- 산업폐수에서 유가금속 회수하는 섬유기반 흡착 소재 개발 - 소재의 교체 및 재생이 필요 없어 독성 화학물질과 에너지 사용을 최소화 도금, 반도체, 자동차, 배터리, 신재생에너지 등 다양한 산업에서 발생하는 폐수 내 유가금속을 회수하기 위한 기술은 환경보호뿐만 아니라 경제적인 측면에서도 중요하다. 우리나라에서는 주로 폐수에 화학물질을 첨가해 중금속 이온을 산화물 형태로 석출시키는 방식을 사용하는데, 이 과정에서 유해 화학물질이 유출되는 등 사고가 잇따르고 있어 보다 친환경적인 기술 개발이 필요한 상황이다. 이런 가운데 한국과학기술연구원 (KIST, 원장 윤석진)은 물자원순환연구단 최재우 박사팀이 금속을 흡착한 후 결정화하는 방식으로 수중의 금속 이온을 회수하고, 회수된 금속 결정은 스스로 탈착되어 자가 재생이 가능한 섬유형 금속 회수 소재를 개발했다고 밝혔다. KIST 연구팀은 섬유 형태의 소재 표면에 특정 화학기능기를 고정하면 수중 금속 이온이 결정화되는 현상을 활용하는 한편, 형성된 결정을 떼어내는 기술을 도입해 반영구적으로 사용할 수 있는 흡착 소재를 개발했다. 구리 이온으로 실험했을 때 기존 흡착제의 최대 흡착량은 약 1,060mg/g에 불과하지만, 개발된 소재를 활용하면 무한대에 가까운 흡착성능을 확보할 수 있다. 또한 기존 고기능성 흡착제는 수 나노미터에서 수십 마이크로미터로 지름의 작은 알갱이 형태로 되어 있어 수중에서 활용하기 어렵지만, KIST 연구팀이 개발한 금속 회수 소재는 섬유 형태를 가져 수중 제어가 쉬우므로 실제 금속 회수 공정에 적용하기 용이하다. KIST 최재우 박사는 “개발 소재는 아크릴 섬유를 기반으로 만들어지기 때문에 습식 방사 공정을 통한 대량생산이 가능할 뿐 아니라 폐의류를 활용하는 것도 가능하다”라고 밝히며, “폐수 재활용 기술을 통해 산업계의 수요가 높은 유가금속의 해외 의존도를 낮출 수 있을 것”이라고 기대했다. 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 소재혁신 선도사업(2020M3H4A3106366), 세종 과학 펠로우십(RS-2023-00209565)과 KIST 기관고유사업(2E32442)으로 수행된 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Advanced Fiber Materials」에 2023년 10월 16일 게재*되었다. [그림 1] 자가재생 섬유의 제조 공정과 구조, 그리고 금속 회수 현상 (a) 자가재생 섬유의 전구체 섬유를 제조하는 습식 방사 공정. (b) 전구체 섬유 및 (c) 자가재생 섬유의 구조. (d) 자가재생 섬유의 표면에서 금속 이온이 흡착-결정화-성장-탈착하는 과정을 나타내는 모식도. (e) 자가재생 섬유의 표면에 형성된 금속 결정. (f) 디지털카메라로 촬영된 구리 금속에 담겨진 자가재생 섬유. 자가재생 섬유 표면에 형성된 구리 결정의 (g) 접착력 저하, (h) 충돌, (i) 곡률에 의한 탈착과정. [그림 2] 자가재생 섬유를 활용한 구리 회수 성능 (a) 자가재생 섬유의 결정 탈착 기능을 지닌 결함 영역의 함량에 따라 변화되는 시간에 따른 구리 흡착량. (b) 자가재생 섬유의 두께에 따라 변화되는 시간에 따른 구리 흡착량. (c) 용액에 포함된 구리 이온이 자가재생 섬유의 농도에 따라 용액에 존재하는 구리 이온의 비율이 줄어드는 양상. (d) 용액에 포함된 구리 이온의 초기 농도에 따른 구리 회수 속도를 나타냄. (e) 구리 용액의 pH에 따라 변화되는 구리 이온 회수 속도. (f-i) 5000 mg/L의 초기 농도를 지닌 구리 용액에 담지된 자가재생 섬유로 인해 용액은 맑아지고 반응조 바닥에 형성된 구리 결정. [그림 3] 자가재생 섬유의 표면에 있는 구리 결정의 탈착 현상 결함 영역이 좁은 경우 (a) 섬유와 결정 사이의 접착력 저하, (b) 곡률로 인한 복원력에 의한 구리 결정 탈착 현상. (c) 결함 영역이 특정한 경우에는 성장하던 결정들끼리 발산하고 수렴하여 탈착되는 현상. (d) 결함 영역이 넓은 경우 탈착 없이 결정은 성장하여 섬유를 뒤덮은 채로 결정 성장이 종료되는 현상. (e-h) 각 구리 결정이 탈착되는 순간을 포착하여 촬영된 전자현미경 이미지. (i) 구리 결정이 탈착되지 않고 섬유를 둘러싼 순간을 포착하여 촬영된 전자현미경 이미지. (k) 반응조 바닥에 포집된 구리 결정 및 (l) X-ray 회절분석 결과. [그림 4] 자가재생 섬유가 적용된 반영구 금속 회수 모듈 (a) 자가재생 섬유가 적용된 반영구 금속 회수 모듈의 모식도. (b) 자가재생 섬유 표면에 형성된 금속 결정. (c) 모듈 바닥에서 회수된 금속 결정의 전자현미경 이미지. (d) 자가재생 섬유가 적용된 반영구 금속 회수 모듈의 실제 사진. (e) 금속 회수 이후 모듈 사진. (g) 자가재생 과정동안 섬유의 표면 화학기능기의 시간에 따른 변화를 나타내는 표면 분석 결과. ○ 논문명: A Self-Regenerable Fiber Sloughing Its Heavy Metal Skin for Ultra-High Separation Capability ○ 학술지: Advanced Fiber Materials ○ 게재일: 2023. 10. 16. ○ DOI: https://doi.org/10.1007/s42765-023-00333-0 ○ 논문저자 - 정영균 박사 후 연구원(제1저자/KIST 물자원순환연구단) - 고영건 교수(교신저자/상명대학교 생명화학공학부 화공신소재전공) - 최재우 책임연구원(교신저자/KIST 물자원순환연구단)

- 산업폐수에서 유가금속 회수하는 섬유기반 흡착 소재 개발 - 소재의 교체 및 재생이 필요 없어 독성 화학물질과 에너지 사용을 최소화 도금, 반도체, 자동차, 배터리, 신재생에너지 등 다양한 산업에서 발생하는 폐수 내 유가금속을 회수하기 위한 기술은 환경보호뿐만 아니라 경제적인 측면에서도 중요하다. 우리나라에서는 주로 폐수에 화학물질을 첨가해 중금속 이온을 산화물 형태로 석출시키는 방식을 사용하는데, 이 과정에서 유해 화학물질이 유출되는 등 사고가 잇따르고 있어 보다 친환경적인 기술 개발이 필요한 상황이다. 이런 가운데 한국과학기술연구원 (KIST, 원장 윤석진)은 물자원순환연구단 최재우 박사팀이 금속을 흡착한 후 결정화하는 방식으로 수중의 금속 이온을 회수하고, 회수된 금속 결정은 스스로 탈착되어 자가 재생이 가능한 섬유형 금속 회수 소재를 개발했다고 밝혔다. KIST 연구팀은 섬유 형태의 소재 표면에 특정 화학기능기를 고정하면 수중 금속 이온이 결정화되는 현상을 활용하는 한편, 형성된 결정을 떼어내는 기술을 도입해 반영구적으로 사용할 수 있는 흡착 소재를 개발했다. 구리 이온으로 실험했을 때 기존 흡착제의 최대 흡착량은 약 1,060mg/g에 불과하지만, 개발된 소재를 활용하면 무한대에 가까운 흡착성능을 확보할 수 있다. 또한 기존 고기능성 흡착제는 수 나노미터에서 수십 마이크로미터로 지름의 작은 알갱이 형태로 되어 있어 수중에서 활용하기 어렵지만, KIST 연구팀이 개발한 금속 회수 소재는 섬유 형태를 가져 수중 제어가 쉬우므로 실제 금속 회수 공정에 적용하기 용이하다. KIST 최재우 박사는 “개발 소재는 아크릴 섬유를 기반으로 만들어지기 때문에 습식 방사 공정을 통한 대량생산이 가능할 뿐 아니라 폐의류를 활용하는 것도 가능하다”라고 밝히며, “폐수 재활용 기술을 통해 산업계의 수요가 높은 유가금속의 해외 의존도를 낮출 수 있을 것”이라고 기대했다. 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 소재혁신 선도사업(2020M3H4A3106366), 세종 과학 펠로우십(RS-2023-00209565)과 KIST 기관고유사업(2E32442)으로 수행된 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Advanced Fiber Materials」에 2023년 10월 16일 게재*되었다. [그림 1] 자가재생 섬유의 제조 공정과 구조, 그리고 금속 회수 현상 (a) 자가재생 섬유의 전구체 섬유를 제조하는 습식 방사 공정. (b) 전구체 섬유 및 (c) 자가재생 섬유의 구조. (d) 자가재생 섬유의 표면에서 금속 이온이 흡착-결정화-성장-탈착하는 과정을 나타내는 모식도. (e) 자가재생 섬유의 표면에 형성된 금속 결정. (f) 디지털카메라로 촬영된 구리 금속에 담겨진 자가재생 섬유. 자가재생 섬유 표면에 형성된 구리 결정의 (g) 접착력 저하, (h) 충돌, (i) 곡률에 의한 탈착과정. [그림 2] 자가재생 섬유를 활용한 구리 회수 성능 (a) 자가재생 섬유의 결정 탈착 기능을 지닌 결함 영역의 함량에 따라 변화되는 시간에 따른 구리 흡착량. (b) 자가재생 섬유의 두께에 따라 변화되는 시간에 따른 구리 흡착량. (c) 용액에 포함된 구리 이온이 자가재생 섬유의 농도에 따라 용액에 존재하는 구리 이온의 비율이 줄어드는 양상. (d) 용액에 포함된 구리 이온의 초기 농도에 따른 구리 회수 속도를 나타냄. (e) 구리 용액의 pH에 따라 변화되는 구리 이온 회수 속도. (f-i) 5000 mg/L의 초기 농도를 지닌 구리 용액에 담지된 자가재생 섬유로 인해 용액은 맑아지고 반응조 바닥에 형성된 구리 결정. [그림 3] 자가재생 섬유의 표면에 있는 구리 결정의 탈착 현상 결함 영역이 좁은 경우 (a) 섬유와 결정 사이의 접착력 저하, (b) 곡률로 인한 복원력에 의한 구리 결정 탈착 현상. (c) 결함 영역이 특정한 경우에는 성장하던 결정들끼리 발산하고 수렴하여 탈착되는 현상. (d) 결함 영역이 넓은 경우 탈착 없이 결정은 성장하여 섬유를 뒤덮은 채로 결정 성장이 종료되는 현상. (e-h) 각 구리 결정이 탈착되는 순간을 포착하여 촬영된 전자현미경 이미지. (i) 구리 결정이 탈착되지 않고 섬유를 둘러싼 순간을 포착하여 촬영된 전자현미경 이미지. (k) 반응조 바닥에 포집된 구리 결정 및 (l) X-ray 회절분석 결과. [그림 4] 자가재생 섬유가 적용된 반영구 금속 회수 모듈 (a) 자가재생 섬유가 적용된 반영구 금속 회수 모듈의 모식도. (b) 자가재생 섬유 표면에 형성된 금속 결정. (c) 모듈 바닥에서 회수된 금속 결정의 전자현미경 이미지. (d) 자가재생 섬유가 적용된 반영구 금속 회수 모듈의 실제 사진. (e) 금속 회수 이후 모듈 사진. (g) 자가재생 과정동안 섬유의 표면 화학기능기의 시간에 따른 변화를 나타내는 표면 분석 결과. ○ 논문명: A Self-Regenerable Fiber Sloughing Its Heavy Metal Skin for Ultra-High Separation Capability ○ 학술지: Advanced Fiber Materials ○ 게재일: 2023. 10. 16. ○ DOI: https://doi.org/10.1007/s42765-023-00333-0 ○ 논문저자 - 정영균 박사 후 연구원(제1저자/KIST 물자원순환연구단) - 고영건 교수(교신저자/상명대학교 생명화학공학부 화공신소재전공) - 최재우 책임연구원(교신저자/KIST 물자원순환연구단)

- 산업폐수에서 유가금속 회수하는 섬유기반 흡착 소재 개발 - 소재의 교체 및 재생이 필요 없어 독성 화학물질과 에너지 사용을 최소화 도금, 반도체, 자동차, 배터리, 신재생에너지 등 다양한 산업에서 발생하는 폐수 내 유가금속을 회수하기 위한 기술은 환경보호뿐만 아니라 경제적인 측면에서도 중요하다. 우리나라에서는 주로 폐수에 화학물질을 첨가해 중금속 이온을 산화물 형태로 석출시키는 방식을 사용하는데, 이 과정에서 유해 화학물질이 유출되는 등 사고가 잇따르고 있어 보다 친환경적인 기술 개발이 필요한 상황이다. 이런 가운데 한국과학기술연구원 (KIST, 원장 윤석진)은 물자원순환연구단 최재우 박사팀이 금속을 흡착한 후 결정화하는 방식으로 수중의 금속 이온을 회수하고, 회수된 금속 결정은 스스로 탈착되어 자가 재생이 가능한 섬유형 금속 회수 소재를 개발했다고 밝혔다. KIST 연구팀은 섬유 형태의 소재 표면에 특정 화학기능기를 고정하면 수중 금속 이온이 결정화되는 현상을 활용하는 한편, 형성된 결정을 떼어내는 기술을 도입해 반영구적으로 사용할 수 있는 흡착 소재를 개발했다. 구리 이온으로 실험했을 때 기존 흡착제의 최대 흡착량은 약 1,060mg/g에 불과하지만, 개발된 소재를 활용하면 무한대에 가까운 흡착성능을 확보할 수 있다. 또한 기존 고기능성 흡착제는 수 나노미터에서 수십 마이크로미터로 지름의 작은 알갱이 형태로 되어 있어 수중에서 활용하기 어렵지만, KIST 연구팀이 개발한 금속 회수 소재는 섬유 형태를 가져 수중 제어가 쉬우므로 실제 금속 회수 공정에 적용하기 용이하다. KIST 최재우 박사는 “개발 소재는 아크릴 섬유를 기반으로 만들어지기 때문에 습식 방사 공정을 통한 대량생산이 가능할 뿐 아니라 폐의류를 활용하는 것도 가능하다”라고 밝히며, “폐수 재활용 기술을 통해 산업계의 수요가 높은 유가금속의 해외 의존도를 낮출 수 있을 것”이라고 기대했다. 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 소재혁신 선도사업(2020M3H4A3106366), 세종 과학 펠로우십(RS-2023-00209565)과 KIST 기관고유사업(2E32442)으로 수행된 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Advanced Fiber Materials」에 2023년 10월 16일 게재*되었다. [그림 1] 자가재생 섬유의 제조 공정과 구조, 그리고 금속 회수 현상 (a) 자가재생 섬유의 전구체 섬유를 제조하는 습식 방사 공정. (b) 전구체 섬유 및 (c) 자가재생 섬유의 구조. (d) 자가재생 섬유의 표면에서 금속 이온이 흡착-결정화-성장-탈착하는 과정을 나타내는 모식도. (e) 자가재생 섬유의 표면에 형성된 금속 결정. (f) 디지털카메라로 촬영된 구리 금속에 담겨진 자가재생 섬유. 자가재생 섬유 표면에 형성된 구리 결정의 (g) 접착력 저하, (h) 충돌, (i) 곡률에 의한 탈착과정. [그림 2] 자가재생 섬유를 활용한 구리 회수 성능 (a) 자가재생 섬유의 결정 탈착 기능을 지닌 결함 영역의 함량에 따라 변화되는 시간에 따른 구리 흡착량. (b) 자가재생 섬유의 두께에 따라 변화되는 시간에 따른 구리 흡착량. (c) 용액에 포함된 구리 이온이 자가재생 섬유의 농도에 따라 용액에 존재하는 구리 이온의 비율이 줄어드는 양상. (d) 용액에 포함된 구리 이온의 초기 농도에 따른 구리 회수 속도를 나타냄. (e) 구리 용액의 pH에 따라 변화되는 구리 이온 회수 속도. (f-i) 5000 mg/L의 초기 농도를 지닌 구리 용액에 담지된 자가재생 섬유로 인해 용액은 맑아지고 반응조 바닥에 형성된 구리 결정. [그림 3] 자가재생 섬유의 표면에 있는 구리 결정의 탈착 현상 결함 영역이 좁은 경우 (a) 섬유와 결정 사이의 접착력 저하, (b) 곡률로 인한 복원력에 의한 구리 결정 탈착 현상. (c) 결함 영역이 특정한 경우에는 성장하던 결정들끼리 발산하고 수렴하여 탈착되는 현상. (d) 결함 영역이 넓은 경우 탈착 없이 결정은 성장하여 섬유를 뒤덮은 채로 결정 성장이 종료되는 현상. (e-h) 각 구리 결정이 탈착되는 순간을 포착하여 촬영된 전자현미경 이미지. (i) 구리 결정이 탈착되지 않고 섬유를 둘러싼 순간을 포착하여 촬영된 전자현미경 이미지. (k) 반응조 바닥에 포집된 구리 결정 및 (l) X-ray 회절분석 결과. [그림 4] 자가재생 섬유가 적용된 반영구 금속 회수 모듈 (a) 자가재생 섬유가 적용된 반영구 금속 회수 모듈의 모식도. (b) 자가재생 섬유 표면에 형성된 금속 결정. (c) 모듈 바닥에서 회수된 금속 결정의 전자현미경 이미지. (d) 자가재생 섬유가 적용된 반영구 금속 회수 모듈의 실제 사진. (e) 금속 회수 이후 모듈 사진. (g) 자가재생 과정동안 섬유의 표면 화학기능기의 시간에 따른 변화를 나타내는 표면 분석 결과. ○ 논문명: A Self-Regenerable Fiber Sloughing Its Heavy Metal Skin for Ultra-High Separation Capability ○ 학술지: Advanced Fiber Materials ○ 게재일: 2023. 10. 16. ○ DOI: https://doi.org/10.1007/s42765-023-00333-0 ○ 논문저자 - 정영균 박사 후 연구원(제1저자/KIST 물자원순환연구단) - 고영건 교수(교신저자/상명대학교 생명화학공학부 화공신소재전공) - 최재우 책임연구원(교신저자/KIST 물자원순환연구단)

- 산업폐수에서 유가금속 회수하는 섬유기반 흡착 소재 개발 - 소재의 교체 및 재생이 필요 없어 독성 화학물질과 에너지 사용을 최소화 도금, 반도체, 자동차, 배터리, 신재생에너지 등 다양한 산업에서 발생하는 폐수 내 유가금속을 회수하기 위한 기술은 환경보호뿐만 아니라 경제적인 측면에서도 중요하다. 우리나라에서는 주로 폐수에 화학물질을 첨가해 중금속 이온을 산화물 형태로 석출시키는 방식을 사용하는데, 이 과정에서 유해 화학물질이 유출되는 등 사고가 잇따르고 있어 보다 친환경적인 기술 개발이 필요한 상황이다. 이런 가운데 한국과학기술연구원 (KIST, 원장 윤석진)은 물자원순환연구단 최재우 박사팀이 금속을 흡착한 후 결정화하는 방식으로 수중의 금속 이온을 회수하고, 회수된 금속 결정은 스스로 탈착되어 자가 재생이 가능한 섬유형 금속 회수 소재를 개발했다고 밝혔다. KIST 연구팀은 섬유 형태의 소재 표면에 특정 화학기능기를 고정하면 수중 금속 이온이 결정화되는 현상을 활용하는 한편, 형성된 결정을 떼어내는 기술을 도입해 반영구적으로 사용할 수 있는 흡착 소재를 개발했다. 구리 이온으로 실험했을 때 기존 흡착제의 최대 흡착량은 약 1,060mg/g에 불과하지만, 개발된 소재를 활용하면 무한대에 가까운 흡착성능을 확보할 수 있다. 또한 기존 고기능성 흡착제는 수 나노미터에서 수십 마이크로미터로 지름의 작은 알갱이 형태로 되어 있어 수중에서 활용하기 어렵지만, KIST 연구팀이 개발한 금속 회수 소재는 섬유 형태를 가져 수중 제어가 쉬우므로 실제 금속 회수 공정에 적용하기 용이하다. KIST 최재우 박사는 “개발 소재는 아크릴 섬유를 기반으로 만들어지기 때문에 습식 방사 공정을 통한 대량생산이 가능할 뿐 아니라 폐의류를 활용하는 것도 가능하다”라고 밝히며, “폐수 재활용 기술을 통해 산업계의 수요가 높은 유가금속의 해외 의존도를 낮출 수 있을 것”이라고 기대했다. 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 소재혁신 선도사업(2020M3H4A3106366), 세종 과학 펠로우십(RS-2023-00209565)과 KIST 기관고유사업(2E32442)으로 수행된 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Advanced Fiber Materials」에 2023년 10월 16일 게재*되었다. [그림 1] 자가재생 섬유의 제조 공정과 구조, 그리고 금속 회수 현상 (a) 자가재생 섬유의 전구체 섬유를 제조하는 습식 방사 공정. (b) 전구체 섬유 및 (c) 자가재생 섬유의 구조. (d) 자가재생 섬유의 표면에서 금속 이온이 흡착-결정화-성장-탈착하는 과정을 나타내는 모식도. (e) 자가재생 섬유의 표면에 형성된 금속 결정. (f) 디지털카메라로 촬영된 구리 금속에 담겨진 자가재생 섬유. 자가재생 섬유 표면에 형성된 구리 결정의 (g) 접착력 저하, (h) 충돌, (i) 곡률에 의한 탈착과정. [그림 2] 자가재생 섬유를 활용한 구리 회수 성능 (a) 자가재생 섬유의 결정 탈착 기능을 지닌 결함 영역의 함량에 따라 변화되는 시간에 따른 구리 흡착량. (b) 자가재생 섬유의 두께에 따라 변화되는 시간에 따른 구리 흡착량. (c) 용액에 포함된 구리 이온이 자가재생 섬유의 농도에 따라 용액에 존재하는 구리 이온의 비율이 줄어드는 양상. (d) 용액에 포함된 구리 이온의 초기 농도에 따른 구리 회수 속도를 나타냄. (e) 구리 용액의 pH에 따라 변화되는 구리 이온 회수 속도. (f-i) 5000 mg/L의 초기 농도를 지닌 구리 용액에 담지된 자가재생 섬유로 인해 용액은 맑아지고 반응조 바닥에 형성된 구리 결정. [그림 3] 자가재생 섬유의 표면에 있는 구리 결정의 탈착 현상 결함 영역이 좁은 경우 (a) 섬유와 결정 사이의 접착력 저하, (b) 곡률로 인한 복원력에 의한 구리 결정 탈착 현상. (c) 결함 영역이 특정한 경우에는 성장하던 결정들끼리 발산하고 수렴하여 탈착되는 현상. (d) 결함 영역이 넓은 경우 탈착 없이 결정은 성장하여 섬유를 뒤덮은 채로 결정 성장이 종료되는 현상. (e-h) 각 구리 결정이 탈착되는 순간을 포착하여 촬영된 전자현미경 이미지. (i) 구리 결정이 탈착되지 않고 섬유를 둘러싼 순간을 포착하여 촬영된 전자현미경 이미지. (k) 반응조 바닥에 포집된 구리 결정 및 (l) X-ray 회절분석 결과. [그림 4] 자가재생 섬유가 적용된 반영구 금속 회수 모듈 (a) 자가재생 섬유가 적용된 반영구 금속 회수 모듈의 모식도. (b) 자가재생 섬유 표면에 형성된 금속 결정. (c) 모듈 바닥에서 회수된 금속 결정의 전자현미경 이미지. (d) 자가재생 섬유가 적용된 반영구 금속 회수 모듈의 실제 사진. (e) 금속 회수 이후 모듈 사진. (g) 자가재생 과정동안 섬유의 표면 화학기능기의 시간에 따른 변화를 나타내는 표면 분석 결과. ○ 논문명: A Self-Regenerable Fiber Sloughing Its Heavy Metal Skin for Ultra-High Separation Capability ○ 학술지: Advanced Fiber Materials ○ 게재일: 2023. 10. 16. ○ DOI: https://doi.org/10.1007/s42765-023-00333-0 ○ 논문저자 - 정영균 박사 후 연구원(제1저자/KIST 물자원순환연구단) - 고영건 교수(교신저자/상명대학교 생명화학공학부 화공신소재전공) - 최재우 책임연구원(교신저자/KIST 물자원순환연구단)

- ｢2023 Global Research Summit: GRaND Challenge｣ 10월 23일 개최 - 글로벌 석학과 초고난도 그랜드챌린지(GRaND Challenge) 성과 공유 및 추진 방향 모색 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 2023년 10월 23일(월) 서울 성북구 KIST 본원에서 ‘2023 Global Research Summit: GRaND Challenge’를 개최했다. 올해 처음 개최된 이번 행사는 KIST가 추진 중인 기존의 패러다임을 뛰어넘는 초난제 연구과제의 수행 현황과 성과를 공유하고 글로벌 석학 및 관련 전문가들과 함께 난제 해결을 위한 새로운 연구 방향을 모색하기 위해 마련했다. KIST는 지난 2021년부터 성공 가능성은 매우 낮지만 성공하면 세상을 바꿀 수 있는 초고난도 연구인 그랜드챌린지(GC, GRaND* Challenge) 사업을 수행하고 있으며 이를 통해 과감하고 모험적인 R&D를 적극 수행하는 등 도전적 연구 환경을 조성해 왔다. ※ GC(GRaND Challenge) 사업: 실패를 두려워하지 않는 세계 최고, 세계 최초의 과감한 목표설정을 장려하여 혁신적 주제를 발굴하고 과정 중심의 평가 추진 * GRaND : Globally Recognized and Nationally Dedicating Challenge 본 행사에서는 2021년 선정된 ‘자폐 조기 진단 및 치료제 개발(연구책임자: 추현아 박사)’, ‘인공 광수용체 기반 시각 복원 기술 개발(연구책임자: 김재헌 박사)’, ‘지방 면역 유도 노화 제어 기술 개발(연구책임자: 김세훈 박사)’의 3개 연구과제에 대한 주제 강연과 과제발표가 병행됐으며 현장과 온라인을 결합한 하이브리드 형식으로 진행됐다. 먼저, 자폐 분야의 권위자인 美 MIT대 구핑 펭(Guoping Feng) 교수와 시각복원 분야의 대가인 美 Stanford대 다니엘 팔랭커(Daniel Palanker) 교수가 화상을 통해 해당 분야의 최신 연구 트렌드에 대하여 주제 강연을 하고 관련 KIST 연구자가 수행 중인 GC 연구에 대해 발표했다. 노화 분야는 세계적 노화 연구 전문가인 前 美 버크노화연구소장이자 싱가포르 국립대(NUS) 석좌교수인 브라이언 케너디(Brian Kennedy) 교수가 ‘The Longevity Revolution’이라는 주제로 현장 강연을 진행했으며 KIST 연구자의 발표 후 노화 연구의 미래 방향에 대해 논의가 이루어졌다. 또한, 이 3개 연구과제는 공개 세션 이후 진행된 심층 세미나를 통해 국내외 관련 전문가들과 함께 보다 새로운 해법을 찾기 위한 심도 있는 논의를 진행했다. 아울러 2022년 선정된 췌장암 치료, 셀룰로오스 나노 소재, 초고출력 용액공정 태양전지 분야의 3개 GC 연구과제의 추진 현황을 공유하는 자리를 가졌다. 김복철 NST 이사장은 축사를 통해 “실패 없는 안정적 연구에서 벗어나 고위험, 도전적인 연구 문화를 조성한 KIST의 새로운 도전은 모범적인 사례가 될 것이다”라고 밝혔다. 또한, KIST 윤석진 원장은 “성공에 안주하지 않고, 실패 가능성은 높으나 개척해야만 하는 미지의 영역에 대한 글로벌 최고 수준의 초고난도 연구가 지속될 수 있도록 지켜봐 달라”고 말했다.

- 퇴원한 뇌졸중 환자 대상 비대면 진료부터 회복 모니터링까지 가능 - KIST, 고려대의료원⋅㈜이센 공동으로 실증 추진 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 고려대학교 의료원, ㈜이센과 함께 “뇌질환자 비대면 진료보조 시스템”의 실증특례를 본격 추진한다고 밝혔다. 서울시 최초로 시행하는 이번 사업은 퇴원한 뇌졸중 환자를 대상으로 9월 8일 시작됐다. 국민건강보험공단의 자료에 따르면 최근 6년간 뇌졸중으로 진료받은 환자 수는 ▲2015년 53만 명 ▲2016년 57만 명 ▲2017년 57만 명 ▲2018년 59만 명 ▲2019년 61만 명 ▲2020년 59만 명으로 거의 매년 증가하고 있다. 특히, 50대 이상 고령 환자가 많아 응급상황에서 즉각적으로 처방 및 예방조치가 필요하다. 이번 실증특례 사업에 참여하는 환자는 비대면 진료를 통해 대면 진료와 그 다음 대면 진료 사이에 공백을 메울 수 있게 된다. 평소 환자가 기록한 식사, 복약 여부, 문진 결과 및 IoT 기기를 사용한 신체기능 데이터는 의료진에게 실시간으로 공유돼 모니터링된다. 이 데이터를 기반으로 의료진은 개인별 맞춤 처방을 통해 환자의 빠른 일상 회복을 돕게 된다. 비대면 진료가 가능해질 경우, 상대적으로 대면 진료의 부담이 큰 거동이 불편한 환자가 한 번이라도 더 의사를 만나 이상 증상을 조기에 발견할 수 있다. 이와 더불어 비대면 처방전 발급, 약 배송 등의 기능을 안전하게 제공할 수 있도록 관련 부처와 논의가 진행되고 있어 향후 고령자, 도서·산간 거주자 등 의료 취약계층의 의료 접근성을 크게 개선할 수 있을 것으로 기대된다. 이번 사업을 추진하는 KIST 바이오닉스연구센터 한성민 책임연구원은 "뇌 손상으로 운동 기능이 저하되거나 장애가 생긴 환자는 초기에 집중 관리가 필요하다. 이번 실증특례 사업을 통해 뇌질환자 비대면 진료 보조시스템이 그러한 역할을 할 수 있다"고 밝혔다. 임환 홍릉강소특구사업단장은 “실증특례 사업은 홍릉강소특구가 가지고 있는 제도적 지원을 통해 규제로 인해 사업화에 어려움을 겪는 신산업 분야에 있어 돌파구를 제공할 수 있다”며 “혁신 기술을 보유한 기업들이 실증특례 승인을 받을 수 있도록 홍릉강소특구가 보유한 병원, 대학, 연구소 등의 인프라를 적극 제공하겠다”라고 밝혔다. 서울홍릉강소연구개발특구는 KIST와 경희대학교, 고려대학교가 기술핵심기관으로 참여하고 있으며 글로벌 바이오 클러스터 조성을 목표로 초격차 기업 육성, 글로벌 진출 지원, 창업학교 운영 및 전문인력 양성 등의 다양한 성장 전략을 펼치고 있다. 특히, 홍릉은 서울권 유일의 실증특례가 가능한 지역으로, 바이오·의료 산업에 있어 많은 기업이 신기술을 활용한 사업을 추진할 수 있도록 제도적 발판을 마련하는 등 적극적인 지원을 추진하고 있다.

- 태양광 조사 조건에서 작동하는 친환경 나노플라스틱 제거 소재 - 기존 정수장에서 처리하기 어려운 수백 나노미터 수준 미세플라스틱 추가설비 없이 응집제만으로 99% 제거 가능 플라스틱 폐기물은 시간이 지나면서 분해를 거듭해 미세플라스틱으로 변한다. 현재 운용 중인 정수장에서는 20μm보다 작은 미세플라스틱은 제거할 수 없어 보다 큰 크기로 뭉친 후 제거해야 한다. 이를 위해 철 (Fe) 또는 알루미늄 (Al) 기반 응집제가 사용되나, 이들 물질은 물에 잔류해 인체에 심한 독성을 유발하기 때문에 별도의 처리 공정이 요구되는 등 궁극적인 해결책은 되지 못한다. 한국과학기술연구원 (KIST, 원장 윤석진) 물자원순환연구단 최재우 박사 연구팀은 가시광이 조사되는 조건에서 나노플라스틱을 효과적으로 응집할 수 있는 친환경 금속-유기물 골격체 기반 고형 응집제를 개발했다고 밝혔다. 페로시안화 칼륨 용액에 염화 철(III)을 더한 금속-유기물 골격체 기반 물질인 ‘프러시안 블루’최초의 합성안료로 청바지를 진한 파란색으로 물들이는 데 사용되며, 최근에는 일본 방류수에서 방사성 원소인 세슘을 흡착하는 용도로도 사용된 바 있다. KIST 연구팀은 프러시안 블루를 활용한 수중 방사성 물질 제거 관련 실험을 진행하던 중 가시광 조사 조건에서 프러시안 블루가 미세플라스틱을 효과적으로 응집하는 현상을 발견했다. KIST 연구팀은 프러시안 블루의 응집효율을 극대화할 수 있도록 결정 구조를 조절해 미세플라스틱을 효과적으로 제거할 수 있는 소재를 개발했다. 개발된 소재에 가시광을 조사하면 기존 여과기술로는 제거하기 힘들었던 약 0.15μm(150nm) 직경의 초미세플라스틱을 약 4,100배 크기로 응집해 제거가 용이한 크기로 만들 수 있다. 실제 실험 결과 물속 미세플라스틱을 최대 99%까지 제거하는 것을 확인했다. 개발된 소재는 또한 자신보다 3배 이상 많은 양의 초미세플라스틱을 응집할 수 있는 성능을 지니고 있는데, 이는 기존에 활용되는 철이나 알루미늄을 사용한 응집제보다 약 250배 우수한 응집효율이다. 연구팀이 개발한 소재는 특히 인체에 무해한 프러시안 블루 소재를 사용할 뿐 아니라 물에 녹여 사용하는 방식이 아닌 고형 응집제를 사용하기 때문에 잔여물 회수가 쉽다. 또한 자연광을 에너지원으로 하므로 저에너지 공정 구현 또한 가능하다. KIST 최재우 박사는 “일반적인 하천, 하폐수 처리 시설이나 정수장에 적용할 수 있는 후보 소재로서 상용화 가능성이 매우 높은 기술”이라며, “개발된 소재를 사용하면 수계에 존재하는 나노플라스틱뿐 아니라 물속 방사성 세슘까지 정화할 수 있어 안전한 물을 공급할 수 있을 것”이라고 기대했다. 한편, 논문의 제1저자인 KIST 정영균 박사후 연구원은 “이 소재의 원리를 활용하면 초미세플라스틱 뿐 아니라 수계에 존재하는 다양한 오염물질을 제거하는데 활용 가능할 것”이라고 밝혔다. 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원으로 소재혁신선도사업(2020M3H4A3106366)과 KIST 기관고유사업(2E32442)으로 수행된 이번 연구성과는 국제 학술지 「Water Research」에 10월 1일 게재*되었다. [그림 1] 나노플라스틱과 가시광 활성 응집 소재의 상호작용 수중 응집소재가 가시광조사 환경에서 나노플라스틱과 정전기적인 상호작용을 통해 화학적인 산화-환원 반응을 일으키고 그 결과 안정화된 응집물이 형성된다. [그림 2] 가시광활성 나노플라스틱 응집소재의 구조 및 응집 과정 (a) 나노플라스틱 응집 소재의 구조와 합성 과정을 보여준다. (b) 가시광이 조사되는 나노플라스틱이 존재하는 물에 응집소재를 첨가한 후 응집물이 형성되는 과정을 보여준다. 가시광이 조사되면 (f) 격자 내 전자 이동이 발생되어 정전기적인 준안정 상태를 유도한다. (g) 이를 안정화하기 위하여 표면 음전하를 띤 나노플라스틱과 응집 현상이 일어나고 (h) 안정화된다. 20 μm 이상의 응집물에 포함된 나노플라스틱을 (c) 막을 활용하여 회수한다. (d) 이미지는 응집물을 촬영한 전자주사현미경 이미지를 보여주며 (e)는 응집물에 포함된 나노플라스틱을 보여주는 확대 전자주사현미경 이미지이다. [그림 3] 응집 소재를 활용한 나노플라스틱 제거 성능 (a)는 가시광 조사 환경에서 시간에 따라 나노플라스틱과 응집소재가 응집되어 서로 뭉치는 과정을 촬영한 스냅숏 이미지를 나타낸다. (b) 처리 시간에 따라 응집물의 크기가 증가되어 25분이 지나면 응집물의 크기가 최대가 되며 제거 반응이 종료되는 것을 나타내는 그래프이다. (c) 폴리알루미늄클로라이드(PAC)라는 상용 수용성 알루미늄 기반 응집제와 본 연구의 고형 응집 소재를 활용해 형성된 응집물이 형성된 후 교반 속도에 따른 용액의 탁도를 나타내는 그래프이다. 교반 속도가 증가하면서 생기는 흐름에 의해 응집물이 부서지면 탁도가 높아지게 되는데, 본 연구에서 소개된 소재(FeHCF nanobot)이 형성한 응집물이 상용 응집 소재(PAC)보다 약 2배 가량 높은 교반 속도에서 부서져 높은 물리적인 안정성을 나타낸다. 이러한 안정성은 응집물을 회수하기 용이하게 한다. (d) 나노플라스틱의 농도가 증가함에 따라 소재의 나노플라스틱 제거량이 높아지는 것을 나타내는 그래프이다. (e) 처리시간이 20분 정도 지나면 소재가 반응 평형에 도달해 빠르게 효율적으로 나노플라스틱을 응집할 수 있는 능력을 보여준다. (f) 기존에 개발된 응집 및 흡착소재와 나노플라스틱의 최대 제거 성능과 속도를 비교한 그래프를 나타낸다. 이전 연구들의 결과에서 도출된 수치를 큰 차이로 상회하는 결과를 보여준다. [그림 4] 응집 소재의 실제 자연수로 적용 가능성 평가 (a) 용액의 pH가 응집 소재의 나노플라스틱 제거 성능에 미치는 영향을 보여주는 그래프. 자연수와 유사한 중성 영역의 pH에서 나노플라스틱 제거 성능이 뛰어났다. (b) 자연수에 가장 높은 농도로 존재하는 4가지 양이온이 공존하는 조건에서의 나노플라스틱 제거 성능을 증류수에서의 나노플라스틱 제거 성능과 비교한 그래프를 나타낸다. 또한, (c) 자연수에 가장 높은 농도로 존재하는 4가지 음이온이 공존하는 조건에서의 나노플라스틱 제거 성능을 증류수에서의 나노플라스틱 제거 성능과 비교한 그래프를 나타낸다. (d) 잘 배열된 응집 소재의 결정 격자가 (e) 양이온이 공존하는 조건에서 내부 침투에 의한 격자 간격이 늘어나고(intercalation) 이에 따라 불안정한 상태가 미세플라스틱과의 반응을 촉진했다. (f) 음이온들이 결정 외부에 흡착되며 불안정한 상태가 되어 미세플라스틱과의 반응을 촉진했다. 하지만, (g) 공존하는 유기물은 미세플라스틱에 대한 응집 효율을 저하시켰다. (h) 나노플라스틱의 초기농도가 20 mg/L 미만인 경우에 99.9%의 제거 효율을 보여준다. (i) 적정 가시광의 세기가 조사되는 환경에서 응집 소재의 나노플라스틱 제거 성능이 가장 높았다. ○ 논문명: Visible-light-induced Self-propelled Nanobots Against Nanoplastics ○ 학술지: Water Research ○ 게재일: 2023.10.1. ○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.120543 ○ 논문저자 - 정영균 박사 후 연구원 (제1저자/KIST 물자원순환연구단) - 정경원 책임연구원 (교신저자/KIST 물자원순환연구단) - 최재우 책임연구원 (교신저자/KIST 물자원순환연구단)

- 태양광 조사 조건에서 작동하는 친환경 나노플라스틱 제거 소재 - 기존 정수장에서 처리하기 어려운 수백 나노미터 수준 미세플라스틱 추가설비 없이 응집제만으로 99% 제거 가능 플라스틱 폐기물은 시간이 지나면서 분해를 거듭해 미세플라스틱으로 변한다. 현재 운용 중인 정수장에서는 20μm보다 작은 미세플라스틱은 제거할 수 없어 보다 큰 크기로 뭉친 후 제거해야 한다. 이를 위해 철 (Fe) 또는 알루미늄 (Al) 기반 응집제가 사용되나, 이들 물질은 물에 잔류해 인체에 심한 독성을 유발하기 때문에 별도의 처리 공정이 요구되는 등 궁극적인 해결책은 되지 못한다. 한국과학기술연구원 (KIST, 원장 윤석진) 물자원순환연구단 최재우 박사 연구팀은 가시광이 조사되는 조건에서 나노플라스틱을 효과적으로 응집할 수 있는 친환경 금속-유기물 골격체 기반 고형 응집제를 개발했다고 밝혔다. 페로시안화 칼륨 용액에 염화 철(III)을 더한 금속-유기물 골격체 기반 물질인 ‘프러시안 블루’최초의 합성안료로 청바지를 진한 파란색으로 물들이는 데 사용되며, 최근에는 일본 방류수에서 방사성 원소인 세슘을 흡착하는 용도로도 사용된 바 있다. KIST 연구팀은 프러시안 블루를 활용한 수중 방사성 물질 제거 관련 실험을 진행하던 중 가시광 조사 조건에서 프러시안 블루가 미세플라스틱을 효과적으로 응집하는 현상을 발견했다. KIST 연구팀은 프러시안 블루의 응집효율을 극대화할 수 있도록 결정 구조를 조절해 미세플라스틱을 효과적으로 제거할 수 있는 소재를 개발했다. 개발된 소재에 가시광을 조사하면 기존 여과기술로는 제거하기 힘들었던 약 0.15μm(150nm) 직경의 초미세플라스틱을 약 4,100배 크기로 응집해 제거가 용이한 크기로 만들 수 있다. 실제 실험 결과 물속 미세플라스틱을 최대 99%까지 제거하는 것을 확인했다. 개발된 소재는 또한 자신보다 3배 이상 많은 양의 초미세플라스틱을 응집할 수 있는 성능을 지니고 있는데, 이는 기존에 활용되는 철이나 알루미늄을 사용한 응집제보다 약 250배 우수한 응집효율이다. 연구팀이 개발한 소재는 특히 인체에 무해한 프러시안 블루 소재를 사용할 뿐 아니라 물에 녹여 사용하는 방식이 아닌 고형 응집제를 사용하기 때문에 잔여물 회수가 쉽다. 또한 자연광을 에너지원으로 하므로 저에너지 공정 구현 또한 가능하다. KIST 최재우 박사는 “일반적인 하천, 하폐수 처리 시설이나 정수장에 적용할 수 있는 후보 소재로서 상용화 가능성이 매우 높은 기술”이라며, “개발된 소재를 사용하면 수계에 존재하는 나노플라스틱뿐 아니라 물속 방사성 세슘까지 정화할 수 있어 안전한 물을 공급할 수 있을 것”이라고 기대했다. 한편, 논문의 제1저자인 KIST 정영균 박사후 연구원은 “이 소재의 원리를 활용하면 초미세플라스틱 뿐 아니라 수계에 존재하는 다양한 오염물질을 제거하는데 활용 가능할 것”이라고 밝혔다. 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원으로 소재혁신선도사업(2020M3H4A3106366)과 KIST 기관고유사업(2E32442)으로 수행된 이번 연구성과는 국제 학술지 「Water Research」에 10월 1일 게재*되었다. [그림 1] 나노플라스틱과 가시광 활성 응집 소재의 상호작용 수중 응집소재가 가시광조사 환경에서 나노플라스틱과 정전기적인 상호작용을 통해 화학적인 산화-환원 반응을 일으키고 그 결과 안정화된 응집물이 형성된다. [그림 2] 가시광활성 나노플라스틱 응집소재의 구조 및 응집 과정 (a) 나노플라스틱 응집 소재의 구조와 합성 과정을 보여준다. (b) 가시광이 조사되는 나노플라스틱이 존재하는 물에 응집소재를 첨가한 후 응집물이 형성되는 과정을 보여준다. 가시광이 조사되면 (f) 격자 내 전자 이동이 발생되어 정전기적인 준안정 상태를 유도한다. (g) 이를 안정화하기 위하여 표면 음전하를 띤 나노플라스틱과 응집 현상이 일어나고 (h) 안정화된다. 20 μm 이상의 응집물에 포함된 나노플라스틱을 (c) 막을 활용하여 회수한다. (d) 이미지는 응집물을 촬영한 전자주사현미경 이미지를 보여주며 (e)는 응집물에 포함된 나노플라스틱을 보여주는 확대 전자주사현미경 이미지이다. [그림 3] 응집 소재를 활용한 나노플라스틱 제거 성능 (a)는 가시광 조사 환경에서 시간에 따라 나노플라스틱과 응집소재가 응집되어 서로 뭉치는 과정을 촬영한 스냅숏 이미지를 나타낸다. (b) 처리 시간에 따라 응집물의 크기가 증가되어 25분이 지나면 응집물의 크기가 최대가 되며 제거 반응이 종료되는 것을 나타내는 그래프이다. (c) 폴리알루미늄클로라이드(PAC)라는 상용 수용성 알루미늄 기반 응집제와 본 연구의 고형 응집 소재를 활용해 형성된 응집물이 형성된 후 교반 속도에 따른 용액의 탁도를 나타내는 그래프이다. 교반 속도가 증가하면서 생기는 흐름에 의해 응집물이 부서지면 탁도가 높아지게 되는데, 본 연구에서 소개된 소재(FeHCF nanobot)이 형성한 응집물이 상용 응집 소재(PAC)보다 약 2배 가량 높은 교반 속도에서 부서져 높은 물리적인 안정성을 나타낸다. 이러한 안정성은 응집물을 회수하기 용이하게 한다. (d) 나노플라스틱의 농도가 증가함에 따라 소재의 나노플라스틱 제거량이 높아지는 것을 나타내는 그래프이다. (e) 처리시간이 20분 정도 지나면 소재가 반응 평형에 도달해 빠르게 효율적으로 나노플라스틱을 응집할 수 있는 능력을 보여준다. (f) 기존에 개발된 응집 및 흡착소재와 나노플라스틱의 최대 제거 성능과 속도를 비교한 그래프를 나타낸다. 이전 연구들의 결과에서 도출된 수치를 큰 차이로 상회하는 결과를 보여준다. [그림 4] 응집 소재의 실제 자연수로 적용 가능성 평가 (a) 용액의 pH가 응집 소재의 나노플라스틱 제거 성능에 미치는 영향을 보여주는 그래프. 자연수와 유사한 중성 영역의 pH에서 나노플라스틱 제거 성능이 뛰어났다. (b) 자연수에 가장 높은 농도로 존재하는 4가지 양이온이 공존하는 조건에서의 나노플라스틱 제거 성능을 증류수에서의 나노플라스틱 제거 성능과 비교한 그래프를 나타낸다. 또한, (c) 자연수에 가장 높은 농도로 존재하는 4가지 음이온이 공존하는 조건에서의 나노플라스틱 제거 성능을 증류수에서의 나노플라스틱 제거 성능과 비교한 그래프를 나타낸다. (d) 잘 배열된 응집 소재의 결정 격자가 (e) 양이온이 공존하는 조건에서 내부 침투에 의한 격자 간격이 늘어나고(intercalation) 이에 따라 불안정한 상태가 미세플라스틱과의 반응을 촉진했다. (f) 음이온들이 결정 외부에 흡착되며 불안정한 상태가 되어 미세플라스틱과의 반응을 촉진했다. 하지만, (g) 공존하는 유기물은 미세플라스틱에 대한 응집 효율을 저하시켰다. (h) 나노플라스틱의 초기농도가 20 mg/L 미만인 경우에 99.9%의 제거 효율을 보여준다. (i) 적정 가시광의 세기가 조사되는 환경에서 응집 소재의 나노플라스틱 제거 성능이 가장 높았다. ○ 논문명: Visible-light-induced Self-propelled Nanobots Against Nanoplastics ○ 학술지: Water Research ○ 게재일: 2023.10.1. ○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.120543 ○ 논문저자 - 정영균 박사 후 연구원 (제1저자/KIST 물자원순환연구단) - 정경원 책임연구원 (교신저자/KIST 물자원순환연구단) - 최재우 책임연구원 (교신저자/KIST 물자원순환연구단)

- 태양광 조사 조건에서 작동하는 친환경 나노플라스틱 제거 소재 - 기존 정수장에서 처리하기 어려운 수백 나노미터 수준 미세플라스틱 추가설비 없이 응집제만으로 99% 제거 가능 플라스틱 폐기물은 시간이 지나면서 분해를 거듭해 미세플라스틱으로 변한다. 현재 운용 중인 정수장에서는 20μm보다 작은 미세플라스틱은 제거할 수 없어 보다 큰 크기로 뭉친 후 제거해야 한다. 이를 위해 철 (Fe) 또는 알루미늄 (Al) 기반 응집제가 사용되나, 이들 물질은 물에 잔류해 인체에 심한 독성을 유발하기 때문에 별도의 처리 공정이 요구되는 등 궁극적인 해결책은 되지 못한다. 한국과학기술연구원 (KIST, 원장 윤석진) 물자원순환연구단 최재우 박사 연구팀은 가시광이 조사되는 조건에서 나노플라스틱을 효과적으로 응집할 수 있는 친환경 금속-유기물 골격체 기반 고형 응집제를 개발했다고 밝혔다. 페로시안화 칼륨 용액에 염화 철(III)을 더한 금속-유기물 골격체 기반 물질인 ‘프러시안 블루’최초의 합성안료로 청바지를 진한 파란색으로 물들이는 데 사용되며, 최근에는 일본 방류수에서 방사성 원소인 세슘을 흡착하는 용도로도 사용된 바 있다. KIST 연구팀은 프러시안 블루를 활용한 수중 방사성 물질 제거 관련 실험을 진행하던 중 가시광 조사 조건에서 프러시안 블루가 미세플라스틱을 효과적으로 응집하는 현상을 발견했다. KIST 연구팀은 프러시안 블루의 응집효율을 극대화할 수 있도록 결정 구조를 조절해 미세플라스틱을 효과적으로 제거할 수 있는 소재를 개발했다. 개발된 소재에 가시광을 조사하면 기존 여과기술로는 제거하기 힘들었던 약 0.15μm(150nm) 직경의 초미세플라스틱을 약 4,100배 크기로 응집해 제거가 용이한 크기로 만들 수 있다. 실제 실험 결과 물속 미세플라스틱을 최대 99%까지 제거하는 것을 확인했다. 개발된 소재는 또한 자신보다 3배 이상 많은 양의 초미세플라스틱을 응집할 수 있는 성능을 지니고 있는데, 이는 기존에 활용되는 철이나 알루미늄을 사용한 응집제보다 약 250배 우수한 응집효율이다. 연구팀이 개발한 소재는 특히 인체에 무해한 프러시안 블루 소재를 사용할 뿐 아니라 물에 녹여 사용하는 방식이 아닌 고형 응집제를 사용하기 때문에 잔여물 회수가 쉽다. 또한 자연광을 에너지원으로 하므로 저에너지 공정 구현 또한 가능하다. KIST 최재우 박사는 “일반적인 하천, 하폐수 처리 시설이나 정수장에 적용할 수 있는 후보 소재로서 상용화 가능성이 매우 높은 기술”이라며, “개발된 소재를 사용하면 수계에 존재하는 나노플라스틱뿐 아니라 물속 방사성 세슘까지 정화할 수 있어 안전한 물을 공급할 수 있을 것”이라고 기대했다. 한편, 논문의 제1저자인 KIST 정영균 박사후 연구원은 “이 소재의 원리를 활용하면 초미세플라스틱 뿐 아니라 수계에 존재하는 다양한 오염물질을 제거하는데 활용 가능할 것”이라고 밝혔다. 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원으로 소재혁신선도사업(2020M3H4A3106366)과 KIST 기관고유사업(2E32442)으로 수행된 이번 연구성과는 국제 학술지 「Water Research」에 10월 1일 게재*되었다. [그림 1] 나노플라스틱과 가시광 활성 응집 소재의 상호작용 수중 응집소재가 가시광조사 환경에서 나노플라스틱과 정전기적인 상호작용을 통해 화학적인 산화-환원 반응을 일으키고 그 결과 안정화된 응집물이 형성된다. [그림 2] 가시광활성 나노플라스틱 응집소재의 구조 및 응집 과정 (a) 나노플라스틱 응집 소재의 구조와 합성 과정을 보여준다. (b) 가시광이 조사되는 나노플라스틱이 존재하는 물에 응집소재를 첨가한 후 응집물이 형성되는 과정을 보여준다. 가시광이 조사되면 (f) 격자 내 전자 이동이 발생되어 정전기적인 준안정 상태를 유도한다. (g) 이를 안정화하기 위하여 표면 음전하를 띤 나노플라스틱과 응집 현상이 일어나고 (h) 안정화된다. 20 μm 이상의 응집물에 포함된 나노플라스틱을 (c) 막을 활용하여 회수한다. (d) 이미지는 응집물을 촬영한 전자주사현미경 이미지를 보여주며 (e)는 응집물에 포함된 나노플라스틱을 보여주는 확대 전자주사현미경 이미지이다. [그림 3] 응집 소재를 활용한 나노플라스틱 제거 성능 (a)는 가시광 조사 환경에서 시간에 따라 나노플라스틱과 응집소재가 응집되어 서로 뭉치는 과정을 촬영한 스냅숏 이미지를 나타낸다. (b) 처리 시간에 따라 응집물의 크기가 증가되어 25분이 지나면 응집물의 크기가 최대가 되며 제거 반응이 종료되는 것을 나타내는 그래프이다. (c) 폴리알루미늄클로라이드(PAC)라는 상용 수용성 알루미늄 기반 응집제와 본 연구의 고형 응집 소재를 활용해 형성된 응집물이 형성된 후 교반 속도에 따른 용액의 탁도를 나타내는 그래프이다. 교반 속도가 증가하면서 생기는 흐름에 의해 응집물이 부서지면 탁도가 높아지게 되는데, 본 연구에서 소개된 소재(FeHCF nanobot)이 형성한 응집물이 상용 응집 소재(PAC)보다 약 2배 가량 높은 교반 속도에서 부서져 높은 물리적인 안정성을 나타낸다. 이러한 안정성은 응집물을 회수하기 용이하게 한다. (d) 나노플라스틱의 농도가 증가함에 따라 소재의 나노플라스틱 제거량이 높아지는 것을 나타내는 그래프이다. (e) 처리시간이 20분 정도 지나면 소재가 반응 평형에 도달해 빠르게 효율적으로 나노플라스틱을 응집할 수 있는 능력을 보여준다. (f) 기존에 개발된 응집 및 흡착소재와 나노플라스틱의 최대 제거 성능과 속도를 비교한 그래프를 나타낸다. 이전 연구들의 결과에서 도출된 수치를 큰 차이로 상회하는 결과를 보여준다. [그림 4] 응집 소재의 실제 자연수로 적용 가능성 평가 (a) 용액의 pH가 응집 소재의 나노플라스틱 제거 성능에 미치는 영향을 보여주는 그래프. 자연수와 유사한 중성 영역의 pH에서 나노플라스틱 제거 성능이 뛰어났다. (b) 자연수에 가장 높은 농도로 존재하는 4가지 양이온이 공존하는 조건에서의 나노플라스틱 제거 성능을 증류수에서의 나노플라스틱 제거 성능과 비교한 그래프를 나타낸다. 또한, (c) 자연수에 가장 높은 농도로 존재하는 4가지 음이온이 공존하는 조건에서의 나노플라스틱 제거 성능을 증류수에서의 나노플라스틱 제거 성능과 비교한 그래프를 나타낸다. (d) 잘 배열된 응집 소재의 결정 격자가 (e) 양이온이 공존하는 조건에서 내부 침투에 의한 격자 간격이 늘어나고(intercalation) 이에 따라 불안정한 상태가 미세플라스틱과의 반응을 촉진했다. (f) 음이온들이 결정 외부에 흡착되며 불안정한 상태가 되어 미세플라스틱과의 반응을 촉진했다. 하지만, (g) 공존하는 유기물은 미세플라스틱에 대한 응집 효율을 저하시켰다. (h) 나노플라스틱의 초기농도가 20 mg/L 미만인 경우에 99.9%의 제거 효율을 보여준다. (i) 적정 가시광의 세기가 조사되는 환경에서 응집 소재의 나노플라스틱 제거 성능이 가장 높았다. ○ 논문명: Visible-light-induced Self-propelled Nanobots Against Nanoplastics ○ 학술지: Water Research ○ 게재일: 2023.10.1. ○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.120543 ○ 논문저자 - 정영균 박사 후 연구원 (제1저자/KIST 물자원순환연구단) - 정경원 책임연구원 (교신저자/KIST 물자원순환연구단) - 최재우 책임연구원 (교신저자/KIST 물자원순환연구단)

- 태양광 조사 조건에서 작동하는 친환경 나노플라스틱 제거 소재 - 기존 정수장에서 처리하기 어려운 수백 나노미터 수준 미세플라스틱 추가설비 없이 응집제만으로 99% 제거 가능 플라스틱 폐기물은 시간이 지나면서 분해를 거듭해 미세플라스틱으로 변한다. 현재 운용 중인 정수장에서는 20μm보다 작은 미세플라스틱은 제거할 수 없어 보다 큰 크기로 뭉친 후 제거해야 한다. 이를 위해 철 (Fe) 또는 알루미늄 (Al) 기반 응집제가 사용되나, 이들 물질은 물에 잔류해 인체에 심한 독성을 유발하기 때문에 별도의 처리 공정이 요구되는 등 궁극적인 해결책은 되지 못한다. 한국과학기술연구원 (KIST, 원장 윤석진) 물자원순환연구단 최재우 박사 연구팀은 가시광이 조사되는 조건에서 나노플라스틱을 효과적으로 응집할 수 있는 친환경 금속-유기물 골격체 기반 고형 응집제를 개발했다고 밝혔다. 페로시안화 칼륨 용액에 염화 철(III)을 더한 금속-유기물 골격체 기반 물질인 ‘프러시안 블루’최초의 합성안료로 청바지를 진한 파란색으로 물들이는 데 사용되며, 최근에는 일본 방류수에서 방사성 원소인 세슘을 흡착하는 용도로도 사용된 바 있다. KIST 연구팀은 프러시안 블루를 활용한 수중 방사성 물질 제거 관련 실험을 진행하던 중 가시광 조사 조건에서 프러시안 블루가 미세플라스틱을 효과적으로 응집하는 현상을 발견했다. KIST 연구팀은 프러시안 블루의 응집효율을 극대화할 수 있도록 결정 구조를 조절해 미세플라스틱을 효과적으로 제거할 수 있는 소재를 개발했다. 개발된 소재에 가시광을 조사하면 기존 여과기술로는 제거하기 힘들었던 약 0.15μm(150nm) 직경의 초미세플라스틱을 약 4,100배 크기로 응집해 제거가 용이한 크기로 만들 수 있다. 실제 실험 결과 물속 미세플라스틱을 최대 99%까지 제거하는 것을 확인했다. 개발된 소재는 또한 자신보다 3배 이상 많은 양의 초미세플라스틱을 응집할 수 있는 성능을 지니고 있는데, 이는 기존에 활용되는 철이나 알루미늄을 사용한 응집제보다 약 250배 우수한 응집효율이다. 연구팀이 개발한 소재는 특히 인체에 무해한 프러시안 블루 소재를 사용할 뿐 아니라 물에 녹여 사용하는 방식이 아닌 고형 응집제를 사용하기 때문에 잔여물 회수가 쉽다. 또한 자연광을 에너지원으로 하므로 저에너지 공정 구현 또한 가능하다. KIST 최재우 박사는 “일반적인 하천, 하폐수 처리 시설이나 정수장에 적용할 수 있는 후보 소재로서 상용화 가능성이 매우 높은 기술”이라며, “개발된 소재를 사용하면 수계에 존재하는 나노플라스틱뿐 아니라 물속 방사성 세슘까지 정화할 수 있어 안전한 물을 공급할 수 있을 것”이라고 기대했다. 한편, 논문의 제1저자인 KIST 정영균 박사후 연구원은 “이 소재의 원리를 활용하면 초미세플라스틱 뿐 아니라 수계에 존재하는 다양한 오염물질을 제거하는데 활용 가능할 것”이라고 밝혔다. 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원으로 소재혁신선도사업(2020M3H4A3106366)과 KIST 기관고유사업(2E32442)으로 수행된 이번 연구성과는 국제 학술지 「Water Research」에 10월 1일 게재*되었다. [그림 1] 나노플라스틱과 가시광 활성 응집 소재의 상호작용 수중 응집소재가 가시광조사 환경에서 나노플라스틱과 정전기적인 상호작용을 통해 화학적인 산화-환원 반응을 일으키고 그 결과 안정화된 응집물이 형성된다. [그림 2] 가시광활성 나노플라스틱 응집소재의 구조 및 응집 과정 (a) 나노플라스틱 응집 소재의 구조와 합성 과정을 보여준다. (b) 가시광이 조사되는 나노플라스틱이 존재하는 물에 응집소재를 첨가한 후 응집물이 형성되는 과정을 보여준다. 가시광이 조사되면 (f) 격자 내 전자 이동이 발생되어 정전기적인 준안정 상태를 유도한다. (g) 이를 안정화하기 위하여 표면 음전하를 띤 나노플라스틱과 응집 현상이 일어나고 (h) 안정화된다. 20 μm 이상의 응집물에 포함된 나노플라스틱을 (c) 막을 활용하여 회수한다. (d) 이미지는 응집물을 촬영한 전자주사현미경 이미지를 보여주며 (e)는 응집물에 포함된 나노플라스틱을 보여주는 확대 전자주사현미경 이미지이다. [그림 3] 응집 소재를 활용한 나노플라스틱 제거 성능 (a)는 가시광 조사 환경에서 시간에 따라 나노플라스틱과 응집소재가 응집되어 서로 뭉치는 과정을 촬영한 스냅숏 이미지를 나타낸다. (b) 처리 시간에 따라 응집물의 크기가 증가되어 25분이 지나면 응집물의 크기가 최대가 되며 제거 반응이 종료되는 것을 나타내는 그래프이다. (c) 폴리알루미늄클로라이드(PAC)라는 상용 수용성 알루미늄 기반 응집제와 본 연구의 고형 응집 소재를 활용해 형성된 응집물이 형성된 후 교반 속도에 따른 용액의 탁도를 나타내는 그래프이다. 교반 속도가 증가하면서 생기는 흐름에 의해 응집물이 부서지면 탁도가 높아지게 되는데, 본 연구에서 소개된 소재(FeHCF nanobot)이 형성한 응집물이 상용 응집 소재(PAC)보다 약 2배 가량 높은 교반 속도에서 부서져 높은 물리적인 안정성을 나타낸다. 이러한 안정성은 응집물을 회수하기 용이하게 한다. (d) 나노플라스틱의 농도가 증가함에 따라 소재의 나노플라스틱 제거량이 높아지는 것을 나타내는 그래프이다. (e) 처리시간이 20분 정도 지나면 소재가 반응 평형에 도달해 빠르게 효율적으로 나노플라스틱을 응집할 수 있는 능력을 보여준다. (f) 기존에 개발된 응집 및 흡착소재와 나노플라스틱의 최대 제거 성능과 속도를 비교한 그래프를 나타낸다. 이전 연구들의 결과에서 도출된 수치를 큰 차이로 상회하는 결과를 보여준다. [그림 4] 응집 소재의 실제 자연수로 적용 가능성 평가 (a) 용액의 pH가 응집 소재의 나노플라스틱 제거 성능에 미치는 영향을 보여주는 그래프. 자연수와 유사한 중성 영역의 pH에서 나노플라스틱 제거 성능이 뛰어났다. (b) 자연수에 가장 높은 농도로 존재하는 4가지 양이온이 공존하는 조건에서의 나노플라스틱 제거 성능을 증류수에서의 나노플라스틱 제거 성능과 비교한 그래프를 나타낸다. 또한, (c) 자연수에 가장 높은 농도로 존재하는 4가지 음이온이 공존하는 조건에서의 나노플라스틱 제거 성능을 증류수에서의 나노플라스틱 제거 성능과 비교한 그래프를 나타낸다. (d) 잘 배열된 응집 소재의 결정 격자가 (e) 양이온이 공존하는 조건에서 내부 침투에 의한 격자 간격이 늘어나고(intercalation) 이에 따라 불안정한 상태가 미세플라스틱과의 반응을 촉진했다. (f) 음이온들이 결정 외부에 흡착되며 불안정한 상태가 되어 미세플라스틱과의 반응을 촉진했다. 하지만, (g) 공존하는 유기물은 미세플라스틱에 대한 응집 효율을 저하시켰다. (h) 나노플라스틱의 초기농도가 20 mg/L 미만인 경우에 99.9%의 제거 효율을 보여준다. (i) 적정 가시광의 세기가 조사되는 환경에서 응집 소재의 나노플라스틱 제거 성능이 가장 높았다. ○ 논문명: Visible-light-induced Self-propelled Nanobots Against Nanoplastics ○ 학술지: Water Research ○ 게재일: 2023.10.1. ○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.120543 ○ 논문저자 - 정영균 박사 후 연구원 (제1저자/KIST 물자원순환연구단) - 정경원 책임연구원 (교신저자/KIST 물자원순환연구단) - 최재우 책임연구원 (교신저자/KIST 물자원순환연구단)