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기술개요
초임계 유체란 임계 압력 및 임계 온도 이상의 조건 을 갖는 상태에 있는 물질로 정의되며 일반적인 액체 나 기체와는 다른 고유의 특성을 갖는다. 임계점 (critical point)은 물질이 액체 또는 기체 상(phase) 으로 평형(equilibrium)을 이루며 존재할 수 있는 한 계점을 의미한다. 이는 [그림 1]의 상선도(phase diagram)로부터 이러한 현상을 쉽게 설명할 수 있다.
임계점 이하의 압력 및 온도 조건에서는 물 또는 이산 화탄소가 기체, 액체 그리고 고체상으로 존재하고 있 으며 각 곡선은 두 가지 상이 평형을 이루며 공존하는 압력이나 온도 조건을 의미한다. 즉, 액체와 기체 간의 곡선은 각 압력 조건 하의 끓는점을 의미하며 이 선을 따라 온도나 압력을 증가시키면 임계점에 도달하게 된다. 온도나 압력의 증가에 따라 액체상은 열팽창 (thermal expansion)으로 인하여 밀도가 감소하고 기 체상은 압력 증가에 따라 밀도가 증가하는 상반된 변
화를 계속하다가 임계점 이상의 고온, 고압 조건에 도 달하게 되면 두 상의 밀도가 동일한 값을 가지게 되고 두 상의 구분이 없어지게 된다. 이러한 상태를 초임계 상태(supercritical state)라고 하며 고체와 달리 변형 이 쉽고 자유로이 흐르는 유체의 특성을 가지기 때문 에 초임계유체(SCF)라고 부르게 되었다. 초임계유체 는 열, 물질 이동이 빠르고 저점도, 고확산계수 등의 성질로 인해 미세공으로의 빠른 침투성 등과 같은 장 점을 가지고 있으며, 기존의 반응 및 분해, 추출, 증류, 결정화, 세정, 건조 등의 공정에서의 저효율, 저품질, 저속, 환경에의 악영향 등과 같은 기술적 어려움을 해 결할 수 있는 새로운 혁신기술로써 주목받고 있다. 특 히 초임계 이산화탄소(Tc=31℃, Pc=73atm)는 임 계점이 상온에 가깝고 무독성, 불연성이면서 가격이 매우 싸기 때문에 환경친화적 에너지 절약형 공정개 발에 많이 사용된다.
이와 같은 초임계 유체의 여러 장점들을 바탕으로 최근에는 결정화 분야를 비롯한 나노 분야 전반에 걸 쳐 초임계 유체 기술이 이용되고 있다. 초임계 나노 입자 제조는 열에 민감한 의약품이나 단백질, 비타민 등을 잔존용매 없이 미세화 하는데 매우 효과적이며, 약물입자는 물론, DDS(Drug Delivery System)용 생 분해성 고분자(PLA, PLGA 등), 전도성 고분자, 염 색용 입자, 폭약입자, 로켓용 고체추진제 나노입자, 칼 라토너용 고분자 나노입자, 기능성 화장품 입자, 계면 활성제 나노입자, 나노 형광체 입자 등 광범위한 분야 에서 연구 개발되고 있다. 이 기술은 고부가가치의 정 밀화학, 의약품, 식품, 향장산업, 반도체산업에서 두각
초임계 유체를 이용한 결정화 기술
임종성, 임준혁, 유기풍
서강대학교 화공생명공학과 [email protected], [email protected], [email protected]
그림 1. 고압 반응기 내의 초임계 이산화탄소의 상거동.
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을 나타내고 있으며 경제성이 입증된 기술로서 자리 잡고 있다. 또한, 초임계상태의 독특한 성질을 이용하 여 3차원 콜로이드 결정의 계면제어 기술에 응용이 가능하고 복합 소재나 하이브리드 재료의 제조에도 적용 가능하다.
이론 및 방법
초임계 결정화기술을 이용한 미세입자 제조방법으로 는 RESS(Rapid Expansion of Supercritical Solution), SAS(Supercritical Anti Solvent) 등이 있다.
1) RESS(Rapid Expansion of Supercritical Solution) RESS는 입자로 제조할 물질을 초임계유체에 용해 시킨 후 미세한 노즐을 통하여 급속히 팽창시킨다[그 림 2]. 이때, 초임계유체가 gas로 되는 과정에서 용질이 빠른 시간에 과포화 되고 용해되어 있는 용질은 석출된 다. [그림 3]에 RESS 공정의 개략도를 나타내었다.
이 공정을 통해 얻어지는 입자는 물질의 구조와
RESS의 공정변수(온도, 압력강하, 표면과 jet의 충돌 거리, 노즐직경 등)에 모두 영향을 받는다. 이 공정은 용매로서 초임계유체만을 사용하므로 잔존유기용매 가 없는 약물을 제조할 수 있고 비교적 입자경 및 입 자경분포가 좁은 입자를 빠르게 얻을 수 있고 결정화 와 건조가 동시에 일어나 추가공정이 불필요하다는 장점이 있지만, 상업적 생산에서는 크기분포제어가 어렵고 초임계유체에 대한 용질의 매우 낮은 용해도 로 인해 적용분야가 매우 제한적이다.
2) SAS(Supercritical Anti Solvent)
SAS법은 분쇄하거나 재결정하기 어려운 고체상의 대상물질(폭약, 의약제, 단백질, 고분자)을 적절한 용 매에 녹인 후 이를 antisolvent인 초임계유체에 분사 함으로서 용매의 용해력을 급격히 저하시켜 용액중의 용질을 석출시키는 원리를 이용한 재결정법 공정이다.
[그림 4]의 SAS공정은 입자로 제조할 용질이 초임계 유체에 대한 용해도가 매우 낮을 경우에 사용된다. 이 공정은 용질을 적절한 용매에 녹인 후 이를 다시 반용
그림 2. RESS 노즐 분사 장면.
그림 4. SAS 공정 개략도.
그림 3. RESS 공정 개략도. 그림 5. 고분자/용매/초임계유체의 3성분계의 상선도.
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매와 혼합함으로써 용매의 용해력을 급격히 감퇴시켜 용질을 석출시킨다.
SAS공정의 적용가능성을 알아보기 위해서는 용질 /용매/Anti Solvent의 3각형 용해도 선도를 그리는 것이 필수적이다. [그림 5]에는 2상의 준안정성영역 과 만나는 binodal 곡선과 spinodal 곡선에 의해 둘러 싸인 불안정한 2상 영역을 보이고 있다. 선 AB, CD, EF는 상분리를 유도하는 서로 다른 공정 path를 나 타 낸 다 . South Dakota School of Mines &
Technology의 David J. Dixon은 톨루엔으로부터 polystyrene을 재결정할 때 서로 다른 공정 path로부 터 서로 다른 morphology를 얻었다.
SAS공정과 PCA(Precipitation with compressed Anti solvent)의 형태는 매우 유사하지만, SAS공정은 액적 안에서 결정화속도가 초임계유체의 물질전달속도 의 함수라는 것이 다르다. 이 단계에서 입자크기가 결 정되지만, 액적 안에서의 핵생성과 뭉침은 농도와 초임 계 유체상의 물질전달속도에 의존한다. SAS공정은 산 소와 빛이 격리된 상태에서 조작되고 회분 조작마다의 변수가 매우 적다는 장점이 있다. 조작방법에 따라 GAS(Gas Anti Solvent), ASES(Aerosol Solvent Extraction System), SEDS(Solution Enhanced Dispersion by Supercritical fluids)로 나뉜다.
이 외 에 도 , 초 임 계 유 체 로 물 (Tc=374℃ , Pc=218atm)을 이용한 초임계 수열합성 공정 등이 있다. 초임계 상태의 물은 그 자체가 산화 촉매로서의 기능을 가지고 있으면서 무기염은 용해하지 못하는
반면, 유기화합물과 산소, 수소 등을 완전히 녹이기 때 문에 미세입자의 제조나 난분해성 물질의 분해반응, 합성반응, 라디칼 반응, 이온반응의 제어가 가능하다.
국내외 기술 동향 및 전망 1) 국내 동향
초임계 결정화 기술을 이용하는 분야는 여러 가지 가 있지만 대표적으로 의약 관련 분야를 꼽을 수 있 다. 충남대 약대에서는 몸에 잘 흡수되지 않는 난용성 약물의 생체 흡수율을 기존보다 2배가량 높이는 방식 을 초임계 유체 공정을 이용하여 개발하였다. 초임계 유체를 이용하여 펠로디핀(고혈압 치료제), 파클리탁 셀(항암제), 실로스타졸(혈소판응집 억제제), 심바스 타틴(고지혈증 치료제) 등 난용성 약물을 작은 구형 의 나노 입자 조성물로 만드는 데 성공하였다. 이 기 술은 개량 신약과 바이오 의약품, 캡슐 형태의 서방형 약물 전달 기술 개발 등에 적용 가능하며 상용화를 통 해 값싸고 효율 높은 개량신약 개발을 가능하도록 하 여 앞으로 수조원대에 이르는 국내 복제 약품 시장에 수입 대체 및 수출 증대 효과를 가져다 줄 전망이다.
한화석유화학에서는 배기가스 촉매로 이용되는 지 르코니아계 나노입자 개발과 리튬이온 이차전지에 쓰 이는 양극(Cathode) 물질의 제조에 초임계 수열합성 기술을 도입하여 연구 중에 있다. 기존의 양극재 물질 인 LiCoO₂를 대체할 물질로 LiFePO₂를 초임계 수열 합성법을 이용하여 제조하는 공정으로, 나노크기의 입자가 합성되어 Morphology가 우수하고 균일하며 고효율 제품을 생산할 수 있는 등 여러 장점이 있다.
2) 국외 동향
국외의 동향을 보면, 최근 히로시마 대학 자연과학 연구 지원 개발 센터에서는 초임계 유체 중에서 반도 체 실리콘의 펄스 레이저 어블레이션(Pulse Laser Ablation)을 실시, 풀 컬러(Full Color) 및 자외선 영 역에서 발광하는 실리콘 나노 결정을 생성하였다. 실 리콘은 원료가 풍부하고 환경에도 좋은 물질이며 IC
그림 6. SAS 공정의 열 및 물질 전달.
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칩과 같은 물질이기 때문에 빛과 전자의 융합에 의한광전자 공학에의 전개가 기대된다. 또한, 실리콘은 다 른 무기물이나 유기물 등과 비교하면 생체 적합성이 높아, 인체 친화적인 바이오 마커로서 암 치료 등의 의약 분야에서도 기대된다.
한편으로, 나노테크놀로지의 붐이 지속됨에 따라 탄 소 나노튜브(carbon nanotubes (CNTs))에 대한 끊임 없는 연구가 지속되고 있는데, 최근 노벨 인텐트(Nobel Intent)의 연구진은 탄소 나노튜브와 초임계 유체가 함 께 이용되는 것은 시간의 문제일 뿐이라고 표명하였다.
탄소 나노튜브의 초임계 유체 공정은 제조가 용이하며 저렴한 복합 물질을 생성할 뿐 아니라 완전히 새로운 나노구조의 제조도 가능하다. 노벨 인텐트사 연구진은 최근 Advanced Materials에 초임계 유체와 CNT로 제조된 다양한 구조체에 대해 보고했다. 현재의 CNT 복합체는 일반적으로 복잡하고, 효율이 떨어지는 프로 세스를 통해 제조되고 있다. 하지만, 어떤 것도 용해시 킬 수 있는 불가사의한 특성을 갖는 초임계 유체를 이 용할 경우 CNT와 다른 물질의 접근이 가능해 진다. 다 시 말해, 고온, 고압, 초임계 유체의 성질 조절을 통해 보다 선호되는 반응 조건이 형성될 수 있다.
3) 전망
초임계 유체를 이용한 결정화 기술은 기존 방법의 여러 단점을 개선한 획기적인 기술로 이전보다 훨씬 미세하고 정밀한 결과물을 얻을 수 있는 환경을 제공 하였다. 그간 많은 연구가 진행되어 온 의약분야 및 정밀 화학 분야 등은 어느 정도 기반 기술이 확보되어 상업화가 진행 중에 있으며 그에 따른 산업적인 부가 가치가 매우 큰 것으로 평가받고 있다. 또한 국내의 녹색 성장 정책이 정부 차원에서 확대되고 있고, 전 세계적으로 환경 보호의 필요성이 강조되고 있는 가 운데 초임계 유체를 이용한 결정화 기술은 시대에 부
합하는 친환경적 기술로 적합하다.
초임계 결정화 기술을 이용한 분야는 딱히 몇 가지 로 한정하기에는 그 적용 분야가 매우 다양하다. 최근 급속도로 발전되어 온 약물 전달 시스템 분야는 초임 계 유체를 이용하여 기존 약물의 효율을 높이는 방법 과 약물 전달의 새로운 방법을 제시하였고, 국외 연구 동향에서 볼 수 있듯이 CNT분야에서도 이용될 수 있 는 가능성을 보여 주었으며, 초임계 결정화 기술을 이 용하여 3차원 나노 구조의 미세한 제어와 복합 소재 와 하이브리드 재료 제조도 가능하다.
이와 같이 매우 다양한 분야로 응용 가능한 초임계 결정화 기술은 발전 가능성이 무한한 만큼 아직 해결 해야 할 부분도 존재한다. 고온 또는 고압 상태의 초 임계 유체 내의 반응을 이용하는 만큼 장치의 안정성 은 필수적이며, 각각의 초임계 결정화 공정에 따른 단 점도 개선해야 할 부분이다.
현재 국내 유수 대학을 비롯한 여러 연구 기관에서 초임계 결정화 기술을 도입하여 기존 결정화 공정을 뛰어넘는 새로운 공정의 도입을 꾸준히 연구 중에 있 으며 상업적으로 응용 가능한 여러 기술이 상용화 되 었거나 개발 중에 있는 상태이다.
국가적으로 체계적인 지원을 통하여 초임계 결정화 기술 분야를 미래의 고부가가치 산업으로 꾸준히 발 전시킨다면 관련 분야에서 국제적인 경쟁력을 갖출 수 있을 것으로 기대된다.
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