귀한 ‘희토류 금속’의 고효율 회수 소재 기술개발, 디지털 인프라 자원순환↑ - 폐 영구자석으로부터 희토류 금속의 회수를 통한 해외 의존도 저감 기대 - 성능·생산성·경제성·적용성 향상된 섬유상 흡착 소재 개발, 산업안정성 향상 우리나라는 리튬, 니켈, 희토류 등 핵심광물의 95%를 수입에 의존하고 있다. 특히 희토류는 소량 첨가만으로도 물질을 화학·전기·자성·발광적 특성을 갖게 만드는 특징을 갖고 있어 최근 친환경 자동차 및 신재생에너지산업분야의 핵심소재로 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 영구자석에 들어가는 희토류 금속(네오디뮴-철-붕소(Nd-Fe-B))을 회수하여 순환하는 소재로 희토류 공급과 산업적 안정성 문제를 해결하는 데 기여할 것으로 기대된다. 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. 개발된 섬유 소재는 네오디뮴에 대해 468.60 mg/g, 디스프로슘에 대해 435.13 mg/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. 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 자리잡을 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”고 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 주요사업, 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 [그림 1] 섬유상 희토류 금속 회수 소재의 합성 고분자 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. [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 1000 mg/L 및 0.5 g/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 pH조절 없이 수행. (g) Nd3+및 (h) Dy3+이온에 대한 CSCF의 회수 속도 곡선. 초기 농도는 1000 mg/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. [그림 3] 희토류 금속 회수 섬유의 우수한 산업 적용성 폐기된 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 XRD패턴. (f) 5번의 재생 후 CSCF흡착제 표면의 NPZIF-8 나노입자의 전자현미경 이미지. (스케일바: 1 μm)

귀한 ‘희토류 금속’의 고효율 회수 소재 기술개발, 디지털 인프라 자원순환↑ - 폐 영구자석으로부터 희토류 금속의 회수를 통한 해외 의존도 저감 기대 - 성능·생산성·경제성·적용성 향상된 섬유상 흡착 소재 개발, 산업안정성 향상 우리나라는 리튬, 니켈, 희토류 등 핵심광물의 95%를 수입에 의존하고 있다. 특히 희토류는 소량 첨가만으로도 물질을 화학·전기·자성·발광적 특성을 갖게 만드는 특징을 갖고 있어 최근 친환경 자동차 및 신재생에너지산업분야의 핵심소재로 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 영구자석에 들어가는 희토류 금속(네오디뮴-철-붕소(Nd-Fe-B))을 회수하여 순환하는 소재로 희토류 공급과 산업적 안정성 문제를 해결하는 데 기여할 것으로 기대된다. 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. 개발된 섬유 소재는 네오디뮴에 대해 468.60 mg/g, 디스프로슘에 대해 435.13 mg/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. 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 자리잡을 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”고 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 주요사업, 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 [그림 1] 섬유상 희토류 금속 회수 소재의 합성 고분자 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. [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 1000 mg/L 및 0.5 g/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 pH조절 없이 수행. (g) Nd3+및 (h) Dy3+이온에 대한 CSCF의 회수 속도 곡선. 초기 농도는 1000 mg/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. [그림 3] 희토류 금속 회수 섬유의 우수한 산업 적용성 폐기된 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 XRD패턴. (f) 5번의 재생 후 CSCF흡착제 표면의 NPZIF-8 나노입자의 전자현미경 이미지. (스케일바: 1 μm)

귀한 ‘희토류 금속’의 고효율 회수 소재 기술개발, 디지털 인프라 자원순환↑ - 폐 영구자석으로부터 희토류 금속의 회수를 통한 해외 의존도 저감 기대 - 성능·생산성·경제성·적용성 향상된 섬유상 흡착 소재 개발, 산업안정성 향상 우리나라는 리튬, 니켈, 희토류 등 핵심광물의 95%를 수입에 의존하고 있다. 특히 희토류는 소량 첨가만으로도 물질을 화학·전기·자성·발광적 특성을 갖게 만드는 특징을 갖고 있어 최근 친환경 자동차 및 신재생에너지산업분야의 핵심소재로 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 영구자석에 들어가는 희토류 금속(네오디뮴-철-붕소(Nd-Fe-B))을 회수하여 순환하는 소재로 희토류 공급과 산업적 안정성 문제를 해결하는 데 기여할 것으로 기대된다. 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. 개발된 섬유 소재는 네오디뮴에 대해 468.60 mg/g, 디스프로슘에 대해 435.13 mg/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. 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 자리잡을 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”고 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 주요사업, 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 [그림 1] 섬유상 희토류 금속 회수 소재의 합성 고분자 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. [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 1000 mg/L 및 0.5 g/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 pH조절 없이 수행. (g) Nd3+및 (h) Dy3+이온에 대한 CSCF의 회수 속도 곡선. 초기 농도는 1000 mg/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. [그림 3] 희토류 금속 회수 섬유의 우수한 산업 적용성 폐기된 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 XRD패턴. (f) 5번의 재생 후 CSCF흡착제 표면의 NPZIF-8 나노입자의 전자현미경 이미지. (스케일바: 1 μm)

귀한 ‘희토류 금속’의 고효율 회수 소재 기술개발, 디지털 인프라 자원순환↑ - 폐 영구자석으로부터 희토류 금속의 회수를 통한 해외 의존도 저감 기대 - 성능·생산성·경제성·적용성 향상된 섬유상 흡착 소재 개발, 산업안정성 향상 우리나라는 리튬, 니켈, 희토류 등 핵심광물의 95%를 수입에 의존하고 있다. 특히 희토류는 소량 첨가만으로도 물질을 화학·전기·자성·발광적 특성을 갖게 만드는 특징을 갖고 있어 최근 친환경 자동차 및 신재생에너지산업분야의 핵심소재로 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 영구자석에 들어가는 희토류 금속(네오디뮴-철-붕소(Nd-Fe-B))을 회수하여 순환하는 소재로 희토류 공급과 산업적 안정성 문제를 해결하는 데 기여할 것으로 기대된다. 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. 개발된 섬유 소재는 네오디뮴에 대해 468.60 mg/g, 디스프로슘에 대해 435.13 mg/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. 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 자리잡을 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”고 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 주요사업, 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 [그림 1] 섬유상 희토류 금속 회수 소재의 합성 고분자 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. [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 1000 mg/L 및 0.5 g/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 pH조절 없이 수행. (g) Nd3+및 (h) Dy3+이온에 대한 CSCF의 회수 속도 곡선. 초기 농도는 1000 mg/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. [그림 3] 희토류 금속 회수 섬유의 우수한 산업 적용성 폐기된 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 XRD패턴. (f) 5번의 재생 후 CSCF흡착제 표면의 NPZIF-8 나노입자의 전자현미경 이미지. (스케일바: 1 μm)

귀한 ‘희토류 금속’의 고효율 회수 소재 기술개발, 디지털 인프라 자원순환↑ - 폐 영구자석으로부터 희토류 금속의 회수를 통한 해외 의존도 저감 기대 - 성능·생산성·경제성·적용성 향상된 섬유상 흡착 소재 개발, 산업안정성 향상 우리나라는 리튬, 니켈, 희토류 등 핵심광물의 95%를 수입에 의존하고 있다. 특히 희토류는 소량 첨가만으로도 물질을 화학·전기·자성·발광적 특성을 갖게 만드는 특징을 갖고 있어 최근 친환경 자동차 및 신재생에너지산업분야의 핵심소재로 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 영구자석에 들어가는 희토류 금속(네오디뮴-철-붕소(Nd-Fe-B))을 회수하여 순환하는 소재로 희토류 공급과 산업적 안정성 문제를 해결하는 데 기여할 것으로 기대된다. 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. 개발된 섬유 소재는 네오디뮴에 대해 468.60 mg/g, 디스프로슘에 대해 435.13 mg/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. 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 자리잡을 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”고 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 주요사업, 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 [그림 1] 섬유상 희토류 금속 회수 소재의 합성 고분자 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. [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 1000 mg/L 및 0.5 g/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 pH조절 없이 수행. (g) Nd3+및 (h) Dy3+이온에 대한 CSCF의 회수 속도 곡선. 초기 농도는 1000 mg/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. [그림 3] 희토류 금속 회수 섬유의 우수한 산업 적용성 폐기된 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 XRD패턴. (f) 5번의 재생 후 CSCF흡착제 표면의 NPZIF-8 나노입자의 전자현미경 이미지. (스케일바: 1 μm)

귀한 ‘희토류 금속’의 고효율 회수 소재 기술개발, 디지털 인프라 자원순환↑ - 폐 영구자석으로부터 희토류 금속의 회수를 통한 해외 의존도 저감 기대 - 성능·생산성·경제성·적용성 향상된 섬유상 흡착 소재 개발, 산업안정성 향상 우리나라는 리튬, 니켈, 희토류 등 핵심광물의 95%를 수입에 의존하고 있다. 특히 희토류는 소량 첨가만으로도 물질을 화학·전기·자성·발광적 특성을 갖게 만드는 특징을 갖고 있어 최근 친환경 자동차 및 신재생에너지산업분야의 핵심소재로 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 영구자석에 들어가는 희토류 금속(네오디뮴-철-붕소(Nd-Fe-B))을 회수하여 순환하는 소재로 희토류 공급과 산업적 안정성 문제를 해결하는 데 기여할 것으로 기대된다. 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. 개발된 섬유 소재는 네오디뮴에 대해 468.60 mg/g, 디스프로슘에 대해 435.13 mg/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. 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 자리잡을 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”고 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 주요사업, 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 [그림 1] 섬유상 희토류 금속 회수 소재의 합성 고분자 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. [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 1000 mg/L 및 0.5 g/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 pH조절 없이 수행. (g) Nd3+및 (h) Dy3+이온에 대한 CSCF의 회수 속도 곡선. 초기 농도는 1000 mg/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. [그림 3] 희토류 금속 회수 섬유의 우수한 산업 적용성 폐기된 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 XRD패턴. (f) 5번의 재생 후 CSCF흡착제 표면의 NPZIF-8 나노입자의 전자현미경 이미지. (스케일바: 1 μm)

귀한 ‘희토류 금속’의 고효율 회수 소재 기술개발, 디지털 인프라 자원순환↑ - 폐 영구자석으로부터 희토류 금속의 회수를 통한 해외 의존도 저감 기대 - 성능·생산성·경제성·적용성 향상된 섬유상 흡착 소재 개발, 산업안정성 향상 우리나라는 리튬, 니켈, 희토류 등 핵심광물의 95%를 수입에 의존하고 있다. 특히 희토류는 소량 첨가만으로도 물질을 화학·전기·자성·발광적 특성을 갖게 만드는 특징을 갖고 있어 최근 친환경 자동차 및 신재생에너지산업분야의 핵심소재로 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 영구자석에 들어가는 희토류 금속(네오디뮴-철-붕소(Nd-Fe-B))을 회수하여 순환하는 소재로 희토류 공급과 산업적 안정성 문제를 해결하는 데 기여할 것으로 기대된다. 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. 개발된 섬유 소재는 네오디뮴에 대해 468.60 mg/g, 디스프로슘에 대해 435.13 mg/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. 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 자리잡을 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”고 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 주요사업, 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 [그림 1] 섬유상 희토류 금속 회수 소재의 합성 고분자 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. [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 1000 mg/L 및 0.5 g/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 pH조절 없이 수행. (g) Nd3+및 (h) Dy3+이온에 대한 CSCF의 회수 속도 곡선. 초기 농도는 1000 mg/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. [그림 3] 희토류 금속 회수 섬유의 우수한 산업 적용성 폐기된 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 XRD패턴. (f) 5번의 재생 후 CSCF흡착제 표면의 NPZIF-8 나노입자의 전자현미경 이미지. (스케일바: 1 μm)

귀한 ‘희토류 금속’의 고효율 회수 소재 기술개발, 디지털 인프라 자원순환↑ - 폐 영구자석으로부터 희토류 금속의 회수를 통한 해외 의존도 저감 기대 - 성능·생산성·경제성·적용성 향상된 섬유상 흡착 소재 개발, 산업안정성 향상 우리나라는 리튬, 니켈, 희토류 등 핵심광물의 95%를 수입에 의존하고 있다. 특히 희토류는 소량 첨가만으로도 물질을 화학·전기·자성·발광적 특성을 갖게 만드는 특징을 갖고 있어 최근 친환경 자동차 및 신재생에너지산업분야의 핵심소재로 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 영구자석에 들어가는 희토류 금속(네오디뮴-철-붕소(Nd-Fe-B))을 회수하여 순환하는 소재로 희토류 공급과 산업적 안정성 문제를 해결하는 데 기여할 것으로 기대된다. 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. 개발된 섬유 소재는 네오디뮴에 대해 468.60 mg/g, 디스프로슘에 대해 435.13 mg/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. 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 자리잡을 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”고 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 주요사업, 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 [그림 1] 섬유상 희토류 금속 회수 소재의 합성 고분자 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. [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 1000 mg/L 및 0.5 g/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 pH조절 없이 수행. (g) Nd3+및 (h) Dy3+이온에 대한 CSCF의 회수 속도 곡선. 초기 농도는 1000 mg/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. [그림 3] 희토류 금속 회수 섬유의 우수한 산업 적용성 폐기된 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 XRD패턴. (f) 5번의 재생 후 CSCF흡착제 표면의 NPZIF-8 나노입자의 전자현미경 이미지. (스케일바: 1 μm)

초박막형 무선 웨어러블 센서 기술로 건강 모니터링의 새로운 장 열리다 - 고가의 측정 장비 없이 빛만으로 바이오마커 농도 정량화 성공 - 바이오마커 모니터링을 위한 차세대 초박막형 무선 웨어러블 센서 기술 이용자의 건강 모니터링을 위한 웨어러블 디바이스는 우리 몸에서 데이터를 수집해 전송하는 것이 중요하고, 이를 위한 무선 통신 시스템이 필요하다. 하지만 기존의 무선 통신 시스템은 mm단위의 두꺼운 모듈 칩으로 이루어져 있어 사용자의 편의성 개선을 위해 두께를 극한으로 줄인 초박막형 (두께 마이크로미터 수준, 머리카락 두께의 10분의 1) 기기 구현이 어려웠다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 센서시스템연구센터 이원령 박사, 양자기술연구단 한재훈 박사, 생체재료연구센터 전호정 박사(센터장) 공동연구팀은 초박형 유기·무기 통합 장치를 이용하여 초박막형(두께 : 4마이크로미터, 무게 : 1mg 이하) 기판 상에 인간의 건강 상태와 관련된 다양한 바이오마커를 빛의 세기만으로 모니터링할 수 있는 기술을 구현 및 개발했다고 밝혔다. 연구팀은 기존의 두껍고 딱딱한 무기 집적 회로 칩 기반의 무선 통신 시스템이 가진 착용성 및 유연성의 한계를 극복하고자, 두께 4 마이크로미터의 초박막 기판 위에 유기 트랜지스터와 근적외선 무기 마이크로 발광 다이오드 (μLED)를 통합한 시스템을 개발하였다. 이 시스템은 바이오마커의 농도에 따라 변하는 트랜지스터의 전류가 μLED의 밝기를 조절하여 포도당, 젖산, pH와 같은 바이오마커를 빛의 세기로 모니터링 할 수 있다. 연구팀은 제작된 유기-무기 통합 장치를 신축성 배터리 회로와 결합하여 땀 속에 존재하는 포도당을 모니터링함으로써 웨어러블 진단기기로서의 유용성을 검증했다. 또한, 바이오마커의 농도를 고가의 측정 장비 없이 μLED를 촬영한 근적외선 이미지만을 분석하여 정량적으로 분석하는 데 성공했다. 이번에 개발된 디바이스는 빛의 세기만으로 생화학 신호를 증폭하고 전송하는 새로운 방법을 제시하여, 웨어러블 초박막형 센서 기술의 발전에 기여할 수 있다. 또한, 단순한 회로 구조와 낮은 전력으로 작동하는 장점 덕분에 다양한 회로 응용 분야에서 활용 가능성을 제시한다. KIST 이원령 박사는 “새로운 무선 모니터링 시스템의 초박막형 생화학센서 디바이스 구현을 통해 환자들에게 디바이스의 착용 위화감이 없이 정밀한 건강 모니터링을 장기간 제공할 수 있고, 당뇨병 등 대사 질환 환자들의 삶의 질을 향상시키는데 기여할 수 있다.”라고 연구 의의를 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업, 한국연구재단 나노소재기술개발사업 (2021M3H4A1A04092879), 바이오의료기술개발사업 (2022M3E5E9016506), STEAM연구사업 (RS-2023-00302145), 중견연구자지원사업 (2021R1A2B5B03001691), 정보통신기획평가원 전파산업핵심기술개발사업 (2022-0-00208)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Nature Electronics」 (IF 33.4, JCR 분야 0.3%)에 최신 호에 게재됐다. * (논문명) An ultrathin organic-inorganic integrated device for optical biomarker monitoring [그림 1] 무선 광학 모니터링 시스템의 개략도 (가) 딱딱한 집적 회로 칩들과 PCB 기판이 필요한 기존의 무선 통신 시스템의 모식도. (나) 초박막 기판 위에 제작된 무선 광학 통신 시스템의 모식도. (다) 근적외선 μLED의 현미경 사진. (스케일바: 200 μm) (라) OECT 의 현미경 사진. (스케일바: 500 μm) (마) 압축된 상태의 통합 장치의 사진. (바) 통합 장치의 작동. μLED의 조도는 바이오마커의 농도에 따라 변함. [그림 2] 무선 광학 모니터링 시스템의 바이오마커 분석 (가) 팔 모형 위에 부착된 무선 광학 모니터링 시스템의 근적외선 사진. (스케일바: 1 cm) (나) 저농도의 바이오마커에서 작동하는 장치의 확대된 근적외선 사진. (스케일바: 500 μm) (다) 고농도의 바이오마커에서 작동하는 장치의 확대된 근적외선 사진. (스케일바: 500 μm) (라) 바이오마커의 농도에 따른 근적외선 이미지의 회색값. (마) 바이오마커의 농도에 따른 근적외선 이미지의 정규화된 반응. (바) 저농도와 고농도의 바이오마커 사이의 회색값과 반치폭의 비교. [그림 3] 웨어러블 땀 패치 (가) 웨어러블 패치의 개략도. (나) 피시험자의 팔에 붙어있는 웨어러블 패치의 사진. (스케일바: 3cm) (다) 식사 전후에 웨어러블 패치, 포도당 측정 키트, 상용 혈당 측정기로 측정한 포도당 농도의 비교. (N=5, 오차 막대는 표준 편차를 의미함)

초박막형 무선 웨어러블 센서 기술로 건강 모니터링의 새로운 장 열리다 - 고가의 측정 장비 없이 빛만으로 바이오마커 농도 정량화 성공 - 바이오마커 모니터링을 위한 차세대 초박막형 무선 웨어러블 센서 기술 이용자의 건강 모니터링을 위한 웨어러블 디바이스는 우리 몸에서 데이터를 수집해 전송하는 것이 중요하고, 이를 위한 무선 통신 시스템이 필요하다. 하지만 기존의 무선 통신 시스템은 mm단위의 두꺼운 모듈 칩으로 이루어져 있어 사용자의 편의성 개선을 위해 두께를 극한으로 줄인 초박막형 (두께 마이크로미터 수준, 머리카락 두께의 10분의 1) 기기 구현이 어려웠다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 센서시스템연구센터 이원령 박사, 양자기술연구단 한재훈 박사, 생체재료연구센터 전호정 박사(센터장) 공동연구팀은 초박형 유기·무기 통합 장치를 이용하여 초박막형(두께 : 4마이크로미터, 무게 : 1mg 이하) 기판 상에 인간의 건강 상태와 관련된 다양한 바이오마커를 빛의 세기만으로 모니터링할 수 있는 기술을 구현 및 개발했다고 밝혔다. 연구팀은 기존의 두껍고 딱딱한 무기 집적 회로 칩 기반의 무선 통신 시스템이 가진 착용성 및 유연성의 한계를 극복하고자, 두께 4 마이크로미터의 초박막 기판 위에 유기 트랜지스터와 근적외선 무기 마이크로 발광 다이오드 (μLED)를 통합한 시스템을 개발하였다. 이 시스템은 바이오마커의 농도에 따라 변하는 트랜지스터의 전류가 μLED의 밝기를 조절하여 포도당, 젖산, pH와 같은 바이오마커를 빛의 세기로 모니터링 할 수 있다. 연구팀은 제작된 유기-무기 통합 장치를 신축성 배터리 회로와 결합하여 땀 속에 존재하는 포도당을 모니터링함으로써 웨어러블 진단기기로서의 유용성을 검증했다. 또한, 바이오마커의 농도를 고가의 측정 장비 없이 μLED를 촬영한 근적외선 이미지만을 분석하여 정량적으로 분석하는 데 성공했다. 이번에 개발된 디바이스는 빛의 세기만으로 생화학 신호를 증폭하고 전송하는 새로운 방법을 제시하여, 웨어러블 초박막형 센서 기술의 발전에 기여할 수 있다. 또한, 단순한 회로 구조와 낮은 전력으로 작동하는 장점 덕분에 다양한 회로 응용 분야에서 활용 가능성을 제시한다. KIST 이원령 박사는 “새로운 무선 모니터링 시스템의 초박막형 생화학센서 디바이스 구현을 통해 환자들에게 디바이스의 착용 위화감이 없이 정밀한 건강 모니터링을 장기간 제공할 수 있고, 당뇨병 등 대사 질환 환자들의 삶의 질을 향상시키는데 기여할 수 있다.”라고 연구 의의를 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업, 한국연구재단 나노소재기술개발사업 (2021M3H4A1A04092879), 바이오의료기술개발사업 (2022M3E5E9016506), STEAM연구사업 (RS-2023-00302145), 중견연구자지원사업 (2021R1A2B5B03001691), 정보통신기획평가원 전파산업핵심기술개발사업 (2022-0-00208)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Nature Electronics」 (IF 33.4, JCR 분야 0.3%)에 최신 호에 게재됐다. * (논문명) An ultrathin organic-inorganic integrated device for optical biomarker monitoring [그림 1] 무선 광학 모니터링 시스템의 개략도 (가) 딱딱한 집적 회로 칩들과 PCB 기판이 필요한 기존의 무선 통신 시스템의 모식도. (나) 초박막 기판 위에 제작된 무선 광학 통신 시스템의 모식도. (다) 근적외선 μLED의 현미경 사진. (스케일바: 200 μm) (라) OECT 의 현미경 사진. (스케일바: 500 μm) (마) 압축된 상태의 통합 장치의 사진. (바) 통합 장치의 작동. μLED의 조도는 바이오마커의 농도에 따라 변함. [그림 2] 무선 광학 모니터링 시스템의 바이오마커 분석 (가) 팔 모형 위에 부착된 무선 광학 모니터링 시스템의 근적외선 사진. (스케일바: 1 cm) (나) 저농도의 바이오마커에서 작동하는 장치의 확대된 근적외선 사진. (스케일바: 500 μm) (다) 고농도의 바이오마커에서 작동하는 장치의 확대된 근적외선 사진. (스케일바: 500 μm) (라) 바이오마커의 농도에 따른 근적외선 이미지의 회색값. (마) 바이오마커의 농도에 따른 근적외선 이미지의 정규화된 반응. (바) 저농도와 고농도의 바이오마커 사이의 회색값과 반치폭의 비교. [그림 3] 웨어러블 땀 패치 (가) 웨어러블 패치의 개략도. (나) 피시험자의 팔에 붙어있는 웨어러블 패치의 사진. (스케일바: 3cm) (다) 식사 전후에 웨어러블 패치, 포도당 측정 키트, 상용 혈당 측정기로 측정한 포도당 농도의 비교. (N=5, 오차 막대는 표준 편차를 의미함)