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- 계산화학을 통해 수소 저장·추출에 기여하지 못하던 분자를 제어하여 획기적 성능 향상 성공 - 기존 화석연료와 같은 안전성과 높은 확장성까지 지녀 수소에너지 사회로의 전환 가속화 기대    탄소중립녹색성장위원회는 글로벌 중요 이슈인 탄소중립 달성을 위하여 ‘2050 탄소중립 달성과 녹색성장 실현’을 위한 국가 기본계획을 수립한 가운데, 화석연료 에너지원을 대체할 친환경 수소에너지가 주목받고 있다.  특히 수소 분야는 ‘12대 국가전략기술’에 포함되는 주요 분야로 인식되고 있다. 이러한 시점에 국내 연구진이 대용량 수소를 폭발 위험 없이 안전하게 저장하면서도 높은 효율로 저장·추출하는 기술을 개발하였다.    획기적 성능과 확장성까지 확보한 혁신적인 LOHC 소재를 개발한 화학연 박지훈 박사 연구팀(왼쪽부터 이정재 학생연구원, 박지훈 센터장, 정관용 연구원)   한국화학연구원(원장 이영국) 박지훈 박사 연구팀은 서울대학교 한정우 교수 및 고려대학교 최정규 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 가장 안전한 수소 저장 기술로 알려진 ‘액상 유기물 수소운반체(LOHC*)’ 기술의 획기적 성능과 확장성까지 확보한 혁신적인 수소 저장 소재를 개발하였다.* Liquid Organic Hydrogen Carrier   이번 성과는 계산화학*을 통해 LOHC의 화학구조에서 부수적으로 여겼던 작은 분자들이 수소 저장·추출 공정의 성능과 효율 향상의 핵심임을 밝혀내, 향후 혁신적 수소에너지 저장 소재 개발에 지속 활용될 것으로 기대된다. * 계산 화학(computational chemistry): 컴퓨터의 연산 능력을 활용하여 여러 화학 이론에 대한 수치 해석적 방법을 구현하고 응용하는 화학의 한 분야   수소는 온실기체의 배출이 없는 청정한 에너지임에도 불구하고, 부피가 상대적으로 크고 위험한 물질이기 때문에, 얼마나 많은 양의 수소를 안전하게 운반하는지가 수소에너지 경제 전환의 핵심이자 큰 숙제이다. 이러한 고민의 해답이 바로 LOHC 기술이다. LOHC 기술은 상온·상압에서도 적은 용량의 액체에 대량의 수소를 담아 운반 안정성과 효율이 높다. 수소가 충전된 액상 유기물을 기존 활용 유조차로 운반하면 되므로, 수소 도시를 위한 에너지 인프라 구축 비용도 경제적이다. LOHC 기술의 핵심은 무엇보다 수소를 저장하는 액상 유기화합물 소재 개발이다. 유기화합물 소재의 특성에 따라 수소 저장 용량, 수소 저장·추출 성능, 반복사용 안정성 등이 모두 좌우되기 때문이다. 하지만 기존 LOHC 연구는 기본적으로 탄소 육각 고리 구조인 ‘벤젠(benzene)’을 기반으로 하여 수소 저장·추출에 유리하지만, 물질 다양성이 낮아 성능을 높이는 확장성에 한계가 있다. 따라서 새로운 소재를 개발하기 위해서는 완전히 새로운 구조를 찾아야 하는 어려움이 있다. 이에 연구팀은 기존 알려진 LOHC 소재에서 수소 저장·추출에 기여하지 못하던 메틸 분자(CH3)를 제어하고 활용하면 화학반응을 더욱 유리하게 조절할 수 있다는 사실을 발견하여, 기존 대비 뛰어난 성능의 새로운 LOHC 소재를 개발하였다.    연구팀의 LOHC 소재의 개발 과정 ▲ 연구팀은 ’18년 탄소로만 이루어진 소재(➀)에 질소를 도입하여 효율과 안정성을 높이는 성과를 도출(➁)하였음.▲ 기존 개발 소재(➁)에서는 큰 영향이 없다고 여겨졌던 메틸 분자가 성능과 효율을 높이는 데 중요한 요인이 된다는     것을 실험적 결과와 이론적 계산을 결합하여 밝혀냄(➂).    연구팀이 ’18년 개발한 LOHC 소재는 질소(N)를 활용하여 성능을 높였다. 그런데 실험적 결과와 이론적 계산을 바탕으로 질소 이외에 당시에는 큰 영향이 없다고 여겼던 메틸 분자가 LOHC 소재의 성능을 높이는 데 중요한 요인이 된다는 것을 발견하였다. 이는 새로운 합성법을 적용하여 이루어낸 성과이다.  기존 혼합물 형태의 LOHC 소재와 달리, 연구팀은 순수한 조성의 소재를 얻을 수 있는 합성법을 활용하여, 메틸 분자의 위치를 특정한 위치로 조정할 수 있게 되었다. 이러한 사실을 바탕으로 수소 저장 및 방출 속도가 각각 206% 및 49.4% 증가한 새로운 LOHC 소재를 개발하였고, 소재가 촉매 물질과 상호작용하여 수소가 추출되는 세부 작용에 대한 상세한 원리를 밝혔다.    새롭게 개발된 LOHC 소재의 향상된 수소 저장 및 추출 속도  ▲ 기존 알려진 LOHC 소재에서 수소 저장·추출에 기여하지 못하던 메틸 분자(CH3)를 제어하면 원하는 반응이 더욱 빠르고 많이 일어나게끔 화학반응을 조절할 수 있다는 사실을 발견함.▲ 특히 새로 개발된 LOHC 소재에는 메틸 분자의 효과를 도입하여 기존 소재 대비 200%가량의 수소 저장 속도와 50%가량의 수소 추출 속도가 향상됨을 확인하였음.    본 연구성과는 메틸 분자의 역할을 통해 손쉽게 더 좋은 물질을 개발할 수 있는 방법을 찾아낼 수 있고, 이를 통해 수소 저장체의 설계와 최적화의 새로운 방법론을 제시하였다는 데에 큰 의의가 있다.  연구팀은 개발된 LOHC 소재를 활용하여 수소 모빌리티에 직접 안전한 수소를 공급하거나, 수전해 수소의 직접 저장이 가능한 소재 등 수소 사회 구현을 위한 맞춤형 LOHC 기술도 후속 연구 중이다.    실험과 계산화학을 연계하여 규명한 탄소 다리의 수소 추출 과정에서의 역할▲ 연구팀은 기존 LOHC 소재에서 저장·추출에 기여하지 못하던 탄소 다리(CH2)를 활용하면 촉매와의 상호작용을 촉진하여 원하는 반응이 더욱 빠르고 많이 일어나게끔 화학반응을 조절할 수 있다는 사실을 규명함.    화학연 이영국 원장은 “이번 성과는 LOHC 기술의 핵심인 저장체 설계 분야에서 세계에서 가장 발전된 개발 기술을 선보였다는 점에서 큰 의미가 있으며, 이를 계기로 수소 경제에서 우리나라가 경쟁력을 확보하기 위한 탄탄한 기반이 되기를 희망한다”라고 말했다. 본 연구는 ’24년 3월 에너지 분야의 권위지인 ‘에너지 스토리지 머트리얼즈(Energy Storage Materials, IF : 20.1)’와 환경·에너지 촉매 분야 권위지인 ‘어플라이드 카탈리시스 B: 환경&에너지(Applied Catalysis B: Environment & Energy, IF : 22.2)’에 연달아 게재되었다. 이번 연구는 한국화학연구원 기본사업 및 혁신연구 지원사업과 과학기술정보통신부 수소에너지원천기술개발사업으로 수행되었다. 한편 박지훈 박사 연구팀은 LOHC 기술 개발 성과로 ’19년 국가연구개발 우수성과 100선에 선정된 바 있다.   < 연구진 소개 >  ○ 성명: 박지훈○ 소속: 한국화학연구원○ 전화: 042-860-7612 ○ 이메일: jihpark@krict.re.kr  ○ 성명: 정관용○ 소속: 한국화학연구원○ 전화: 042-860-7339 ○ 이메일: kyjeong@krict.re.kr   ○ 성명: 이정재○ 소속: 한국화학연구원○ 전화: 042-860-7593 ○ 이메일: accendo@krict.re.kr           
편집부 2024-06-02
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- 단순 자동화 장치 대비, 소재 개발 효율 500배 이상 높인 AI 로봇 기반 스마트연구실- 노령화에 따른 연구인력 감소 문제를 해결하는 새로운 R&D 패러다임 기대    20세기 초 하버-보슈법에 의한 암모니아 합성용 촉매 개발은 성공하기까지 10,000회 이상의 실험이 따랐다고 한다. 이처럼 신소재 개발은 설계에서 상용화까지 많은 시간과 비용이 필요한 작업이다. 그런데 최근에는 인공지능(AI)을 활용해 소재 개발 기간을 단축하는 연구가 활발하다. 여기에 로봇까지 접목하면 사람의 개입 없이도 1년 365일, 24시간 동안 소재 개발 연구를 할 수 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록)은 계산과학연구센터 한상수 박사, 김동훈 박사와 고려대학교(총장 김동원) 화공생명공학과 이관영 교수 공동연구팀이 AI와 로봇을 활용한 맞춤형 금속 나노입자 설계 플랫폼 즉, 스마트연구실1)을 개발했다고 밝혔다.       KIST 계산과학연구센터 스마트연구실 개발 인원 사진    KIST-고려대 공동연구팀은 먼저 로봇팔을 기반으로 나노입자를 합성하고, 합성된 나노입자의 광학적 특성을 측정하는 자동화 장치를 개발했다. 여기에 AI 기술을 접목해 연구자가 원하는 소재의 물성을 입력하면 요구 물성을 정확히 충족시키는 나노소재를 합성해주는 맞춤형 소재 개발 스마트연구실이 탄생했다.2)  스마트연구실 플랫폼에 적용된 AI 기술은 기존의 베이지안 최적화3) 방법에 얼리 스톱핑(early stopping)4) 기술을 접목해 단순 자동화 장치 대비 소재 탐색 효율성을 500배 이상 높였다. 사람이 하는 실험은 연구환경이나 연구자에 따라 결과라 달라져 재현성 있는 결과를 얻기 힘든 경우가 많지만, 개발된 스마트연구실에서는 일관성 있는 양질의 데이터를 대량으로 생산할 수 있다는 장점이 있다.    AI 로봇을 활용한 Closed-loop 실험 단계 개념도    기존 방법론 대비 AI 기반 실험 설계의 정량적 효율성 비교 그림    연구진은 스마트연구실의 안전 확보를 위한 AI 기술도 개발했다. 무인으로 운영되는 스마트연구실은 연구자가 다칠 위험은 없지만, 로봇의 과부하로 인한 오작동 등 안전사고를 예방하기는 어렵다.  연구진은 이러한 안전사고를 사전에 감지하고, 예방하기 위한 AI 비전 기술(DenseSSD5))을 개발해 스마트연구실에 탑재다. DenseSSD는 실험실 내 연구 장비와 재료 등 다양한 물체를 감지하고, 이상이 있으면 사용자에게 알림을 보내 적절한 조치를 취할 수있게 한다. 맞춤형 소재 개발 스마트연구실의 개념과 기능을 이해하기 위해서는 자율주행 자동차와 비교하면 수월하다. 자율주행 자동차는 AI 비전 기술을 접목해 사용자가 원하는 목적지만 입력하면 안전하게 목적지까지 주행한다. 금속 나노입자 (Metal Nanoparticle). 붙임 용어 설명 참고. 베이지안 최적화 (Bayesian optimization). 붙임 용어 설명 참고. 얼리스톱핑 (Early stopping). 붙임 용어 설명 참고. DenseSSD. 붙임 용어 설명 참고.   KIST 한상수 박사는 “사람의 개입 없이 소재 개발이 가능한 스마트연구실 플랫폼은 노령화에 따른 연구인력 감소 문제를 해결할 수 있는 새로운 R&D 패러다임이 될 것”이라고 기대했다. 김동훈 박사는 “향후 비전문가도 스마트연구실을 쉽게 사용할 수 있도록 챗GPT와 같은 대화형 언어모델을 접목할 계획이다”라고 밝혔다. 연구팀은 촉매, 배터리, 디스플레이 등 다양한 소재 분야로 스마트연구실 플랫폼을 확장할 예정이다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원으로 한국연구재단 나노및소재기술개발사업 지원으로 수행되었으며, 연구 결과는 재료과학 분야 국제저널인 「Advanced Functional Materials」* 및 「npj Computational Materials」**에 3월 6일과 2월 22일에 각각 온라인 게재되었다* Bespoke Metal Nanoparticle Synthesis at Room Temperature and Discovery of Chemical Knowledge on Nanoparticle Growth via Autonomous Experimentations** Machine Vision-based Detections of Transparent Chemical Vessels toward the Safe Automation of Material Synthesis   < 붙임 용어설명 >1. 금속 나노입자금속 입자의 지름이 천만 분의 1m(100㎚)보다 작은 경우 금속 나노입자라고 한다. 금속 나노입자는 촉매, 배터리, 반도체 등등 전방위적인 사업에서 주로 많이 사용된다.   2. 베이지안 최적화(Bayesian optimization)Bayesian optimization은 특정 목적의 결과를 최적화하기 위해 사용되는 반복적인 전략이다. 해당 최적화 기법은 특정 목적의 결과에 대한 정보를 수집하고, 이를 사용하여 다음에 시도할 후보지점을 선택한다. Bayesian optimization은 이전 시도 결과에 대한 확률적 모델을 구축하고, 이 모델을 사용하여 다음 시도에서 가장 유망한 후보 지점을 선택하는 방식으로 작동한다. 이를 통해 최소한의 시도로 최적화된 결과를 얻을 수 있다. Bayesian optimization은 주로 컴퓨터 실험 및 기계 학습 알고리즘의 매개 변수 조정과 같은 범주에 사용된다.   3. Early stopping Early stopping은 기계 학습 모델을 훈련할 때 사용되는 기술 중 하나로, 모델이 과적합(overfitting)되는 것을 방지하기 위해 사용된다. 이는 모델의 훈련을 일찍 중지시키는 것을 의미한다. Early stopping은 특히 큰 규모의 신경망과 같은 복잡한 모델에서 효과적으로 사용된다.   4. DenseSSD(Densely connected Single-Shot Detector)DenseSSD는 KIST 계산과학연구센터에서 개발한 새로운 컴퓨터 비젼 딥러닝 모델로, 이전의 모델들과는 다르게 모든 레이어가 서로 밀접하게 연결되어 있다. DenseSSD에는 이미지의 전체적인 특징을 뽑아내는 Mainstream network와 이미지의 국소적인 특징을 뽑아내는 피라미드 형태의 구조 두 가지가 포함되어 있다. DenseSSD는 다른 모델들과는 대조적으로 각 레이어 사이에정보 전달이 가능하다.   < 연구진 소개 >유혁준 학생연구원(제1저자) ○ 소속: KIST 계산과학연구센터,고려대학교 화공생명공학과○ 전화: 02-958-5498 ○ e-mail: yoohj9475@kist.re.kr   김나연 학생연구원(제1저자)  ○ 소속: KIST 계산과학연구센터,고려대학교 화학과○ 전화: 02-958-5498 ○ e-mail: kny@kist.re.kr  이관영 고려대학교 교수(교신저자)○ 소속: 고려대학교 화공생명공학과 교수○ 전화: 02-3290-3299 ○ e-mail: kylee@korea.ac.kr  김동훈 KIST 선임연구원(교신저자)○ 소속: KIST 계산과학연구센터○ 전화: 02-958-5463 ○ e-mail: donghun@kist.re.kr  한상수 KIST 책임연구원/센터장(교신저자)  ○ 소속: KIST 계산과학연구센터○ 전화: 02-958-5441 ○ e-mail: sangsoo@kist.re.kr     
편집부 2024-06-02
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- 초임계 상태 물만으로 수십 분 내에 99% 친환경 재활용 가능- 폐 재활용 섬유를 E-모빌리티 배터리 전극재로 업사이클링까지    탄소섬유강화플라스틱(CFRP)1)은 금속보다 가볍고 강도가 높아 항공, 우주, 자동차, 선박, 스포츠용품 등 다양한 산업 분야에서 사용되고 있다. 최근에는 에어 모빌리티와 같은 신산업에도 적용되면서 사용량이 증가해 폐기물 처리 문제가 드러나고 있다. 그런데 CFRP는 자연분해가 되지 않으며, 고온 소각방식은 독성물질을 배출해 환경오염을 초래하기 때문에 재활용 기술 개발이 시급하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록)은 RAMP융합연구단2) 정용채 단장 연구팀이 일정 수준 이상의 온도와 압력 조건에서 발현되는 초임계3) 상태의 물을 이용해 수십 분 내에 CFRP 소재를 99% 이상 재활용하는 기술을 개발했다고 밝혔다.    [그림 1] 폐 복합소재를 배터리 전극재로의 활용한 개념도    초임계 상태의 물은 높은 극성, 확산성, 그리고 밀도를 가져 CFRP에 함침된 에폭시만을 선택적으로 제거함으로써 재활용된 탄소섬유를 얻을 수 있다. 연구팀은 별도의 촉매제, 산화제, 유기용매 등을 사용하지 않고 물만을 이용해 고효율의 재활용 시스템을 완성했다.  또한 글라이신(Glycine)4)을 초임계 상태의 물에 첨가하면 CFRP를 질소 원자가 도핑된 재활용 탄소섬유로 업사이클링할 수 있다는 사실도 알아냈다. 이렇게 업사이클링된 탄소섬유는 기존 재활용 탄소섬유보다 우수한 전기적 전도성을 가진다. 수십 분 내에 단일재활용 공정만으로, CFRP의 재활용과 업사이클링을 동시에 처리해 재활용 섬유의 구조와 물성을 제어한 사례는 이번 연구성과가 처음이다.    [그림 2] 탄소복합소재를 물로 재활용한 전/후 실 사진 이미지(CFRP: 원소재(재활용 전), N-CF: 질소 도핑된 탄소섬유(재활용 후))    [그림 3] 업사이클링 재활용 탄소섬유의 배터리 용량 평가 결과(P-CF: 원소재, R-CF: 재활용 탄소섬유, N-CF: 질소 도핑 재활용 탄소섬유)    지금까지는 재활용된 CFRP 섬유의 성질이 불균일하다는 제약으로 인해 그 활용처가 주로 복합소재의 충진제5)에 국한됐다. 이와 비교해 연구팀이 만들어 낸 업사이클링 탄소섬유는 E-모빌리티 배터리의 전극재로 적용했을 때 코인셀 평가에서 흑연 대비 동등 혹은 그 이상의 성능을 나타냈다. KIST 정용채 단장은 “전 세계적으로 탄소복합소재(CFRP)의 폐기물량이 증가하고 있는 상황에서 이를 친환경적으로 업사이클링하는 기술을 개발했다”라면서, “탄소 배출량을 획기적으로 저감시키는 것은 물론 E-모빌리티의 배터리 전극재로 전환하는 자원 선순환 구조까지 제시한 의미있는 연구성과”라고 연구의 의의를 설명했다. 이번 성과는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 KIST 융합연구단사업(CRC23011-000)과 나노 및 소재기술개발사업(2021M3H4A1A0304129)으로 수행되었으며, 연구 결과는 국제학술지 카본 (CARBON) 최신호에 게재되었다.* 논문명: Simultaneous recycling and nitrogen doping in carbon fiber reinforced plastic using eco-friendly supercritical water treatment for Li-ion batteries anode application - 공동 제1저자: 한국과학기술연구원 김영남 연구원 - 공동 제1저자: 한국과학기술연구원 이윤기 연구원 - 공동교신저자: 한국과학기술연구원 정용채 책임연구원 - 공동교신저자: 한국과학기술연구원 이성호 책임연구원   < 연구진 소개 >   정용채 KIST 책임연구원 (교신저자)○ 소속: 한국과학기술연구원 RAMP융합연구단○ 전화: 063-219-8153 ○ e-mail: ycjung@kist.re.kr  이성호 KIST 책임연구원 (교신저자)○ 소속: 한국과학기술연구원 탄소융합소재연구센터○ 전화: 063-219-8134 ○ e-mail: sunghol@kist.re.kr  김영남 KIST 박사 후 연구원 (제1저자) ○ 소속: 한국과학기술연구원 RAMP융합연구단○ 전화: 063-219-8230 ○ e-mail: ynkim@kist.re.kr  이윤기 KIST 박사 후 연구원 (제1저자)○ 소속: 한국과학기술연구원 탄소융합소재연구센터○ 전화: 063-219-8242○ e-mail: younkilee@kist.re.kr     
편집부 2024-06-02
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- ‘12대 국가전략기술’ 중의 ‘첨단바이오’ 분야 중점 기술인 합성생물학 기술 개발 성과 - 유질 효모 기반 바이오 아디프산 생산용 미생물 세포공장 구축 - 바이오매스 활용 미생물 개발 관련 권위 학술지 ‘Bioresource Technology’ 1월호 논문 게재   글로벌 친환경 규제와 탄소 배출량 저감 요구에 따라 석유화학 기반의 화학소재를 대체하기 위한 바이오 소재 개발이 전 세계적인 이슈인 가운데, 국내 연구진이 유질 효모*를 활용해 화학분야의 주요 산업 원재료를 생산하는 기술을 개발하였다.* 유질 효모: 체내에 지방 또는 기름 축적 능력이 뛰어난 효모   한국화학연구원(원장 이영국) 백승호·노명현 박사 연구팀은 최근 발표된 연구에서, 산업용 미생물로 활용되는 유질 효모인 야로위아 리폴리티카(Yarrowia lipolytica)를 활용한 ‘바이오 아디프산(Adipic acid)’ 생산용 미생물 세포공장을 성공적으로 개발하였다.  본 성과는 ‘합성생물학’ 기술을 활용하여 바이오매스로부터 바이오 아디프산을 생산하는 기술이다. 합성생물학 기술은 정부가 발표한 ‘12대 국가전략기술’ 중 ‘첨단바이오' 분야의 중점기술로 선정되었다. 본 기술을 활용해 향후 아디프산이 주요 화학소재로 사용되는 의류, 생활, 산업용 응용 제품 영역에 널리 활용될 것으로 기대된다. 아디프산은 나일론 섬유의 필수 중간 원료이자, 생분해성 플라스틱 원재료, 식품첨가제 등 다양한 용도로 활용되는 핵심 화학소재이다. 대부분의 아디프산은 나프타, 천연가스 등 화석연료로 생산되지만, 생산 공정상 발생하는 아산화질소(N2O)가 온실효과를 유발하기 때문에 환경친화적이고 지속 가능한 바이오 아디프산 생산 기술 개발이 필수적이다. 특히, 석유화학산업에서의 친환경 규제와 탄소배출 감소에 대한 요구가 커지면서, 바이오매스 유래의 탄소중립형 바이오화학원료로 대체하기 위한 패러다임 전환이 강조되고 있다.하지만 현재까지 개발된 기술들은 인체 내 질병을 유발할 수 있는 병원성 미생물을 활용하거나 유전자 조작이 까다로운 점 등, 아직까지는 상용화를 위해 보완할 점이 많은 상황이다.    한국화학연구원 백승호 박사 연구팀이 HPLC 장비를 통해 생산된 바이오 아디프산을 분석하고 있다.     이에 연구팀은 FDA 인정 식품첨가 안전 물질(GRAS)로 지정된 유질 효모인 ‘야로위아 리폴리티카’를 미생물 세포공장*으로 활용해서 아디프산을 생산하는 기술을 세계 최초로 개발하였다.* 미생물 세포공장: 미생물 세포를 유용한 물질을 생산하기 위한 공장처럼 활용    바이오 아디프산 생산을 위한 미생물 세포공장인 야로위아 리폴리티카 균주를 배양하는 모습    지방산 유래 산물로부터 바이오 아디프산 생산을 위한 대사 경로 모식도 연구팀은 세포 내에서 아디프산으로 생산하기 위해 아디프산 생산 효율 향상을 위한 오메가 산화기작(왼쪽) ‘강화’하였고, 지방산 유래 산물의 선택적 분해를 위한 베타 산화기작(오른쪽)을 ‘재설계’하였다.   연구팀은 합성생물학 기술을 기반으로 ➀ 지방산 유래 산물 분해 능력을 인공적으로 조절하고 ➁ 아디프산 생산량이 증가하도록 미생물의 특성을 재설계하였다. 일반적인 유질 효모의 지질 분해 과정은 카복실기*가 양 끝에 붙어있는 디카르복실산** 형태로 변환되는 ‘오메가 산화기작’(상단 그림 왼쪽 과정) 이후 분해경로를 통해 유질 효모가 살아가는데 필요한 아세틸코에이 등의 에너지원으로 전환되는 ‘베타 산화기작’(상단 그림 오른쪽 과정) 과정을 거친다.* 카복실기: ‘COOH’로 표시되는 대표적인 화학 작용기의 일종** 디카르복실산: 유기산의 일종으로 카복실기가 2개 붙어있는 형태   지방산 유래산물로부터 바이오 아디프산 생산이 가능한 효모 균주지방산을 분해하는 대사 경로를 인공적으로 재설계, 최적화하여 지방산 메틸 에스터로부터 바이오 아디프산을 생산할 수 있는 미생물 세포공장 개발   연구팀은 식물성 오일에 다량 함유된 지방산 유래 산물을 디카르복실산으로 원활하게 전환하기 위해 필요한 유전자를 선별하여 ➀ 오메가 산화기작을 강화(상단 그림 왼쪽 과정)하였다. 또한, 6번의 반복적인 순환 과정을 통해 디카르복실산으로부터 에너지 생성과 생존에 필요한 아세틸 코에이를 생산하였지만, 유전자 조작을 통해 3번만 순환되도록 하고, 나머지의 디카르복실산은 아디프산을 생산할 수 있도록 유도하는 ➁ 베타 산화기작(상단 그림 오른쪽 과정)을 최적화하였다. 완성된 미생물 세포공장은 미생물 배양 과정을 거쳐 지방산 유래 산물을 선택적으로 분해, 전환하여 효율적으로 바이오 아디프산을 생산하는 환경친화적 기술이다. 석유화학 기반의 아디프산 대체를 위한 원천기술로써, 향후 다양한 분야에 활용이 가능할 것으로 전망된다.    합성생물학 기반 지방산 분해 대사 경로 재설계-최적화 지방산을 분해하여 에너지원으로 사용할 수 있는 대사 경로를 인공적으로 재설계하여 아디프산 생산량을 향상시키고 생산된 아디프산의 분해는 최소화시킨 야로위아 리폴리티카 효모 기반 플랫폼 미생물 개발- 논문명(영): Engineering of Yarrowia lipolytica as a Platform Strain for Producing Adipic Acid from Renewable Resource- 논문명(국): 재생 가능 자원으로부터 바이오 아디프산 생산이 가능한 효모 야로위아 리폴리티카 기반 플랫폼 균주 개발   화학연 이영국 원장은 “본 성과는 12대 국가전략기술 중 첨단바이오 분야의 핵심인 합성생물학 기술을 통해 확보된 바이오 아디프산 생산 맞춤형 미생물 세포공장 기술로써, 향후 대한민국 바이오 소재 생산 원천기술 확보에 기여할 수 있기를 희망한다”라고 말했다.이번 연구결과는 바이오매스 관련 권위 학술지인 ‘바이오리소스 테크놀로지(Bioresource Technology, IF : 11.4)’ 1월호 논문으로 게재되었다. 또한, 이번 연구는 한국화학연구원의 기본사업과 과학기술정보통신부 석유대체 친환경 화학기술개발사업의 지원을 통해 수행하였다.   < 연구자 소개 > ○ 성명: 백승호○ 소속: 한국화학연구원 바이오화학연구센터 선임연구원○ 전화: 052-241-6320 / 010-2755-8849  ○ 이메일: baeksh@krict.re.kr  ○ 성명: 노명현  ○ 소속: 한국화학연구원 바이오화학연구센터 선임연구원○ 전화: 052-241-6362 / 010-4871-2541  ○ 이메일: mhnoh@krict.re.kr​  
편집부 2024-05-13
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- 폐기물에서 고순도의 금을 선택적으로 회수하는 섬유형 금속 회수 소재- 회수 공정 비용, 시간 대폭 감소 및 소재 대량생산, 반복 재활용 가능   우리나라는 금속자원 대부분을 수입에 의존하고 있으며, 특히 최근에는 자원 고갈과 원자재 가격 상승으로 인해 폐금속 자원1)을 재활용하는 ‘순환 자원’이 부상하고 있다. 이에 따라 SK하이닉스는 반도체 제조공정에서 발생하는 폐기물에서 구리, 금 등을 회수해 재사용하는 비율을 2030년까지 30% 이상으로 높이는 중장기 계획을 수립했고, 삼성전자는 비영리법인인 E-순환 거버넌스와 협력해 폐 휴대폰 수거 프로그램을 운영하고 있다. 세계 순환 경제 시장 규모는 2022년 약 3,380억 달러에서 2026년 약 7,120억 달러 규모로 2배 이상 성장할 것으로 추정된다.2) 이런 가운데 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 물자원순환연구단 최재우 박사팀이 섬유 소재를 이용해 다양한 금속이 존재하는 전기‧전자 폐기물에서 고순도의 금을 선택적으로 회수할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 금속 회수용 흡착체는 높은 비표면적3)을 기반으로 흡착효율을 높이기 위해 입상4) 형태를 가지는 것이 일반적인데, 수중에서 제어하기 어렵기 때문에 회수율이 낮아 2차 환경오염까지도 일으킬 수 있다. 반면 섬유 형태의 소재는 수중제어가 쉬우면서도 직조 과정을 거치면 다양한 형태로 만들 수 있어 산업 적용 가능성이 높다. 다만 두께가 얇고 강도가 낮아 지지체에 금 회수 기능을 도입할 경우 쉽게 끊어지는 문제가 있었다. 2022년 삼성전자와 SK하이닉스에서 발생한 폐기물량은 각각 95만6천631t과 35만7천795t에 달함.(노웅래 의원실, 한국환경공단 2023. 10. 11. 제출자료) Deloitte(2023.4.), 딜로이트 인사이트: 순환경제 도입, 기후위기의 현실적 대안 비표면적: 단위질량당 표면적 입상: 알갱이 모양   KIST 연구팀은 폴리아크릴로니트릴(PANF) 섬유 소재 표면에 알칼아민 분자를 화학적으로 고정시켜 분자 금 회수 성능과 구조적인 안정성을 동시에 높였다. 아민이 함유된 고분자 섬유는 표면적이 획기적으로 넓어져 연구팀에서 기존에 개발했던 입상 형태의 금 흡착 소재5) 대비 폐기물에 포함된 금 이온(Au) 흡착 성능을 최대 2.5배까지 향상시킬 수 있다.(576mg/g에서 1,462mg/g)   [그림 1] 아민화된 아크릴 섬유의 제조 및 물리화학적인 특성 그림 (a)는 아크릴 섬유에 아민화 반응을 시키기 전/후의 소재를 나타낸다. 그림 (b)는 다양한 분자 구조를 지닌 알킬아민을 사용한 결합 반응 전과 후의 아크릴 섬유의 FT-IR 스펙트럼을 나타낸다. 사용된 알킬아민은 diethylenetriamine(DETA),ttriethylenetetramine(TETA), tetraethylenepentamine(TEPA), branched poly(ethyleneimine)(bPEI)이다. 그림 (c)는 아민화 전과 후의 아크릴 섬유의 XRD 패턴을 나타낸다. 그림 (d)는 다양한 분자 구조를 지닌 알킬아민을 활용해 아민화된 아크릴 섬유의 응력-변형 곡선을 타나낸다. 그림(e)는 다양한 분자 구조를 지닌 알킬아민을 활용해 아민화된 아크릴 섬유의 금 이온에 대한 최대 흡착량을 나타낸다    개발된 섬유형 소재는 실제 CPU를 침출해 얻은 용액에서 99.9% 이상의 금 회수 효율을 보였을 뿐 아니라, 대부분의 폐액을 포함하는 pH 1~4의 넓은 범위에서도 100%에 가까운 금 회수 효율을 달성했다. 특히 용액 내에 14종의 다른 금속이온6)이 공존하는 조건에서도 오직 금 이온만 99.9% 이상 높은 순도로 회수할 수 있다는 점이 주목할만하다. 게다가 10회 사용한 후에도 금 회수율을 91%까지 유지해 우수한 재사용성을 보였다. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135618 구리, 납, 카드뮴, 망간, 니켈, 코발트, 철, 알루미늄, 크로뮴, 아연, 나트륨, 칼륨, 마그네슘, 칼슘   [그림 2] 금 회수 섬유를 활용한 금 회수 성능그림 (a)는 용액의 pH에 따른 금 회수 효율(Re)을 타나낸다. 금 회수 공정은 대부분 산성 영역에서 진행되므로 적용성이 높다고 할 수 있다. 그림 (b~e)는 각각 pH 3, 6, 9, 12에서 금 회수 후 소재의 표면을 관찰한 SEM 이미지를 보여준다. 이를 통해 산성 조건에서 금 이온이 결정 형태로 변하면서 높은 회수율을 보인다는 것을 알 수 있다. 그림 (f)는 섬유 표면에 형성된 결정이 순수한 금 결정이라는 것을 보여주는 XRD 분석 결과를 보여준다. 그림 (g~l)은 용액 내 금 이온의 농도가 증가함에 따라 섬유 표면에 형성된 금 결정의 양이 크게 증가한다는 것을 보여주며, 그림 (m~q)는 결정이 금이라는 것을 다시 한번 보여준다. 그림 (r)은 실제 공정 조건과 유사한 초 저농도(0.1~10ppm) 조건에서 소재를 적용했을 때 완벽한 금 회수 성능을 나타낸다. 그림 (s)는 소재의 등온 흡착선을 보여준다. 그림 (t)는 기존에 개발된 흡착 소재들을 크기별로 분류하고, 금 흡착 성능을 비교한 결과를 나타낸다. 개발 소재의 성능은 세계 최고 수준의 성능을 보여준다.  [그림 3] 금 회수 섬유의 산업으로 적용 가능성 평가그림 (a)는 실제 금 회수 공정에 용액 내 공존할 수 있는 14종 경쟁 금속이온이 금 이온보다 1배, 10배, 100배 높은 환경에서 금 회수 선택성을 평가 결과를 보여준다. 그림 (b)는 섬유 표면에 높은 순도(~99.9%)의 금을 보여준다. 그림 (c)는 섬유 소재를 10회 반복 재사용 이후에도 높은 성능을 유지한다는 것을 보여준다. 그림 (d)는 회수 성능이 유지되는 것을 표면 화학 기능기의 재생 때문이라는 것을 보여준다. 그림 (e)는 섬유를 직조하여 원하는 형태로 디자인 가능하다는 것을 보여준다. 그림 (f)는 입상 소재보다 섬유를 활용한 경우 압력 강하가 크게 완화되기 때문에 효율적인 회수 공정 구현이 가능하다는 것을 보여준다.   KIST 최재우 박사는 “이번에 개발된 섬유형 흡착제는 효율적, 친환경적으로 금속자원 회수를 가능케 함으로써 우리나라의 자원수입 의존도를 낮추고, 원재료 가격 상승 리스크에 대비할 수 있다”라고 기대했으며, 제1저자인 KIST 정영균 박사는 “향후 연구의 범위를 확장해 금 외에도 다양한 타겟 금속을 선택적으로 회수하기 위한 연구를 계획하고 있다”라고 밝혔다. 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원으로 소재혁신선도사업(2020M3H4A3106366)과 KIST 대기환경복합대응연구사업(2E33081)으로 수행된 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Chemical Engineering Journal」에 게재*되었다.* Efficient and Selective Gold Recovery Using Amine-laden Polymeric Fibers Synthesized by a Steric Hindrance Strategy   < 연구자 소개 > 최재우 KIST 책임연구원 (교신저자)○ 소속: 기후⦁환경연구소 물자원순환연구단○ 전화: 010-7103-7762  ○ e-mail: plead36@kist.re.kr 정영균 KIST 박사 후 연구원 (제1저자) ○ 소속: 기후⦁환경연구소 물자원순환연구단○ 전화: 010-5457-1474  ○ e-mail: jungyk@kist.re.kr 
편집부 2024-05-13
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- 녹여서 재활용이 가능한 투명 점착 소재의 개발, 탄소 저감 등 자원 재활용 소재로 활용 - 소재연구 분야 세계적인 학술지 ACS Applied Materials & Interfaces 2023년 12월호 게재   전 세계적으로 플라스틱의 자원순환 및 폐기물 저감에 관심이 높아지는 가운데, 국내 연구진이 재가공을 통해 자원 재활용이 가능한 투명 점착 필름을 개발하였다.   한국화학연구원(원장 이영국) 이원주·유영창·안도원 박사 연구팀은 부산대학교 백현종 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 고분자 사슬의 길이를 극대화하여 화학적 가교 구조* 없이도 우수한 점착특성을 갖는 투명 점착 필름 소재를 개발하였다.   * 화학적 결합을 통해 3차원 네트워크 형상을 갖는 그물구조, 화학적 결합을 끊는데 많은 에너지가 소모되기 때문에 용매나 열로 다시 녹여 재활용하는 것이 불가능하다.   연구팀이 개발한 투명 점착 필름은 정보 전자기기의 디스플레이, 자동차 등과 같은 이동 수단, 생활용품은 물론 의료용 점착 필름 등 다양한 산업에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.   [그림 1] 가교가 필요 없는 초고분자 점착제의 장점 기존 소재: 일반적인 점착제 고분자의 구성 및 단점  기존의 점착제 고분자의 구성 및 단점: 기존의 자유라디칼 중합을 통해 합성되는 고분자는 분자량을 100만 이하의 수준으로써, 고분자 자체만으로는 충분한 점착력을 보여주지 못한다. 따라서 추가적인 가교 반응을 통해 응집력을 높여야만 점착제로서의 기능을 할 수 있었다.     [그림 2] 초고분자 점착제 고분자의 재활용 및 재사용 평가 개발 소재: 가시광선 제어중합을 이용한 초고분자 점착제 소재의 구성 및 장점  가시광선 제어중합을 이용한 초고분자 점착제 소재의 구성 및 장점: 해당 연구에서 개발된 무 가교제형 초고분자는 분자량 최대 280만에 도달하였으며, 이를 통해 가교 반응 없이도 우수한 점착력을 보였다. 또한, 가교 반응을 하지 않았기 때문에 용매에 다시 녹여내어 재활용할 수 있는 친환경 소재로도 사용할 수 있다.  일반적으로 사용되는 점착 소재는 3M 스카치테이프나 라벨 테이프와 같이 부착을 위한 점착 필름과 스마트폰 액정보호필름과 같은 표면을 보호하거나 점착 소재의 목적을 달성하기 위한 플라스틱 필름으로 나뉜다.    그런데 점착 소재를 분해·재활용하려면 점착 필름을 반드시 제거해야 하지만, 대부분의 점착 소재가 통째로 버려지고 있다. 왜냐하면, 기존의 점착 필름은 화학반응으로 결합하는 3차원의 화학적 가교 구조를 통해 점착력을 높이는데, 이러한 경우 ‘일반적인 용매*’나 높은 열에도 잘 녹지 않기 때문에, 사용 후에는 모두 폐기될 수밖에 없다.   * 물을 비롯한 아세톤, 톨루엔, 메탄올 등과 같은 용매    플라스틱 필름의 분해·재활용에 관한 연구가 널리 진행되고 있지만, 점착 필름의 분해·재활용과 관련된 연구는 아직 시작 단계이다. 점착 소재 재활용의 핵심인 점착 필름의 화학적 결합을 끊어내는 기술이 연구되고 있긴 하지만, 여전히 독성 촉매를 사용해야 하거나 높은 온도 등의 많은 에너지가 필요한 점 등, 해결해야 하는 문제가 많은 상황이다.     [그림 3] 상용화된 점착제와 비교한 무가교제형 점착제의 재사용 평가      - (A) 점착제의 재사용 순환시험 모식도: 완성된 점착 테이프를 부착 및 탈착하는 과정을 5번 반복을 거침에 따라 변화하는 점착 세기를 평가.   - (B) 기존 점착제 고분자의 조성에서는 가교 반응을 하지 않을 경우, 떼어내는 과정에서 점착제로서의 기능을 잃음. 그에 비해, 본 연구에서 개발된 초고분자 점착제는 가교 효과 없이도 충분한 점착력 및 기능을 발휘. 상용화된 점착 테이프 제품인 라벨 테이프 또는 스카치테이프와 비교했을 때에도 점착력이 상회하거나 유사함.(상용화된 제품의 경우 화학적 가교구조를 활용)   - (C) 기존 점착제 고분자(저분자 점착제)의 조성에서는 가교 반응을 하지 않을 경우, 낮은 응집력으로 인해 피착제 표면을 오염시킬 수 있음. 그에 비해, 초고분자 점착제의 경우 상용화된 라벨 테이프 또는 스카치테이프와 유사하게 우수한 박리능력(잔사없이 떼어낼 수 있는 능력)을 보임.  공동 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 점착 필름을 이루고 있는 고분자 사슬의 분자량을 극대화해 더 잘 엉키는 성질을 이용하여, 화학적 가교 구조 없이도 기존 점착 필름과 비교하여 자국이 남지 않고 접착력이 더 좋은 소재를 개발하였다.    고분자 소재는 일반적으로 사슬이 길수록 높은 강도, 안정성 등의 물리적 특성을 갖는다. 이는 길이가 짧은 실을 뭉친 경우에는 실 가닥을 쉽게 뽑아낼 수 있어 쉽게 풀리는 반면에, 길이가 긴 실의 경우 뭉치고 나면 많은 엉킴이 발생하여 실 가닥을 뽑아내거나 풀기 어려운 현상으로 비유할 수 있다.    특히 기존의 투명 점착 필름을 구성하는 고분자의 경우, 사슬의 길이에 한계가 있으며 사슬 길이의 다 분산지수*가 높아 분자량이 긴 사슬과 짧은 사슬이 같이 존재한다. 사슬이 짧은 고분자는 점착 필름을 제거할 때 표면에 점착 잔여물이 남는 문제를 발생시킨다.   * 다 분산지수(Poly Dispersity index): 사슬 길이의 분산도, 유사한 사슬 길이를 갖는 고분자는 분산도가 낮고, 다양한 사슬 길이를 갖는 고분자는 분산도가 높다. 따라서 분산도가 낮아야 좋은 특성의 점착 필름이 된다.    여러 한계점으로 인해 사슬이 매우 긴 초거대 고분자를 합성하는 기술은 오래된 숙제이다. 이러한 상황에서 연구팀은 가시광선을 이용한 방법으로 기존 고분자 사슬보다 2.8배 긴 초거대고분자* 합성에 성공하였다.    개발된 초거대 고분자는 사슬의 길이가 매우 길기 때문에 사슬의 엉킴이 쉽게 일어나고, 사슬당 발생하는 엉킴의 수가 매우 높다. 또한, 짧은 사슬 길이를 갖는 고분자가 거의 없으므로 점착 필름을 제거하여도 점착 잔여물이 남지 않는다.   * 평균 분자량 280만, 다 분산도 1.5 이하(기존 소재: 분자량 100만, 다 분산도 2)    개발된 비 가교 투명 점착 필름은 기존 점착 필름 대비 약 130% 수준의 우수한 부착력을 지녔으며, 표면에서 제거하여도 잔여물이 남지 않았다. 다양한 테스트 환경에서도 모두 우수한 안정성을 나타냈다.    개발된 투명 점착 필름은 화학적 가교 구조가 없기 때문에 점착 필름을 사용한 후, 무독성의 용매에 쉽게 녹일 수 있다. 회수된 고분자를 여러 차례 재가공해도 성능 저하가 거의 없는 것을 확인하였다. * 3회 재가공 기준, 기존 대비 약 97% 수준의 점착력    연구팀은 본 성과를 바탕으로 기존 상용 제품 대비 200% 이상 우수한 물성과 가혹한 외부환경에서도 사용이 가능한 내구성을 지닌 비 가교형 점착 소재 개발 연구를 진행하고 있다. 또한, 유기용매가 아닌 물에 녹여 재활용하는 친환경 점착 필름 소재 개발 연구도 진행 중이다.    화학연 이영국 원장은 “이번 연구는 기존에 상용화된 경화성 투명 점착 필름과 달리 사용 후에도 폐기하지 않고 폐기물의 재활용·재사용이 가능하여, 향후 탄소 저감, 폐기물 저감 등과 같은 환경문제를 해결하는 자원순환형 정밀화학소재 개발에 기여할 것으로 전망된다”라고 말했다.    [그림 4] 연구진이 개발한 녹여낼 수 있는 무가교제형 초고분자 점착제 (ACS Applied Materials & Interfaces 23년 12월호 논문)     이번 연구결과는 소재 분야 세계적인 학술지 ‘ACS 어플라이드 매터리얼스 앤드 인터페이시스(ACS Applied Materials & Interfaces, IF : 9.5)’ ’23년 12월호에 게재됐다.   또한, 이번 연구는 한국화학연구원 기본사업으로 수행되었다.   < 연구자 소개 > ○ 성명: 이원주 ○ 소속: 한국화학연구원 ○ 전화: 010-2319-0701/052-241-6051 ○ 이메일: winston@krict.re.kr  ○ 성명: 유영창 ○ 소속: 한국화학연구원 ○ 전화: 010-8273-9731 ○ 이메일: ycyu@krict.re.kr     ○ 성명: 안도원 ○ 소속: 한국화학연구원 ○ 전화: 010-4076-9399  
편집부 2024-05-11
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- 태양광 출력 변동성 반영 그린수소 생산 장치 내구성 평가기술 개발- 그린수소 생산용 수전해 장치 핵심 소재부품 개발 지침 제시  미래의 청정에너지 운반체로 그린수소가 주목받으면서 어떤 재생에너지를 에너지원으로 활용할 것인지에 대한 문제 역시 중요해지고 있다. 그중 태양광은 지구 어디에나 존재하는 태양을 이용하기 때문에 자연 지형의 의존성이 낮은 장점이 있다. 그러나 계절 및 날씨 등에 따른 태양광 출력과 발전량 변화는 전력의 상승과 하강을 반복적으로 유발해 생산 장치의 부품을 손상시키는 문제가 있어 최적의 부품 교체 시기 및 신소재 개발을 위해서는 장치의 내구성을 정밀하게 평가할 수 있는 기술이 중요하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 수소·연료전지연구센터 서보라 박사 연구팀은 실제 태양의 조도 데이터를 활용해 1초 단위의 단계 지속 시간1)을 갖는 그린수소 생산 장치의 내구성 평가기술을 개발했다고 밝혔다. 이는 현재까지 개발된 기술 중 가장 짧은 단계 지속시간을 적용한 것으로 실제 태양광 에너지의 출력 변동성을 가장 유사하게 시뮬레이션할 수 있다. 태양광 기반 그린수소 생산 장치의 성능 저하 원인이 파악되더라도 이를 개선하기 위해서는 신뢰도가 높은 내구성 평가기술 확보가 필요하다. 하지만 지금까지는 단순히 전류를 순환하거나 일정하게 유지하는 방법으로 평가를 수행해 태양광 출력 변동성을 정밀하게 반영하지 못했다. 그뿐만 아니라 전력 변동 조건에서 우수한 내구성을 갖는 핵심소재 개발을 위한 수전해 장치의 내구성 평가 기준도 없었다.   [그림 1] 태양광 기반 내구성 평가기술과 정전류법 및 순환전류법 내구성 평가기술 비교태양광 패널에서 얻은 태양 조도 데이터를 바탕으로 도출한 내구성 평가기술을 적용하여 장기 운전하는 동안 수전해 시스템의 성능 변화를 추적하였다. 특히, 기존에 보고된 정전류법 및 순환전류법 기반 내구성 평가기술을 적용하였을 때 결과와 비교 분석하여 기존 내구성 평가기술로는 그린수소 생산 장치의 수명을 예측하는 데 실효성에 한계가 있음을 확인하였다.  연구팀은 태양광 패널에서 얻은 실제 태양 조도 데이터와 수전해 스택 데이터를 활용해 조도 값을 전류밀도로 변환하는 시뮬레이션 방법을 최초로 개발했다. 이를 통해 순환전압전류법 등 기존 내구성 평가기술에서는 10초에서 3분까지 소요되던 단계 지속시간을 1초 단위로 획기적으로 단축해 태양광 출력 변동성을 실제와 유사하게 반영할 수 있게 됐다. 또한, 새롭게 개발한 내구성 평가기술을 바탕으로 수전해 장치의 소재 개발에 대한 핵심 지표를 제시했다. 전력 변동 조건에서의 촉매, 전해질막 등 소재의 성능 저하 정도를 파악할 수 있는 표준화된 분석법과 촉매 용출량, 불소 배출량, 산화막 두께 등 성능 저하 지표를 새롭게 제안했다. 이는 내구성 및 성능개선을 위한 그린수소 생산 장치의 소재 및 부품 개발 지침으로 활용될 수 있다.    [그림 2] 태양광 기반 내구성 평가 전/후 수전해 핵심소재 열화분석태양광 기반 내구성 평가 전/후 수전해 핵심소재(전해질막, 촉매, 확산체) 성능 저하 정도를 파악할 수 있는 표준화된 분석법 및 성능 저하 지표를 내구성 평가 조건별로 비교 분석하여 그린수소 생산 장치에 적합한 소재 개발 지침을 제시하였다.   이번에 개발된 내구성 평가기술은 태양광을 활용하는 그린수소 생산 장치의 정확한 상태진단 및 잔여 수명을 예측해 설비교체나 운영연장 여부 등을 판단할 수 있다. 해당 기술은 해상풍력, 조력발전 등 다른 신재생에너지 기반 그린수소 생산 장치의 성능을 평가하는 데에도 적용이 가능할 것으로 기대된다.  [그림 3] 태양광 출력 변동성 반영 그린수소 생산 장치 내구성 평가 실험   KIST 서보라 박사는 “이번 연구 성과는 태양광 출력 변동성을 현실에 가장 가깝게 반영해 그린수소 생산 장치의 내구성을 평가한 첫 번째 시도”라며, “이를 통해 그린수소 생산 시스템에 대한 효율적인 설비 투자와 소재·부품 경쟁력 강화에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원으로 KIST 주요사업과 산업통상자원부(장관 안덕근)의 소재부품기술개발사업(20022451)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 환경 에너지 분야 국제 저명 학술지 「Energy & Environmental Science」 (IF 32.5, JCR 상위 0.4%)에 게재됐다.* 논문명: Systematic degradation analysis in renewable energy-powered proton exchange membrane water electrolysis   < 연구자 소개 >   보로노바 아나스타시아 KIST 학생연구원(제1저자)○ 소속: 한국과학기술연구원 청정신기술연구본부수소·연료전지연구센터○ 전화: 010-4039-9500 ○ e-mail: 620009@kist.re.kr 서보라 KIST 선임연구원(교신저자) ○ 소속: 한국과학기술연구원 청정신기술연구본부수소·연료전지연구센터○ 전화: 02-958-5271 ○ e-mail: brseo@kist.re.kr 
편집부 2024-05-11
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- 수소와 산소 동시에 생산 가능한 양 기능성 촉매 내구성 한계 극복- 전기화학 시스템의 상용화를 위한 대면적 반응기 구동 기술 제시   한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 청정에너지연구센터 오형석·이웅희 박사팀은 포항공과대학과 연세대학교와 공동연구를 통해 산소 환원 반응과 발생 반응을 모두 보이는 팔면체 구조의 양 기능성 백금-니켈 합금 촉매를 이용해 전극의 가역-내구성1)을 향상하는 방법론 개발에 성공했다고 밝혔다. 변화된 촉매의 구조나 상태가 다시 원래의 상태로 돌아감에 따라 촉매의 안정성을 가져와 촉매의 기존 성능을 유지할 수 있는 정도   양 기능성 촉매란 하나의 촉매를 사용해 물에서 수소와 산소를 동시에 생산하는 차세대 촉매다. 현재 수전해 기술, CCU(이산화탄소의 포집 및 활용) 등 전기화학 시스템에서는 양쪽 전극에 별개의 촉매를 활용하기 때문에 수소의 생산 단가가 높다. 반면 1개의 생산공정으로 합성이 가능한 양 기능성 촉매는 생산비용 절감이 가능해 전기화학적 에너지 전환 기술의 경제성을 높일 수 있는 기술로 주목받고 있다.   [그림 1] 일체형 재생 연료전지 구동 모식도양 기능성 촉매를 적용할 수 있는 일체형 재생 연료전지의 반응 모식도를 표현함. 산소 발생 반응이 적용된 물 분해 반응(왼)과 산소 환원 반응이 적용된 연료전지 반응(오)이 통합된 일체형 재생 연료전지는 양 기능성 촉매가 필수적이다.   하지만 양 기능성 촉매는 수소와 산소를 발생하는 각각의 전기화학 반응을 진행하고 나면 전극 물질의 구조변화로 인해 다른 반응 성능이 낮아진다는 문제가 있다. 이 때문에 양 기능성 촉매를 상용화하기 위해서는 반응 후에도 장기간 촉매구조를 유지할 수 있는 가역-내구성 확보가 중요하다.   [그림 2] X-선 광전자 분광법과 실시간 X-선 흡수 분광법을 통한 각 반응 단계별 백금의 구조변화(왼) X-선 흡수 분광 분석을 통한 실시간 촉매 산화도 분석. 촉매의 산화도를 분석할 수 있는 X-선 흡수 분광법을 통하여 반응 전부터 두 가지 반응 동안에 변하는 촉매의 산화도를 실시간으로 분석하였다. 반응이 진행함에 따라 백금이 산화되어 백금 산화물이 형성되는 것을 확인하였다.(오) X-선 광전자 분광법을 통한 반응 단계별 촉매 표면 분석. 촉매의 표면을 분석하는 X-선 광전자 분광법을 통하여 반응 전부터 두 가지 반응과 전기화학적 구조복구 단계 이후 촉매의 표면 상태를 분석하였다. 반응이 진행되는 동안 산화되었던 백금이 전기화학적 구조복구 단계 이후 백금으로 복구되는 것을 확인하였다.   연구팀은 양 기능성 촉매의 가역-내구성을 높이기 위해 각각 산소 환원 반응과 발생 반응에서 높은 성능을 보이는 백금과 니켈을 섞어서 다양한 구조의 합금 촉매를 합성했다. 실험 결과 팔면체 구조일 때 니켈-백금 간의 상호작용이 가장 활발했으며, 이 합금 촉매는 백금, 니켈 단일 물질로 제작한 촉매 대비 산소 환원 반응과 발생 반응 성능이 2배 이상 높았다.   [그림 3] 실시간 X-선 흡수 분광법 측정 장비 모식도촉매의 산화도를 측정한 실시간 X-선 흡수 분광법을 위한 측정 장비의 모식도. 실시간 분석을 위해서는 특수한 측정 조건의 장비가 필요하며, 해당 모식도의 장비를 활용하여 측정을 진행하였다.   또한, 합금 촉매의 반복적인 발생 반응 과정에서 생성되는 백금 산화물이 성능 감소의 원인임을 확인해 백금 산화물을 백금으로 환원시키는 구조복구 방법론을 개발했다. 연구팀은 전자 현미경을 통해 연구팀이 개발한 방법론 적용 시 촉매의 형상이 복구되는 것을 확인했으며, 상용화를 위한 대면적 반응기 실험에서도 촉매 형상 복구에 성공해 구동 시간을 2배 이상 늘렸다. 연구팀이 개발한 양 기능성 촉매와 구조복구 방법론은 기존에 산소 발생과 환원 반응을 위한 별개의 촉매를 양 기능성 촉매로 대체해 일체형 재생 연료전지 기술의 상용화를 앞당길 것으로 기대된다. 수소와 전력 생산이 모두 가능한 일체형 재생 연료전지는 높은 가격의 촉매 투입량을 줄이면서도 성능을 유지할 수 있어 생산비용을 낮출 수 있다. KIST 오형석 책임연구원은 “촉매의 가역-내구성 향상 기술은 전기화학적 에너지 전환시스템에 중요기술인 양 기능성 촉매 개발에 새로운 방향성을 제시한 것”이라며, “향후 일체형 재생 연료전지와 같은 전기화학 시스템의 상용화 및 탄소 중립을 앞당기는 데 이바지할 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 ‘KIST 주요사업’, ‘Carbon to X 사업’(2020M3H7A109822921) 및 국가과학기술연구회(이사장 김복철)의 ‘창의형 융합연구사업’(CAP21013-100)으로 수행됐다. 연구결과는 저명 국제저널 ‘Advanced Energy Materials’ (IF: 27.8, JCR 분야 상위 2.5%) 최신 호에 게재됐으며, Back Cover 이미지에 선정됐다.* 논문명: Activity restoration of Pt-Ni octahedron via phase recovery for anion exchange membrane-unitized regenerative fuel cells   [그림 4] Advanced Energy Materials Back Cover 이미지      [그림 5] 전기화학 시스템에 중요한 양 기능성을 갖는 방법론을 제시한 KIST 오형석·이웅희 박사 연구팀  (좌측부터) 한만호 박사후연구원(제1저자), 오철우 박사후연구원(제1저자), 이웅희 선임연구원(교신저자), 고영진 박사후연구원(제1저자), 오형석 책임연구원(교신저자)   < 연구자 소개 > 오철우 KIST 박사후연구원(제1저자) ○ 소속 : 한국과학기술연구원 청정신기술연구본부 청정에너지연구센터○ 전화 : 010-5611-8461  ○ e-mail : posd9306@kist.re.kr 한만호 KIST 박사후연구원(제1저자) ○ 소속 : 한국과학기술연구원 청정신기술연구본부 청정에너지연구센터○ 전화 : 010-9128-0174  ○ e-mail : manho1101@kist.re.kr 고영진 KIST 박사후연구원(제1저자) ○ 소속 : 한국과학기술연구원 청정신기술연구본부 청정에너지연구센터○ 전화 : 010-7242-4533  ○ e-mail : 091183@kist.re.kr 이웅희 KIST 선임연구원(교신저자) ○ 소속 : 한국과학기술연구원 청정신기술연구본부 청정에너지연구센터○ 전화 : 010-2872-7273  ○ e-mail : abcabac@kist.re.kr 오형석 KIST 책임연구원(교신저자) ○ 소속 : 한국과학기술연구원 청정신기술연구본부 청정에너지연구센터○ 전화 : 010-5816-0419  ○ e-mail : hyung-suk.oh@kist.re.kr 
편집부 2024-05-11