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.

- 3월 7일(금) 오전 10시 30분, 한국화학연구원‘화학소재부품 상생기술협력센터’개관식 개최
- 화학연 기술역량과 노하우를 기업의 상용화 과정에 직접 연결하는 산·연 협력 플랫폼으로 운영될 예정

□ 한국화학연구원은 오는 3월 7일(금) 오전 10시 30분, ‘화학소재부품 상생기술협력센터’ 개관식을 개최한다.

   ○ 본 행사에는 화학연 이영국 원장, 대전광역시 이택구 경제과학부시장, 과학기술정보통신부 이은영 국장, 이희완 대전세종지방중소벤처기업청장 등

       주요인사를 포함한 21개 기관 및 5개 기업 관계자 등 약 70명이 참석할 예정이다. 참석자들은 센터의 주요 기능과 운영 방향을 공유하며,

       산업계와 연구기관 간 협력의 중요성을 강조할 계획이다.

□ 국가 소재·부품 핵심기술 자립화를 목표로 건립된 `화학소재부품 상생기술협력센터`는 지하 1층~지상 3층, 연면적 5,401㎡ 규모를 갖추었다.

    본 센터는 화학연과 수요·공급기업 간 협력체계를 강화하는 기술 혁신 플랫폼으로, 상생형 연구공간, 분리형 사무공간, Scale Up 연구실, 회의 및 편의시설 등으로

    구성되어 있다.

   ○ 특히 센터의 핵심 공간인 '상생형 연구공간'은 화학연 연구자, 수요기업, 공급기업이 한 공간에서 공동연구를 수행하며, 연구원의 기술 역량과

       기업의 상용화 과정을 유기적으로 연결하는 ‘산·연 협력 거점’ 역할을 하게 된다.

   ○ 센터 개관을 앞서 이미 3개 컨소시엄의 기업 입주가 확정되어 상생형 연구공간과 분리형 사무공간이 배정되었으며, 현재 입주 절차가 진행 중이다.

       컨소시엄 간 실시간 협력 연구가 가능하도록 지속 지원할 예정이다.

□ 잉크젯 프린팅 설비 제조기업인 ㈜고산테크는 페로브스카이트 태양전지의 대면적화를 통해 '차량일체형 태양광 발전시스템'과 '건물용 태양광 발전 시스템' 적용을

    목표로 공동 연구개발을 진행한다. 

   ○ 특히 본 분야에서 세계 최고 효율을 거듭 경신하고 있는 화학연 전남중 박사 연구팀과의 공동연구를 통해 잉크젯 기반의 혁신적 생산기술 개발과 공정 표준화 달성을

       이뤄낼 것으로 기대된다.

   ○ 방수 및 누수기술 관련 신소재 제조기업인 주식회사 ㈜리뉴시스템은 화학연 조정모 박사 연구팀으로부터 이전받은 기술로 난분해성 플라스틱 폐기물의 화학적 재생과

       재활용 기술 개발을 추진한다. 

   ○ 3종 이상의 소재가 혼방된 섬유 폐기물로부터 재생섬유 제조를 위한 고품질 고분자 소재를 회수하는 화학적 선별기술을 활용한다. 혼방섬유 화학적 선별 기술 실증화와

       99% 이상의 이물질이 제거된 고품질 폴리에스터 회수 공정성능 확보를 통해 ㈜효성티앤씨 공급을 목표로 공동연구를 진행할 예정이다.

   ○ 축전식 탈염 기술 기반 친환경 에너지 전문기업인 ㈜시온텍은 기존 NDMA 기반의 이온교환막의 유해성과 공정에서 발생되는 생산원가 절감을 위해

       화학연 이진희 박사 연구팀과 ‘양극성막 정전용량 탈염’ 기술 상용화를 추진한다.

   ○ 이를 위해 소재 개발 최적화 및 양산화 공정 설계를 목표로 공동연구를 진행할 계획이다. 공급대상은 ㈜경동나비엔의 친환경 수처리 시스템 적용을 목표로 하고 있다.

   ○ 이외에도 센터에는 기업홍보관, 교류·소통 공간 등이 마련되어, 기업 간 협력 및 네트워킹을 활성화하고, 기술이전과 사업화 촉진을 위한 다양한 지원이 이루어질 전망이다.

□ 화학연 이영국 원장은 "본 센터 개관을 통해 국내 소재·부품 산업의 기술 독립을 앞당기고, 새로운 상생협력 모델을 제시할 것"이라며, "이를 통해 산·연이 함께 도전하고 성장하는

    '혁신의 장'이 되기를 희망한다."고 밝혔다.

   ○ 화학소재부품 상생기술협력센터는 단순한 기술이전을 넘어, 수요 연계형 기술 상용화의 패러다임을 일으킬 것으로 전망된다.

- 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.