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

독일 자브뤼켄에 위치한 우리 원 유럽연구소(소장 이호성)는 10월 15~16일 양일간 라이프니츠 신소재연구소(INM)와 잘란트주 경제진흥공사(gwSaar)와 공동으로 ‘미래 물질과 안전성’(Future Materials and Safety)을 주제로 ‘한-EU 나노 워크숍’을 개최한다. 이번 워크숍은 전세계적으로 가장 각광받고 있는 연구분야인 ‘나노기술’(NT)과 관련, 한국 정부출연연구소와 유럽연합(EU)간의 국제협력 강화와 최신 기술 동향 파악 등을 목적으로 마련됐다. 나노재료, 나노의약 및 약학, 나노안정성 등 NT와 관련된 폭넓은 연구분야가 총망라됐다. 특히 이번 행사는 자브뤼켄이 자리잡고 있는 독일 잘란트주 정부가 후원한다는 점에서 주목된다. 잘란트주에는 라이프니츠 신소재연구소 등 소재분야에 특화된 연구소와 자동차 부품 등 신소재기업들이 대거 자리잡은 클러스터가 형성돼 있다. 이번 워크숍을 통해 잘란트주를 비롯한 인근 지역에서 한국 나노기술에 대한 재평가도 기대된다. 한국에서는 우리 원과 한국생명공학연구원(KRIBB), 한국화학연구원(KRICT), 한국표준과학연구원(KRISS) 등에서 핵심 연구인력이 강연자로 참석한다. 또 EU에서는 라이프니츠 신소재연구소(INM), 막스플랑크 고체연구소(MPI-FKF), 잘란트 대학교(Saarland University), 룩셈브루크 투도연구소(TUDOR), 우리 원 유럽연구소(KIST Europe) 등의 전문가들이 강연자로 나선다. 이번 워크숍 첫째날에는 막스플랑크 고체 연구소에서 고체물리화학그룹을 이끌고 있는 Joachim Maier교수가 "Size Effects on Electrochemical Energy Conversion and Storage"주제로 기조 강연을 할 예정이고, 둘째날에는 잘란트 대학교에서 나노 전기화학연구그룹을 이끌고 있는 Rolf Hempelmann 교수가 “Electrocatalyst ？ Membrane Interface and Fuel Cell Performance with Sulfonated PolyEtherEtherKetone as Ionomer"주제로 기조강연을 할 예정이다. 워크숍은 나노재료, 나노 생물학, 나노 안전성, 나노 인터페이스, 나노 약학의 총 6개의 세션으로 구성되어 있으며, 각 세션별로 한국과 EU 연구자들간의 연구 주제를 공유하고, 공동연구분야에 대한 활발한 의견 교환을 할 수 있도록 프로그램을 구성하였다. 워크숍 다음 날에는 한-EU 연구자들간의 공동연구주제 발굴을 위하여 개별적인 컨소시엄 구성 논의를 진행할 예정이며, 각 연구그룹별로 현지 연구소의 랩투어를 진행할 예정이다. 우리 원 유럽연구소 이호성 소장은 “이번 한-EU 나노 워크숍을 통해 우리 원 유럽연구소를 연구거점으로 한국 정부출연연구소와 EU 연구소간의 공동연구가 활성화되고, 많은 공동연구과제가 만들어지기를 기대한다”고 밝혔다.

남아프리카공화국 케이프타운에서 열린 IUAPPA(국제대기환경보전단체연합회) 세계대회에서 우리 원 문길주 원장이 10월 3일 신임 회장에 취임했다. 신임 회장은 3년 간의 임기 동안 전 세계적으로 제기되고 있는 기후변화, 대기오염을 포함한 환경문제에 대해 학회 차원의 해결방안을 논의하게 된다. “Many Nations-One Atmosphere: Plotting the path to sustainability’라는 주제로 실시된 이번 세계대회에서 참석자들은 기후변화 문제로부터 대기질을 어떻게 관리하고, 지속가능한 사회를 만들 것인가를 집중 논의하였다. 이 날 기조 강연을 맡은 문길주 원장은 글로벌 메가 트렌드의 변화에 따라 대기환경 분야가 나아가야 할 방향을 제시하고 미래 아젠다의 해결을 위한 대형 협력 과제가 필요함을 역설하였다. 문길주 원장은 20년 이상 환경 분야 연구에 매진한 연구자로, 한국대기환경학회장 역임, ‘한국의 환경비전 2050’ 집필 등 환경 전문가로 역량을 인정받아왔다. 그의 이번 IUAPPA 회장 임명은 그러한 활동의 연장선상에서 이루진 것으로, 대기환경과학 분야 한국의 위상제고에 크게 기여할 것으로 보인다. 향후 진행되는 연구 논의를 한국이 주도하면서 국내 뿐 아니라 국제적으로도 한국의 대기·환경 분야 연구역량을 강화할 수 있으며, 한국의 연구성과를 국제사회 문제 해결에 활용함으로써 국가 이미지 제고에도 기여할 수 있게 되었다. 국내적으로는 대기환경과 기후변화 문제에 대한 관심과 정책 입안 시 선진국 수준의 기준을 제시할 수 있는 여건이 되었다. 한편 오늘 개최된 IUAPPA 세계대회는 3년마다 열리는 세계 규모의 국제대회로서, 다음 대회는 2016년에 한국(부산, 벡스코)에서 개최될 예정이다. 2016년 대회에서는 ‘초고령화’, ‘에너지/환경’, ‘도시화’의 세계적 트렌드 속에서 생태계와 보건, 대도시 문제를 어떻게 해결할 것인가를 논의하게 될 예정이며, 전 세계 1,500명 이상의 과학자들이 부산을 찾을 것으로 기대된다. ※ IUAPPA(International Union of Air pollution prevention and Environmental Protection Association)은 1964년에 설립된 저명한 국제학술협회다. 주로 과학과 기술에 관한 연구개발, 정보 교환 등을 통하여 대기 환경을 향상시키기 위한 논의를 해오고 있다. 구성원은 세계 40여개 국가의 과학자, 공무원, 기업과 시민단체 등 여러 나라와 다양한 직종의 회원들로 구성되어 있다.

우리 원이 6.25 전쟁시 황실 근위대를 파견하는 등 우리의 오랜 우방국인 에티오피아의 과학기술 및 경제발전을 위해 에티오피아 최초의 과학기술 국립대학인 아다마 과학기술 대학교와 협력하기로 했다. 우리 원은 에티오피아 아다마 과학기술대학교(Adama Science and Technology University(ASTU), 총장 이장규)와 연구자, 교원, 학생 등 인적 교류와 공동 연구 추진 등에 대해 상호 협력하기로 하고, 9월 30일(월) 아다마 대학교에서 협약을 체결했다. 우리 원에서는 지난 4월 말, 7박 8일 간 아다마 대학교 교수들이 방문해 에티오피아 경제개발계획 자문 연수를 받았고, 9월에는 본 대학 연구원이 우리 원 방문 연구원으로 참여하여, 하/폐수 처리 기술 연구를 수행중이다. 본 협약은 이러한 협력 활동의 연장선상에서 이루어진 것으로, 과학기술분야 협력이 에티오피아의 과학기술 역량강화 뿐 아니라, 국가 산업발전의 원동력이 되게 하는데 목적이 있다. 우리 원은 또한 협력협정 체결 후 아다마 대학교의 발전 및 인재양성을 위한 과학나눔 기금을 기부하였다. 아다마대학교는 에티오피아 최초의 국립 과학기술대학교이자 에티오피아 두 번째 규모(교수진 천여명 및 학생 2만여명)로서 한국의 카이스트와 유사한 대학교이다. 2011년 이장규 전 서울대교수가 총장으로 취임하였고, 이무하 서울대 교수, 권호열 강원대 교수 등이 단과대학장으로 부임한 바 있다.

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.

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.

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.

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.

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.