[산업계동향] 신기술ㆍ신제품 개발 소식

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미생물이 만든 산화철에서 친환경적 기능 재 료인 실리카 튜브 개발

오카야마대학 대학원 자연과학연구과 연구팀은 약6년 에 걸쳐 미생물이 만든 산화철로부터 다공질 실리카를 만 석에 의해 그림3의 비례 관계에 있어서 직선의 기울기는 세

선 위 고유의 여기자와 점에 갇힌 여기자의 발광 효율의 비 율에 비례하는 것으로 나타났다. 이 상관 관계에서, 양자점 의 여기자의 발광 효율은 세선 위 여기자의 최소18배(약 18%)임이 밝혀졌다.

연구 그룹은 또한 이 현격히 높은 발광 효율의 원인을 자 세히 살피기 위해 시간 분해 발광 측정과 온도 의존성 발광 측정을 실시했다. 그 결과, 양자점의 약18배의 발광 증강

은1) 여기자가 양자점에 잡혀, 충돌하지 않도록 함으로써

발광 없이 사라져 버리는 확률이 약1/6로 감소, 2) 양자점 속에서 여기자가 빛으로 변환될 확률이 약3배 늘어난 시너 지 효과에서 유래하는 것으로 나타났다. 특히 후자는 여기 자가 양자점에 갇힘으로써 그“차원성”(운동의 자유도)과

“공간적 확산”그 자체가 변화하여1차원 양자 세선의 탄소 나노튜브 고유의 한계를 뛰어 넘는 발광 효율이 증가된 것 을 나타내는 획기적인 발견이라 할 수 있다.

[파급 효과]

본 연구를 통해 양자 세선인 탄소 나노튜브에 매우 작은 특이점(양자점)을 도입하여, 탄소 나노튜브 고유의 한계를 뛰어넘는 높은 발광 효율을 실현할 수 있음이 밝혀졌다. 이 번 연구 성과는 탄소 나노튜브의 광 응용을 위한 큰 과제인 낮은 발광 효율의 벽을 깬 획기적인 돌파구가 될 것으로 기 대된다.

따라서, 향후에는 광섬유 통신을 위한 광기능 소자를 만 들기 위해 필요한 희토류 원소나 레어 메탈 같은 희귀 원소 를 전혀 사용하지 않고, 환경 부하가 적고 어디에나 있는 원 소인 탄소를 사용하여 나노 크기의 에너지 절약, 고효율의 근적외선 광원 등 새로운 광 기능 소자를 만들 수 있게 될 것 으로 기대된다. 또한, 상온에서 안정된 탄소 나노튜브의 양

자점 상태는1차원의 탄소 나노튜브 양자 세선 그 고유의 성질과 달리0차원적(양자점적)인 새로운 광 기능을 제공 할 것으로 예상된다.

미래에 이러한 기능을 이용하여 에너지 소비가 큰 냉각 장치의 필요 없이 상온에서 작동시킬 수가 있는 양자 암호 통신용 통신 대역의 단일 광자 발생 소자 등 새로운 양자 등 기능 소자의 실현에도 연결될 것으로 보인다.

[향후 예정]

앞으로는 이번에 얻은 연구 성과를 기초로 탄소 나노튜 브에 의해 밝게 빛나는 양자점 상태를 만들려면 어떻게 하 면 되는지를 원자 수준에서 설계하여 이상적인 양자점 구 조와 그 제작법을 찾을 예정이다. 또한, 미래의 장치 응용을 위해 전극으로 연결된1개의 탄소 나노튜브의 목적한 장소 에 하나만 양자점을 만들고, 그것을 발광시키는 기술의 개 발을 진행할 예정이다. 이러한 기술은 상온에서 동작하는 광섬유 통신 대역의 단일 광자 발생 소자의 실현에 필수적 이다.

또, 이번에 제작에 성공한 양자점 상태를 가진 탄소 나노 튜브는 극소수의 양자점(0차원 전자 계열)이 원활하게 양 자세선(1차원 전자 계열)에 내장된 전례 없는 이상적인 나 노 크기의 하이브리드 구조이다. 이러한 새로운 재료의 성 질은 기초적인 재료 과학의 관점에서도 매우 흥미로운 것 으로, 이를 배경으로 다른 차원성을 가진 전자 상태 사이의 상호 작용이 만들어내는 다양한 미지의 물리 현상을 찾아 볼 수 있을 것으로 기대하고 있다.

본 연구는 일본 과학기술 진흥기구(JST) 전략적 창조 연 구 추진사업 개인형 연구의“나노 시스템으로 기능 창조”

연구 영역 과제의 일환으로 이루어졌다.

(KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』, 2013년7월10일)

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 31, No. 4, 2013…

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능을 상세하게 검토한 결과 인공적으로 화학합성할 수 없 는 우수한 기능을 가진 새로운 실리카 마이크로 튜브의 제 조에 성공하였다.

신규 다공질 실리카 마이크로 튜브(직경: 약0.93 µm) 는 미생물 유래의 산화철 마이크로 튜브를 수소 중에서 환 원시켜 금속철 입자가 석출한 실리카 튜브를 제조한 후 산 처리에 의해 철을 용해, 제거하여 얻어진다.

이 재료는 기존에 별로 선호하지 않는 물질로 지하수가 용출하는 장소에서 미생물이 상온조건에서 만드는 천연 산 화철 튜브를 원료로 하여 환원처리와 산처리에 의해 만든 친환경적인 기능성 재료이다. 또한 순수한 실리카 재료에 서는 볼 수 없는 강한 산점(수산기)을 가지고 있을 뿐만 아 니라 그 산성도는 고온에서도 유지되는 큰 특징이 있다.

이번 실리카 마이크로 튜브는 에폭시드의 개환반응 및 프리델-크레프츠반응(Friedel-Crafts reaction) 등 기본 적인 산촉매로서 고활성이며 아산화질소 등의 가스를 흡착 하는 능력에도 우수하다. 이와 같이 이번에 개발한 신규 다 공질 실리카 마이크로 튜브는 미생물 유래의 산화철 튜브 를 출발물질로 하기 때문에 독특한 형상과 특이한 나노구 조를 가지며 강한 산점을 가진 것으로 관측되어 화학반응 의 고체촉매로서 기존 재료보다 우수한 촉매활성을 나타낸 다고 생각된다.

현재까지의 실리카 재료로는 화학합성, 광물유래, 식물 유래(바이오매스) 등 다양한 재료가 알려져 있다. 그 중에 서도 실리카 튜브로서 육각기둥형 실리카 나노튜브가 벌집 과 같이 배열된MCM-41은 고기능 실리카 재료로서 유명 하지만, 이번에 개발한 실리카는 그것과 비교하여 산점의 산성도 강도가 상당히 강하다.

이번 재료는 기존 실리카 재료와는 전혀 다른 원료와 제

조방법으로 만들어진 신규 청정 재료이다. 따라서 미개척 재료이기 때문에 앞으로 폭넓은 기능 탐색을 진행하면 다 른 반응계의 촉매활성 및 가스 흡착능이 도출될 수 있을 것 으로 기대한다. 그리고 예상을 뛰어넘는 기능 발현의 가능 성도 매력적인 재료이다.

또한 자연계에는 물에 녹아 있는 철을 산화하는 다양한 박테리아가 지하수의 용출장소에 서식하고 있어 다양한 형 태의 산화철(실리콘을 포함하고 있음)을 만들 수 있다. 이 러한 미생물 유래의 산화철로부터 지금까지 독특한 다공질 실리카 재료의 제조도 가능하다. 얻어진 신규 실리카 재료 는 미지이지만, 이번과 같이 우수한 성질을 나타내는 것을 기대할 수 있다. 즉, 차세대 다공질 실리카 재료의 가능성을 내재하고 있다.

자연계의 지하수가 용출하는 장소에서는 지하수 중에 용 해되어 있는 철을 산화시켜 생명활동을 하고 있는 철산화세 균이 다수 서식하고 있다. 이러한 박테리아가 산화시킨 철 은 산화철을 형성하고 그것이 집단으로 모여 수중에서 갈색 의 산화철 침전물을 형성한다. 어느 박테리아는 중공 튜브 형상의 산화철을 만든다. 튜브의 형성과정에서 지하수 중 의 실리콘을20% 정도 포함한다. 이 갈색 침전물은 주변에 서 자주 관찰되지만 미관을 해치는 불필요한 물질이다.

본 연구팀은 이 불필요한 폐기물인 갈색침전물의 산화철 이 기능성 재료가 될 수 있을 것으로 생각하여 약15년 전 부터 연구를 시작한 결과, 다양하고 놀랄만한 기능(식물성 장 촉진, 촉매활성 등)을 도출하였다. 이번 발견은 이러한 박테리아가 만드는 튜브형 산화철로부터 튜브 형상을 유지 한 채 철만을 제거하여 인공적으로 만들 수 없는 특징을 가 진 마이크로 튜브상 다공질 실리카 재료를 세계에서 처음 으로 만들었다.

(KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』, 2013년7월19일)

유전자조작 박테리아를 이용한 내열성 폴리스 타이렌 개발

레스터대(University of Leicester)의 연구자들이 유 전자 조작 박테리아를 이용해 열에 보다 강한 저항성을 지니 고 있는 새로운 폴리스타이렌(polystyrene)을 개발하는 것 을 목표로 연구를 진행 중이다. 레스터대의 연구자들은 작

그림) 실리카 마이크로 튜브 제조 모식도.

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년에 성공적인 성과를 거둘 수 있었던 국제 유전공학 경진 대회(International Genetically Engineered Machine competition (iGEM))에 참여하기 위해 팀을 결성했다.

연구팀은 폴리스타이렌(polystyrene)의 내열성을 보다 증가시킬 수 있는 난연제(flame retardant)로 최근에 발

견된DNA를 이용하려는 계획을 세웠다. 저렴한 비용으로

많은 양의DNA를 생산하기 위해 연구자들은 일반적인 경 우보다 많은DNA를 생산하기 위한 유전적으로 조작된 박 테리아를 만들었다. DNA를 풍부하게 만들어내는 박테리 아는 폴리스타이렌을 보다 덜 타게 만들어줄 수 있다.

발포폴리스타이렌(Expanded PolyStyrene (EPS))*은 일반적으로 건물의 절연제(insulation)로 이용되며 이 중 헥 사아브로모시클로도데칸(Hexabromocyclododecane (HBCD))은 건물을 지을 때 난연제로 많이 이용된다. 하지 만, 유럽연합은HBCD를“생물학적으로 독성을 함유하고 있는 물질”로 지정하였으며, 이는 수중 물고기의 호르몬처 럼 생물학적 과정에 영향을 줄 수 있음을 의미한다. 유럽연

합은2015년까지HBCD를 완전히 사라지게 하려는 목표

를 가지고 있으며 따라서 난연제가 대안이 될 수 있다.

2012년 레스터 연구팀은 처음으로 국제 유전공학 경진 대회에 참여했으며 유전적으로 조작된 박테리아를 이용해 폴리스타이렌 폐기물을 보다 효과적으로 분해하려는 계획 을 갖고 있다. 연구팀은 자신의 연구 결과를 암스테르담에 위치한 발표장에서 발표했다. 폴리스타이렌의 가연성을 줄 이는 것 이외에, 연구자들은DNA기술을 이용해3D 프린 팅에 이용되는 폴리스타이렌 폐기물을 재사용하려는 것을 목표로 했다.

그들은 또한 폴리스타이렌 폐기물을 보다 효과적으로 분 해하기 위해 유전적으로 조작된 박테리아를 개발했다. 연 구팀의 조언자인 유전정보학과의Richard Badge 박사는

“폴리스타이렌은 가연성이 매우 크기만 빌딩의 절연제로 가장 많이 이용되고 있는 물질 중 하나이다. 따라서 발포폴 리스타이렌을 만들어 이들의 난연성을 높이고 절연성도 유 지하는 것이 필요하다”고 말했다.

그는 또한“HBCD는 폴리스타이렌 난연제를 만드는데 있어서 이용되는 주요한 화학물질이다. 하지만 유럽연합은 이를 사용하지 못하게 하려고 하고 있으며 따라서 새로운

난연제를 만들 필요성이 생겼다. 박테리아는 원래는 많은 DNA를 만들어내지 못하지만 우리는 유전적인 조작을 통 해 이러한 문제를 해결하려고 했다. 이를 위해 우리는 박테 리오파지(bacteriophage)를 이용했다. 국제 유전공학 경 진 대회는 참여하는 학생들에게는 하나의 커다란 기회”라 고 덧붙였다.

발포폴리스타이렌(Expanded PolyStyrene (EPS)) 폴리스타이렌을 발포제의 작용으로 팽창시킨 것으로 거품 폴리스타이렌 스타이로폼(styrofoam) 발포스타이렌 스 타이로폴 등 여러 이름으로 불리며, 영문 머리글자를 따서 EPS로 약칭하기도 한다. 희고 가벼우며, 내수성 단열성 방 음성 완충성 등이 우수하여 널리 사용된다

(KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』, 2013년7월5일)

이산화탄소와 메탄올을 이용한 탄산디메틸 제 조법 개발

일본 도호쿠 대학 대학원 공학 연구과의 연구 그룹은 신 일본 제철 주금 주식회사와의 공동 연구에서 지구 온난화 의 주요 원인 물질인 이산화탄소를 메탄올과 반응시킴으로 써 플라스틱의 원료나 리튬 이온2차 전지 전해액으로 유용 한 탄산 디메틸로 변환하는 고효율 촉매 반응 장치 개발에 성공했다. 이 반응 장치가 향후 공업화되면, 포스겐 등 유해 물질을 이용하지 않고도 이산화탄소를 원료로 유용한 화학 품의 제조가 가능할 것으로 기대된다.

개발한 반응 계열에서는 산화 세륨(CeO2)을 촉매로 이 용하여 이산화탄소와 메탄올, 니트릴 탈수제(2-시아노 피리 딘 등)를 반응시킴으로써, 탄산 디메틸을 최고 수율94%(세 계 최고)로 얻을 수 있다. 반응 후에 니트릴 탈수제는 아미드 로 변환되지만 탄산 디메틸, 아마이드, 촉매는 쉽게 분리될 수 있다. 게다가 아미드를 니트릴 탈수제로 재생함으로써 이 산화탄소에서 높은 비율로DMC 만을 제조하는 프로세스 구축에 성공하였다. 이 성과는2013년6월26일자의 와일 리사의 학술지ChemSusChem에 게재되었다.

[배경]

이산화탄소 배출 삭감의 관점에서, 이산화탄소를 원료 로 이용하는 반응이 주목되고 있다. 탄산 디메틸(DMC)은

폴리카보네이트 수지의 원료나 리튬 이온2차 전지 전해액 으로 폭넓게 이용되고 있으며, 최근 주목을 받고 있는 물질 이다. DMC는 이산화탄소와 알코올로부터 합성될 수 있다.

이 반응은 목적 생성물인DMC 이외에 물만 생성하는 친환 경적인 반응이다.

DMC는 이산화탄소 변환 대상 물질로 기대되고 있다.

하지만 이산화탄소는 화학적 안정성이 높으므로 열역학적 인 제약을 받아 적절한 촉매를 이용해서도DMC 수율이 1% 정도밖에 되지 않았다. 거기에서 반응 장치 내 탈수에

의한DMC 수율의 향상이 시도되어 왔다. 그러나 지금까지

의 연구 예에서는2,000기압의 초임계 유체를 가열·냉각 시키는 대규모 장치를 이용해서도DMC 수율은 최대45%

에 머무르고 있었다.

[연구 성과 개요 및 본 성과의 의의]

이번에 개발한 촉매계에서는 세륨 산화물 촉매를 이용하 여 메탄올에 탈수제2-시아노 피리딘을 가한 용액을50기 압의 이산화탄소로 가압하고120℃에서 반응을 실시했다.

12시간 후에DMC의 최고 수율은94%가 되어 기존의 촉

매계보다 훨씬 높은 값을 얻는데 성공했다.

반응 후에는 촉매, DMC 및2-시아노 피리딘의 탈수에 의해 생성된2-피콜린 아미드를 포함한 고체가 생성되지 만, 이들은 쉽게 분리 가능하다. 촉매 활성 성분의 반응 용 액에 용출은 관측되지 않고 촉매를 반응 후 회수해 소성 처 리하여 다시 사용하는 작업을3번 반복해도 활성의 저하는 보이지 않았다. 또한, 탈수에 의해 생성된2-피콜린 아미드

를2-시아노 피리딘으로 다시 재생해 반응에 유효한 알칼

리 금속(나트륨 등) 담지 실리카 촉매의 개발에도 성공했 다. DMC 합성과 탈수제의 재생이라는2개의 반응을 실시 함으로써 이산화탄소에서 높은 비율로DMC만을 제조하 는 프로세스가 가능하게 된다.

본 연구에 의한 이산화탄소와 메탄올의DMC 합성은 이 산화탄소를 유효 이용하는 프로세스로서, 그 배출량 저감 에 공헌한다고 볼 수 있다. 또한, 기존DMC 제조 프로세스 에 저환경 부하라는 새로운 가치를 더할 것으로 기대된다.

향후 새로운 촉매와 프로세스의 개량에 의한 효율의 향상 을 진행시켜 나갈 예정이다.

(KISTI 미리안, 2013년7월1일)

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 31, No. 4, 2013…

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