[산업계동향] 신기술ㆍ신제품 개발 소식

을 지속해 나갈 때 공급 초과 경향이 되어, 수급은 상반기 를 중심으로 완만하게 완화되는 방향으로 향한다.

·OPEC 생생산산 정정책책에에 대대해해: 2012년 내내 고유가 가격 상 황에서OPEC은 생산량도3,100 만B / D를 웃도는 수 준을 유지, 석유 수입 확보 측면에서 좋은 환경에 있다.

한편, “아랍의 봄”을 계기로 중동 정세 유동화가 계속되 고 있지만, 국내 사회 안정을 위한 부처 시책 실시와 이를 위한 재원 확보는 주요 걸프 산유국에서도 중요해지고 있다. 이러한 상황 하에 걸프 산유국도 고유가 가격 지향 이 강해지고 있다고 볼 수 있고 위의 기준 케이스 전망의 완만한 수급 완화 기조에서 원유 가격 시세 하락 압력이 발생하는 경우, 제162 차 총회에서 생산 상한(3000 만

B / D) 보류를 결정했다OPEC이 수급 상황에 대응하여

생산 조정(감산)에 나설 가능성이 있다. 2010년 당시의

“상자권 시장”의 형성에 있어서, 사우디 아라비아가 당 시“Fair price: 75 달러”라는 자세를 보여 왔던 것이 시 장 관계자의 가격 인식에 일정한 영향을 미친 것으로 생 각된다. 연초에“100 달러 원유”를 지지하는 자세를 보 였던 사우디 아라비아 등 주요 산유국의 향후 자세와 대 응은 원유 시세를 생각하는데 있어서 중요하다.

·시시장장 교교란란 요요인인: 향후 국제 석유 정세에서는 시장 가격에 진동 하락 모두의 가능성이 있을 수 있다. 흔들림 요인으 로는 세계 경제의 예상보다 성장 금융 완화 아래에서 원 유 선물 시장으로의 자금 유입의 대폭 확대 등 금융 요인

외에 기대 이상의 석유 수요 확대 및 비OPEC 생산 예상 치 못한 부진 등의 수급 요인이 있다. 또한 위험 요인으로 는 핵 개발 문제를 둘러싼 긴장의 고조와 석유 공급에 대 한 영향 등 지정 학적 위험 등에 유의해 나갈 필요가 있다 (고가 케이스). 한편, 하락 요인으로는 미국 유럽 중국 등 주요 국가의 경제 성장 저하 또는 그 아래에서의 석유 수 요 증가 둔화, 비OPEC의 예상을 넘는 증산 등의 영향 이 주목된다(저가 케이스). 이러한 여러 요인이 발생할 경우 유가 수준을 상하 양방향으로 크게 변화시키게 될 것이다.

·유유가가 동동향향: 위의 시장 환경 아래, 2013년의 원유 가격은 기준 케이스에서 브렌트 유 연평균105 달러(±10 달 러)가 된다. 또한 경기 동향이 약세를 보이는 시기에는

90 달러 대, 경기 회복 기대가 높아지는 시기에는110

달러를 초과한 수준으로의 전개가 예상된다. 또한, WTI 원유는90 달러(±10 달러), 일본의 수입 원유 가격은 105 달러(±10 달러)로 예상한다. 또한 고가 케이스에 서는 브렌트 유는115 달러, WTI 원유100 달러 낮은 가 격 경우에는 각각95 달러, 80 달러(모두 ±10 달러)가 된다. 고가 케이스에서 유사 시 발생에 의한 대규모 공급 중단이 있는 경우에는 더욱 연평균 플러스10 달러(단기 적으로는 더 크게)의 가격 상승을 전망한다.

(KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』, 2012년12월31일)

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 31, No. 1, 2013…

17

전지를 빠르게 충전시키게 해주는 주석-탄소 나노복합재료

에어로졸-기반의 합성 방법이 보다 안정적인 리튬-이온 전지로 이끌 수 있을 전극 재료를 만든다. 전지들이 더 많은 에너지 저장 용량을 가진다면, 휴대용 전자장치와 전기 자 동차가 전기 콘센트에서 매여서 시간을 덜 쓸 수 있을 것이 다. 그러나, 빠르게 충전하는 고-저장량 전지를 만들기 위 해서, 연구자들은 사용하는 동안 저하되지 않는 새로운 전

극 물질이 필요하다. 이제, 한 팀이 시간이 흘러도 분해되지 않고 빠르게 충전하는 전지 전극을 만드는 주석-탄소 복합 재 료 를 만 들 기 위 한 과 정 을 개 발 했 다(Nano Lett., DOI:10.1021/nl303823k).

오늘날의 리튬-이온 전지에서 양극은 흑연으로 이루어 진다. 전지의 저장 능력을 향상시키기 위해서, 연구자들은 주석을 포함해서 다른 원소들을 살피고 있다. 이론상, 순수 한 주석 양극을 가진 전지는 흑연 양극을 가진 것보다2.5

18

배 이상 더 많은 에너지를 저장할 것이다. 그러나, 주석에 단점이 있다: 주석 양극이 전지에서 리튬과 반응할 때, 그 부피가 세 배가 된다. 그 부피 변화는 그 물질을 부서지게 해서 그 전지를 파괴할 수 있다.

연구자들은 나노구조를 가진 주석과 탄소를 섞어서 복합 재료 양극을 만듦으로써 그 확장으로부터 그 압력을 줄이 려고 시도했다. “그 주석 입자가 더 작을수록, 그 압력이 더 작 아 진 다 ”고 컬 리 지 파 크 메 릴 랜 드 대(University of Maryland, College Park)의 화학 공학자인Chunsheng Wang이 말했다. 탄소는 기계적인 지지를 제공하고 주석 입자가 함께 뭉치는 것을 막아준다.

그러나, 연구자들은 이 복합재료 안에서 신뢰할만한 크 기의 주석 입자들을 만드는데 어렵움을 겪었다. 주석의 녹 는 점섭씨 약232도는 그 탄소 복합재료를 만들기 위한 반 응 온도보다 한참 아래이다. 그래서, 주석입자들은 종종 녹 아서 함께 엉켜서, 양극의 사용 중에 압력을 증가시켰다.

엉기지 않는 나노입자들을 만들기 위해서, Wang은 에 어로졸 스프레이 열분해(aerosol spray pyrolysis)라고 불리는 방법에 대해서 메릴랜드대 기계공학자Michael R.

Zachariah와 협력했다. 그 과정은 주석 반응물과 탄소의 방울을 빠르게 가열하거나 냉각시키는 것을 수반한다. 메 릴랜드 팀은 탄소원으로 작용하는 중합체 폴리비닐피롤리 돈(polyvinylpyrrolidone)과 염화 주석의 에탄올 용액으 로 시작했다. 그들은 그 용액을 에어로졸화하고 빠르게 그 방울들을 섭씨900도까지 가열했다. 이 온도에서, 그 염화 주석은 분해되고 그 중합체는 원소 탄소로 분해되었다. 이 두 원소들은 지름이 각각200에서500나노미터인 구형 탄 소 입자들의 가루를 형성해서, 10-나노미터-지름의 주석

구들로 채워졌다. 그 변형은 일 초 이내에 일어나고, 그 다 음에 그 가루는 빠르게 상온으로 냉각되었다. 비록 반응이 주석의 녹는점 위에서 잘 일어나지만, 그 주석 나노입자들 은 탄소를 지나 움직여서 덩어리를 형성할 시간이 없다. 그 방울 안에서 그 화학을 하는 것은 가열하고 냉각시키는데 시간이 많이 드는, 그 반응물들의 비커에서보다 훨씬 더 빠 르다고Zachariah가 말했다.

연구팀은 이 복합물질 가루로 만들어진 주석-탄소 양극 과 리튬으로 이루어진 음극을 가진 시험 전지를 만들었다.

이 전지는220회의 충전 및 방전 이후에 저장용량을 유지 했다. 이 전지는 한 시간 안에 약20회 충전하고 방전할 수 있어서 전형적인 휴대폰 전지보다 더 빠르다.

가장 중요한 것은, 이 주석-탄소 복합재료의 나노구조가 이 순환 이후에 안정하게 유지된다는 것이라고 로렌스버클 리국립연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory) 에서 전지 물질을 개발하고 있는 재료 과학자인Yuegang Zhang이 말했다. 이러한 안정성은 긴 전지 수명으로 이끌 수 있을 것이라고 그는 덧붙였다.

그러나, 그 양극은 그것이 유지될 것이라는 것을 증명하 기 위해서 더 많은 시험이 필요하다고Zhang이 말했다. 만 약 그 복잡재료가1,000번 충전 순환 이상 후에더 안정적 으로 남는다면, 상업적으로 실현 가능해질 것이라고 그는 말했다.

[그림] 작지만 강함. 전지 양극의 이 주석-탄소 복합재료 나노입자는 그 전지가50번 충전하고 방전된 후에도 손상 되지 않았다.

(KISTI 미리안『녹색기술정보포털』, 2013년1월16일)

위험한 화학물질에 대처할 수 있는 새로운 방 법 개발

전세계적으로 수십만 명의 목숨을 앗아갈 수 있는 위험 한 화학물질의 영향을 중성화시킬 수 있는 새로운 효소 (enzyme) 기반의 치료 방법이 세필드대(University of Sheffield)의 연구진에 의해 개발되었다. 일반적으로 유기 인산화합물(Organophosphorus agents (OP))*은 개 발도상국가에서 살충제로 사용되고 있으며 이와 관련된 충 분하지 못한 관리, 저장 방법의 문제점, 쉬운 접근성, 농부

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 31, No. 1, 2013…

19

있다.

매년 인도, 파키스탄, 스리랑카 및 테러리스트들의 활동 에 의해 개발도상국에서20여만 명이 죽어가고 있다. 이들 은 유기인산화합물에 대한 직업적인 사용, 무심코 이들을 이용하는 것이나 잘못 이용하는 것 등으로 인해 많은 피해 를 입고 있다. 유기인산화합물은2차 세계대전 중에 독일 연구자들에 의해 개발되었던 타번(Tabun)과 같은 독가스 나 사린(Sarin), 소만(Soman), 사이클로사린(Cyclosarin), VX, VR과 같은 유독한 화합물들을 포함하고 있다.

변형된 인간 유래의 효소를 이용해, 세필드대의Mike Blackburn 교수와 모스크바 세마야킨 오브치니코프 연구 소(Shemyakin Ovchinnikov Institute)의 Alexander Gabibov 교수, Centre de Recherches du Service de Sante des Armees 소속의Patrick Masson 교수 등은 신경가스인VR에 대해 실험용 마우스들을 보호하기 위한 바이오스캐빈저(bioscavenger)**를 개발했다.

러시아의Pushchino에 있는 생유기화학연구소에서 수

행된 연구에서, 8마리의 마우스들이 여러 동물을 죽이기에 충분한 양(63mg)의VR에 노출된 후 새로운 효소로 치료 를 받았으며, 그 결과 모두 생존하는 결과를 얻을 수 있었 다. 이에 대해Blackburn 교수는“현재 발표된 연구 결과 는 러시아의VR 유기인산화합물을 치료할 수 있는 바이오 스케빈저를 개발할 수 있는 새로운 방법을 설명하고 있다.

이들은 또한 혈액 속에서 오랫동안 지속되며 활성을 보일 수 있다. 이러한 연구 성과는 화학적 표면 처리기술(폴리시 알화반응, polysialylation)과 바이오 기반의 생산 기술 (부티릴클로린에스터레이즈(butyrylcholinesterase)을 만들어내는 유전자를 포함한CHO 기반의 발현 시스템)의 융합 덕분에 가능했다. 이에 대한 보다 자세한 연구 결과는 www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1211118110 를 참고하기 바란다.

유 기 인 산 화 합 물 (Organophosphorus agents (OP))*: 인과 탄소가 결합되어 있는 화합물. 농약, 비료, 세 제의 연마제로 대량 사용되었던 인화합물은 주로 인산염과 그 관련 화합물이다. 이러한 화합물에서는 인원자는 산소 원자와만 결합한다. 이에 비해 유기인화합물에서는 인과

탄소의 결합이 포함되기 때문에 화학적 성질이나 생물에 대한 작용이 인산화합물과는 크게 다르다. 얼마 전 일본에 서 사회문제가 되었던 지하철 사린가스사건에 사용된 사린 은 인-탄소결합뿐만 아니라 인-불소결합도 포함된 생체물 질로, 특히 효소와 쉽게 반응한다. 생화학 분야에서는 인- 불소결합을 갖는 화합물은 효소 저해제로 사용하고 있다.

바이오스캐빈저(bioscavenger)**: 일반적으로 불순 물, 먼지 등을 제거하는 것을 말하지만, 생물학에서는 보통 라디칼 스캐빈저, 즉활성산소 혹은 라디칼을 포촉해서 안 정화시키는 성질을 갖는 화합물의 총칭. 라디칼 포촉형 항 산화제와 같은 뜻으로 사용하는 경우가 많다. 생체 내 물질 중에는 빌리루빈, 요산, 비타민E, 카로티노이드 등을 들 수 있다. 초과산화물 불균등화효소, 카탈라아제 혹은 철킬레 이트제 등은 그 자신이 산화제 혹은 라디칼을 포촉하는 것 이 아니라 항산화제이지만 스캐빈저와는 구별된다.

(KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』, 2013년1월15일)

세계 최소, 양산형 카본나노튜브 베어링

국립대학법인 도호쿠대학 대학원 이학연구과 연구그룹 은 독자적으로 화학합성한 유한장(有限長) 카본 나노튜브 에 화학수식(chemical modification)한 플러렌을 채움으 로써 세계 최소의 카본 나노튜브 베어링을 만들어내었다.

“나노 테크놀로지”라는 말을 유명하게 만든 클린턴 대통

령의2000년 연설에서는“미국 의회 도서관의 전체 장서

를 각설탕 크기의 장치에 저장할 수 있다”라는 말이 등장하 였다. 실제로 이 배경에는1959년 물리학자 리차드 파인만 (Richard Feynman)의 연설이 있었다. 이 파인만의 연설

그림 1. 세계 최소의 카본 나노튜브를 옆에서 본 정지도.

20

중에는 디바이스를 포함한“나노 세계의 꿈”이 언급되어 있으며, 그 중에“무마찰 베어링”이 등장하였다. 베어링을 나노크기까지 작게 함으로써 윤활유가 필요하지 않을 것이 로 예언하였다.

이러한 분자 베어링에서는 축회전에 의한 에너지 손실이 상당히 작기 때문에 현대 에너지문제의 해결책 중 하나로 서 꿈의 기술의 등장이 기대된다. 이러한 과학자의 꿈 및 예 언이 일반 강연에 등장한 큰 요인 중 하나가 카본 나노튜브 의 등장과 불가사의한 현상의 등장이다. 예를 들면2000년 에 미국 물리학자에 의한 다층 카본 나노튜브가 직선형 베 어링(비회전형)이 되고, 그것에는 거의 마찰이 발생하지 않 는다고 보고되었다.

이러한 새로운 발견에 의해 카본나노튜브를 활용한 다양 한 나노테크놀로지에 대한 기대가 높아졌다. 한편 이러한 발견이 십여 년이 지난 현재에도 과학, 나노사이언스의 영 역을 넘지 못한 것도 사실이다. 지금까지의 불가사의한 현 상이“단일 분자의 관찰”이라는 최첨단 관찰, 계측방법을 구사한 결과로부터 얻어진 발견이며, 분자1개의 세계에서 만 동작을 확인할 수 있는 것이었다. 그리고 카본 나노튜브 는 다양한 구조를 가진 분자의 혼합이며, 실제로 한 개의 정 형의 분자구조를 가진“분자성 물질”로서 취급하지 않는 다. 때문에 정교한 구조가 요구되는“카본 나노튜브 베어 링”은 분자1개를 관찰함으로써 발견할 수 있는 것이며, 현

실 사회에 영향을 미칠 정도의 수 및 양을 설계하거나, 제조 하는 것은 불가능하였다.

도호쿠대학 대학원 이학연구과의 연구그룹은 독자적으 로 화학합성한 유한장 카본 나노튜브(바깥쪽 테두리, 베어 링)에 화학수식을 한 플러렌(회전자, 저널)을 넣음으로써 세계 최소의 카본 나노튜브 베어링을 만들었다. 이 경우 회 전자는 바깥쪽 테두리와 혼합하는 것만으로 자발적으로 끼 워 넣어 회전 중에 벗겨지지 않도록 강력하게 유지된다. 특 이한 점은 보톰-업 화학합성에 의해 정밀한 구조설계와 양 산을 모두 실현하고 그것에 의해 카본 나노튜브 베어링을 종전의 분자1개의 관찰 세계로부터 몰량이라는 분자 1,023개의 양산형의 세계까지 발전시킨 것이다.

세계 최소, 양산형 카본 나노튜브 베어링은 바깥 테두리 (베어링) 중에서 회전자(저널)가 축(샤프트)를 중심으로 한 축회전을 하고 있는 것을 스펙트럼 분석에 의해 증명되 었다. 유한장의 나노튜브 중에서 플러렌이 나노미터 사이 즈의 팽이와 같이 회전하고 있는 것을 알았다. 천해(千垓) 개라는 막대한 수의 분자 베어링이 같은 정도의 회전속도 로 회전하는 것이 확인되고, 그 회전속도가 온도에 의해 제 어될 수 있다는 것을 나타내었다. 현대 화학의 역량에 의해 양산형 나노테크놀로지가 이룰 것으로 기대할 수 있는 성 과이다.

(KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』, 2013년1월11일)