이산화탄소에서 아세톤 생산 기술 최초 개발 - 석유화학 대체로 기후변화 대응의 새로운 돌파구 열려 지구온난화의 주 원인인 이산화탄소를 활용하여 기존의 석유화학 제품을 대체할 수 있는 탄소자원화* 원천기술이 개발되었다. * 탄소자원화 : 저급 탄소 원료(이산화탄소 등)를 이용하여 다양한 탄소화합물로 전환하는 고부가화 기술 한국연구재단(이사장 정민근)은 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)과의 공동연구를 통해 인공 시아노박테리아**를 이용하여 태양광과 이산화탄소에서 아세톤***을 직접 생산할 수 있는 태양광세포공장****을 최초로 개발하였다고 밝혔다. ** 시아노박테리아 : 빛과 이산화탄소만을 이용하여 경제적으로 대량 배양이 가능하고, 식물보다 빠른 세포성장과 생산할 수 있다. *** 아세톤 : Cumeme 공법에 의해 페놀 생산 공정의 병산물로 발생하며, 아크릴 수지 및 BPA, 용제 등으로 사용된다. **** 태양광세포공장 : 미생물대사공학기술을 이용하여 인위적으로 다양한 화학제품을 대량 생산하는 공장의 개념인 ‘세포공장’에 무한한 태양광에너지를 적용하여 광합성이 가능한 세포공장 한국과학기술연구원(KIST) 우한민 박사 연구팀은 미래창조과학부 특화전문대학원 학연협력 지원사업을 지원 받아 고려대 심상준 교수와의 공동연구로 수행한 결과, 인공 시아노박테리아의 미생물을 유전자 재조합 기술 (합성생물학과 대사공학*****)로 이용하여 특정 유전자를 삽입하여 태양광과 이산화탄소가 있는 조건에서 광합성 아세톤을 만드는 생물학적 기술 개발에 성공했다. ***** 합성생물학과 대사공학 : 합성생물학은 생명과학적 이해의 바탕에 공학적 관점을 도입한 융합생물공학으로 자연계에 존재하지 않은 생물 구성요소와 시스템을 설계 및 제작하는 분야를 포함하며, 대사공학은 유용 화학제품 및 생물소재의 대량생산을 위해서 세포의 대사과정을 인위적으로 조절하는 학문임. 시아노박테리아는 빛과 이산화탄소만을 이용하여 경제적으로 대량 배양이 가능하고, 식물보다 빠른 세포성장과 생산을 할 수 있으며, 주위 환경에 따른 세포성장과 생산을 조절할 수 있다. 연구팀은 합성생물학의 기술을 통해 기존 유전자발현시스템을 재설계하고 모듈화된 발현시스템을 구축하였으며, 반응율속단계******를 우회하는 경로를 도입하여 이산화탄소에서 아세톤을 생산할 수 있도록 대사공학기법을 활용하였다. ****** 반응율속단계 : 복잡한 다단계 화학반응 (생화학 및 효소반응 포함)에서 전체 반응속도를 결정하는 가장 느린 반응단계 아세톤은 공업과 화학에서 사용되는 중요한 유기용매 및 화학 중간물질로 석유화학공정에서 이산화탄소 발생과 함께 생산된다. 그러나 이번에 개발된 태양광세포공장(인공 시아노박테리아)은 태양광과 시아노박테리아만으로 아세톤을 생산하면서도 또 다른 이산화탄소 배출이 없어 공기 중의 이산화탄소를 획기적으로 줄일 수 있는 친환경탄소자원화기술로 활용될 수 있다. ○ 석유화학제품을 친환경 바이오화학제품으로 대체할 경우 석유자원 사용량은 최대 65% 감축이 가능하고, 이산화탄소 발생량도 최대 67% 저감이 가능하다(한국과학기술기획평가원, 석유대체 친환경 바이오화학 산업정책 동향 및 R&D 이슈, 2012년). □ 우한민 박사는“이번 연구결과는 지구 온난화에 영향을 미치고 있는 이산화탄소를 순수하게 줄여 나갈 수 있는 기술로 바이오화학제품, 바이오연료 생산 등 쏠라-바이오리파이너리 기술에 적용될 수 있어 향후 기후변화에 대응하는 새로운 돌파구가 될 것”이라며 연구의 의의를 설명했다. ******* 쏠라-바이오리파이너리(Solar-biorefinery) : 오일리파이너리(Oil refinery)와 대응되는 용어로 태양광-바이오기술을 통하여 다양한 화학제품을 생산할 수 있는 기술 이 연구성과는 식물과학 분야 세계적 학술지 플랜트 바이오테크놀로지 저널(Plant Biotechnology Journal)에 2월 16일 게재되었다. <그림자료> 그림1. 유전공학기술을 이용하여 합성생물학의 모듈화전략을 도입하여 이산화탄소로부터 아세톤을 생산하는 인공 시아노박테리아를 개발하였으며, 대사공학 전략을 추가로 도입하여 시아노박테리아 내 반응율속단계를 극복하는 우수한 인공 시아노박테리아를 개발하였다. 또한 편형광반응기를 이용하여 고농도 이산화탄소로부터 아세톤을 생산하였으며, 자동으로 시아노박테리아 배지로부터 분리가 되는 반응공정을 동시에 제시하였다.

유무기 하이브리드 나노 구조 제어 기술을 이용한 산소 환원 반응 촉매 개발 - 내구성과 안정성 높은 고효율 산소 환원 반응을 일으키는 연료전지 촉매 개발 - 유무기 하이브리드 나노 기술을 통한 수소 연료전지 상용화에 기여 자동차용과 발전용, 휴대용을 포함한 고분자전해질 연료전지 시장은 2012 년 468 M$에서 2017 년 1,248 M$ 로 급격히 성장할 것으로 전망[BCC Research, 2013]된다. 하지만 현재 연료전지 전극에 고가의 백금 촉매를 대량으로 사용하고 있어 아직까지는 에너지 변환장치로서의 경제적 효용성이 낮게 평가되고 있는 실정이다. 특히, 연료전지 환원극 내 산소 환원 반응의 속도는 산화극에서의 수소 산화 반응 속도에 비해 매우 느리기 때문에 산화극 촉매 대비 2 배 이상의 백금 촉매가 사용되어야만 한다. 따라서 저가의 고활성 산소 환원 반응 촉매의 개발이 필요했고, 수소 연료전지로부터의 안정적인 전력 생산을 위해 높은 전기화학적 활성뿐만 아니라 장기 내구성 역시 갖춰야하는 촉매를 개발하는 것이 매우 어려운 과제였다. 지난 10 여 년 동안, 고가의 백금 촉매 사용량을 저감하면서 동시에 촉매의 산소 환원 반응 활성을 극대화기 위해 니켈 (Ni), 코발트 (Co), 철 (Fe)과 같은 3d 전이금속을 백금과 합금시키는 연구가 활발히 진행되었다. 나노 기술의 발달과 함께 연료전지 환원극에서의 산소 환원 반응을 위한 고활성 백금계 합금 나노 입자를 제조할 수 있었으나, 쉽게 산화되는 3d 전이금속의 물리적 특성에 의해 이론적으로 가능한 촉매 활성을 충분히 내지 못하였고, 동시에 장기 내구성까지 약화되는 어려움이 있었다. 실제로 제조된 백금-전이금속 합금 나노 입자가 공기(산소) 또는 수분에 노출되면 니켈, 코발트, 철 등의 3d 전이금속 원자를 가진 나노 촉매 입자 표면이 즉각적으로 산화되어 금속산화물을 형성하여 산소 환원 반응 활성은 이론적인 값보다 상대적으로 낮아지게 된다. 또한 나노 촉매 입자 표면에서 공기 및 수분에 의해 이미 산화된 3d 전이금속 원자는 연료전지가 구동되는 높은 전압 및 낮은 pH 환경에서 쉽게 녹아내려 촉매 성능을 급격하게 떨어뜨렸다. <그림 1> KIST 유성종 박사팀은 기존 백금-전이금속 합금 촉매가 가진 근본적인 단점을 보완하기 위해, 아미드(amide)(*용어설명 참조)기를 가진 고분자를 이용하여 나노 촉매 입자 표면에 존재하는 3d 전이금속 원자를 선택적으로 기능화 함으로써 산소 환원 반응 활성 및 장기 내구성이 극대화된 연료전지 촉매를 개발했다. <그림2> 나노 촉매 입자 표면에서 선택적으로 코발트 (Co)-질소 (N) 결합을 형성하게 함으로써 코발트에서 백금으로 전달되는 전자 이동을 보다 원활하게 하여 반응 활성 사이트인 백금의 전자 구조를 산소 환원 반응에 보다 유리하게 변형시켜 촉매 활성을 기존 백금계 합금 촉매 대비 약 2배가량 향상시켰고, 나노 입자의 선택적 고분자 기능화에 의한 안정화(passivation) 효과가 나타남으로써 코발트 원자의 소멸(dissolution)을 방지하여 촉매 내구성이 약 4배 정도 향상되었다. <그림 3> 인도 방갈로르에 소재한 KIST 한-인도협력센터 이승철 박사연구팀은 인도의 연구진과 함께 제일원리 전자구조계산 기법(*용어설명 참조)을 통해 순수한 금속상태에서는 코발트 (Co)-질소(N) 결합이 백금-질소결합보다 약하지만 코발트와 백금이 1:1로 섞여 합금을 만드는 경우 백금-질소결합보다 코발트-질소결합이 더 강할 수 있다는 것을 이론적으로 예측하였다. 그리고 이런 결합강도의 역전현상은 코발트에서 백금으로 전하가 전달됨으로써 순수한 코발트와는 다른 전기적, 자기적 특성을 보이기 때문이라고 설명하였다. KIST 유성종 박사는 “유무기 하이브리드 나노 구조 제어 기술을 통해, 백금계 산소환원반응 촉매가 가지고 있는 치명적인 단점을 효과적으로 보완한 연구라는 관점에서 기존의 연구와 큰 차별성을 가지고 있다”며, “이번 연구로 수소 연료전지의 상용화를 한 발 앞당겼다는데 의미가 있다”고 말했다. 또한 KIST 한-인도협력센터 이승철 박사는 “본 연구를 통해 백금에 비해 매우 저렴한 자성금속을 촉매로 활용할 수 있어 저렴한 생산비로 높은 반응성과 안정성을 가진 촉매를 개발할 수 있는 가능성을 열었다는 점도 중요하다”고 말했다. 본 연구는 KIST 기관고유 연구사업, 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업과 국가과학기술위원회 CAP과제를 통해 수행되었으며 연구결과는 세계적 권위를 자랑하는 Nature의 자매지로서 에너지 및 나노 분야의 국제 저명 학술지인 NPG Asia Materials (IF: 10.118)에 1월 게재되었고, 연구의 우수성을 인정받아 이달의 Top 10 Articles (most downloaded articles)에 선정되었다. 더욱이, 해당 연구결과는 국내특허 출원 (출원번호:2015-0014254) 및 해외 특허 출원도 (출원번호:14/918486) 진행 중에 있다.

웨어러블 태양전지, 이제는 옷으로 입는다 - 형상 기억 고분자 기판을 활용한 신개념 고효율 플렉서블 태양전지 구현 - 접어도 깨지지 않고 구겨져도 원래 형태로 회복하여 웨어러블 소자에 적용 웨어러블, 플렉서블 기기에 적용할 태양전지는 기계적 유연성과 높은 광전 변환 효율이 동시에 요구 된다. 국내 연구진이 구겨지거나 접어도 원래 형태로 회복이 가능하며 효율이 높은 새로운 구조의 플렉서블 태양전지 원천 기술을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 고민재 박사팀과 연세대학교 (총장: 정갑영) 기계공학과 김대은 교수팀은 형상 기억 고분자 기판위에 기존의 잘 깨지는 투명전도성 전극(*ITO (Indium Tin Oxide))과 금속 후면전극 대신에 고분자 투명전극(*PEDOT:PSS)과 액체 금속을 사용하여 태양전지를 접고 구기더라도 원래 형태로 돌아갈 수 있는 새로운 개념의 플렉서블 *페로브스카이트 태양전지를 개발하였다고 밝혔다. *용어설명 ITO : 주석 산화물 (tin oxide)에 인듐이 도핑 된 금속 산화물로서 투명하면서도 금속의 전기 전도도에 준하는 높은 전도성을 가지기 때문에 태양전지, 디스플레이 분야에서 대표적으로 사용 되는 소재이다. PEDOT:PSS : poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate의 약자로, 대표적인 투명 전도성 고분자이다. ITO를 대체 할 수 있는 투명 전극 소재로 꼽히며 ITO보다 낮은 가격과 용액공정이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 페로브스카이트 : 유기물이 달린 양이온과 요오드화납 음이온이 결합되어 있는 물질로서, 최근 차세대 태양전지의 광 흡수층으로 많이 사용되는 반도체이다. 기존의 금속산화물로 이루어진 페로브스카이트 결정 구조와 유사한 구조를 갖는다. 최근 유-무기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지가 향후 실리콘 태양전지와 경쟁을 할 수 있을 정도의 큰 잠재력을 갖고 있는 것으로 평가받고 있다. 연구 시작 3년 만에 최고 효율 20.1 % 까지 기록했고, 용액 및 저온 공정에 기반을 두고 있기 때문에 특히 플렉서블 태양전지로 사용되기에 최적화 된 물질이다. 플렉서블 태양전지는 플라스틱 기판을 사용하기 때문에 150도 이하의 저온 공정을 필요로 하는데, 유기 반도체를 페로브스카이트와 전극 사이에 중간층으로 사용하는 태양전지 구조에서는 모든 공정이 150도 이하에서도 제작이 가능하므로 플렉서블 태양전지에 최적화 되어 있다고 볼 수 있다. 그러나 웨어러블 및 플렉서블 소자의 전력 공급체로 적용하기 위해서는 기존의 플라스틱 기판을 대체할 수 있는 새로운 투명전극 기판이 필요했다. 일반적으로 사용되는 플라스틱 필름은 많이 구부리거나 접으면 소성 변형이 쉽게 일어나서 원래 형태로 회복이 되지 않고 투명전도성 전극 역시 잘 깨지기 때문에 웨어러블 및 플렉서블 소자에 적용하기엔 적합하지 않은 기판이다. 공동연구팀은 이러한 플라스틱 필름 대신 형상 기억 고분자(*NOA 63)를 평평한 기판으로 만들어서 120도 이하의 저온 공정으로 페로브스카이트 태양전지를 구성하였다. 태양전지를 접기 전 광전변환 효율이 최고 10.83 %, 접고 난 후 10.4 %였으며 1000번 벤딩 테스트 후에도 9.68 %로 ITO가 없는 페로브스카이트 태양전지 중에서는 가장 높은 효율과 기계적 안정성을 나타냈다. 또한 완전히 구겨지더라도 기판의 형상 기억 특성 때문에 최초의 형태와 거의 유사한 모양으로 회복 되었으며 원래 형태로 복구 된 후에는 6.1% 효율을 기록하였다. 그리고 *나노 인덴테이션 분석법과 전자현미경을 이용하여 태양전지에 사용 된 재료의 기계적 특성을 심도 분석하고 수학적 시뮬레이션을 통해 태양전지를 접더라도 모든 재료에 손상 없음을 세계 최초로 증명하였다. 따라서 페로브스카이트 박막은 매우 유연하면서도 높은 광전효율을 낼 수 있는 광 흡수 물질이며 이는 앞으로 플렉서블 태양전지 분야에서 각광을 받을 수 있을 것이라 기대가 된다. *용어설명 참고 연구책임자인 고민재 박사는 “개발한 태양전지는 유연성이 매우 뛰어나고 용액 및 저온공정이 가능하며, 효율이 높아 웨어러블 태양전지, 휴대 전자 소자 등 다양한 전자 기기의 핵심적인 광에너지 자원으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다” 고 밝혔다. 본 연구는 KIST 주요연구사업인 영 펠로우 연구사업과 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 글로벌프런티어사업 멀티스케일 에너지시스템연구단의 지원으로 수행되었다. 연구결과는 에너지 분야의 전문학술지인 Advanced Energy Materials 11월 18일자에 표지논문으로 게재되었다. * (논문명) Mechanically Recoverable and Highly Efficient Perovskite Solar Cells: Investigation of Intrinsic Flexibility of Organic-Inorganic Perovskite - (공동 제1저자) 한국과학기술연구원 박민우 박사 연세대학교 기계공학과 김해진 박사과정 - (교신저자) 한국과학기술연구원 고민재 박사 연세대학교 기계공학과 김대은 교수 <그림자료> <그림 1> (a) 형상 기억 고분자 기판 및 투명전극을 만드는 과정. (b) 만들어진 형상 기억 고분자 기판의 실제 사진 (c) 형상 기억 고분자 기판, 투명전극의 파장에 따른 광투과도 <그림 2> (a) 플렉서블 페로브스카이트 태양전지 모식도 및 전자현미경을 촬영한 단면 사진 (b) 투명전극위에 증착 된 페로브스카이트 박막 표면의 원자현미경 사진 (c) 페로브스카이트 박막의 표면 거칠기 (d) 페로브스카이트 박막 표면의 전자현미경 사진 (e) 페로브스카이트 박막의 x선 회절 peak <그림 3> (a) 액체 금속을 제외한 태양전지 표면을 곡률 반경 1 mm로 접었을 때 관찰한 전자현미경 사진 (b) 액체 금속을 제외한 태양전지 표면을곡률 반경 0.5 mm 로 접었을 때 관찰한 전자현미경 사진 (c) 곡률 반경에 따른 태양전지의 전압-전류 곡선 (d) 벤딩 테스트 횟수에 따른 4가지 광전 특성 변화 <그림 4> (a) 실제 태양전지를 구기고 난 뒤 완벽하게 회복되는 모습을 관찰한 사진 (b) 태양전지를 구기기 전-후 전류-전압 곡선 (c) 구겨진 태양전지가 회복하고 난 후 표면을 관찰한 전자현미경 사진 (d) (c)가 확대된 전자현미경 사진 <그림 5> (a) 나노 인덴테이션 방법으로 얻은 태양전지를 구성하는 각 재료의 스트레스-스트레인 곡선 (b) 태양전지를 구성하는 각 재료의 항복 응력 (c) 태양전지를 구성하는 각 재료의 탄성계수와 탄력성 (d) 수학적 시뮬레이션으로 얻어진 곡률 반경 1 mm에서 태양전지에 인가되는 스트레스, 스트레인 분포도 (e) 수학적 시뮬레이션으로 얻어진 곡률 반경 0.5 mm에서 태양전지에 인가되는 스트레스, 스트레인 분포도

이산화탄소 자원화를 위한 고효율 은 나노 촉매 개발 - 이산화탄소로부터 직접 화학원료 생산 가능한 저가용 촉매 개발 - 저 비용 고 성능 촉매 개발로 인공광합성 상용화 가능성 열어 화석 연료 기반의 에너지 소비는 대기 중의 이산화탄소 농도를 지 속적으로 증가 시키고 있다. 이산화탄소는 지구 온난화를 일으키는 대표적인 기체다. 미국 국립해양 대기청은 2015년이 전 세계적으로 가장 더운 한 해로 기록 될 것이라고 발표했다. 최근 태양빛을 이용하여 이산화탄소와 물로부터 직접 화학연료를 생산 하는 인공 광합성 기술이 주목받고 있다. 인공광합성 기술은 대기중의 이산화탄소를 활용하여 태양에너지를 연료나 화학 원료 형태로 저장할 수 있어 이산화탄소 저감과 탄소 순환이라는 측면에서 기후변화에 대응하는 핵심기술로 발전할 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 청정에너지연구센터 민병권, 황윤정 박사 연구팀(이하 연구팀)은 은 나노 입자를 탄소 담지체에 직접 성장(은 이온이 탄소 담지체에 수백에서 수천 개 모이면서 3, 5, 10 nm 나노 크기로 커지게 됨)시켜, 선택적으로 이산화탄소를 일산화탄소로 전환시키는 고효율 촉매를 새롭게 개발했다. 일산화탄소와 수소의 혼합기체는 합성기체라고 불리며 다양한 화합물을 합성하는데 널리 쓰이고 있는 유용한 기체 화학원료 이다. 일산화탄소는 전 세계 연간 50조원에 달하는 시장을 보이고 있으며, 꾸준히 성장하고 있다. 인공광합성 기술을 실현하기 위해서는 다양한 요소 기술이 필요한데, 핵심 기술들 중 하나는 이산화탄소를 유용한 화합물로 전환시켜주는 촉매 기술이다. 연구팀은 이산화탄소를 유용한 화학 원료로 전환 가능한 고효율 및 고성능의 촉매 개발에 성공하였다. 전기화학적으로 이산화탄소를 환원 하여 고부가 화학원료로 바꾸는 반응은 높은 과전압이 필요하기 때문에 낮은 과전압에서도 선택적으로 목표한 생성물을 만들어 내는 촉매의 개발은 인공광합성 기술의 상용화를 위해 필수적이다. 특히, 수용액에서 이산화탄소 환원 반응은 물이 직접 환원되어 수소가 생성되는 반응과 경쟁적이기 때문에 효율적인 이산화탄소 환원 촉매의 개발은 매우 중요하다고 할 수 있다. 현재까지는 금 촉매가 이산화탄소를 일산화탄소로 전환시키는데 가장 효과적이라고 알려져 있었지만 비싼 가격과 낮은 안정성 문제 때문에 한계에 봉착해 있었다. 은의 경우는 금 촉매에 비해 과전압이 많이 필요로 하여, 가격적인 면의 이점(금 가격의 1/65)에도 불구하고 주목을 받지 못하고 있었다. 연구팀은 고효율, 저가 촉매 제조를 위해 은 나노 입자를 탄소 담지체 위에 직접 성장시키는 기술을 개발하였고, 이를 이용하여 이산화탄소로부터 일산화탄소를 기존 은 촉매에서 필요하던 과전압보다 40 % 줄어든 과전압에서 고효율로 생산할 수 있음을 보여주었다. 또한 연구팀이 개발한 은 나노 촉매는 이산화탄소로부터 선택도 80% 이상으로 일산화탄소를 생산하였고, 특히 은 촉매의 단위 질량당 높은 반응성을 보였다. 이 결과는 현재 보고된 은 촉매들의 성능 중 최고 수준으로, 적은 양의 촉매로도 높은 활성을 기대할 수 있게 되었다. 개발된 촉매는 은 나노 입자와 탄소 담지체가 효과적으로 결합하여 이산화탄소 환원 반응 후에도 비교적 높은 안정성을 보였다. 안정적이고, 저 비용 고 효율 촉매 개발을 통해, 연구팀이 구현한 바 있는 일체형 인공광합성 디바이스에 적용함으로써 인공 광합성 기술의 상용화를 한층 앞당길 전망이다.(“A monolithic and standalone solar-fuel device having comparable efficiency to photosynthesis in nature” Journal of Materials Chemistry A, 2015, 3, 5835-5942. ) 연구팀은 “이번에 개발된 저가, 고효율의 이산화탄소 환원 촉매는 향후 태양 빛만으로도 원하는 고부가 화학원료를 직접 생산 할 수 있는 미래형 화학원료 생산 시스템 상용화에 큰 기여를 할 것이다.”고 밝혔다. 본 연구는 KIST 미래원천 연구사업 및 미래부 특화전문대학원 학연협력 지원사업의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 화학 분야의 저명한 국제 학술지인 미국화학회지 (Journal of the American Chemical Society: JACS) 11월 4일자에 게재되었다. * (논문명) Achieving Selective and Efficient Electrocatalytic Activity for CO2 Reduction Using Immobilized Silver Nanoparticles - (제1저자) 한국과학기술연구원 김청희, 전효상 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 민병권 센터장, 황윤정 선임연구원 <그림자료> 개발된 세 가지 크기의 은 나노 입자들과 전기화학적 이산화탄소 환원반응의 일산화탄소로 전환 반응성 및 선택성을 나타낸 결과. 과전압의 감소와 80% 이상의 일산화탄소 전환율을 확인.

고가의 귀금속 대신 저렴한 코발트계 촉매로 수소 에너지 상용화 앞당겨 - KIST, 내구성 높은 고효율, 저가형 수소 및 산소 발생을 위한 촉매 개발 - 친환경 물분해과정을 통한 수소에너지 보급에 기여 친환경에너지인 수소를 만들기 위해 전세계적으로 다양한 연구가 진행중이다. 국내 연구진이 물의 전기분해방법으로 수소를 만드는 데 필요한 촉매의 원료를 저렴하고 내구성이 높은 코발트계 화합물로 제작하는 기술을 개발했다. 기존에 사용했던 고가의 귀금속 촉매보다 비용이 약 0.01배로 저렴하고 성능은 거의 동일한 수준으로 제작이 가능해 수소 에너지 상용화를 앞당길 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 국가기반기술연구본부 연료전지연구센터 유성종 박사와 류재윤 연구원은 자체로 음극에서 높은 수소 발생성을 띄는 인화코발트 나노입자를 산화전위 산소발생 반응의 전구촉매로 사용, 귀금속 촉매보다 가격을 획기적으로 줄이면서도 높은 성능과 내구성을 구현해내는데 성공했다고 밝혔다. 수소에너지는 채굴량 한계 및 지역 편재성이 없고, 환경 친화적이기 때문에 차세대 에너지로 각광받는 에너지원이다. 그 중 물을 전기분해해 수소를 바로 발생시켜 공급하는 수소 스테이션 방법은 고순도의 수소를 환경피해 없이 생산할 수 있지만, 건물크기 수준의 대용량 수조가 필요해 도심에서 쉽게 사용하기 위해서는 전극을 소형화해야 하는 등의 해결과제가 남아있다. 현재는 전지의 +극인 산소 발생용 전극 재료로는 이리듐 및 루테늄 계열의 귀금속촉매가, -극인 수소 발생 전극 재료로는 백금이 각각 우수하지만 비용이 높기 때문에 이를 대체하는 값 싼 재료의 개발이 요구되고 있다. 전체 전기분해 반응 중 수소 발생에 가장 중요한 속도를 결정하는 단계가 +극에서 일어나는 산소 발생 반응(oxygen evolution reaction)이다. +극은 반응은 4개의 전자가 관여되는 복잡한 반응이기 때문에, 음극의 수소 발생반응과 비교했을 때 속도가 훨씬 느리고, 이런 이유로 산소 발생에 있어 높은 추가 전압(과전압)과 에너지를 필요로 한다. 따라서 가격이 낮으면서도, 추가 전압이 낮고, 안정성은 높은 양극 원료의 개발이 필요하다. KIST 유성종 박사팀은 기존 희소 귀금속인 이리듐 및 루세늄 기반의 산소발생 촉매와 비슷한 성능의 저가의 코발트기반 화합물로 촉매를 제작하고 산소발생이 일어나는 높은 전압조건에서 해당물질의 구조의 변화를 인과 코발트와의 상호작용을 통해 제어함으로써 산소 발생이 극대화된 촉매를 제작할 수 있었다. 연구팀은 코발트와 인이 조합된 인화코발트 나노입자를 최종 촉매 물질의 전단계 상태의 물질인 전구체로 사용하게 되면 물질이 산소를 발생시키는 전압의 위치인 산화전위에 노출 될 때 자체적으로 물질이 조립되는 양상이 독특하다는 점을 발견하였다. 연구팀은 인화코발트에 존재하는 포스페이트(인의 산화형 구조)가 나노입자의 변이과정에 관여되는 것으로 보이며, 궁극적으로 독특한 미세한 그물구조의 분산된 형태와 분자 클러스터구조를 갖게 된다고 밝혔다. 유도된 분자 클러스터 구조는 높은 산화수준을 유지해 산소 발생에 유리한 촉매환경을 극대화시킬 수 있다. 이렇게 활성화된 코발트 화합물은 전기화학적 활성을 극대화 할 수 있어 소량만 사용해도 10 mA/cm2 의 전류를 얻는데 0.36 V 만의 낮은 과전압이 소요된다. 이는 최고의 귀금속 이리듐 촉매의 과전압이 약 0.35V인 점을 감안할 때 세계최고수준이라 할 수 있다. 내구성 역시 뛰어나 높은 전류와 전압 조건에서 운행된 12시간 동안의 물분해 조건에서도, 성능이 거의 감소되지 않는다. 이는 기존의 코발트 옥사이드 촉매와 귀금속계 촉매보다도 오히려 뛰어난 내구성을 보인 것이다. 인화코발트 화합물은 지구상에 풍부하게 존재하는 코발트를 기반으로 하기때문에, 가격이 저렴한 것이 장점이다. 더욱이, 인화코발트 화합물을 합성하는 조건 역시 단일 단계의 공정이기 때문에 제작 비용이 저렴하고, 효율은 높은 촉매를 쉽게 만들 수 있다. 또한, 인화코발트 나노입자는 양극뿐 아니라, 음극에서도 수소발생반응성이 높아, 양극 산소발생반응 촉매뿐 아니라 음극에서도 사용이 가능해, 한 가지 재료를 양기능성 촉매로 활용이 가능하다. KIST 유성종 박사는 “산소발생반응 촉매의 전구체라는 관점에서 나노입자를 제어해 실제로 작동하는 활성화된 촉매의 물리적 화학적 구조를 제어했다는 점에서 기존 연구와 차별성이 있다”며, “이번 연구로 수소에너지 보급 및 상용화를 한 발 앞당겼다는데 의미가 있다”고 말했다. 본 연구는 KIST 기관고유 연구사업과 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업을 통해 수행되었으며 연구결과는 촉매 분야의 국제 저명 학술지인 ACS Catalysis에 7월 2일에 게재되었다. 연구의 우수성을 인정받아 이달의 Most Read Articles 에 선정된 바 있다. 더욱이, 해당 연구결과는 국내특허 출원(출원번호:2015-0003543) 및 해외 특허 출원도 진행 중에 있다. <그림1> 인화코발트 나노입자를 통한 수소 및 산소발생 반응. 인화코발트 나노입자는 산소발생반응 활성화 촉매의 전구체이며 자체로 백금과 맞먹는 수준의 수소 발생 능력을 가진 물질이다. <그림2> 합성된 인화코발트 나노입자의 구조분석 <그림 3> 산화전위에 노출 후 자발적으로 변화되는 인화코발트 나노입자

초저가와 고효율 달성이 동시에 가능한 신구조 플렉서블 태양전지 기술개발 - 고가의 투명전도성 전극소재가 필요하지 않아 기존 소재의 절반 가격으로 고효율 플렉서블 태양전지 구현 가능 - 전사법을 이용하여 플렉서블한 다양한 기판에 광전극 구현이 가능해 향후 웨어러블 기기에 구현이 가능 태양전지 가격경쟁력은 전지를 구성하는 소재의 가격과 태양전지 효율에 의해서 결정된다. 국내 연구진이 현재 태양전지 가격에 큰 영향을 미치는 고가의 투명전도성 전극을 전혀 사용하지 않으면서도 고효율 달성이 가능한 신 구조 플렉서블 태양전지 원천 기술을 개발하였다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 고민재 박사팀은 고온에서 열처리 한 무기 광전극을 떼어내어 플라스틱처럼 잘 휘어지는 기판 (플라스틱, 종이, 섬유) 등에 전사하여 붙이는 방식을 이용한 신 구조 고효율의 염료감응 플렉서블 태양전지를 개발하였다고 밝혔다. 태양전지나 디스플레이 등의 전자소자는 소자의 효율 향상을 위해 가시광선 영역에서 85% 이상의 높은 광투과도와 전기 전도도를 요구하는 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투명전도성 전극(Transparent conducting oxide)이 필요하다. 하지만, ITO의 주원료인 인듐은 희귀 금속으로 가격이 비싸, 차세대 태양전지인 염료감응 태양전지의 재료비 중 가장 큰 부분을 차지하고 있다. 고효율의 태양전지를 제작하기 위해서는 이러한 값비싼 투명전도성 전극외에도 무기 광전극을 고온에서 열처리하는 과정이 반드시 필요한데, 이는 무기 광전극 내부가 단단히 연결이 되고 기판과의 접착력이 좋아져서 소자저항이 작아지기 때문이다. 플렉서블 태양전지를 만들기 위해 기존에는 유연하지만 열에 약한 플라스틱 기판을 활용하기 위해 효율이 낮은 저온 공정을 사용했다. 또한 투명전도성 전극을 사용하는 경우, 태양전지를 휘었을 경우 ITO가 깨져 전기적 특성이 감소하는 등의 단점이 있었다. 연구팀이 개발한 제작방법은 유리기판 위에 고온에서 열처리한 TiO2(산화타이타늄) 전극을 형성시킨 후, 플렉서블한 기판에 옮겨 붙이는 전사 방법을 적용하여 플라스틱 기판에서 고효율의 태양전지를 구현하였다. 전사방법을 사용하면 고온 열처리한 저항이 낮은 광전극을 다양한 플렉서블한 기판에 옮겨 붙일 수 있기 때문에 고효율 달성이 용이하다. 후면전극 역시 인듐보다 상대적으로 가격이 저렴한 타이타늄 질화물(nitride)로 만들었고, 상대전극도 투명 전도성 물질을 사용하지 않고 탄소와 백금 복합체를 사용하여 플라스틱 전극 위에 제작하였다. 이렇게 제작된 염료감응 태양전지는 기존 전지에 비해 소재가격은 50% 이하로, 전체 태양전지 가격은 30%이하로 가격이 낮아지는 효과를 보였다. 또한 개발한 전사법은 휘어짐에 강한 타이타늄 계열의 광전극을 고분자 필름위에 붙여, 태양전지를 휘었을 경우에도 기판의 손상과 효율의 감소 없이 특성이 좋은 태양전지를 제작할 수 있었다. 이렇게 개발한 태양전지는 투명 전도성 물질을 전혀 사용하지 않음에도 불구하고, 보고된 염료감응 플렉서블 태양전지 중 최고 수준인 8.10%의 광변환 효율을 기록하였다. 연구책임자인 고민재 박사는 “개발한 태양전지는 기판의 종류에 상관없이 제작할 수 있고, 잘 휘어지면서도 효율이 높아 웨어러블 태양전지, 휴대 전자 소자 등 다양한 분야의 핵심소재로 활용될 수 있을 것으로 기대된다” 며 “연구팀에서 개발한 전사법을 이용하면 태양전지 이외에도 다양한 전자 기기 및 전기화학 기기 등 전자소자를 사용하는 응용분야에서 직물이나 종이, 플라스틱, 금속 등 휘어질 수 있는 다양한 기판 위에 제작할 수 있어 광범위한 응용을 기대할 수 있다”고 밝혔다. 본 연구는 KIST 주요연구사업인 영 펠로우 연구사업과 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 글로벌프런티어사업 멀티스케일 에너지시스템연구단의 지원으로 수행되었다. 연구결과는 나노 분야의 전문학술지인 ACS Nano 4월 28일자에 게재되었으며, 국내 및 해외 특허를 출원하였다. 이번 성과로 지난 '15.4.22(수) 정부가 발표한 "기후변화 대응을 위한 에너지 신산업 및 핵심기술개발전략"에서 제시한 차세대 태양전지 개발에도 더욱 탄력이 붙을 것으로 기대된다. <그림 1> 투명 전도성 전극이 없는 고효율 초저가 플렉서블 태양전지 / 전지 사이즈 2cm X 2cm의 태양전지 전류전압 곡선. (대면적인 10cm X 10cm에서도 가능) <그림 2> (a) 전사법을 이용하여 고온소성한 태양전지 광전극을 OHP 필름 위에 적용 (b) 전사법을 이용하여 염료가 흡착된 고온소성한 태양전지 광전극을 OHP 필름 위에 적용 (c) 전사법을 이용하여 고온소성한 태양전지 광전극을 염료 흡착하여 극세사(천) 위에 적용 (d) 전사법을 이용하여 고온소성한 태양전지 상대전극을 OHP 필름 위에 적용 (e) 전사법을 이용하여 고온소성한 태양전지 상대전극의 전도성을 보기 위해 밴딩 후에 LED연결 (f) 전사법을 이용하여 고온소성한 태양전지 상대전극을 극세사(천) 위에 적용 (g) 고온소성한 태양전지 상대전극을 전사법을 극세사(천) 적용 (접힌 후에도 전도성을 가지고 있음) (h) 전사법을 이용하여 고온소성한 Ag 전극을 전사하여 연필에 감싼 뒤에도 좋은 전도도를 가짐을 확인하였음. <그림 3> (a) 전사법을 이용하여 태양전지 광전극을 만드는 방법 (b) 전사법을 이용하여 태양전지 상대전극을 만드는 방법 <그림 4> 일반적인 태양전지와 신구조 태양전지의 구조 비교

백금보다 100배 싼 황화니켈로 무한에너지 수소 싸게 만든다 - KIST, 내구성 높은 고성능, 저가형 수소발생 촉매 개발 성공 - 친환경 수소에너지 보급화 및 상용화에 기여 국내 연구진이 미래 대체에너지인 수소 생산을 위해 쓰이는 고가의 백금 촉매를 대체 할 수 있는 황화니켈 촉매 원천기술을 개발했다. 백금 촉매는 높은 가격으로 인해 수소 대량 생산을 가로막는 가장 큰 걸림돌이었다. 황화니켈은 백금 대비 100배 이상 가격이 낮아 수소 생산의 상용화에 청신호가 켜졌다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 국가기반기술연구본부 연료전지연구센터 유성종 박사는 서울대 화학생물공학부 성영은 교수와 카이스트 생명화학공학과 이현주 교수팀과의 공동연구를 통해 나노 크기 구조의 단결정 황화니켈을 사용하여 수소 발생 시스템에서 백금을 대체함으로서 촉매 가격을 획기적으로 줄이면서도 높은 성능과 내구성을 구현해내는데 성공했다고 밝혔다. 수소는 친환경에너지로 세계 각국에서 연구 개발을 활발히 진행하고 있다. 그 중 수소 스테이션 등 수소를 바로 발생시켜 공급하는 방법에 주목하고 있지만, 물의 전기분해법은 에너지 이용 효율이 낮고, 전극을 소형화해야 하는 등 해결과제가 남아있다. 또한 수소 발생용 전극 재료로는 백금이 가장 우수하지만 비용이 높기 때문에 백금을 대체하는 대체 재료의 개발이 요구되고 있다. KIST 유성종 박사팀은 기존 희소 금속인 백금 기반의 촉매보다 뛰어난 저가의 니켈기반 화합물에 주목했고 계산과학에 기반한 설계를 통해서 수많은 니켈 화합물 중 황화니켈이 수소발생을 위한 촉매 중 활성도가 우수하다는 것을 밝혔다. 연구팀은 단결정 나노 구조의 황화니켈 화합물을 합성하는 데 성공하였고 합성된 황화니켈 나노 입자의 전기화학적 활성이 극대화됨을 확인해 촉매 성능의 우수성을 규명하였다. 물의 전기분해(water electrolysis)를 통해 수소와 산소를 생성하는 반응은 수증기 개질(steam reforming)에 비해 대용량의 고순도 수소 제조가 가능하기 때문에 전 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다. 그 중 수소 발생 반응 (hydrogen evolution reaction)은 알칼라인 전해질에서 상대적으로 느린 반응 속도로 말미암아 물 분해에 있어서 효율성이 낮아 기술적으로 큰 진입 장벽으로 여겨지고 있다. 이를 해소하기 위해 촉매를 사용하는데, 촉매에 사용되는 값비싼 백금을 대체하기 위해, 가격이 낮으면서도, 낮은 과전압과 높은 안정성을 갖는 원료의 개발이 필수적이다. 연구팀은 니켈, 코발트 등의 3d 전이금속 기반의 산화물의 경우, 수소 발생 반응의 산화 표준 전위 (0 V vs. RHE) 기준으로 낮은 과전압에서 높은 반응성을 보이며 기존 물질에 비하여 안정성이 뛰어난 것에 착안하여 단결정 황화니켈 나노입자 기반의 촉매를 개발했다. 연구팀이 개발한 단결정 황화니켈 나노 입자들은 표면에서의 니켈 금속과 황 사이의 강한 전자 상호 작용에 의해 니켈금속의 전자 구조를 변형 시켜 수소 발생 반응에 유리한 촉매 활성점을 극대화시켰다. 이는 유무기 복합체 사이의 전하 전달이 매우 중요한 역할을 한다는 것을 세계 최초로 밝힌 것이다. 이렇게 개발된 황화니켈 화합물 나노 입자는 전기화학적 활성을 극대화 할 수 있어 그 동안 물 분해 반응에 많이 사용되던 순수 니켈 촉매의 활성보다 2배를 넘어서는 성능을 보여주었으며, 백금과 동등한 수준이었다. 황화니켈 화합물은 지구상에 풍부하게 존재하는 니켈을 기반으로 하기때문에, 가격이 저렴한 것이 장점이다. 니켈 금속은 가격이 ㎏당 14달러 수준에 불과하고 단결정 황화니켈 화합물 합성조건 역시 1 step 공정이기 때문에 제조비용이 백금을 사용한 기존 공정에 비해 100배 이상 저렴해 촉매로 개발했을 때 저비용, 고효율 촉매라 할 수 있다. 뿐만 아니라, 개발한 촉매는 전기화학적 촉매 반응에 중요한 역할을 하는 분자친화도 (molecular affinity)를 조절할 수 있어 연료전지 및 다른 전기화학 반응에도 적용할 수 있는 구조적 장점을 가질 것으로 기대된다. KIST 유성종 박사는 “미래 청정에너지에 대한 관심이 높아지는 가운데 재생에너지를 통해 물에서 수소 같은 화학에너지로 변환하는 기술의 상용화가 무엇보다 중요하다”라며, “이번 연구는 수소에너지 상용화를 한 발 앞당겼다는데 큰 의미가 있다”고 말했다. 본 연구는 촉매합성과 설계부문, 분석으로 나누어 진행되었으며 촉매합성연구 및 분석은 KIST 연료전지연구센터와 카이스트에서, 설계연구는 충북대와 서울대에서 주도적으로 수행되었다. 본 연구는 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업을 통해 수행되었으며, 연구결과는 재료과학 분야의 국제 저명 학술지인 나노스케일 (Nanoscale)에 3월 28(월)일자 표지논문으로 게재될 예정이다. * (논문명) Structure dependent active sites of NixSy as electrocatalysts for hydrogen evolution reaction - (공동 제1저자) (서울대학교) 정동영 박사, (연세대학교) 한정우 박사과정 - (공동 교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 박사, 카이스트 이현주 교수, 서울대학교 성영은 교수 <그림1> 'Nanoscale'의 2015년 3월 28일자 권두 표지논문이미지, 원자단위에서 본 단결정 황화니켈 구조의 모습, 이러한 단결정 황화니켈 나노화합물은 백금을 상회하는 수소 발생 능력을 가진 물질이다. <그림 2> (a？d) NiS 나노입자와 (e？h) Ni3S2 나노입자의 전자현미경 이미지. 단결정 황화니켈 화합물 나노입자 합성조건이 1 step 공정이기 때문에 제조비용이 매우 저렴해 저비용 고효율 촉매라 할 수 있다.

값비싼 화학원료 이제 태양빛으로부터 직접 만든다! - 나뭇잎보다 뛰어난 세계 최고 효율의 일체형 인공광합성 디바이스 개발 - 태양빛만으로 고가의 일산화탄소와 같은 화학원료를 생산 할 수 있는 새로운 패러다임의 지속가능한 화합물 생산 방법 제시 자연의 나뭇잎과 마찬가지로 태양빛을 이용해 물과 이산화탄소로부터 직접 고부가가치의 화합물(화학원료)을 생산할 수 있는 세계 최고 수준의 인공 광합성 디바이스 기술이 국내 연구진에 의해 개발되었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 청청에너지연구센터 민병권, 황윤정 박사 연구팀은 태양전지기술과 촉매기술을 융합하여 태양광에너지만으로 작동하는 세계 최고 효율(4.23%)의 일체형 인공광합성 디바이스 기술을 개발했다고 밝혔다. *광합성 : 식물인 나뭇잎이 태양빛을 흡수하여 물과 이산화탄소로부터 탄화수소(포도당)를 만들어 내는 기작을 의미함 자연의 광합성을 모방하여 화석연료나 바이오매스 등과 같은 태양에너지가 저장되어 있는 매개체를 거치지 않고 태양에너지를 고부가가치의 화합물로 바꾸어 주는 인공광합성 기술은 오랫동안 과학자들의 관심을 끌어 왔다. 특히 최근 지구 온난화 등 기후변화가 심화되면서 이에 대응할 수 있는 친환경적 고부가가치 화합물 제조 방법이 절실한 시점이다. 연구진은 1%의 효율 수준을 가진 자연의 나뭇잎보다 성능이 뛰어난 인공광합성 디바이스를 구현함으로써 이러한 기술이 현실화 될 수 있는 가능성을 제시했다. 인공광합성 기술을 완성하기 위해서는 다양한 요소 기술의 융합이 필요하다. 특히 태양광을 흡수하여 전자를 생산하는 광전극 기술, 물분해를 위한 촉매 기술, 또한 이산화탄소를 유용한 화합물로 전환시켜 주기 위한 촉매 기술은 핵심 요소 기술이라고 할 수 있다. 지금까지는 전 세계적으로 각 개별 요소 기술에 대한 연구가 대부분 진행되어 왔다. KIST 민병권, 황윤정 박사 연구팀은 각 요소기술 개발뿐만 아니라 이들 기술을 통합해 실질적으로 태양빛으로 작동되는 일체형 인공광합성 디바이스를 제조하였고 4.23%의 효율을 가진 디바이스의 성능을 시연했다. 이는 현재 알려진 인공광합성 디바이스의 효율이 최고 1.8%임을 감안할 때 획기적인 성능이다. 연구진은 저가 박막태양전지 기술을 촉매 기술과 융합해 광전극의 안정성을 획기적으로 향상시키는 기술을 개발하였으며 환원전극 촉매 종류를 단순히 교체하는 작업으로 원하는 고부가화합물을 생산할 수 있는 디바이스를 구현하였다. 환원전극을 금 또는 은과 같은 금속 촉매로 변경할 경우 일산화탄소가 주로 만들어 지는데, 이를 비스무스(Bi) 금속 촉매로 바꾸게 되면 개미산(Formic Acid)이 주로 만들어 지게 된다. 연구팀은 프린팅기반 CIGS 박막 태양전지 기술, 저온 코팅 코발트산화물 촉매 기술, 금 나노촉매 기술의 융합을 통해 이산화탄소로부터 선택도 90% 이상으로 고가의 일산화탄소를 생산하는 디바이스를 구현하였다. 일산화탄소는 주로 화학원료로 활용되며 톤당 1,320,000원에 달하는 고가의 화합물이다. * 선택도 : 생성물이 여러 종류일 때 원하는 생성물이 전체에서 차지하는 비율 개발한 기술은 또한 태양전지 모듈과 같이 패널형으로 디바이스를 제조하여 효과적으로 태양빛을 이용할 수 있다는 것이다. 또한 이렇게 만들어진 인공광합성 디바이스의 효율을 향후 10% 까지 올린다고 가정했을 때, 100km2 면적 (울릉도 면적의 약 1.4배)에 설치하여 하루 6시간씩 가동시킨다면 1년에 약 8백만톤의 일산화탄소를 생산할 수 있는데, 이는 10조원의 가치에 해당하는 양이다. ※ 출처: Carbon dioxide Utilization: Electrochemical Conversion of CO2-Opportunities and Challenges, Det Norske Veritas (DNV), Hovik 2011 민병권 박사는 “이번에 개발된 인공광합성 디바이스 기술은 향후 태양전지와 마찬가지로 패널형으로 제조 및 설치가 가능해 태양빛만 이용해서 원하는 고부가화합물을 직접 대량 생산할 수 있는 미래형 화학원료 및 연료 생산 시스템으로 발전할 수 있다.” 고 말했다. 이 연구는 KIST 기관고유 미래원천사업의 지원을 받아 수행 되었으며, 3월 21일, 세계적 수준의 과학전문지인 ‘Journal of Materials Chemistry A' 에 back cover 논문으로 선정 게재될 예정이다. ※ 논문명 : A monolithic and standalone solar-fuel device having comparable efficiency to photosynthesis in nature - (제 1저자) (한국과학기술연구원 청정에너지연구센터, 연합대학원 대학교) 전효상 - (교신저자) (한국과학기술연구원 청정에너지연구센터) 민병권, 황윤정 박사 <개발된 인공광합성 디바이스는 태양전지 모듈과 같이 패널형으로 제조 및 설치되어 태양빛 흡수를 원활하게 하고 대량으로 화합물을 생산할 수 있다는 것을 표현한 그림 (저널 back cover에 사용된 그림)>

바이오 플라스틱 원료인 숙신산을 미세조류에서 직접 생산할 수 있는 박테리아 세계 최초개발 - 미세조류-바이오리파이너리 기반 바이오화학/소재생산의 가능성 높여 미래창조과학부(장관 최양희)는 유전자 재조합 박테리아를 이용하여 미세조류에서 플라스틱의 원료물질인 숙신산을 직접 생산할 수 있는 통합바이오공정을 세계 최초로 개발했다고 발표했다. ※ 숙신산(Succinic acid; 호박산) : 바이오화학물질의 핵심 전구체로서, 추가 화학반응을 통해 플라스틱, 코팅소재, 합성가소제, 우레탄, 솔벤트 등에 활용 가능] 이는 지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 활용하여 기존의 석유화학기반의 플라스틱 제품을 대체할 수 있는 바이오화학 제품 생산 기반이 조성되었다는데 큰 의의가 있다. 이번 성과는 미래창조과학부 "Korea CCS 2020사업" 지원을 통해 KIST 우한민 박사(교신저자) 연구팀과 고려대 심상준 교수 연구팀이 도출한 것으로, 네이처 자매지인 사이언티픽 리포트(Scientific Reports, IF 5.078, 해당분야 상위 7.4%)에 7월24일자 온라인으로 게재되었다. * 논문명: Succinate production from CO2-grown microalgal biomass as carbon source using engineered Corynebacterium glutamicum through consolidated bioprocessing ※ MULTIDISCIPLINARY SCIENCES분야 55개 논문 중 상위 5위의 논문 이번 개발된 박테리아의 경우 미세조류 내 전분을 분해할 수 있는 아밀라아제 효소를 직접 생산하여 추가적인 당화효소 없이 고효율의 숙신산을 생산할 수 있는 것이다. 미세조류는 빛과 이산화탄소만을 이용하여 경제적으로 대량 배양이 가능하고, 보다 빠른 속도로 자라기 단순한 화학구조로 이루어져있어, 전처리 및 당화를 통한 바이오매스의 이용이 보다 용이한 장점을 갖는다. 그러나 기존 숙신산과 같은 바이오화학물질 생산을 위해 활용된목질계바이오매스는 복잡한 화학구조로 인해 전처리 및 당화 과정이 어렵고, 특히 해외독점제품인 당화효소를 사용해야 된다는 한계를 갖고 있었다. ** 목질계바이오매스는, 셀룰로오스, 헤미셀롤로오스, 리그닌이 복합적으로 얽혀있는 바이오매스로써, 재생가능한 바이오매스로 연구되고 있음 본 연구에 사용된 박테리아는 바이오화학, 식품 등의 산업에서 아미노산, 헥산 등을 생산하는데 실제 활용되고 있는 코리네박테리움 글루타미쿰 균주(Corynebacterium glutamicum)를 개량한 것으로, 기존사업에 쉽게 적용되어 사업화 될 수 있을 것으로 기대된다. 바이오플라스틱 시장이 연간 5조원까지 확대될 것으로 예상(‘18년 기준, The Freedonia Group)되는 가운데 관련 기업들이 해당 시장을 점유하기 위해 주력하고 있으므로, 관련 기업으로의 기술이전 및 사업화가 가능할 것으로 기대된다. 아울러 이번 연구성과는 바이오 플라스틱 뿐만아니라 코팅소재, 합성가소제, 우레탄, 솔벤트 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 우한민 박사는 “이번 연구결과를 통해 화석연료의 고갈 및 기후변화에 대응하는 지속가능한 차세대바이오매스 녹조를 활용할 수 있는 바이오리파이너리* 기술의 새로운 돌파구를 제시하였다”고 밝혔다. * 오일리파이너리와 대응되는 용어로써, 바이오매스로부터 바이오기술을 통하여 다양한 화학제품을 생산할 수 있는 기술 ○ 연구진 KIST 우한민 박사 ○ 용어설명 1. 차세대 바이오매스 (Advanced Biomass) - 기존의 바이오매스는 전분계 바이오매스로써 옥수수나 사탕수수를 바이오매스의 원료로 사용하였다. 차세대 비식용 바이오매스의 경우, 초본계 바이오매스 (거대 억새, 잡초 등), 목질계 바이오매스 (폐목제 등), 거대조류 바이오매스 (우뭇가사리, 다시마 등), 또는 미세조류 (녹조 등)를 이용하는 연구가 활발하다. 2. 녹조: 미세조류 (Microalgae) - 미세조류는 이산화탄소를 독립영양원으로 성장하는 미생물로서, 대체에너지를 확보를 위한 미래 청정에너지 및 산업소재의 자원으로 주목받고 있음. 광합성과 이산화탄소만을 이용한 세포 성장이 가능하며, 클라미도모나스 (Chlamydomonas reinhardtii) 균주에 대한 많은 연구가 진행되고 있음. 최근에는 바이오디젤생산을 위한 세포내 지질을 다량 함유하는 미세조류 종을 찾는 연구가 활발함. 3. 산업균주 코리네박테리움 글루타미쿰 (Corynebacterium glutamicum) - 가축사료나 식품첨가물로 사용되는 바이오 아미노산을 생산하는 미생물(세균)로써, 현재 CJ제일제당이나 대상과 같은 기업에서 산업균주를 이용하여 발효를 통한 화합물을 생산함. 세포내 대사회로를 인위적으로 조절하여, 유용한 물질을 많이 생산하도록 유전적으로 조작하는 대사공학의 기법의 발달을 통하여, 아미노산이외에 플라스틱 및 수송용연료를 대체하는 연구가 활발히 진행되고 있음. 4. 숙신산 (호박산, Succinic acid) - 호박산으로도 불리는 숙신산은 C4-디카복실산으로 바이오화학물질의 핵심 전구체로서, 플라스틱, 코팅소재, 합성가소제, 우레탄, 솔벤트 등의 원료로 사용이 되며 화학, 식품, 제약업계 등에 널리 활용할 수 있을 것으로 기대됨. 특히, 1,4-부탄다이올 (1,4-Butanediol)과 같이 중합하여 폴리부틸렌숙시네이트 (Polybutylene succinate, PBS)라고 불리는 열적특성이 높은 플라스틱의 원료물질로 사용됨. 5. 통합바이오공정 (Consolidated Bioprocessing) - 전분이나 셀룰로오즈와 같은 폴리머성 바이오매스를 생분해할 때, 추가효소를 투입하지 않고, 미생물 스스로 해당 효소를 생산, 분비, 당화하는 미생물을 이용한 바이오공정. ○ 그림설명 <그림 1> 고농도 이산화탄소배양을 통한 클라미도모나스 균주의 세포성장과 전분을 포함하는 탄수화물을 세포내에 축적하고, 간단한 전처리를 통하여, 숙신산 생산 산업균주의 세포성장 및 숙신산 생산이 가능하였다. 특히, 합성생물학과 대사공학기법을 이용하여 개발된 산업균주는 추가효소 없이, 미생물 자체적으로 분해효소를 생산, 공급하는 통합공정미생물로써, 혁신적으로 숙신산 생산 수율을 증대시킬 수 있었다. <그림 2> 기본 산업균주의 개량을 통해서, 전분을 먹지 못하는 산업균주 (좌측)을 합성생물학 기법을 이용한 균주 개량을 통해서, 단시간 내에 전분을 분해, 대사할 수 있도록 개발하였으며, 이는 추가효소가 필요 없는 균주로써 통합공정의 기분 균주로 개발되었다. <그림 3> 호기조건에서 숙신산을 생산할 수 있는 산업균주에 단시간 내에 전분을 분해, 대사할 수 있는 숙신산 생산 통합균주를 개발하였다. 기존의 숙신산 균주 (좌측)은 총 슈가 (Sugar, 발효당)의 50% 정도만 소비하는 데 비해, 통합숙신산 균주는 총 슈가의 90%이상을 소비할 수 있으며, 그 수율 또한 2배 이상 증가함을 보였다.

레고처럼 자유롭게 나노물질 제조한다 - KIST, 주형틀이 필요없는 자유롭게 조립 가능한 다차원 나노물질 제조기술 개발 - 불순물 제거하는 세정공정 없어 환경오염 가능성 '제로' 국내연구진이 기존에 비해 쉽고 경제적이며 친환경적인 나노물질 제조공정을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 청정에너지연구센터 김상우 박사와 특성분석센터 안재평 박사는 8일, 공동연구를 통해 레고 블럭을 조립하듯이 나노입자를 자유롭게 활용하여 다차원 반도체 나노물질(나노입자, 나노시트, 나노선)을 제조할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 세계적 권위의 과학전문지 네이처(Nature)의 자매지인 ‘Scientific Reports’ 최신호(4월)에 5일 게재되었다. 나노입자, 나노선, 나노시트와 같은 다차원 반도체 나노물질은 촉매, 반도체, 나노소자, 센서, 태양전지 등 산업계 전반에 폭넓게 활용되고 있다. 하지만 기존 공정에는 다차원 나노물질을 합성하는 과정에서 주형(템플레이트)이나 금속 성장촉진제와 같은 불순물이 사용되기 때문에 이를 제거하는 공정이 추가로 요구되어 복잡하고 비경제적이었다. 이러한 문제점으로 인해 학계에서는 불순물을 사용하지 않고 다차원 나노물질을 만들 수 있는 방법에 대한 연구의 필요성이 제기되어왔다. 이에 KIST 공동연구팀은 주형이나 성장촉진제를 사용하지 않고 초임계유체기술을 이용하여 가돌륨(Gd)과 세륨(Ce)을 초임계 이산화탄소-에탄올 혼합유체 안에서 반응시켜 나노결정의 핵입자를 마치 레고 블럭과 같이 하나 하나 합쳐 고차원의 형태로 제조하거나 다시 저차원의 형태로 분해시킬 수 있는 기술을 개발했다. 향후 이 기술을 이용하면 다양한 물질계에서 나노와이어, 나노시트 등의 다차원 나노물질을 레고 블럭과 같이 마음대로 조립하여 만들 수 있을 것으로 기대된다. 특히 이 기술은 기존의 나노물질 제조 기술로는 구현하기 어려웠던 불순물 없는 다차원 나노물질을 쉽게 제조할 수 있는 장점이 있다. 따라서 환경오염을 유발하는 고순도화 세정공정 없이 고순도 반도체 나노물질을 보다 손쉽게 제조할 수 있게 되었다. 또한, 다차원 나노물질의 미세분석을 통해 생성과 성장에 관한 메커니즘을 체계적으로 밝힘으로써 초임계유체 공정을 이용한 나노물질 제어의 가능성을 제시, 본 연구의 학술적 가치를 높이는데 기여하였다. 안재평 박사는 “이번에 게재된 논문에 다차원 나노물질을 제조하는 온도-압력 지도와 실험방법을 공개했다” 며 “더 많은 연구자들이 이 기술을 활용해 우리나라 미래소재산업의 발전에 기여할 수 있기를 기대한다” 고 말했다. 이번 연구는 KIST 및 미래창조과학부의 연구비 지원으로 수행되었다. ○ 연구진 ○그림설명 <그림 1> 본 연구를 통하여 개발된 초임계 유체 내에서 형성되는 Gd-CeO2 나노물질을 보여주며 그 형태는 P-T 맵과 같이 온도와 압력이 변화됨에 따라 3구역으로 구분된다. 각 구역에 따라서 나노입자, 나노리본, 나노선 등 다양한 크기와 형태를 갖는 나노물질이 제조된다. <그림 2> 나노물질은 온도와 압력에 따라서 나노입자, 나노 응집체, 나노선 형태로 변화될 수 있다. 이것을 지배하는 에너지는 초임계유체의 표면에너지와 초임계 CO2의 물질에 대한 투과력의 균형관계이다.본 연구에서는 이들 물질이 공정변수에 의해 매우 정밀하게 제어되었으며 나노물질의 형태는 공정에 따라서 가역적으로 변화된다.