① 나노 세공체- 저온서도 에너지 효율 2배 높아

■ 화학硏, 세계무대서 통할 연구성과 3選

② 신개념 태양전지- 기존 제품 장점 융합해 가격 낮추고 내구성 높여

③ 나노 라만 신기술- 신약후보물질 신속히 검색… 난치병 치료제 개발 도우미

장종산 한국화학연구원 박사팀이 개발한 하이브리드 나노 세공체 기술은 정유·석유화학·환경정화 등 다방면에서 활용이 가능해 막대한 부가가치 창출이 기대되고 있다.

단일분자 검출 감도 나노 라만 신기술을 활용하면 신약 후보물질을 신속히 찾아낼 수 있어 난치병 치료제 개발에 필요한 비용과 시간의 획기적인 절감이 가능하다.

최근 우리나라는 기초과학연구원 설립과 함께 중이온 가속기와 같은 새로운 첨단 연구장비 도입을 통해 세계 최고 수준의 기초과학 연구 환경을 조성하기 위한 노력을 다각도로 전개하고 있다. 치열한 경쟁이 펼쳐지고 있는 글로벌 경제ㆍ산업시장에서 우리나라가 주도권을 쥘 수 있도록 기초·원천기술을 확보하기 위한 노력의 일환이다.

이런 가운데 최근 국가과학기술위원회가 세계 무대에서 통할 '국가연구개발 우수성과 100선'을 선정ㆍ발표했다. 이 가운데 한국화학연구원이 국내 화학 관련 기관 중 유일하게 에너지환경과 기계소재 분야에서 총 3건의 연구성과가 동시에 성정돼 주목을 받고 있다. 특히 장종산 그린화학촉매연구센터 박사 연구팀이 개발한 나노 세공체는 연간 45조원대 규모인 제습ㆍ건조ㆍ냉방시스템 산업의 핵심 원천소재여서 상용화가 이뤄지면 막대한 부가가치 창출이 기대된다.

# 저온에 강한 하이브리드 나노세공체

100선에 선정된 화학연의 연구성과는 장 박사팀의 '에너지 절약형 초다공성 하이브리드 나노 세공체' 을 비롯해 석상일 에너지소재연구센터 박사팀의 '무기반도체 감응형 무·유기 이종접합 고효율 태양전지 원천기술' , 그리고 서영덕 나노바이오융합연구단 박사팀의 '단일분자 검출 감도 나노 라만 신기술' 이다.

먼저 나노 세공체는 나노 크기의 미세 구멍을 가진 물질을 말한다. 0.5~50㎚의 구멍이 일정하게 분포돼 있어 정유ㆍ석유화학 등 다양한 분야에서 촉매와 흡착제로 주로 사용된다.

장 박사는 저온에서 나타나는 나노 세공체의 높은 수분흡착 특성에 주목하고 합성 및 정제, 표면 기능화, 흡착, 촉매 등의 응용기술을 접목해 하이브리드 나노 흡착제 개발에 성공했다. 기존 수분 흡착제는 100도 이상에서만 흡착력을 제대로 발휘하는 반면 이 제품은 100도 이하의 저온에서도 원활히 작용해 에너지 효율이 2배, 흡착량은 4배 이상 뛰어나다.

또한 이 분야의 선두주자인 다국적 화학기업 바스프의 하이브리드 나노 세공체와 비교해도 표면적, 기능, 수열 안정성에서 우위를 점한다고 평가된다. 이미 세계적 화학 학술지 앙케반테 케미의 표지 논문과 네이처 머티리얼즈에 게재돼 기술적 우수성을 인정받았다.

장 박사는 "이 기술은 국내시장 1조5,000억원, 세계시장 45조원 규모의 제습ㆍ건조ㆍ냉방시스템 산업에서 핵심 원천소재로 응용될 수 있다"며 "민간 기술이전을 통해 수백㎏ 수준의 양산기술 개발에 박차를 가할 예정"이라고 밝혔다.

# 가격과 효율 겸비한 신개념 태양전지

무한자원인 태양광을 전기에너지로 변환하는 태양전지는 현재의 에너지 위기를 극복할 가장 현실적 대안 중 하나다. 이 같은 태양전지는 제조방법과 재료에 따라 결정질 실리콘 태양전지, 박막 태양전지, 유기 태양전지 등으로 구분되는데 1세대 결정질 실리콘 태양전지는 광변환 효율이 높지만 제조가격이 비싸다. 반대로 박막 및 유기 태양전지는 저가화가 가능하지만 효율과 광안정성이 떨어지는 게 상용화의 한계로 지적된다.

석 박사팀이 개발한 무ㆍ유기 이종접합 고효율 태양전지는 기존 태양전지들의 장점을 융합한 새로운 구조의 태양전지 원천기술이다. 저가의 유기 태양전지와 고효율 무기 반도체 태양전지를 염료감응형 태양전지의 프레임에 채용한 것. 석 박사는 1g당 수십만원에 이르는 합성 염료 대신 저렴한 무기반도체 나노입자용 원료를 사용해 광흡수층을 용액상에서 생성시키고 유기 용매에 용해시킨 전도성 고분자를 코팅하는 방식의 간편하고 단순한 공정을 개발했다. 이렇게 하면 제조단가는 낮추고 내구성은 높이는 효과를 누릴 수 있다.

석 박사는 "차세대 태양전지인 무기반도체 박막태양전지와 유기 태양전지, 염료감응형 태양전지의 장점을 소재와 구조로 융합한 신개념 기술"이라며 "효율과 가격이라는 두 마리 토끼를 동시에 잡을 수 있다"고 설명했다.

# 신약 개발의 특급 도우미

지난 1922년 인도의 라만경에 의해 발견된 '표면 증강 라만 신호' 는 살아 있는 세포를 대상으로 한 세포기반 검색 등 신약 후보물질 검색의 혁신을 꾀할 기술로 꼽힌다. 하지만 신호의 세기가 매우 약하고 재현이 어려워 상용화에 어려움을 겪어왔다.

서 박사팀의 단일분자 검출 감도 나노 라만 신기술은 물질이 어떤 상태인지 알려주는 라만 신호를 증폭하고 분자 나노경으로 ㎚ 스케일 물질의 성질을 분석, 이 난제를 해결했다.

이를 위해 연구팀은 라만 염료로 처리한 DNA를 금 나노입자에 연결시키고 그 위에 금 껍질을 입혀 금 입자와 껍질 사이에 1㎚의 간극 형성을 유도했다. 이어 특정한 DNA 염기서열을 이용해 초미세 나노 간극을 형성했다. 그리고 라만 나노경으로 200여개의 나노 간극-라만 프로브 단일입자들을 검색, 라만 신호의 정량적 재현성을 입증했다.

서 박사는 "이 검색기술은 세포기반검색 등 신약후보물질 검색 분야의 핵심 원천기술로서 향후 신약 개발에 필요한 비용과 시간을 크게 줄일 수 있을 것"이라며 "기술 보편화가 이뤄지면 많은 난치병 환자들이 지금보다 더 빠르고 저렴하게 신약을 투여 받을 수 있다"고 강조했다.

서 박사팀의 이번 연구 결과는 세계 최고 권위의 학술지인 네이처 나노테크놀로지 온라인판에 게재됐다.