[특별기고] Young Researcher Group 결과보고서 1

Young Researcher Group 결과보고서 1

구 자 민 홍익대학교 화학공학과 jaminkoo@hongik.ac.kr

1. 그룹명: INTERSECTION

각 구성원의 연구역량과 분야를 분석하여 서로 협력할 수 있는 교집합 지점을 찾자는 의미에서 지 은 명칭입니다.

2. 구성원 (그룹장: 구자민)

총 5 명의 연구자들로 구성되었으며 세부 정보는 아래와 같습니다.

성명 소속 전공분야 지위 이메일주소

구자민 홍익대학교 공정시스템,

생명공학 조교수 jaminkoo@hongik.ac.kr 김현욱 KAIST 생명공학,

시스템 생물학 조교수 ehukim@kaist.ac.kr 송봉근 홍익대학교 불균일촉매,

표면공학 조교수 bshong@hongik.ac.kr 유명현 한밭대학교 리튬이차전지,

생명공학 부교수 mhryou@hanbat.ac.kr 이효민 POSTECH 연성물질,

미세유체 조교수 hyomin@postech.ac.kr

3. 활동내용 및 소감

저희는 금번 프로그램을 통해 크게 두 가지 활동 을 실시하였습니다. 먼저 각자 학교에서 연사를 초 청하여 세미나를 개최하였습니다. 팀 멤버 외에도 각자 소속한 기관의 학생들과 연구자들이 참석할 수 있도록 공개된 형태로 세미나를 진행하였습니다. 세 부 진행내용은 아래 표와 같습니다.

연사 소속 일시 및 장소 주제

이종민 서울대학교 10/5, 홍익대학교

4 차산업 혁명 시대의 공정 제 어 기술

연사 소속 일시 및 장소 주제

임지우 경희대학교 10/23, 포항공과대학교

블록 공중합체의 in situ self- assembly

이한보람 인천대학교 11/6,

홍익대학교 원자수준 표면개질 연구동향 박동욱 서울시립

대학교

12/12, 홍익대학교

Transparent graphene electrodes for next- generation neural implants 엄영순 KIST

12/18, 홍익대학교

Redox manipulation for C4

& C6 acid production by Clostridium strains 서명원 KIER 12/20,

한밭대학교

유동층 공정을 이용한 재료의 합성과 분리

원래 계획했던 것보다는 한 분을 더 초빙하여 세 미나를 진행하였고, 그로 인해 더욱 다양한 분야의 연구성과와 최근 국내외 동향에 대해 알 수 있었습 니다. 최근 각광을 받고 있는 4차산업 관련 공정제어 기술 방법론에서부터 오랫동안 연구되어온 바이오 매스 반응기에 이르기까지 다양한 주제에 대한 세미 나를 개최하였고, 덕분에 각자의 안목과 시야를 넓 힐 수 있었습니다. 한 가지 아쉬운 점이 있다면 대외 홍보에 한계가 있어서 참석자 수를 충분히 많이 확 보하지 못했다는 점입니다. 다음에는 인근 대학의 학생 및 연구자들도 참석할 수 있도록 한국화학공학 회 Newsletter 등을 통해 대외홍보를 할 수 있다면 좋 겠습니다.

두 번째로 진행한 활동은 팀 구성원들 간의 브레 인스토밍 및 회의(위 오른쪽 그림 참조)입니다. 본 그룹 구성원간에 서로 활발히 소통하고 학술정보를

효과적으로 교환할 수 있게끔, 인적 네트워크를 더 욱 확고히 하는 것을 목표로 하였습니다. 추가적으 로 협동연구를 장려하는 분위기를 조성하고자 하였 고, 이를 위해 먼저 각자가 최근 가장 관심을 갖고 추진 중인 연구 분야와 주제에 대해 이야기를 나누 었습니다. 저희 팀 구성원 모두가 화학공학과 내에 서 서로 다른 분야를 전공하였음에도 불구하고 흥 미로운 대화를 오래 이어갈 수 있었습니다. 각자가 주력하는 분야가 다른 만큼, 당장 실질적인 협력연 구 계획을 수립하는 것 보다는 자유롭게 공동연구 를 할 수 있는 방안에 대해 브레인스토밍을 먼저 하 였습니다.

금번 Young Researcher Group 프로그램 참가를 토대로 본 그룹은 팀원 간 학술정보를 교류하고 공 동연구에 긍정적인 분위기를 조성할 수 있었습니 다. 이는 추후 본 그룹 구성원들 간에, 혹은 연사분 들과도 협업 연구를 추진하는 데에 큰 도움이 될 것 입니다. 금번 프로그램을 통해 팀 구성원들 모두가 공동연구에 관심이 있음을 확인하였습니다. 향후 5 년 이내 2개 이상의 공동과제 수주 및 2편 이상의 공동 논문을 게재를 하는 것이 저희의 다음 목표입 니다. 이러한 목표를 가질 수 있도록 금번 프로그램 을 후원해 준 한국화학공학회에 깊은 감사를 드립 니다.

성명 소속 최근 관심을 갖고 추진 중인 연구분야

구자민 홍익대학교

- Engineering metalloproteins using unnatural, artificial chemical moieties - Enabling technologies for biological H

production processes

- Modeling and optimization of distributed energy production systems

김현욱 KAIST

- Constructing biological network models (metabolism, signaling and transcriptional regulations) of medically important biological systems for better understanding and engineering

- Predicting effective drug targets for both infectious and chronic diseases using biological network models

- Developing data-driven platform technologies that help facilitate drug discovery/development and improve individual’s health

송봉근 홍익대학교

- Surface chemistry of atomic layer deposition

- Surface engineering of heterogeneous catalysts at an atomic level - Computational chemistry using density functional theory

유명현 한밭대학교

- Development of bio-inspired polymer materials - Synthesis of novel, soft materials for energy storage

- Design and fabrication of functional materials with novel surface properties

이효민 POSTECH

- Design and fabrication of artificial cell using droplet microfluidics - Development of functional nanofibers for ultra-fine dust removal

- Design and fabrication of biocompatible microparticles for encapsulation and bioreactor applications

Young Researcher Group 결과보고서 2

박 용 일 전남대학교 화학공학부

ypark@jnu.ac.kr

1. 팀명

Engineered Materials for Bio-Medical Applications

2. 팀장 및 구성원

성명 소속 및 연구분야

박용일 (팀장)

전남대학교 (화학공학부) 1) 무기나노입자 합성 및 표면개질

2) NIR 업컨버전 나노입자를 이용한 형광 이미징 및 광역학치료

3) 업컨버전 나노입자를 이용한 휴대용 바이오센서 개발

최인희

서울시립대학교 (생명과학과)

1) 플라즈몬 금속 나노입자 합성 및 광학 구조체 개발 2) 라만 산란 기반 비표지 분자 검출 및 세포 이미징 3) 레일리 산란 기반 센싱 및 이미징

주진명

울산대학교 (융합의학과)

1) 생분해성 나노입자 기반 약물 전달 시스템 2) 펩타이드 자기조립체 및 표면 화학 3) 광학 기반 생체 영상 플랫폼

박기수

건국대학교 (생물공학과) 1) 핵산기반 분자진단 기술

2) 생체물질을 이용한 나노물질 합성 및 바이오센서 개발 3) 엑소좀 기반 암 진단 기술

김은하

아주대학교 (분자과학기술학과) 1) 유기형광물질 구조 물성 상관관계 연구 2) Intravital imaging용 형광 컨쥬게이트 개발 3) 생물직교반응 활용을 위한 저분자 프로브 개발

나현빈

명지대학교 (화학공학과)

1) 금속, 금속산화물 나노입자 합성 및 표면처리 2) 자성나노입자 기반 MRI 조영제 및 치료제 3) 효소-모사 나노입자 기반 바이오센서

3. 그룹의 목표

“의생명공학을 위한 소재”를 연구하는 연구자들 의 교류를 목적으로 하며, 생명/의학 분야에 응용이

가능한 새로운 화공소재 개발 및 적용 연구들에 대 한 토의를 진행하고, 이미징, 센싱 및 질병치료 관련 최신 연구동향 및 시장요구 파악하여 수요자(생명/

의학 분야) 중심의 연구 주제 발굴 및 공동연구 추진 을 위해 화공, 재료, 생명 등 다양한 전공분야의 신진

연구팀 회의 사진들

연구자들로 팀을 구성하여 구성원간의 학술교류 활 성화를 통해 연구 네트워크 구축 및 학회 활동 활성 화를 그 목표로 하였다.

4. 수행내용

새로운 연구 아이디어와 최신 연구결과 교류를통 해 구성원들간의 협업을 고무시키기 위해 생명-의 학 분야 전문가/실무자 및 연구자 분들을 초청하여 팀원들과 함께 워크숍을 진행 하였다.

이번 워크숍을 통해 팀원들간의 연구분야 및 최신 연구결과에 대해 토의할 수 있었고 외부 연사들과의 공동연구를 도모할 수 있는 좋은 계기가 되었다.

•일시: 2018. 11. 21(수) 14:00 ~ 18:00

•장소: 건국대학교 공학관 A동 202호

발표내용 요약:

박기수 교수

감염성 질병은 현재 많은 개발도상국의 주요 사망 원인이 되고 있으며, 전 세계적으로 다양한 종류의 감 염성 요인들이 새롭게 발견되며 인류 건강을 위협하 고 있다. 이처럼 감염성 질병을 통해 발생하는 사회, 경제적 피해가 매우 큰 상황에서, 감염성 요인들을 신 속 정확하게 진단할 수 있는 방법의 개발은 매우 중요 하다고 할 수 있다. 본 발표에서는 중합효소를 특이적 으로 인식하고 결합할 수 있는 핵산 압타머의 염기서 열 조작을 통해, 검출하고자 하는 표적핵산이 존재하 는 경우에만 압타머와 중합효소의 선택적인 반응이 유도되는 시스템에 대하여 다루었으며, 최종적으로 개발된 시스템을 이용하여 실제 임상 샘플에 존재하 는 감염균을 신속하게 분석한 결과에 대해 발표하였 다. 또한, 향후 이 시스템을 이용하여 응용이 가능한 항생제 내성균 및 암과 관련된 돌연변이 검출 등과 같 은 다양한 응용 분야에 대한 발표를 진행하였다.

주진명 교수

나노-바이오 기술을 이용한 중개의학적 기술 개발 에 대한 연구는 최근 매우 활발하게 이루어지고 있다.

재료적 특성을 다양하게 활용한 원천 기술들이 개발 되고 있으며, 그 중 실리콘 소재를 기반으로 한 약물 전달 및 생체 영상 기술이 우수한 생체 적합성과 생분 해성으로 인해 크게 주목받고 있다. 이번 워크숍에서 는 결정성 실리콘 나노입자를 이용한 표적 약물 전달 시스템과 time-resolved PL 분석을 통한 생체 내 나노 입자 모니터링 시스템에 관한 최신 연구 결과를 공유 하는 자리를 가졌다. 실리콘이 산화된 형태인 실리카 와는 다르게, 결정 구조를 그대로 가지고 있는 실리콘 나노입자는 고유의 형광 특성으로 인해 별도의 형광 분자를 결합하지 않아도 되기에 생체 내에서의 거동 을 보다 정확하게 모니터링할 수 있으며, 생분해 과정 을 PL lifetime 측정을 통해 역추적 할 수 있는 기능이 있어서 향후 매우 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기 대된다. 국내에는 아직 실리콘 나노입자를 연구하는 그룹이 많이 없기에 이번 워크숍을 통해서 다양한 공 동 연구 기반을 마련함과 동시에 나노-바이오 기술을 이용한 생명공학적 연구 아이템에 대해서도 활발하게 논의할 수 있는 기회가 되었다.

김은하 교수

기존 질병진단 기술은 하나의 분석 타겟만을 정 량/정성 분석하기 위한 락앤키(lock-and-key) 방식 의 센싱 기술 개발에 초점이 맞춰져 왔으나, 이러한 방법은 복잡한 질병 마커의 동시 다중 프로파일 등 에 적용하기에는 많은 제약을 지니고 있다. 최근 반 도체 센서, 혹은 비색분자 센서 기반의 어레이 패턴 변화를 통해 다중 생체 마커를 동시에 분석하려는 시도들이 있으나, 검출 재현성 및 감도 한계 등으로 생체 시료 혹은 환경 시료의 다중 프로파일링에 적용 하기에는 지극히 제한적인 상황이다. 본 연구실에서 는 새로운 형광 중심골격체인 인돌리진을 기반으로 다양한 신규 형광물질을 할 수 있었다. 흥미로운 점 은 전 가시광선 영역에 걸쳐 새로 합성된 형광물질들 이 고체상 형광 현상을 보이며, 이러한 현상이 외부 환경에 반응한다는 점이었다. 본 워크숍에서는 이를 활용하여 형광물질로 구성된 어레이를 구축할 수 있

으며 이렇게 구성된 형광물질 어레이가 휘발성 유기 화합물 (VOC)과 반응하여 독특한 형광 패턴을 형성 할 수 있고 이를 머신러닝 알고리즘을 활용하여 구분 지을 수 있다는 점을 소개하였다. 본 워크숍을 통해 추후 본 기술의 다양한 분야로의 응용 가능성을 토의 할 수 있었고 다수의 공동연구를 시작하게 되었다.

최인희 교수

나노플라즈몬 기술은 나노수준의 금속 구조가 빛 과 상호작용하여 나타나는 현상을 활용하는 기술이 라고 할 수 있다. 금 또는 은과 같은 귀금속의 나노구 조 표면에서는 벌크 상태와 달리 자유전자들의 집단 적 진동이 일어나며, 금속과 유전체의 경계면을 따라 진행하는 표면 전자기파를 발생시킨다. 이러한 전자 기파를 표면 플라즈몬파라 하며 주변의 환경 변화에 매우 민감하여 금속 나노구조 표면에 흡착되는 분자 에 대한 비표지 분석이 가능하기에 효과적인 광학검 출 원리로서 그 동안 많은 주목을 받아왔다. 플라즈몬 기반 분석법은 기존의 형광 기반의 광학 센싱에 비해 표지물질을 사용하지 않고 분자가 금속 나노구조 표 면에 흡착하였을 경우 발생하는 특유의 광학 신호, 즉 빛을 흡수, 반사 또는 산란하는 플라즈몬 밴드의 변화 등으로 검출할 수 있다는 장점이 있다. 또한 플라즈 몬 나노구조체 주변에 형성되는 전자기장은 분자고유 의 지문 정보를 제공하는 라만 분광 신호를 증폭시키 는 능력이 있다. 최근에는 개별 금속 나노 입자 자체 를 센싱 프로브로 사용하는 연구들이 많이 진행되고 있는데, 이는 센싱 뿐만 아니라 뛰어난 광 안정성 덕 분에 장시간의 생체 이미징에도 탁월하게 활용할 수 있다는 장점이 있다. 특히 나노입자를 센싱 프로브로 사용하였을 경우에는 입자의 크기, 모양, 조성에 따라 광학적 특성이 달라지므로 다중 검출 시스템 개발을 위한 효과적인 프로브로서의 역할도 기대해 볼 수 있 다. 본 발표에서는 플라즈몬 나노구조체를 이용하여 최근에 진행되고 있는 다양한 바이오/화학 센싱 기법 및 검출 신호 극대화를 위한 전략을 소개하고, 이러한 기법들의 향후 응용분야에 대한 전망을 소개하였다.

나현빈 교수

자성 나노입자 중 가장 대표적인 산화철 나노입 자는 초상자성 특성으로 간단한 자성 분리부터 MRI 조영제까지 다양한 생물학적 분야에 응용되고 있다.

산화철 나노입자의 보다 효과적인 생명-의학 응용 을 위해서는 나노입자 합성, 표면개질, 바이오 접합 화학 등의 나노입자공학에 대한 연구가 중요하다고 할 수 있다. 본 발표에서는 나노입자의 공학적인 설 명을 중심으로 표면개질, 클릭화학으로 대표되는 선 택성이 높은 접합화학을 통한 생체활성 물질과의 결 합을 통한 바이오-나노 복합체의 합성에 대해 소개 하였다. 이렇게 제조된 선택성을 포함한 물성이 우 수한 자성 나노복합체의 다양한 응용에 시도한 결과 를 발표하였으며, 이 중 자성온열요법, 효소모사 나 노엔자임을 이용한 질병진단 기술들을 중심으로 소 개하였다. 특히 자성 분리기술, 마이크로 크기의 고 분자 복합체, cell binding protein 등 다양한 크기와 종류의 구조체와의 결합을 통해 기존에 보고된 자성 나노입자 보다 응용에 적합한 복합체를 효과적으로 제조하는 연구에 대해 발표하였다.

정아람 교수 (고려대학교)

세포 내 물질 전달은 세포공학의 가장 기반이 되 는 실험 중 하나로 보통 캐리어를 이용하거나 물리 적인 힘을 통해 세포막/핵막에 나노구멍 (nanopore) 을 만들어 물질을 전달할 수 있었다. 바이러스 또는 lipofectamine 중심의 캐리어 기법들은 최적화 시 높은 물질 전달 효율을 보이나 안전성, 느린 전달 속도, 노 동/시간/비용 집약적인 캐리어 준비 과정, 낮은 재현 성 등의 문제점들이 존재하였다. 이에 반하여 세포막 에 물리적으로 나노 구멍을 만드는 방법들(예: 전기 천공 또는 마이크로니들)은 상대적으로 여러 물질을 다양한 세포주로 전달이 가능한 장점이 있다. 그러나 방법의 침습성으로 인한 낮은 세포 생존율, 전달 물 질의 변성 그리고 낮은 처리량은 큰 한계로 지적되었 다. 본 발표에서는 그 동안 전통 미세 유체 역학에서 간과되었던 관성력을 이용하여 세포들을 연속적으로

미세관 벽과 충돌시킴으로 세포막/핵막에 균일한 나 노구멍들을 만들 수 있다고 가정하고, 그 나노구멍들 을 통해 다양한 물질(예: 유전자 가위 물질, 플라스미 드 등)을 바이러스와 같은 벡터의 사용 없이 대량으 로(분당 수백만 개 이상) 세포 속으로 전달하는 혁신 적인 방법과 그 플랫폼 및 줄기세포, 면역 치료 등으 로의 응용 및 세포 공학 연구도 소개하고자 하였다.

이준석 교수 (KIST)

최근 조류 독감 (AI) 바이러스의 지속적 발생으로 사회적 비용이 매우 크게 증가하고 있다. 본 연구팀 은 AI 바이러스가 가지고 있는 숙주세포 감염 감수성 과 화합물 프로브를 활용하여 AI 아형을 구별할 수 있 는 방법을 고안하였다. AI 감염 선택성을 결정하는 큰 요인 중의 하나는 숙주세포 표면의 sialic acid-galactose glycan 구조인데, 이는 각각의 세포에 따라서 매우 다르 게 발현하고 있음이 알려져 있다. 이를 각기 다른 기관 으로부터 유래된 세포의 패널을 모으고, 감염시 발생 하는 superoxide에 특이적으로 감응하는 형광 프로브를 이용하면 각 세포 수준에서 감염된 정도를 정량화 지 표로 사용할 수 있다. 이 시스템을 구축하여, MDCK, CHO-K1, NCI-H1299, HeLa, A498, DF-1은 H1N1에 대한 민감도가 높았고, Huh7.5, NCI-H23, SNU-2292, ACHN은 H5N9에 대한 감수성이 높은 걸 확인하였다.

이 데이터를 통해 AI 바이러스 감염은 숙주 세포에 따 라 달라지며 감수성은 아형에 의존하는 것을 규명하고, 5개 세포주, 1개 형광 프로브만 있어도 AI 바이러스의 아형 3종을 명확히 구별하는데 성공하였다. 이는 기존 병원균 바이러스 감지에 사용하는 PCR이나 항체기반 어세이를 활용하지 않고, 매우 손쉬운 방법으로 복잡한 생명분자를 구별하는 예로서 앞으로 다양한 감염질환 에 응용 가능성을 이번 워크숍을 통해 제안하였다.

백찬기 교수 (울산대학교)

형광 현미경을 이용한 바이오 이미징은 생물학 및 생명공학 분야에서 필수적으로 활용되는 기술로서, 세포 내-외부에서 일어나는 다양한 생명 현상을 관

찰하고 검증하는 연구에 사용되고 있다. 특히, 공초 점 현미경의 등장으로 세포 내의 각종 신호 전달 및 생화학적 기작을 연구할 수 있는 획기적인 기술을 제 시하였고, 최근에는 형광-상관 분광기(Fluorescence Correlation Spectroscopy, FCS)를 이용하여 세포 내 형 광 분자의 거동 및 절대 농도를 정확하게 추정할 수 있다. 이를 통해, 세포 내부에서 일어나는 다양한 생 화학 기작을 정확하게 이해하고 검증할 수 있다. FCS 는 형광 분자의 미세 거동에 따른 intensity를 추적함 으로서, 주변의 미세 환경에 관계 없이 극미량의 형 광 분자 농도를 절대치로 측정 가능하기 때문에, 광 학 기반 바이오 이미징의 한계로 지적되던 간섭에 의 한 부정확도 또는 세포 내 미세 환경에 따른 형광 세 기 감소로 인한 측정 한계를 극복할 수 있을 것으로 기대된다. 나노 입자를 바이오 연구에 활용하는 연구 자들과의 공동 연구를 통해 FCS의 활용 가능성을 더 욱 확장할 수 있을 것으로 기대되며, 보다 정밀한 분 석과 중개의학적 활용 방안이 다양한 연구로 확장될 수 있을 것으로 전망 된다.

5. 총평

본 프로그램을 통해서 생명/의학 분야에서 다양한 연구를 하고 있는 신진 연구자들과 주기적으로 교류 하고 토의할 수 있는 자리가 마련되어 의미 있는 시간 이었다. 특히, 워크샵을 통해 각자의 연구내용에 대한 교류가 활발히 이루어졌고, 팀 내에서의 공동연구 및 향후 과제구성의 가능성도 볼 수 있었다. 이러한 모임 을 가질 수 있도록 본 프로그램을 지원해 주신 한국화 학공학회 관계자 분들과 추천서를 작성해주신 재료부 문위원장님께 깊은 감사의 말씀을 드린다.

연구팀 워크숍 사진 (건국대학교)

Young Researcher Group 결과보고서 3

서 명 원

한국에너지기술연구원 청정연료연구실 mwseo82@kier.re.kr

“무릇 유동층 반응기(器)란 그릇인데 그 그릇에서 무엇을 만드느냐에 따라 무궁무진한 아이디어로 다 방면의 제품을 만들기 바란다.”

초당 김상돈 교수님의 정년퇴임 기념집 맨 첫 페 이지에 나오는 구절로, 유동층 분야를 연구하는 연 구자들에게는 항상 귀감이 되는 말이다. 이러한 유 동층의 매력에 이끌러 전공을 선택한지 햇수로 필자 는 어느덧 14년이 되었다. 그간 한국화학공학회 유 동층부문위원회는 화학공학을 전공하는 학부생들에 게조차 생소할 수 있는 “유동층”분야에서 독보적인 위상을 지키며, 유동층 분야의 학문적 발전과 함께 관계자들에게 저변을 확대하기 위한 유동층 반응기 입문 Tutorial 등을 진행해 왔다.

YGF(Young Generation in Fluidization)는 이러한 유동층부문위원회 선배님들의 노력과 헌신을 바탕 으로 새로운 세대를 준비하기 위한 굳은 결의로 모

였으며, 유동층부문위원회 소속 만 40세 이하 박사 급 연구자 7명으로 구성되어 있다. Young Researcher Group 프로그램을 통하여 크게 1) 유동층 Tutorial 진 행 리뷰 및 향후 방향 기획, 2) 타 부문위원회와의 네 트워킹 구축, 3) 유동층 분야 차세대 연구 주제 기획 등을 목표로 2018년 6월부터 12월까지 약 7개월가량 진행하였다. YGF 그룹 명단을 [표 1]과 같이 정리하 였다.

[표 1]에서 보는 바와 같이 대부분은 정부출연연 구기관인 에기연과 생기연 소속이며, 산업체 소속 회원도 포함되었다. 세부전공에서 보는 바와 같이, 기본은 유동층 공학을 바탕으로 하고 가스화, 연소, 이산화탄소 절감, 바이오 오일, 폐기물 처리, 탄소나 노튜브, 중질유 고도화 등 다양한 응용분야에서 활 동하는 연구자들로 구성되어 있다.

무더운 여름이 지나고, 2018년 10월 5일 착수회의

[표 1] YGF 그룹 멤버 현황

성명 소속 구체적 전공 분야 이메일주소

그룹장 서명원

한국에너지기술연구원

유동화 공학, 석탄/바이오매스 가스화 공정 mwseo82@kier.re.kr

구성원 이도연 유동화 공학 dylee82@kier.re.kr

구성원 문태영 바이오매스 가스화/타르제거기술/폐기물 가스화/화력

발전공정해석 mty1980@kier.re.kr

구성원 문지홍 순산소 유동층 연소, 가스화 mjh@kier.re.kr

구성원 남형석 CO2 CLDR (유동층), 열적변환 (유동층), Bio-oil

Upgrading (촉매), Gas Adsorption (활성탄) namhs219@kier.re.kr 구성원 김영두 한국생산기술연구원 유동층 가스화, 폐기물 에너지, 공정해석, 실험 및 분석 02yd@kitech.re.kr

구성원 정승우 LG 화학 탄소나노튜브, 유동화 공학, 중질유 고도화 공정 swjeong85@lgchem.com

를 시작으로 YGF 활동이 시작되었다. 가장 먼저 진 행한 사항은 그간 유동층부문위원회에서 진행하였 던 Tutorial을 정리하고, 분석하는 작업이었다. 이제 까지 진행된 유동층 반응기 입문 Tutorial을 [표 2]와 같이 정리하였다.

표에서 보는 바와 같이, 그간 유동층 반응기 입 문 Tutorial은 유동층의 거의 모든 분야에 걸쳐 강의

를 진행해 왔다. 그중에서 여러 차례 반복된 강의로 는 “Fluidization & Flow regime”(서론 및 흐름 영역),

“Bubbling fluidized bed”(기포 유동층), “High velocity fulidzation”(난류, 고속 유동층), “Circulating fluidized bed”(순환 유동층), “각종 시스템에서의 유동층 반응 기 응용 사례” 등이 뽑혔다. 유동층을 처음 접하는 연구자에게 가장 필요한 내용도 이와 같다고 할 수

[표 2] 역대 유동층 반응기 입문 Tutorial 정리

차수 일시 장소 프로그램 및 연사

1 (유동층 반응

기 입문)

2011년 4월 27일(수) 09~18시 창원 컨벤션센터

1) Fluidization and mapping of flow regime (이동현, 성균관대) 2) The dense bed: Bubbles, Distributor (이종민, 전력연) 3) Bubbling fluidized beds (김성원, SK기술원) 4) Entrainment (류호정, 에기연)

2 (유동층 반응

기 입문-2)

2011년 10월 26일(수) 09~18시 인천 송도컨벤시아

1) High Velocity Fluidization (김성원, SK이노베이션) 2) Solid Movement: Mixing, Segregation (이동현, 성균관대) 3) Fluidization Application (류호정, 에너지연)

4) Gas Dispersion and Heat & Mass Transfer in Bubbling Beds (이시훈, 전북대)

3 (유동층 반응

기 입문-3)

2012년 4월 25일(수) 10~18시 ICC 제주

1) Conversion of Gas in Catalytic Rxn (유경선, 광운대) 2) Heat Transfer & RTD in Fluidized Beds (이종민, 전력연) 3) Circulation system (김성원, SK이노베이션)

4) Circulating Fluidized Bed Boiler (선도원, 에너지연) 4

(유동층 반응 기 입문-4)

2012년 10월 24일(수) 9~18시 부산 BEXCO

1)　Fluidization Overview　(김상돈, 카이스트) 2) Design for Physical Operations (최정후, 건국대) 3) Cyclone/Grid design (김정래, 현대중공업)

4) Smart Process Design & Engineering (박대호, SK건설) 5

(유동층 반응 기 입문-5)

2013년 4월24일(수) 9~18시

광주 김대중 컨벤션센터

1) Design of Catalytic Reactors (김성원, SK이노베이션) 2) Design of Noncatalytic Gas-Solid Reactors (이종민, 전력연) 3) Standpipe (최정후, 건국대)

4) 상용성 화학공정 모사기를 이용한 공정 설계 (조정호, 공주대) 6

(유동층 반응 기 입문-6)

2013년 10월23일(수) 9~17시30분 대구 EXCO

1) Fluidization & Mapping of Flow Regimes (최정후, 건국대) 2) The Dense Bed: Bubbles, Distributor (이종민, 전력연) 3) Bubbling Fluidized Beds (김성원, SK이노베이션) 4) Liquid-Solids Fluidization (이동현, 성균관대)

7 (유동층 반응

기 입문-7)

2014년 4월 23일(수) 9~17시 창원 컨벤션센터

1) Entrainment (류호정, 에기연)

2) 폴리실리콘 제조공정에서 유동층 반응기 응용사례 (한주희, 한화케미칼)

3) High-velocity Fluidization (서명원, 에기연)

4) 삼상유동공정의 친환경적 현장적용 전략 (강용, 충남대)

8 (유동층 반응

기 입문-8)

2017년 4월 26일(수) 13~17시50분 ICC 제주

1) 서론 및 흐름 영역 (이동현, 성균관대) 2) Bubbling fluidized beds (김성원, 교통대) 3) Turbulent & Fast Fluidization (서명원, 에기연) 4) Circulating Fluidized Bed (최정후, 건국대)

- 교육 인재양성위원회 프로그램 일환으로 진행됨.

9 (유동층 반응

기 입문-9)

2018년 10월 24일(수) 13~17시50분 대구 EXCO

1) 순환유동층 기초: 원리 및 설계 기초 (최정후, 건국대) 2) 순환유동층 전산 모사 (임영일, 한경대)

3) 순환유동층 응용 1: 촉매 반응 (김성원, 교통대)

4) 순환유동층 응용 2: 연소 및 비촉매 반응 (이은도, 생기연)

있겠다. 다만 초기에는 같은 내용이 반복되는 경우 가 많았지만, 가장 최근의 유동층 반응기 입문 –8, 9의 경우에는 1년 반 정도의 격차를 두고 봄 학술대

회에는 전반적인 소개 내용을, 1년 반 뒤의 가을 학 술대회에는 특별히 산업계에서 널리 이용되는 “순환 유동층”의 전반적인 내용(기초, 전산모사, 응용 분

[그림 1] 2018년 추계화학공학회 참석 및 포스터 발표 참관, 에너지 환경 부문 위원회와의 인적 네트워킹.

[표 3] YGF 착수회의 및 진도회의 목록

회의명 일시 장소 안건

착수회의 2018년 10월 5일(금) 16시 에너지연 그린빌딩 2층 회의실

1) 한국화학공학회 학술대회 시 개최되는 유동층 튜토리얼 진행 상항 점검

2) 2018년도 화학공학회 (사) 다상흐름반응기기술 포럼 공동 심포지엄 준비 관련 논의

진도회의 (1) 2018년 10월 25일(수) 13시

대구 EXCO 2018 가을 한국화학공학회

학술대회장

1) 유동층 부문위원회 관련 국제 학회 내용 전달 - APCChe 2019 Sapporo Japan 2019년 9월 23~27일 - GLS-14 Guilin China 2019년 5월 20일 ~ 6월 3일 2) 타 부문위원회(에너지, 촉매 등) 와의 인적 네트워킹

및 협력 방안 수립

진도회의 (2) 2018년 12월 03일(목) 16시 에기연 에코빌딩 대회의실

- 유동층 튜토리얼 강의 리스트 정리 및 검토 1) 삼상 유동층 실험 방법 및 데이터 정리 방법 2) 고온 고압 유동층 실험 예제 및 안전 조치 3) 입자 기초 물성 파악을 위한 분석방법 4) 가스 및 입자 특성에 따른 내부 유동 상태 변화 5) 유동화 공학 기초 실험 진행

6) 교보재 활성화 방안 검토

진도회의 (3) 2018년 12월 11일(화) 10시 에기연 에코빌딩 도서관

1) 유동층 튜토리얼 토의 (QnA) 세션 진행 방안 논의 2) 유동층 튜토리얼 강의 세부 내용 검토

3) 유동층 분야 차세대 연구 주제 기획

진도회의 (4) 2018년 12월 20일(목) 16시 에기연 그린빌딩 310호

1) 타 분과 튜토리얼/강좌/심포지엄 추진 이력 및 계획 안내

2) 한국화학공학회 기술정보지 기고 검토

3) 기획과제 소개 (협업가능 과제 기획 추진 내용 검토)

진도회의 (5) 2018년 12월 21일(금) 16시 에기연 에코빌딩 도서관

전문가 초청 세미나 자료 검토 및 논의

1) 유동층 반응기의 활용 가능성 “분류층 가스화 시스템 소개”(에너지연 라호원 박사)

2) 유동층 반응기의 활용 가능성 “중질유 열분해 시스템에 유동층 적용”(에너지연 고강석 박사)

최종 진도 회의 2018년 12월 26일(수) 10시 에기연 그린빌딩 310호

1) 튜토리얼 개선안 검토 및 부문위원회 내 공유 방안 검토 2) 2019년 YGF(Young Gereration in Fluidization) 그룹

활동 정리 보고

3) 유동층 분야 신 과제 기획 현황 보고 (유동층 기술 적용

이산화탄소 메탄화 반응기 개발 현황)

야)을 소개함으로써 특히 석사과정의 대학원생에게 매우 적합한 커리큘럼으로 구성되어 있음을 확인할 수 있었다.

또한, 교육 시간도 학회와 함께 연계할 수밖에 없 다는 한계점이 있지만 초기의 9시~18시의 구성보다 는 최근의 13~18시의 구성이 좀더 집중력 있는 강의 가 가능하다고 논의하였다.

향후 이어진 진도 회의에서는 유동층 반응기 입 문 Tutorial에 대한 다양한 의견 수렴이 진행되었으 며, 특히 개선할 부분들을 아래와 같이 정리하여 지 속적인 해결책을 찾기 위한 방안들에 대한 논의가 이루어졌다.

1) 유동층 반응 시스템 활용 산업계 경험(ex, 폴리실 리콘 공정) 관련 교육 증진 방안

2) 토론 및 Q&A 세션 활성화 방안 협의

3) 해외 유사 사례(ex. PSRI 유동층 설계 강좌) 및 타 부문위원회 강좌/Tutorial 벤치 마킹 및 차별화 방 안 논의

4) 장기적인 학습 교재(책, 동영상 등) 제작 방안 논의

5) 효율적인 교육 일정 선정 논의

아울러, 타부문위원회와의 네트워킹을 위하 여 [그림 1]과 같이 2018년 가을 한국화학공학회 학 술대회 (10월 24일~26일, 대구 EXCO)를 통하여 에 너지 환경 부문위원회 소속 정상문(충북대학교 화학 공학과), 이시훈(전북대학교 자원에너지공학과) 교 수들과 만나 의견을 나누고 특히 2018년 8월 31일 개 최하였던 에너지 환경부문위원회 워크숍(세부주제:

Next-generation battery technology) 내용과 관련하여 자세한 설명 등을 들을 수 있었다.

회원 수가 점점 증가하고 있는 에너지 환경부문 위원회를 벤치마킹하여 앞으로 유동층부문위원회에 서도 철저한 회원 관리(회원명부 제작, 지속적인 연 락) 및 최신 연구 트렌드를 기반으로 한 워크숍 개최 등 다양한 프로그램이 필요함을 몸소 느낄 수 있는 값진 경험이었다.

그간 YGF에서 수행한 착수 회의 및 진도 회의를 요약하여 [표3]에 나타내었다.

표에서 보는 바와 같이, 지속적인 Tutorial 개선 방

[그림 2] 신재생에너지 이용 그린메탄 생산을 위한 핵심융합기술 개발 개념도.

안 도출 외에도 유동층 분야 신 과제 기획에 대해 논 의하였다. 유동층 분야의 과제 기획을 위해서는 1) 기존 다른 방식으로 운영되는 공정 중 유동층 시스 템 도입으로 효율이 증대될 수 있는 공정을 검토하 고, 2) 미래의 재생 에너지 증가에 따른 유망분야 선 정, 3) 유동층 반응기 적용에 따른 다양한 분야(촉매, 공정모사 등)의 연구가 필요한 분야를 기준으로 선 정하였으며, [그림 2]와 같이 신재생에너지 이용 그 린메탄 생산을 위한 핵심융합기술 개발을 기획 대상 과제로 선정되었다.

이 연구과제는 2018년부터 에너지연의 주요 사업 으로 수행되고 있으며, 향후 대폭 늘어가게 될 재생 에너지에서 생산된 전기 중 그리드에 연결되지 않 은 잉어 전력을 가스(수소 및 메탄, 본기술에서는 메 탄)로 전환, 재생에너지 발전의 간헐성 및 출력변동, 계통 연계의 한계를 보완하는 수단으로 활용하는 Power-to-Gas 기술이다. 이중 최종 산물인 메탄을 생 산하는 CO₂ 메탄화 반응기가 기존에 고정층 방식으 로 운전되고 있는데, 열 회수가 용이하고 균일한 고 체혼합이 가능한 유동층 반응기를 적용하는 방향으 로 연구가 진행되고 있으며 이와 관련하여 새로운 유 동층 분야의 연구 분야(유동층 적합 촉매 선정, 열교 환 시스템 최적화 방안)에 관한 기획을 진행하였다.

결과적으로는 YGF 그룹에서 제시한 방안을 바탕으

로 향후 실증 과제 등에 지원을 통하여 지속적인 협 업을 진행하기로 하였다. 이외에도 분류층 가스화 기 술(에기연 라호원 박사), 중질유 열분해 기술(에기연 고강석 박사) 등의 전문가를 초청하여 유동층 부문위 원회의 향후 과제 기획 방향에 참고하기로 하였으며, 석탄 순산소 연소시스템, 바이오 에너지 반응기에의 적용, 태양열 저장 시스템에의 유동층 시스템 활용 등에 대한 논의가 진행되었다.

금번 YGF 그룹 활동을 통하여 얻은 가장 큰 수 확은 Tutorial이나 과제 기획에 대해 이제까지 해오 던 방식이 아닌, 타 부문위원회, 외국 사례 등과의 협 력/비교 등을 통하여 내부적으로 점검을 해볼 수 있 는 기회를 가졌다는 점이다. 이를 바탕으로 향후 유 동층 반응기 입문 Tutorial의 운영방안에 대해 다음과 같은 개선안을 도출하였다.

1) 유동층 반응 시스템 활용 산업계 경험(ex, 폴리실 리콘 공정) 관련 교육 확대; 유동층 반응 시스템 에 대한 기초 이론 강의도 물론 중요하지만, 실제 로 산업계에 적용한 케이스에 대한 청중들의 몰입 도가 높았던 경험으로 미루어 볼 때, 산업계 종사 자를 꼭 초청하여 향후 tutorial에서 경험을 듣도록 추진하는 방안 고려.

2) 토론 및 Q&A 세션 활성화; 자유로운 토론 및 Q&A가 이루어지기 위해서는 이론과 실제에서 오 는 거리감과 좁혀야할 것으로 판단. 강의 중간 중 간 설문지 작성, 사전 질의 접수 등으로 토론 및 Q&A 활성화.

3) 해외 유사 사례(ex. PSRI 유동층 설계 강좌) 및 타 부문위원회 강좌/Tutorial 벤치 마킹 및 차별화; 미 국의 유동층 전문 컨설팅 업체인 PSRI의 경우 3일 코스로서 유동층 반응기 설계부터 시물레이션, 실 제 예시를 통한 workshop 등으로 프로그램이 구성 되어 있음. 또한 한국화학공학회 촉매부문위원회 의 경우 하계, 동계 촉매 강좌를 통하여 3일 정도 의 일정으로 교육 프로그램 운영. 따라서, 이러한 시스템을 도입하여 집중력 있는 프로그램을 진행

[그림 3] 외부전문가 초청세미나 이후 YGF 회원, 유동층 부문위

원회 소속 연구원들과 함께.

하는 것이 수요자의 요구에 발맞출 수 있음.

4) 장기적인 학습 교재(책, 동영상 등) 제작; 장기적 으로 유동층 분야의 지속성을 위하여 학습 교재가 필요하며 이는 동영상 강좌 등의 형태로 다양하게 제작할 필요가 있으며 이는 차후 교재 지원 사업 등을 통하여 진행할 필요성이 있음.

5) 효율적인 교육 일정 선정; 위에서 제시한 3일 프로 그램 등을 위해서는 여름/겨울 방학등을 이용하는 등 기존 학술대회 연계 뿐 아니라 다양한 시도가 필요.

이를 통하여, 더 많은 사람들이 유동층이란 무엇 인지 더 쉽게 알아갈 수 있고, 말 그대로 다양한 반응 기를 제작하여 다양한 제품을 생산할 수 있도록 하

는 것이 “유동층 분야”를 위해 애쓰신 선배님들의 뜻 을 이어받아, YGF와 같은 젊은 연구자들이 받은 소 명이 아닌가 싶다.

또한, 이글을 빌어 굳이 유동층 분야의 연구자가 아니더라도 다상흐름공정과 관련된 다양한 반응기 의 설계와 운전, 생산 등에 관심이 있는 연구자들의 많은 관심과 연락을 기대하고 있다.

끝으로, YGF 그룹 멤버들과 Young Researcher Group 프로그램에 관련된 한국화학공학회의 협조 및 지원을 통해 성공적인 진행 및 성과를 이끌어 낼 수 있었던데 대해 감사의 말씀을 드리고자 하며 이 글을 맺는다.