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[신소재 신기술(133)] 물에 녹는 바이오플라스틱 'MECHS' 개발
- 플라스틱 오염 문제가 점점 더 심각해지는 가운데, 물에 녹는 새로운 바이오플라스틱이 개발되어 주목받고 있다. 미국 노스이스턴 대학교의 아비나쉬 만줄라-바사반나(Avinash Manjula-Basavanna) 연구원과 닐 조쉬(Neel S. Joshi) 교수 연구팀은 물과 퇴비에서 빠르게 분해되는 바이오플라스틱 'MECHS'를 개발했다고 어스닷컴이 보도했다. 이번 연구 결과는 학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications) 저널에 발표됐다. 새로운 바이오플라스틱 'MECHS'의 특징 MECHS는 '퇴비화, 치유, 확장가능성을 갖춘 기계적으로 조작된 살아있는 물질(Mechanical Engineered Living Materials with Compostability, Healability, and Scalability)'의 약자이다. 이 소재는 유전자 조작된 대장균 박테리아와 섬유 매트릭스를 결합하여 종이 또는 필름 형태로 제작된다. 기존 바이오플라스틱과 달리 MECHS는 빛과 같은 외부 자극에 반응하고 자가 재생 및 조절 능력을 갖추고 있다. 또한 물과 퇴비에 빠르게 분해되어 환경 오염을 줄이는데 기여할 수 있다. 연구팀은 "MECHS는 변기에 버려도 생분해될 정도로 친환경적"이라고 설명했다. 대량 생산 가능-플라스틱 포장재 대체 기대 MECHS는 종이와 유사한 방식으로 대량 생산이 가능하며, 플라스틱 포장재를 대체할 수 있을 것으로 기대된다. 앞서 설명했듯이 기본적으로 이 제품은 유전자 조작된 대장균 박테리아가 섬유 매트릭스와 얽힌 종이 또는 필름과 같은 형태로 만들어진다. 섬유질 구조로 인해 이 바이오플라스틱은 비밀 랩처럼 늘어날 수 있고, 다양한 강성을 위해 유전적으로 조작할 수 있으며 자가 치유 능력까지 갖추었다. 만줄라-바사반나 연구원은 "플라스틱 포장재는 수명이 며칠에서 2년 정도로 짧지만, 현재 사용되는 석유화학 플라스틱은 생분해되는 데 수백 년이 걸린다"며 "MECHS는 생분해성, 수세성(침투액의 물에 의한 세척의 정도를 비교하기 위해 사용되는 척도), 기계적 조정 가능성을 갖춘 지속 가능한 대안"이라고 강조했다. 플라스틱 포장재는 현재 플라스틱 시장의 3분의 1을 차지한다. 상용화 위해 유전자 안정성 확보해야 MECHS는 혁신적인 소재지만 상용화를 위해서는 몇 가지 과제를 해결해야 한다. 먼저, 유전자 조작된 대장균 박테리아(E.coli 박테리아)의 유전적 안정성을 확보해야 한다. 또한 기존 플라스틱 산업의 전환에 따른 경제적, 물류적 문제와 대중의 인식, 규제 문제 등을 해결해야 한다. 연구팀은 MECHS를 시작으로 다양한 생분해성 소재를 개발하고 환경 보존, 의료 등 다양한 분야에 적용할 수 있을 것으로 전망했다. 이들의 연구는 생물학, 화학, 공학 분야의 협력을 통해 지속 가능한 해결책을 제시하는 모범 사례로 평가받고 있다.
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- IT/바이오
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[신소재 신기술(133)] 물에 녹는 바이오플라스틱 'MECHS' 개발
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[신소재 신기술(132)] 플라스틱 폐기물, 고부가가치 화학물질과 수소 에너지로 재활용하는 기술 개발
- 플라스틱 폐기물을 분해해 벤조산과 청정에너지인 수소로 재활용하는 기술이 개발됐다. 독일 연구팀이 가장 흔한 플라스틱 폐기물인 폴리스티렌 폐기물을 효율적으로 재활용하는 전기화학적 방법을 개발했다. 이 기술은 저렴한 철 촉매를 사용하여 폴리스티렌을 분해해 벤조산과 그 부산물로 수소를 생성하며, 태양 에너지를 사용하여 작동할 수 있는 장점이 있다고 사이테크 데일리가 보도했다. 플라스틱은 우리 생활에 필수적인 요소가 되었지만, 매립지와 자연 환경에 축적되는 막대한 양의 플라스틱 폐기물은 심각한 문제를 야기한다. 전 세계적으로 생산되는 플라스틱은 재활용율이 겨우 10% 미만에 불과하다. 2025년에는 플라스틱 폐기물이 400억톤에 이를 것으로 예상된다. 특히 포장재와 건축 자재에 널리 사용되는 폴리스티렌(PS)은 매립지에 버려지는 폐기물의 약 33%를 차지하지만, 재활용율은 1%에 불과하다. 2022년 폴리스티렌의 전 세계 생산량은 1540만톤에 달했다. 그 중에서 재활용된 폴리스티렌은 겨우 15만4000톤에 불과했다. PHYS는 캘리포니아 대학교 버클리와 캘리포니아 대학교 산타바바라의 연구자들이 수행한 '2050년까지 전 세계 플라스틱 폐기물 관리 불량과 온실 가스 배출을 줄이기 위한 경로'라는 연구를 인용해 지금처럼 경제 활동을 게속한다면 세계는 2011년부터 2050년까지 엠파이어 스테이트 빌딩 높이의 10배에 달하는 플라스틱 더미로 맨해튼을 덮을 만큼의 쓰레기를 배출할 것이라고 지적했다. 이러한 문제를 해결하기 위해 독일 괴팅겐의 프리드리히 뵐러(Friedrich Wöhler) 지속가능 화학 연구소의 루츠 아커만 교수가 이끄는 연구팀은 폴리스티렌을 효율적으로 분해하는 전기화학적 방법을 개발했다. 이 방법은 폴리스티렌을 분해하여 화학 공정의 원료로 사용할 수 있는 단량체 벤조일 생성물과 짧은 고분자 사슬을 생성하고 그 부산물로 수소를 만들어냈다. 이 기술의 핵심은 헤모글로빈과 유사한 철 포르피린 복합체인 철 기반 촉매이다. 철은 다른 촉매 활성 금속에 비해 독성이 없고 저렴하며 쉽게 구할 수 있다는 장점이 있다. 전기 촉매 반응 과정에서 철 화합물은 Ⅳ, Ⅲ, Ⅱ의 다른 산화 단계를 순환하며, 일련의 반응 단계와 중간 생성물을 거쳐 폴리스티렌의 탄소-탄소 결합을 분해한다. 주요 생성물은 벤조산과 벤즈알데히드이며, 벤조산은 향료 및 방부제 생산 등 다양한 화학 합성의 원료로 사용된다. 연구팀은 실제 플라스틱 기물을 그램 단위로 효율적으로 분해함으로써 이 새로운 전기 촉매 기술의 견고성을 입증했다. 이번 연구 결과는 독일 저명 학술지 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie, 응용화학)'에 개재됐다.
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[신소재 신기술(132)] 플라스틱 폐기물, 고부가가치 화학물질과 수소 에너지로 재활용하는 기술 개발
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[신소재 신기술(127)] 일본 연구진, AI 활용해 나트륨 이온 배터리 에너지 밀도 향상
- 인공지능(AI)을 활용해 나트륨 이온 배터리 에너지 밀도를 향상시키는 기술이 일본에서 개발됐다. 5일(현지시간) 마이닝닷컴에 따르면 일본 도쿄이과대학(TUS) 연구진이 머신러닝을 활용해 고효율 나트륨 이온 배터리를 개발하는 데 성공했다. 머신러닝은 인공지능의 한 분야로 컴퓨터가 명시적으로 프로그래밍되지 않고도, 데이터를 통해 학습하고 경험을 통해 스스로 개선할 수 있도록 하는 기술이다. 코마바 신이치 교수가 이끄는 연구팀은 저렴하고 지속가능한 에너지 저장 솔루션 개발의 핵심 목표인 나트륨 이온 배터리 밀도를 향상시키는 데 집중했다. 나트륨 이온 배터리는 리튬 이온 배터리에 비해 풍부하고 저렴한 재료를 사용한다는 장점이 있지만, 에너지 밀도가 낮아 상용화에 어려움을 겪어왔다. 연구팀은 다양한 금속 조합을 탐색하여 최적의 배터리 성능을 달성하는 나트륨 기반 층산 산화물 설계에 머신러닝 모델을 적용했다. 실험 데이터를 기반으로 학습시킨 결과, 망간, 니켈, 티타늄, 철을 포함한 효과적인 금속 비율을 찾아냈다. 이러한 혁신적인 접근 방식은 기존의 시행착오 방식에 비해 배터리 재료 개발 시간과 비용을 단축할 수 있다. 연구 결과는 재료과학 저널 A(Journal of Materials Chemistry A) 온라인 판에 게재됐다. 차세대 배터리로 주목 나트륨 이온 배터리는 리튬 이온 배터리를 대체할 차세대 배터리로 주목받고 있다. 먼저 나트륨은 지구상에서 여섯 번째로 풍부한 원소로, 리튬에 비해 훨씬 저렴하고 쉽게 구할 수 있다. 리튬은 특정 지역에 매장량이 집중되어 가격 변동성이 크지만, 나트륨은 전세계적으로 고르게 분포되어 있어 안정적인 공급이 가능하다. 이는 배터리 생산 비용을 절감하여 전기자동차(EV), 에너지 저장 시스템 등의 가격 경쟁력을 높이는데 기여할 수 있다. 나트륨 이온 배터리는 리튬 이온 배터리보다 열적으로도 안정적이며, 과충전이나 과방전 시에도 화재나 폭발 위험이 낮다. 특히 저온 환경에서도 성능 저하가 적어 극한 환경이나 추운 지역에서도 안정적으로 사용할 수 있다. 나트륨 이온은 리튬 이온보다 이온 반경이 크기 때문에 전해질 내에서 이동 속도가 빠르다. 이는 배터리 이동 속도를 향상시켜 전기차 충전 시간을 단축하는 데 도움이 될 수 있다. 게다가 나트륨은 리튬보다 독성이 낮고 재활용이 용이해 친환경적인 에너지 저장 솔루션을 제공할 수 있다. 또한 나트륨 이온 배터리는 리튬 이온 배터리와 유사한 생산 공정을 사용할 수 있어 기존 리튬 이온 배터리 생산 시설을 활용할 수 있다. 이는 나트륨 이온 배터리 생산을 위한 초기 투자 비용을 절감하고 빠른 상용화를 가능하게 할 수 있다. 하지만 아직 에너지 밀도와 수명 측면에서 개선의 여지가 남아 있으며, 이러한 과제를 해결하기 위한 연구 개발이 활발히 진행중이다. 코마바 교수는 "배터리 연구에서 머신러닝의 성공적인 적용은 다른 분야의 재료 개발을 위한 탬플릿 역할을 하여 광범위한 재료 과학 분야의 혁신을 가속화할 수 있다"고 말했다. 연구팀은 이 기술이 차세대 배터리 개발을 가속화하여 재생 에너지 발전, 전기 또는 하이브리드 자동차, 노트북, 스마트폰과 같은 소비자 전자 제품을 포함한 에너지 저장 기술 전반에 혁명을 일으킬 수 있을 것으로 기대하고 있다.
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[신소재 신기술(127)] 일본 연구진, AI 활용해 나트륨 이온 배터리 에너지 밀도 향상
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생성형 AI, 폭발적인 성장 이면에 '전자 폐기물 문제' 심각
- 생성형 인공지능(AI)이 폭발적인 성장세를 기록하고 있지만 엄청난 전자 폐기물을 배출하는 것으로 밝혀졌다. 생성형 AI는 인공지능의 한 종류로, 주어진 데이터를 학습해 새로운 콘텐츠를 만들어내는 능력을 가졌다. 마치 사람처럼 창의적인 결과물을 만들어 낼 수 있다는 점에서 기존 AI와 차별화된다. IEEE 스펙트럼은 4일(현지시간) 지난주 네이처 컴퓨테이셔널 사이언스(Nature Computational Science) 저널에 발표된 연구를 인용해 대규모 언어 모델(LLM)의 공격적인 채택만으로도 2030년까지 연간 250만톤(t)의 전자 폐기물이 발생할 것으로 추산된다고 전했다. 딜로이트에 따르면 생성형 AI에 대한 민간 투자는 2022년 약 30억 달러(약 4조1307억원)에서 2023년 250억달러(약 34조4225억원)로 급증했으며, 민간 기업의 약 80%가 향후 3년 안에 AI 비즈니스를 주도할 것으로 예상하고 있다. 이러한 급속한 성장은 최신 GPU, CPU 및 기타 전자 장비를 데이터 센터에 끊임없이 업그레이드해야 함을 의미하며, 이는 전자 폐기물의 폭발적인 증가로 이어질 수 있다. 이번 연구의 공동 저자인 이스라엘 라이히만 대학의 지속 가능성 및 기후 연구원 아사프 차초르(Asaf Tzachor)는 "AI는 진공 상태에서 존재하지 않는다. AI는 유형의 환경 발자국을 가진 상당한 하드웨어 리소스에 의존한다"며 "AI 발전의 이점을 누리면서 부정적인 환경 영향을 완화하는 전략을 개발하기 위해 전자 폐기물 문제에 대한 인식이 중요하다"고 말했다. 지금까지 AI 지속 가능성에 대한 대부분의 연구는 AI 모델의 에너지 및 물 사용량과 그에 따르는 탄소 배출량에 중점을 두었다. 차초르는 중국 과학 아카데미의 평 왕(Peng Wang) 교수, 웨이창 천(Wei-Qiang Chen) 교수와 함께 생성형 AI와 관련된 전자 폐기물의 잠재적 중량을 계산했다. 이 연구는 문제의 잠재적 규모를 추정하고 기업이 보다 지속 가능한 관행을 채택하도록 촉구하기 위한 것이다. 전자 폐기물 문제의 심각성 전자 폐기물에는 독성 금속 및 기타 화학 물질이 포함되어 있어 환경으로 유출되어 건강 문제를 일으킬 수 있다. 유엔 글로벌 전자 폐기물 모니터에 따르면 2022년 전 세계적으로 총 6200만톤의 전자 폐기물이 발생했으며, 이는 재활용 프로그램보다 5배 빠르게 증가하고 있다. 승용차 1대의 무게를 1.5톤으로 가정하면 전자 폐기물 6200만톤은 약 4133만대의 승용차 무게와 맞먹는다. 또다른 예시로 파리 에펠탑의 무게는 약 1만톤이다. 6200개의 에펠탑이 프랑스 파리에 빽빽히 들어찼다고 가정한다면 2022년 한 해 동안 배출된 전자 폐기물의 양이 얼마나 엄청난지 짐작할 수 있을 것이다. AI 성장세에 힘입어 향후 몇 년 동안 AI는 폐기물 문제에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 차초르는 생성형 AI와 관련된 전자 폐기물에는 폐기된 GPU, CPU, 데이터 센터의 백업 전원용 배터리, 메모리 모듈 및 인쇄 회로 기판이 포함된다고 말했다. 이 연구는 제한적인 확장부터 공격적인 확장형까지 생성형 AI 채택에 대한 네 가지 잠재적인 시나리오를 자세히 설명하고 2023년을 기준으로 연간 2600톤의 전자 폐기물이 발생할 것으로 예측한다. 만약 AI 사용이 제한적으로 확장될 경우, 2023년부터 2030년까지 총 120만톤의 전자 폐기물이 발생하는 반면, 공격적으로 확될 경우 같은 기간 동안 총 500만톤의 전자 폐기물이 발생할 것으로 예상된다. 차초르는 현재 추세를 고려할 때 공격적인 시나리오가 가장 가능성이 높다고 말했다. 이 연구는 다른 형태의 생성형 AI가 아닌 대규모 언어 모델만 고려한다는 한계가 있다. 차초르는 LLM이 계산 집약도가 가장 높은 모델 중 하나이기 때문에 연구팀이 LLM에 중점을 두었다고 밝혔다. 그는 "다른 형태의 AI를 포함하면 예상되는 전자 폐기물의 수치가 더 늘어날 것"이라고 덧붙였다. AI 전자 폐기물 감소를 위한 해결 방안 이론적으로 더 발전된 칩을 채택하면 서버 팜에서 더 적은 자원으로 더 많은 작업을 수행하고 폐기물을 줄이는 데 도움이 될 수 있다. 그러나 각 업그레이드는 폐기물 발생량의 순 증가로 이어진다. 또한 현재 반도체에 대한 무역 제한으로 인해 업그레이드가 항상 가능한 것은 아니다. 최첨단 칩에 접근할 수 없는 국가에서는 그 결과 더 많은 폐기물이 발생할 수 있다. 이 연구에 따르면 최신 칩으로 업그레이드하는 데 1년 지연되면 전자 폐기물이 14% 증가한다. 이러한 AI 폐기물 발생량을 줄이는 가장 좋은 방법 중 하나는 전자 장비를 재사용하는 것이다. 차초르를 이를 "다운사이클링"이라고 했다. 최첨단 기술이 더 이상 적용되지 않는 서버는 웹사이트 호스팅이나 더 기본적인 데이터 처리 작업에 재활용하거나 교육 기관에 기증하는 방법 등이 있다. 아마존, 구글, 메타를 포함한 대부분의 기술 기업은 탄소 발자국 및 친환경 에너지 사용에 중점을 둔 지속 가능성 목표를 발표했다. 마이크로소프트(MS)는 테이터 센터의 전자 폐기물 발생량을 제한하기로 약속했다. 2023년 기준 전 세계의 데이터 센터 시장 규모는 2192억3000만 달러(약 301조 9016억원)으로 추정된다. 한국의 경우 2022년 기준 민간 데이터 센터 매출 규모는 약 3조9000억원이다. 차초르는 AI 전자 폐기물과 관련된 모범 사례를 준수하도록 하려면 규제가 필요할 수도 있다고 말했다. 그는 "기업이 이런 전략을 채택할 수 있도록 인센티브를 제공해야 한다"고 강조했다.
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생성형 AI, 폭발적인 성장 이면에 '전자 폐기물 문제' 심각
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9가지 일상 생활 소재, 매년 790억 달러 기후 피해 입혀
- 미국의 일상적인 9가지 용품의 생산으로 인한 온실가스 배출로 인해 연간 790억 달러의 기후 비용이 발생하고 있다는 지적이 나왔다. 이 연구 보고서는 최근 IOP퍼블리싱의 환경연구저널(Environmental Research Letters)에 게재됐다고 사이테크데일리가 전했다. 온실가스 배출로 인한 이 같은 막대한 비용은 현재 시장 가치에는 반영되지 않고 있으며, 사실상 탄소 집약적 산업에 대한 막대한 보조금 역할을 하고 있다는 지적이다. 연구를 주도한 UC 데이비스 캠퍼스의 엘리자베스 반 로이젠 박사는 "이런 숨겨진 비용은 탄소 저배출 대체 소재가 산업체에서 자발적으로 채택되지 않는 이유가 된다. 정확한 비용을 계산하고 반영하면 대체 소재 생산 방법을 구현하고 혁신을 주도할 수 있는 경제적 기반을 제공할 수 있다"라고 말했다. 팀의 연구는 아스팔트, 플라스틱, 벽돌, 유리, 시멘트, 석회, 석고, 강철, 알루미늄 등 널리 사용되는 9가지 소재를 조사한 것이다. 연구진은 생산 데이터, 에너지 소비, 배출 요인을 분석하여 각 재료에 대한 에너지 및 공정 관련 이산화탄소 배출량을 통합해 계산했다. 분석 결과 이들 9가지 재료는 2018년 한해 동안 4억 2700만 톤의 이산화탄소를 배출했다. 이러한 배출로 인한 기후 비용을 가격에 반영하면 일부 재료의 비용은 큰 폭으로 증가하게 된다. 비용 증가 폭은 ▲시멘트: 62% ▲석회: 61% ▲석고: 47% ▲철강: 22% ▲플라스틱: 19% 등이다. 철강과 플라스틱의 경우 기후 관련 비용이 시장 가치에서 차지하는 비중이 낮음에도 불구하고 생산량이 워낙 많기 때문에 연간 기후 비용이 각각 200억 달러가 넘는다. 연구진은 기후 관련 비용 계산을 위해 미국 환경보호국(EPA)의 사회적 탄소 비용(SCC) 추정치인 이산화탄소 1톤당 184달러 산정액을 기준으로 했다. 이 수치는 인간의 건강, 농업, 해안 인프라에 미치는 영향을 포함하여 탄소 배출량 증가와 관련해 정량화된 경제적 피해를 모두 합한 것이다. 보고서는 이러한 기후 비용을 재료 가격에 반영하면 저탄소 생산 혁신을 촉진하고 재활용 및 대체 재료의 경쟁력을 높일 수 있다고 주장한다. 예를 들어, 알루미늄과 강철 생산이 전적으로 재생 에너지원으로 전환되면 기후 관련 비용이 각각 95%와 79% 감소하게 된다. 그 만큼 가격을 낮출 수 있다는 의미다. 보고서는 연구 결과의 정책적 의미와 조율된 국제적 행동의 필요성을 강조하고 있다. 이러한 재료 가격의 책정은 미국에서만 발생한 조사이므로 다른 국가로부터의 저비용 탄소 배출 소재의 수입을 증가시킬 수 있다. 탄소 배출을 저렴한 외국 수입품으로 전가할 수 있다는 얘기다. 연구진은 청정 에너지원으로 전환해도 제거할 수 없는 공정 관련 배출(예: 시멘트 및 석회의 화학 반응)을 해결하기 위한 정책이 필요하다고 역설한다. 재활용률 개선, 생산자 책임 확대법, 대체 소재는 모두 탄소 배출량을 줄이는 데 중요한 역할을 수행할 수 있다. 연구진은 특히 개발도상국에서 글로벌 소재 수요가 계속 증가함에 따라, 소재 생산 및 사용이 기후에 미치는 영향을 전 세계적이면서 조율된 방식으로 해결하기 위한 정책 솔루션의 연구가 이어져야 할 것이라고 촉구했다.
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9가지 일상 생활 소재, 매년 790억 달러 기후 피해 입혀
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건설 혁명! '임팩트 프린팅', 탄소 절감과 효율성을 동시에
- 3D 프린팅보다 탄소 집약도가 낮고 지속가능한 건설 방법인 '임팩트 프린팅'이 스위스에서 개발됐다. 건설 회사 아이콘(ICON)은 최근 텍사스주 조지타운에 세계 최대 규모의 3D 프린팅 주택을 완공할 예정이라고 발표했다. 물론 이것이 첫 3D 프린팅 주택 프로젝트는 아니다. 미국과 유럽에서는 이미 수백 개의 3D 프린팅 주택이 건설 중이며, 더 많은 주택 프로젝트가 예정돼 있다. 건설 산업에서 3D 프린팅의 성장을 촉진하는 요인은 여러 가지가 있다. 무엇보다 건설 시간을 단축한다. 몇 달이 걸릴 수 있는 주택 건축을 3D 프린터로 며칠 또는 몇 주 안에 건설할 수 있다. 또 기존 방식에 비해 3D 프린팅은 건설 중에 폐기물로 발생하는 재료의 양도 줄인다. 이러한 장점으로 인해 인건비와 자재비가 절감돼 3D 프린팅이 건설 회사의 매력적인 선택지가 되었다. 그런데 스위스 취리히 연방공과대학(ETH) 연구팀은 3D 프린팅보다 훨씬 더 나은 로봇 건설 방법을 개발했다고 밝혔다. ARS테크니카 홈페이지 게시글에 따르면 연구진은 이를 '임팩트 프린팅'이라고 부르는데, 일반 건축 자재 대신 모래, 미사, 점토, 자갈과 같은 자연 재료를 사용해 주택을 만든다. 연구진에 따르면 임팩트 프린팅은 3D 프린팅보다 탄소 집약도가 낮고 훨씬 더 지속 가능하며 저렴하다. 이는 자연 기반 재료가 풍부하고 재활용이 가능하며 저렴한 비용으로 구할 수 있고 건설 현장에서 발굴할 수도 있기 때문이다. 연구진의 일원인 로렌 베이시 박사는 "건설 현장에서 발굴한 일반적인 재료를 이용해 3D 프린팅을 포함한 기존의 건축 방법보다 훨씬 적은 탄소 배출로 저렴하고 효율적으로 사용 가능한 건축 제품으로 활용할 수 있는 로봇 도구와 방법을 개발했다"고 말했다. ◇ 임팩트 프린팅의 작동 원리 발굴된 자재는 건설에 직접 사용할 수 없다. 따라서 임팩트 프린팅 공정을 시작하기 전에 미세하고 거친 입자가 균형을 이루고 사용 편의성과 구조적 강도를 모두 보장하는 자연 재료 혼합물을 준비한다. 점토와 같은 미세한 재료는 바인더(결합제) 역할을 해 입자가 서로 달라붙도록 하고, 모래나 자갈과 같은 거친 재료는 혼합물을 더 안정적이고 강하게 만든다. 이렇게 해서 최적화된 혼합물은 특수하게 설계된 로봇 시스템이 쉽게 운반한다. 다음 단계에서는 디지털 청사진을 준비한다. 3D 프린터와 마찬가지로 로봇 임팩트 프린팅 시스템도 구조물 생산을 위한 디지털 모델이 필요하다. 디지털 청사진이 준비돼 시스템에 업로드되면 로봇 도구가 건설 현장에서 사용할 수 있도록 모바일 플랫폼에 장착된다. 그런 다음 자연 재료의 혼합물을 로봇 도구에 부착된 대형 용기에 넣는다. 용기가 채워지면 시스템이 작동을 시작하고 디지털 모델이 지정한 대로 구조물을 만드는 데 필요한 작업(재료 압출, 절단, 분무)을 수행한다. 이 작업은 구조물이 완성될 때까지 계속된다. 임팩트 프린팅의 건설 과정은 일반적인 건물의 3D 프린팅과는 매우 다르다. 재료 자체는 구조물을 지탱하기에 너무 약하다. 시멘트와 같은 첨가제는 최종 구조가 견딜 수 있는 응력을 두 배로 늘리기 위해 필요하다. 그러나 임팩트 프린팅에 사용되는 로봇 도구는 고속(초당 10m)으로 건축 자재를 증착한다. 그 결과 발생하는 고속 충격은 시멘트같은 결합 재료가 추가되기 전 자연 재료 층 간의 강력한 결합을 촉진한다. 베이시는 "개발된 방법에 따라 만들어진 소재는 이미 더 높은 강도를 가진다. 따라서 첨가제에 덜 의존한다"고 말했다. 연구진은 이 방식을 사용해 2m 높이의 벽을 성공적으로 만들었다. 시멘트와 같은 첨가제에 의존하지 않고도 비슷한 무게의 다른 구조를 지탱할 만큼 충분히 강한 것이 입증됐다. 그러나 더 높은 건물을 지을 경우에는 문제가 다르다. 그래서 현재로서는 최대 2층 정도 높이가 한계라고 한다. ◇ 지구 환경을 살리는 임팩트 프린팅 3D 프린팅은 기업의 인건비를 낮추고 저렴한 주택 건설을 가능하게 한다. 그러나 반드시 지속 가능하거나 환경 친화적인 것은 아니다. 시멘트를 첨가제로 사용하기 때문이다. 시멘트는 전 세계 탄소 배출량의 약 8%를 차지한다. 게다가 시멘트와 모르타르 등을 사용하기 때문에 3D 프린팅 구조물은 일반적으로 재활용할 수 없다. 임팩트 프린팅 방법으로 건설된 구조물의 경우는 시멘트와 같은 첨가제가 필요하지 않고 탄소 집약도가 낮은 자연 재료를 사용하기 때문에 친환경적이다. 연구진은 시멘트보다 덜 해롭고 재활용하기 쉬운 미네랄 안정제를 1~2% 사용한다. 연구진은 향후 첨가제나 안정제를 전혀 사용하지 않는 방법을 연구할 계획이다. 연구진은 이 기술을 조속히 상용화한다는 계획이다. 조립식 자재 제조 방식은 기술적으로 준비가 거의 되었기 때문에 충분히 가능하다는 입장이다. 내년에는 스타트업으로 출범한다는 로드맵도 마련했다. 3년 안에는 제품을 시장에 출시할 것으로 기대하고 있다.
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건설 혁명! '임팩트 프린팅', 탄소 절감과 효율성을 동시에
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글로벌 기업, 플라스틱 규제 위한 국제 협약 체결 촉구
- 세계 유수 기업의 최고경영자(CEO) 20여 명이 플라스틱 오염 문제 해결을 위한 구속력 있는 국제 규칙 마련을 촉구하고 나섰다. 미국 다국적 식품 및 음료 회사 펩시코, 10년 넘게 지속가능성 최우수 기업으로 꼽힌 다국적 기업 유니레버, 마스 등 글로벌 기업의 CEO들은 '글로벌 플라스틱 협약을 위한 기업 연합'이 주도하는 공개 서한에 서명하며, 다음 달 부산에서 열리는 유엔 플라스틱 협약 협상에서 의미 있는 결론이 도출되기를 기대한다는 뜻을 밝혔다고 포브스가 27일(현지시간) 보도했다. 플라스틱 오염 종식 국제협약 성안을 위한 제5차 정부간 협상위원회(INC-5)는 오는 11월 25일부터 부산 벡스코에서 개최된다. 27일 환경부에 따르면 170여개국 정부 대표단을 비롯해 무려 4000여명이 협상하거나, 영향을 미치기 위해해 부산을 찾을 예정이다. 플라스틱 오염의 가장 심각한 폐해는 자연 분해에 수백 년이 소요된다는 점이다. 또한 플라스틱을 제조하는데 쓰이거나 플라스틱에서 검출되는 화학물질은 1만6000여종에 달한다. 플라스틱은 완전히 사라지지 않고 미세 플라스틱이라는 미세한 입자로 쪼개지는데, 이는 더욱 작은 나노 플라스틱으로 변형된다. 최대 5mm 크기의 이러한 미세 플라스틱은 토양과 해양을 오염시키고, 먹이사슬을 거쳐 동물의 체내에 쌓인다. 결국, 이는 우리 식탁까지 위협하여 인체 건강에 악영향을 초래할 수 있다. 플라스틱, 특히 폴리에티렌 테레프탈레이트(PET)는 자연 분해가 어려워 환경 오염의 주범으로 꼽힌다. PET는 음료수, 생수 등을 담는 용기로 가장 널리 사용된다. PET는 전세계 플라스틱 사용량의 12%를 차지하며, 하수구에 존재하는 미세 플라스틱의 최대 50%가 여기에 포함된다. "자발적 조치 만으로는 플라스틱 문제 해결에 수십년 걸릴 것" 기업 연합은 서한을 통해 자발적인 조치에만 의존하는 협약은 실질적인 해결책 마련을 수십년 지연시킬 수 있다고 경고했다. 이들은 구속력있는 국제 규칙을 포함하는 야심찬 협약이야말로 정책 조화, 국가별 법률 강화, 기업의 효과적인 솔루션 확대를 위한 기회라고 강조했다. 서한은 또한 협상 과정에서 유해 화학물질의 제한 및 단계적 폐지를 위한 국제적인 기준과 목록 설정, 순환 제품 디자인에 대한 명호가안 기준 마련, 확장된 생산자 책임(EPR) 체게에 대한 공통된 정의 및 핵심 원칙 수립 등 구체적인 논의가 이루어져야 한다고 촉구했다. 협약의 효력을 강화하기 위한 강력한 거버넌스 체계 구축 또한 중요한 과제로 제시됐다. "국제규칙, 기업과 정부 모두에게 이익" 기업 연합의 공동 의장인 존 던컴은 "국제적인 규칙을 포함하는 협약은 지구 환경뿐만 아니라 기업과 정부 모두에게 도움이 된다"고 강조했다. 던컴은 국제 규칙이 기업의 운영을 단순화하고 규모의 경제를 실현하여 장기적으로 비용 절감 효과를 가져올 뿐만 아니라, 재사용을 통한 새로운 사업 기회 창출, 폐기물 관리 산업 성장에도 기여할 것이라고 설명했다. 던컴은 또한 기업들이 플라스틱 문제 해결에 대한 재정적 책임을 인지하고 있으며. 정부는 공정한 경쟁 환경을 조성하고 모든 기업이 EPR 체계를 이행하도록 노력해야 한다고 덧붙였다. 펩시코의 라몬 라구아르타 회장은 효과적이고 잘 설계된 EPR 체계의 중요성을 강조하며, 명확한 국제 원칙 마련을 통해 전세계적으로 EPR이 확대될 수 있다는 기대감을 표명했다. "글로벌 규칙 마련으로 공정한 경쟁 환경 조성해야" 폐기물 관리 시스템 공급 업체인 TOMRA의 토베 안데르센 CEO는 이번 협상이 플라스틱 오염에 대한 국제적 합의를 도출할 수 있는 "일생일대의 기회"라며, 글로벌 기업들이 이 문제 해결에 적극적으로 기요하고자 하며, 글로벌 규칙 마련을 통해 공정한 경쟁 환경이 조성되기를 바란다고 강조했다. 한편, 국제 플라스틱 협약은 전 세계 국가의 정책 결정자들이 모여 플라스틱 오염에서 벗어나기 위해 플라스틱의 생산부터 폐기까지 전 생애주기에 걸친 규칙을 만드는 회의다. 2022년 11월 우루과이에서 첫 회의를 시작했고, 마지막 5차 회의는 2024년 11월 부산에서 개최된다. 한국 플라스틱 생산량, 세계 4위 한국석유화학협회 석유화학편람을 보면 한국 합성수지(플라스틱) 생산량은 지난해 1451만3000톤(t)으로 중국(9794만t), 미국(3857만t), 사우디아라비아(1463만5천t)에 이어 주요 10개국 중 4번째로 많았다. 1인당 합성수지 소비량은 116.2㎏으로 10개국 중 압도적인 1위다. OECD 최근 보고서에 의하면, 2020년 4억3500만 톤에 달했던 전 세계 플라스틱 생산량은 2040년에는 7억3600만 톤으로 급증해 무려 69%나 증가할 것으로 예측된다. 약 15년 후에는 해상 운송에 사용되는 40피트 표준 컨테이너 277만 7000여 개를 동원해야 한 해 생산되는 플라스틱을 모두 실을 수 있을 것으로 예측된다. 플라스틱 재활용율 6% 불과해 플라스틱 폐기물량 또한 2040년에는 6억1700만 톤에 이르러 2020년 3억 6000만 톤에서 크게 늘어날 것으로 전망된다. 하지만, 재활용률은 6% 수준에 머무르고, 부적절하게 처리되는 플라스틱 폐기물은 2040년 1억1900만 톤으로 2020년 8100만 톤보다 오히려 증가할 것으로 예상된다. 자연으로 유출되는 플라스틱의 양도 2040년에는 3000만톤으로 2020년 2000만톤에 비해 1000만톤이나 늘어날 것으로 추정된다. 플라스틱 생산부터 폐기까지 전 과정에서 발생하는 온실가스 배출량 역시 2040년 2.8기가 톤으로 2020년 1.8기가 톤보다 1기가 톤 증가할 전망이다. 이처럼 플라스틱 생산량과 폐기물량은 증가하는 반면, 재활용률은 저조하고 환경오염 문제는 심화될 것으로 예상되어 플라스틱 문제 해결을 위한 적극적인 노력이 시급하다.
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글로벌 기업, 플라스틱 규제 위한 국제 협약 체결 촉구
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삼성디스플레이, 업계 최초 '퀀텀닷 잉크' 재활용 기술 개발…원가 절감 및 친환경 효과 기대
- 삼성디스플레이가 초미세 반도체 입자인 퀀텀닷(QD)의 잉크 재활용 기술을 업계 최초로 개발해 '퀀텀닷-유기발광다이오드'(QD-OLED) 생산 비용 절감에 나선다. 삼성디스플레이는 28일, QD-OLED 디스플레이 생산에 사용되는 퀀텀닷(QD) 잉크를 재활용하는 기술을 개발했다고 밝혔다. 이 기술을 통해 QD-OLED 패널 생산 원가를 절감하고 환경 보호에도 기여할 수 있을 것으로 예상된다. QD-OLED는 잉크젯 프린팅 방식으로 미세한 노즐을 통해 적색과 녹색의 QD 잉크를 분사해 발광층을 형성한다. 기존 공정에서는 노즐에 남는 QD 잉크를 폐기해왔는데, 이는 전체 사용량의 20%에 달하는 양이었다. 삼성디스플레이는 이러한 손실을 줄이기 위해 지난해 12ㅜ얼부터 관련 부서들로 구성된 태스크포스(TF)를 운영하며 QD 잉크 재활용 기술 개발에 착수했다. 그 결과 버려지는 잉크의 80%를 회수하여 재가공하는 기술을 확보했으며, 재생된 잉크는 순도와 광특성을 높이는 고난도 합성 과정을 거쳐 기존 잉크와 동일한 성능을 갖추게 됐다. 회사 측은 이; 기술을 통해 연간 100억 원 이상의 원가 절감 효과를 기대하고 있으며, 이달부터 양산 라인에 적용해 QD-OLED 패널 생산에 활용할 계획이다. 김성봉 삼성디스플레이 대형제조기술센터 센터장(부사장)늠 "QD-OLED 시장의 성장과 함께 QD 잉크 사용량도 증가하고 있다"며, "이번 기술 개발을 통해 원가 절감과 자원순환에 기여할 수 있게 됐다"고 밝혔다.
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삼성디스플레이, 업계 최초 '퀀텀닷 잉크' 재활용 기술 개발…원가 절감 및 친환경 효과 기대
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택배, 1인당 연간 100건 시대…e커머스 성장에 '껑충'
- 최근 3년새 택배 물량이 53% 가까이 증가하며 한해 1인당 택배 이용 건수가 100건을 넘겼다. 16일 대한상공회의소가 최근 발표한 '택배산업 현황 및 성장 요인 보고서'에 따르면 국내 연간 택배 물량은 2020년 33억7000만건에서 2023년 51억5000만건으로 52.9% 증가했다. 1인당 택배 이용 건수는 2020년 65.1건에서 2023년 100.4건으로 늘어났다. 보고서는 택배가 증가한 배경으로 C-커머스(China-commerce), 경쟁(Competition), 소비자 편익(Consumer benefit), 비용 절감(Cost down) 등의 첫 단어를 딴 '4C'를 제시했다. 우선 알리·테무 등 중국 커머스의 초저가 공세로 인해 국내외 공급자 경쟁이 심화한 것이 택배시장 성장으로 이어졌다는 분석이다. 대한상의는 "중국 커머스 업체들이 초저가 상품과 강력한 마케팅으로 국내에서 영향력을 키워나가면서 국내 택배사들도 이들 업체의 물동량을 빠르게 처리해 새로운 동력 확보에 나섰다"고 진단했다. 업체 간 치열한 시장 경쟁도 택배시장을 키운 중요 요인으로 꼽힌다. 배송 속도가 경쟁 우위 및 차별화 요소로 부상하면서 이커머스사와 택배사는 풀필먼트(물류 일괄 대행) 구축을 통한 빠른 배송 서비스로 고객 유치 경쟁에 나섰다. 이로 인해 익일 배송, 새벽 배송을 넘어 당일 배송으로 확대됐다. 마종수 한국유통연수원 교수는 "풀필먼트 내재화 경쟁이 이커머스 시장으로 고객 유입을 촉진하고 택배 물동량 증가로 연결돼 이커머스와 택배시장이 동반 성장하는 중요한 원동력이 됐다"고 말했다. 이커머스 시장의 회원제 도입 확산도 영향을 미쳤다. 유료 회원으로 가입하면 무료 배송, 무료 반품 등 혜택을 제공하는 서비스 도입으로 이용 부담이 낮아지고 편의성이 높아지면서 택배 이용량이 증가했다는 분석이다. 여기에 무료 반품 서비스를 도입한 업체가 늘어나고, 중국 이커머스 업체들이 국내 시장 점유율을 높이기 위해 반품 절차를 간소화하면서 반품 규모도 함께 증가했다. 이커머스사와 택배사의 지속적인 투자 또한 빼놓을 수 없는 성장 요인이다. 이들 기업은 지역별로 흩어진 물류 인프라를 통합하고, 인공지능(AI)과 물류로봇 등 첨단 기술을 활용한 물류 시설 자동화 등으로 지속적인 물류 효율화를 추진했다. 그 결과 저렴한 택배 단가가 형성되면서 고속 성장의 기반이 마련됐다. 택배 평균 단가는 2012년 2506원에서 2021년 2366원으로 5.6% 감소했다. 장근무 대한상의 유통물류진흥원장은 "국내 소비자는 이커머스의 빠른 성장과 택배시장 내 치열한 경쟁으로 더 빠르고 더 편리한 서비스를 누릴 수 있게 됐다"면서도 "물동량 증가에 따른 일회용기, 과대포장 등의 부작용도 문제시되는 만큼 재활용·재사용 등 순환 비즈니스 모델 확산과 친환경 포장 등에 대한 국가와 기업의 관심도 함께 제고될 필요가 있다"고 제언했다.
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택배, 1인당 연간 100건 시대…e커머스 성장에 '껑충'
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스페이스X, 스타십 5차 발사 성공…화성 탐사 새 역사 쓰나
- 일론 머스크가 이끄는 우주기업 스페이스X의 달·화성 탐사용 대형 우주선 '스타십(Starship)'이 13일(현지시간) 5번째 지구궤도 시험 비행에 성공했다. 특히 이번 시험비행에서는 '젓가락 팔' 기술을 이용해 로켓을 회수하는 데 성공, '스타십' 개발에 새로운 이정표를 세웠다. 해당 내용에 대해서는 스페이스닷컴. 아르스 테크니카 등 다수 외신이 자세하게 다루었다. 이날 오전 7시 25분(미 중부시간) 텍사스주 남부 보카치카 해변의 우주발사시설 '스타베이스'에서 발사된 '스타십'은 약 3분 만에 1단 로켓 추진체인 '슈퍼 헤비'와 분리됐다. 이후 약 7분 만에 '슈퍼 헤비'는 우주에서 지구로 돌아와 수직 착륙하는 데 성공했다. 이로써 스페이스X는 그동안 목표로 내걸었던 '슈퍼헤비 로켓 재활용'이 실현 가능해졌다. 스페이스X는 이 모든 과정을 온라인으로 생중계했다. '젓가락 팔' 기술 첫 시도⋯로켓 회수 성공 이번 시험비행에서 가장 주목할 만한 점은 발사탑의 '젓가락 팔'을 이용해 '슈퍼 헤비' 로켓을 회수하는 기술을 처음으로 시도했다는 것이다. '슈퍼 헤비'는 지상의 발사탑 쪽으로 근접하면서 엔진 역추진을 통해 속도를 줄였고, '젓가락 팔'은 마치 거대한 로봇팔처럼 '슈퍼 헤비'를 붙잡아 발사대에 안착시켰다. 스페이스X는 이 기술을 통해 로켓 재활용 및 비용 절감 효과를 기대하고 있다. 젓가락 팔로 로켓을 잡는 것만이 이번 비행의 유일한 목표는 아니었다. 스페이스X는 또한 높이 50m(165피트)의 우주선 2단부, 또는 간단히 우주선이라고 부라는 스타십의 상부 스테이지를 우주로 보내 인도양에 추락시켜 지구로 돌아오는 것을 목표로 삼았다. 2단부 우주선, 75분 비행후 지구 귀환 성공 슈퍼 헤비가 분리돼 젓가락 팔에 착지되는 동안 두 번째 목표였던 스타십의 2단부인 우주선도 약 75분동안 계획된 비행에 성공했다. 스타십 우주선은 시속 2만6225㎞ 안팎으로 고도 210㎞에 도달해 예정된 지구 궤도 항로를 비행한 뒤 발사 40여분간 지난 시점부터 고도를 낮추며 대기권에 재진입해 인도양 해역 목표 입수 지역에 착수(스플래시 다운), 폭발 없이 비행을 마쳤다. 앞서 스페이스X는 지난 6월 4차 시험 비행에서 스타십 상단 재진입에 이미 성공한 적이 있지만, 당시에는 기체가 많이 파괴됐었다. 이번 5번째 스타십 비행은 우주비행사가 탑승하거나 화물이 적재되지 않은 무인 비행이었다. 스페이스X는 지난해 4월과 11월, 올해 3월과 6월 등 네 차례에 걸쳐 스타십의 지구궤도 시험 비행을 시도했지만 모두 성공한 것은 아니었다. 지난해 두 차례 시험비행에서는 우주선이 발사 후 각각 4분, 10분 만에 폭발했다. 3번째 비행에서는 스타십이 약 48분 동안 비항하며 예정된 궤도에 도달했지만 목표 지점에 낙하하는 데 실패한 채 실종됐다. 지난 6월에 실시된 4차 비행에서는 스타십이 예정된 비행에는 성공했지만, 대기권에 재진입하는 과정에 기체가 심하게 손상됐다. 한편, 슈퍼헤비 로켓은 정상적으로 작동할 경우 추진력이 1700만 파운드에 달해 역대 가장 강력한 로켓으로 평가된다. 미국 항공우주국(나사·NASA)이 보유한 발사체 중 가장 힘이 센 '우주 발사 시스템(SLS·추진력 880만 파운드)'보다 2배 더 강력하다. 스페이스X는 앞으로 2단 우주선까지 완벽하게 회수해 재활용하는 것을 목표로 하고 있다. 머스크 CEO는 비행이 끝난 후 엑스(X·옛 트위터)에 "스타십이 목표 지점에 정확히 착륙했다"며 "두 가지 목표 중 하나가 달성됐다"고 밝혔다. 또한 "오늘 인류가 여러 행성에서 살수 있도록 하는데 중요한 진전을 이루었다"고 평가했다. 스페이스X는 인류가 달과 화성에 정착하게 하기 위해 스타십을 개발하고 있다. 나사는 이 우주선을 달에 인류를 보내려고 하는 '아르테미스' 프로젝트 3단계 임무에도 사용할 계획이다.
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- IT/바이오
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스페이스X, 스타십 5차 발사 성공…화성 탐사 새 역사 쓰나
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[신소재 신기술(110)] 캐나다 연구진, 햇빛 이용해 온실가스를 '유용한 화학물질'로 전환
- 햇빛을 활용해 유해한 온실 가스인 메탄과 이산화탄소를 상온에서도 유용한 화학물질로 전환하는 기술이 개발됐다. 캐나다 맥길 대학교 연구팀이 햇빛을 이용해 온실가스인 메탄과 이산화탄소를 유용한 화학물질인 '녹색 메탄올'과 '일산화탄소'로 전환하는 혁신적인 기술을 개발했다고 사이테크데일리가 전했다. 이 기술은 기후변화 문제 해결과 지속 가능한 산업 발전에 기여할 것으로 기대된다. 연구팀은 금, 팔라듐, 질화갈륨, 혼합물을 촉매로 사용해 햇빛에 노출시키면 이산화탄소의 산소 원자가 메탄 분자에 결합하여 '녹색 메탄올'을 생성하는 반응을 유도했다. 이 과정에서 부산물로 일산화탄소로 생성된다. 녹색 메탄올은 재생 가능한 에너지원이나 바이오매스를 활용하여 생산되는 친환경 메탄올이다. 일반적인 메탄올은 화석 연료를 통해 생산되는데, 이 과정에서 많은 양의 온실 가스가 배출된다. 반면, 녹색 메탄올은 탄소 배출을 최소화하거나 아예 배출하지 않는 방식으로 생산되기 때문에 탄소 중립을 위한 중요한 에너지원으로 주목받고 있다. 녹색 메탄올은 선박이나 자동차의 연료로 사용가능하며, 기존 화석 연료보다 탄소 배출량이 적다. 또한 플라스틱이나 합성 섬유 등 다양한 화학제품의 원료로 사용된다. 게다가 수소보다 안전하고 쉽게 저장하고 운송할 수 있어 에너지 저장 매체로도 활용될 수 있다. 맥길 화학과 박사후 연구원 후이 수(Hui Su)는 "자동차에서 나오는 배기가스나 공장에서 나오는 배출물이 햇빛의 도움으로 차량용 청정 연료, 일상적인 플라스틱의 구성 요소, 배터리에 저장된 에너지로 전환되는 상상을 해보자"며 "이것이 바로 새로운 화학 공정이 가능하게 하는 변화의 종류"라고 말했다. 연구팀의 새로운 빛 기반 화학 공정은 상온에서 한 번의 반응으로 메탄과 이산화탄소를 녹색 메탄올과 일산화탄소로 전환한다. 팀은 전환된 두 가지 모두 화학 및 에너지 분야에서 높은 가치를 지닌다고 말했다. 연구를 이끈 차오준 리 교수는 "풍부한 태양 에너지를 활용하여 두 가지 온실 가스를 유용한 제품으로 재활용할 수 있다. 이 과정은 상온에서 진행되며 다른 화학 반응에서 사용되는 고온이나 유해 화학 물질이 필요하지 않다"고 설명했다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 게재됐다. 맥길 대학교 연구팀은 이 기술이 탄소 중립 목표 달성과 환경 문제를 지속 가능한 미래를 위한 기회로 전환하는데 기여할 것이라고 전망했다.
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[신소재 신기술(110)] 캐나다 연구진, 햇빛 이용해 온실가스를 '유용한 화학물질'로 전환
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[신소재 신기술(98)] 지속가능한 플라스틱? 친환경 대체 소재 개발
- 영국에서 친환경 플라스틱 소재가 개발돼 플라스틱 오염 문제 해결에 한 걸음 더 가까이 다가서고 있다. 워릭 대학교 연구진은 플라스틱과 유사하지만 환경 파괴를 일으키지 않아 보다 지속 가능한 소재인 유기 공융체를 테스트했다고 테크 타임스가 20일(현지시간) 보도했다. 이 신소재는 플라스틱을 대체하고 전 세계의 플라스틱 의존도를 낮출 잠재력을 가지고 있다고 연구팀은 밝혔다. 수년 동안 플라스틱 폐기물은 기하급수적으로 증가했다. 특히 오랜 시간 분해되지 않고 매립지에 축적되거나 바다로 흘러들어가 환경 문제를 야기해왔다. 플라스틱 해양 투기는 미세 플라스틱(5mm미만인 플라스틱)으로 쪼개져 심해 오염으로 이어져 해양 식량 사슬을 오염시키고, 조개류나 해산물 등을 통해 인체에 재침투되는 결과를 낳고 있다. 특히 인체에 침투한 미세 플라스틱은 심장마비나 뇌졸중 발병 위험을 높이고, 사망률을 높이는 요인이 되고 있다. 전 세계적으로 플라스틱 제품 사용 감축을 위한 노력이 이어져왔지만 가볍고 내구성이 뛰어난 강점을 지닌 플라스틱은 여전히 다양한 산업에서 중요한 소재로 사용되고 있다. 유럽 플라스틱 산업 협회인 플라스틱스유럽(Plastics Europe)에 따르면, 2020년 세계 플라스틱 생산량은 2018년보다 800만 톤 증가한 3억 6700만 톤에 달했다. 프랑스 파리 에펠탑의 무게는 약 1만톤에 달한다. 2020년 전 세계 플라스틱 생산량은 에펠탑이 3만6700개가 만들어진 것과 맞먹는 양이다. 전 세계 플라스틱 생산량은 2040년까지 두 배, 2060년까지 세 배로 증가할 것으로 예상되며, 그 증가분의 대부분은 일회용 플라스틱에서 발생한다. 워릭 대학교 연구팀은 혼합하면 새로운 "유기 및 점성 액체"를 형성하는 특정 유기 분자를 발견했으며, 이를 '(지속가능한 플라스틱) 유망 후보'라고 불렀다. 또한 시차 주사 열량계(DSC) 및 UV-Vis 분광법과 같은 첨단 기술을 사용해 새로운 소수성 물질을 정확하게 측정했다. 연구팀은 결정 성분을 혼합해 '유기 공융체'라고 불리는 새로운 물질을 개발했다. 팀은 이 물질리 폴리머를 대체할 잠재력을 가진 '소수성 공융 분자 액체'를 개발하는 데 성공했다고 여긴다. 매우 짧은 수명 한계 그러나 이 소재는 수명이 매우 짧다는 한계를 가지고 있다. 연구팀은 테스트 결과 최대 14개월 동안만 지속될 수 있음을 확인했다. 그럼에도 불구하고 연구팀은 제조 과정에서 안정성과 가공성을 보장할 수 있었다. 플라스틱은 한때 다양한 산업, 특히 제품과 소비재에 널리 사용되면서 혁신적인 소재로 여겨졌다. 그러나 유기 물질과 달리 분해가 되지 않아 폐기와 재활용 등에서 심각한 환경 오염 문제를 일으키고 있다. 일회용 플라스틱 및 기타 형태의 플라스틱 사용을 줄이기 위한 노력이 있지만 문제는 여전히 남아 있다. 재활용 외에도 과학을 이용해 플라스틱을 제거하는 방법을 개발하는 연구가 진행중이다. 한 연구에서는 플라스틱을 분해할 수 있는 유전자 조작 박테리아를 개발해 해양에 적용할 계획을 가지고 있다. 일회용 플라스틱을 줄이기 위해서는 다회용품을 사용하고, 텀블러나 개인 컵을 들고 다니거나 플라스틱 빨대 사용을 줄이는 등 일상 속의 작은 노력이 필요할 때다.
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[신소재 신기술(98)] 지속가능한 플라스틱? 친환경 대체 소재 개발
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심해 플라스틱 오염, 식량 사슬 위협…인류 건강까지 위태롭다
- 오염원인 플라스틱이 생태계와 먹이사슬을 위협하고 있다. 버려진 플라스틱은 수백 년 동안 바다에 머물러 바다를 오염시키고 있으며, 플라스틱 오염의 영향은 인간이 접근하지 못했던 심해의 일부에서도 커지고 있다. 사람들은 대부분 자신이 생명 유지를 위해 무엇을 먹고 있는지에 대해서는 심각하게 생각하지 않는다. 전문가들이 사람이 섭취하는 해산물들 상당수가 사람들에게 새로운 위험으로 다가오고 있다고 우려하고 있다고 PHYS가 전했다. 엑서터 대학교의 연구팀은 해저에서 수집된 동물 종에 대한 플라스틱의 영향을 연구한 결과 플라스틱이 해양 환경에 큰 위험을 미치며, 인간 건강까지 위태롭게 하고 있다고 밝혔다. 모든 플라스틱은 결국 지구상에서 최고의 생물적 다양성을 갖고 있는 해저로 가라앉아 바다를 오염시키게 된다. 이 연구 결과는 네이처 커뮤니케이션즈(Communications) 저널에 발표됐다. 보고서는 해양 생물이 폐 플라스틱에 노출되는 위험 수준이 지역적인 오염을 그대로 반영할 뿐만 아니라, 생물 종이 주변 환경과 작용하는 먹이사슬 관계도 변화시킨다고 지적하고 있다. 엑서터 대학의 애덤 포터 박사는 "우리는 지구 해저와 그곳에 사는 종에 대해 거의 알지 못한다. 하지만 플라스틱 오염의 영향은 인간이 접근한 적이 없는 심해의 일부 지역에서도 커지고 있다"고 경고했다. 연구팀은 황해나 지중해와 같이 플라스틱 오염 수준이 높은 지역에 사는 동물이 가장 많은 플라스틱을 몸에 포함하고 있다는 것을 발견했다. 미세플라스틱은 93%가 해저 동물에서 발견되었으며, 포식자, 잡식 동물, 청소부로 불리는 퇴적물 섭식자(게, 성게, 오징어 등) 등이 플라스틱을 섭취할 가능성이 가장 높았다. 연구팀원 재스민 가드볼드 교수는 조개, 벌레, 새우와 같은 해저에 사는 유기체는 환경적으로 특별히 중요하지 않은 것처럼 보일 수 있지만, 바다를 넘어 지구의 전체 자원을 조절하고 재활용하는 데 필수적이며 해양 생태계 먹이 사슬의 기반을 형성한다고 밝혔다. 해산물이 미세플라스틱을 섭취한다면, 해산물을 섭식하는 사람들도 결국은 미세플라스틱을 먹는 것과 다름 없다. 미세플라스틱은 인체 건강에 큰 영향을 미치며 그 중에서도 특정 유형의 암, 심장병, 신장병, 알츠하이머병, 생식 문제 등과 관련이 있다고 보고 있다. 연구 결과는 과학계와 정책입안자가 첫 번째 글로벌 플라스틱 조약을 체결하기에 앞서 행동하고 지식 격차를 메우는 데 도움이 될 것으로 기대된다. 사람이 몇 초 사용하고 버리는 플라스틱이 수백 년 동안 바다에 남아 먹이 사슬을 타고 결국 인간의 생명을 위협하는 것임을 인지해야 한다는 경고다. 엑서터 대학 타마라 갤러웨이 교수는 "유일한 진정한 보존 전략은 플라스틱, 특히 일회용 플라스틱 생산과 사용을 중단하는 것"이라고 지적했다. 일회용 물병과 플라스틱 비닐 봉지를 버리고, 일회용 건강 및 미용 제품을 교체하고, 플라스틱이 없는 포장으로 브랜드를 지원하는 등의 조치를 취함으로써 바다로 유입되는 플라스틱의 양을 줄이는 노력을 기울여야 한다는 지적이다.
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- 생활경제
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심해 플라스틱 오염, 식량 사슬 위협…인류 건강까지 위태롭다
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[신소재 신기술(81)] 핀란드, 목재 부산물 리그닌 활용 차세대 배터리 개발 성공
- 나무에서 발견되는 천연물질인 리그닌을 활용한 차세대 배터리가 개발됐다. 핀란드에 본사를 둔 임업 및 재생 가능 제품 회사인 스토라 앤소(Stora Enso)는 목재의 주요 성분인 리그닌을 기반으로 한 배터리 대체품 리그노드(Lignode)를 개발했다고 더쿨다운이 보도했다. 스토라 앤소는 이 친환경 배터리 생산을 위해 스웨덴의 나트륨 이온베터리 개발사인 알트리스(Altris)와 상용화를 위해 협력했다. 리그노드는 펄프 제조에서 나오는 제품인 리그닌에서 추출한 지속 가능한 경질 탄소로 리튬 이온과 나트륨 이온의 양극(충전 및 방전 중에 이온을 받거나 방출하는 베터리 부품) 재료로 사용된다. 인터레스팅엔지니어링이 따르면, 리튬 배터리는 가장 에너지 밀도가 높은 솔루션이다. 업계는 현재 리튬 배터리를 사용해 휴대전화, 테블릿, 노트북에 전원을 공급하고 있다. 그러나 리튬 배터리는 리튬, 코발트 등 희귀 금속을 활용해 가격이 높으며, 과충전, 과방전 시 화재 위험이나 열폭주현상 등의 안전 문제가 있다. 특히 열폭주 현상은 배터리셀 하나에서 발생한 열이 다른 셀로 전달되어 연쇄적으로 폭발하는 현상으로 대형 화재의 원인이 될 수 있다. 친환경 배터리는 전기 자동차(EV), 태양광 발전, 풍력발전소를 포함한 대체 에너지 운동에도 중요하다. 에너지연구소(IER)는 리튬 배터리 생산 과정에서 상당한 양의 탄소 오염이 대기 중으로 방출된다고 밝혔다. 배터리 핵심 구성 요소 중 하나인 흑연은 대부분 중국에서 공급하기 때문에, 다른 국가들의 중국 의존도가 높은 점도 문제라고 인터레스팅엔지니어링은 지적했다. IER은 "중국이 전기의 약 60%를 석탄에서 얻는다"고 밝혔다. 석탄을 태워서 전력을 생산하면 독성 오염이 발생해 지구 온난화가 더욱 심화될 수 있다. 게다가 "리튬 배터리는 종종 매립지에 버려져 토양과 지하수로 누출될 수 있는 중금속을 포함한 독소를 방출할 수 있다"고 IER은 지적했다. 그로 인해 업게에서는 친환경적인 에너지 저장 대체품 개발에 노력을 기울이고 있다. 리그닌은 침엽수나 활엽수 등 목본식물의 목질부를 구성하는 주요 성분 중 하나로 나무의 20~30%를 차지한다. 셀룰로오스와 함께 식물 세포벽의 주성분이며. 식물의 강도와 견고함을 제공하는 역할을 한다. 리그닌은 복잡한 3차원 구조를 가진 고분자 화합물로, 다양한 페놀 단위들이 연결되어 있다. 이러한 복잡한 구조 때문에 분해가 어려워 제지산업에서는 펄프 생산 과정에 제거해야 하는 골칫거리로 여겨지기도 했다. 하지만 최근에는 리그닌의 활용 가치가 재조명되면서 바이오 연료, 바이오 플라스틱, 접착제 등 다양한 분야에서 활용될 수 있는 가능성이 높아지고 있다. 스토라 엔소는 "펄프 제조에서 나오는 리그닌은 양극 재료 제조를 위한 안정적이고 일관된 원자재 공급을 보장한다"고 설명했다. '생물 기반' 소재는 구성에 탄소를 포함하므로, 리튬 및 나트륨 배터리에서 양극 재료를 만드는 데 사용되는 흑연을 대체할 수 있는 적격 소재다. 이번 친환경 배터리 개발자인 알트리스에 따르면 나트륨 이온 배터리는 지속가능하고 재활용하기 쉽다. 스토라 앤소의 수석 부사장 겸 생체재료 성장 책임자인 유쏘 콘띠넨(Jusso Konttinen)은 "리그노드는 세계에서 가장 지속 가능한 양극 소재가 될 잠재력이 있기 때문에, 알트리스와의 이번 파트너십은 보다 지속 가능한 전기화를 지원하려는 우리의 공동 의지와 완벽하게 부합한다"고 말했다. 스토라 앤소는 자사 웹사이트에서 "리그닌은 펄프를 생산할 때 발생하는 부산물이기 때문에 양극은 순환 공정의 일부로 만들어진다"면서 "실제로 우리는 (목재) 부산물을 귀중한 자원으로 바꾸고 있다"고 밝혔다. 이 창의적인 에너지 저장 방법이 성공적이라면 현재 널리 사용되고 있는 리튬 배터리의 지속 가능한 대체품이 될 수 있다. 리그닌 활용 배터리 개발로 생산 과정에서 대기 오염을 줄이고, 매립지의 독성 폐기물 또한 동시에 줄일 수 있으며, 저렴한 친환경 소재를 활용한 지속 가능한 배터리 생산이 앞당겨질 전망이다.
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- 포커스온
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[신소재 신기술(81)] 핀란드, 목재 부산물 리그닌 활용 차세대 배터리 개발 성공
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[신소재 신기술(79)] 레이저와 2D 물질로 플라스틱 쓰레기 분해
- 레이저를 활용해 플라스틱 오염을 해결할 수 있는 방법이 개발됐다. 미국 텍사스 대학교 연구진이 주도하는 국제 연구팀은 레이저를 이용해 플라스틱 분자를 기본 요소로 분해해 재활용하는 기술을 개발했다고 사이테크데일리가 전했다. 매년 수백만톤의 플라스틱 폐기물이 매립지와 바다에 쌓이는 등 플라스틱 오염은 전세계적인 환경 문제로 떠올랐다. 기존의 플라스틱 분해 방법은 에너지 집약적이고 환경적으로 유해해 비효율적인 경우가 많았다. 연구팀은 분해하려는 물질을 전이 금속 디칼코게나이드(TMD)라는 2차원 물질 위에 놓고 빛을 비추는 방식을 활용했다. 이는 기존 기술로는 분해가 어려운 플라스틱 폐기물 해결에 기여할 것으로 기대된다. 연구팀은 이 기술을 통해 플라스틱의 화학 결합을 끊고 새로운 화학 결합을 형성해 발광 탄소점(carbon dot)을 생성했다. 탄소 기반 나노 물질은 다양한 분야에서 활용 가능성이 높다. 특히 이 발광 탄소점은 차세대 컴퓨터 메모리 소자로 활용될 가능성도 있다. 텍사스 오스틴 캠퍼스(UT Austin)의 18개 단과대학 중 하나인 콕렐 공과대학 워커 기계공학부 교수이자 프로젝트 리더 중 한 명인 유빙 정은 "이러한 독특한 반응을 활용하면 환경 오염 물질을 가치있고 재사용 가능한 화학물질로 전환하는 새로운 경로를 탐색해 보다 지속 가능한 순환 경제 발전에 기여할 수 있다"고 말했다. 그는 "이 새로운 발견은 환경 문제를 해결하고 친환경 화학 분야를 발전시키는 데 중요한 의미가 있다"고 덧붙였다. 또한 이번 연구는 탄소-수소 결합 활성화(C-H activation)라는 특정 반응을 이용했다. 이 반응은 유기 분자 내 탄소-수소 결합을 선택적으로 분해해 새로운 화학 결합을 형성하는 과정이다. 연구팀은 TMD를 촉매로 사용해 수소 분자를 가스 형태로 변환시키고, 탄소 분자들이 서로 결합해 정보 저장 점을 형성하도록 유도해 플라스틱 분해를 높였다. 이번 연구는 플라스틱 폐기물 문제 해결을 위한 지속 가능한 방안 모색에 중요한 발걸음을 내디뎠다는 평가를 받고 있다. 하지만 산업적 응용을 위해서는 빛 기반 C-H 활성화 공정의 최적화 및 확장에 대한 추가 연구 개발이 필요하다. 빛 기반 C-H 활성화 공정은 플라스틱 외에도 폴리에틸렌, 계면활성제 등 다양한 고분자 유기화합물에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 연구 결과는 최근 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 게재됐다. 연구에는 텍사스대학교를 포함해 버클리 캘리포니아 대학교, 일본 도호쿠 대학교, 로렌스 버클리 국립 연구소, 베일리 대학교, 펜실베니아 주립대학교의 연구진이 참여했다.
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- 포커스온
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[신소재 신기술(79)] 레이저와 2D 물질로 플라스틱 쓰레기 분해
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[신소재 신기술(78)] 유기 태양 전지 패널, 햇빛 20% 전기 변환 성공…실리콘 대체 가능성 높여
- 미국 과학자들이 새로운 유기 태양 전지 패널을 개발해 햇빛의 20%를 전기로 변환하는 데 성공했다. 유기 태양 전지판(Organic Solar Cell)은 빛을 흡수해 전기를 생산하는 태양 전지의 한 종류다. 기존의 실리콘 태양 전지판과 달리 탄소 기반의 유기 반도체 물질을 사용해 제작된다. 캔사스대학교 연구진이 유기 반도체에 햇빛의 20%를 전기로 변환해, 태양 에너지 분야에 혁신을 가져올 수 있는 가능성을 제시했다고 인터레스팅엔지니어링이 보도했다. 수년 동안 실리콘은 태양 에너지 환경을 지배해왔다. 실리콘의 효율성과 내구성 덕분에 태양광 패널에 가장 많이 사용하는 소재가 된 것. 하지만 실리콘 기반 태양전지는 딱딱하고 생산 비용이 비싸서 곡면에 적용하는 데 한계가 있었다. 유기 반도체는 실리콘 태양 전지 패널보다 저렴하고 유연하며, 다양한 색상과 투명도를 구현할 수 있어 차세대 태양 전지 소재로 주목받고 있다. 유기 태양 전지판은 얇고 가벼우며, 플라스틱 기판 등 다양한 소재에 적용할 수 있어 곡면이나 불규칙한 표면에도 설치가 가능하다. 게다가 유기 물질은 실리콘보다 독성이 적고 재활용이 용이해 환경 친화적이다. 유기 반도체는 이미 휴대전화, TV, 가상현실(VR)헤드셋과 같은 가전제품의 디스플레이 패널에 사용되지만 상업용 태양광 패널에는 아직 널리 사용되지 않는다. 유기 반도체인 탄소 기반 소재는 더 낮은 비용과 더 큰 유연성으로 실행가능한 대안을 제공한다. 하지만 지금까지는 빛을 전기로 변환하는 효율성이 낮아 실리콘 태양 전지 패널을 대체하기 어렵다는 한계가 있었다. 연구를 주도한 캔자스 대학교의 물리학 및 천문학 부교수인 와이런 챈 박사는 "이러한 재료는 벽에 페인트를 칠하는 것처럼 용약 기반 방법을 사용해 임의의 표면에 코팅할 수 있기 때문에 태양광 패널의 생산 비용을 잠재적으로 출 수 있다"고 설명했다. 이러한 유기 반도체는 단순히 비용 절감에만 그치지 않는다. 특정 파장의 빛을 흡수하도록 조정할 수 있어 새로운 가능성을 열어준다. 챈은 "이러한 특성 덕분에 유기 태양 전지 패널은 차세대 친환경적이고 지속 가능한 건물에 사용하기에 특히 적합하다"고 덧붙였다. 이번 연구는 유기 반도체의 일종인 비풀러렌 악셉터(NFA)의 높은 효율성에 대한 의문에서 시작됐다. 연구진은 NFA가 기존 유기 반도체보다 뛰어난 성능을 보이는 이유를 규명하는 과정에서 예상치 못한 현상을 발견했다. 특정 조건에서 NFA의 전자가 에너지를 잃는 대신 주변 환경으로부터 에너지를 얻는 현상을 관찰한 것이다. 이는 뜨거운 커피가 주변으로 열을 잃는 것과는 반대되는 현상으로 양자역학과 열역학의 결합으로 설명될 수 있었다. 연구진은 첨단 기술인 시간 분해 이광자 광전자 분해법을 활용해 1조분의 1초보다 짧은 시간 동안 전자의 에너지 변화에 추적했다. 그 결과 NFA의 전자가 양자역학적 특성으로 인해 여러 분자에 동시에 존재하는 것처럼 보이며, 이러한 현상이 열역학 제2법칙과 결합해 열흐름의 방향을 역전시키는 것을 확인했다. 이러한 역전된 열 흐름은 NFA의 전자가 주변 환경으로부터 에너지를 흡수하고 전하 분리 과정을 촉진해 전류 생성 효율을 높이는 데 기여한다. 연구진은 이번 발견이 태양 전지 효율을 20%까지 끌어올려 실리콘 태양 전지와의 격차를 좁히는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대하고 있다. 또한 이러한 에너지 획득 메커니즘은 태양 전지 뿐만 아니라 이산화탄소를 유기 연료로 변환하는 광촉매 등 다른 재생 에너지 분야에도 적용될 수 있을 것으로 전망했다. 이는 유기 반도체 기반 기술의 잠재력을 극대화하고, 지속가능한 에너지 시스템 구축에 기여할 수 있는 중요한 발견으로 평가된다. 이번 연구는 '어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)' 저널에 게재됐다.
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[신소재 신기술(78)] 유기 태양 전지 패널, 햇빛 20% 전기 변환 성공…실리콘 대체 가능성 높여
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[신소재 신기술(77)] 나사, 소변을 식수로! 혁신적인 새 우주복 개발
- 미국 과학자들이 소변을 식수로 5분만에 바꿀 수 있는 획기적인 우주복을 설계했다. 코넬 대학교 연구진은 영화 '듄'에 등장하는 전신 '스틸슈트'와 같은 공상 과학 기술을 현실로 구현하기 위한 우주복용 소변 수집 및 여과 시스템 시제품을 개발했다고 영국 일간지 더 가디언스와 과학 전문 웹사이트 PHYS.org, 라이스사이언스닷컴 등 다수 외신이 보도했다. 우주 유영중인 우주 비행사들이 우주복 안에서 용변을 해결해야 하는 것은 잘 알려진 사실이다. 이는 불편하고 비위생적일뿐만 아니라 ,국제 우주 정거장(ISS)내 폐수와 달리 우주 유영 중 발생하는 소변 속 물을 재활용할 수 없다는 점에서 낭비적인 측면도 있다. 스틸슈트는 땀과 소변을 통해 손실되는 수분을 흡수, 정화하여 식수로 재활용하는 기능이 있다. 나사의 새 우주복 디자인은 '프론티어스 인 스페이스 테크놀로지(Frontiers in Space Technology)' 저널에 게재됐다. 연구팀은 진공 기반 외부 도뇨관과 정삼투-역삼투 통합 장치를 통해 우주 비행사에게 지속적으로 식수를 공급하며, 다양한 안전 장치를 통해 안전을 보장한다고 밝혔다. 미국 나사가 2025년과 2026년에 예정된 유인 우주 탐사선 아르테미스 Ⅱ와 아르테미스 Ⅲ 임무를 위해 개발된 이 시스템은, 기존 우주복의 폐기물 관리 시스템인 MAG(Maximum Absorbency Garment)의 불편함과 비위생 문제를 해결하려고 했다. MAG는 1970년대 후반부터 사용된 일종의 성인용 기저귀로, 누출 및 요로 감염, 위장 장애 등 건강 문제를 일으키는 것으로 알려져 있다. 연구팀이 개발한 소변 수집 장치는 유연한 직물로 만들어진 속옷과 실리콘으로 제작된 수집컵으로 구성된다. 수집 컵은 남녀 신체 구조에 맞게 설계되었으며, 내부에는 폴리에스터 극세사 또는 나일론-스판덱스 혼합 소재가 사용되어 소변을 흡수하고 진공 펌프를 통해 빨아들인다. 수집된 소변은 우주복 등에 부착된 여과 시스템으로 이동하며, 2단계 장삼투-역삼투를 통해 87% 효율로 재활용된다. 정제된 물은 전해질을 추가하여 식수로 사용 가능하다. 500ml 소변을 수집하고 정화하는 데는 5분이 소요된다. 이 시스템은 제어 펌프, 센서, 액정 디스플레이 화면을 포함하며, 20.5V, 40Ah 배터리로 작동한다. 크기는 38x23x23cm, 무게는 약 8kg으로 우주복 뒷면에 부착할 수 있도록 작고 가볍게 설계됐다. 현재 시제품이 완성됐으며, 향후 모의 환경 및 실제 우주 유영에서 테스트될 예정이다. 이를 통해 시스템의 기능성과 안전성을 검증하고 실제 우주 임무에 적용할 수 있을 것으로 보인다.
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[신소재 신기술(77)] 나사, 소변을 식수로! 혁신적인 새 우주복 개발
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한국, EV 배터리 분리 전 성능평가 도입…"신차에도 재제조 배터리 사용"
- 한국 정부가 전기자동차(EV) 배터리의 재활용과 재생산을 촉진하기 위해 배터리 분리 전(탈거 전) 성능검사를 도입한다. 또한 사용후 배터리 산업 발전을 지원하기 위한 '통합 법안' 제정도 연내 추진한다. 정부는 10일 경제관계장관회의에서 이러한 내용을 담은 '사용후 배터리 산업 육성을 위한 법·제도·기반 시설 구축 방안'을 발표했다. 이번 대책은 정부가 지난해 발표한 '이차전지 전주기 산업 경쟁력 강화 방안'의 후속 조치로 마련됐다. 즉, 사용 후 배터리 산업을 육성하고, 세계적인 통상 규제를 선제적으로 대응할 수 있도록 사용후 배터리 관리 체계를 강화하는 것이 주요 목표이다. 이를 위해 정부는 우선 '사용후 배터리 산업 육성 및 공급망 안정화 지원에 관한 법률안(이하 통합 법안) 제정'을 추진한다. 통합 법안에는 배터리 전주기 이력 관리 시스템, 재생 원료 인증제 등 주요 제도에 대한 규정이 포함된다. 관계 부처 협력이 필요한 주요 사항을 심의·조정하기 위한 정책 위원회도 새롭게 구성한다. 세부 운영 사항은 친환경 사업법과 전자제품 등 자원 순환법, 자동차 관리법 등 관계 부처 소관 개별 법 개정과 공동 고시 마련을 통해 정한다. 정부 관계자는 "현재는 사용후 배터리에 대한 법적 개념이 명확하지 않아 지원이나 관리를 위한 제도적 기반이 부족하다"며 "앞으로 체계적인 관리와 정책 추진을 위해 사용후 배터리를 위한 법률 개정을 추진하는것"이라고 설명했다. 2027년까지 배터리 생애주기 이력 관리 시스템을 구축하고, 관련 정보를 신청 공유할 수 있는 통합 플랫폼 개설도 추진한다. 배터리 생애주기 이력 시스템은 배터리 생산부터 전기차 운행, 폐차, 사용 후 배터리 재활용까지 전 과정의 이력 정보를 관리하고 민간과 공유하는 시스템이다. 정부는 이를 토대로 배터리 공급망 관리, 거래 활성화, 안전 관리 등을 위한 정책을 수립하고 투명한 거래 정보를 제공할 계획이다. 또한 '전기차 배터리 해체 전 성능 평가'를 도입해 사용후 배터리의 등급을 분류하고, 재제조 또는 재사용이 가능한 사용후 배터리는 최대한 산업적으로 활용될 수 있도록 지원할 방침이다. 소비자 입장에서는 전기차 폐차·판매 시 배터리 가치를 추가로 보상받거나, 재제조 배터리를 구매해 비용을 절감하는 등 다양한 선택권을 갖게 된다. 정부 관계자는 "신차에도 재제조 배터리가 사용될 수 있도록 정책 방향을 설정 중"이라며 "신품 배터리와 재제조 배터리 간 성능차이를 최소화하는 인증 기준을 마련할 것"이라고 밝혔다. 사용후 배터리에서 추출한 리튬, 니켈, 코발트 등 유가 금속이 신품 배터리 제조에 얼마나 사용되었는지를 확인하는 '재생 원료 인증제'도 내년 중 시행된다. 환경부는 재활용 기업이 배터리를 재활용하여 생산한 유가 금속을 재생 원료로 인증하고, 산업부는 신품 배터리 재생 원료 사용 비율을 확인하는 '한국형 재생 원료 인증제'를 도입할 방침이다. 정부는 사용후 배터리 관련 산업의 안전성·공정성·투명성을 강화하는 유통 체계 구축도 추진한다. 사용후 배터리 유통 전 안전 검사 및 사후 검사 도입 등 안전 관리 체계를 법제화하고, 사용후 배터리 거래 유통 과정에서의 안전성을 확보할 수 있는 세부 운송·보관 기준도 마련한다. 더불어 사용후 배터리 관련 불공정 행위를 방지하기 위해 '공정 거래 가이드라인'을 마련하고, 관련 사업자의 전문성과 책임성 확보를 위한 사업자 등록제도 도입할 계획이다. 한편, 전기차의 사용후 배터리 관련 규정은 여러 나라에서 도입하고 있다. 중국은 2018년부터 사용후 배터리 재활용 및 재사용을 위한 규정을 시행하고 있으며, 배터리 생산자에게 일정 비율 이상의 배터리를 회수 및 재활용하도록 의무화하고 있다. 유럽연합(EU)은 2023년부터 강화된 배터리 규정을 시행하고 있다. 이는 배터리 생산부터 재활용까지 전과정에 걸쳐 지속 가능성을 높이는 것을 목표로 한다. 미국은 연방 차원의 규정은 아지 없지만 캘리포니아 등 일부 주에서 자체적인 상요후 배터리 규정을 마련하고 있다. 한국 정부도 이번 발표를 통해 사용후 배터리 육성 및 관리를 위한 법적 기반을 마련하고, 글로벌 규제에 선제적으로 대응하려는 움직임을 보이고 있다.
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한국, EV 배터리 분리 전 성능평가 도입…"신차에도 재제조 배터리 사용"
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[신소재 신기술(72)] 새로운 에어로젤, 100% 태양 반사율과 뛰어난 복사냉각 효과 달성
- 중국 과학자들이 젤라틴과 DNA로 이루어진 새로운 생분해성 에어로젤을 개발해 태양 반사율 100%를 달성했다. 에어로젤은 90% 이상 공기로 이루어진 매우 가벼운 고체 물질이다. 세상에서 가장 가벼운 고체 중 하나인 에어로젤은 공기보다 약간 무거운 정도이며, 뛰어난 단열성을 지녀 극한의 온도에서도 열 전달을 효과적으로 막을 수 있다. 최근 중국 쓰촨대학 연구팀은 젤라틴과 DNA로 구성된 에어로젤을 개발해 태양 반사율 104%와 뛰어난 복사 냉각 효과를 달성했다고 인터레스팅 엔지니어링이 보도했다. 미국 과학진흥협회(AAAS)의 공식 성명에 따르면, 이 에어로젤은 생분해성이며 탁월한 복사 냉각 효과를 제공한다. 연구팀은 새러운 에어로젤은 가시광선 영역에서 104%의 반사율을 달성했으며, 이는 광 발광 효과에 의한 것이라고 밝혔다. 에어로젤의 발광은 젤라틴과 DNA가 촘촘하게 연결된 네트워크에서 비롯되며, 이는 발색단들을 함께 모아 시스템의 비복사 전이를 억제하는 데 기여한다. 이 냉각 소재는 특수한 층상 디자인과 빛에 노출될 때 독특하게 빛나는 방식으로 인해 많은 태양광을 반사할 수 있다. 또한 생분해성일 뿐만 아니라 수리와 재활용이 가능해 기존 냉각 소재에 대한 친황경적인 대안을 제시한다. 바이오매스 원료의 냉각 소재 특히, 이 소재는 바이오매스 원료를 사용하여 '워터 용접'이라는 공정으로 제작됐다. 높은 태양 복사 조건에서 주변 온도를 섭씨 16도까지 낮출 수 있으며, 수리와 생분해가 가능하다. 이 연구의 제1저자인 지안웬 마(Jian-Wen Ma)는 젤라틴과 DNA는 구조적으로 균일한 에어로젤을 얻기 위해 동결 건조 공정을 통해 졸-겔 방식으로 설계됐다고 말했다. 마 연구원은 "에어로젤의 다층 구조는 햇빛의 다중 산란/반사를 허용하여 태양 반사율을 효과적으로 향상시킨다"고 말했다. 이 새로운 접근 방식은 에너지 소비가 많고 온실가스 배출량이 많은 기존 냉각 시스템의 문제를 극복하는 것을 목표로 한다. 바이오폴리머 기반 소재를 사용하여 장기적인 안정성과 최소한의 환경 영향을 제공한다. 냉각 소재는 맑음, 흐림 등 다양한 기상 조건에서 테스트에 성공했다. 또한 이 바이오매스 에어로젤은 자연 환경에서 미생물에 의해 생분해될 수 있으며, 고온 용해-재겔화-동결 건조 과정을 통해 재활용할 수 있다. 과학자들은 현재 에어로젤의 잠재적인 실용적인 응용 분야를 모색하고 있으며, 다양한 산업 분야에서의 활용 가능성을 긍정적으로 전망하고 있다. 이 연구는 지난 7월 4일 저널 '사이언스(Science)'에 게재됐다.
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[신소재 신기술(72)] 새로운 에어로젤, 100% 태양 반사율과 뛰어난 복사냉각 효과 달성
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[신소재 신기술(71)] 음식물 쓰레기 활용해 기존 소재보다 4배 강한 '식용 콘크리트' 개발
- 해초, 양배추와 오렌지 껍질 등 식물성 재료를 활용해 기존 콘크리트보다 3배 이상 강한 '식용 콘크리트' 건축 자재가 개발되어 주목받고 있다. 일본 도쿄대학 연구팀이 배추와 바나나,양파 껍질 등 식물성 유기물로 기존 콘크리트보다 4배 강한 콘크리트를 개발했다고 더쿨다운이 5일(현지시간) 전했다. 프린스턴 대학교에 따르면, 콘크리트는 물 다음으로 지구상에서 가장 많이 소비되는 제품이지만, 매년 44억 톤의 이산화탄소를 배출하며, 전 세계 오염의 8%를 차지한다. 이에 따라 기존 콘크리트 생산 과정의 대안을 모색하고, 건물의 내구성을 높여 콘크리트 사용량을 줄이는 노력이 중요해졌다. 이러한 맥락에서 도쿄 대학 연구팀이 개발한 '식용 콘크리트'는 기존 콘크리트보다 4배 강할 뿐 아니라 음식물 쓰레기 문제 해결에도 기여할 수 있어 더욱 주목받고 있다. 연구팀은 커피 찌꺼기, 바나나 껍질, 양배추, 오렌지 껍질, 양파 껍질, 호박 등 유기물을 건조 및 압축하고 물, 조미료와 혼합하여 고온 틀에서 압축하는 방식으로 친환경 콘크리트를 제작했다. 연구 수석 저자인 유야 사카이는 "저희의 목표는 해초와 일반 음식물 쓰레기를 사용하여 최소한 콘크리트만큼 튼튼한 재료를 만드는 것이었다"면서 "하지만 먹을 수 있는 음식물 쓰레기를 사용했기 때문에 재활용 과정이 원래 재료의 맛에 영향을 미치는지 확인하는 데도 관심이 있었다"라고 설명했다. 실험 결과, 이 식용 콘크리트는 굽힘 강도가 기존 콘크리트보다 훨씬 뛰어났으며, 소금이나 설탕을 첨가하여 맛을 개선해도 강도에는 영향을 미치지 않았다. 선임 연구원인 코다 마치타는 "호박에서 추출한 표본을 제외하고 모든 재료가 굽힘 강도 목표를 초과했다"며 "콘크리트보다 3배 이상 강한 재료를 생산한 배추 잎을 약한 호박 기반 재료와 섞어 효과적인 보강재를 제공할 수 있다는 것을 발견했다"고 말했다. 이 콘크리트는 또 부패, 곰팡이, 곤충에 강하며 4개월 동안 공기 중에 노출되어도 맛이나 강도가 변하지 않는 것으로 확인됐다. 이 연구는 더욱 견고한 건물을 위한 강력한 콘크리트를 개발하는 동시에, 지구 오염의 또 다른 원인인 음식물 쓰레기를 활용할 수 있는 방법을 제시했다. 미국 농무부에 따르면, 식량 손실 및 폐기물은 인간 소비를 위해 생산된 모든 식량의 3분의 1을 차지하며, 2021년 환경보호국 보고서에서는 식량 손실로 인한 1억 8700만 톤 이상의 이산화탄소 배출량이 석탄 화력 발전소 42개의 연간 오염량과 비슷하다고 밝혔다. 이 기술이 미래 건축물에 적용될지는 아직 미지수지만, 과학자들은 다양한 분야에 활용될 수 있다는 점에서 긍정적인 반응을 보이고 있다. 이는 기존의 틀을 벗어난 사고가 이산화탄소 배출과 환경오염 두 가지 문제를 동시에 해결할 수 있는 가능성을 보여주는 좋은 사례라는 평가다.
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[신소재 신기술(71)] 음식물 쓰레기 활용해 기존 소재보다 4배 강한 '식용 콘크리트' 개발
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