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생명연, 플라스틱 분해효소 발현을 통한 페트병 분해 식물성 플랑크톤 개발

- 수생 생태계의 플라스틱 연쇄 오염 고리 차단의 실마리 제공국내 연구진이 유전자 형질전환을 통해 플라스틱 분해효소를 발현하여, 페트병을 분해하는 식물성 플랑크톤을 개발하였다. 향후 수생 생태계의 플라스틱 연쇄 오염 및 생물 농축 차단에 큰 기여를 할 것으로 기대된다. 미세플라스틱 오염이 먹이사슬에 따라 생물 농축되는 과정에서 플라스틱 분해 플랑크톤이 순환 고리를 끊는 역할을 수행할 수 있을 것으로 기대한국생명공학연구원(원장 김장성, 이하 생명연) 세포공장연구센터 이용재, 김희식 박사팀(교신저자: 이용재/김희식 박사, 제1저자: 김지원/박수빈 석박사통합과정생)이 수행한 이번 연구는 과학기술정보통신부와 생명연이 추진하는 아이디어 기반 융합 사업의 지원으로 수행되었고, 미생물 분야의 국제학술지 마이크로바이얼 셀 팩토리즈(Microbial Cell Factories, IF 4.669) 4월 28일 자(한국시각 4월 29일) 온라인판에 게재되었다. * 논문명: Functional expression of polyethylene terephthalate-degrading enzyme(PETase) in green microalgae 어패류 등의 수생 생명체는 미세플라스틱을 먹이로 오인하여 섭취하는 경향이 있어, 중금속이나 방사능과 같이 먹이사슬을 통해 플라스틱 생물 농축이 일어날 우려가 있다. 식물성 플랑크톤은 수생 생태계에서 1차 생산자로서 빛으로부터 포도당과 같은 영양분을 합성하여 전체 먹이사슬에 공급하는 역할을 담당한다.따라서, 플라스틱을 분해하는 식물성 플랑크톤은 미세플라스틱에 의한 수생 생태계의 연쇄 오염을 원천적으로 예방하고 먹이사슬을 통한 플라스틱 생물 농축을 차단할 수 있다.2016년 해외연구팀에 의해 페트병을 분해하는 효소가 세균으로부터 발견되었지만, 아직까지 식물성 플랑크톤인 녹색 미세조류에 적용한 사례가 없었다. 본 연구팀은 ‘Chlamydomonas reinhardtii’라는 가장 대표적인 녹색 미세조류에, PET 분해효소(PETase)의 아미노산 서열을 이용하여 식물플랑크톤에 적합하도록 유전자를 합성하여, 페트병을 분해하는 식물성 플랑크톤 ‘CC-124_PETase’를 개발했다.연구팀은 플라스틱 분해 식물성 플랑크톤을 개발하여 시판되고 있는 음료수 페트병을 인체에 무해한 단량체들(TPA*, EG**)로 완전히 분해하는 것을 확인하였으며, 전자현미경을 통해 페트병이 분해되는 과정을 관찰하는 데 성공했다.* 테레프탈산(terephthalic acid), ** 에틸렌글라이콜(ethylene glycol)연구책임자인 김희식 박사는 “동 연구성과는 세계 최초로 플라스틱을 분해하는 녹색 미세조류를 개발한 것”이라며, “이 기술은 플라스틱에 의한 환경오염을 해결할 수 있는 새로운 패러다임을 제시한 결과”라고 밝혔다. 또한, “먹이사슬을 통한 미세플라스틱의 생물 농축을 원천적으로 차단할 수 있는 기술의 실마리를 제공함으로써 추가적인 연구를 통해 자연복원, 수산양식 등 다양한 분야에 널리 활용될 수 있을 것”이라고 전망했다.

취재부 2020-07-05

생기원, AI기술 적용으로 제조 중소기업 불량률 개선 지원

- 생기원, 동양다이캐스팅㈜에 기술 지원으로 불량률 3%에서 1%로 감소- 대기업에 납품하는 ECU 부품 생산비용 연간 약 7,200만 원 절감효과 한국생산기술연구원(원장 이낙규, 이하 생기원)이 중소기업 동양다이캐스팅㈜에 기술 지원해 다이캐스팅 부품의 불량률을 3% 이상에서 1%대로 감소시켰다. 연간 생산비용 약 7,200만 원을 절감하는 성과다. 다이캐스팅(Die-Casting)은 주조의 특수 공법 중 하나로 용융된 금속을 금형에 고압·고속으로 주입하여 복잡한 형상의 제품을 대량 생산하는 뿌리기술이다. 다이캐스팅 생산 과정 중에 발생하는 불량은 크게 3가지로 나뉘는데, △ 금속을 녹이거나 주형에 용탕이 주입되는 과정에서 가스가 혼입되어 나타나는 ‘기포 불량’, △ 금속이 수축하면서 빈 공간이 발생하는 ‘수축 불량’, △ 마지막으로 성형 자체가 온전하게 되지 않은 ‘미성형 불량’이 있다. 미성형 불량의 경우 육안으로도 불량이 확인되지만, 기포·수축 불량의 경우 최종 QC(품질관리; Quality Control)과정에서 CT(컴퓨터단층촬영; Computed Tomography)로만 내부 불량을 찾을 수 있어 공정 시간, 비용 및 인력 낭비 문제가 있다. 아울러 불량품은 완제품 품질과 직결되어 기업의 신뢰도에 영향을 주는 만큼 불량률 개선이 중요하다. 주로 대기업에 알루미늄 주조부품을 납품하는 다이캐스팅 제조 전문기업인 동양다이캐스팅㈜은 지난 2018년 ‘ECU 케이스’의 불량률 개선을 위해 생기원의 문을 두드렸다. ‘ECU 케이스’는 자동차 전장의 브레인에 해당하는 ECU(전자제어장치; Electronic Control Unit)에 들어가는 부품이다. 단일 품목 중 생산량이 가장 많아 하루 3,600개를 생산하는데 공정상 불량률이 3% 이상에 달했다.대다수의 뿌리기업이 그렇듯 MES(제조실행시스템; Manu-facturing Execution System)를 통해 DB에 제조 공정 데이터를 저장하고는 있었지만, 데이터 활용 체계가 없어 공정 조건에서 불량품을 찾아내는 데 난항을 겪었다.생기원 공정지능연구부문 황호영 박사 연구팀은 AI(인공지능)기술 적용으로 공정 조건 최적화를 통해 불량률을 낮추고, 예측 및 통제 가능한 스마트 공정 체계 구축에 성공했다. 연구팀은 공정 조건별 △ 군집 분석, △ 일별 불량률 집계와 △ 공정 조건 간의 상관관계 분석, △ 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 공정 최적화를 병행했다. 이를 위해 먼저 관련 데이터를 실시간으로 수집하는 환경을 구축했다. 계절별 불량 발생 변동 원인 분석을 위해 장비의 진동, 현장의 온도·습도·기압 등의 변수 측정을 위한 센서를 추가로 부착해 생산 공정상의 약 20개의 변수를 도출했다.이렇게 수집된 데이터를 바탕으로 약 20개의 공정변수 중 불량률과의 상관관계 분석을 실시해 관련 있는 3개의 변수를 찾아냈다. 도출된 공정변수들은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 최적값을 산출했다. 해당 최적값으로 금형 방안 개선과 공정 조건 설정값을 개선해 불량률을 낮췄다. 아울러 군집 분류 알고리즘을 적용해 특정 공정 조건이 주어질 때 생산부품이 양품인지 불량인지를 판정하는 기능도 개발했다. 이를 통해 99% 정확도로 양품 판정이 가능해졌다.이 같은 기술 지원을 토대로, 동양다이캐스팅㈜는 기존 불량률 3% 이상에서 1%대로 감소시킬 수 있었다. 이는 연간 약 7,200만 원의 생산비용 절감효과로 이어질 것으로 기대된다. 이와 함께 최종 QC에서 불량을 찾아내던 것과 달리 생산 과정에서 불량 판정이 가능해짐으로써 시간, 비용 및 인력 낭비까지 줄일 수 있었다. 불량률 개선은 기업의 이미지 제고에도 긍정적인 영향을 미칠 것으로 예상된다. 동양다이캐스팅 오경택 대표는 “기술적 난제를 극복하는 데 생기원이 큰 힘이 됐다면서, 많은 중소기업이 생기원을 부설 연구소처럼 활용했으면 좋겠다”라고 말했다. 생기원 황호영 박사는 “앞으로도 동양다이캐스팅을 비롯한 중소기업들과의 협업을 통해 생기원의 역할과 임무를 다할 수 있도록 노력하겠다”고 밝혔다. 한편 생기원은 중소·중견기업의 제조혁신을 지원하기 위해 지난 2018년부터 ‘P-ICT RAID 전략*’을 수립해 시범사업을 추진하고 있다. 생산현장에서 수집·분석된 제조 데이터를 기반으로 공정 지능화 기술을 개발하고 우수 적용사례를 기업에 보급·확산하는 것에 방점을 두고 있다. 이번 기술 지원 역시 본 시범사업의 일환으로 진행됐다. * P-ICT RAID: 뿌리(PPURI) 산업의 대표적 업종에 로봇(Robot), 인공지능(Artificial Intelligence), 데이터 마이닝(Data Mining), IoT 센서(Sensor) 등 4차 산업혁명 관련 핵심기술을 적용하기 위한 공정혁신 전략

취재부 2020-07-05

KIST, 불에 타지 않는 친환경 탄소 플라스틱 개발, 재활용도 탁월

- 식물 유래 물질인 탄닌산을 이용한 바이오 에폭시 기반 무독성 난연 복합소재- 물만 이용하여 수십 분 내에 99% 친환경 재활용 가능불에 잘 타지 않는 난연성 탄소섬유 복합소재가 개발됐다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 직무대행 윤석진) 구조용복합소재연구센터 정용채 센터장 연구팀은 식물로부터 유래한 탄닌산(Tannin Acid)1)을 이용하여 난연성 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)2)을 개발하고, 이를 친환경적으로 재활용하는 방안도 제시했다고 밝혔다.강철보다 1/4 정도로 가볍고 10배나 강한 탄소섬유를 이용한 복합재료인 탄소섬유강화플라스틱(CFRP, Carbon fiber reinforced plastics)는 항공우주, 자동차, 선박, 스포츠용품 등 산업 전반에 걸쳐 다양하게 활용되고 있다. 콘크리트가 철근과 시멘트로 이루어진 것과 비슷하게, CFRP는 탄소섬유와 에폭시 수지로 이루어져 있다. CFRP는 기계적 강도를 위해 탄소섬유와 수지 사이의 결합력이 강해야 할 뿐 아니라 건축자재 등 일상생활에 밀접한 분야에 사용되기 때문에 화재와 관련한 안정성 또한 필요하다. 이를 위해 몇몇 첨가제가 함께 합성되기도 한다.열에 취약한 CFRP는 그동안 화재 안전성을 위해 할로겐3) 난연제를 사용해 왔다. 하지만 불에 태워 재활용(고온 소각)하는 CFRP에 연소 시 독성물질이 발생하는 할로겐 물질을 사용하는 것은 적절치 못해 세계적으로 금지되었다. 이에 따라 독성이 없고 안전한 소재를 통해 난연성을 확보하는 것이 필수 과제였다.KIST 정용채 센터장은 식물에서 얻을 수 있는 친환경 물질인 탄닌산을 이용하여 기계적 강도와 난연성을 증진시키고자 하였다. 탄닌산은 탄소섬유와 강하게 접착되는 성질이 있다. 그뿐만 아니라 탄닌산은 불에 탈 때 숯으로 변하는데, 이 숯은 외부의 산소를 차단하는 벽(Char)이 되어 불이 확산되는 것을 막는다. KIST 연구진은 탄닌산으로 에폭시 수지를 제작하고, 탄소섬유와 복합화하여 튼튼하고 불에 타지 않는 CFRP를 개발할 수 있었다. 탄닌산으로 제작한 에폭시 수지는 열에 취약하던 기존과는 달리 난연성이 있으므로 별도의 첨가제가 필요하지 않아 불에 태워 CFRP를 재활용할 때 발생하던 독성물질이 더는 발생하지 않게 되었다. 또한, 불에 태우면 탄소섬유의 성능이 저하되어 완전한 재활용을 할 수 없었는데 연구진은 새로운 재활용 방법을 제시했다.일정 수준 이상의 온도와 압력을 갖는 ‘초임계4)’ 상태의 물에 CFRP를 녹이면 탄소섬유의 성능 저하 없이 99% 이상을 회수할 수 있었다. 또한, 에폭시 수지가 녹으면서 전자재료로 사용될 수 있는 ‘카본 닷5)’이라는 물질이 생성됨을 확인하였는데, 에폭시 수지를 태워버리고 불완전한 탄소섬유만 재활용하던 고온 소각법과는 달리 복합소재의 구성 요소 모두를 재활용할 수 있게 되었다.KIST 정용채 센터장은 “기존 탄소섬유강화플라스틱의 취약한 난연성, 기계적 강도, 그리고 재활용 특성 향상과 응용범위가 확대된 복합소재를 제조하였고, 그 소재의 응용범위를 제시했다는 데 의의가 있다”라고 말하며, “향후 보다 향상된 물성확보를 위해서 구조를 검토하고 응용범위를 확대할 예정이다”라고 밝혔다.1) 탄닌산(Tannin Acid): 자연계에 풍부하게 존재하는 물질로 폴리페놀의 일종이며, 주로 식물에 의해 합성된다.2) 탄소섬유강화플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastics): 탄소섬유를 강화재로 하는 고강도ㆍ고탄성의 경량 구조재로 주목을 받는 첨단 복합 재료이다.3) 할로겐: 주기율표의 17족에 속하는 원소들로, 플루오르, 염소, 브로민(브롬), 아이오딘(요오드) 등이 있다.4) 초임계 유체: 임계점 이상의 온도와 압력에 놓인 물질 상태를 일컫는다. 기체의 확산성과 액체의 용해성이 있다. 초임계 유체로 자주 사용하는 물질은 물과 이산화탄소이며, 초임계 상태에 있는 물은 금조차 녹일 수 있다.5) 카본 닷(Carbon Dot): 카본 닷 또는 탄소 양자점은 주 원소가 탄소로 구성되어 있으며, 무기계 양자점과 유사하게 형광(photoluminescence) 및 반도체적 특성을 나타낸다는 점에서 바이오 이미징, 센서, 발광다이오드(light emitting diode, LED) 조명, 유기 태양 전지, 광촉매 등의 분야에서 최근 많은 응용되고 있다.본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업으로 수행되었으며, 연구결과는 재료과학 및 복합소재 분야 1위 국제저널인 ‘Composite Part B: Engineering’(JCR 분야 상위 2.0%) 최신호에 게재되었다.* (논문명) Recyclable, Flame-Retardant and Smoke-Suppressing Tannic Acid-Based Carbon-Fiber-Reinforced Plastic- (제1저자) 한국과학기술연구원 김영오 연구원- (교신저자) 한국과학기술연구원 정용채 책임연구원

취재부 2020-07-05

UNIST 박혜성 교수팀, 고성능 '금속-그래핀 하이브리드 유연 투명전극' 개발

편집부 2020-07-01

생명연, 플라스틱 분해효소 발현을 통한 페트병 분해 식물성 플랑크톤 개발

취재부 2020-06-17

UNIST-경상북도-한국해양과학기술원, 울릉도‧독도 해수자원화 업무협약

- 해수자원화 연구개발, 환동해권 해양 신산업 창출 위한 기관 간 상호협력 추진 계획UNIST의 해수전지 기술이 울릉도와 독도의 해양환경 연구에 활용될 길이 열렸다.UNIST 해수자원화기술연구센터(센터장 김영식)은 지난 5월 22일 울릉도에서 경상북도, 한국해양과학기술원(KIOST) 울릉도독도해양연구기지와 업무협약을 체결했다. 이번 업무협약은 울릉도‧독도의 해수자원화 연구개발 및 활용 활성화를 위해 추진됐다.세 기관은 앞으로 울릉도‧독도 해수자원화 및 활용 활성화를 통해 환동해권 해양 신산업 창출에 협력해나가기로 했다. 이를 위해 연구 장비 및 시설 공동활용, 인적‧정보‧학술 교류 등 활발한 상호협력이 이뤄질 예정이다.해수 전지 부이에 불이 들어온 모습; 해수 전지가 장착된 부이는 태양전지를 통해 충전돼, 전력을 활용할 수 있다.협력은 UNIST의 해수 전지 기술을 중심으로 이뤄진다. 해수 전지는 해수자원화기술연구센터가 정부와 울산시의 도움을 받아 개발한 원천기술로, 바닷물 속 나트륨 이온을 이용해 전기를 충·방전하는 장치다. 바닷물을 이용하는 만큼 해양환경에서의 적용방안이 무궁무진하며, 현재 해양특화 전지, 에너지 독립형 어망용 GPS 부이, 해수 담수화 장치 등의 개발이 이뤄지고 있다.울릉도와 독도 지역은 국내에서 맑은 날이 가장 적은 지역 중 하나이며, 특히 겨울철 일조량이 적다. 그 때문에 태양전지로 구동되는 해양 기상관측 부이의 경우, 겨울철 운영에 어려움을 겪고 있다. 이들 해상관측 부이에 해수 전지기술이 적용되면, 태양전지로부터 충전된 전력을 저장‧활용할 수 있어 해상관측 부이의 안정적 운영이 가능할 것으로 기대된다.연구진은 이에 더해 표층 해류관측을 위한 GPS 부이 활용, 외해 수중 가두리 양식장의 실시간 해양환경 측정, 실시간 울릉도‧독도 수중 경관 모니터링 등 다양한 분야에 더 폭넓은 적용도 가능할 것으로 보고 있다.협약식 참석자들이 기념사진을 촬영했다.김영식 에너지 및 화학공학부 교수는 “이번 협약은 해수 전지를 적용한 스마트 부이의 연구개발 및 현장 실증에 큰 힘이 될 것”이라며, “다양한 해양환경 연구에 해수 전지가 도움이 될 수 있길 바란다”고 전했다.김남일 경상북도 환동해지역본부장은 “울릉도‧독도 해역의 해수자원화 연구 활성화 및 현장 적용을 통해 과학으로 독도를 지키는 것은 물론, 환동해권 해양 신산업 창출에 박차를 가하겠다”고 밝혔다.한편 울릉도독도해양연구기지는 경상북도와 울릉군이 독도 해양영토주권 수호 및 울릉권역 해양자원 개발연구거점 확보를 위해 2013년 울릉도에 설치한 연구소다. 2014년부터 KIOST가 위탁운영을 맡아 울릉도‧독도 해역의 실시간 해양관측 부이, 표층 가두리 양식시설 등을 운영하고 있으며, 2021년 취항을 목표로 다목적 독도(울릉도) 소형 전용 조사선 건조를 추진 중이다.

편집부 2020-06-17

발포 소재를 이용한 전기자동차 부품 개발 동향

자료제공: 소재종합솔루션센터(www.matcenter.org), 화학소재정보은행(www.cmib.org) 지식정보 심층보고서

편집부 2020-06-08

우리 생활에 없어서는 안될 유용한 플라스틱 제품을 만드는 사출성형기 이야기 23

자료제공: LS엠트론 기술교육아카데미 (http://lsmtronacademy.com)

편집부 2020-06-08