우리얘기

천식 질환은 만성 염증성 질환으로 본인은 물론 주위가족에게도 많은 정신적 고통을 야기하며, 장기적인 치료로 인한 노동력의 상실과 경제적 손실도 심각한 수준입니다.

천식환자는 전 세계 3억 5000만 명이나 되며, 주요 선진국 7개 나라에서는 국민의 약 8% 정도가 천식환자로 분류되고 있습니다.
천식은 도시화와 산업화에 따라 급속히 증가하고 있는데, 우리나라에서도 소아 유병률이 10%를 넘는 등 빠르게 증가하는 산업화 질병입니다.

건강보험공단 자료에 따르면 우리나라 사람 중 아토피 피부염, 알레르기 비염, 천식 등의 알레르기질환 환자가 800만명(2009년 현재)에 이릅니다.

이 중 천식으로 의료기관을 이용한 사람은 2005년 227만 명, 2009년 230만 명으로 연평균 0.37%의 증가율을 보이고 있습니다.

그런데 구릿대로 알려진 한약재 백지(白芷)가 천식 치료에 효과가 있다는 연구 결과가 나왔습니다.

한국한의학연구원(KIOM)은 난백알부민(ovalbumin)으로 유도한 천식 생쥐 모델을 대상으로 한 실험에서 한약재인 백지 추출물을 경구투여 했을 때 천식질환이 크게 개선된 사실을 확인했는데요.

난백알부민은 오보알부민이라고도 하는데, 항원으로 유발한 마우스 기도염증 모델은 기관지 천식에 있어서의 발병기전과 새로운 약물의 효능연구에 보편적으로 사용되고 있고, 호산구성 염증반응이 특징입니다.

이번 실험은 ①음성대조군(정상쥐-백지추출물 비투여) ②천식유도군(천식유도군-백지추출물 비투여) ③양성대조군(천식유도군-기존천식치료제 투여군) ④실험군 3개(천식유도군- 각 25, 50, 100 mg/kg 백지추출물 투여군) 등 총 6개 군에 대해 각 7마리씩 시험이 진행됐습니다.

백지추출물의 효과는 6일간 매일 1회씩 경구투여 후 폐조직과 기관지폐포세척액(BALF) 및 혈액검사를 통해 평가했는데요.  

일반적으로 천식연구에는 주로 기관지 폐포 세척액의 사이토카인(분석액 속에 함유되어 있는 면역 단백의 하나), 폐조직내 염증세포침윤과 점액분비정도 등을 측정하게 됩니다.

연구팀은 천식의 정도를 알 수 있는 기관지 폐포 세척액내 염증세포수를 측정한 결과 정상쥐인 음성대조군보다 천식유도군에서 염증세포의 총 세포수가 30배 이상 증가하였고, 이중 호산구(알러지성 염증세포의 한 종류)는 50%를 차지한 사실을 확인했습니다.

※붉은색 사진의 경우, 정상쥐에는 거의 없는 세기관지주변 염증세포들이 (검파랑점들) 천식유도쥐 세기관지 주변에 많이 나타났고, 백지추출물을 투여를 했을 경우, 상당히 줄어들었음을 볼 수 있음※파란색 사진의 경우, 천식유도쥐는 진분홍색 점액의 과분비가 보이는데 반해, 백지추출물 투여쥐의 경우, 과분비 현상이 현저히 줄어드는 것을 보여줌.

일반적으로 집적도가 높은 전자소자 제작을 위해서는 고비용의 노광 혹은 광식각 공정이나 고진공 전자빔 공정을 통한 금속 패턴의 제작이 필수적입니다.

최근에는 잉크젯 및 롤투롤(Roll to Roll) 프린팅 기술을 이용해 직접 금속 패턴 제작이 시도되기도 합니다.
그러나 공정 특성상 1㎛(100만 분의 1미터) 이하의 정밀도 달성에는 한계가 있어 고집적·소형화는 여전히 불리했습니다.

KAIST는 기계공학과 고승환·양동열 교수팀이 플렉시블 디스플레이 전자소자 제작을 위한 차세대 금속 나노패터닝 기술개발에 최근 성공했습니다.

연구팀은 펨토초 레이저 소결공정을 이용해 수백나노의 고정밀도 금속 패턴을 단일 공정으로 제작하는 기술을 개발했는데요.

이 기술을 이용하면 다양한 기판에서 고정밀 패터닝이 가능하기 때문에 이를 유기 전자소자 기술 등과 결합하게 되면 성능과 집적도가 우수하면서도 자유자재로 휘어질 수 있는 고성능 플렉시블 전자소자나 디스플레이 등이 실현될 수 있을 전망입니다.

연구팀은 3~6nm(10억분의 1미터) 크기의 녹는점이 낮은 은 나노 입자와 열확산을 최소화할 수 있는 금속 나노입자의 펨토초 레이저 소결공정(Femtosecond laser selective nanoparticle sintering, FLSNS)을 개발했습니다.

더불어 유리, 웨이퍼, 고분자 필름 등 다양한 기판위에 1㎛이하의 고정밀도 금속 패턴을 단일 공정으로 제작할 수 있는 기술도 개발했고, 이 기술을 이용해 최소 정밀도 380nm 선폭의 극미세 금속패턴 제작에도 성공했습니다.

선택적 금속 나노입자 펨토초 레이저 소결 공정

극미세 금속 패턴

연구팀은 개발된 금속 패터닝 기술을 KAIST 전기 및 전자공학과 유승협 교수팀과의 협력을 통해 유기 전계효과 트랜지스터 제작공정에 적용하면서 차세대 플렉시블 전자소자 제작에 활용될 수 있는 가능성을 제시했습니다.

고승환 교수는 고가의 진공 전자빔 공정을 통해서만 제작 가능했던 기존의 디지털 직접 나노패터닝 기술을 비진공, 저온 환경에서 구현함으로써 전자빔 공정을 대체할 수 있을 뿐만 아니라 향후 다양한 플렉시블 전자소자 제작에 적용될 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

이번 연구결과는 재료과학기술 분야의 세계적 권위의  학술지인 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)' 7월호에 게재됐습니다.

고승환 교수

양동열 교수

플렉시블 필름에 제조된 미세 은 금속배선

플렉시블 디스플레이 제조에는 필름 사이에 10μm 이하의 미세한 금속배선을 형성하는 것이 핵심기술 중 하나입니다.

KAIST 기계공학과 양민양 교수팀은 대기 중에서 고품질 고전도성을 갖는 미세 금속배선을 플렉시블 디스플레이용 필름에 저렴하게 제조하는 기술을 개발하는 데 성공했습니다.

양민양 교수

KAIST 연구팀은 이러한 문제를 광촉매 자가 생성을 이용한 광열화학 반응과 새로운 패턴전사 방식으로 해결했습니다.

연구팀은 고가의 금속 나노입자 잉크를 대신해 금속원자가 녹아있는 유기물로부터 2~3nm의 극미세 은 나노입자 광촉매를 자가 생성 시킨 후 레이저를 사용한 광화학반응을 유도함으로써 유연한 금속배선을 제조했습니다.

또한 레이저를 이용해 고체상태의 패턴을 고분자 필름에 전사하는 방법인 레이저유도 패턴접착전사법(Laser Induced Pattern Adhesive Transfer, LIPAT)을 개발해 PET(폴리에스터)와 같이 열에 약한 유연한 필름에도 적용할 수 있도록 했습니다.

이 방법으로 10μm이하의 미세한 은 금속배선을 비저항 3.6μΩ·cm의 높은 전도도로 PET, PI, PEN등 다양한 재질의 고분자 필름에 성공적으로 형성했으며 높은 신뢰성도 검증했습니다.

강봉철 박사과정

레이저유도 패턴접착전사법(Laser Induced Pattern Adhesive Transfer, LIPAT)공정

        (a) 광촉매 자가생성을 통한 금속배선 형성
        (b) 레이저를 이용한 광학적 접착 패턴 전사 
        (c) 저내열성 플렉시블 기판에 형성된 고전도성 미세 금속배선

용 어 설 명 노광 : 기판 재료에 감광액을 바르고 패턴이 있는 필름에 자외선을 조사하면 패턴부분 만 감광액이 경화되어 세척 후 패턴 부분 만 남게 되는 패턴 제조 방법.   진공증착 : 금속이나 비금속의 물질을 진공 속에서 가열해 그 기체 입자를 물체 표면에 매우 얇은 두께로 코팅시키는 방법.   광촉매 : 광 흡수율을 향상시키기 위한 고상의 광흡수체   비저항 : 단위 부피당 전기저항을 나타내는 전도성 측정 지표로서 이 값이 낮을 수록 저항이 적음을 의미함. 단위는 μΩ·cm 광열화학 반응 : 유기금속 화학물에 광에너지를 주사해 화학반응을 일으켜 순간적으로 금속나노입자로 변환하고 동시에 광에너지 흡수에 의한 열에너지 증가로 나노입자를 응집시키는 반응. 패턴전사 방식 : 재료의 코팅/열처리가 용이한 기판에서 원하는 형상의 패턴만 선택적으로 플렉시블기판으로 패턴을 전사하는 방식. 레이저유도 패턴접착전사법 (LIPAT)은 레이저를 이용하여 유연기판과 전극 사이의 접착력을 순간적으로 증가시켜 고전도성 미세 패턴을 내열성이 낮은 유연기판으로 전사하는 방법.

국내 기술로 개발한 초전도 핵융합장치 KSTAR가 국제핵융합실험로 ITER의 마이크로파(혹은 초고주파) 가열을 위해 개발된 '170GHz 마이크로파 전자공명 가열 및 전류구동 (ECH/CD) 시스템'을 이용해 핵융합 장치의 초기 시동 및 플라즈마 가열에 최근 성공했습니다.

KSTAR 가열장치실에 설치된 170 GHz 고출력 마이크로파 가열 및 전류구동 시스템

현재 개발된 장치 중 가장 높은 주파수를 가진 '170기가헤르쯔(GHz) 마이크로파 전자공명 가열 및 전류구동 (ECH/CD)시스템'은 핵융합 장치에서 생성되는 플라즈마의 부분적인 가열과 전류 분포 제어에 가장 효과적인 장치로, ITER를 포함한 미래 핵융합로의 가열장치 분야 핵심 기술로 평가되고 있습니다.  

이번 성과는 핵융합 가열장치의 시스템 개발 초기단계에서부터 시스템 개발 및 통합과 실제 핵융합 장치에 적용하는 단계까지 ITER사업에 참여하는 한·미·일 등 다국 간 국제협력 프로그램을 통해 이루어진 대표적인 과학기술 분야의 국제협력 성공 사례로서 의미가 큽니다.

이번 실험에 사용된 ECH/CD 가열 시스템의 가장 핵심 부품인 170GHz, 1MW급 자이로트론 발진기는 ITER 장치의 가열을 위해 일본에서 개발된 최신 장치입니다.

한-일 핵융합협력 약정을 통해 일본 JAEA연구소에서 무상 임대한 170 GHz, 1 MW급 자이로트론 발진기

KSTAR 토카막 내부에 설치된 빔 입사 위치 제어 장치 (빨간색 원의 내부)

빔 입사 위치 제어 장치의 핵심 부품인 조사 거울 (steering mirror)의 모습

용 어 설 명 KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research) : 미래의 무한 에너지 자원인 핵융합에너지의 개발을 위해 국내 기술로 개발된 초전도 핵융합장치로 세계 최초로 ITER와 동일한 초전도 재료로 제작되었으며, '95년 부터 '07년까지(약12년간) 주장치 완공 후, '08년 최초플라즈마 발생에 성공하여 장치성능을 입증한 이후로 본격 가동에 돌입하여 국제핵융합 공동 연구시설 운영되고 있음   ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor) : 국제핵융합실험로, 핵융합에너지 상용화를 위한 과학적?기술적 실증을 위하여 우리나라를 비롯하여 유럽연합, 미국, 일본, 중국, 러시아, 인도 등 7개국이 공동으로 핵융합로를 건설하고 운영하는 대형 국제 협력 프로젝트 토카막(Tokamak) : 태양처럼 핵융합 반응이 일어나도록 인공적인 환경을 만들기 위해 초고온의 플라즈마를 자기장을 이용해 가두는 자기 밀폐형 핵융합 장치로 러시아에서 처음 개발되었으며, 현재 작동중이거나 새로 짓는 실험용 핵융합로는 대부분 토카막 방식을 채택하고 있음  마이크로파 플라즈마 가열 및 전류구동(Electron Cyclotron Heating and Current Drive)장치 : 핵융합 플라즈마 내에 존재하는 전자의 회전 운동과 공명(resonance)하는 주파수를 가진 마이크로파를 입사하여 전자를 선택적으로 가열하고 운동에너지를 전달하여 전류를 발생시키는 장치임. 전 세계 대부분의 토카막형 핵융합 장치에서 플라즈마 가열과 전류 제어용으로 다양한 실험을 위해 사용되고 있음   자이로트론 (Gyrotron) : 자이로트론은 수 GHz(GHz는 FM라디오 주파수의 1000배 수준)에서 수백 GHz 대역의 광범위한 주파수를 가진 마이크로파를 최대 MW 급으로 발진하는 발진기로서, 발진기 내부에서 고에너지 전자빔의 파워를 마이크로파로 변환시키는 장치 임. 자이로트론 내부에 있는 전자총에 의해 고에너지 전자빔이 가속되며 강한 외부 자기장에 의해 회전 운동을 하며 특수한 형상의 공동(Cavity)구조에 도달하면 마이크로파가 발진됨

화석연료의 사용은 필연적으로 이산화탄소의 증가를 가지고 오며 이는 지구온난화 등 심각한 기후변화를 초래하는 것으로 알려지고 있습니다.

그러나 IEA 보고서에 따르면 오는 2050년에도 화석연료의 비중은 70% 이상을 유지할 것으로 전망됩니다.

이런 가운데 CCS(이산화탄소 포집 및 저장) 설비의 세계 시장 규모는 2025년 약 26조 원에 이를 것으로 예측되고 있으며, 시장 선점을 위한 주요 선진국들의 기술 경쟁이 치열하게 전개되고 있습니다.


한국에너지기술연구원은 석탄에서 이산화탄소를 원천적으로 제거하는 동시에 미래 청정에너지인 수소를 대량 생산할 수 있는 '분리막을 이용한 이산화탄소 포집 통합 공정 기술'을 개발했습니다. 
 
이는 기존 분리막보다 투과 성능을 혁신적으로 개선시킨 것으로, 수소 분리와 동시에 이뤄지는 이산화탄소 포집률이 기존 공정보다 4%~25% 향상된 90%이상으로, 세계 최고 수준입니다.

이 같은 이산화탄소 포집률은 2011년 미국 에너지부(DOE)의 목표를 초과 달성한 것이며, 수소 투과 성능도 현재 142㎖/min.㎠로 미국 DOE의 목표치인 110㎖/min.㎠를 앞질렀습니다.

또 이를 통해 이산화탄소 포집비용을 톤 당 10달러까지 줄일 수 있는 기반을 마련했습니다.

2015년 탄소세와 이산화탄소 포집 비용 또한 거의 동일해져 시장이 확대될 것으로 예측되고 있으며 현재 이산화탄소 포집 비용은 톤 당 40~60달러에 이릅니다.

이번에 개발된 기술은 석탄, 폐기물, 바이오매스 등 품질이 낮은 탄화수소 연료를 이용할 수 있으며, 가격 변동 폭이 적고 전 세계에 고르게 분포되어 있는 석탄을 오염물질 배출 없이 깨끗하게 이용할 수 있을 뿐만 아니라 대량의 수소생산이 가능해 수소경제사회를 앞당길 수 있는 미래 에너지 생산 기술로 평가받고 있습니다.

연소 전 이산화탄소 포집 시스템 공정도

분리막 모듈

분리막을 500MW 규모의 발전소에 적용할 경우 기존 분리막은 1200억 원의 비용이 들어가지만 개발된 분리막은 60억원으로, 기존 분리막의 5% 수준에 불과해 높은 수준의 기술 경제성을 확보했습니다. 

또한 각각의 분리막을 적층한 모듈은 30기압 이상 고압에서 견딜 수 있도록 설계·제작 됐으며, 이를 통해 고압 분리막 모듈화 기술을 확보했습니다.
 
이는 가스화기에서 발생한 압력을 그대로 사용, 투과성능 향상은 물론 압력차로 인해 에너지 손실이 발생하는 다른 포집기술에 비해 효율적이며 공정을 단순하게 합니다.

개발된 통합공정은 분당 2리터의 가스처리 능력을 가진 실험실 규모의 공정과 시간당 1000리터의 탄화수소를 처리할 수 있는 자체 제작한 파일럿 설비를 이용해 실증에 모두 성공한 것입니다.

에너지연구원은 분리막 소재와 모듈화 및 공정 원천 핵심기술 특허 25개를 출원, 등록했습니다.

연구책임자인 백일현 박사는 이 공정이 저비용 이산화탄소 포집 기술 개발을 위한 기폭제 역할을 할 것으로 기대되고 있으며, 향후 석탄가스화 시스템과 연계한 2단계 사업을 통해 상용화를 앞당길 예정입니다.

오는 2025년 CCS 설비 시장이 국내 발전소에 적용될 경우, 연간 220만 톤의 이산화탄소 저감효과와 7400억 원의 국내 시장, 2조 6000억 원의 수출시장을 선점하는 경제적 파급효과도 기대하고 있습니다.

2l/min 분리막을 이용한 연소전 포집 통합 공정

1Nm3/h 분리막을 이용한 연소전 포집 통합 공정