KRICT 한국화학연구원

 - 비알콜성 간 질환 신약 개발 시, 미니 인공장기의 조직 강도를 매우 약한 압력으로 눌러 분석 가능
 - 지방이 축적된 간 모델에서 미세한 지방 밀집 부위를 정확히 찾고, 배양액 속 살아있는 상태에서 정밀 측정
 - 간 질환 대응 약물 효과 평가, 의료 연구 분야에서 널리 활용 가능

□ 국내 연구진이 지방간 치료 신약의 약효 평가에 활용 가능한 질환 모델 인공장기 및 비파괴 경도 분석 기술을 개발했다.

  ㅇ 한국화학연구원(원장 이영국) 김현우, 배명애 박사팀은 비알콜성 지방간 질환을 모사한 인공장기를 개발하고, 세포 손상을 최소화하며 조직의 특정 부위 강도를 정량적으로 측정할 수 있는 나노 탐침 기반 분석 기술을 개발했다.

<신대섭 연구원(1저자)이 지방간 상태를 모방하여 만든 오가노이드(미니 인공장기 세포)가 들어 있는 배양액을 배양접시에 옮기고 있다>

<신대섭 연구원(1저자)이 지방간 오가노이드(미니 인공장기 세포)가 담긴 접시를 배양 장비에 넣고 있다>

□ 비알콜성 지방간은 술을 마시지 않더라도 과도한 식사나 운동 부족 등으로 인하여 간 세포에 지방이 쌓여 물렁해지면서 시작된다. 나중에는 콜라겐 같은 섬유성 물질이 과다 생성되어 단단해지는 간경화를 거쳐 간암 등 목숨을 위협하는 질병으로 발전할 수도 있다. 따라서 비알콜성 간질환 치료 신약 개발 시, 초기 단계인 지방간 상태에서부터 치료 약물을 찾는 것이 중요하다.

  ㅇ 간 질환 신약 개발은 질환을 모사한 인공장기에 후보약물을 투입하고 이에 대한 반응을 측정 분석하는 과정이 반복된다. 기존의 검사 방법은 질환 모델 인공장기의 전체 부위를 파괴될 때까지 누르면서 간 조직의 딱딱한 정도(경도)를 측정했다. 이에 따라 살아있는 상태에서 계속적인 측정이 불가능하며 특정 위치의 경도 정보를 얻을 수도 없었다. 

□ 연구팀은 지방간 질환 상태로 만든 간 오가노이드(인공 장기)가 살아있는 상태로 측정할 수 있는 기술을 개발했다. 나노 단위의 미세한 압력으로 좁은 영역을 선택적으로 누르고 측정값을 분석하는 계산식을 개발해, 인공장기를 파괴하지 않고 위치별 경도를 정량 측정할 수 있었다.

  ㅇ 연구팀은 우선 지방이 쌓인 곳에서 강한 빛이 나오도록 인공장기에 형광염료를 염색해 위치를 먼저 찾았다. 그리고 해당 부위에 ‘매우 작은 막대기(나노 탐침)로 미세 압력을 가하는 방식’을 택했다.

<김현우 책임연구원(교신저자)이 지방간 오가노이드 부위 중, 지방 밀집 부분을 염색해서 빛나는 부위를 현미경으로 살펴보고 있다>

  ㅇ 나노 탐침이 인공장기를 누를 때 휘어지는 정도는 탐침 표면의 레이저 반사를 통해서 정밀 측정했다. 측정 결과를 연구팀이 개발한 수학적 계산식으로 분석하면, 지방 축적에 따른 경도 변화를 영률(Young’s modulus)이라는 정량적 수치로 측정하는 것이 가능하다.

  ㅇ 무엇보다 기존 방식은 인공장기를 고정시키느라 약품 처리해 죽였던 반면, 이번 나노 탐침 기술은 인공장기가 계속 살아있는 상태를 유지할 수 있는 배양액 내에서 적용이 가능하다. 또한 5마이크로미터 내외의 얕은 깊이만 누름으로써 간 조직에 손상을 전혀 주지 않는다.

  ㅇ 새로 개발한 ‘나노 탐침 경도 측정 기술’을 비알콜성 지방간 모델 오가노이드에 적용한 결과, 형광 빛이 강한 지방 축적 부위의 경도는 형광 빛이 약한 부위에 비해 영률 기준으로 약 35% 물렁한 결과를 보였다. 즉 원하는 부위만 정확히 찾아낸 것이다.

  ㅇ 지방 축적 형광 영상을 통해 측정 위치를 찾은 결과, 전체 측정 시간은 무작위 측정 방식에 비해 절반 이상 단축되었다. 또한 측정 후 간세포 생존율이 97% 이상 유지되는 등 손상이 최소화됨도 확인했다.

□ 연구팀은 향후 하나의 인공장기를 손상없이 계속 사용하며 간 질환 진행 상황을 단계별 연속 측정하는 약물 효능 평가 기술도 만들 계획이다. 

  ㅇ 연구진은 “지방간 신약 개발 시 질환 모델의 변화를 간편하게 분석 가능”하다고 밝혔고, 화학연 이영국 원장은 “간 질환뿐 아니라 다른 질환의 신약 개발 과정에도 널리 응용될 것으로 기대된다.”고 말했다.
  ㅇ 이번 논문은 2024년 12월 국제 학술지 ‘ACS 생체재료 과학 및 공학(ACS Biomaterials Science and Engineering(IF: 5.5))’에 게재되었다. 화학연 김현우·배영애 박사가 교신저자로, 신대섭 연구원이 1저자로 참여했다. 이번 연구는 화학연 기본사업, 산업통상자원부 “3D-조직 칩 기반 신약발굴 플랫폼 기술개발사업”의 지원을 받아 수행됐다.

- 기존 기술과는 다른 전기화학 불소화법을 적용한 수소불화에테르 제조 기술, 한국 자체 기술로 생산 성공
- 연구팀이 개발한 특수한 첨가제를 도입하여 제조 효율 20% 상승, 반도체·전자·화학 산업 혁신 기대

□ 국내 연구진이 화학산업에 반드시 필요하지만 특정 글로벌 기업에서 전량 수입하는 산업 원재료를 국산화하는 기술을

    국내 최초로 개발했다.

   ○ 한국화학연구원 이상구 박사 연구팀은 탄소와 수소로 이루어진 원료의 수소(H) 원자를 불소(F)로 바꾸는 기존의 ‘전기화학 불소화법’에

       특수한 불소계 전도성 첨가제를 도입하여 전환율을 대폭 향상시키는 기술을 개발하였다. 이를 통해 중요한 산업원재료이자

       불소계 유체*인 ‘수소불화에테르’를 우리의 기술로 직접 생산할 수 있게 되었다.

       * 유체 : 물, 공기, 기름 등과 같이 흐를 수 있는 성질을 가진 액체나 기체를 의미

□ 불소계 유체는 전자제품, 반도체, 정밀 기기 등의 냉각제와 세정제로 활용되는 필수 화학물질이다. 하지만 원래 있던 수소가

    모두 불소로 대체된 ‘전 불소계 유체’는 지구온난화 지수*가 높아, 탄소중립 달성을 위해서는 반드시 친환경 유체로 대체해야 하는 상황이다.

    * 100년을 기준으로 이산화탄소가 지구온난화에 미치는 영향(Global Warming Potential)인 ‘GWP100year=1’을 기준으로

      다른 온실가스가 지구온난화에 미치는 정도를 수치화함

   ○ 따라서 최근 이를 대체할 수 있는 친환경 소재 개발 연구가 활발히 진행되고 있는데, 특히 ‘수소불화에테르(HFE)’ 소재가 주목받고 있다. 

   ○ HFE는 지구온난화 영향이 적고*, 표면장력이 낮아 쉽게 퍼지며, 전기를 잘 차단하여 다양한 산업에서 활용되는 친환경 소재이다.

       특히 액침 냉각용 냉매, 전자 부품 세정제, 용매 희석제 등 반도체, 전자기기, 화학산업에서 중요한 원재료로 쓰인다.

      * 기존 소재의 온난화 지수는 1,500~5,000 GWP100year 범위인데 반해, 수소불화에테르 소재는 50~300 GWP100year에 불과,

       보수적으로 계산해도 약 5분의 1 이하 수준

   ○ 현재 글로벌 HFE 시장은 2022년 기준 약 2억 8910만 달러이며, 연평균 5.4% 성장 시 2028년에는 3억 9640만 달러를 예상한다.

       하지만 특정 해외 기업이 90% 이상의 점유율을 보유하고 있으며, 국내 화학산업에 활용하기 위해 전량 수입하고 있는 실정이다.

□ 이에 연구팀은 기존의 전기화학 불소화법에 전도성 불소계 첨가제를 새롭게 추가하여, 소재를 국산화하고 우수한 물성까지 확보한

    HFE 제조 기술을 개발하였다.

   ○ 일반적으로 탄화수소 원료의 수소를 불소로 대체하는 불소화 반응을 통해 ‘중간체’로 변환한 후, 알킬화 반응*을 거쳐 HFE를 생산한다.

       특히 중간체 합성 과정이 핵심인데, 연구팀은 기존 기술에 없던 전도성 불소계 첨가제를 추가하여 더욱 효율적으로 중간체를 제조하였다.

       * 탄소와 수소로 이루어진 작은 분자를 추가해 물질의 성질을 변화시키는 화학 반응

   ○ 이를 위해 전기화학 반응이 원활하게 이루어지는 다층 구조의 니켈 전극판이 장착된 반응기를 직접 설계하고 제작했다. 결과적으로 보다

       효율적인 불소화 반응 환경을 구축했으며, 시운전과 정밀 점검을 거쳐 안정적으로 작동하는 전기화학 불소화 장치를 완성했다.

   ○ 기존 기술에서는 원료가 중간체로 변하는 전환율이 50~55% 수준이지만, 본 기술은 첨가제를 추가하여 불소화 반응이 더욱 잘 일어난다.

       그 결과, 전환율이 62~66% 수준으로 기존 기술 대비 약 20% 증가하였다. 

   ○ 또한 불필요한 부산물이 줄어들어 HFE의 생산성이 크게 향상되었으며, 불소화 반응을 정밀하게 조절할 수 있어 고순도 불소 화합물을

       효율적으로 생산할 수 있다.

   ○ 개발된 기술은 냉매, 소화약제 전문 제조기업인 퓨어만(주)(대표이사 김태한)에 기술이전 되었으며, 상용화를 위한 후속 연구가 진행 중이다.

□ 화학연 이상구 박사는 "이번 연구 성과는 글로벌 기업에 의존도가 높은 불소 화학 핵심소재의 원천기술 확보를 통해 기술자립을 앞당기는

    중요한 발판이 될 것"이라며, "후속 연구를 통해 다양한 산업에 적용가능한 첨단소재 기술을 선도해 나가겠다."고 밝혔다.

   ○ 이번 연구는 한국화학연구원 기본사업의 지원을 받아 수행되었다.

 - 기존 낮은 성능의 비귀금속 촉매를 개선하여, 고성능 귀금속 촉매의 높은 비용 문제를 해결
 - 2022년 결과(니켈 비귀금속 촉매, 450℃에서 45% 분해)를 대폭 개선, 450℃에서 81.9% 암모니아 분해
 - 장기간 운전 성능도 유지하여, 550℃에서 연속 작동하더라도 성능 저하 미미
 - 암모니아 기반 대형 수소 생산 플랜트, 수소 발전, 수소 스테이션과 선박 분야 등에서 널리 활용 기대

□ 국내 연구진이 비귀금속 ‘코발트-철(CoFe)’ 기반 암모니아 분해 촉매 기술을 개발하여 친환경 수소 생산을 앞당겼다.

  ㅇ 한국화학연구원(원장 이영국) 이수언 박사와 채호정 박사팀은 CoFe 기반의 층상 이중산화물(LDO)에 세륨 산화물(CeO₂)을 도입하여, 낮은 온도에서 높은 암모니아 분해 효율을 가진 촉매 기술을 개발했다.

<이수언 연구원이 이번에 개발한 비귀금속 기반 촉매 샘플을 보여주고 있다.>

□ 암모니아(NH₃)는 수소(H₂)를 안전하고 효율적으로 저장 및 운송할 수 있는 친환경 에너지원으로 주목받고 있다. 

  ㅇ 그러나 암모니아로부터 수소를 추출하려면 높은 온도에서 암모니아를 수소와 질소로 분해하는 화학반응이 필요하다. 이때 촉매를 사용하면 비교적 낮은 온도에서 분해 효율을 높일 수 있는데, 루테늄이 가장 우수한 성능을 보인다. 그러나 귀금속인 루테늄 촉매는 가격이 비싸고, 높은 암모니아 분해 효율을 위해 여전히 높은 온도가 요구된다. 

□ 연구팀은 이를 극복하기 위해 저렴한 ‘CoFe’ 기반의 층상 이중 산화물(LDO)에 세륨 산화물을 추가한 비귀금속 기반 촉매를 개발했다. 이 촉매는 저렴한 비용으로 우수한 암모니아 분해 성능을 보이며, 저온에서도 높은 효율을 유지하고 장기간 운전이 가능하다.

<Le Thien An 박사후연구원이 암모니아 분해 반응기에 촉매가 담긴 시험관을 결합시키고 있다.>

<이유진 연구원이 암모니아 분해 반응기를 조작하고 있다.>

  ㅇ 세륨 산화물 도입의 장점은 CoFe 층상 이중 산화물 촉매의 표면 구조를 조정하여 금속 입자들의 응집(뭉침)을 방지하고, 또한 세륨 산화물의 독특한 산화-환원 특성(Ce³+/Ce⁴+ 전환)을 이용해 촉매의 전자 특성을 조절할 수 있다는 점이다. 

  ㅇ 이는 촉매 표면에서 암모니아가 질소와 수소로 분해되는 과정 중, 가장 시간이 오래 걸리는 단계(속도결정단계)인 질소의 재결합-탈착 반응이 원활해지도록 도와줘, 암모니아 분해 반응을 촉진할 수 있었다.

  ㅇ 이 덕분에 이번에 개발한 촉매는 낮은 온도에서도 우수한 성능을 보였다. 450°C에서 최고 81.9%의 암모니아-수소 전환율을 달성했는데, 기존 다양한 촉매보다 50°C 이상 낮은 온도임에도 불구하고 효율은 더 높았다. 채호정 박사팀은 지난 2022년 또 다른 비귀금속인 니켈을 이용한 암모니아 분해 촉매를 만들었는데, 당시 촉매가 450°C에서 암모니아 전환율 45%를 보였던 결과에 비해 매우 개선된 것이다.

  ㅇ 또한 550°C의 온도에서 장시간 연속 운전 후에도 촉매의 구조적 변화가 거의 없었으며, 수소 생산 효율도 유지되는 안정성을 보였다.

□ 연구팀은 향후 추가 연구를 통해 촉매의 저온 수소 생산 성능을 향상하고, 최적화 과정을 거쳐 2030년경 상용화를 목표로 하고 있다.

  ㅇ 연구진은 “개발된 촉매는 암모니아 기반 대형 수소 생산 플랜트, 수소 발전, 수소 스테이션과 선박 분야 등에서 활용될 수 있으며, 특히 암모니아를 수소 저장체로 활용하는 시스템에 적용할 수 있다.”고 밝혔고, 화학연 이영국 원장은 “친환경 수소 생산 기술의 실용화를 앞당기고, 재생 가능한 에너지 기반의 지속 가능한 수소 경제 구축에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.

  ㅇ 이번 논문은 2024년 11월 국제 학술지 ‘화학 공학(Chemical Engineering Journal(IF: 13.3))’에 게재되었다. 화학연 채호정 박사가 교신저자로, 이수언 박사가 1저자로 참여했다. 이번 연구는 화학연 기본사업, 산업통상자원부 “신재생에너지핵심기술개발사업”의 지원을 받아 수행됐다.

 - 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)>