KRICT 한국화학연구원

 - 셀레늄이 도입된 용융 금속 촉매를 활용해 메탄 → 수소 전환율 최대 36.3% 향상
 - 기존 고체 촉매의 단점을 극복한 액체 촉매 활용, 100시간 이상 성능 지속
 - 후속 연구를 통해 2030년 이후 청록수소 생산 상용화 가능성 높이는데 주력할 계획

□ 국내 연구진이 셀레늄(Se)을 추가한 액체 금속 촉매를 활용하여, 청록수소 생산 효율을 높인 기술을 개발했다.
     * 청록수소 : 메탄(CH4)의 열분해를 통해 생성되는 수소. 전통적인 회색수소 (화석 연료 기반)와 녹색수소(재생 에너지 기반)의 중간단계 수소 생산 방식

  ㅇ 한국화학연구원(원장 이영국) 한승주 박사 연구팀은 셀레늄을 첨가한 용융 금속 촉매(NiBi, CuBi)를 활용하여 메탄(CH4) 열분해 효율을 크게 향상시키는 기술을 선보였다. 본 기술은 높은 메탄 전환율과 안정적인 촉매 성능을 통해 지속 가능한 청정수소 생산의 새로운 가능성을 보여줄 것으로 기대된다.

□ 메탄 열분해는 청록수소를 생산하는 친환경 기술로, 고체 탄소를 부산물로 생성하고 이산화탄소를 배출하지 않아 주목받고 있다. 

  ㅇ 하지만 기존 기술은 높은 온도가 요구되거나, 고체촉매 활용 시 촉매 표면에 탄소가 침적되어 비활성화가 빠르게 일어나는 문제가 있었다.

□ 연구팀은 기존 촉매의 단점을 극복하기 위해, 촉매 활성 및 기포 제어 성능을 개선한, 셀레늄이 포함된 3성분계 용융금속 촉매를 개발하였다.

  ㅇ 연구팀은 기존의 고체 촉매 대신, 액체 상태로 유지되는 용융 금속 촉매를 사용했다는 특징이 있다. 용융 금속 촉매는 메탄 열분해 과정에서 생성되는 탄소를 물리적으로 분리하기 용이하여 장시간 안정적인 반응이 가능하다.

<이동현 학생연구원이 액체 상태로 촉매를 녹인 후 메탄-수소 전환시키는 장비를 작동시키고 있다>

<박경아 연구원(오른쪽)과 이동현 학생연구원이 메탄-수소 전환 장비 작동 상황을 모니터링 하고 있다>

  ㅇ 한편 셀레늄 금속 첨가는 촉매의 표면 장력 감소와 촉매 표면 활성을 증가시켰다. 먼저 촉매 표면 장력 감소는 반응 가스와 촉매 표면 간 접촉 면적 극대화로 이어졌다. 이에 반응 물질의 촉매 내 체류시간이 길어짐에 따라 수소 생산성이 증대되었다.

  ㅇ 또한 셀레늄 첨가는 촉매가 작동하는 활성화 에너지를 감소시켜 표면 활성을 증가시켰다. 특히 셀레늄은 니켈의 표면 노출을 촉진시키고, 니켈 활성점의 메탄 전환 효율을 개선시켰다.

  ㅇ 셀레늄 도핑은 기존의 니켈-비스무스 촉매 표면 장력을 약 19% 감소시켜, 기포 크기를 줄이고 부피 대비 촉매 접촉 면적을 향상시킴으로써 반응 효율 극대화에 기여했다. 이번에 제안한, 셀레늄이 포함된 3성분계 촉매(NiBiSe, CuBiSe)는 기존 촉매에 비해 메탄에서 수소로 바뀌는 전환율을 각각 36.3%, 20.5% 향상시켰다. 특히 니켈–비스무스-셀레늄(NiBiSe) 촉매는 100시간 이상의 오랜 반응에서도 성능 저하 없이 안정적으로 작동하였다.

□ 연구팀은 본 기술이 청정수소 생산의 상용화를 크게 앞당길 잠재력을 가지고 있다고 평가했다. 향후 후속 연구를 통해 공정 효율을 더욱 개선하고, 2030년 이후 상업적 적용 가능성을 높이는 데 주력할 계획이다. 

  ㅇ 연구진은 “이번 연구는 기존 청록수소 생산 기술의 한계점을 극복하며, 탄소중립 실현에 중요한 기여를 할 것으로 기대된다.”고 밝혔다. 또한 화학연 이영국 원장은 “상용화를 목표로 한 이번 기술은 탄소 배출 없는 청록수소 생산의 핵심 기술로 자리매김할 것”이라고 말했다.

  ㅇ 이번 논문은 2024년 12월 재료·화학 분야의 국제 학술지 Applied Catalysis B: Environmental and Energy(IF=20.3) 에 게재되었다. 화학연 한승주 박사와 한국생산기술연구원 서정철 박사가 교신저자로, 화학연·연세대 손주호 연구생이 1저자로 참여했다. 이번 연구는 화학연 기본사업, 과학기술정보통신부 한국연구재단 탄소자원화 플랫폼 화합물 연구단의 지원을 받아 수행됐다.

<주요 논문 기여자(왼쪽 아래부터 시계 방향으로 1저자 손주호 학생연구원, 교신저자 한승주 선임연구원, 공동저자 이동현 학생연구원, 박경아 연구원)>

- 화학연 등 52개 기관 참여 시장선도형 차세대 이차전지 혁신 전략연구단(K-BIC) 작년 출범
- 차세대 이차전지 기술의 시장 선도를 위한 첫 성과 점검, 산·학·연·관 긴밀한 협력 추진

□ 이차전지 기술이 글로벌 기술 패권 경쟁의 핵심으로 떠오른 가운데, 한국화학연구원이 총괄하는 ‘차세대 이차전지 분야 글로벌 TOP 전략연구단’이

    출범 첫해의 연구 성과를 점검하고 향후 발전 방향을 모색하는 자리를 가졌다.

  ○ 한국화학연구원(원장 이영국)은 2월 4일부터 5일까지 이틀간 ‘시장선도형 차세대 이차전지 혁신 전략연구단(K-BIC)*’ 1차 연도 중간점검 워크숍을 개최했다.

      본 행사에는 과학기술정보통신부 이창윤 제1차관을 비롯해 화학연 등 총 7개 세부과제 참여기관 연구자, 삼성SDI, LG에너지솔루션, SK온 등 배터리 분야

      기업 임원 포함 산？학？연？관 관계자 300여 명이 참석하였다.* K-Battery Innovation Consortium (K-BIC)

  ○ 이번 워크숍은 차세대 이차전지 기술에 대한 글로벌 경쟁력을 강화하고, 대한민국의 기술 주도권을 확보하기 위한 첫걸음으로, 연구단 총괄 및

      참여기관 관계자들이 한자리에 모여 1차 연도 연구 목표와 성과를 공유하고 향후 발전 방향을 논의하였다.

□ 이차전지 기술은 탄소중립 및 디지털 전환을 위한 핵심 요소로서, 글로벌 시장에서 선도국 간 기술 패권 경쟁이 매우 치열한 분야이다.

  ○ 이에 과학기술정보통신부에서는 ‘글로벌 TOP 전략연구단’ 사업의 일환으로, 차세대 이차전지 기술 분야의 글로벌 리더십 확보와 상용화 견인을 위한

      ‘시장선도형 차세대 이차전지 혁신 전략연구단(K-BIC)’을 선정하였다.

  ○ K-BIC은 화학연이 총괄기관이며, 한국전기연구원, 한국과학기술연구원, 한국에너지기술연구원, 한국생산기술연구원, 한국전자통신연구원, 한국기계연구원 등

      출연연을 포함한 52개 기관이 참여한다. ’29년까지 1,300억 원 규모의 예산을 투입하여 핵심 기술을 확보하고, 이를 통해 국민 생활의 편의성과 안전성을

      높이는 것을 목표로 한다.

□ 이러한 중차대한 임무를 부여받고 출범한 K-BIC은 2024년 사업 출범 이후, 현재까지의 연구수행 현황을 모니터링하고 향후 계획을 현시점에서

    다시 한번 점검하는 취지로 중간점검 행사를 개최하였다.

  ○ 첫째 날에는 7개 세부과제 수행기관이 주도한 ‘중간 점검회’가 열려, 연구과제 진도율과 주요성과, 기타 이슈에 대해 논의하였다. 또한 과제 진행 상황에 대한

      다양한 의견과 향후 연구수행 계획에 대한 건설적인 토론이 이루어졌다.

  ○ 둘째 날에는 ‘차관 주재 간담회’와 ‘성과공유회’가 진행되었다. 오전에 진행된 간담회에서는 차세대 이차전지 기술 관련 글로벌 동향, 전략연구단 목표,

      사업화 방안 등에 대한 논의가 이루어졌다. 오후에 진행된 성과공유회에서는 이영국 원장의 개회사와 이창윤 1차관의 축사에 이어, 김명환 차세대 이차전지 전략연구단장이

      총괄과제 개요와 과제 진행 현황을 발표하였다.

  ○ 특히, 이번 워크숍에서는 전고체 이차전지 분야의 세계적 석학인 일본 동경과학대학교 칸노 료지 교수가 ‘소재 개발 중심의 연구현황과 미래 전망’을 주제로 기조 강연을

      진행하며 차세대 이차전지 기술의 미래를 조망하는 시간을 가졌다. 이어서 7개 세부 과제 성과 발표가 이루어졌으며, 연구 추진 계획을 논의한 후 행사가 마무리되었다.

  ○ 화학연 이영국 원장은 “이번 워크숍은 차세대 이차전지 기술의 상용화와 글로벌 리더십 확보를 위한 중요한 첫걸음”이라며, “연구단이 성공적으로 수행될 수 있도록

      지속적인 지원을 아끼지 않겠다.”고 밝혔다.

  ○ 김명환 단장은 “K-BIC은 단순한 연구 개발을 넘어, 차세대 이차전지 기술의 글로벌 표준을 선도하는 연구단이 될 것”이라며 “산·학·연 협력을 통해 세계 시장을 주도할

      혁신 기술을 창출하는 데 최선을 다하겠다.”고 말했다.

  ○ K-BIC은 앞으로도 지속적인 연구개발과 협력을 통해 차세대 이차전지 기술의 글로벌 경쟁력을 강화하고, 대한민국이 이차전지 분야에서 세계 시장을 선도할 수 있도록

      전략적 노력을 이어갈 계획이다.

 - 2만 건의 논문 인공지능 학습하여 목적 물질(결과물)의 화학식만으로 합성에 필요한 전구체(재료 물질) 예측
 - 인공지능 분야 최고 권위의 학회 NeurIPS(뉴립스)에 전구체 물질 예측 인공지능 논문 발표
 - 기존에 확보한 정방향 합성 예측 기술과 결합해, 소재 합성 전 과정에 대한 자동화 기술 상용화 기대

□ 국내 연구진이 특정한 소재를 만들려면 어떤 최종 재료 물질이 필요한지 자동으로 알려주는 기술을 개발했다.

  ㅇ 한국화학연구원(원장 이영국) 나경석 선임과 한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형) 박찬영 교수 연구팀은 공동연구를 통해 목적 물질의 화학식 정보만으로 합성에 필요한 최종 재료 물질(전구체 물질*)을 예측하는 인공지능 방법론을 개발하였다.
     * 전구체 물질 : 목표 물질을 만드는 과정에서 필요한 모든 최종 재료 물질

□ 최근 배터리, 반도체 등 다양한 산업 분야에서 첨단 소재는 매우 중요하다. 원하는 소재를 합성하려면 중간 물질을 먼저 찾아야 하는데, 많은 비용이 드는 반복적인 실험 없이 인공지능(AI)을 활용해 찾으려는 수요가 높다. 

  ㅇ 하지만 기존의 AI 기반 기술은 신약 등 유기 소재에 집중된 반면, 무기 소재에 대한 연구는 상대적으로 부족했다. 금속 등 무기 화합물은 복잡한 구조와 다양한 원소로 인해 합성 경로를 찾기 어렵기 때문이다. 

□ 연구팀은 X라는 목적 물질의 화학식만으로, 이를 만들기 위해 필요한 전구체 물질 A, B, C, …등을 역방향으로 예측해내는 새로운 인공지능 방법을 개발했다.

  ㅇ 화학연은 앞서 복잡한 코딩이나 서버 구축 과정 없이 물질 합성에 필요한 정보들을 인공지능으로 예측해주는 ‘ChemAI’ 플랫폼을 개발해 2022년 기술이전 한 바 있다. 

  ㅇ 이번 기술은 기존 예측 기술의 발전을 가로막았던 무기 소재의 복잡한 3차원 구조, 즉 원자 구조나 결합 정보 등을 요구하지 않는다. 대신 어떤 원소들이 얼마나 포함되어 있는지 종류와 비율을 살핀다. 그리고 이런 원소들과 목적 물질 간 열역학적 형성 에너지 차이를 계산해, 합성 반응이 더 쉽게 일어나는 전구체를 찾아낸다.

  ㅇ 또한 전구체 물질 예측의 정확도를 높이기 위해 화학 데이터에 특화된 심층 인공신경망을 구성했다. 심층 인공신경망은 약 2만 건의 논문에 보고된 소재 합성 과정 및 전구체 물질에 대한 정보를 모두 학습했다. 

  ㅇ 이후 AI 학습과정에서 보여준 적 없는 약 2,800건의 물질 합성 실험을 대상으로 합성에 필요한 전구체 물질을 예측한 결과, 대략 10번의 시도 중 8번 이상 성공했다. 또한 그래픽 처리장치(GPU) 가속을 통해 약 100분의 1초 이내의 매우 짧은 시간 만에 전구체 물질을 예측했다.

□ 연구팀은 앞으로 화학연 연구사업을 통해 학습 데이터셋을 확장하여 전구체 물질 예측 정확도를 90% 이상 높인 후, 2026년경 웹 기반 공공 서비스 구축을 계획하고 있다. 또한 추가 연구를 통해 목적 물질의 화학식을 제공하면 전구체 물질 뿐만 아니라, 소재 합성 과정까지 모두 예측해주는 “인공지능 기반 소재 역합성 완전 자동화”도 기대 중이다.

  ㅇ 연구진은 “기존의 전구체 물질 예측 AI는 특정 물질 종류에만 적용이 가능했는데, 이번 연구를 통해 목적 물질의 종류에 상관없이 범용적으로 전구체 물질을 예측할 수 있게 된 점이 차별성”이라고 말했다. 또한 화학연 이영국 원장은 “신소재 개발이 필요한 다양한 산업 분야의 연구 효율 향상에 기여할 것으로 기대한다.”라고 말했다.

  ㅇ 이번 논문은 2024년 12월 인공지능 분야 최고 권위의 학회인 신경정보처리시스템학회(NeurIPS, 뉴립스)에 발표되었다. 화학연 나경석 선임연구원과 KAIST 박찬영 교수가 교신저자로, KAIST 노희웅 연구원이 1저자로 참여했다. 이번 연구는 화학연 기본사업, 과학기술정보통신부 한국연구재단 정보융합기술단 및 글로벌 기초연구실사업 (RS-2024- 00406985)의 지원을 받아 수행했다.

* (논문 DOI 주소) https://doi.org/10.48550/arXiv.2410.21341

 - 정부출연연구기관 연구성과의 산업화를 통해 지속가능한 수처리 환경기술 개발 선도
 - 올해 7월 창업 이후, 굵직한 각종 스타트업 경연대회에서 세 차례 대상 수상 경력

□ 한국화학연구원(KRICT)이 창업 지원 및 기술사업화의 선도적 성과를 입증하며, 대한민국 과학기술계의 모범사례로 자리매김하고 있다. 

   ○ 화학연 김인철 박사가 창업한 기업 ‘워터트리네즈(WaterTrinez)’가 중소벤처기업부 등 10개 정부 부처가 공동 개최한

       ’24년 ‘도전 K-스타트업! 왕중왕전’ 대상을 수상하며, 화학연의 연구성과 산업화 및 창업지원 노력이 빛을 발하고 있다.

   ○ ㈜워터트리네즈(대표: 김인철)는 지속가능한 환경을 목표로 혁신적인 수처리 소재 기술을 개발하는 기업이다. 특히, 불소 규제에 따른

       대체소재 혁신을 통해 효율적인 환경 정화와 친환경 소재 기술을 보유하고 있다. 이러한 기술은 기후 위기와 물 부족 문제 해결의 실마리가

       될 것으로 기대된다.

□ 화학연은 기술사업화와 창업을 촉진하기 위해 다양한 지원 프로그램을 운영해 왔다. 연구자의 창업 아이디어를 발굴하고, 이를 구체화하는 과정을

    체계적으로 지원하는 것은 물론, 연구개발(R&D) 성과가 시장에서 가치 있는 제품으로 이어질 수 있도록 적극 나서고 있다.

   ○ 김인철 박사의 창업 역시 이러한 지원 시스템 속에서 시작되었다. 연구를 수행하면서 환경 기술에 대한 깊은 고민과 지속적인 연구를 통해

       창업 아이디어를 발전시켰고, 이를 기반으로 ㈜워터트리네즈를 창업했다.

   ○ 그 과정에서 기관 차원의 창업 프로그램을 통해 총 17회의 창업컨설팅과 과기정통부, 중기부 등 2건의 정부과제를 수주할 수 있도록 지원하였다.

       이를 통해 ’24년 7월 연구원 창업기업인 ‘㈜워터트리네즈’를 설립하고 우수한 사업성을 인정받아 5건, 총 16억원의 투자를 유치하였다. 

   ○ 설립 이후 6개월 간 ’24년 ‘환경창업대전’ 대상, ‘출연(연) 아이코어 실험실창업페스티벌’ 대상, 국무총리상인 ‘도전 K-스타트업! 왕중왕전’ 대상 등

       굵직한 상을 세 차례나 수상하여, 발전 가능성을 입증하였다.

   ○ 최근 정부는 첨단 기술 산업화와 창업 생태계 활성화에 대한 중요성을 거듭 강조하고 있다. 과기정통부가 발표한 데이터에 따르면 기술 기반 창업은

       국가 경쟁력을 강화하고 지속가능한 성장을 위한 핵심 요소이다. ㈜워터트리네즈는 이러한 정부 기조에 부합하는 모범사례로, 과학기술 기반의 창업이

       환경과 사회적 문제 해결에 어떻게 기여할 수 있는지를 보여준다.

   ○ 김인철 박사는 “창업은 단순히 연구의 연장이 아닌, 연구가 산업과 만나는 중요한 접점”이라며, “워터트리네즈의 기술이 환경 문제 해결에 실질적 기여를

       할 수 있도록 노력하고 있으며, 이번 수상은 화학연의 전폭적인 지원과 협력 덕분이다”고 소감을 밝혔다.

   ○ 이번 수상을 계기로, 워터트리네즈와 같은 혁신적인 스타트업이 더 많은 주목을 받고 기술사업화의 성공적인 모델로 자리잡을 수 있도록,

       화학연은 지속적으로 창업과 기술사업화를 통한 연구성과 확산에 앞장설 예정이다.