채소만 먹는 어린이가 고(高) 콜레스테롤? 8개월간 걸린 진단 하루만에 - 혈액 한방울로 식물성 스테롤 희귀질환 진단 기술 개발 - 해외에서 8개월 걸리던 검사, 국내 기술로 24시간만에 진단 흔히 성인병으로 알고 있는 대표적인 만성대사질환인 동맥경화나 고지혈증이 6세 아이에게서 발병한다면, 의사나 부모 모두 당황할 것이다. 이러한 질병들은 주로 혈액내의 콜레스테롤이 지나치게 많아서 발생하기 때문에 콜레스테롤 수치를 낮추는 약물 치료와 콜레스테롤 함량이 높은 음식을 대체하는 식물성 식이 치료를 병행하는 것이 보통이다. 하지만 약효가 없고 아이의 상태는 점점 나빠진다. 설상가상으로 병의 진단을 위해 외국에 검사를 의뢰해야 하고, 8개월이라는 시간을 기다려야 결과를 알 수 있다. 국내 연구진이 이러한 희귀한 식물성 스테로이드 대사이상 환자의 진단 기간을 24시간으로 단축시킨 기술을 개발했다. 검사에 필요한 혈액의 양도 한 방울이면 충분해서 어린 아이뿐아니라 신생아에게도 손쉽게 검사할 수 있는 길이 열렸다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 분자인식연구센터 최만호 박사와 CHA의과학대학교 분당차병원(원장 지훈상) 소아청소년과 유은경 교수 공동 연구팀은 혈액 한 방울을 이용하여 식물성 스테롤 대사이상 질환을 고콜레스테롤혈증과 죽상동맥경화로부터 차별화 될 수 있는 간편하고 정확한 진단 기술을 개발하였다. 해당 기술은, 한국 및 미국 내 특허출원이 완료되었으며, 국내 최초로 진단된 임상환자 증례는 임상내분비학 분야의 세계적인 저널 ‘Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism’ 5월호에 ‘Sitosterolemia Presenting With Severe Hypercholesterolemia and Intertriginous Xanthomas in a Breastfed Infant: Case Report and Brief Review‘라는 제목으로 게재되었다. 동물성 콜레스테롤과 달리 식물성 스테롤은 우리 몸에서 거의 흡수되지 않고 배설된다. 하지만 식물성 스테롤 대사이상 질환 환자들의 경우에는 식물성 스테롤이 배설되지 않고 체내에 흡수된다. 문제는 두 스테롤의 구조가 매우 유사하기 때문에 현재의 혈액 내 총콜레스테롤 측정기술로는 고콜레스테롤혈증 또는 죽상동맥경화로 오진하는 경우가 자주 발생한다는 것. 이런 환자들에게 고콜레스테롤 환자와 같은 치료가 실시되면 약물의 약효가 없을 뿐만 아니라, 식물성 스테롤 식이요법으로 인해 몸 속 스테롤 수치가 증가하게 되어 증상이 더 심해질 수 있다. 그러나 식물성 스테롤을 판별하기는 쉽지 않다. 다양한 형태로 체내에 존재하는 스테롤들을 구분하여 분석하기 위해서는 각각의 스테롤 구조를 명확하게 파악할 수 있는 분석기술이 있어야 하고, 스테롤 대사과정에 대한 이해도가 있어야 한다. 때문에 그동안 미국에서도 스테롤 관련 연구를 하는 소수의 그룹만이 명확히 질병을 진단할 수 있었고, 혈액을 미국으로 송부하고 결과를 전송하는 데 약 8개월이라는 시간이 필요했다. 연구팀은 환자들의 식물성 스테롤과 콜레스테롤의 개별 농도를 분석한 결과, 정상인에 비해 대표적인 식물성 스테롤인 시토스테롤, 캄페스테롤, 스티그마스테롤의 비율이 10~20배 이상 현저히 높게 나타나는 것을 확인했다. 이를 통해 환자들이 시토스테롤레미니아, 즉 식물성 스테롤 대사이상 질환 환자임을 정확하게 진단할 수 있었다. 병원으로부터 운송된 혈액이 묻어있는 진단지로부터 화합물을 추출 및 정제하고, 질량분석법을 통해 개별 농도를 분석하는데 걸린 시간은 24시간. 국내 유일의 스테롤 분석에 대한 시스템이 있기에 가능한 일이었다. 해당 분석 기술은, 혈액 한 방울로부터 20가지 이상의 콜레스테롤 대사물질들을 동시에 확인할 수 있다. 콜레스테롤은 뇌, 신경계에 많이 분포하며 호르몬 합성 등에 사용되기 때문에 콜레스테롤에 관한 연구는 신체 대사와 관련되는 모든 질환 및 생애 전주기적 질환극복을 위한 모니터링 기술로 활용이 가능하다. 진단에 쓰이는 장비들과 시료채취방법은 이미 많은 병원이나 연구소에서 쓰이고 있어, 사회적인 추가 비용도 적다. 그러나 기술이 실질적인 임상진단에 적용되기 위해서는 해당 기술을 통하여 병원에서 정상인들의 스테롤 기준 값이 명확히 설정될 필요가 있다. 이는 후속 연구를 통해 밝힐 수 있을 것이다. KIST 최만호 박사는 ”식물성 스테롤 대사이상 질환은 그동안 진단이 어려워 희귀 질환으로 인식된 면이 크다고 생각한다. 그러나 빠르고 정확한 방법으로 혈액 내 스테롤 농도를 측정하게 되면 더 많은 환자 파악이 가능하며, 이에 맞는 치료법 개발에도 도움이 될 것으로 보인다“고 말했다. 그는 또한 ”본 연구는 KIST의 연구 개발 방향인 사회 문제 해결을 위한 연구와도 방향을 같이 하는 것“이라 밝혔다 ○ 그림설명 <그림 1> 콜레스테롤 및 3가지 대표적인 식물성 스테롤 구조, 구조가 비슷해 차이를 분석하기 쉽지 않다. <그림 2> 콜레스테롤 대사이상 검사 방법 <그림 3> 환자군과 정상군의 한 방울의 혈액으로부터 측정된 콜레스테롤 및 식물성 스테롤의 대사비율 평가 결과 - 환자군은 정상군에 비해 콜레스테롤에 대한 시토스테롤(A), 캄페스테롤(B) 및 스티그마스테롤(C)의 비율이 현저하게 높은 것을 확인 할 수 있음.

3D 프린터를 이용한 점자 및 촉각 형상 제작 기술, 이제 시각장애인들의 교육 속으로! - 크기, 형태, 색깔을 올록볼록 다양하게, 3D 프린터로 촉각형상 제작 - 평면적인 교과서 그림 입체화되어 시각장애인용 교육 자료로 활용 - 표면 처리로 친환경, 튼튼한 제작물 제작 점자(點字)는 솟아있는 점으로 만든 글자로 시각장애인들이 촉각을 통해 정보를 습득할 수 있게 도와주는 수단이다. 최근 점자 프린터 등의 개발로 시각장애인들의 편의성이 높아졌지만 책자의 부피나 내구성 등 해결할 문제가 많다. 또한 점자책 외에 시각장애인들이 사용할 수 있는 제작물 종류가 많지 않다는 점도 문제이다. 생산기술의 혁명이라고 일컬어지는 3D 프린팅 기법과 3차원 표면 열처리 기술을 결합하여 쉽고 빠르게 시각장애인을 위한 촉각 제작물을 만들 수 있는 기술이 개발되었다. 기술을 활용하면 점자책 뿐 아니라, 점자 그림책, 교육도구 등 다양한 제작물을 만들 수 있고, 색깔과 높이를 자유자재로 조절 할 수 있다. UV 코팅과 같은 화학처리 공정이 없어 인체에도 무해하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 다원물질융합연구소 문명운 박사 연구팀은 ‘재료를 적층해 원하는 물질을 만드는 3D 프린팅 기법과 3차원 열처리 기술을 결합하여 선, 곡면 등 다양한 형상과 높이가 가능한 3차원 촉각 제작물을 만들었다. 연구팀은 제작물의 내구성과 접착력을 강화하기 위해 열처리 기법을 표면에 도입했다. 개발된 연구 성과는 국내특허로 출원되었다. 현재 시각 장애인들을 위한 제작물은 종이에 점을 찍어 글로 표현한 점자문서나 책이 대부분이다. 사과, 나무 등 기초적인 사물의 외곽선을 점자의 솟아있는 점을 이용하여 종이에 표현한 그림책이나 지하철이나 관공서 안내판 위에 찍은 점자들은 있지만 판별이 어려울 뿐만 아니라 복잡한 지도의 등고선이나 형태가 복잡한 지진발생과정과 같은 교육 자료를 만들기는 어려웠다. 연구팀은 3D 프린터 기법 중 3차원의 모델 자료를 기반으로 필라멘트를 한층 한층 쌓아 올리는 적층가공 기법을 이용했다. 이 기법은 컴퓨터지원설계(Computer Aided Drawing, CAD) 데이터를 활용하여 짧은 시간에 저렴한 가격으로 복잡한 3차원 형상의 축소된 모델이나 시제품을 제작하는 것이 가능하다 (그림 1a 참고). 이러한 방식은 최종 제작물의 재료가 되는 필라멘트를 적층하는 횟수를 조절하여 제작물의 크기와 모양, 두께를 쉽게 조절할 수 있다. 이렇게 만들어진 제작물은 글자위주였던 점자 문서 안에서 표나 그림을 다양하게 표현할 수 있어 시각장애인들이 내용을 쉽게 이해할 수 있게 되었고, 필라멘트의 색깔을 달리하면 3차원 입체 구조물을 다양한 색깔로 바꿀 수 있기 때문에 (그림 1b 참고) 산의 모양이나 지도의 등고선 등 복잡한 구조를 실제 색깔과 유사하게 만들 수 있다. 뿐만 아니라 몇 달이 걸리는 제작시간을 몇 시간으로 단축할 수 있어 교육현장의 수요를 빨리 반영할 수 있다는 장점도 있다. 시각 장애인을 위한 촉각 제작물은 대부분의 정보 습득이 손의 감각으로 이루어지기 때문에 인체에 무해해야 하고, 내구성을 확보하는 것이 관건이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 촉각 제작물 제작 후 표면을 Thermal Flow 방식으로 처리하는 방법을 선택했다. 160도 이상의 열로 표면을 처리하게 되면 고체화된 필라멘트가 녹으면서 표면의 미세 구조 내로 스며들어 제작물 사이에 접착력이 향상된다 (그림 2 참고). 표면 처리한 제작물은 플라스틱 소재여서 기존 종이 재료보다 재료 자체의 내구성이 높아졌을 뿐 아니라, 외부 충격에 대한 내구성 또한 향상되었다.(그림 3 참고). 이러한 열처리 기법은 3D 프린터 적층 제작시 발생하는 경계면에 의한 표면 거칠기 또한 완화시킬 수 있어 매끄러운 표면 처리공정도 가능하다. 본 연구는 표면처리 기술을 통한 점자와 표면과의 접착력의 제어가 가능하기 때문에 종이뿐만 아니라, 플라스틱, 금속, 세라믹 등 다양한 소재로 이루어진 표면에 적용가능하다. 또한 3D 프린터를 이용하므로 시각장애 학생들이 쉽게 만져서 알 수 있는 우리나라 지도나 동식물의 성장 과정 모델 등의 학습자료를 만들 수 있다. 또한 이날 다원물질융합연구소(소장 이광렬)와 서울 맹학교(교장 이유훈)는 3D 프린팅 기술을 이용하여 시각 장애 학생들이 사용할 수 있는 입체 학습 자료 개발에 협력하기로 하였으며 이를 위한 공동연구 양해 각서를 체결하였다. KIST 다원물질융합연구소 이광렬 소장은 “개발된 자료는 시각 장애인들의 교육과 생활의 질을 향상하기 위해 개발되었지만, 색깔과 형태가 다양해 비장애인 학생의 교육에도 활용될 수 있을 것이라 기대된다”며, “장애인의 교육과 행복을 위한 따뜻한 R&D를 위해 더욱 노력하겠다”고 밝혔다. <추가 설명> ** 3D 프린팅 기법 : 최근에 사용되고 있는 3D 프린터 방식 중에서 FDM 프린팅 기법을 사용하며 이 방식은 열가소성 필라멘트를 순간적으로 가열하여 노즐 장치에 의해 압출시킨 후 얇게 쌓아 올리는 방식으로 견고하고 열적으로 안정적인 결과물을 출력할 수 있다. 이러한 이점들 때문에 건축, 자동차 및 산업용 부품 소재, 의류에 이르기까지 매우 다양한 분야에서 광범위하게 사용되고 있다. ** Thermal reflow 방식 : 3D 프린팅 기법에 의해 출력된 제작물에 열이 가해지면 열판의 온도가 열가소성 필라멘트의 용융점에 도달하게 되어 분자간 결합이 느슨해지고 점성이 낮아져 다시 재용융된다. 이러한 과정에서 적층된 형상 내의 표면에너지를 축소화하려는 표면장력에 의해 표면이 리플로우 (reflow) 되어 매끄러워지는 효과를 얻을 수 있다. 또한 재융용되는 동안 접촉하고 있는 기판의 빈 공간 내에 필라멘트가 스며들어 완벽하게 접착될 수 있다. <그림 설명> <그림 1> (a) FDM 3D 프린팅 기법의 장치에 대한 도식도, (b) 프린팅 기법에 의해 제작된 사과 모양의 3차원 촉각 형상과 사과 내부에 점자 영문 표기법에 따라 APPLE을 점자 규격에 맞춰 점자로 제작한 촉각 패턴을 보여주는 이미지이다. <그림 2> Thermal reflow 처리 전 종이 기판에서 탈착된 점자 형상의 뒷면 이미지 (a,b)와 탈착된 자리를 보여주는 종이 기판 이미지 (c,d); Thermal reflow 처리 전에는 필라멘트와 종이 사이의 부분적인 접착으로 인해 외부 압력에 의해 점자 형상이 쉽게 탈착되었으며 점자 형상의 뒷면에 종이를 구성하고 있는 셀룰로우즈에 의해 형성된 눌린 자국만이 남아 있음을 확인하였다. Thermal reflow 처리 후에 해당되는 점자 형상 뒷면 이미지 (e,f)와 종이 기판 이미지 (g,h); 처리 후에는 재용융되는 동안 필라멘트가 셀룰로우즈 구조 내의 빈 공간으로 스며들어 접착력이 강해져서 인위적인 탈착시 셀룰로우즈가 함께 뜯겨졌음을 점자 형상 뒷면 이미지를 통해 볼 수 있고, 종이 기판에서도 뜯겨진 자국이 확연하게 들어났다. <그림 3> (a-c) 기존의 천공방식과 (d-f) 본 발명에 의해 제작된 점자 형상의 내구성 테스트를 통해 변화된 결과를 비교한 이미지. 내구성 테스트는 5 N의 무게를 지닌 쇠구슬을 패턴 형상 위에서 100 mm/s의 속력으로 12.5 m 돌려 측정 전(a,d)과 측정 후(b,e)의 이미지를 비교하였다. 천공방식에 의해 제작된 점자는 형상이 쉽게 눌려 찌그러지는 반면, 3D 프린팅 기법과 thermal reflow 처리를 통해 제작된 점자는 형상 변화가 없이 강한 내구성을 보였다. <그림 4> 제작물 샘플

내 컴퓨터 속 똑똑한 실험실 - 실험과 컴퓨터 시뮬레이션의 협력연구를 통해 미래 연구 방향 제시 - 30일 소요되는 실험 36분만에 구현, 저비용 고성능 신소재 개발 성공 2013년 노벨화학상은 전통 화학자가 아닌 계산 화학자 3명에게 돌아갔다. 이들은 실험실이 아닌 컴퓨터를 이용해 복잡한 화학반응을 시뮬레이션으로 분석하는 연구법을 개발하였고, 이들의 공로가 화학 발전에 기여하였음이 인정되었다. 과학계에서 가장 권위 있는 상으로 인식되는 노벨상 수상에서 보듯, 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 연구는 실제 실험만큼 중요해지고 있다. 하지만 이런 컴퓨터 시뮬레이션은 만개 이하의 원자로 구성된 작은 물질에만 사용할 수 있기 때문에 주로 무기물이나 작은 유기물 소재 연구에만 사용되었다. 이러한 한계를 극복하고, 수백만 개의 원자로 이루어진 유기물과 무기물 합성소재 연구에 컴퓨터 시뮬레이션을 활용한 연구팀이 있어 화제가 되고 있다. 시뮬레이션을 이용한 예측은 실제 실험 결과와 놀랍도록 유사함을 보여주었다. 한국과학기술연구원(KIST) 다원물질융합연구소(소장 이광렬) 계산과학연구단 허가현 박사와 미국 코넬대(Cornell) 재료공학과 Ulrich Wiesner(비즈너) 교수는 저비용으로 새로운 나노소재 제조방법을 개발하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램을 개발했다. 프로그램은 소재의 구조를 빠르고 정확하게 예측했고, 실험으로는 알기 어려운 구조 형성의 원리를 밝혔다. 연구팀은 이렇게 밝혀진 소재 제작 방법을 실제 실험으로 구현한 결과 새로운 형태의 나노입자 기반 소재를 만들 수 있었다. 본 연구는 국제학술지인 ‘Nature Communications’ 2월 21일자에 게재되었다. (논문명 : Linking experiment and theory for three-dimensional networked binary metal nanoparticle？triblock terpolymer superstructures) 자연계의 많은 물질들은 외부의 특별한 도움이나 간섭 없이 스스로 구조를 만든다. 예를 들어 우리 몸을 구성하고 있는 단백질은 긴 실과 같은 형태의 분자로 나일론이나 폴리에스터와 같은 고분자의 일종이지만 스스로 조립하여 다양한 구조를 만들고 단백질의 역할을 하게 된다. 이러한 현상을 자기조립 (Self-Assembly)이라고 하는데, 이는 지구상의 생명체가 존재하고 살아갈 수 있게 하는 기본 원리라고 할 수 있다. 과학자들은 새로운 소재를 개발하기 위해 위에 언급한 분자들의 자기조립 특성을 이용하고 있다. 연구진은 물을 좋아하는 특성을 지닌 부분과 물을 싫어하는 특성을 지닌 부분이 공존하는 고분자(블록 공중합체)에 나노크기의 금속입자를 섞어 자기조립을 통해 새로운 나노소재를 만드는 연구를 시뮬레이션했다. 이러한 자기조립 과정은 분자간의 매우 복잡한 물리화학적 작용을 하면서 새로운 구조를 형성한다. 기존의 실험은 여러 실험 조건들을 많은 시행착오를 거쳐 찾아 내야하기 때문에 오랜 시간과 노동력이 요구된다. 연구진이 개발한 컴퓨터 시뮬레이션 방법은 소재의 구조를 컴퓨터 계산을 통해 빠르고 정확하게 예측했다. 그리고 실험으로는 알아내기 어려운 구조의 구성 원리가 무엇인지를 밝혀냈다. 이는 기존 실험으로는 30일 이상 걸리는 작업을 수분 만에 구현한 것으로 소재개발 비용을 수백 배로 줄인 효과를 거둔 셈이다. 컴퓨터는 더 나아가 새로운 형태의 나노 소재를 만드는 방법을 제시하였다. 연구팀은 제시된 방법을 이용하여 실험에 착수했고, 새로운 소재를 성공적으로 만들어 냈다. 만들어진 소재는 매우 넓은 표면 면적을 지닌 다공성 금속소재로 우수한 촉매특성과 높은 전기전도도를 가지고 있다. 이러한 자기조립 기반의 나노소재 제조방식은 향후 촉매 개발 및 다양한 전자소재로 이용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 저온 공정을 기본으로 한 제작방법을 활용하여 향후 3D 프린팅과의 결합이 용이할 것이고 이를 통한 혁신적인 다층소재 개발에도 유용하게 쓰일 전망이다. 본 연구는 미국의 ‘The Materials Genome Initiative’나 현재 미래창조과학부에서 기획 중인 ‘창의소재 디스커버리 사업’과 같은, 실험과 컴퓨터 시뮬레이션의 협력 연구를 통해 기존 연구의 한계를 돌파하고자하는, 대형 프로젝트들의 연장선에 있는 연구로 미래 연구의 방향을 제시했다는 점에서 의미를 가질 수 있다. KIST 허가현 박사 ○ 그림자료 <그림1> 고분자(a)와 나노입자(b)를 용매에 간단하게 섞어 넓은 범위를 도포한 후 용매를 건조시키면 자기조립을 하면서 잘 정렬된 나노소재가 만들어 진다. <그림2/동영상> 컴퓨터시뮬레이션 과정에 따라 변화되는 나노소재의 모습을 시간에 따라 보여주고 있다. 본 그림에 사용된 컴퓨터는 가정용컴퓨터 수준이며 약 36분정도면 구조를 예측할 수 있다. 동일한 과정을 실험으로 수행 하려면 약 한달 정도의 시간 소요된다. <그림3> Experiment(실험)과 Simulation(컴퓨터 시뮬레이션)의 나노입자 분포를 정량적으로 비교해보면 놀라운 정확도를 보여주고 있다.

KIST 개발 저온탈질촉매, 세계시장 주도 기대 - 출연연 물질 특허 개발, 중소기업-대기업 상용화 협력의 본보기 - 원가 절감, 친환경 탈질촉매로 가격·성능·내구성 3가지 경쟁력 확보 대기오염의 주범인 질소산화물. 이 질소산화물 처리를 위해서는 제철소 배연가스 소결로에 촉매를 장착하여 유해물질을 제거하는 기술이 필요하다. 가격을 획기적으로 낮추면서도 효율과 내구성을 높인 촉매기술이 국내 연구진에 의해 개발되어 외국제품에 의존했던 촉매의 국산화에 성공했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 다원물질융합연구소 하헌필 박사팀은 고가의 텅스텐 등 희소금속을 사용하지 않는 대신 가격이 싼 비전이(非轉移)금속 조촉매를 사용하여 친환경적인 탈질촉매(질소산화물 환원촉매)를 개발했다고 밝혔다. * 비전이 금속계 : 주기율표상 15, 16족에 분포하는 금속군으로 일반금속과는 다른 전자구조를 가지는 물질 질소산화물은 연료의 연소과정에서 필연적으로 생성되어 산성비, 온실가스형성 등 대기오염의 주범으로 지목되고 있다. 최근에는 질소산화물의 배출규제가 엄격해지고 배출가스의 처리환경이 까다로워져 탈질촉매 기술 개발이 활발히 이루어지고 있다. 현재 세계적으로 탈질촉매는 주로 타이타니아 위에 바나듐을 첨가하여 활성물질로 사용한다. 철 제조 공정 중 가장 오염물질 배출이 많은 소결로*는 촉매의 작동온도가 250정도의 저온이므로 촉매의 내구성이 쉽게 저하된다. 이러한 환경에서 촉매 내구성 증진을 위해 현재까지는 값비싼 텅스텐이나 몰리브덴과 같은 희소금속을 다량 첨가한 외국산 촉매를 사용하여왔다. 개발된 촉매는 비전이 금속 조촉매를 소량 첨가하고, 가격이 희소금속에 비하여 저렴하여, 최종 촉매가격이 기존 촉매보다 30%이상 원가가 저렴하다. 또한 낮은 온도영역에서 높은 촉매활성이 입증되어 외국의 촉매보다 가격·성능·내구성 면에서 모두 높은 경쟁력을 가진 세계시장을 주도하는 제품이 될 것으로 기대된다. * 제철소 소결로 : 철 제조를 위해서 철광석을 용광로에 주입하기 전에 전처리 (소결) 시켜주는 공정 하헌필 박사팀은 촉매의 작동과정을 모델링하고 물질 구성의 기본 요소인 전자와 원자핵의 양자적 상호작용을 계산하여 물질을 설계하는 양자화학 계산을 통하여 기존에 사용하지 않던 저가의 비전이 금속계에서 저온 촉매성능을 높일 수 있는 조촉매 물질을 발견하고, 물질특허를 획득하였다. 개발된 촉매는 비전이 금속 조촉매를 소량만 첨가하여도 모든 촉매특성이 기존 상용되는 촉매에 비하여 우수하다는 것을 확인하였다. KIST는 이 기술을 강릉산업과학단지 소재 탈질촉매 전문제조회사인 ㈜대영씨엔이(사장 노세윤)에 이전하였고, ㈜대영씨엔이는 이전된 물질특허를 기반으로 POSCO와 함께 중소기업청 구매조건부사업을 통하여 POSCO 소결로 배연가스 처리용 탈질촉매모듈 개발을 목표로 상용화연구를 수행하였다. 상용화한 촉매모듈을 기존 촉매 중 가장 우수한 성능의 상용 촉매모듈과 함께 POSCO의 소결로 배연가스 처리장치내에 장착하여 비교 시험하였고, 개발된 촉매가 6개월간의 가동후에도 저온영역에서 95%이상의 활성을 지속적으로 유지할 뿐만 아니라 내구성이 우수함을 확인하였다. 본 촉매는 POSCO 소결로에 장착하여 올해 말부터 사용할 예정이다. 하헌필 박사는 “이번 촉매개발은 출연연에서 물질특허를 확보하여 중소기업에 이전하고 중소기업은 이를 기반으로 부품소재로의 상용화기술을 개발하여 대기업에서 이를 채택 사용한 사례로, 고가의 외국산 촉매를 대체한다는 데 의미가 크다. 또한 출연연-중소기업-대기업이 선순환 구조를 통하여 상생 협력하여 결과를 낸 좋은 본보기가 되었다”고 말했다. 또한, “본 물질의 설계과정에서 축적된 노하우를 바탕으로 극저온 및 고온영역에서도 작동할 수 있는 환경촉매개발이 진행 중인데 이는 수조원 이상의 시장이 기대되는 이 분야 연구에서 세계적 선도 역할을 할 수 있게 되었다”고 말했다. 이번 연구성과는 KIST 기관고유사업 및 중소기업청 구매조건부사업을 통해 수행되었으며, 한국, 중국, 유럽에 특허 등록 및 출원되었다. ○ 연구진 <(주) 대영씨엔이 노세윤 사장> ○ 그림설명 <그림1> 촉매의 작동과정 유해물질인 질소산화물이 환원제와 함께 촉매가 코팅된 모듈을 통과하면 인체에 무해한 질소 및 물로 변환된다. <그림2> (주) 대영씨엔이에서 제조한 촉매모듈 및 POSCO 광양 소결로 배연장치내

바이오 연료를 위한 기름/알코올 분리! 불소가 해결 - 상온에서 쉽게 만드는 초발수성 탄소나노입자 기반 스펀지 구조체 개발 - 불소 도핑으로 물, 알코올 등 특정 액체에서 기름만 분리, 바이오 연료 개발 활용 젖지 않는 옷, 물속에서 작동하는 스마트폰, 스스로 청소하는 창문 등 물을 싫어하거나 밀어내는 성질인 발수 특성은 현대 생활 속에서 광범위하게 활용되고 있다. 이러한 물질은 물은 밀어내지만 기름은 빨아들여 물에서 기름을 흡착하는 용도로 쓰인다. 그러나 기름과 알코올은 분리하지 못해 추가적 용도로 사용에는 한계가 있었다. 이와 같은 초발수성 물질은 제작 공정이 복잡하고, 기능유지가 쉽지 않았다. 표면에 복잡한 고온 공정을 통해 구조를 형성하고 그 위에 테프론(Teflon)이나 왁스(wax)와 같은 물질을 코팅하는 2단계 공정을 거쳐야만 초발수성 물질을 얻을 수 있고, 이렇게 제조된 물질은 시간이 지나면 초발수성이 약해지거나, 해수 담수화 필터, 기름 흡착포와 같이 구조체 내부로 유체를 흡수시켜야 하는 3차원 구조체로의 적용은 어려웠다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 다원물질융합연구소 문명운 박사 연구팀은 ‘상온 상태에서 쉽게 만들 수 있으면서도, 기존 제품보다 더 강한 초발수성을 가진 탄소 입자 스펀지 구조체를 만들고, 이 구조체에 불소를 도핑하여 물이나 알코올 등 특정성분을 기름에서 분리하는 기능을 추가로 개발’했다고 밝혔다. 문박사팀은 초발수성을 가지면서, 기공의 크기와 표면 에너지의 제어가 가능한 3차원 탄소 구조체를 상온에서 플라즈마 증착 방법*을 이용하여 탄소 나노입자를 차곡차곡 쌓는 형식으로 구현하였다. 이 구조체는 물을 강하게 밀어내는 성질을 가진 탄소 나노입자가 3차원 구조체를 이루고 있어서 표면 뿐만 아니라 구조체 내부까지 초발수성 특성을 가지게 된다. (그림 1 참조) 한편 본 구조체는 물에 비해서 표면에너지가 낮은 기름 등은 쉽게 흡수하는 특성을 동시에 가지기 때문에 물에서 기름을 흡수하여 분리하는데 효과적이라는 장점을 가지고 있다. 이렇게 형성된 탄소나노입자 구조체를 모아서 스펀지를 만들었을 때, 다양한 물-기름 혼합액에서 구조체 무게 대비 500% 이상의 기름을 분리할 수 있음을 밝혀냈다. 문박사는 이 외에도 이러한 구조체를 형성하는 과정에서 불소 성분이 있는 탄화불소(CF4)를 표면 및 내부에 도핑하여, 물과 기름의 분리 뿐만 아니라, 에틸렌 글리콜과 같은 알코올을 실리콘 오일(기름)로부터 쉽게 분리할 수 있음을 알아내었다. 이러한 특성은 최근 중요한 에너지 자원으로 알려진 바이오 디젤을 만드는 과정에서 기름과 알코올을 분리하는 필수 공정에 적용할 수 있다.(그림 2 참고) 저온 공정으로 개발된 본 기술은 대량생산이 용이하며, 종이, 플라스틱, 금속 표면 등에 직접 코팅하여 에너지와 환경분야에 다양하게 응용될 수 있다. 본 연구성과는 온라인으로 발행하는 네이처 자매지인 사이언티픽 리포트 (Scientific Reports) 8월 29일자 논문으로 게재되었다. ○ 추가설명 * 플라즈마 증착 방식 : 탄소가 포함된 가스에다 전기를 통하게 되면 전자를 하나 잃어, 활성도가 높아져 반응성이 높아진다. 이 중 +를 가진 탄소이온을 사용하여 탄소를 증착하는 방식 ** 본 기술의 응용분야로 오염된 바다나 강에서 기름을 제거하는 기름띠 흡착포, 녹조 필터, 오염수 정화 필터 소재 및 바닷물 담수화용 필터 등에 사용할 수 있을 것으로 보인다. 이 외에도 다공성 탄소 나노입자의 기공의 크기 및 기능성 물질의 도핑을 통하여 에너지 분야의 이차 전지, 카페시터, 연료전지 등의 전극으로 활용 가능하며, 환경 분야에서 특성 물질을 탐지할 수 있는 촉매 및 촉매 지지체, CO나 암모니아 등의 유해가스의 포집 및 변환에 응용 될수 있는 등 그 관련 분야가 매우 다양하다. ○ 연구진 <문명운 박사> ○ 그림 설명 <그림1> 다공성 탄소나노입자 구조체를 형성후 한데 모은 후 찍은 이미지-병의 지름은 2cm (a), 눌러서 팬케이크 형태의 스폰지로 만든후 찍은 이미지 (b), 물(투명)과 실리콘 오일(파랑) 혼합용액에 담궈서 실리콘 오일만 선택적으로 흡수하는 과정을 찍은 이미지(c) 다공성 탄소나노입자 구조체는 증착 속도가 같은 조건의 2차원 박막 성장 대비 400배 이상 빠르기 때문에, 증착후 한데 모아서 특정한 모양으로 만들어서 혼합용액중에 기름이나 가스와 같은 특정 성분을 선택적으로 흡수할 수 있는 기능성 나노구조체 스폰지로 활용할 수 있음 <그림2> 불소 함유 다공성 탄소나노입자 구조체 적용 거름종이 일반 거름종이의 경우 물이나 기름 등을 모두 흡수하는 성질을 가지는데 반해, 본 기술이 적용된 거름종이의 경우 물/실리콘 오일 혼합용액에서는 물(빨간색)을 남기고 실리콘 오일을 흡수하고, 알코올(에틸렌글리콜)/실리콘 오일 혼합용액에서는 에틸렌글리콜(옅은 파랑) 성분을 남기고 실리콘 오일을 흡수함. <그림3> 다공성 탄소나노입자 구조체 형성 모식도 저진공, 고압 조건의 플라즈마 내에서 탄소나노입자가 스스로 뭉치기 시작하여 원하는 물질 표면에 탄소나노입자가 구조화되어 네트웍을 형성함. 기존 구조보다 기공이 많아 내부에서도 초발수성을 가진 물질을 만들 수 있으며, 불소 도핑도 가능하다.

해수담수화, 나노기술로 한걸음 도약 - 기존 해수담수화 분리막의 성능과 내구성을 획기적으로 개선 - 나노박막 구조를 자유롭게 제어·설계할 수 있는 분리막 제조기술을 이용한 해수 담수화 분자수준에서 물질을 조립하는 나노기술을 이용하여 기존 해수 담수화 분리막의 성능과 내구성을 획기적으로 개선한 신소재가 개발되었다. 지구상에 흔히 존재하는 물. 어디서나 쉽게 볼 수 있는 물이지만, 문제는 97%이상이 인간이 마시거나 사용할 수 없는 바닷물이라는 점이다. 따라서 바닷물을 담수로 분리하기 위한 기술은 인류 역사와 더불어 발전해왔다고 해도 과언이 아니다. 이러한 해수의 다양한 이용을 위해서는 해수로부터 담수를 분리하는 막(Membrane) 개발이 필요한데, 국내연구진이 나노수준에서 분자간 반응을 제어하여 나노두께의 초고밀도 분리막을 제조함으로써, 기존의 해수 담수화 분리막의 성능과 내구성을 획기적으로 개선하였다. 우리 원 물질구조제어연구단 이정현 박사와 고려대학교 방준하 교수는 미국국립표준과학연구원(NIST)와의 공동연구를 통해 벽돌을 쌓아올려 집을 짓듯이, 쉽고 다양하게, 분자들을 나노수준에서 조립하여 고성능 해수담수화 분리막을 제조할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 ‘Molecular Layer-by-Layer Assembled Thin-Film Composite Membranes for Water Desalination’이라는 제목으로, 재료분야 세계적 권위의 과학전문지 ‘Advanced Materials' 온라인판 7월호에 게재되었다. 지난 40여년간, 해수담수화에 사용되어온 기존의 고분자 분리막 제조방법은 막의 내부구조를 조절하기 어려워 분리막의 성능(염분제거율, 수투과도: 물이 투과되는 정도) 및 내구성을 향상시키는데 한계가 있었다. 이러한 문제점으로 인해 학계에서는 분리막의 구조를 정밀 제어하여 기존의 분리막이 가지고 있던 한계를 극복하는 연구에 대한 필요성이 제기되어 왔다. 이에 공동연구팀은 분자간의 반응을 나노수준에서 제어하여 레고 블록과 같이 분자 하나 하나를 조립함으로써 균일하면서도 밀도가 높은 막의 구조를 설계할 수 있는 기술을 개발하였다. 이 기술을 이용하면 조립층 수와 분자의 종류를 조절하여 막의 두께, 구조 및 성능을 자유로이 제어할 수 있으며, 기존 해수담수화 분리막 대비 동등 이상의 염분 제거율과 함께, 수투과도를 약 82% 향상시킨 분리막을 제조할 수 있었다. 또한, 개발된 분리막은 표면이 거칠고 울퉁불퉁해 막이 쉽게 오염되었던 기존의 분리막과 달리, 편평한 표면구조를 구현하여 오염원이 쉽게 부착되지 않아 내오염성을 향상시킬 수 있었다. 나노 분리막 제조 기술은 분리막의 나노구조체를 체계적으로 제어하여 과거 규명해내지 못했던 해수담수화 분리막의 구조와 물성, 성능의 메커니즘을 규명하는데 활용되었다는 점에서 학술적 의의가 있다. 향후 이 기술을 이용하면 해수담수화의 고효율, 고성능화를 가능케함으로써 전세계 물부족 문제를 해결하는데 기여를 할 것으로 기대된다. 또한, 이 기술은 수자원 문제에만 국한되지 않고 신재생에너지 생산, 온실가스제어, 연료전지 등에 사용되는 기능성 막개발에도 활용이 가능하여 물, 환경, 에너지라는 글로벌 아젠다 해결에 광범위하게 적용될 수 있을 것으로 예상된다. 이정현 박사는 “기존 다소 엔지니어링 방식에 의존했던 분리막 연구분야에 첨단 나노기술을 도입하여 보다 과학적인 접근법으로 성능과 내구성을 획기적으로 향상시킬 수 있음을 확인하였다”며 “더 많은 나노기술 연구자들이 해수담수화 분리막 분야에 참여하여 우리나라 미래소재산업의 발전에 기여할 수 있기를 기대한다” 고 말했다. ○ 기술 참고자료 <그림1> 해수담수화 분리막의 기능을 표현하는 일러스트레이션 [기술 참고자료] 기존의 해수담수화 고분자 분리막은 섞이지 않는 용액 내에 녹아있는 2개의 유기단량체간의 계면에서의 무작위한 가교반응(IP)을 통해서 제조되어, 복잡한 구조의 분리막이 만들어졌을 뿐만 아니라, 막의 내부구조를 제어하기가 매우 어려웠다. <그림 1b 참조> 본 연구에서 개발된 기술은 2개의 유기단량체간의 가교반응을 분자수준에서 제어하고 교차로 반복조립(molecular Layer-by-Layer: mLbL)함으로써 구조제어가 용이한 초고밀도의 나노박막 분리막을 제조하는 기술이다. <그림 1a 참조> 이 기술은 조립층 수를 조절하여 기존 분리막 제조기술로는 불가능한 분리막의 두께 및 성능을 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 빌딩블록으로 사용되는 유기단량체 분자의 종류와 조립위치를 자유로이 조절가능하여 다양한 물리화학적 구조를 갖는 나노박막 구조체를 설계할 수 있다. 이 기술을 이용하여 기존 해수담수화 분리막의 대비 염분 제거 성능을 동등 이상 유지하면서도 수투과도는 약 82% 이상 향상시킬 수 있었다. <그림 2 참조> 또한 개발된 분리막의 두께는 기존 분리막의 1/4 정도(약 25 nm)로 매우 얇으며, 표면이 거칠고 울퉁불퉁해 막이 쉽게 오염되었던 기존 분리막과는 달리, 편평한 표면구조를 구현하여 오염원이 쉽게 부착되지 않아 내오염성을 향상시킬 수 있었다. <그림 3 참조> ○ 그림설명 <그림1> (a)나노조립 분리막 제조기술(mLbL), (b)기존 분리막 제조기술(IP) 무작위 반응을 통하여 복잡한 구조체를 만드는 기존 기술에 비하여, 나노조립 분리제조기술은 균일한 분자구조를 가진 분리막을 만들 수 있다. <그림2> 나노조립기술(mLbL)의 조립층 수(x)에 따른 분리막의 수투과도(왼쪽 좌표), 염분 제거율(오른쪽 좌표). 표의 실선과 점선은 각각 기존 제조기술(IP)에 의한 분리막의 수투과도와 염분 제거율을 나타냄. 조립층 수가 15가 되면 수투과도 염분 제거율 모두 기존 분리막보다 성능이 뛰어나다. <그림3> (a), (c)기존 제조기술(IP)에 의한 분리막 표면과 단면이미지 (b),(d) 15 적층수의 나노조립기술(mLbL)로 제조된 분리막 표면과 단면 이미지. (기존 제조기술 분리막 대비 나노조립기술로 제조된 분리막 표면의 편평도가 매우 높으며, 분리막의 두께가 1/4 수준으로 초박막 설계가 가능함)

박테리아와 바이러스에 치명적인 은나노 복합체 개발 - KIST, 영국 왕립화학회가 출판하는 세계적 국제학술지에 표지 논문으로 발표 환경오염 없이, 유해 박테리아와 바이러스에 치명적인 ‘은나노복합체 소재’가 국내 연구진에 의해 개발되어 그린 환경을 구축하고 삶의 질 향상에 기여할 것으로 기대된다. 은 나노입자를 마이크론 크기의 자성복합체 소재 위에 키워서 3차원 구조화함으로써, 유해 박테리아와 바이러스에 치명적이면서 환경으로 유실될 염려가 없는 은나노복합체 소재가 국내 융합연구진에 의해 개발되었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 분자인식연구센터 우경자 박사팀과 서울대학교 보건대학원 고광표 교수팀이 공동으로 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 나노·소재 기술개발사업 및 KIST 기관고유사업의 일환으로 수행되었으며, 영국 왕립화학회가 출판하는 세계적 국제학술지인 ‘Journal of Materials Chemistry B’ 에 표지(front cover) 제1권 21호의 표지 논문으로 선정되어 5월 8일 온라인 게재되었고 6월 7일 출판 예정이다. (논문명 : Magnetic hybrid colloids decorated with Ag nanoparticles bite away bacteria and chemisorb viruses) SARS와 조류 독감, 집단 식중독 등 각종 바이러스에 의한 발병이 급증하면서 유해 미생물에 대한 관심이 높아지고 있다. 나노소재기술이 발전하면서 나노입자를 유해 미생물 제거에 이용하는 기술에 대한 관심 또한 높아지고 있다. 은 나노입자는 유해 미생물에 대해 아주 우수한 효용을 나타내고 있으나, 환경으로 유실되면 생명체에 독성을 나타낼 수 있는 것으로 인식되고 있다. 은 나노입자는 작을수록 독성이 심하며, 입자 자체로써, 은 이온으로써, 그리고 이들이 발생시키는 활성 산소 종으로써 유해 미생물에 작용하는 것으로 알려져 있다. 따라서 지금까지 은 나노입자를 이용하여 유해 미생물을 제거하는 연구의 대부분은 20 nm 이하의 단위 나노입자에 집중되어 있고 단위 나노입자를 사용하는 한, 환경으로의 유실 문제를 근본적으로 해결할 수 없다. 그리고 표면이 보호된 나노입자는 유해 미생물과 직접 접촉을 할 수 없고, 표면이 보호되지 않은 단위 나노입자는 응집되어 나노 특성을 잃어버리게 되어 효과를 나타낼 수 없다. 이 문제들을 동시에 해결하는 방법이 나노소재를 마이크론소재에 접목시켜 복합소재로 만드는 것이다. 자성을 갖는 마이크론소재에 은 나노입자를 견고하게 결합하면 회수와 분산이 용이해져 환경오염은 줄이고 나노입자 표면이 그대로 노출되어 유해 미생물에 직접 작용할 수 있기 때문이다. 우경자 박사와 고광표 교수 공동 연구팀은 자성이 있는 마이크론 크기의 소재에 핵과 핵을 떠받치는 기둥을 함께 감싸는 견고한 3차원 구조로 고정된 은나노복합체 소재를 개발하고 박테리아와 바이러스 제거 효과 및 그 메커니즘을 밝혀냈다. 연구팀은 공 모양의 자성을 가진 마이크론소재 표면에 많은 수의 팔을 만들고, 팔 끝에 은으로 된 핵(1~3 nm)을 매단 후, 이 핵들을 적정 크기로 뭉쳐서 간격을 재배치하였다. 이후 재배치된 핵 뭉치와 이를 받치고 있는 팔을 함께 감싸도록 은 성분을 도포함으로써 약 30 nm 크기의 은 나노입자가 견고하게 고정된 3차원 구조의 은나노복합체 소재를 완성하였다. 연구팀은 기존의 연구가 20 nm 이하의 은 나노입자에 집중된 것과는 반대로, 바이러스가 최소 약 30 개발한 은나노복합체의 표면에서 은 나노입자가 고정되지 않은 평평한 부분은 은 이온으로 덮이도록 설계하였으며, 이러한 독특한 구조가 항균, 항바이러스 작용에 시너지 효과를 줄 것으로 예측하였다. 이번에 개발된 은나노복합체 소재를 박테리아(E. coli CN13)*와 바이러스(Bacteriophage MS2)* 제거 실험에 적용하여 효용이 뛰어난 것을 확인하였으며, 각각 99.9999%와 99% 이상의 제거율을 기록했다. 다른 종류의 박테리아와 바이러스에도 적용하여 비슷한 결과를 얻었다. 복합체 위에 고정된 은 나노입자가 이빨과 같은 역할을 하여 박테리아와 접촉하면 박테리아를 물어뜯어 박테리아 몸체가 찢어지는 효과를 주는 것을 전자현미경으로 관찰하였다. 바이러스는 복합체 위에 고정된 은 나노입자와 은 이온에 화학적으로 흡착되는 것을 확인하였다. 이러한 현상은 은 나노입자가 박테리아 몸체를 구성하고 지지하는 막 성분 중에서 칼슘 또는 마그네슘 이온을 흡착하고 또, 박테리아나 바이러스 막을 구성하는 시스테인 부분의 싸이올(╺SH) 그룹과 강한 결합을 만들기 때문에 일어나는 현상으로 해석되었다. 이렇게 큰(~30 nm) 나노입자를 이렇게 큰(~㎛) 지지체 위에 고정하여 복합체 콜로이드로 만든 것은 세계 최초의 시도이며, 유해 미생물에 대한 치명적 효과가 주목을 끌어 표지 논문으로 선정되었다. 연구진은 개발한 은나노복합체를 공기정화필터에 코팅하여 청정공기를 공급하는 시스템을 연세대학교과 공동으로 개발 중이며, 실용화를 목표로 하고 있다. KIST 우경자 박사는 “이번 연구를 통해 새로운 구조의 나노복합소재를 개발해 원천기술 확보와 그린환경 구축, 삶의 질 향상의 토대를 마련했다”고 연구의의를 밝혔다. ※ E. coli CN13: 그람-음성 박테리아로 직경×길이가 1㎛×2㎛ 크기의 막대 모양임. ※ Bacteriophage MS2: 식물성 RNA 바이러스의 일종으로 직경 27.5 nm의 구형 모양임. 초기 연구 대상으로 안전성을 고려하여 식물성 바이러스를 이용했으며, 이후 행한 병원성 바이러스에 대해서도 우수한 효능을 얻었음. ○ 연구진 <우경자 박사> ○ 그림설명 <그림1> 논문 1권 21호의 표지 왼쪽 아래에 은나노복합체의 3차원 구조를 나타내고 있으며, 여기저기에 은나노복합체가 박테리아를 물어뜯는 모양을 보여주고 있음. 사용한 은나노복합체는 왼쪽 위와 같이 자석을 이용해 회수할 수 있음. <그림2> 은나노복합체의 합성 과정을 보여주는 모식도 (A)는 평균 7 nm와 15 nm 크기의 입자가 고정된 은나노복합체를 합성하는 과정으로 금 씨드를 사용하고 (B)는 30 nm 크기의 입자가 고정된 은나노복합체를 합성하는 과정으로 은 씨드를 사용함. <그림3>은나노복합체가 박테리아를 물어뜯는 모양을 보여주는 전자현미경 이미지 왼쪽은 박테리아만 있을 때, 중앙과 오른쪽은 박테리아와 은나노복합체를 섞고 각각 15 분과 30 분이 경과한 때의 이미지임.