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‘이산화탄소’ 잡는 고수명·고효율 ‘배터리’ 나왔다

- UNIST 강석주·곽상규·안광진 교수팀, ‘리튬-이산화탄소 전지’ 개발- 용융염 전해질·전이금속 촉매로 성능 높여… Nature Comm. 논문 게재공기 중 이산화탄소를 흡수해 전기를 저장하는 ‘리튬-이산화탄소 전지’의 수명과 성능을 개선한 기술이 나왔다. 지구 온난화 주범인 이산화탄소를 포집하는 친환경 고효율 배터리로 상용화 가능성을 높였다.UNIST(총장 이용훈) 에너지 및 화학공학부의 강석주·곽상규·안광진 교수 공동연구팀은 리튬-이산화탄소 전지(Lithium-carbon dioxide Battery)의 전해질을 기존과 달리해 성능을 크게 높였다. 전해질로는 용융염(molten salt)을 쓰고, 추가적으로 루테늄(Ru) 촉매를 도입해 공장 굴뚝과 같이 뜨겁고 이산화탄소 농도가 높은 환경에서 효과적으로 이산화탄소를 잡아낼 수 있다.리튬-이산화탄소 전지는 리튬(Li)을 음극재로, 이산화탄소(CO₂)를 양극재로 사용하는 이차전지다. 리튬 이온이 전해질을 통해 음극재와 양극재 사이를 오가면서 전지의 충전과 방전이 일어난다. 특히 전지에 전류가 흐르면서 전기를 사용하는 방전 때, 이산화탄소를 사용하는 반응이 일어나기 때문에 공기 중에 있는 이산화탄소를 포집할 수 있다.하지만 전지의 작동과정에서 탄산리튬(Li₂CO₃)이 생기고, 부반응으로 인해 과전압이 높아지기 때문에 전지의 수명과 성능이 떨어지는 문제가 있다. 과전압은 전극에 가해지는 이론값 이상의 전압에 의해 발생하며, 전극에 과부하를 주어 전지의 수명을 줄인다. 또 과전압은 전지가 작동하는 전류밀도를 제한해 이산화탄소를 잡아들이는 효율을 떨어뜨린다. 이산화탄소를 포집하는 반응은 방전 시에 일어나기 때문에 이산화탄소를 잡는 효율을 높이려면 높은 전류밀도에서 전지가 작동해야 한다.* 과전압: 평형 전압(전류가 흐르지 않을 때 음극과 양극의 전기적 위치 에너지 차이로 발생하는 전압)과 특정 전류밀도에서 발생하는 전압과의 차이. 충전 시에 더 큰 전압이 요구될 때, 그리고 방전 시에 더 낮은 전압이 발생할 때 평형 전압과의 차이를 의미한다. 과전압이 낮을수록 충전이나 방전 때 전지 성능이 우수하다.* 전류밀도: 단위면적당 흐르는 전류의 양. 전극에서 일어나는 반응속도에 비례한다.[그림 1] 5성분계 용융염 전해질과 루테늄을 이용한 리튬-이산화탄소 전지의 전기화학적 성능 향상 일반 전해질을 사용했을 경우 대비 질산염과 루테늄 촉매를 사용했을 경우 전력밀도가 13배 정도 향상됐다. 그래프의 왼쪽에 표시된 값으로 각각 회색, 파란색, 주황색 선으로 표시돼 있다. 또 동일 전류에서 방전 과전압이 감소함을 확인할 수 있다. 그래프의 오른쪽에 표시된 값으로 검정색 선으로 표시돼 있다.이를 해결하기 위해 공동연구팀은 기존 전해질 대신 질산염으로 구성된 고체를 전해질로 사용하고, 양극 표면에 루테늄 나노 입자를 촉매로 붙였다. 고체질산염은 100°C 이상 고온에서 녹아 전해질로 작용하며 충·방전 시 반응에서 부반응 줄여, 과전압을 낮출 수 있다.루테늄 촉매 또한 추가로 과전압을 낮추고, 전류밀도가 높은 상태에서도 전지가 작동하도록 도왔다. 그 결과 단위 부피당 출력을 나타내는 ‘전력밀도(power density)’도 기존 전해질에 비해 13배나 향상됐다* 전력밀도: P(전력 밀도)= {i(전류) × V(평형 전압 – 과전압)} ÷ 전지의 두께 (L)로, 전력밀도가 높을수록 작은 부피로 높은 출력을 낼 수 있다.[ 그림 2] 용융염과 루테늄 나노 입자를 이용한 ‘리튬-이산화탄소 전지’의 전기화학적 성능 A) 줄 가열을 이용해 탄소 환원 전극에 루테늄 나노 입자를 첨가하는 합성과정 모식도, B) 150°C의 구동 온도에서 0-20.0 A g-1 전류밀도 범위에서의 비용량(specific capacity)에 따른 루테늄 나노 입자가 첨가된 리튬-이산화탄소 전지의 충전·방전 시 전압 변화. ㄷ자 모양 그래프에서 동일한 색상의 위아래 선의 차이가 작을수록 과전압이 낮다, C) 루테늄 나노 입자가 첨가된 전지의 전류밀도에 따른 전력밀도(주황색 선) 및 전압(검정색 선) 변화. 고전류밀도에서 과전압이 감소해 높은 전력 밀도를 얻을 수 있다, D) 구동 온도에 따라 기존의 리튬-이산화탄소 전지의 전력밀도(회색 막대)와 본 연구의 리튬-이산화탄소 전지의 전력밀도를 비교한 그래프. 파란색 막대는 용융염 전해질만 사용한 그래프이고, 주황색 막대는 루테늄 촉매도 함께 사용한 결과다. 기존의 리튬-이산화탄소 전지의 전력 밀도에 비해 용융염 전해질과 루테늄 촉매를 함께 사용했을 때 전력 밀도가 월등히 증가했다.곽상규 교수는 “배터리가 전기를 쓰는 방전 시에는 루테늄 촉매가 불안정한 이산화탄소 음이온의 전자를 공유함으로써 반응에 필요한 에너지 장벽인 과전압이 낮아지고 전류밀도와 전력밀도가 향상됐다”고 반응 원리를 설명했다.[그림 3] 충전 시 탄산리튬이 분해되는 반응 메커니즘 A) 100°C에서 이산화탄소와 질산염 이온이 형성되는 탄산리튬 분해 반응 메커니즘에 대해 각 과정의 상대적인 에너지를 보여주는 그래프, B) 150°C에서 발생할 수 있는 3가지 탄산리튬 분해 반응 메커니즘에 대해 각 과정의 상대적인 에너지를 보여주는 그래프, C) 3가지 분해 메커니즘에서 각각 어떠한 경로를 통해 탄산리튬이 분해되는지 보여주는 시뮬레이션 결과강석주 교수는 “이번 연구를 통해 고(高)전류밀도에서 구동 가능한 리튬-이산화탄소 전지가 최초로 개발됐다”며, “전지의 전력밀도가 대폭 증가해, 고성능 차세대 충전지 시스템과 이산화탄소 포집 장치로서 리튬-이산화탄소 전지를 상용화하는 일에도 한 걸음 더 다가섰다”고 강조했다.이번 연구는 세계적으로 저명한 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 1월 23일 자로 공개됐다. 본 연구는 산업통상자원부·한국에너지기술평가원의 에너지인력양성사업과 과학기술정보통신부·한국연구재단의 C1 가스리파이너리 사업의 지원으로 수행됐다.논문명: Synergistic effect of quinary molten salts and ruthenium catalyst for high-power-density lithium-carbon dioxide cell자료문의:대외협력팀: 장준용 팀장, 양윤정 팀원 (052) 217-1228에너지 및 화학공학부: 강석주 교수 (052) 217-3021 / 곽상규 교수 (052) 217-2541
편집부 2020-02-13
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3D 프린팅 산업 동향 및 플라스틱 소재의 활용과 발전 방향

자료제공: 소재종합솔루션센터(www.matcenter.org), 화학소재정보은행(www.cmib.org) 지식정보 심층보고서
편집부 2020-02-09
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우리 생활에 없어서는 안될 유용한 플라스틱 제품을 만드는 사출성형기 이야기 19

자료제공: LS엠트론 기술교육아카데미 (http://lsmtronacademy.com)
편집부 2020-02-09
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생명연, 바이오플라스틱 소재의 친환경 대량생산 해법 찾았다

- 식물유로부터 바이오플라스틱 소재(세바식산) 대량생산 미생물 화학공정 개발 - 기존의 환경오염유발 화학공정을 친환경 저공해 생물공정으로 대체 기대 순수 국내 연구진이 플라스틱 및 다양한 화학제품 원료 소재인 세바식산(sebacic acid)을 식물유 원료로부터 생물학적으로 대량 생산하는 기술을 개발하였다. 이 기술을 활용한 세바식산 생산량은 세계 최고 수준이며, 향후 산업적으로 활용되어 바이오플라스틱 소재 산업 성장에 큰 기여를 할 것으로 기대된다. 한국생명공학연구원(원장 김장성, 이하 생명연) 바이오상용화지원센터 안정오 박사팀(교신저자: 안정오/이홍원 박사, 제1저자: 전우영 박사)이 수행한 이번 연구는 산업통상자원부에서 추진하는 산업핵심기술개발사업의 지원으로 수행되었고, 영국왕립화학회에서 발간하는 세계적 학술지 ‘그린케미스트리지(Green Chemistry, IF 9.405)’에 12월 7일에 게재되었다.* 논문명: Microbial production of sebacic acid from a renewable source: production, purification, and polymerization 세바식산(HOOC-(CH2)8-COOH)은 가소제, 윤활제, 화장품 및 플라스틱의 생산을 포함하여 다양한 산업에 응용되는 물질이다. 현재 피마자유(castor oil)를 고온의 열분해(pyrolysis) 공정을 통해, 세바식산이 생산되고 있다. 하지만, 이러한 화학공정은 고온의 합성공정을 수반하며 이러한 과정에서 상당한 양의 황산을 소비한다. 이 과정에서 심각한 환경 오염을 일으킬 수 있는 황산나트륨을 함유한 폐수를 방출하는 등의 문제점이 존재한다. 이에, 세바식산의 주요 생산국가인 중국은 세바식산 생산공장에 관한 환경법령을 적용하여 공장가동 일을 줄이고 있어, 대체 생산기술개발이 요구되고 있는 상황이다. 연구팀은 기존의 고온·고압의 화학공정을 통한 세바식산 생산을 대체할 수 있는 친환경의 미생물 화학공정*을 개발하고, 생산된 세바식산을 고순도로 분리·정제하는 공정을 개발하였다. 또한, 폴리아마이드 중합공정**을 통해 고성능 바이오 나일론 610(nylon 610)***을 성공적으로 합성하였다. * 미생물 화학공정: 미생물 공정은 화학공정에 비해 친환경적인 공정, 무한히 재생 가능한 생 촉매 사용과 같은 여러 장점을 가지고 있음** 폴리아마이드 중합공정: 고온에서 물(H2O)을 제거하면서 카르복실기(-COOH)와 아민기(-NH2) 간의 아마이드 결합(-COHN-)을 생성하는 반응*** Nylon 610: 세바식산과 헥사메틸렌디아민(Hexamethylenediamine)과의 중합공정을 통해 생산되는 나일론으로 전기 절연체, 정밀부품, 필라멘트 등에 활용된다. 연구팀은 미생물 균주(효모 캔디다 트로피칼리스) 유전자 조작을 통하여, ω-산화 반응*에 관여하는 유전자들을 증폭시킴으로써 식물 유래의 지방산 원료로부터의 세바식산 생산 능력을 향상시켰다. 또한, 배양 공정에 관여하는 온도, pH, 용존산소량, 원료의 투입 속도 등의 조건들을 최적화하여 세바식산을 세계 최고 수준으로 생산(98.3 g/L의 농도와 98%의 생산 수율)하였다.* ω-산화 반응: 알칸이나 지방산의 ω-위치 탄소를 산화시켜서 알콜기 알데히드기를 거쳐 카르복실기로 전환시켜 주는 반응연구팀은 실험실 규모에서 구축한 세바식산 생산 공정을 파일롯 규모(50L 배양기)에서도 성공적으로 재현함으로써 본 연구결과의 산업적 적용 가능성을 확인하였다.또한, 본 연구팀은 국내 기업인 애경유화㈜, ㈜롯데케미칼, 스몰랩과의 산·연 협동 연구를 통하여, 바이오 공정을 통하여 생산된 세바식산을 고순도로 분리 및 정제하였으며, 중합공정을 통해 바이오 나일론 610(nylon 610)을 성공적으로 합성하였다.연구 책임자인 안정오 박사는 “동 연구성과는 재생 가능한 바이오 자원 유래의 세바식산 생산 공정을 통해, 기존의 화학적 생산방법을 대체 가능하다는 것을 보여준 것”이라며, “또한 국내 기업들과의 협업을 통해 세바식산을 나일론 610으로 성공적으로 합성한 것은 산·연 간 공동 연구가 국내 바이오 산업화기술 경쟁력 강화로 이어지는 좋은 사례가 될 것으로 기대한다”고 밝혔다. 
이용우 2020-02-09
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화학연, 종이처럼 구길 수 있는 디스플레이의 핵심 소재 개발

- 플렉시블 디스플레이의 난제 ‘트랜지스터용’ 유연·절연 소재 개발 및 제조공정 단순화- 재료과학 분야 권위지 『ACS Applied Materials & Interfaces』 12월호 게재한국화학연구원과 포항공대 공동 연구진이 개발한 폴리이미드 절연 소재가 적용된 유기 트랜지스터이다. 공동 연구진은 분자설계를 최적화하여, 유연성·절연성·내열성의 삼박자를 두루 갖춘 폴리이미드를 개발했다.한국화학연구원 고기능고분자연구센터 김윤호 박사팀과 포항공대 정성준 교수팀은 플렉시블 디스플레이의 난제였던 ‘트랜지스터용’ 유연·절연 소재를 개발하고, 제조공정을 단순화하는 데 성공했다. 트랜지스터는 디스플레이를 구동하기 위한 소자로 해상도를 정하는 픽셀의 켜짐·꺼짐을 제어하는 역할을 하며, 전극·반도체·절연체로 구성되어 있다. 현재는 무기물 기반의 소재들로 이뤄진 트랜지스터가 디스플레이 패널에 쓰이고 있다.디스플레이를 자유자재로 구부리거나 접으려면, 특히 디스플레이 패널 전면에 적용되는 트랜지스터용 절연체에 유연한 소재를 써야 한다. 이를 위해 다양한 고분자 기반의 후보물질이 제안됐지만, 절연체의 필수조건인 전류를 차단하는 절연성 확보가 관건이었다. 공동 연구진은 분자설계를 최적화하여 절연성(전류 차단)과 유연성, 내열성의 삼박자를 동시에 갖춘 폴리이미드 기반의 유연·절연 소재를 개발했다. 절연성을 나타내는 누설전류 밀도가 10-9A/㎠(암페어/제곱센티미터) 이하로, 기존의 트랜지스터용 무기 절연체와 유사한 수준이다. 특히, 350℃ 이상의 우수한 내열성을 가지고 있어 기존 디스플레이 패널 제조공정에도 충분히 적용할 수 있다.또한, 제조공정을 단순화하는 데 성공했다. 기존 폴리이미드 제조에 필수인 200℃ 이상의 고온 열처리 과정이 필요 없는 상온 용액공정을 개발한 것이다. 분자설계를 통해 용매에 녹을 수 있는 폴리이미드 소재를 개발했고, 상온에서 한 번의 용액 코팅공정으로 폴리이미드 절연 박막을 형성했다. 그 결과, 유연·절연 폴리이미드를 트랜지스터 절연체에 적용해 종이처럼 구길 수 있는 유기 트랜지스터를 제작하는 데 성공했다.이에 대해 한국화학연구원 김윤호 박사는 “이번에 개발된 폴리이미드 절연 소재는 현재 디스플레이 패널 제조공정 환경에도 충분히 적용될 수 있을 것”이라면서, “특히 최근 인쇄공정 기반의 유연 전자소자 개발에도 매우 적절한 절연 소재로 활용될 수 있다”고 설명했다.또한, 김윤호 박사는 “앞으로 이번에 개발된 원천소재 및 공정기술을 바탕으로 유연 전자소자 실용화 개발 연구에 힘을 기울이겠다”고 덧붙였다.이 같은 연구성과는 재료과학 분야 권위지인 『ACS Applied Materials & Interfaces(IF:8.456)』 12월호에 ‘분자설계를 기반으로 한 저온 용액공정 가능 용해형 폴리이미드 절연 소재 개발 및 유연 유기 트랜지스터 제작(Low-Temperature Solution-Processed Soluble Polyimide Gate Dielectrics: From Molecular-Level Design to Electrically Stable and Flexible Organic Transistors)’으로 게재됐다. 이번 연구는 과학기술정보통신부의 글로벌 프런티어 사업 나노 기반 소프트 일렉트로닉스 연구단과 한국화학연구원 주요사업의 지원을 받아 수행됐다.
이용우 2020-02-09
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기계연, 달걀 옮기기부터 가위질까지 척척 ‘인간형 로봇 손’ 개발

- 4개의 손가락, 16개의 관절로 이뤄졌으며, 12개 모터 사용- 인간형 로봇 손은 3㎏ 이상의 물체를 들 수 있다달걀을 들어 옮기는 로봇 손한국기계연구원(원장 박천홍, 이하 기계연)이 달걀을 집거나 가위질을 하는 등 일상생활의 다양한 물체 및 도구 조작이 가능한 사람 손 크기의 ‘인간형 로봇 손’을 개발했다. 이 로봇 손은 범용 구조로 제작돼 다양한 로봇 팔에 장착할 수 있고, 무게 대비 쥐는 힘도 세계 최고 수준으로 산업현장은 물론 일상생활까지 활용이 더 확대될 것으로 기대된다.기계연 첨단생산장비연구본부 로봇메카트로닉스연구실 도현민 박사 연구팀은 사람 손가락의 움직임과 구조를 모사해 같은 방식으로 물체를 조작할 수 있는 인간형 로봇 손을 개발했다.인간형 로봇 손은 4개의 손가락과 16개의 관절로 이뤄졌다. 각 방향으로 움직일 수 있도록 12개의 모터가 사용됐다. 각 손가락은 독립적으로 움직인다.연구팀은 로봇 손의 손가락을 사람의 손과 비슷한 수준으로 움직이게 하도록 좁은 공간에서도 다자유도로 움직일 수 있는 메커니즘을 개발했다. 특히 손가락을 움직이는 구동부를 손바닥 내부에 장착해 모듈화에도 성공했다. 기존의 로봇 팔 구조를 변경할 필요 없이 로봇 손을 쉽게 장착할 수 있도록 해 활용도를 높인 것이다.또한, 기존 상용 로봇 손보다 가볍고 힘도 세다. 개발한 인간형 로봇 손의 무게는 1㎏ 이하지만, 3㎏ 이상의 물체를 들 수 있다.연구팀은 물체와 접촉을 감지할 수 있는 촉각 기능을 부여하기 위해 힘 측정 센서를 개발하고 손가락 끝과 마디, 손바닥에 장착했다. 손가락 끝에 장착된 힘 센서는 지름 15㎜, 무게 5g 이하의 초소형 센서로, 로봇 손과 물체가 접촉할 때 손가락 끝에서 감지되는 힘의 크기와 방향을 측정할 수 있다. 물건을 쥐는 힘을 조절하는 핵심이다.또 손가락 마디와 손바닥에는 서울대학교와 공동연구를 통하여 피부형 촉각센서도 장착했다. 피부형 촉각센서는 로봇 손과 물체의 접촉 시 접촉 부위의 분포와 힘을 측정한다.지금까지 개발된 상용 로봇 손의 경우 촉각센서가 내장되어 있으면서 동시에 손가락 구동부가 손바닥 내부에 장착된 모듈형 제품이 없어 활용에 한계가 있었다.도현민 책임연구원은 “인간형 로봇 손은 사람 손의 섬세한 움직임을 모방해 우리가 일상생활에서 사용하는 도구 등 다양한 물체를 다루기 위해 개발했다”며, “또 로봇 손의 ‘파지’ 작업 알고리즘과 로봇의 조작 지능을 연구하기 위한 플랫폼으로도 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.이번 연구는 산업통상자원부의 ‘멀티모달인식 기반으로 일상생활환경의 다양한 물체를 파지 조작하고 도구 활용 작업이 가능한 로봇 작업 제어 기술 개발’ 과제의 일환으로 수행됐다. 
편집부 2020-02-05
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화학연, 종이처럼 구길 수 있는 디스플레이의 핵심 소재 개발

- 플렉시블 디스플레이의 난제 ‘트랜지스터용’ 유연·절연 소재 개발 및 제조공정 단순화- 재료과학 분야 권위지 『ACS Applied Materials & Interfaces』 12월호 게재국내 연구진이 종이처럼 구길 수 있는 디스플레이의 핵심 소재를 개발했다.한국화학연구원과 포항공대 공동 연구진이 개발한 폴리이미드 절연 소재가 적용된 유기 트랜지스터이다. 공동 연구진은 분자설계를 최적화하여, 유연성·절연성·내열성의 삼박자를 두루 갖춘 폴리이미드를 개발했다. 한국화학연구원 고기능고분자연구센터 김윤호 박사팀과 포항공대 정성준 교수팀은 플렉시블 디스플레이의 난제였던 ‘트랜지스터용’ 유연·절연 소재를 개발하고, 제조공정을 단순화하는 데 성공했다. 트랜지스터는 디스플레이를 구동하기 위한 소자로 해상도를 정하는 픽셀의 켜짐·꺼짐을 제어하는 역할을 하며, 전극·반도체·절연체로 구성되어 있다. 현재는 무기물 기반의 소재들로 이뤄진 트랜지스터가 디스플레이 패널에 쓰이고 있다.디스플레이를 자유자재로 구부리거나 접으려면, 특히 디스플레이 패널 전면에 적용되는 트랜지스터용 절연체에 유연한 소재를 써야 한다. 이를 위해 다양한 고분자 기반의 후보물질이 제안됐지만, 절연체의 필수조건인 전류를 차단하는 절연성 확보가 관건이었다. 공동 연구진은 분자설계를 최적화하여 절연성(전류 차단)과 유연성, 내열성의 삼박자를 동시에 갖춘 폴리이미드 기반의 유연·절연 소재를 개발했다. 절연성을 나타내는 누설전류 밀도가 10-9A/㎠(암페어/제곱센티미터) 이하로, 기존의 트랜지스터용 무기 절연체와 유사한 수준이다. 특히, 350℃ 이상의 우수한 내열성을 가지고 있어 기존 디스플레이 패널 제조공정에도 충분히 적용할 수 있다.또한, 제조공정을 단순화하는 데 성공했다. 기존 폴리이미드 제조에 필수인 200℃ 이상의 고온 열처리 과정이 필요 없는 상온 용액공정을 개발한 것이다. 분자설계를 통해 용매에 녹을 수 있는 폴리이미드 소재를 개발했고, 상온에서 한 번의 용액 코팅공정으로 폴리이미드 절연 박막을 형성했다. 그 결과, 유연·절연 폴리이미드를 트랜지스터 절연체에 적용해 종이처럼 구길 수 있는 유기 트랜지스터를 제작하는 데 성공했다.한국화학연구원 김윤호 박사(좌)와 박현진 박사(우)가 폴리이미드 절연 소재가 적용된 유기 트랜지스터를 현미경으로 확대해 관찰하고 있다.이에 대해 한국화학연구원 김윤호 박사는 “이번에 개발된 폴리이미드 절연 소재는 현재 디스플레이 패널 제조공정 환경에도 충분히 적용될 수 있을 것”이라면서, “특히 최근 인쇄공정 기반의 유연 전자소자 개발에도 매우 적절한 절연 소재로 활용될 수 있다”고 설명했다.또한, 김윤호 박사는 “앞으로 이번에 개발된 원천소재 및 공정기술을 바탕으로 유연 전자소자 실용화 개발 연구에 힘을 기울이겠다”고 덧붙였다.한국화학연구원 고기능고분자연구센터 연구진(왼쪽부터 김윤호 박사, 박현진 박사, 유성미 연구원)이 같은 연구성과는 재료과학 분야 권위지인 『ACS Applied Materials & Interfaces(IF:8.456)』 12월호에 ‘분자설계를 기반으로 한 저온 용액공정 가능 용해형 폴리이미드 절연 소재 개발 및 유연 유기 트랜지스터 제작(Low-Temperature Solution-Processed Soluble Polyimide Gate Dielectrics: From Molecular-Level Design to Electrically Stable and Flexible Organic Transistors)’으로 게재됐다. 이번 연구는 과학기술정보통신부의 글로벌 프런티어 사업 나노 기반 소프트 일렉트로닉스 연구단과 한국화학연구원 주요사업의 지원을 받아 수행됐다.
편집부 2020-01-18
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생명연, 바이오플라스틱 소재의 친환경 대량생산 해법 찾았다

- 식물유로부터 바이오플라스틱 소재(세바식산) 대량생산 미생물 화학공정 개발 - 기존의 환경오염유발 화학공정을 친환경 저공해 생물공정으로 대체 기대 순수 국내 연구진이 플라스틱 및 다양한 화학제품 원료 소재인 세바식산(sebacic acid)을 식물유 원료로부터 생물학적으로 대량 생산하는 기술을 개발하였다. 이 기술을 활용한 세바식산 생산량은 세계 최고 수준이며, 향후 산업적으로 활용되어 바이오플라스틱 소재 산업 성장에 큰 기여를 할 것으로 기대된다. 그림 1. 미생물 공정을 이용한 식물유의 세바식산 전환공정 개요도바이오매스인 식물 유래의 기질을 유전공학으로 개량한 미생물을 이용하여 세바식산으로 전환공정 한국생명공학연구원(원장 김장성, 이하 생명연) 바이오상용화지원센터 안정오 박사팀(교신저자: 안정오/이홍원 박사, 제1저자: 전우영 박사)이 수행한 이번 연구는 산업통상자원부에서 추진하는 산업핵심기술개발사업의 지원으로 수행되었고, 영국왕립화학회에서 발간하는 세계적 학술지 ‘그린케미스트리지(Green Chemistry, IF 9.405)’에 12월 7일에 게재되었다.* 논문명: Microbial production of sebacic acid from a renewable source: production, purification, and polymerization 세바식산(HOOC-(CH2)8-COOH)은 가소제, 윤활제, 화장품 및 플라스틱의 생산을 포함하여 다양한 산업에 응용되는 물질이다. 현재 피마자유(castor oil)를 고온의 열분해(pyrolysis) 공정을 통해, 세바식산이 생산되고 있다. 하지만, 이러한 화학공정은 고온의 합성공정을 수반하며 이러한 과정에서 상당한 양의 황산을 소비한다. 이 과정에서 심각한 환경 오염을 일으킬 수 있는 황산나트륨을 함유한 폐수를 방출하는 등의 문제점이 존재한다. 이에, 세바식산의 주요 생산국가인 중국은 세바식산 생산공장에 관한 환경법령을 적용하여 공장가동 일을 줄이고 있어, 대체 생산기술개발이 요구되고 있는 상황이다. 그림 2. 미생물 기반의 세바식산 생산, 정제 및 중합의 개략도바이오매스인 식물유래의 기질을 유전공학으로 개량한 미생물을 이용하여 세바식산을 생산하고 고순도로 분리 정제 후 바이오 기반 나일론 610으로 중합하는 공정 연구팀은 기존의 고온·고압의 화학공정을 통한 세바식산 생산을 대체할 수 있는 친환경의 미생물 화학공정*을 개발하고, 생산된 세바식산을 고순도로 분리·정제하는 공정을 개발하였다. 또한, 폴리아마이드 중합공정**을 통해 고성능 바이오 나일론 610(nylon 610)***을 성공적으로 합성하였다. * 미생물 화학공정: 미생물 공정은 화학공정에 비해 친환경적인 공정, 무한히 재생 가능한 생 촉매 사용과 같은 여러 장점을 가지고 있음** 폴리아마이드 중합공정: 고온에서 물(H2O)을 제거하면서 카르복실기(-COOH)와 아민기(-NH2) 간의 아마이드 결합(-COHN-)을 생성하는 반응*** Nylon 610: 세바식산과 헥사메틸렌디아민(Hexamethylenediamine)과의 중합공정을 통해 생산되는 나일론으로 전기 절연체, 정밀부품, 필라멘트 등에 활용된다. 그림 3. (a) 상동성 재조합 방법을 이용한 유전자 카세트의 미생물 유전체로의 삽입 (b) 다양한 유전자의 도입을 통해 만들어진 균주목록 (c) 플라스크 배양을 통한 균주들간 세바식산 생산량 비교연구팀은 미생물 균주(효모 캔디다 트로피칼리스) 유전자 조작을 통하여, ω-산화 반응*에 관여하는 유전자들을 증폭시킴으로써 식물 유래의 지방산 원료로부터의 세바식산 생산 능력을 향상시켰다. 또한, 배양 공정에 관여하는 온도, pH, 용존산소량, 원료의 투입 속도 등의 조건들을 최적화하여 세바식산을 세계 최고 수준으로 생산(98.3 g/L의 농도와 98%의 생산 수율)하였다.* ω-산화 반응: 알칸이나 지방산의 ω-위치 탄소를 산화시켜서 알콜기 알데히드기를 거쳐 카르복실기로 전환시켜 주는 반응그림 4. (a) 미생물 배양기 모식도, (b) 세바식산 생산에 있어서의 배양 3단계 (c) 5L 스케일에서의 세바식산 생산 배양 프로파일 (d) 50L 스케일에서의 세바식산 생산 배양 프로파일연구팀은 실험실 규모에서 구축한 세바식산 생산 공정을 파일롯 규모(50L 배양기)에서도 성공적으로 재현함으로써 본 연구결과의 산업적 적용 가능성을 확인하였다.또한, 본 연구팀은 국내 기업인 애경유화㈜, ㈜롯데케미칼, 스몰랩과의 산·연 협동 연구를 통하여, 바이오 공정을 통하여 생산된 세바식산을 고순도로 분리 및 정제하였으며, 중합공정을 통해 바이오 나일론 610(nylon 610)을 성공적으로 합성하였다.그림 5. 미생물 배양을 통해 얻은 세바식산의 분리 및 정제 (a) 공정흐름도 (b) 실제 세바식산 사진연구 책임자인 안정오 박사는 “동 연구성과는 재생 가능한 바이오 자원 유래의 세바식산 생산 공정을 통해, 기존의 화학적 생산방법을 대체 가능하다는 것을 보여준 것”이라며, “또한 국내 기업들과의 협업을 통해 세바식산을 나일론 610으로 성공적으로 합성한 것은 산‧연 간 공동 연구가 국내 바이오 산업화기술 경쟁력 강화로 이어지는 좋은 사례가 될 것으로 기대한다”고 밝혔다. 
편집부 2020-01-18