도요타, 바이오연료 프로젝트 주목 … CNT·수지 배합에 성공
화학저널 2016.02.22
일본은 이온성 액체에 대한 연구를 활발히 추진하고 있다.
이온성 액체는 차세대 전지의 전해질 소재로 각광받고 있는 상온용융염으로 연구자들도 모르는 미지의 영역이 많은 것으로 알려져 있다.
바이오연료 실용화를 추진하고 있는 도요타(Toyota) 역시 이온성 액체에 높은 관심을 나타내고 있으며, 녹색화학(Green Chemistry) 부문에서도 산학관이 협력해 연구를 활발히 추진하고 있다.
이온성 액체는 최근 도요타가 참여하고 있는 신재생에너지·산업기술종합개발기구(NEDO)의 바이오연료 프로젝트와 관련해 화제를 모으고 있다.
프로젝트는 식물 줄기 등 비식용 셀룰로오스(Cellulose)로부터 바이오연료를 제조하는 기술을 실용화하기 위해 2009년부터 도요타, 도요타중앙연구소, Kobe대학, Kyushu대학이 참여해 연구를 추진하고 있으며 2014년 NEDO가 성과를 발표했다.
셀룰로오스에서 바이오연료인 에탄올(Ethanol)을 정제하려면 1단계로 식물에서 셀룰로오스를 분리해야 하지만 셀룰로오스는 물, 범용 유기용매에 잘 녹지 않아 강산과 반응시키거나 고온·고압환경에서 처리할 수밖에 없어 코스트가 높고 환경오염 문제가 실용화에 걸림돌로 작용했다.
연구팀은 특수한 이온성 액체에 식물체를 담그면 팽윤작용으로 식물섬유로부터 셀룰로오스만 효율적으로 분리할 수 있다는 사실을 밝혀냈으며 새롭게 추출한 셀룰로오스에 신규 개발한 효소를 반응시켜 고순도·고농도 에탄올을 정제하는 기술을 확립했다.
이온성 액체를 에탄올 정제공정에서 재이용하는 순환기술도 개발했다.
도요타는 신기술을 적용해 2020년에는 바이오연료를 실용화하는 방향으로 준비작업에 착수했으며 이온성 액체 사업화를 목표로 하고 있어 화학기업들이 주목하고 있다.
바이오매스 분야에 대한 이온성 액체 응용연구는 해당분야 전문가인 Tokyo농공대학 공학연구원 Ohno Hiroyuki 교수팀이 선도적으로 추진해왔으며 현재 다른 많은 연구자들도 새로운 지평을 열기 위해 과감히 도전하고 있다.
돗토리대학의 Itoh Toshiyuki 교수는 의약, 향료 원료 등으로 용도가 확대되고 있는 리그닌(Lignin)을 활용해 셀룰로오스를 파괴하지 않고 추출하는 독창적인 기술을 확립했다.
조치대학 이공학부의 Fujita Masahiro, Usuki Toyonobu 부교수도 인플루엔자 치료약 타미플루의 원료인 Shikimic Acid를 은행잎에서 추출하는데 성공했다.
대학, 공공 연구기관들이 꾸준히 연구성과를 올림에 따라 앞으로도 새로운 개발 소식이 들려올 것으로 예상되고 있다.
이온성 액체의 연구 성과에는 우연한 발견도 적지 않은 것으로 알려졌다.
도쿄대학 공학연구과에서 CNT (Carbon Nano Tube)를 연구하는 Aida Takuzo 교수팀은 CNT 함유 수지 제조공법을 개발했다.
CNT를 수지에 배합하면 수지의 강도 및 전도성이 향상된다는 사실은 잘 알려져 있지만 2가지 소재가 잘 융합되지 않기 때문에 CNT를 수지에 균일하게 분산시키기가 어려워 커다란 장벽에 가로막힌 상태였으나, 어느 날 한 연구원이 초음파 세정기 안에 Imidazolium Salt계 이온성 액체와 CNT를 넣어둔 채 식사를 하고 돌아와보니 2가지 물질이 서로 혼합돼 고형화된 것을 발견해 해결의 실마리를 찾은 것으로 알려졌다.
하지만, 곧 현탁상태로 되돌아와 다시는 혼합되지 않았다. 그러나 2개월이 지난 어느 날 Aida 교수가 자포자기식으로 현탁액이 든 용기 내부를 막대로 젓자 갑자기 검은색의 풀과 같은 물질로 변화했다. CNT 표면에 부착된 이온성 액체가 마찰을 가하자 흩어진 CNT를 잇는 연결고리 역할을 한 것이다.
Aida 교수팀은 CNT의 혼합으로 수지 강도는 4배, 도전성은 10만배 향상된다는 사실을 검증했으며 코팅제로서 실용화를 목표로 연구를 계속하고 있다.
간사이대학 Ishikawa Masashi 교수진이 Dai-ichi Kogyo Seiyaku 등과 공동으로 개발한 이온성 액체를 적용한 리튬이온 2차전지(LiB: Lithium-ion Battery)는 2014년 세계에서 처음으로 인공위성에 탑재됐다.
위성 「Hodoyoshi 3」호가 발사되자 세계적으로 이온성 액체를 주목하고 있다.
꿈의 액체로 불리는 이온성 액체에 얼마만큼의 가능성이 숨겨져 있는지 아직은 누구도 특성과 한계치를 완전하게 파악하지 못하고 있다.
<화학저널 2016년 2월 22일>
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