 및 합성 경로 변경.

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‘연구내용 설명’작성 양식

* 스토리 작성을 위해 연구내용을 구체적으로 소개해주십시오.(2페이지 내외 권장)

□ 연구배경

○ 연구의 필요성이 드러나도록 넣어주세요. 해당분야 연구동향, 선행연구의 한계 등을 언급해주세요

유기발광다이오드는 전계 발광시 단일항과 삼중항이 1:3의 비율로 형성이 된다. 하지만, 기존 형광 도펀트들은 단일항에서 밖에 발광을 하지 못하며, 이는 소자로 하여금 낮은 효율 및 전력효율을 보줌. 하지만, 이를 해결하기 위한 방안으로 중금속을 활용하여 강한 스핀-궤도 결합(Spin-Orbit Coupling)을 유도하고, 이는 전계발광 소자 내에서 단일항 및 삼중항 여기자 모두를 사용하는 것이 가능하도록 만들었음. 따라서 높은 효율을 구현하였으며, 이는 높은 전력효율을 갖을 수 있도록 도움을 주었음. 이러한 중금속을 활용한 인광 도펀트들은 적색, 녹색의 경우 이미 상용화 되어있지만, 청색의 경우 도펀트들의 낮은 안정성으로 인해 수명이 짧아 사용되지 못하고 있음. 이에대한 새로운 전략으로 지연형광이 2012년 Adachi 등의 연구진으로부터 제안이 되었음. 지연형광은 기존 삼중항에 의한 발광을 보여주는 인광의 발광 매커니즘과는 다른 양상을 보여줌. 전자 주개와 전자 받개를 연결 시 입체장애를 주어 호모 (Highest Occupied Molecular Orbital)와 루모 (Lowest Unoccupied Molecular Orbital)를 분리시켜 분자내 전하이동 (Intramolecular Charge-Transfer, ICT) 특성을 도입하였고, 이는 단일항과 삼중항 사이에 에너지 차이를 감소시켜 상온 열에너지만으로 이를 극복하여 역계간전이 (Reverse Intersystem-Crossing, RISC) 속도를 촉진하여 중금속이 없이도 전계 발광시 삼중항 여기자를 사용하는 매커니즘을 제시하였음. 이는 중금속을 사용하지 않아도 된다는 점이 가장 큰 이점으로 작용하여 많은 연구가 진행되어 오고 있다. 여기자 수명은 EI-Sayed Rule을 도입함으로써 1us 이내로 감소하였지만, 반치폭이 넓어 낮은 색순도를 갖는다는 점이 지연형광의 가장 큰 단점이였음.

2016년에 Hatakeyama등의 연구진들은 붕소를 활용하여 다중-공명구조 지연형광 DABNA를 발표하였음. 다중-공명구조 지연형광은 기존의 지연형광과는 다르게 호모와 루모를 원자 단위로 분리시켜 단일항과 삼중항 사이 에너지 차이를 감소시켜 역계간전이를 유도했음. 해당 분자는 기존 지연형광 소자보다 상대적으로 낮은 13.5%의 외부 양자 효율, 460 nm의 스펙트럼 및 28nm의 좁은 반치폭 (Full Width Half Maximum, FWHM)을 가졌으며, 이는 기존 청색 형광과 비교하여도 상당히 좁은 반치폭 특성을 갖고 있음. 또한, 2019년 동일 연구실에서 Nature. Photonics에 게재한 v-DABNA는 이러한 다중-공명 구조를 강화시켜 반치폭을 기존 DABNA 대비 10nm 감소한 18nm를 가졌고, 지연형광 특성 또한 개선 되어서 소자 내에서 외부양자 효율 34.4%를 달성하였음. 하지만, 최대 전계 발광 스펙트럼이 469 nm를 보여 CIE 색좌표 (0.12, 0.11) 가져 NTSC 색좌표(0.14, 0.07)에 도달할 수 없었음.

2021년 Takuma등의 연구진들은 기존 v-DABNA에 있는 페닐아민 중 일부를 산소 및 황으로 치환하였고, 해당 방식으로 463(BSBS) ~445 nm (BOBO) 의 최대 전계 발광 스펙트럼을 보였음. 중원소인 황을 활용함으로써, 스핀-궤도 결합을 증가시켜 역계간전이 속도를 증가 시켰으나 역계간전이 속도가 개선된 만큼 계간전이 (Intersystem Crossing, ISC) 속도가 증가하여, 역계간전이/ 계간전이 사이 순환 수를 증가시켜, 결과적으로 지연형광 여기자 수명 시간을 감소시키지 못하였음. 따라서, 여전히 roll-off 비율 [{EQE(max)-EQE(1000nit)}/ EQE(max)]은 40%이상의 수준을 보이고 있음. (v-DABNA는 mCBP 호스트에서 39.4%) 또한, 황 대신 산소를 도입할 경우는 스팩트럼이 더 단파장으로 이동하였지만, 분자의 광발광효율이 기존 대비 절반 가량으로 감소하였고 이로인해 전계 발광 소자에서 상당히 낮은 외부 양자 효율을 보여주었음. (BOBO의 최대 외부 양자효율은 약 13%)

□ 연구내용

○ 연구방법, 연구절차, 기존 연구와의 차이점, 연구 핵심내용을 상세하게 넣어 주세요. 구체적인 수치 등을 포함해주시면 좋습니다.

* 전문용어 : 용어설명을 1～2줄 이내로 넣어 주세요.

기존 다중-공명구조 지연형광 소재 디자인에는 트레이드-오프 관계가 존재하였음. 다중-공명구조를 강화시키면 호모와 루모가 분리되어 단일항과 삼중항 사이 에너지 차이가 감소하여 지연형광 특성을 개선 시킬 수 있으며, 또한 진동-전자 상호작용을 감소시켜 반치폭을 감소시킬 수 있음. 하지만, 다중-공명 구조를 강화시키기 위해선, 많은 전자 주개 및 전자 받개 원자가 도입되어야 하며, 이는 결과적으로 콘쥬게이션을 증가시켜 최대 발광 피크를 적색 편이 되도록 만듬. 우리는 다음과 같은 전략에서 탈피해 기존 적색 편이된 발광 피크를 단파장으로 이동시키면서, 동시에 고효율 특성을 유지하였음. 또한, 역계간전이 속도를 가속화시켜 기존의 문제였던 roll-off 특성을 완화 시킴. 그 외에도, 프랭크-콘돈 이론을 통하여, 바닥 상태와 여기 상태 사이 구조적인 변화와 진동 모드의 상호작용을 통해 다중-공명구조의 반치폭에 대한 연구를 진행하였음.

기존 v-DABNA의 호모와 루모사이 밴드갭을 증가시키기 위해, v-DABNA에 도입된 원자의 전자 주개 및 전자 받개 능력을 치환기를 도입함으로써 약화시킴. 붕소의 파라 위치에 전자 주개인 메틸 그룹을 도입하여 전자 받개 특성을 약화 시켰고, 전자 주개인 질소의 오쏘 위치에 전기음성도가 강한 플루오린 원자를 도입하여 전자 주개 특성을 약화시킴. 이는 결과적으로 반치폭을 유지하며 밴드갭을 증가시켰고, 소자에서 461 nm의 최대 발광 피크, 18nm의 좁은 반치폭, NTSC를 만족하는 색좌표 (0.13, 0.06)를 얻을 수 있었고, 33.7%의 높은 외부양자효율을 달성하였음. 이는 기존 v-DABNA 대비, 최대 발광 피크가 7nm 정도 단파장으로 이동하였으며, CIE 색좌표 (0.12, 0.11)을 갖는 v-DABNA에 비해 상당히 개선되었음.

v-DABNA의 역계간속도 개선을 위한 연구를 진행함. 다중-공명구조 지연형광에 붕소 억셉터를 도입하여 분자 내 전하이동 특성을 갖는 소재를 개발하였음. 결과적으로, 스핀-궤도 결합이 개선되어 역계간속도가 v-DABNA 대비하여 25% 증가한 [eqn: 2.5 TIMES 10 ^{5}]/초를 보임. 이는 roll-off 비율[{EQE(max)-EQE(1000nit)}/ EQE(max)]이 40%인 기존 v-DABNA 보다 개선되어 36.9%를 보였음. 반치폭은 기존 v-DABNA 대비하여 11 nm정도 증가하였지만, 최대 발광 스펙트럼이 단파장으로 이동하여 460nm를 보여줌. 결과적으로 NTSC 색좌표를 만족하는 CIE 색좌표 (0.14, 0.07)을 보여줌.

그 외에도 DABNA 계열의 반치폭 개선에 대한 연구를 진행함. 해당 연구는 프랭크-콘돈 이론을 이용한 양자 시뮬레이션을 활용하여 반치폭을 분석하였음. Cz-DABNA는 박막에서 26nm의 반치폭을 보였으며, mICz-DABNA 및 DFCz-DABNA의 24nm의 반치폭을 보였음. 결과적으로, 메타 위치된 페닐인돌 혹은 디벤조퓨란의 도입은 분자의 구조적인 변화를 억제하였고, 그로인해 반치폭이 2 nm 정도 감소하는 모습을 보임.

*Roll-off: 유기발광소자에서, 고휘도에서 외부양자효율의 감소.

*NTSC: 가장 널리 사용하고 있는 색좌표계로 미국, 한국 및 일본에서 사용하는 표준 색좌표. 적색 (0.67, 0.33) 녹색 (0.21, 0.71) 청색 (0.14, 0.07)

*CIE 좌표: International Commission on Illumination(국제조명위원회)에서 국제 표준으로 제시한 색좌표

*cd/[eqn: m^{2 }](nit): 밝기를 나타내는 SI 단위

*스핀-궤도 결합: 전자의 오비탈 모션에 의해 전자의 스핀이 변화하는 현상.

*계간전이: 단일항의 여기자가 삼중항의 여기자로 전환되는 현상

*역계간전이: 삼중항의 여기자가 단일항의 여기자로 전환되는 현상

*콘쥬게이션: 단일(시그마) 결합-이중(파이) 결합이 반복되는 체인 또는 고리에서 나타나는 현상이며, 비어 있는 [eqn: {p}_{z}] 오비탈의 겹침으로 발생하며 결과적으로 1.5 결합이라고 불림. 일반적으로 콘쥬게이션 길이가 증가하면 밴드갭은 감소한다.

□ 기대효과

○ 연구 핵심내용 요약, 적용(응용)분야, 기대효과를 중심으로 넣어 주세요.

다중-공명구조 지연형광의 최대 발광 파장, 효율, roll-off 및 반치폭에 관한 연구를 진행함. 결과적으로 청색 NTSC 색좌표를 만족하는 고효율 특성을 지닌 다중-공명구조의 지연형광을 다수 개발하였고, 특허를 출원하였음. 해당 기술은 NTSC 색좌표를 만족하는 디스플레이에 적용이 될 수 있음.

[기대효과 기술적 측면]

- 지연형광 방식을 통해 내부 양자 효율을 인광물질과 같이 100%로 끌어올려 고효율의 순수 유기 재료 기술을 확보할 수 있고, 해외 의존적인 청색 재료 관련하여 경쟁력을 강화할 수 있음.

[기대효과 경제적 측면]

- 경제적 측면에서 현재 청색 발광층 관련 재료는 일본에서 거의 100% 독점 공급 중이므로 정치적 갈등이 생길 시 이를 무시로 삼은 전적이 있는음. 따라서 본개발은 무역 전쟁 등의 리스크 감소 및 안정적인 산업 생태계 구축을 가능하게 할수 있음. 또한 소재의 국산화 및 자립화를 통해 차세대 기술에 대한 잠재적 위험성을 줄일 수 있음.

-소재의 국산화 및 자립화를 통한 차세대 기술에 대한 잠재적 위험성 감소

-패널회사의 경우, 해외 재료 회사에 투자했던 금액을 국내로 돌릴 수 있고, 이는 우리나라 중소/중견 재료기업의 성장을 촉진 시킬 수 있음

[기대효과 사회적 측면]

-로열티 ㅂ지불 비용 등의 감소로 재료비 및 생산원가 절감의 효과를 볼 수 있으며, 이는 국내 제조 회사들의 이익 증가로 이어질 수 있고, 소비자 또한 좀 더 저렴한 가격으로 제품을 공급받을 수 있게됨

-국내 재료 기업 및 패널 기업의 이익 증가로 고용 창출의 효과

< 양식1 사례 >

한국연구재단 중견연구자지원사업 지원 성과

<1초에서 2주로! 느려진 응집 속도, 치매치료제 개발 열쇠 되나>

(사진제공 : 필요시)

지원사업
과제명			고차원 자기조립 인공단백질 소재의 개발 (2017R1A2A2A05069773_연구책임자 〇〇대 〇〇〇)
연구자			〇〇〇 〇〇대학교 〇〇〇학과 교수
성과	구분		예 : 논문발표
	논문제목/ 저널명
	임팩트 팩터
성과요약
성과 요약		치매 단백질로 대표되는 베타시트 구조의 자가조립 과정 지연화 기술 - 1초 이하에 일어나는 단백질 응집 과정을 2주 이상 지연이 가능 - 기존에는 관찰이 어려웠던 자가조립 과정 중 중간체를 손쉽게 포착하고 분리하는 것이 가능 단백질 형성과정 이해의 핵심적인 중간체 구조에 대한 분석이 가능해지면서 이를 응용한 저해제 개발 등 다양한 분야에 영향을 미칠 것으로 기대 이외에도 분리된 중간체를 이용, 새로운 NMR-RDC 정렬 소재 개발 등 새로운 응용 분야로의 확장이 가능
연구를 시작한 계기나 배경은?			생명체들의 생명 활동을 조절하는 여러 단백질들의 기능과 특성은 구조와 형태와 밀접하게 연관되어 있는데, 아직까지 그 구조나 그 형성 과정에 대해서는 풀리지 않은 수수께끼가 많습니다. 짧은 단백질인 펩타이드의 응집 자가 조립과정을 이해한다면 치매 단백질을 포함한 여러 단백질의 구조 형성 과정에 대한 실마리를 찾을 수 있을 것이라 생각했습니다.
기존 지식/기술과 어떻게 차별화되나? (성과의 차별성)			1 선진연구 추격	2 선진연구와 경쟁	3 세계최초 구현
			단백질의 구조형성은 극단적으로 짧은 시간 안에 일어난다는 특징이 있으며, 이러한 짧은 형성 시간은 단백질의 구조형성과 그 작동원리를 자세히 분석하는 데에 가장 큰 어려움 중 하나였습니다. 이번 연구에선 치매 관련 단백질의 응집 과정을 2주 이상으로 늘릴 수 있는 기술을 이용해 구조형성 과정을 포착함과 동시에 중간 구조체를 분리해낼 수 있었습니다. 중간체에 관한 연구는 단백질의 구조와 형성에 대한 자세한 정보를 제공해줄 것입니다.

이번 성과는 어떤 점에서 혁신적인지? (성과의 혁신성)	1 기존의 방법으로 현안 도출, 해결방안 제시	2 기존 지식을 개선하는 발견/발명	3 알려진 방법으로 기존 지식을 근본적으로 개선	4 새로운 원리에 기반한 차세대 지식의 발견/발명	5 완전히 새로운 발견/발명
	기존 치매단백질 구조 연구들은 대부분 최종 구조 그 자체에만 초점이 맞춰져 있었으며, 십만분에 일초 이하의 빠른 속도로 변하는 중간체를 관찰하는 것은 거의 불가능하였습니다. 본 연구는 구조적 특이성은 제공해주면서도 물성은 동일한 아미노산의 광학 이성질체를 사용하여 일반적인 환경조건 하에서의 구조형성을 상당히 지연시킬 수 있었다는 것이 특징입니다. 이를 통해 포착하기도 어려웠던 중간 구조체를 직접 분리, 연구가 가능해졌습니다.
이번 성과의 혜택이나 활용의 수준 (성과의 혜택 및 기대 파급효과)	1 기존에 제공가능한 혜택을 다른 방식으로 제공가능	2 기존에 제공 가능한 혜택보다 향상된 혜택을 제공	3 기존에 제공하지 못한 혜택을 제공	4 수요자의 이목을 끌만한 차별적인 혜택의 향상	5 새로운 지평을 개척할 수 있는 발명/발견
	일반적인 환경하에서 일어나는 구조형성 과정을 직접 연구할 수 있게 되어 단백질 접힘 과정에 대한 보다 상세한 이해와 접근이 가능하게 되었습니다. 이를 통해 베타 아밀로이드로 대표되는 치매 단백질의 형성을 억제하거나 방해하는 저해제 연구 개발에 응용이 가능합니다. 중간 구조체를 직접 분리하는 것이 가능해짐에 따라, 이를 응용한 새로운 NMR-RDC 측정용 소재 개발 등 기존에 시도하지 못한 새로운 신소재 개발 분야로의 응용도 가능합니다.
이번 성과가 후속 단계로 발전하기 위해 필요한 과제는? (후속연구 가능성)	이번 연구결과는 베타 아밀로이드 단백질의 구조형성 과정을 따르는 짧은 펩타이드를 사용했습니다. 여러 단백질에 대한 일반적 적용을 위해서는 다양한 단백질 서열에 대한 실험 수행이 필요합니다. 구조형성을 방해하는 저해제 연구를 위해서는 분리된 중간체에 대한 정밀 구조 분석 후, 베타 아밀로이드를 타겟으로 하는 치료 펩타이드의 적극적인 개발이 필요합니다.
연구과정에서 어려웠던 점은 무엇이며 어떻게 극복하였는지?	단백질 및 펩타이드의 구조를 분석하거나 예측하는 것은 현대 계산과학의 발달에도 불구하고 아직까지 미답의 영역이 많이 존재하는데, 이러한 부분을 경험적 측면에서 메꾸는 것은 연구의 시간적, 물적 요소의 소모가 심한 일이었습니다. 또한 이번 연구에서 사용한 아미노산의 광학 이성질체의 경우, 기존의 방식이 대부분 한가지 이성질체만을 대상으로 했기에 구조 분석 및 결과 예측에 애로사항이 있었습니다.

※ Q&A 연구자 작성

< 양식 2 사례 >

연구내용 설명

□ 연구배경

○ 연구의 필요성이 드러나도록 넣어주세요. 해당분야 연구동향, 선행연구의 한계 등을 언급해주세요

현대의 의학 과학 기술의 발전에도 아직까지 극복되지 못한 알츠하이머성 뇌질환은 베타 아밀로이드라는 단백질의 뇌내 축적이 문제의 원인으로 지목되어져 왔음. 베타 아밀로이드 단백질의 뇌 내 축적은 잘못된 단백질의 접힘 과정으로 인한 특이적 구조 형성으로 인해 단백질끼리 서로 뭉쳐지면서 발생하는데, 이러한 베타 아밀로이드의 자가 조립된 구조체는 대부분 '베타 시트'라 하는 단백질의 일반적인 구조 단위체로 이루어진 것으로 확인되어 있음. 따라서 베타 시트 구조의 형성과 그 과정을 이해하는 것은 알츠하이머 난치병 해결을 위한 근본적인 접근이라 할 수 있음. 또한 베타 아밀로이드를 비롯한 여러 단백질들이 공통적으로 포함하고 있는 기본 구조 단위체 대한 연구는 생체 내 단백질의 구조와 기능에 대한 근본적인 이해의 기반을 제공한다고 할 수 있음. 이러한 중요성에도 불구하고 단백질 자가 조립 구조의 형성은 수 마이크로 초 ~ 수 밀리 초 단위의 극히 짧은 시간 안에 일어나는 것으로 알려져 있어 자가 조립과정의 진행을 포착하기 매우 어렵고 자가 조립과정 중 중간 구조를 분석하는 것은 더더욱 어렵다는 한계점을 지니고 있음. 이러한 이유로 기존의 자가 조립과정에 대한 연구는 대부분 과정 이후에 만들어지는 최종 구조체에 대해 초점이 맞춰지고 있으며 보통 자가 조립된 구조체는 일반적인 단백질이나 생체 유래 물질보다 크기가 상대적으로 크기 때문에 구조 분석을 위한 접근법도 제한적으로 이루어지고 있음. 구조 형성 과정 자체에 초점을 맞춘 이전의 연구들도 느린 자가 조립과정 유도를 위해 유기용매 또는 계면활성제를 사용하거나 pH 및 온도 조절을 이용해 특정한 환경조건을 이용하는 것이 일반적임. 그러나 이 또한 실험을 위해 조성된 특이적 환경 조건이 자연계에서 자가 조립이 일어나는 환경을 대표하기 어렵다는 한계점이 존재함.

□ 연구내용

○ 연구방법, 연구절차, 기존 연구와의 차이점, 연구 핵심내용을 상세하게 넣어 주세요. 구체적인 수치 등을 포함해주시면 좋습니다.

* 전문용어 : 용어설명을 1～2줄 이내로 넣어 주세요.

단백질은 아미노산으로 이루어진 중합체가 접힘이라는 과정을 통해 특정 기능을 수행하는 구조를 형성한 물질이라고 볼 수 있음. 아미노산은 같은 분자 성분을 가지고 있음에도 3차원 공간상으로 거울상을 갖는 L형과 D형 2가지 형태의 이성질체가 존재함. 자연계의 생명체가 사용하는 대부분의 단백질은 그 중 하나인 L형의 아미노산만을 이용하여 구성된 것이 일반적임. 본 연구진은 D형 아미노산이 일반적인 L형 아미노산과 동일한 분자 성분을 가지고 있기에 분자 간 상호작용 종류는 변하지 않으면서 펩타이드 단위체의 3차원 구조에 특이성을 제공할 수 있음에 주목하였음. 이번 연구에선 D형 아미노산을 일반 펩타이드 서열에 부분 도입하여 두 종류의 거울상 이성질체를 모두 포함하는 헤테로 키랄 펩타이드를 제작하였고 제작된 펩타이드는 생체 내의 일반적인 환경과 동일한 수용성 환경에서 자가 조립 과정을 통해 L형 아미노산만으로 구성된 펩타이드와 유사한 최종 응집체를 생성하는 것을 확인함. 헤테로 키랄 펩타이드가 기존의 L형 펩타이드와 동일한 상호작용 경향성을 제공하는 점과 WAXS (Wide-Angle X-ray Scattering) 분석을 통해 확인한 최종 응집체의 구조 정보 유사성을 고려할 때 동일한 베타시트 자가 조립 과정을 수행하는 것으로 판단됨. 단 헤테로 키랄 펩타이드의 자가 조립 과정은 일반 펩타이드의 자가 조립 과정이 1초 이내의 극히 짧은 시간 안에 진행되는 것과 비교하여, 훨씬 긴 약 2주의 기간에 걸쳐 느리게 진행되는 것이 확인됨. 느리게 진행되는 자가 조립 과정은 일반적으로 관찰하는 것조차 어려운 구조 중간체의 분리를 가능케 했으며, 분리된 중간체는 자가 조립의 최종 형태와는 다른 비등방적 구조를 가지는 것이 확인됨. 또한 중간체의 구조가 비등방성을 가진다는 점에 착안하여, 본 연구팀은 NMR 분광법 (Nuclear magnetic resonance spectroscopy)을 사용하여 분자의 RDC (Residual Dipolar Couplings) 측정에 사용되는 새로운 정렬 매개체 소재로 사용이 가능함을 확인함.

* 펩타이드 : 약 50개 이하의 아미노산으로 구성된 짧은 단백질.

* 거울상 이성질체 : 같은 구성성분으로 이루어져 있으나 3차원 공간상에서 거울에 비춘 이미지처럼 반전된 구조를 가진 분자 간의 관계를 말함. 다른 말로 광학 이성질체.

* 키랄 : 광학 이성질체를 가질 수 있는 특성을 말함.

* WAXS : X선 회절 분석법의 일종으로 보통 나노미터 이하의 구조 정보를 확인하는데 사용하는 분석법.

* NMR : 고 자기장 하에 놓인 분자에 전자기파를 가해 이에 공명 반응하는 주파수 위치를 확인하여 분자의 구조를 확인하는 분석법. 분자의 구조와 포함된 작용기에 따라 다른 주파수 영역에서 반응한다.

* RDC : 분자가 가진 쌍극자 모멘트 간의 상호작용. 수용액 상의 분자의 경우 상쇄되어 0으로 수렴하나, 일부분 정렬된 분자 간의 상호작용은 상쇄되지 않아 이를 통해 구조에 대한 정보를 얻어낼 수 있음.

* NMR-RDC : NMR 분광학을 위해 분자 간의 RDC를 측정하는 방법. 이를 위해 수용액 상의 분자의 정렬을 도와줄 텐서 역할을 하는 정렬용 매개체 물질이 필요함.

□ 기대효과

○ 연구 핵심내용 요약, 적용(응용)분야, 기대효과를 중심으로 넣어 주세요.

베타 아밀로이드 등의 치매 단백질뿐만 아니라 단백질의 잘못된 구조 형성이나 단백질 분자간의 자가 조립 과정 자체가 질병의 핵심 원인인 경우가 계속 밝혀지고 있는 상황에서, 이러한 자가 조립 과정을 이해하고 조절하는 것에 대한 관심과 중요도는 증가하고 있음. 현재까지의 치매 단백질 구조에 대한 치료제 연구는 대부분 원인 물질의 최종적인 형태나 구조에 초점을 맞추고 있었으며, 그 형성 과정에 대한 연구는 부족한 실정임. 본 연구는 기존에 수행된 연구에서 제안한 비자연적 환경조건을 사용한 것이 아닌 일반적인 환경에서 느린 자가 조립과정, 즉 구조 형성 과정을 유도하는 것에 성공하였음. 이러한 연구적 성취는 아미노산 종류의 변화없이 광학 이성질체를 이용해 결과를 얻을 수 있었다는 것이 특징임. 느린 자가 조립 과정을 유도하는 기술과 자가 조립 중간체에 대한 연구는, 분자의 구조 형성과정 자체에 대한 기초과학적 정보를 제공해줄 뿐만 아니라 단백질 중간체를 타겟으로 하는 약물 개발로 이어질 수 있음. 특히 알츠하이머 치매의 원인 물질로 생각되는 베타 아밀로이드 단백질이 본 연구에 사용된 펩타이드와 동일한 자가 조립 과정을 이용하는 것이 알려져 있어 베타 아밀로이드의 자가 조립 중간체를 타깃으로 하는 신개념의 약물 개발의 실마리를 제공할 수 있음. 이 밖에도 자가 조립 과정 중 분리된 중간체가 최종 응집체와 다른 형태와 특성을 가지는 것을 확인함에 따라 여러 단백질의 중간 구조체에서 기존에 알려지지 않은 새로운 특성을 발견할 가능성이 존재함. 본 연구에서 자가조립 중간체를 이용해 새로운 NMR-RDC 측정용 정렬 매개체 소재로의 이용 가능성을 확인한 바와 같이 전혀 새로운 분야로의 응용을 기대할 수 있음.

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