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- 제16회 ICSR, Innovative Prototypes 부문 최종 우승- 초소형 주거공간, 재난 구호, 아동 성장 지원 등 다양한 응용 가능성 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록)은 곽소나 박사 연구팀이 2024년 10월 23일부터 26일까지 덴마크 오덴세에서 개최된 국제 소셜 로봇 학술대회(International Conference on Social Robotics 2024, 이하 ICSR 2024)의 로봇 디자인 대회에서 모듈형 로봇 가구 시스템 oOoBOT(오봇)1)으로 Innovative Prototype 부문 최고상을 수상했다고 밝혔다.1) “oOoBOT(오봇)”의 ‘oOo’는 확장 및 축소가 가능한 모듈형 로봇 가구의 상단 모습을 형상화한 것이다. 소문자 ‘o’는 가구가 축소되었을 때의 형태를, 대문자 ‘O’는 가구가 확장되었을 때의 형태를 나타낸다. 이와 함께, 상황에 따라 형태와 기능이 변하는 모듈형 로봇 가구의 혁신성에 대한 감탄을 표현하는 의미에서 ‘오~’라는 감탄사도 담고 있다.  [그림 1] oOoBOT(오봇)변형(축소와 확장)과 이동을 통해 상황에 적합한 서비스를 제공하는 로봇 가구 올해로 16회를 맞은 ICSR은 소셜 로봇 분야의 저명 학술지인 International Journal of Social Robotics와 연계된 대표적인 국제 학술대회로, 이번 대회에서는 전 세계 주요 연구 기관의 팀들이 참여하여 치열한 경합을 벌였다.  로봇 디자인 대회는 Innovative Ideas, Innovative Prototypes, Innovative Solutions 세 부문으로 나뉘어 진행되었으며, 최종 후보로는 펜실베이니아대학교(University of Pennsylvania), 오리건주립대학교(Oregon State University) 등 전 세계 유수의 연구팀이 이름을 올렸다. 최종 후보로 선정된 팀들은 학회기간동안 발표와 시연을 통해 작품의 혁신성과 실용성을 선보였으며, 심사위원단의 종합 평가를 거쳐 최종 우승팀이 결정됐다.  KIST 연구팀은 Innovative Prototypes 부문에서 최종 우승을 차지하며, 모듈형 로봇 가구 시스템 oOoBOT의 혁신성을 세계적으로 인정받았다.   [그림 2] 용도와 물건 개수에 따라 변형하는 oOoBOT(오봇)oOoBOT은 필요에 따라 테이블, 의자, 카트 등으로 변형하며, 상황에 맞게 가용 공간을 유연하게 조정 oOoBOT은 초소형 주거 환경에서 공간 활용도를 극대화할 수 있도록 설계된 다기능 로봇 가구 시스템으로, 현대 사회에서 점차 증가하고 있는 1인 가구 및 초소형 주거 공간의 요구를 충족하기 위해 개발되었다.  이 시스템은 사용자의 필요와 상황에 따라 테이블, 의자, 수납함, 카트 등으로 변형이 가능하며, 필요에 따라 크기와 형태를 자유롭게 조정할 수 있다. 특히, 사용하지 않을 때는 최소화된 상태로 수납할 수 있어 제한된 공간에서도 효율적인 사용이 가능하다. 이러한 설계는 공간 부족 문제를 해결하는 데 있어 매우 효과적이며, 거주자의 다양한 활동을 지원함으로써 생활의 질을 향상시킨다. [그림 3] 사람 수에 따른 oOoBOT(오봇) 배열사용자 수에 맞추어 테이블의 크기와 의자의 개수를 다르게 배열 oOoBOT은 초소형 주거 공간에 적합한 솔루션일뿐만 아니라 다양한 사용자층에게 맞춤형 서비스를 제공할 수 있는 유연성을 가지고 있다. 젊은 직장인과 학생 등 1인 가구뿐만 아니라 신체적·인지적 지원이 필요한 독거노인에게도 적합하며, 사용자의 요구와 상황에 따라 다양한 역할을 수행할 수 있다. 예를 들어, 독거노인의 경우 의자나 테이블을 보조 장치로 활용하거나 필요한 물건을 손쉽게 이동할 수 있도록 카트 형태로 변형할 수 있다. 이외에도 oOoBOT은 재난 구호 환경에서 그 가능성을 더욱 발휘한다. 임시 주거 시설에서는 침대, 테이블, 수납함 등 다양한 가구로 변형 가능하며, 조립과 설치가 간편해 긴급 상황에서도 신속하게 대응할 수 있다. 또한, 성장기 아동의 신체 발달에 맞춰 높이와 크기를 조정할 수 있어 학습 환경을 최적화하며, 아동의 발달을 효과적으로 지원할 수 있다. 이러한 다기능성과 적응성은 다양한 환경과 상황에서 oOoBOT이 실질적인 도움을 제공할 수 있음을 보여준다. 곽소나 박사는 “oOoBOT은 초소형 주거 문제를 해결할 혁신적 해법으로, 청년과 1인 가구뿐만 아니라 다양한 사용자층에게 새로운 공간 활용 방법을 제공할 수 있다”며, “자원의 효율적 사용과 지속 가능한 설계로 환경친화적인 주거 환경을 구축하는 데 기여하고자 한다”고 밝혔다. 강다현 박사는 “앞으로 재난 구호, 아동 성장 지원 등 다양한 용도로 확대 적용할 수 있도록 추가 연구를 이어갈 계획”이라고 덧붙였다. 본 연구는 산업통상자원부(장관 안덕근)의 로봇산업기술개발사업(2MRE620)의 지원으로 수행됐다.         
편집부 2025-02-07
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- 디스플레이, 반도체, 항공우주 등 첨단 산업에서 폭넓게 활용가능한 친환경 폴리이미드 소재 개발 환경 규제가 강화되고 친환경 소재 수요가 늘어나는 가운데, 국내 연구진이 독성 유기용매 대신 물을 활용한 폴리이미드 제조 기술을 세계 최초로 개발했다. 본 기술의 핵심인 중합이 완료된 수계 폴리이미드 용액 한국화학연구원 원종찬·김윤호·박종민 박사 연구팀은 물을 용매로 사용해 고온 내구성과 높은 강도를 갖춘 폴리이미드를 중합하는 친환경 공정을 성공적으로 구현하였다.  수계 폴리이미드 제조 기술을 개발한 고기능고분자연구센터 연구자들  물을 용매로 하는 폴리이미드 친환경 중합 기술 개발물을 용매로 이용한 폴리이미드 친환경 중합 기술 및 이를 이용한 코팅용액, 필름 제조 및 3D 프린팅 구조화 응용 연구 그림 폴리이미드는 우수한 내열성, 기계적 강도, 화학적 안정성을 지닌 고분자 소재로, 디스플레이, 반도체, 항공우주 등 첨단 산업에서 폭넓게 활용된다. 특히 반도체 및 전자기기 수요 증가로 전 세계 폴리이미드 시장은 연평균 7% 이상의 성장을 기록 중이다. 수계 폴리이미드 용액을 이용한 대면적 필름화 공정 그런데 기존 폴리이미드 중합은 NMP, DMAc, DMF와 같은 독성 유기용매를 필수적으로 사용해 환경 오염과 인체에 유해하다는 문제가 있었다. 더불어, 중합 공정 온도가 350도 이상으로 높아 에너지 소비가 크고 생산 단가가 높은 한계가 있었다. 물에서 중합한 불소계 투명 폴리이미드 및 필름화 기술 개발불소계 투명 폴리이미드 전구체 수계 합성 및 고상 중합을 통한 분자량 증폭 개념도, 투명 폴리이미드 필름 위에 제작된 투명 면상발열체(히터) 발열 특성 결과 이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 물 기반(Water-borne) 중합 공정을 개발했다. 이를 통해 기존 유기용매 공정을 대체하며, 고성능 폴리이미드를 친환경적으로 합성할 수 있는 길을 열었다. 개발된 기술은 기존 대비 공정 온도를 250도 이하로 낮추면서, 기존 유기용매 방식을 적용하여 이미 상용화된 대표적인 폴리이미드 제품*과 동일한 수준의 물성을 확보하였다. * 600°C 이상의 우수한 내열 특성과 330메가파스칼(MPa) 이상의 높은 인장강도 일반적으로 기존의 폴리이미드 소재 제조 공정에는 비점*이 높고 독성이 강한 유기용매**가 사용되지만, 본 기술은 물을 반응 용매로 사용하여 합성 재료의 원가를 10% 이하***로 대폭 절감할 수 있다. 또한 독성 유기용매 처리를 위한 고비용 증류 회수시설이 필요 없다.* 액체 물질의 증기압이 외부 압력과 같아져 끓기 시작하는 온도    ** NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone), DMAc(Dimethylacetamide), DMF(Dimethylformamide)*** 용매 원가 : NMP 20L 약 400불($), 증류수 20L 10불($), 공업용 수돗물 1톤 1불($) 미만 박사랑 석사후연구원(주저자)이 제조한 폴리이미드 또한, 기존 유기용매 기반 공정에서는 350°C 이상의 고온이 필요하지만, 본 기술은 공정 온도를 100°C 이상 낮춘 250°C의 저온 공정을 가능하게 하여 에너지 소비를 전기 용량 기준으로 30% 이상 절감할 수 있는 장점이 있다.    물 환경에서의 폴리이미드 기능화물을 용매로 이용한 폴리이미드 고분자의 기능화 중합 기술 및 이를 이용한 미세 패턴 형성 공정 기술 및 이를 이용한 반도체 디바이스 제작 예시. 본 기술은 기존의 독성 유기용매를 대체하는 친환경 공정을 제시함으로써, 폴리이미드 소재의 상업화 가능성을 더욱 높였다. 실제로 본 기술을 활용하여 배터리 음극 바인더 및 절연 소재로 두 차례 기술 이전을 체결하였다. 연구팀은 배터리 바인더, 절연 코팅, 3D 프린팅 소재 등 다양한 응용 연구를 통해 고부가가치 산업으로 확장해 나갈 계획이다.  원종찬·김윤호 박사는 “이번 연구는 환경과 경제성을 동시에 만족시키는 혁신적인 친환경 공정으로, 폴리이미드 소재뿐만 아니라 고성능 고분자 소재의 장기적 발전과 글로벌 경쟁력 강화를 위해 연구를 이어갈 계획이다.”라고 밝혔다.  이번 연구 결과는 에이씨에스 서스테이너블 케미스트리 & 엔지니어링(ACS Sustainable Chemistry&Engineering, IF : 8.3) 10월호 표지논문과 케미칼 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, IF : 13.4) 7월호에 각각 게재되었다. 또한 한국화학연구원 기본 사업과 과학기술정보통신부의 중견연구자사업, 나노및소재 기술개발사업의 지원을 받아 수행되었다.        
편집부 2025-02-07
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- 미세조류 이용, 지속 가능한 친환경 플라스틱 원료 생산 가능성 열려 환경부 산하 국립낙동강생물자원관(관장 유호)은 친환경 플라스틱 원료인 PHA*를 생산하는 능력이 우수한 담수 미세조류를 발견했다고 밝혔다.* 폴리하이드록시알칸산(Polyhydroxyalkanoate, PHA): 미생물이 세포 내에 축적하는 고분자 물질 PHA는 물리 화학적 특성이 기존 플라스틱 소재를 대체할 수 있고, 자연에서 미생물에 의해 쉽게 분해되어 친환경 소재로 주목받고 있다. 그러나 현재 세균을 이용한 PHA 생산과정에서 환경오염을 유발하는 배양 폐액 및 세포 부산물의 처리 문제는 해결해야 할 과제로 남아있다. 이를 해결하기 위해, 국립낙동강생물자원관 연구진은 2023년부터 ‘PHA 생산능 담수 미세조류 확보 및 배양기술 개발’ 연구를 수행하여, PHA의 생산능이 뛰어난 클로렐라(Chlorella) 속 담수 미세조류를 확보하였다. 연구진이 확보한 클로렐라(Chlorella) 속 미세조류는 태양광을 이용해 재배할 수 있고, 배양 폐액과 세포 부산물은 각각 농업용 친환경자재와 식품 및 사료 등으로 이용될 수 있다. 이를 이용하면 기존 세균을 이용한 PHA 생산방식의 문제를 해결할 수 있다.   신규 미세조류 KGP1-12의 분류 속 동정과 형태 분석 확보한 미세조류 KGP1-12의 유전자(18S rRNA) 분석 결과, 클로렐라(Chlorella) 속 미세조류들과 99.64~99.40%까지 서열 상동성(좌)이 확인되어 클로렐라(Chlorella) 속으로 동정되었으며, 형태적으로 약 2~3㎛의 지름을 가지지만, PHA를 축적하기 시작하면 6~7㎛로 세포의 지름이 증가하는 것(우)을 확인하였음. 또한, 연구진은 확보한 클로렐라(Chlorella) 속 미세조류의 PHA 함량을 약 4.5% 내외에서 30.8%까지 비약적으로 증대시킬 수 있는 유도 생산방법을 개발하여, 그 결과를 특허로 출원*하였다.* 특허명: 폴리하이드록시알칸산을 고생산하는 신규 클로렐라 KGP1-12 미세조류와 이를 이용한 폴리하이드록시알칸산 유도 생산방법(출원번호: 10-2024-0159649) 클로렐라(Chlorella) 속 미세조류 KGP1-12의 PHA 생산능 분석 ▲ PHA는 고분자 물질로 직접 정량이 불가능하여, 단량체로 분해시킨 후 PHA의 90% 이상을 구성하고 있는 주요단량체인 PHB(Poly 3-hydroxybutyrate)의 함량을 가스 크로마토그라피를 이용해 정량 분석하였음. ▲클로렐라(Chlorella) 속 미세조류 KGP1-12는 일반 배양에서 생체량(세포 건조물) 기준 약 4.5%의 PHB를 생산하였고, 개발한 유도 생산방법*을 적용할 시 30.83%까지 PHB를 함량이 증대되었음.* 유도 생산방법: 배양액 내 인(Phosphorus) 결핍 처리와 복합 유기 탄소원(OCM) 공급 류시현 국립낙동강생물자원관 생물자원연구실장은 “향후 PHA와 같은 친환경 소재를 생산할 수 있는 담수생물의 확보와 이의 실용화를 위한 연구를 통해 환경오염을 방지할 수 있는 기술개발에 매진하겠다”라고 밝혔다.   
편집부 2025-02-07
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- 전기화 기술로 촉매 반응 속도와 수소 추출 효율을 극대화한 수소 경제 핵심기술 개발- 신속하고 안정적인 수소 공급이 가능하여, 온보드 수소 모빌리티에 직접 적용할 것으로 기대 국내 연구진이 전기화를 통해 우수한 수소 추출 효율 및 반응 속도까지 확보한 수소 경제 핵심기술을 개발하였다. 한국화학연구원 김상준·박지훈 박사, 서울대학교 한정우 교수 공동연구팀은 화석연료 대신 전기로 촉매를 직접 가열하는 ‘전자기 유도 촉매 가열 시스템(ECIHS)*’을 도입했다. 이를 통해 촉매 반응 속도와 수소 추출 효율을 대폭 향상시키는 수소 저장·운송 기술을 개발했다.* ECIHS: Electrified Catalytic Inductive Heating System 16.4배 빠르게 반응하고 2배 이상 더 효율적인 수소 저장·운송 기술을 개발한 한국화학연구원 김상준 박사 연구팀(오른쪽부터 김상준 선임연구원, 강동권 학생연구원) 글로벌 탄소중립 기조에 따라 친환경 에너지 사용 기술 개발이 시급한 가운데, 수소 에너지는 청정한 에너지원으로 주목받고 있다. 특히 정부가 발표한 ‘12대 국가전략기술’ 중 하나로 포함되며, 그 중요성이 더욱 부각되고 있다. 하지만 수소는 부피가 크고 폭발 위험이 높아 안전하고 효율적인 저장·운반 기술이 반드시 필요하다. 이를 해결하는 ‘액상 유기물 수소 운반체*(LOHC)’ 기술은 수소를 액체 상태로 상온·상압에서 안전하게 저장 및 운반할 수 있다. 또한, 기존 유조차를 활용해 운송가능하여 추가 인프라 비용을 절감할 수 있는 큰 장점이 있다.* LOHC: Liquid Organic Hydrogen Carrier 전자기 유도를 활용한 촉매 가열 시스템 및 활용 모식도 ▲ 연구팀은 전기 유도가열 촉매 직접 발열 시스템을 통해 액상 유기 수소화물에서 빠르게 수소를 추출하는 기술을 구현함으로써 다양한 수소 모빌리티사회에 활용될 수 있는 원천기술을 확립함. ▲ 본 이미지는 재생에너지로부터 얻은 전기를 활용해서 전기 유도가열 촉매 직접 발열 시스템의 전력을 공급하고, 액상 유기 수소화물에서 수소를 빠르게 고효율적으로 추출하는 모식도이며, 이 기술로 활용될 수 있는 수소 모빌리티 사회를 표현함. 그러나 기존 LOHC 수소 추출 방식은 외부에서 반응기를 가열하는 방식을 주로 사용해, 에너지 소모가 크고 반응 속도가 느리며 부수 반응이 발생하는 등의 문제를 해결하여 수소 추출 효율을 더욱 향상시키는 연구가 필요하다. 특히 기존의 LOHC 수소 추출 방식이 액체 상태인 반응물(LOHC)과 고체 상태의 촉매, 그리고 기체 상태의 생성물인 수소가 섞이는 복잡한 환경에서, 불가피하게 외부에서 촉매를 직접 가열할 수밖에 없었다.  전자기 유도를 활용한 촉매 발열 시스템 성능 ▲ 반응기 외부에서 가열 열선을 활용한 기존 촉매 반응 방식과 본 연구에서 새롭게 고안한 전자기 유도를 활용한 촉매 발열 시스템의 개념 모식도 ▲ 기존 외부 촉매 가열 방식은 액상 유기 수소화합물의 촉매 반응에 필요한 수소 추출 온도인 300℃까지 도달할 때까지 742초가 걸리는 반면, 전자기 유도를 활용한 촉매 발열 시스템은 보다 빠른 52초가 걸림. ▲ 전자기 유도를 활용한 촉매 발열 시스템은 기존 외부 촉매 가열 방식 대비 16.4배 빠른 수소 추출 능력을 보임. 이를 개선하기 위해 연구팀은 ‘전자기 유도 촉매 가열 시스템’ 방식을 도입했다. 전기로 촉매를 직접 가열하여 기존 기술 대비 월등히 빠른 반응 속도와 수소 추출 효율, 안정성 등을 확보하였다. 전자기파를 이용해 촉매 자체에서 열을 발생시키는 이 방법은, 반응 용액 전체를 가열하지 않고 필요한 부분만 빠르게 가열하여 에너지 손실을 줄이고 반응 속도를 향상시킬 수 있다. 이를 위해 연구팀은 전자기파에 의해 효율적으로 발열되는 특수한 소재인 ‘티타늄 실리콘 카바이드*’를 벌집 모양의 촉매 지지체로 활용하여 열 전달 효율을 높였다. 또한 촉매의 반응 성능을 높이기 위해 백금(Pt)에 황(S)을 첨가한 촉매를 사용하여, 적은 발열 에너지로도 효율적인 수소 추출이 가능하도록 했다.* Titanium Silicon Carbide(Ti3SiC2): 금속과 세라믹의 성질을 동시에 가진 독특한 소재로, 촉매 반응에서 열을 효과적으로 전달하는 특성을 가짐. 전자기 유도를 활용한 촉매 발열 시스템을 통한 연속 수소추출 ▲ (왼쪽) 액상 유기 수소화합물에서 수소 추출을 하기 위해 연속적으로 흘려줄 수 있는 시스템을 고안하였고, 이를 기존 외부 촉매 가열 방식과 본연구의 전자기 유도를 활용한 촉매 발열 시스템과 비교하여 연속적으로 수소를 추출할 수 있는 성능을 평가함. ▲ (가운데) 같은 유속으로 액상 유기 수소화합물을 흘려주는 조건에서 본 연구의 전자기 유도를 활용한 촉매 발열 시스템에서는 80% 이상 높은 수소 추출 효율로 연속적인 수소 추출이 가능한 반면, 기존 외부 촉매 가열 방식은 추출 효율이 40% 이하로 낮았음.→ 기존 외부 촉매 가열 방식 대비 2배 이상의 높은 수소 추출 효율을 보였음 ▲ (오른쪽) 200시간 연속 수소 추출 실험을 통해 LOHC에서 수소를 안정적으로 추출하는 성능을 평가한 결과를 보여줌. 해당 실험은 온보드 수소 공급 시스템, 예를 들어 수소 자동차와 같은 실제 적용 환경에서 수소가 지속적이고 안정적으로 공급될 수 있는지 확인하기 위한 것으로, 실험 결과 200시간 동안 높은 효율을 유지하며 안정적으로 수소를 추출할 수 있음을 확인함. 전자기 유도를 활용한 촉매 발열 시스템 성능(전환 속도 & 전력 소비) ▲ 반응기 외부에서 가열 열선을 활용한 기존 촉매 반응 방식과 본 연구에서 새롭게 고안한 전자기 유도를 활용한 촉매 발열 시스템의 수소 전환 효율 속도와 수소 생산 시 요구되는 전력을 비교한 그래프 ▲ 수소 전환효율(TOF) 속도는 10배 상승하였으며, 수소 추출 시 요구되는 전력 소모는 1.75배 감소(기존 대비 약 40% 감소)하였음 그 결과, LOHC 물질에서 수소를 추출하는 과정에서 기존 외부 가열 방식 대비 16.4배 빠른 반응 속도와 2배 이상의 높은 수소 추출 효율을 달성하였다. 또한, 200시간 이상 안정적인 수소 생산을 통해 장기적인 안정성도 입증하였다. 연구팀은 모형 수소차 실험을 통해 3초 내에 수소 발생, 11.34초 만에 수소차 운행이 가능함을 확인했다. 이를 통해 온보드(On-Board) 수소 모빌리티로의 직접 적용 가능성을 입증했다. 전자기 유도를 활용한 촉매 발열 시스템을 통한 모형 수소차 테스트 ▲ 수소 경제의 꽃인 수소 모빌리티에 활용성 여부를 판단하기 위해서 수소 연료전지가 탑재된 (모형)수소차 운전 테스트 실험을 실증함. ▲ 수소차에 본 연구 시스템이 활용되기 위해서는 빠른 수소 추출 능력과 대용량의 수소가 추출되어야 하는 한계를 극복해야 함. ▲ 본 연구 시스템으로 수소를 추출한 후, 바로 호스를 연결하여 추출된 수소 기체가 수소차에 수소를 공급할 수 있도록 한 후 추출 시스템의 전원이 ON 된 시점에서 수소차를 운행할 때까지 실증한 결과, 전자기 유도를 활용한 촉매 발열 시스템은 3초 이내에 수소가 발생함을 확인하였으며, 11.34초에 수소차 운행이 가능함을 확인함. 그러나 기존 외부에서 촉매를 가열하는 방식의 수소 추출 시스템은 8분이 지나서야 수소가 추출되며, 이마저도 추출되는 양이 적어 수소차를 운행할 수 없었음. 또한 수소를 추출할 때 사용되는 소비전력도 전자기 유도 촉매 발열 방식이 기존 방식 대비 절반 수준임. 화학연 김상준 박사는 “이번 성과는 액상 촉매 반응의 비효율성을 극복하고 수소 경제 핵심 기술로 자리 잡을 가능성을 보여준다”면서, “향후 지속적인 연구를 통해 수소 기술 상용화를 추진하겠다”고 밝혔다. 이번 연구는 에너지 분야의 권위지인 ‘줄(Joule, IF: 38.6)’ 8월 호에 게재되었으며, 한국화학연구원 자체 사업인 K-solution R&D 사업의 지원을 받아 수행되었다.       
편집부 2025-02-07
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- 목재 대체 ‘합성수지 침목’, 베트남서 시험 시공… 내구·안전성 검증 한국철도공사(코레일)가 국내 기술로 개발한 합성수지 철도 침목을 베트남 현지에서 시험 시공하는 데 성공했다고 밝혔다. 합성수지 철도 침목(이하 합성수지 침목)은 철도 선로를 지지하는 침목을 섬유 보강기술로 강화한 폴리우레탄 소재로 만든 침목이다. 기존에는 방부 처리된 목침목을 주로 사용했는데 최근 환경문제 등으로 동남아지역에서 생산이 불가해 이번에 합성수지 침목을 개발하게 됐다. 합성수지 침목은 특수처리 방식을 사용해 △ 내구성 △ 경제성 △ 부식성 등이 양호하고, 유해 방부제를 사용하지 않아 친환경적이다. 베트남 현지에 시험 시공한 합성수지 철도 침목(위 교량 설치, 아래 분기기 설치) 국토교통부 ‘성과확산형 국토교통 국제협력 연구개발’의 일환으로 진행된 이번 사업은 국내 기업의 우수 기술과 제품을 해외에서 현지화해 세계 시장에 진출할 수 있도록 지원하는 R&D 과제이다. 코레일은 국내 중소기업과 공동으로 합성수지 침목을 개발하고 베트남철도공사(VNR)와 협력해 베트남 현지에 설치해 기술적 타당성을 검토했다. 실제 열차가 운행 중인 철도 교량과 선로의 방향을 전환하는 ‘분기기’에 시험 시공해 내구성과 안전성을 검증했다. 세계 철도시장에서 친환경 침목에 대한 사용기준이 강화되는 만큼 동남아는 물론 유럽과 미대륙 등에서도 합성수지 침목에 대한 시장이 확대될 것으로 기대를 모은다. 이두희 코레일 연구원장은 “베트남철도공사와 함께 신기술 현지화 가능성을 확인한 이번 사업을 계기로 베트남 철도 현대화 사업과 유지보수 및 고속철도 건설까지 참여할 수 있도록 힘쓰겠다”고 밝혔다.   
편집부 2025-02-07
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- 양식장, 가정용 수처리 등 확장 가능성으로 다양한 활용 기대 최근 수돗물과 생수병은 물론, 강, 호수, 바다 등에서 미세 플라스틱이 검출되며 그 심각성이 널리 알려졌다. 기존의 수처리용 필터링 기술은 크기와 모양이 다양한 미세 플라스틱을 효과적으로 걸러 내기 어렵고, 쉽게 막히는 문제가 있다.  게다가 필터가 막히지 않더라도 작은 입자를 회수하려면 필터 망을 매우 촘촘하게 설계해서 차압2)이 크게 발생하게 되어, 필터 효율이 지나치게 낮아지는 문제가 발생한다. 더욱이 미세 플라스틱 오염이 심해지고 있는 호수, 강이나 바다와 같은 열린 공간에서는 사용할 수 없다는 단점을 가져서 실효성이 많이 떨어졌다. 1)친수(親水, Hydrophilic): 물과 잘 결합하거나 물에 쉽게 젖는 성질,  2)두 지점 간의 압력 차이를 의미, 유체(액체 또는 기체)가 이동하거나 특정 장치에서 작동하는 과정에서 발생 한국과학기술연구원(KIST) 극한소재연구센터 김성진·문명운 박사 연구팀은 새로운 차원의 미세 플라스틱 제거 기술을 개발해, 문제 해결에 중요한 전환점을 제시했다. 이들은 물의 표면장력을 활용한 친수성 톱니 구조를 기반으로 미세 플라스틱을 효율적으로 제거할 수 있는 수상 드론 기술을 구현했다. [그림 1] MP(MP, 마이크로플라스틱) 볼에 대한 친수성 톱니의 스키밍 메커니즘인접한 오목한 meniscus의 존재는 치리오스 효과를 유발하여 MP 볼이 자발적으로 톱니 쪽으로 끌리게 만듭니다. 도식에서는 물 meniscus의 주기적인 변형과 함께 MP 볼의 스키밍 과정을 보여줍니다. 스키밍된 MP 볼은 이후 모세관 접착력에 의해 물로 연결된 톱니 내에(water bridge에 의해) 단단히 고정됩니다. 연구팀이 개발한 기술의 핵심은 친수성 톱니 구조에 있다. 이 구조는 물과의 친화력으로 인해 톱니 구조 사이에 형성되는 물막(Water bridge)을 생성하며, 물의 표면장력을 극대화시켜 미세 플라스틱을 톱니 사이에 부착시키는 역할을 한다.  이 원리를 활용하면 1마이크로미터(㎛)에서 최대 4㎜ 크기까지 다양한 크기와 밀도의 미세 플라스틱을 걸러낼 수 있다. 이를 통해 기존의 필터링 기술이 크기와 모양의 한계로 인해 효과적으로 작동하지 못했던 문제를 개선하며, 필터의 막힘 현상 없이 안정적인 제거가 가능해진다.  [그림 2] 다양한 유형의 MP 회수를 위한 톱니 드럼의 프로토타입(A) 실험 이미지에서는 P = H = 6㎜, 드럼 직경이 60㎜인 톱니 구조 드럼을 사용한 MP 스키밍 과정을 보여줍니다. 이 드럼은 밀리미터 크기의 PE 펠릿과 마이크로미터 크기의 PE 입자를 스키밍합니다.(B) 톱니 구조 드럼이 수조 오른쪽에 위치한 모든 MP를 제거한 후, MP가 i) 크기 2~4㎜의 PE 펠릿이든, ii) 1~2000㎛ 범위의 PE 입자(C)이든 관계없이 이를 왼쪽으로 방출하는 모습을 보여줍니다.(D) 톱니 구조 드럼이 다섯 가지 다른 MP에 대해 세 가지 드럼 회전 속도에서 보이는 회수율을 나타냅니다. 이 기술은 다양한 미세 플라스틱(Expanded Polystyrene, Polypropylene, Polyethylene 등)을 대상으로 80% 이상의 회수 효율을 보였다. 특히, 수상 드론에 친수성 톱니 구조를 접목해 바다, 호수, 강 등 넓은 수역에서도 실시간으로 미세 플라스틱을 제거할 수 있다. 드론은 가정용 로봇청소기처럼 자율적으로 이동하며 수질을 정화할 수 있어, 기존 고정형 시스템의 한계를 넘어선 활용성을 보여준다. [그림 3] 친수 톱니 기술이 접목된 수상 드론(해양 로봇 청소기 프로토타입)연속 이미지는 톱니 드럼이 장착된 실험실 규모의 프로토타입이 전진하면서 다양한 크기의 MP를 스키밍하는 모습을 보여줍니다.(아래, 왼쪽 이미지) 개방된 바다를 항해하기 위한 수상 드론형 해양 로봇 청소기.(아래, 오른쪽 이미지) 선착장이나 해안가와 가까운 지역을 수동으로 청소하기 위한 핸드-헬드 (수동형, 휴대용) 타입. 문명운 박사는 “이번 기술은 수상 드론뿐만 아니라 양식장 수처리 필터와 같은 고정형 시스템에도 적용 가능하다”라며, “가정용 수처리 필터 장치로 확장해 개인이 일상에서 사용할 수 있는 형태로도 개발할 수 있다”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요 사업 및 해양경찰청사업(KIMST-20210584)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Advanced science」 (IF 14.3, JCR 분야 8.2%)에 최신 호에 게재됐다.* 논문명: Capillary skimming of floating microplastics via a water-bridged ratchet      
편집부 2025-02-07
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- 폐 영구자석으로부터 희토류 금속의 회수를 통한 해외 의존도 저감 기대- 성능·생산성·경제성·적용성 향상된 섬유상 흡착 소재 개발, 산업 안정성 향상 우리나라는 리튬, 니켈, 희토류 등 핵심 광물의 95%를 수입에 의존하고 있다. 특히 희토류는 소량 첨가만으로도 물질을 화학·전기·자성·발광적 특성을 갖게 만드는 특징을 갖고 있어 최근 친환경 자동차 및 신재생 에너지 산업 분야의 핵심 소재로 그 사용량이 크게 증가하고 있다. 희귀 금속의 주요 생산국인 중국이 자원 무기화 전략을 통해 공급을 조절하고 있어, 국내 산업에 큰 부담으로 작용하고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 물자원순환연구단 최재우 박사 연구팀이 최근 네오디뮴(Nd)과 디스프로슘(Dy) 등 희토류 금속을 고효율로 회수할 수 있는 섬유상 회수 소재를 개발했다고 발표했다. 이 신소재는 주로 전기차, 하이브리드차의 구동 모터, 풍력 발전, 로봇 및 항공우주 산업에서 필수적인 부품으로 사용되는 3세대 영구자석1)에 들어가는 희토류 금속(네오디뮴-철-붕소(Nd-Fe-B))을 회수하여 순환하는 소재로 희토류 공급과 산업적 안정성 문제를 해결하는 데 기여할 것으로 기대된다. 1)네오디뮴(Nd), 철(Fe), 붕소(B)를 주성분으로 하는 자석으로, 현재 상업적으로 사용되는 영구자석 중에서 가장 강력한 자속 밀도와 자력을 가짐.    [그림 1] 섬유상 희토류 금속 회수 소재의 합성고분자 섬유와 금속-유기물 구조 나노 물질의 복합 구조로 구성된 섬유상 소재의 구조와 표면 분석 결과를 나타낸다. (a) 소재 형성 과정을 나타낸 도식표. (b) 고분자 섬유의 표면 작용기 개질 과정을 나타내는 샘플의 FT-IR 분석 결과. (c) 사용한 용매에 따른 나노 물질의 담지 성능. (d) 담지 용매의 종류에 따른 섬유의 FT-IR 결과. (e) 섬유 소재를 준비하는 단계에서 각 샘플들의 XRD 패턴. KIST 연구진은 효율적으로 희토류 금속을 회수하기 위해 금속-유기 구조체와 고분자 복합 섬유로 구성된 나노 구조 섬유 소재를 개발했다.  국내에서 이미 널리 활용되는 아크릴 섬유를 기반으로 제작되어 경제성과 생산성 측면에서도 우수하다. 연구진은 개발된 소재가 폐액 내에서 희토류를 쉽게 흡착하면서도 회수가 용이해 산업적 활용도가 아주 클 것으로 전망했다.  [그림 2] 섬유상 소재의 희토류 금속 회수 성능(a) Nd3+및 (b) Dy3+이온에 대한 섬유의 희토류 회수 성능에 미치는 pH의 영향. 각각의 희토류 금속 이온에 대한 초기 농도와 흡착제 용량은 1,000mg/L 및 0.5g/L로, 반응 시간은 24시간 동안 별도의 pH 조절 없이 수행. 저농도의 (c) Nd3+ 및 (d) Dy3+이온에 대한 소재의 회수 효율. (e) Nd3+ 및 (f) Dy3+이온에 대한 소재의 등온 평형 곡선. 접촉 시간은 24시간이며 pH 조절 없이 수행. (g) Nd3+ 및 (h) Dy3+이온에 대한 CSCF의 회수 속도 곡선. 초기 농도는 1,000mg/L이며 pH 조절 없이 수행. (i) 흡착 소재의 Nd3+와 Dy3+의 최대 회수 용량(qm)과 (j) 회수 속도 상수 k를 최상위 논문에 보고된 흡착제들과 비교한 결과. 개발된 섬유 소재는 네오디뮴에 대해 468.60mg/g, 디스프로슘에 대해 435.13mg/g의 흡착 용량을 보여 세계 최고 수준의 성능을 기록했다. 이는 기존 흡착 소재보다 매우 높은 수치이며, 간단한 형태의 반응기에 적용할 수 있기에 회수 과정의 에너지 효율 또한 크게 개선될 수 있다. [그림 3] 희토류 금속 회수 섬유의 우수한 산업 적용성폐기된 영구자석으로부터의 희토류 회수 공정에 대한 회수 소재의 실용적 응용 가능성. (a) 초기 농도 비율이 65(Fe):25(Nd):10(Dy)인 경우, 각 이온의 pH에 따른 구성 성분도 그래프. (b) 세 가지 금속 이온에 대한 섬유 소재의 흡착 성능에 대한 분배계수(Kd), 흡착 소재를 사용하여 선택적인 희토류 회수를 예측. (c) 흡착 소재로 채워진 흡착 반응조는 동일한 무게의 입상 분말로 채워진 모듈보다 현저히 낮은 압력 강하(빠른 물질 전달 속도). 내부 이미지는 각 소재로 채워진 반응조를 나타냄. (d) 재생 전 소재의 최초 최대 흡착량(qm)과 반복 재생 이후 최대 흡착량(qm, r)의 비율을 나타낸다. 3번의 재생까지 거의 100%의 소재 재생 성능을 유지함. (e) 4회 재생 이후 NPZIF-8의 결정 구조가 붕괴되는 현상을 나타내는 재생 이후 NPZIF-8의 XRD 패턴. (f) 5번의 재생 후 CSCF 흡착제 표면의 NPZIF-8 나노입자의 전자현미경 이미지.(스케일바: 1μm) 연구팀은 이 소재가 폐 영구자석뿐 아니라 광산 배수 등 희토류 금속이 포함된 다양한 산업 폐수에서도 효과적으로 희토류를 회수할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 특히, 표면 개질이 용이해 다양한 산업 폐수에 대한 적용 가능성이 높아, 희귀 금속 자원 확보를 위한 기술적 대안으로 자리 잡을 전망이다. KIST 최재우 박사는 “이번에 개발한 고효율 희토류 금속 회수 소재는 기존의 입상 흡착 소재를 대체할 수 있는 기술로, 성능, 생산성, 경제성, 적용성 측면에서 뛰어난 결과를 보여 디지털 인프라 폐기물 광물 추출 생태계를 활성화 시키고, 자원순환을 통한 산업적 적용 가능성이 매우 크다”라고 연구의 의의를 설명했다. 또한 정영균 박사는 “향후 산업 폐수에서 희토류를 포함한 다양한 유용 자원을 선택적으로 회수할 수 있는 기술로 확장하여 탄소 중립과 희토류 관련 전 후방 산업에 기여할 수 있을 것”이라고 강조했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요 사업, 소재혁신선도사업(2020M3H4A3106366) 및 세종과학펠로우십(RS-2023-00209565)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Advanced Fiber Materials」 최신호에 게재됐다.* 논문명: Synergistic Effect of Core/Shell-Structured Composite Fibers: Efficient Recovery of Rare-Earth Elements from Spent NdFeB Permanent magnets      
편집부 2025-02-07
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- 식물 원료 항공유의 상업화 연구를 통해 항공 산업의 친환경 전환에 기여 2027년 항공 분야 온실가스 의무 감축 시행에 따라 항공업계에서는 폐식용유, 팜유 등으로부터 얻어지는 지속 가능 항공유(SAF, Sustainable Aviation Fuel) 도입을 적극적으로 검토하고 있다.  그러나 기존 지속 가능 항공유는 식량 자원으로부터 유래된 항공연료로, 석유 항공유의 일부 성분만 대체할 수 있어 이를 항공기에 실제 사용하기 위해서는 석유와 혼합해야 하는 한계가 있다. 또한, 원료 확보가 어려워 2023년 지속 가능 항공유 생산량이 전체 항공유 생산량의 0.2%에 불과하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 청정에너지연구센터 하정명 박사, 유천재 박사 연구팀은 목재 등 식물 원료를 사용해 석유 항공유와 가장 유사한 성분을 지니는 차세대 지속 가능 항공유를 개발했다고 밝혔다. 차세대 지속 가능 항공유는 식물 원료를 포함한 다양한 원료와 기술로 생산되는 항공유로, 식량 자원 중심의 기존 지속 가능 항공유의 한계를 극복하기 위한 대안으로 떠올라 활발히 연구되고 있다.  [그림 1] 나무, 풀로부터 차세대 지속 가능 바이오 항공유 생산 기존의 지속 가능 바이오 항공유가 석유 항공유의 일부 성분만을 생산할 수 있는 데 비해, 본 연구에서 생산되는 바이오 항공유는 석유 항공유 전 성분을 생산하는데 기여할 수 있다. 연구팀은 나무와 풀과 같은 비식용 식물 자원을 분해해 얻은 오일을 기반으로 탈산소 및 중합 반응을 통해 고에너지 성분이 포함된 지속 가능 항공유를 생산하는 데 성공했다. 석유 항공유 성분 중 50%를 차지하는 파라핀만을 포함하는 기존 지속 가능 항공유와는 달리 나프텐, 방향족 등의 대부분의 고에너지 성분이 포함돼 있는 것을 확인했다.    [그림 2] 나무, 풀 등으로부터 생산된 바이오 항공유 추출 과정 다양한 분해 반응으로 목재, 풀, 폐기물 등으로부터 분해 오일을 얻고 이로부터 촉매 반응을 통해 항공유로 적합한 나프텐 등을 포함하는 차세대 지속 가능 항공유를 생산함. 이는 파라핀을 포함하는 기존 지속 가능 항공유와 혼합하면 석유 항공유를 완전히 대체할 수 있음. 또한, 연구팀은 차세대 지속 가능 항공유 생산공정을 100시간 이상 연속 운전을 통해 상업화로의 연계 가능성을 높였다. 이는 항공유에 필요한 높은 열량의 고에너지 연료 성분 생산 기술을 단순히 실험실에서 확인하는 것이 아니라 실제 산업 현장에서 대량 생산이 가능한 기술적 기반을 마련한 것이다.  [그림 3] 나무, 풀 등으로부터 생산된 바이오 항공유반응 공정 운전 후 회수된 바이오 항공유  이번 연구는 항공 산업이 온실가스 감축 규제에 효과적으로 대응할 수 있는 가능성을 열었다. 특히, 넓은 경작지가 필요한 식용유 등 식량 자원 기반의 기존 지속 가능 항공유와 달리 비식용 식물 원료 기반 항공유는 폐가구, 농업‧임업 폐기물 등에서 원료를 수월하게 확보할 수 있어 가격경쟁력까지 갖추게 될 전망이다. 연구팀은 비식용 식물 원료 항공유의 상업화를 위해 현재 확보된 연속 운전 기술을 파일럿 규모에서 실증하고 상용 공정을 위한 대규모 스케일업 연구를 지속할 예정이다.  KIST 하정명 박사는 “지속 가능 항공유는 일반 석유 항공유 대비 탄소 배출량을 80%까지 줄일 수 있다”라며, “이번 기술은 나무나 풀 같은 비식량 자원도 항공유 생산에 활용할 수 있어 기존 식용 원료에 집중됐던 연료 자원의 활용 범위를 넓혔다. 향후 차세대 지속 가능 항공유의 상용 공정 기술을 빠르게 확보해 글로벌 경쟁력을 선도하겠다”라고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요 사업 및 기후변화대응기술개발사업(NRF-2020M1A2A2079798), 환경부(장관 김완섭) 플라즈마 활용 폐유기물 고부가가치 기초 원료화 사업(2022003650001)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제학술지 「Energy Conversion and Management」 (IF 9.8, JCR 분야 1.5%)에 게재됐다.* 논문명: Production of high-carbon-number naphthenes for bio-aviation fuels from bio-crude prepared by fast pyrolysis of lignocellulose      
편집부 2025-02-07