□ 연구개발 목표 및 내용 ◼ 최종 목표 ◯ Al-B₄C 기반 중성자 흡수재 성능 평가 방법론 개선 - 기존 시험 방법론 한계점 분석 및 흡수재 열화거동 분석 선행연구 결과 분석을 통해 사용후핵연료 습식/건식 저장시설 내 흡수재 복합열화기구 모사가 가능한 개선방안 제시 ◯ 성능 평가 방법론 개선안 활용 중성자 흡수재 장기·고온 안전규제 기반자료 생산 - (사용후핵연료 습식저장조 환경) 중이온 가속기를 활용하여 중성자유도핵반응(¹⁰B(n, α)⁷Li)에 의한 흡수재 조사손상을 모사하고, 가속부식실험을 연속적으로 수행하여 복합 열화에 의한 장기 열화 거동 분석 수행 - (사용후핵연료 건식저장시설 환경) 건식 저장용기 내 복합열화 환경 (고온, 방사선, 잔존 수분 등) 하 흡수재 복합열화 모사를 위해 고온 조사실험 및 고온/습윤 부식실험 수행하여 고온 열화기구 규명 ◯ 국내 중성자 흡수재 평가 시험기반 마련 - (국내 가속기 시설 활용 조사손상 모사실험 수행방안 제시) 중성자유도핵반응에서 방출되는 고에너지 알파 입자와 리튬이온에 의한 조사손상 모사를 위해 KOMAC 등 국내 중이온 가속기 시설을 활용한 상온/고온 조사실험 방안 제시 - (중성자 흡수재 가속/고온 부식 모사실험 시설 구축) 조사손상 모사시편을 활용한 흡수재 장기·고온 부식열화 거동 모사를 위해 국내 사용후핵연료 습식 저장조 및 상용 건식 저장용기 내부 환경 모사가 가능한 가속/고온·습윤 부식루프 구축 - (표준물질(ZrB₂) 제작 및 열중성자 흡수능 데이터베이스 구축) 조건별 (두께 및 ¹⁰B 면밀도) 표준물질 시편 제작 및 국내 열중성자 발생장치 활용 중성자 흡수능 데이터베이스 구축을 통한 국내 중성자 흡수재 흡수능 평가 시험기반 마련. ◼ 전체 내용 ○ 연구 필요성 - (사용후핵연료 건식 저장시설 건설 임박) 한국원자력환경공단(KORAD)에서 2023년 발표한 ‘방사성폐기물 관리시행계획’에 따라 사용후핵연료 저장용량 확보를 위해 20년 이내 건식 중간저장시설 확보를 계획하고 있으며 [1], 건식 저장용기 내 미임계 유지를 위해 필수적인 중성자 흡수재는 미국/일본 등에서 널리 사용 중인 Al-B₄C 기반 상용 중성자 흡수재가 도입될 것으로 추측됨. - (중성자 흡수재 국내 규제기반 미비) 국내 습식저장조 내에서 사용 중인 중성자 흡수재 설계수명은 흡수재 제조사 자체 실험결과에 근거하였으며, 안전관리는 원전 사업자 내부 지침에 의거하여 수행하고 있어 [2] 국내 규제기준이 미비한 실정임. 또한, 근시일내 건설 예정인 건식 저장시설 환경을 반영한 중성자 흡수재 고온·장기 안전관리 및 규제 방안의 선제적 설정을 위한 기반자료 마련이 시급한 상황임. - (열화 흡수재 시편 조기열화 현상 관측) 습식 저장환경 하열화 흡수재를 분석한 선행연구는 흡수재 주요 열화 요인으로 중성자유도핵반응 (¹⁰B(n, α)⁷Li)에 의한 흡수재 표면공극률이 증가와 그에 따른 표면 부식이 가속화 현상을 제시하였음 [3]. 또한, 흡수재 조사가속부식 등 복합열화기구에 의한 흡수재 표면 점부식 현상 및 표면 B₄C 입자 유실 등에 의한 흡수능 저하 등 흡수재 조기열화 현상을 보고하였음. - (국내 중성자 흡수재 안전규제 근거자료 부족) 본 연구는 Al-B₄C 기반 중성자 흡수재 조기열화 현상의 원인을 기존 시험 방법론의 한계로 상정하고, 기존 방법론을 활용하여 설정된 설계수명에 대한 재평가가 필요하다고 판단하였음. 또한, 전 세계적으로 제한적으로 수행된 건식 저장환경 하흡수재 열화 관련 연구로 인해 정확히 분석되지 않은 흡수재 고온 복합열화 기구를 규명하고자 함. ◯ 연구 동향 - (국내 사용후핵연료 저장처분 핵심기술개발 연구) 과기정통부/산업부/원안위에서 공동 주관하여 수행 중인 연구사업은, 사용후핵연료 저장처분 안전성 확보를 위해 계획되었지만, 최근 연구를 통해 밝혀진 중성자 흡수재 조기 열화 및 흡수능 저하 현상’을 반영한 저장·처분 시설 장기 건전성 저하 가능성이 고려되지 않음. - (건식 저장시설 내 Al-B₄C 흡수재 열화거동 분석 연구) 미국 미시간 대학교에서 상용 Al-B₄C 기반 중성자 흡수재 2종(BORAL/BORTEC)을 활용한 조사실험 및 고온 부식시험을 수행하여 B₄C 입자 유실 가능성을 제시하였으나 [4], 지나치게 보수적인 실험조건을 채택하여 건식 저장용기 내 흡수재 열화거동을 정확히 평가하였다고 보기 어려움. - (국내 건식저장 용기 및 중성자 흡수재 개발 현황) 한국원자력환경공단 (KORAD)이 주관하여 중간저장 용 금속 건식 저장용기를 개발하여 국내 인허가 획득을 목표로 연구를 수행 중임. 또한, 한국원자력연구원 (KAERI)에서 기존 Al-B₄C 기반 흡수재 한계점 보완을 위해 티타늄 기반 중성자 흡수재를 개발하였으나, 추가 실험 검증이 필요한 상황임. ◼ 1단계 ❏ 목표 ○ Al-B₄C 기반 흡수재 장기·고온 안전성 평가실험 방법론 개선안 제시 및 평가실험 기반 마련 ❏ 내용 ○ Al-B₄C 흡수재 열화시편 활용 장기 안전성 평가실험 설계 - 조사손상 모사 실험조건 설정 및 조사손상 모사 시편 생산 • 실험조건 설정: (조사손상도: 10 dpa) 열화 흡수재 미세구조 내 헬륨 버블 형상 분석을 통해 설계수명 내 최대 10 dpa가 누적될 것으로 판단하고 조사손상도 조건을 설정함. • 헬륨 이온 조사실험 수행: 중성자유도핵반응에서 방출된 고에너지 헬륨 입자 및 리튬이온에 의한 흡수재 조사손상 모사를 위해 중이온 가속기를 활용하여 상온 조건에서 160 keV 헬륨 이온 조사실험 수행. - 조사손상 모사시편 활용 가속 부식실험 조건 설정 및 수행 • 가속부식 실험조건 설정: 국내 가동원전 내 사용후핵연료 저장조 환경 (수화학 조건, 온도 등)을 모사하여 수화학 조건을 (붕소 및 리튬 농도 등) 설정. 또한, 최대 가속배수 활용이 가능한 온도 조건 (90 ℃)을 채택함. • 가속부식루프 설계 및 구축: 실험 장치는 예열기, 냉각수 탱크, 항온수조, 열교환기 및 펌프와 다수의 열전대로 구성하였으며, 주기적으로 실험수를 채취하여 화학 분석이 가능하도록 설계함. • 가속부식실험 수행: 습식저장조 내 중성자 흡수재 장착 환경을 모사하기 위해 실제 내부 구조물과 같은 재질인 스테인리스강으로 제작된 시편 홀더를 설계하고 내부에 시편을 장착하여 부식실험을 수행함. ○ Al-B₄C 기반 중성자 흡수재 고온 복합열화 모사실험 설계 - 중성자 흡수재 고온 조사손상 모사실험 조건 설정 및 수행 • 실험조건 설정: (조사손상도: 0.01, 0.1, 1 dpa/ 온도: 상온, 150, 270, 400 ℃) 사용후핵연료 건식 저장시설 내 온도 및 중성자 선속 측정 결과를 기반으로 온도변화와 설계수명 내 조사손상도 누적량을 계산한 선행연구를 참고하여 온도 및 조사손상도 조건을 설정함. • 고온 중이온 조사실험 수행: 국내 중이온 가속기 시설 내 고온 이온 챔버를 활용하여 직접 제작한 전용 시편홀더에 시편을 장착하고 총 12가지 실험조건에서 고온 헬륨 이온 조사실험을 수행함. - 고온/습윤 가스부식실험 조건 설정 및 부식루프 설계 • 실험조건 설정: 온도는 조사손상 모사실험 온도와 동일하게 설정하고, 습도 조건은 사용후핵연료 집합체 건조 조건과 대표적인 저장 용기 내부 체적을 기준으로 계산하여 보수적인 값을 채택함. • 고온/습윤 가스부식루프 설계: 장치는 고온 조건에서 일정한 온도와 습도를 유지할 수 있도록 헬륨 질량조절기(MFC), 물 정량펌프, 기화기, 예열기, 반응 용기 등으로 구성하였으며, 내부 온도 및 습도를 실시간으로 측정하기 위해 다수의 열전대와 습도계를 장착함. ◼ 2단계 ❏ 목표 ○ 사용후핵연료 습식/건식 저장시설 내 Al-B₄C 기반 흡수재 열화 거동 분석 및 기구 규명을 통한 안전규제 기반자료 생산 ❏ 내용 ○ 열화 흡수재 시편 활용 습식저장조 내 장기 열화 거동 분석자료 생산 - 열화시편 활용 추가 조사손상 모사 및 가속 부식실험 수행 후 특성 변화 분석결과: • 중이온 조사 후 열화 흡수재 시편 산화층의 다공성 구조에 의해 헬륨 버블이 형성되지 않고 다량의 공극이 관측되었음. 또한, 가속부식실험 수행 후 전반적으로 다공성 형태의 Al 산화막이 관측되었으며, 일부의 흡수재 시편 표면에서 붕소 고착물로 추정되는 물질이 확인됨. 알루미늄 합금 기반재료 내 Al, Mg 산화 및 용출로 인해 국부적으로 수십~수백 μm 정도의 점부식이 다수 확인됨. - (분석결과 시사점) 부식 기간 증가에 따라 감소한 흡수재 무게 및 pit 깊이로 보아 흡수재 표면에서의 B₄C의 탈락 가능성이 확인되었음. 또한, 표면에서 다수 관측된 점부식으로 인한 국부적 중성자 흡수능 저하 현상에 대한 고려가 필요할 것으로 판단됨. ○ Al-B₄C 기반 중성자 흡수재 고온 열화 기구 규명 - 고온 조사손상 모사 및 고온/습윤 가스부식 실험 수행 후 특성 변화 분석결과: • (고온 중이온 조사 후) 매우 낮은 조사손상도 조건 (0.01 dpa)부터 헬륨 버블이 형성되었으며, 조사 온도가 증가함에 따라 헬륨 버블 평균 크기가 증가하고 수밀도가 감소하는 경향성이 관측되었음. 또한, 고온 조건 및 미세구조 내 경계면 (탄화붕소 입자-기반재료 경계면 및 결정립계)에서 헬륨 버블이 더욱 응집하고 성장한 것을 확인하였음. • (조사손상 모사시편 활용 고온/습윤 가스 부식실험 수행 후) 고온 부식 후 헬륨 버블의 평균 크기가 증가하였으며, 특히 경계면에서 더욱 응집하여 성장한 것이 관측되었음. 또한, 고온/습윤 환경 하 흡수재 입계부식 거동이 확인되어 조사손상 누적으로 인한 탄화붕소 입자 주변 다공성 구조에 의해 부식층 성장이 가속화될 가능성을 확인하였음. - (분석결과 시사점) 사용후핵연료 건식저장 초기부터 흡수재 기반재료 내 헬륨 버블 누적 및 성장이 시작될 수 있으며, 조사손상이 흡수재 부식을 가속화하고, 흡수재 부식에서 생성된 수소 기체가 헬륨 버블을 성장시키는 등 복합열화에 의한 흡수재 조기열화 가능성이 고려되어야 함. ○ Al-B₄C 기반 중성자 흡수재 시험 방법론 개선안 검증 - (고온 조사손상 모사시험 필요성 확인) 상온 조사실험 수행 후 열처리를 수행한 선행연구 결과와 비교분석을 통해 뚜렷한 조사손상 거동 차이가 확인되어 고온 조사실험(in-situ high T. irradition) 필요성이 확인되었음. - (시험 방법론 개선안 활용 복합열화기구 모사 가능성 확인) 고온/습윤 부식시험 수행 후 성장한 버블 내에서 알루미늄 부식 반응에서 생성된 수소 기체가 발견되는 등 기존 방법론에서 발견되지 않았던 복합열화 거동이 관측되어 개선안 활용 복합열화기구 모사 타당성이 검증되었음. ❏ 목표 ○ 국내 중성자 흡수재 성능 평가 실험기반 마련 ❏ 내용 ○ 표준물질 제작 및 중성자 흡수능 데이터베이스 구축 - (붕소 (¹⁰B) 면밀도별 표준물질 시편 제작 및 가공) 표준물질(ZrB₂) chunk 제작의뢰 및 구매 후 방전가공(EDM: Electrical Discharge Machining) 공정을 활용하여 시편 절단 및 붕소 면밀도별 시편 생산 - (조건별 표준물질 열중성자 흡수능 데이터베이스 구축) KRISS 열중성자 발생장치를 활용하여 열중성자 투과시험을 수행하였으며, 흡수재 시편 두께에 따른 열중성자 흡수능 변화를 고려하여 표준물질 시편에 알루미늄판을 덧대어 두께별 열중성자 흡수능 측정 결과를 도출하였음. □ 연구개발성과 ○ 정성적 성과 - 사용후핵연료 저장시설 내 Al-B₄C 기반 중성자 흡수재 성능 평가 시험 방법론 개선방안 제시 및 검증 - 국내 입자 가속기 활용 중성자 흡수재 조사손상 모사실험 방안 제시 및 검증 - 사용후핵연료 습식저장조 내 중성자 흡수재 장기 열화 거동 데이터베이스 구축 - 사용후핵연료 건식저장 용기 내 중성자 흡수재 고온 열화 기구 규명 - 국내 Al-B₄C 기반 중성자 흡수재 평가 실험기반 마련 ○ 정량적 성과 - 사용후핵연료 습식 저장조 환경 반영 가속 부식루프 구축 - 사용후핵연료 건식 저장시설 환경 반영 고온 부식루프 구축 - 붕소 함유량별 표준물질 시편 제작 및 열중성자 흡수능 데이터베이스 구축 - 안전기술보고서 (N-STAR): 8편 - SCI 논문: 3편 - 국내·외 학회 논문 발표: 7건 - 원자력 공학박사 배출: 2명 □ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과 ◯ 국내 사용후핵연료 중간저장시설 특성을 고려한 중성자 흡수재 장기 안전성 평가 기준 제시 - 사용후핵연료 습식저장조 내 흡수재 장기 안전관리 및 규제 근거자료로 활용 - 사용후핵연료 건식저장시설 내 흡수재 안전관리 및 규제 근거자료로 활용 ◯ 가동 원전 경년열화관리계획 평가 세부사항 항목에 새롭게 추가된 중성자 흡수재 감시를 위한 평가 시 참고 및 기준자료로 활용 - ¹⁰B 면밀도 및 흡수재 두께별 열중성자 흡수능 데이터베이스 활용 중성자 흡수능정기 평가 수행 ◯ 국내 사용후핵연료 저장시설 확대로 인한 추가 중성자 흡수재 도입 및 중성자 흡수재 국산화 연구수행 시, 흡수재 평가 시험 실험기반으로 활용 ◯ 본 연구실에서 개발된 ‘사용후핵연료 저장조 장기 안전관리용 전산모사 코드’비교·검증자료로 활용 (출처 : 요약문 2p)

• 연구책임자 : 안상준
• 주관연구기관 : 울산과학기술원
• 발행년도 : 20250100
• Keyword : 1. 사용후핵연료 저장시설;중성자 흡수재;중성자 흡수능;조사가속부식;장기 안전성; 2. Storage of spent nuclear fuel;Neutron absorber;Neutron absorbing performance;Irradiation-accelerated corrosion;Long-term safety;

□ 연구개요 수막종은 성인에서 가장 흔한 원발성 뇌종양이며 세계 보건기구 조직 병리학 적 기준 (WHO 1 등급) 에의해 대부분 양성으로 간주됩니다. 현재 의료 영상은 수막종을 포함한 CNS 종양의 감별 진단 및 치료 계획에서 근본적인 역할을 합니다. 작고 안정적이며 양성인 수막종으로 판단되면 긴 추적 기간 동안 관찰되는 대기 및 관찰 방법이 이상적이며 비용을 절약 할 수 있는 옵션이 될 수 있습니다. 반면, 크기가 작더라도 성장 속도가 빠르거나 유전형 검사에서 악성 종양이 의심되는 경우 조기 수술 절제를 적극 권장합니다. 수술의 대안으로 방사선 요법이 수막종의 1차 치료로 수행되기도 합니다. 방사선 요법은 종양이 시신경 수막종과 같은 중요한 신경이나 혈관에 너무 가까워서 일부 절제 할 수 없는 경우, 환자의 수술에 대한 걱정, 혹은 환자의 열악한 건강 상태에 대한 우려로 인해 수술을 받을 수 없는 경우에 종종 시행됩니다. 또한 수막종이 불완전하게 제거되었거나, 높은 등급 및 재발성 종양의 경우, 방사선 요법은 대부분 남아있는 종양 세포를 파괴하고 성장이 재발하는 것을 방지하기 위한 보조 요법으로 수행됩니다. 종양의 영상 특성은 정량적 및 정성적 측정을 사용하여 설명할 수 있습니다. 새롭게 떠오르는 분야 인 Radiomics는 고차원 이미지 정보를 여러 계산 알고리즘을 통해 풍부한 수학적 데이터로 변환합니다. Radiomics는 활발한 임상 사례에 대해서 자동적이며, 재현이 가능하고 및 오류가 없는 평가를 촉진하는 영상 지도를 만들기 위해 대규모 이미징 기능을 활용하는 데 초점을 맞춘 새로운 정량 이미징 분야입니다. 상대적으로 제한된 인간의 시각적 관찰에서 주관적이고 정성적인 해석보다는 영상 데이터를 해석하는 객관적이고 정량적 인 접근 방식을 제공합니다. 이에 비해 영상학적 특징은 영상의학과 전문의가 시각적으로 평가하는 종양 특성 (예: 신호 강도, 뼈 침습, 괴사)입니다. 실제로 영상 분석을 통해 생성되는 엄청난 양의 정보는 시각적으로 인식 할 수 없는 조직 병리학 적 종양 정보에 대한 영상학적 정보를 제공하며 진단, 치료 및 예후에 적용할 수는 기술적 기반을 제공합니다. 우리가 아는 한, 영상 또는 조직 특성 분석을 기반으로 뇌수막종에서 방사선 치료 후 변화를 평가한 연구는 지금까지 보고 된 바가 없습니다. 우리는 일반적인 조영 증강 MRI를 기반으로 방사선 치료 후 수막종의 영상학적 정보 및 영상 특성 변화를 조사하려고 합니다. □ 연구 목표대비 연구결과 관찰군과 방사선 치료군 두 그룹 사이의 수막종의 최대 면적과 직경의 방사선학적 차이는 통계적으로 유의했습니다. 방사선 치료군에서 종양이 감소했습니다. 훈련 세트에서 총 241개의 시리즈와 1691개의 라디오믹스 특징이 추출되었습니다. 단변량 분석에서 24개의 라디오믹스 특징이 두 그룹 간에 유의하게 달랐습니다(P<0.05). 최상의 하위 집합(subset)은 AUC가 0.87인 original-based feature 1개, fisr-order based feature 3개 및 wavelet based features 6개로 다변량 분석에서 유의미한 차이(P < 0.05)를 나타냅니다. 모델을 적용했을 때 AUC는 training set과 validation set에 대해 각각 0.76과 0.79였습니다. 수막종의 경우 방사선 치료 후 더 나은 크기 감소를 기대할 수 있다. MRI를 이용한 라디오믹스 모델은 방사선 치료 후 radiomic features에 상당한 변화를 보였습니다. □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) 1) 기대효과 수막종에 대한 방사선 치료는 양성 수막종 (WHO grade 1)에 대한 크기억제에 효과가 있으나 anaplasticor malignant meningioma에 대해서는 크기 억제에 대한 효과는 크지 않을 확률이 놓으며 방사선 치료의 전후의 영상정보 특성은 wavelet-LLH, original shape, wavelet-LHL등의 변화 및 방사선학적 특징 변화는 대체로 크기 감소 및 조영 증강의 감소 등으로 예상됩니다. 2) 활용방안 방사선 치료 후 유의미한 차이를 보이는 방서선 정보 (Radiomics) 와 영상의학적 특징 (Radiologic appearance)을 확인함으로써 수막종의 치료효과를 예측하는 biomarker을 찾고자 합니다. 이 biomarker가 필요한 이유는 수막종의 치료전후의 조직검사가 용이하지 않기 때문이다. 추후에 biopsy결과가 있는 것과 방서선 정보(Radiomics) 와 영상의학적 특징을 비교하는 추가 연구가 필요할 것으로 사료됩니다. (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 김은수
• 주관연구기관 : 한림대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 라디오믹스;수막종;방사선치료;영상의학;자기공명영상; 2. Radiomics;Meningioma;Radiation therapy;Radiology;MRI;

□ 연구개요 본 연구는 방사선 유도 종양엑소좀을 암치료제로 개발하기 위한 가능성을 연구하는 기반 연구로, 방사선 유도 종양엑소좀에 의한 종양의 성장변화를 확인하고, 정량/정성적 분석을 통해 유의미한 인자를 발굴하고자 하였음. 총 3년으로 계획되었고, 1차년도에는 다양한 종양 세포주를 이용한 동물모델에서 방사선 유도 종양엑소좀의 분리법을 최적화하였음. 2차년도에는 분리된 종양엑소좀에 대해 질량분석법과 바이오인포매틱스 분석을 통해 방사선에 의해 유도되는 엑소좀 내 특이적 단백질들을 프로파일링하였음. 3차년도에는 방사선 유도 종양 엑소좀의 항암활성 기능을 마우스 종양 내 주입 후 성장 억제를 통해 확인하였고, 유세포분석 기반 면역세포 프로파일링을 통해 방사선 유도 종양 엑소좀이 T세포 활성화를 유도하고 특히 항 PD-L1 요법과의 병용 효과를 함께 확인하였음. □ 연구 목표대비 연구결과 1) 1차년도 목표: 방사선 유도 종양엑소좀의 분리 및 정량 분석 - 4T1 마우스 유방암 세포주를 대상으로 in vitro 와 in vivo 조건에서 방사선 조사 후 유도되는 종양 엑소좀을 분리하였음 - 분리된 엑소좀에 대해 나노입자분석을 시행하고 정량화 하였음 2) 2차년도 목표: 방사선 유도 종양 엑소좀의 종양 억제 기전 발굴 - In vitro 와 in vivo 조건에서 분리된 방사선 비유도/유도 종양 엑소좀에 대해 TMT 기반 proteomics 분석을 시행하였음 - 각 조건별 공통적/특이적 단백질 리스트를 확보함과 동시에 관련 pathway 분석을 완료하였음 3) 3차년도 목표: 방사선 유도 종양 엑소좀의 치료적 효용성 연구 - In vivo 종양 엑소좀의 생체 내 분포를 생물발광법으로 확인하였고, 분리된 수지 상세포에 처리 시 수지상세포의 활성도가 증가됨을 확인하였음 - 4T1 마우스 종양 모델을 수립하고 종양 내 주입시 방사선 유도 엑소좀이 비유도 엑소좀에 비해 종양 성장 억제 효과가 크다는 것을 확인하였음. - 항PD-L1 항체와 병용 시 방사선 치료군과 동일한 종양 억제 효과가 관찰되었음 - 유세포분석법과 효소면역측정법으로 평가한 결과 방사선 유도 종양 엑소좀은 종양내 세포 독성 T 세포의 활성도를 증가시켰고, 림프절에 수지상세포의 활성을 증가시켰으며 혈액 내 면역 증진 관련 사이토카인을 활성화시킴을 확인하였음 □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) 1) 연구개발 결과의 중요성 - 학문적/과학적 측면: 방사선 치료의 종양 억제 기전 및 엑소좀의 기여에 대한 의과학적 탐구 - 사회적/경제적 측면: 차세대 암치료제로 개발 가능성과 기술 선점 가능성 2) 연구 개발 성과의 활용 계획 및 기대 효과 - 본 연구에서는 in vitro 조건에서 방사선에 의해 유도되는 엑소좀 대비 in vivo 조건에서 유도되는 엑소좀 내 발현되는 다양한 단백질들의 리스트를 확보하였음. - 방사선 유도 엑소좀의 항종양능이 일반 엑소좀에 비해 우수함을 확인하였음. - 방사선 유도 엑소좀은 향후 진단이나 치료 영역에서 활용 가능할 것으로 기대됨 (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 조원경
• 주관연구기관 : 삼성서울병원
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 엑소좀;방사선 치료;암치료;단백체분석;항암면역; 2. Exosome;Radiation therapy;Cancer treatment;Proteomic analysis;immuno-oncology;

□ 연구 목표 및 내용 ○ 최종 목표 본 연구는 은편모조류의 핵 유전체 정보를 이용한 비교유전체 연구 및 phycobilisome 관련 유전자 발굴을 통한 홍조기원 세포내공생 진화 연구를 수행하는데 그 목적이 있다. 최종목표에 도달하기 위해 1) 다양한 색소를 갖는 은편모조류의 무균 배양체 확보, 2) 은편모조류 4종의 전장 유전체 분석, 3) 발현 유전체 분석, 및 4) Phycobilisome 등 색소 관련 유전자를 발굴한다. 분석된 자료를 종합하여, 핵 유전체 해독, 세포내공생 기원 유전자와 외부기원 유전자 이동 등 진화적 근거를 도출하여 은편모조류의 홍조기원 세포내공생 가설을 증명한다. ○ 전체 내용 은편모조류는 단세포성 편모조류로 해양과 담수에 서식한다. 대부분의 은편모조류는 광합성을 하며, 매우 다양한 색소를 갖는다. 색소체는 붉은색, 녹색, 갈색을 띄며, 각 분류군에 따른 뚜렷한 차이를 보인다. 진핵생물에서 다양한 색의 색소체를 갖는 분류군은 은편모조류가 유일하다. 은편모조류는 endosymbiont 기원의 색소체와 핵양체 (nucleomoph) 유전체와 host 기원의 미토콘드리아, 핵 유전체에 유전정보를 가지고 있다. 은편모조류는 홍조류로부터 색소체를 획득하여 2차 세포 내공생 과정으로 기원하였다고 알려져 있다. 특히, 색소체의 4중막 구조와 핵양체의 존재는 2차 내공생 과정으로 색소체를 획득하였다는 확실한 세포 형태학적 증거를 보여주고 있으며, 이들의 색소체 유전정보는 홍조류로부터 기원하였다는 증거를 보여준다. 은편모조류는 진화적으로 광합성 능력을 획득한 이후에 다양한 색소를 갖는 분류군으로 분화하였다. 본 연구는 “은편모조류의 핵 유전체 정보를 비교 분석하여 홍조기원 세포내공생에 의한 진화 과정을 증명하고 다양한 색소 관련 유전자 발굴”하기 위해 기획되었다. 은편모조류의 핵 유전체와 공여자인 홍조류의 유전체 비교분석 연구는 홍조기원 세포내공생설을 유전적으로 증명할 수 있을 것이다. 아울러, 다양한 색소 조성을 갖는 은편모조류의 핵 유전체 비교분석 연구는 색소체 획득 이후 은편모조류의 종분화와 진화적 패턴을 해석 할 수 있을 것이다. 또한 기존에 잘 알려지지 않은 새롭고 다양한 색소관련 유전자 발굴 가능성을 제시하고 있다. 최근 빠르게 발전하는 유전체 분석 기술과 생물학적 정보들의 활용 및 도입은 본 연구를 수행하기에 최적의 시기로 사료되며, 기 확보된 연구 자료의 활용과 선행연구 결과는 본 연구의 최종목표 도달 가능성을 보여주고 있다. 가설 1: 은편모조류 핵 유전체에 홍조기원 유전자가 EGT 과정을 통해 이동하여 암호화 되어 있을 것이다. 방법 1: 은편모조류 핵 유전체와 단세포 홍조류 유전체 비교 분석 기대효과: 은편모조류의 기원과 색소체 획득 진화 과정-홍조기원 세포 내공생 증명 가설 2: 다양한 색소 조성을 갖는 은편모조류의 색소관련 유전자는 핵 유전체에 암호화 되어 있을 것이다. 방법 1: 다양한 색의 은편모조류 핵 유전체 비교 분석: 빨간색/녹색/갈색/무색 은편모조류 방법 2: 다양한 빛 조건 (red/yellow/green)에서 은편모조류의 색소 관련 발현 유전자 비교 분석 방법 3: 색소 관련 유전자, 빌린 유전자, phycobilisome 관련 유전자 탐색 기대효과: 색소체 획득 이후의 은편모조류의 각 다양한 색소조성 분류군으로 진화적 패턴 해석과 색소 관련 유전자 발굴 ○ 1단계 ● 연구 목표 목표 1: 은편모조류 4종의 전장 유전체 분석 목표 2: 은편모조류 4종의 발현 유전체 분석 ● 연구 내용 목표 1: 은편모조류 4종의 전장 유전체 분석 - 기반 유전체 정보 확보 - 무균 배양주 확보, 대량 배양 (4L 이상) - 붉은색 은편모조류 1종 전장 유전체 분석 - 녹색 은편모조류 1종 전장 유전체 분석 - 갈색 은편모조류 1종 전장 유전체 분석 - 무색 은편모조류 1종 전장 유전체 분석 목표 2: 은편모조류 4종의 발현 유전체 분석 - 파장에 따른 발현량 분석 - [빨간색/노랑색/녹색] 빛 조건에서 은편모 3종 (Red/Green/Brown) 배양 - 발현유전체 확보 - 기능 단백질 유전자 정보 구축 ○ 2단계 ● 연구 목표 목표 3: 색소 관련 빌린 유전자 발굴 목표 4: Phycobilisome 관련 유전자 발굴 목표 5: 비교 유전체 분석 및 홍조기원 세포내공생 검증 ● 연구 내용 목표 3: 색소 관련 빌린 유전자 발굴 - 색소 조성에 따른 발현 정도 DEG 분석 - 색소 관련 유전자 발굴 :phytochrome, carotenoids 관련 - 은편모조류 4종의 색소 관련 유전자 비교분석 목표 4: Phycobilisome 관련 유전자 발굴 - APC(Allophycocyanin), PE(Phycoerythrin), PC(Phycocyanin) 관련 유전자 발굴 - 홍조기원 Phycobilisome 관련 유전자를 통한 은편모류의 세포내공생 검증 목표 5: 비교 유전체 분석 및 홍조기원 세포내공생 검증 - 은편모조류의 핵으로 전이된 홍조기원 유전자 탐색 - 핵 유전체 자료를 이용한 홍조기원 생물의 계통 진화 추론 □ 연구성과 1) 은편모조류 4종의 전장 유전체 분석 - 기반 유전체 정보 확보 - 무균 배양주 확보, 대량 배양 (4L 이상) - 붉은색 은편모조류 1종 전장 유전체 분석 - 갈색 은편모조류 1종 전장 유전체 분석 - 녹색 은편모조류 1종 전장 유전체 분석 - 무색 은편모조류 1종 전장 유전체 분석 2) 은편모조류 4종의 발현 유전체 분석 - 파장에 따른 발현량 분석 - [빨간색/노랑색/녹색] 빛 조건에서 은편모조류 4종 배양 - 발현유전체 확보 - 기능 단백질 유전자 정보 수집 - SCI급 논문 출판 3편 (주저자), 2편 (공동저자) - 국내외 학술대회 발표 □ 연구성과의 활용 계획 및 기대효과 본 연구는 세포내공생에 의한 생물의 기원과 진화를 이해하기위한 적합한 연구주제로 순수기초분야 뿐만 아니라, 보다 신뢰할 수 있는 유전자 정보 기반 확보 및 다양한 응용 연구를 위한 생물 소재 자료를 제공 할 수 있는 계기가 될 것이다. 1) 기술적 측면 ● 미세조류에 적합한 생물정보학 분석 기술의 확립과 인프라 구축 ● 유전체 분석, 유전자 발굴 기술 인프라 구축 2) 경제, 산업적 측면 ● 미세조류 유전자원 확보 ● 새로운 자원 발굴 및 미세조류 자원 활용을 통한 생명공학적 신산업군 창출 ● 다양한 색소 생산 생물 소재 제공 ● 다양한 환경에 적응관련 유전자 정보 활용 관련 산업 분야에 기초자료로 제공 3) 환경/생태적 측면 ● 적조생물 저감 제어를 위한 유전 정보 활용 ● 친환경 자원 활용산업 및 바이오그린 에너지용 모델 활용 4) 학술적 측면 ● 유전체 정보 기반 유전자 서비스 제공 및 확보 ● 생물 유전체 정보 수집 및 유전자 정보 축적 ● 광합성 진화 모델 생물 구축 및 광합성 생물 진화 연구분야 선점 ● 새로운 물질 발굴 및 물질 대사 과정 정보 제공 5) 다양한 생물 맞춤 유전체 분석 프로그램 개발 ● 기존에 국한된 모델 생물 또는 박테리아 자료에서 벗어난 새롭고 다양한 진핵생물 유전체 자료를 활용한 생물 맞춤 분석 방법 개발 6) 국제 연구 네트워크 형성 및 국제 협력 ● 미세조류 유전체연구와 유전자 정보 활용은 국내외에서 도입 단계에 있음. ● 국내외 네트워크를 통해 미세조류 유전체 연구 선점 (출처 : 요약문 2p)

• 연구책임자 : 김종임
• 주관연구기관 : 충남대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 은편모조류;진화;세포내공생;비교유전체;계통유전체; 2. Cryptophytes;Evolution;Endosymbiosis;Comparative genomics;Phylogenomics;

비공개항목입니다.

• 연구책임자 : 정인철
• 주관연구기관 : 소울머티리얼
• 발행년도 : 20240400
• Keyword : 1. 2차전지;방열;마그네시아;저온소결;고열전도; 2. secondary battery;radiation;Magnesia;low temperature;high heat conduction;

□ 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;

□ 연구개요 우주탐사선 및 인공위성 전력시스템에서의 핵심부품인 전력반도체는 우주환경에서의 강건함을 보장하기 위해서 매우 높은 수준의 내방사선 신뢰성이 요구된다. 특히, 전력반도체는 우주환경에서의 발전, 에너지 저장, 전력 분산, 전력 제어 및 시스템 보호 역할을 하기 때문에 전력반도체의 우수한 내방사선 특성을 확보하고 수명을 정확히 예측하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 내방사선 특성이 우수한 SiC MOSFET을 활용하여 우주급 내방사선 검사와 함께 전기적특성의 열화현상을 모델링하고 신뢰성을 개선하기 위한 소자 구조 및 공정에 대한 연구를 수행하고자 한다. TCAD 시뮬레이션에서 우주환경을 전산 모사하여 SiC MOSFET의 TID (Total ionizing dose), SEE (Single event effects) 및 DDD (Displacement Damage Dose)를 분석하고 전기적 특성 열화 메커니즘을 해석한다. 또한, 실제 양성자 및 중이온 가속기를 활용하여 SiC MOSFET 개별소자에 조사하고 개발된 수명예측 모델을 검증 및 보완한다. 최종적으로는 규명된 열화 메커니즘을 완화할 수 있는 SiC MOSFET의 구조 및 공정을 연구·개발하는 것이 목표이다. □ 연구 목표대비 연구결과 실제 SiC MOSFET 소자에 감마선 및 양성자 등의 방사선을 조사하여, 전기적 특성을 측정하고 특성 변화에 관한 열화 메커니즘을 규명하였다. 실제 실험 결과를 TCAD 시뮬레이션에 대입하여 감마선 조사 전산 모사를 완료하였다. 감마선 조사 후 MOS capacitor를 통해 산화막 특성을 추출한 결과, ε_ox의 감소를 통해서 감마선 조사에 의한 물질의 결합구조 변화를 확인하였다. 감마선 조사 도즈에 따라 QF가 증가하는 것으로 총 이온화 선량 효과의 발생을 검증하였다. 또한, 감마선과 양성자를 조사하였을 때, BV가 6 % 정도 감소하였다. 이는 감마선 조사 영향으로 인해 Edge Termination에 위치한 두꺼운 field 산화막 내부 고정 전하량이 증가해 공핍 영역 의 곡률이 감소하게 되어 이 영역에 전계가 집중되면서 항복특성이 열화 된다. 이를 검증하기 위해 TCAD 시뮬레이션을 이용하여 SZ-JTE 구조 의 edge termination에 실험을 통해 추출한 산화막 내부 고정전하 값을 대입하였고, 전계 분포 분석으로 열화 메커니즘을 검증하였다. 아울러, 실제 우주환경과 유사하게 켜진 상태의 방사선 조사 영향을 분석하기 위해서 감마선 환경에서 SiC MOSFET에 인가된 게이트 바이어스에 따른 영향을 분석하고, 전기적 특성 측정 및 TCAD 시뮬레이션을 수행하여 열화 메커니즘을 검증했다. □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) 전력반도체 감마선 및 양성자 조사 영향에 대한 분석과 내방사선 설계 및 검증 연구는 국내에서는 활발하게 진행되지 않은 부분이기 때문에 우주급 전력반도체 연구 활성화에 기여할 수 있을 것으로 판단된다. 이러한 연구결과는 향후 고신뢰성 전기자동차용 전력 반도체의 개발에도 적용 가능하여 활용분야가 확대될 것이라고 예상된다. 향후 위 연구결과를 기반으로 내방사선 SiC 전력반도체의 설계 및 공정에 대해서 후속 연구를 진행하고자 한다. (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 석오균
• 주관연구기관 : 국립금오공과대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 전력반도체;감마선;양성자;방사선;총 이온화 선량 효과; 2. Power Device;Gamma-Ray;Proton;Radiation;TID Effect (Total Ionizing Dose Effect);

□ 연구개요 항암면역치료(Immune Checkpoint Blockade)가 신규 항암치료의 주요한 방법으로 대두되고 있으나 많은 암에서의 낮은 반응성은 극복해야할 문제점임. 본 연구는 종양악성화에 중요한 Centrosome clustering현상의 억제를 통해 염증성 세포질 미세소핵(cytosolic DNA/micronuclei)유도-cGAS-STING 면역활성화 기전을 다양한 종양동물모델을 활용하여 이해하고, 이를 기반으로 면역치료 불응성 환자의 새로운 항암면역치료 전략을 제시하고자 함 □ 연구 목표대비 연구결과 1)1차년도:Centrosome clustering억제를 통한 종양 면역활성화 기전연구 -CC단백질KO세포를 활용한 암세포/정상세포 cGAS-STING 면역활성화 조절규명 -CC항암저해제를 활용한 cGAS-STING 면역활성화 조절기전 규명: 논문 1건 2)2차년도:Centrosome clustering억제 면역활성화를 통한 면역치료 불응성 암 제어연구 -동종이식유방암 면역치료 불응성암 모델을 활용한 CC조절 치료효과 검증완료 -CC단백질조절 종양미세환경의 cGAS-STING조절 면역세포/인자의 동적변화분석 : 관련 논문 1건 3)3차년도:Centrosome clustering억제 방사선병용 면역치료를 통한 불응성 암 치료 극대화 연구 -CC표적 방사선면역치료에 의한 Abscopal동물모델/면역불용성모델 치료효과 검증 -면역세포/인자분석을 통한 방사선면역치료 효과 분석 및 검증완료 : 관련 논문 1건 4)4차년도:Centrosome clustering억제 항암제활용 방사선-면역치료 전임상 최적화 연구 -CC억제항암제 PI3K활용 최적의 방사선-면역치료 병용치료 프로토콜 연구 완료 -Abscopal동물모델/면역불용성동물모델을 통한 CC억제 전 임상연구 완료 : 관련 논문 1건 □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) -기대효과 및 활용계획: -면역불응성 암의 신규한 치료전략 제시 : 면역불응성 암의 새로운 치료 표적으로 제시할 수 있을 것으로 기대되며 특히 방사선과 병용치료 함으로써 암 특이적 면역활성 -‘종양 특이적 세포분열 현상’과 ‘선천성 면역작용’과의 상관성 규명 : “염색체불안정성이 높은 전이 암세포가 어떻게 면역을 잘 회피 할 수 있는지?”에 대한 의문점을 cGAS-STING조절과 연관시켜서 설명할 수 있는 단서 제공 -면역항암제 CC억제를 통한 방사선치료의 전신치료효과(Abscopal effect) 증대 기대 : 방사선의 표적인 CC억제를 통하여 방사선의 abscopal effect(전신치료효과)를 암 특이적으로 증진 기대 -유전적불안정 상황에서 CC조절 및 cGAS-STING네트워크에 대한 새로운 개념 제공 -CC조절을 통한 신규 방사선 항암면역치료 전략제시 -신규 방사선면역치료제의 표적제공 및 치료방법 제시 -방사선병용치료의 신규 타켓 제공 가능 -현재 면역불응증 암에 대한 방사선 항암면역치료제 표적으로 활용 (출처 : 요약문 2p)

• 연구책임자 : 김재성
• 주관연구기관 : 한국원자력의학원
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 세포질 미세소핵;면역치료 불응성;방사선-면역치료; 2. Centrosome clustering;Micronuclei;cGAS-STING;Immune resistant tumor;Radiation immunotherapy;

□ 연구개요 최근 맟춤의료 (personalized medicine)의 중요성이 커지면서 개인에 맞는 치료를 찾는 것이 중요해졌다. Breiman (2001)이 만든 랜덤 포레스트 (Random forest)는 널리 쓰이는 기계학습 방법의 하나로, 알고리즘이 분명하고 여러 통계 프로그램에서 설치되어 있어 널리 쓰이고 있다. Athey et al. (2019)는 이 랜덤 포레스트를 이용하여 개인별 이질적 치료효과를 계산하는 방법을 제시하고, Cui et al. (2023)은 Athey et al. (2019)의 방법론을 하나의 사건이 있을 때에 생존데이터에 대해서 치료효과를 랜덤 포레스트를 이용해서 계산하는 방법을 제시했다. 하지만 경쟁위험 데이터 (competing risks data)에서는 이질적 치료효과를 랜덤 포레스트를 이용해서 계산하는 방법이 제시된 바가 없다. 이 연구에서는 경쟁위험 데이터 (competing risks data)에서는 이질적 치료효과를 랜덤 포레스트를 이용해서 계산하는 방법론을 제시하고자 한다. □ 연구 목표대비 연구결과 이 연구에서는 Athey et al. (2019)과 Cui et al. (2023)에서 제시된 방법론을 바탕으로 경쟁위험 데이터에 대해서 랜덤 포레스트를 이용하여 인과효과를 계산하는 방법론을 만들었다. 이 방법은 Robinson (1988)의 추정함수를 랜덤 포레스트에 응용한 것으로, Breiman (2001)이 만든 랜덤 포레스트 방법론을 영향함수 (influence function)을 이용하여 누적사건함수 (cumulative incidence function)을 치료효과로 보고 추정하는 방법을 제시하였다. 이 때 Cui et al. (2023)에서 제시한 이중강건 (doubly robust) 랜덤 포레스트 방법을 경쟁위험 데이터에 적용해서 만들고 새롭게 Buckley and James (1979)의 방법을 응용한 랜덤 포레스트 방법 (BJ 랜덤 포레스트)를 제시하였다. 또한 Athey et al. (2019)과 Cui et al. (2023)에서 제시된 통계적 이론을 근거로 근사이론과 분산 및 신뢰구간을 계산하는 방식을 제시하였다. 시뮬레이션을 돌려보았을 때 평균제곱오차 상으로 Ishwaran et al. (2014)의 랜덤 포레스트를 이용한 방법보다 더 나은 결과를 보였다. 그리고 Radiation Therapy Oncology Group (RTOG 9410) 데이터에 이 방법론을 적용하였다. 그리고 하위그룹분석을 위해 선형회귀를 치료효과를 이용한 결과변수에 적용하는 방법을 제시하였다. □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) 이 연구결과를 경쟁위험 데이터 하에서 개인별 이질적인 치료효과를 계산하고 그에 따른 통계적 추론을 할 수 있는 방법을 제시했다. 이 통계적 추론을 할 수 있다는 것은 굉장히 중요한데, 통계적 추론을 함으로써 일반적인 기계학습 방법론이 가지고 있던 취약점을 보완할 수 있기 때문이다. 이 방법은 여러 방면에서 사용될 수 있다. 우선 의학에서 다양한 경쟁적인 질병이 있는 경우에 각 질병에 대한 개인별 이질적 치료효과를 측정할 수 있다. 또한 정책결정을 할 경우에 경쟁적인 사건들이 일어나는 상황에서 정책결정이 어떤 분야에 각 개인마다 어떤 효과를 불러오는지 파악할 수 있다. 그리고 각 치료효과 또는 정책효과의 통계적 유의성을 신뢰구간 계산을 통해서 검정할 수 있다. (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 조영주
• 주관연구기관 : 건국대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 경쟁 위험;랜덤 포레스트;이중 강건;인과 효과;하위그룹 분석; 2. Competing risks;Random forest;Doubly robust;Causal effect;Subgroup analysis;

□ 연구 목표 및 내용 ○ 최종 목표 본 연구과제는 일본 KEK J-PARC 3 GeV의 1 MW 양성자 빔을 수은 표적에 입사하여 나온 중성미자 데이터 분석을 통해 비활성 중성미자가 존재하게 된다면 반뮤온 중성미자가 24m의 짧은 거리에서 반전자 중성미자로 진동변환 할 수 있고 이는 검출기 안에서 역베타 붕괴과정을 통해 검출하는 실험이다. 대략 20년 전부터 중성미자 결과 값들이 설명하기가 힘든 실험들이 등장했고 비활성 중성미자의 존재 가능성에 대한 첫 번째 실험적 결과는 1998년에 LSND 실험에 의해 보고되었다. 가속기 중성미자 실험인 JSNS^2 실험은 기존의 LSND 실험과 MiniBooNE 실험을 검증하고 더욱 정밀하고 향상된 빔을 이용하여 비활성 중성미자에 대한 탐색 영역을 측정하고자 한다. 또한 중성미자-원자핵 산란단면적 측정 관련 코어 붕괴 초신성 연구와 235.5 MeV 단일 중성미자 빔을 이용한 KDAR (kaon decay at rest) 연구를 통해 기존의 결과를 검증 및 향상시켜 암흑물질 탐색을 목표로 한다. ○ 전체 내용 암흑물질은 암흑에너지와 함께 우주의 잃어버린 질량과 관련된 수수께끼를 풀 수 있는 단서이지만 아직 실험을 통해 직접적으로 확인된 바는 없다. 중성미자 진동실험을 통해 중성미자가 중력과도 상호작용한다는 사실이 알려졌다. 여러 실험에서 세 종류의 중성미자만으로 설명할 수 없는 중성미자 진동 변칙(anomaly)이 보고되고 있다. 이는 암흑물질에서 중성미자의 역할이 중요하다는 것을 의미하고 있으며, 표준모형이 확장될 수밖에 없다는 숙제를 과학자들에게 준 것이다. 그중 JSNS^2 실험은 3 GeV의 1 MW 양성자 빔을 수은 표적에 입사하여 표적 안에서 생성된 파이온이 뮤온으로 붕괴하고 이 뮤온이 정지붕괴 하면서 반뮤온 중성미자를 방출하게 된다. 비활성 중성미자가 존재하게 된다면 반뮤온 중성미자가 24m의 짧은 거리에서 진동변환 할 수 있고 검출기 안에서 역베타 붕괴과정을 통해 검출하게 된다. (1)검출기 시뮬레이션 및 RAT & JADE를 활용한 분석 프로그램 개발 RAT은 보다 정확한 시뮬레이션을 수행할 수 있도록 사용자 지정 가능한 신틸레이터 물리 정보 및 사실적인 PMT 모델을 제공한다. JADE는 펄스 재구성, 이벤트 구축을 제공한다. (2) 중성미자 실험에서 배경사건 연구 JSNS^2 실험에서 IBD 상호작용의 측정된 배경사건은 cosmic-muon, Michel electron, fast neutron, cosmic-gamma가 있다. 각각의 배경사건은 특정한 조건을 통해 선별하여 구할 수 있다. (3) 비활성 중성미자 데이터 획득 및 연구 기존의 세 가지 활성 중성미자에 추가로 비활성 중성미자를 도입하여 질량 고유상태를 통해 PMNS 행렬계산을 한다. 확률 진동 및 중성미자의 이론적인 에너지 스펙트럼을 계산한다. 최종적으로 chi-square distribution을 계산하여 활성 중성미자 세 개와 비활성 중성미자가 한 개인 모델에서 비활성 중성미자가 존재 가능한 영역을 측정한다. (4)중성미자-원자핵 산란 단면적 연구 및 KDAR (kaon decay at rest) 연구 ○ 1단계 ◎ 연구 목표 JSNS^2 실험에서 사용되는 Reactor Analysis Tool (RAT) 또는 RAT-PAC (RAT, Plus 추가 코드)는 GLG4sim 시뮬레이션 패키지를 기반으로 하는 시뮬레이션 프레임이다. RAT은 보다 정확한 시뮬레이션을 수행할 수 있도록 사용자 지정 가능한 신틸레이터 물리 정보 및 사실적인 PMT 모델을 제공한다. RAT을 활용하여 JSNS^2의 검출기 시뮬레이션과 물리 물질 정보를 업데이트할 예정이다. 또한 JSNS^2 JADE를 이용하여 데이터 처리(data processing)를 하는데 여기에는 두 가지 주요 부분이 있다. ① 펄스 재구성(Pulse reconstruction) ② 이벤트 구축(Event building) 먼저 검출기 시뮬레이션 관련하여 작년에 테스트 데이터 획득 작업을 통해 신틸레이터 정보, PMT 정보, 온도 및 습도에 따른 변화 정보, 가속기 파워 및 트리거 관련 정보 등을 토대로 업데이트 중이며 RAT또한 보다 정확한 시뮬레이션을 수행할 수 있도록 사용자 지정 가능한 신틸레이터 물리 정보 및 사실적인 PMT 모델 및 환경에 따른 요인들을 업데이트를 목표로 한다. ◎ 연구 내용 본 연구의 1년차에 해당하는 올해는 검출기 시뮬레이션 및 RAT & JADE를 활용한 분석 프로그램 개발에 대해 연구를 진행하였다. RAT뿐만 아니라 이와 병행하여 JADE를 이용하여 데이터 처리(data processing)도 마찬가지로 펄스 재구성과 이벤트 구축에 영향을 주는 부분을 체크하며 실제 데이터와 비교하면서 업데이트를 진행하고 있다. KDAR 중성미자는 빔 타켓에서 생성되며 우리는 핵 또는 핵자와 중성미자 상호작용에 의해 생성된 뮤온을 검출하는 것을 목표로 한다. JSNS^2 검출기에서 위와 같이 prompt와 delayed의 coincidence로 KDAR 중성미자 상호작용 후보로 검출된다. 여기서 예상되는 백그라운드는 가장 지배적은 배경인 우주선이 포함된 백그라운드와 빔관련 백그라운드이다. 검출기 반응 효과를 이해하기 위해 KDAR 상호작용을 이용하여 시뮬레이션 하였다. KDAR visible energy spectrum은 여러 복잡하고 다양한 nuclear effects 로 인한 다양한 모델이 예측되고 있다. 이와 같은 이유로, 현재 어떠한 실험도 KDAR primary energy spectrum을 확인 하지 못 하였다. 이 연구의 목표 중 하나인 KDAR prompt event의 visible energy spectrum을 측정하여 많은 KDAR의 physics 모델을 비교 분석하였다. ○ 2단계 ◎ 연구 목표 LSND (Liquid Scintillator Neutrino Detector) 실험은 Los Alamos National Laboratory에서 가속기 중성미자 소스에서 생성되는 중성미자 수를 측정하는 신틸레이션 계수기(scintillation counter)이다. 본 연구인 JSNS^2 (J-PARC Sterile Neutrino Search at J-PARC Spallation Neutron Source)실험은 LSND 실험의 검증을 일차적인 목표로 하고 있으며, LSND 실험과 뮤온 붕괴에서 발생하는 중성미자 소스, 액체섬광검출용액을 사용한 타켓 물질, 역베타 붕괴 (IBD:Inverse Beta Decay)과정을 이용한 검출 방법, 선원으로부터 가까운 거리(24m)로 같지만 가돌리늄을 용해한 액체섬광검출용액을 사용하기 때문에 보다 향상된 signal/noise ratio 값을 기대한다. JSNS^2 검출기는 J-PARC MLF (Materials and Life science experimental Facility) 안에 중성미자 선원으로부터 24m의 가까운 거리에 설치되어 있으며 본 연구는 양성자 빔을 이용하여 큰 값의 Δm²영역에서 배경사건의 획기적인 감소를 통해(가돌리늄이 용해된 액체섬광검출용액을 사용 및 고성능의 빔 사용) 향상된 signal/noise ratio와 systematics를 이용하여 Δm² ~eV² 영역에서 비활성 중성미자를 탐색하고자 한다. ◎ 연구 내용 중성미자 실험에서 중성미자 데이터만큼이나 배경사건을 연구하는 것은 매우 중요하다. 실제로 중성미자 데이터를 받으면 얼마만큼 배경사건을 아는지에 따라 그 실험의 정확도가 올라가기 때문에 이를 연구하고자 한다. 가속기 중성미자 실험에서 역베타 붕괴과정을 통해 측정된 배경사건은 cosmic-muon, Michel electron, fast neutron, cosmic-gamma가 있다. cosmic-muon의 경우 검출기 외부 영역에서 charge를 이용한 muon cut 조건을 사용하여 선별할 수 있다. 이때 검출기 외부 영역에서 charge 스펙트럼을 확인하고 E > 200MeV보다 큰 부분을 선택하여 뮤온검출 효율을 계산할 수 있다. 이를 통해 외부 검출기의 윗부분과 아랫부분의 charge 분포에 각각 조건을 주어 cosmic-muon의 이벤트를 계산할 수 있다. 배경사건의 선별 조건은 다음과 같이 요약할 수 있다. ● multiple delayed cut ● external particle rejection ● michel rejection ● stopping muon rejection ● fiducial cut for PSD ● DIN likelihood cut 선별 조건은 빔이 작동할 때 샘플을 얻어 2.256 × 10⁸ beam spills에 적용되었으며, 이는 prompt 후보에 대한 총 비율의 26.8 ± 0.1이 도입되었으며 에너지 스펙트럼 과 vertex를 구하였다. 배경사건을 제대로 측정하기 위해서는 전체 비율을 물리적 요소로 분해해야 한다. 이를 위해 먼저 범 관련 성분이 있는지 확인해야 한다. 동일한 선별 조건에서 빔과 빔 오프 샘플 간의 스펙트럼 비교분석하여 스펙트럼은 에러 범위 내에서 일관되는 것을 확인하였다. 또한 prompt 후보에는 빔 유도 성분이 아닌 우주에서 온 유도 성분만 있는 것을 확인할 수 있다. □ 연구성과 검출기 및 검출기에 들어가는 신틸레이터 및 전자 장비 등에 대한 설치를 완료하고 J-PARC 양성자 가속기 빔을 이용한 테스트 데이터 획득을 실시하였다. 본 연구의 1년차에 해당하는 데이터 획득 분석 프로그램 개발은 JSNS^2 실험에서 검출기에서 RAT을 이용하여 데이터를 생성하고 JADE를 이용하여 이벤트를 재구성하는 프로그램 개발을 완료하였다. 또한 외부환경에 따른 변수 설정 및 검출기 장비의 노이즈 등을 제외한 데이터 획득 분석 프로그램의 업데이트를 주기적으로 하고 있다. 2년차에 해당하는 배경사건을 구하기 위해 beam-induced gamma 배경사건으로 floor gamma로 알려진 이 배경사건은 먼저 beam-induced 중성자는 검출기아래의 콘크리트 해치에서 포획할 수 있으며 여기서 gamma를 생성하는데 beam-induced gamma 배경사건의 비율은 ~160 ± 16Hz 추정된다. 다음으로 펄스 모양 판별(Pulse Shape Discrimination)은 IBD 신호와 fast neutron을 분리한다. fast neutron은 correlated 배경사건으로 PSD의 기능을 향상시키기 위해 검출기 타켓 안 17ton의 Gd-LS에 DIN (Diisopropylnaphthalene)을 용해하였다. Fast neutron과 michel electron을 구별하기 위해 Likelihood method, Convolutional Neural Network 등 여러 방법을 사용해 90%이상 효율을 얻었고 추가적인 개선을 통해 배경사건에 대한 이해도를 높일 수 있을 것으로 기대된다. □ 연구성과의 활용 계획 및 기대효과 가속기 중성미자 실험인 JSNS²는 기존의 LSND 실험과 MiniBooNE 실험을 검증하고 이를 더욱 향상해 비활성 중성미자에 대한 탐색 영역을 정밀하게 측정하고자 한다. 실험 특성상 반뮤온 중성미자가 반전자 중성미자가 변환되는 과정을 측정하기 때문에 통계량은 많지 않지만 배경사건의 비율이 상대적으로 정밀측정하게 되어 보다 향상된 결과를 구할 수 있을 것으로 기대한다. 또한 비활성 중성미자의 측정뿐만 아니라 양성자 빔을 활용하여 중성미자-원자핵 산란 단면적 측정 또한 중심핵 붕괴 초신성 연구에 많은 기여를 할 것이다. J-PARC 양성자 빔은 케이온을 생성할 수 있는 충분한 세기를 가지고 있어서 KDAR (kaon decay at rest) 연구에서 필요한 235.5MeV 단일 중성미자 빔을 만들어 낼 수 있다. 이를 통해 MiniBooNE 실험에서 나온 결과를 검증 및 향상할 수 있어 미래의 중성미자 산란 단면적 실험에 도움이 될 것으로 기대한다. (출처 : 요약문 2p)

• 연구책임자 : 여인성
• 주관연구기관 : 동신대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 비활성 중성미자;뮤온 붕괴;역베타 붕괴;액체섬광검출 물질; 2. sterile neutrino;muon decay;Inverse Beta Decay;Liquid scintillation;