KRICT 한국화학연구원

 - 한국화학연구원, 기관 공식 캐릭터 ‘케미’의 친구 캐릭터 공모… 11월 4일까지 홈페이지 접수
 - 수상작 12편 선정 총상금 690만원 시상… 심사 결과 12월 발표 예정

 - 스마트워치, 헬스케어 밴드 등에 활용 가능
 - 이온 겔 전기 이중층 활용해 누설전류 최소화, 발전량 13배
 - 재료·화학 과학기술 분야 국제학술지 ‘첨단 기능성 소재(어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈, Advanced Functional Materials)’ 2024년 9월 5일 표지논문

□ 국내 연구진이 마찰 전기 발전 소재의 성능을 13배 높인 기술을 개발했다.

  ㅇ 한국화학연구원(원장 이영국) 이수연, 김태호 박사팀은 최근 연구 논문에서 자체 개발한 이온겔 전기 이중층과 내구성이 좋은 양전하 소재를 적용해, 누설전류 최소화와 전력 생산 극대화, 1만회 반복 사용에도 성능 유지가 가능한 고출력 마찰 발전 소재 기술을 선보였다.

□ 정전기는 작고 쓸모없는 에너지로 인식되나, 운동 중에 신발과 바닥 사이의 마찰을 스마트워치 충전에 활용하는 등 소형기기에서 유용하게 쓰일 수 있다. 다만 구조적으로 전류가 누설되는 한계가 있다. 또한 출력이 낮고 반복적인 마찰로 마모 시 성능이 저하되는 문제도 있다.

□ 연구팀은 마찰 소재와 전극 사이에 ‘이온 겔 전기 이중층(iEDL, Ionic Electric Double Layer)’ 소재를 추가해 전류 누설 문제를 해결하고 전력 발생량을 높였다. ‘이온겔 전기 이중층’은 전해질과 전극 표면 사이에 형성되는 두 개의 전하 층을 의미하는데, 여기서는 이온성 액체를 얇게 굳힌 막을 이용해, 마찰 후 생성된 전하 상태가 유지되도록 안정적으로 고정시키는 역할을 맡았다.

  ㅇ 마찰전기 발전 성능 시연에서 iEDL 소재를 적용하지 않았을 때에 비해 일정 시간 동안 생산되는 전력의 양, 즉 전력 밀도는 13배(2→26W/㎡)로 증가되어, 매우 효율적인 발전 성능을 보여주었다.

  ㅇ 이 소재는 기계적 안정성이 뛰어나 찢어지거나 구멍이 생겨도 많은 전기를 생산해내는 높은 내구성도 가졌다. 1만회 반복 실험 결과 최대 출력 전압이 0.1V(볼트) 이내로 하락해, 매우 안정적인 성능을 보였다.

  ㅇ 또한 4.7µF(마이크로패럿)의 소용량부터 470µF의 대용량 기기까지 충전시킬 수 있는 성능을 보여주었으며, 오백원 크기의 마찰발전소자 1개는 100개의 소형 LED 전구(전구 1개당 50mW)를 밝힐 만큼 충분한 전원을 공급했다. 그만큼 주변의 다양한 전자기기에 적용할 수 있어 향후 활용 가능성이 높다.

□ 연구팀은 앞으로 후속 연구를 통해 발생된 전기를 동시에 효율적으로 저장할 수 있는 소자 개발과 고효율 독립 전원 시스템 구축이 성공한다면 2030년경 실용화가 가능할 것으로 예상하고 있다.

□ 연구팀은 2017년 상업화에 성공한 순환 유동층 반응기 기반 나프타 촉매 분해 기술을 발전시켜, 폐플라스틱 열분해유 활용에 특화된 촉매 개발과 반응 조건 최적화를 통해 기존 상업화 기술의 한계를 극복했다. 

  ㅇ 연구진은 “기존 마찰전기 발전소자의 한계점인 낮은 출력전류와 내구성을 향상시켰다는 점에서 큰 의미가 있다”라고 말했다.

  ㅇ 화학연 이영국 원장은 “기존에 연구된 마찰전기 보조 전원기술에 대한 해결책으로써 웨어러블 기기, IoT 기기, 자가전원 센서 등 활용 영역이 확대될 것으로 기대한다.”라고 말했다.

  ㅇ 이번 논문은 재료·화학 과학기술 분야 국제학술지인 ‘첨단 기능성 소재 (어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈, Advanced Functional Materials, (IF : 18.5))’에 2024년 9월 표지논문으로 게재됐다.

  ㅇ 또한 이번 연구는 한국화학연구원 기본사업, 과학기술정보통신부 한국연구재단 나노 및 소재기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.

 - 폐플라스틱 열분해유 100% 활용 가능, 경질 올레핀 수율 27% 향상, 반응 온도 170℃ 저감, 불순물 제거를 위한 추가 수소화 과정 불필요한 촉매와 반응기 개발
 - 상용화를 염두에 둔 실제 폐기물 활용 파일럿 규모 연구, 산업계 신기술 수요에 대응 가능
 - 화학공학 분야 국제학술지 ACS sustainable chemistry & engineering 2024년 8월호 표지 논문

□ 폐플라스틱을 고열로 분해하여 얻는 폐플라스틱 열분해유*는 최근 많은 기업이 찾는 귀중한 자원으로 떠오르고 있다. 이를 활용하면 다양한 석유화학 제품을 생산하여 새로운 플라스틱을 만들 수 있기 때문이다. 관련하여 국내 연구진이 폐플라스틱 열분해유를 활용해 효율적으로 석유화학 제품을 생산하는 기술을 개발했다
   * 폐플라스틱 열분해유 : 플라스틱 폐기물을 고온에서 열분해하여 얻는 재생유

  ㅇ 한국화학연구원(원장 이영국) 김도경·박용기 박사 연구팀은 최근 논문에서 폐플라스틱 열분해유를 사용해 플라스틱 원료인 경질 올레핀*을 친환경·경제적으로 생산하는 촉매와 반응기를 발표했다.
   * 경질 올레핀: 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌

  ㅇ 현재 확보한 촉매 공정 모델을 바탕으로, 향후 촉매와 공정의 스케일업 및 최적화 연구를 진행하여 2030년경 실증을 통해 국가 석유화학 산업의 경쟁력 강화와 탄소중립 구현에 기여할 것으로 기대된다.

□ 전 세계적으로 플라스틱의 무분별한 사용으로 인한 문제는 심각하다. 폐플라스틱으로 인한 환경 오염은 물론, 플라스틱 생산과 폐기 과정에서 발생하는 막대한 온실가스 배출도 큰 문제이다. 따라서 폐플라스틱의 재활용은 환경 문제 해결뿐만 아니라 탄소중립 달성에도 필수적이다. 

  ㅇ 이와 관련해 우리 정부는 폐플라스틱 재활용 확대를 위해 폐플라스틱 열분해유 사용 관련 제도를 정비했다. 환경부는 2022년 ‘폐기물관리법 시행규칙’ 개정으로 폐기물 재활용 유형에 폐플라스틱 열분해유를 추가했고, 산업부는 석유화학공정 원료로 석유만 허용하던 규정을 2024년 7월부터 폐플라스틱 열분해유도 허용하도록 변경했다.

  ㅇ 국제사회는 플라스틱 생산 규제 및 재활용 의무를 강화 중인데, 특히 올해 11월 부산에서 열리는 UN 플라스틱 오염 대응의 최종 협약 회의(INC-5)에 많은 관심이 집중되고 있다.

□ 폐플라스틱 열분해유는 나프타 분해 공정(NCC, Naphtha Cracking Center)의 원료(나프타) 대신 쓰여, 플라스틱 원료인 경질 올레핀을 만들 수 있다. 독일 바스프, 사우디아라비아 사빅 등 글로벌 기업과 국내 기업도 상업화를 시도 중이다. 그러나 이 기술은 기존의 석유 원료인 나프타와 폐플라스틱 열분해유의 물성 차이로 인해 한계가 있었다.

  ㅇ 우선, 기존 나프타는 탄소 수가 5~9개 사이로 구성된 반면 열분해유는 탄소 수가 5~44개로서, 나프타 성분이 약 20%에 불과하다. 따라서 열분해유의 약 20%만 나프타 분해 공정의 원료로 활용될 수 있다. 또한, 열분해유에는 나프타 분해 공정의 원료로 부적합한 다량의 올레핀과 다양한 불순물이 포함되어 있다. 이런 올레핀과 불순물을 제거하려면 고온·고압의 수소를 사용하는 수소화 공정이 추가로 필요하다. 마지막으로, 기존 공정은 850℃ 이상의 고온이 필요하다.

□ 연구팀은 2017년 상업화에 성공한 순환 유동층 반응기 기반 나프타 촉매 분해 기술을 발전시켜, 폐플라스틱 열분해유 활용에 특화된 촉매 개발과 반응 조건 최적화를 통해 기존 상업화 기술의 한계를 극복했다. 

  ㅇ 화학연은 앞서 SK이노베이션과 협력하여 순환 유동층 반응기 기반 나프타 촉매 분해 기술을 개발하고, 미국의 세계적 엔지니어링 기업인 KBR로 기술이전하여 2017년 세계 최초의 상업화에 성공했다. 기존 공정은 촉매 없이 가열 과정만으로 나프타를 분해하는 방식이나, 해당 기술은 촉매를 넣어 비교적 낮은 온도로, 나프타보다 탄소 사슬이 길고 불순물이 많은 석유 원료 또한 활용할 수 있다는 장점이 있었다. 

  ㅇ 연구팀은 기존에 개발한 순환 유동층 반응기 기반 나프타 촉매 분해 기술을 발전시켜, 폐플라스틱 열분해유 분해에 특화된 촉매를 개발하고 반응 조건 최적화를 이뤄냈다.

  ㅇ 그 결과, 폐플라스틱 열분해유를 추가 수소화 과정 없이 100% 그대로 사용하더라도 기존 나프타 대비 더욱 높은 경질 올레핀 수율을 얻을 수 있었다. 이는 열분해유 내에 다량 포함된 올레핀이, 촉매가 없는 열분해에서는 찌꺼기가 생기는 원인이지만, 촉매 분해에서는 경질 올레핀으로 전환되는 유용한 성분임을 연구를 통해 확인한 결과이다.

  ㅇ 한편 촉매 분해 반응에서는 촉매 표면에 찌꺼기가 많이 쌓여 성능이 급격히 저하되는 문제가 있는데, 성능을 유지하려면 지속적인 촉매 재생(찌거기 제거 과정)이 필수적이다. 연구팀이 개발한 순환 유동층 반응기는 반응 부위에서 촉매(제올라이트 성형체)와 원료가 함께 움직이며 반응하고, 재생 부위에서는 비활성화된 촉매가 연속적으로 재생되는 구조로 만들어져, 이러한 문제를 해결할 수 있었다.

  ㅇ 연구팀이 만든 파일럿 규모의 촉매와 반응기를 사용해 기존 나프타 분해 공정보다 170℃ 낮은 680℃에서 폐플라스틱 열분해유를 투입한 결과, 경질 올레핀 수율이 나프타를 사용할 때(34.6%) 보다 27% 향상(44.1%)되었다. 또한, 폐플라스틱 열분해유를 시간당 1kg씩 24시간 연속 투입해도 성능이 유지되어 산업적 활용 가능성을 확인하였다.

□ 이번 연구는 상업화를 염두에 두고 진행되었다는 점에서 돋보인다.

  ㅇ 우선 화학연이 개발하고 상업화까지 성공한 순환 유동층 반응기 기반 나프타 촉매 분해 기술을 바탕으로 이루어져 신뢰도가 있다.

  ㅇ 또한, 대부분의 논문들이 깨끗한 플라스틱을 재활용한 연구였던 반면, 이번 연구는 국내 업체에서 실제 생활계 폐플라스틱을 열분해하여 생산한 열분해유를 원료로 사용하고, 파일럿 규모의 반응기에서 연속 운전을 성공적으로 확인하여 상용화에 더 적합하다고 볼 수 있다.

  ㅇ 연구팀은 앞으로 실용화를 목표로 촉매 공정의 스케일업 연구 및 경제성, 환경성에 대한 상세 평가 등 후속 연구를 진행한 후, 2030년 실증 가능성을 검토할 계획이다.

  ㅇ 화학연 이영국 원장은 “이번 성과는 전 세계적으로 시장 선점 경쟁이 치열한 폐플라스틱 열분해유 활용의 대체 기술로서, 기존 기술에 비해 다양한 장점을 보유하고 있다.”며, “이 기술이 국가 석유화학산업 경쟁력 강화 및 탄소중립 구현에 기여할 것으로 생각한다.”라고 말했다.

□ 이번 논문은 화학 공정 과학기술 분야 국제학술지인 ‘미국 화학회 지속가능한 화학 및 엔지니어링(에이씨에스 서스테이너블 케미스트리 앤드 엔지니어링, ACS sustainable chemistry & engineering (IF=7.9))’ 2024년 8월 표지 논문으로 게재됐다.

  ㅇ 또한 이번 연구는 한국화학연구원 기본사업, 과학기술정보통신부 한국연구재단 석유대체 친환경 화학기술개발사업 및 국가과학기술 연구회 융합연구단 사업의 지원을 받아 수행됐다.

- 이영국 원장 “이차전지를 비롯한 국가전략기술, 탄소중립, 국제협력 및 기업지원 강화 등 기관 고유 역할에 집중하여 위기 속 기회 창출 기대”
- 화학(연) 창립 기념 포상 14개 단체, 83명 시상 등

□ 한국화학연구원(원장 이영국)은 8월 30일(금) 오전 10시 30분 창립 제48주년 기념 행사를 행정동 강당에서 개최했다. 

  ㅇ 한국화학연구원 이영국 원장은 이날 기념사에서 “기본에 충실하는 것이 어렵지만 중요하다. 화학연 정관 상의 고유 임무에 집중해 핵심역량을 강화해야 한다.”라고 말하며, 올해 창립기념일을 위기 속 기회를 찾고 도약할 수 있는 계기가 되도록 기관 차원의 적극적인 노력을 당부했다.

  ㅇ 이영국 원장은 화학연이 그동안 쌓아온 핵심역량을 바탕으로 최근 얻어낸 성과에 대해 감사와 격려의 말을 남겼다. 화학연은 정부에서 중점적으로 추진하고 있는 국가전략기술 분야 및 국제협력연구 분야에 집중한 결과, 최근 두 분야의 대표적인 사업에서 각각 주관기관으로 선정되는 등 대외 환경 변화에 발 빠르게 대응하는 모습을 보이고 있다.

  ㅇ 국가전략기술과 관련된 대응 노력은 올해 6월 ‘글로벌 TOP 전략연구단’ 중 이차전지 분야의 총괄 기관으로 선정되며 대표적인 성과로 드러났다. 글로벌 TOP 전략연구단은 과학기술정보통신부가 정부출연연구기관 (출연연) 간 칸막이를 넘어 국가적 임무 중심의 개방형 협력 체계를 구축해 대형 성과를 창출할 수 있도록 한 신규 사업이다. 

  ㅇ 화학연 이영국 원장은 취임 당시부터 국가전략기술의 중요성을 인지하여, 취임 한 달 후인 작년 5월 초 ‘국가전략기술추진단’ 조직을 신설한 바 있다. 국가전략기술추진단은 작년말 이차전지 관련 출연연 및 산학연 전문가 100여명과 모여 이차전지 기술확보 전략 세미나를 개최하는 등 선제적인 대응에 힘써왔다. 글로벌 TOP 전략연구단 선정 후 올해 8월에는 이차전지 전략연구단 킥오프 행사를 개최해 참여기업, 대학, 출연연이 함께 모여 고용량·고성능 이차전지 개발을 위한 세부과제별 계획을 공유하기도 했다. 

  ㅇ 화학연은 정부가 집중한 또 하나의 분야인 국제공동연구에서도 선도적인 결과를 만들어냈다. 올해 7월 과학기술정보통신부의 발표 결과, 세계 최고의 연구기관과 한 팀을 이뤄 수행하는 ‘톱-티어(Top-Tier) 연구기관 간 협력 플랫폼 구축 및 공동연구사업(이하 톱-티어 사업)’에서 화학연이 국내 주관기관 중 하나로 선정된 것이다. 

  ㅇ 톱-티어 사업의 협력 대상인 세계 최고 해외 연구기관은 미국 스탠포드대학교, MIT, 일본 이화학연구소, 벨기에 Rega 의학연구소이며, 화학연은 벨기에 Rega 의학연구소와 미래 감염병 대응 연구를 추진할 계획이다. 벨기에 Rega 의학연구소는 유럽 최대의 바이러스 연구소로서 세계 유일의 BSL-3 완전 자동화 평가 시설을 갖추고 있어, 화학연이 보유한 다양한 화합물 라이브러리와 치료제·백신 후보물질 발굴 노하우가 합쳐질 경우 미래 감염병 대응에 시너지 효과를 낼 것으로 기대된다.

  ㅇ 또한 최근 화학연에서 새로 구축되었거나 올해 말 준공 예정인 시설들을 활용한 기업 지원 및 탄소중립 연구 기여 계획에 대해서도 언급했다. 화학연은 작년말 ‘화학소재·물질 실증화 평가센터’의 리모델링을 마치고 기존보다 더 개선된 대형 설비를 갖춤으로써, 기업에서 요구하는 내구성 평가, 고기능 코팅 공정 개선 등 산업계 지원 기능을 강화하게 되었다.

  ㅇ 올해 말 준공되는 ‘화학소재부품 상생기술협력센터’는 화학소재·부품 관련 수요기업 및 공급기업 간의 상생 협력을 위해, 화학연이 보유한 R&D 노하우와 공유형 연구공간 등을 지원할 예정이다. 그리고 전남 여수에 올해 문을 연 ‘탄소중립화학공정실증센터’는 현재 구축된 촉매 실증연구 시설 외에, 올해 말 CCU 실증 시설이 들어서게 되어 정부와 산업계에서 기대하는 연구 성과의 실증화 연결 노력에 힘쓸 예정이다.

  ㅇ 이 밖에도 이영국 원장은 소통 확대를 위해서 연구책임자-참여연구원 간, 보직자-비보직자 간, 기성 세대-젊은 세대 등 다양한 그룹의 구성원별로 전직원 토론회를 개최해 의견을 청취한 노력과, 2026년부터 2031년까지 새롭게 개편될 기본사업의 선제적인 발굴·기획 추진 계획에 대한 전직원 설명회 개최 등 소통 확대 사례를 언급하며 앞으로도 구성원들의 의견을 듣기 위해 노력하겠다고 말했다.

  ㅇ 마지막으로 윈스턴 처칠의 제2차 세계대전 당시 연설문을 인용하여, “‘성공은 끝이 아니고 실패도 치명적인 것이 아니며, 중요한 것은 계속 나아가는 용기’라는 말을 가슴에 새기자”라고 말하며, 구성원 모두가 서로 믿고 격려하며 화학연을 세계 최고의 연구원으로 만들어 나가기를 촉구하였다.

□ 한편, 화학연은 매년 창립기념식에서 우수한 단체와 개인에게 포상을 실시하는데, 올해는 가장 우수한 단체를 선정하는 ‘연구대상’에 ‘에너지융합소재연구센터’가, 가장 우수한 성과를 도출한 연구자에게 수여하는 ‘올해의 KRICT인상’에는 ‘박인준 책임연구원’이 선정되었다. 이외에도 13개 단체 및 82명에게 창립기념 포상을 실시하였다.

<연구대상을 받은 에너지융합소재연구센터(좌 이영국 원장, 우 전남중 책임연구원)>

<연구대상을 받은 에너지융합소재연구센터 전남중 센터장이 수상 소감을 말하는 모습>

<올해의 KRICT인상을 받은 박인준 책임연구원(좌 이영국 원장, 우 박인준 책임연구원)>

<올해의 KRICT인상을 받은 박인준 책임연구원이 수상 소감을 말하는 모습>

  ㅇ 창립기념 행사가 종료된 후 역대 창립기념 포상 수여 단체 및 개인의 사기 진작 및 자긍심을 고취하기 위해 ‘명예의 전당’ 현판 수여식을 개최하였다.

<올해의 KRICT인상을 받은 박인준 책임연구원과 이영국 원장이 명패 부착식을 하는 모습(좌  박인준 책임연구원, 우 이영국 원장)>