우수선도연구기관 미세유체 화학시스템 활용 녹색 합성화학과 응용공정 구현 창의진흥연구 POSTECH 미세유체응용화학연구단 대표 김동표 교수 주소 경상북도 포항시 남구 청암로 77 환경공학동 304호 전화 본사: 054)279-2272 홈페이지 http://camc.postech.ac.kr 이메일 dpkim@postech.ac.kr 40 임인재 객원기자 / mimohhh@naver.com 화학세계 2016. 03
POSTECH 미세유체응용화학연구단 옛날만화영화에서과학자가형형색색의액체를섞다가이것이폭발해얼굴을까맣게그을리는장면을볼수있었다. 이렇게유독성이강한화학물질을다루는일은항상극도의위험에노출돼있다. 실제로안전시설과훈련이미흡한대학연구실에서인명및재산피해가발생하고있으며이로인해화학은 3D(Dirty, Difficult, and Dangerous) 분야라는잘못된인식이증가하고있는상황이다. 유용하지만위험성이매우높은화학물질을생산하는화학공장이나, 고위험화학약품을취급하는산업현장에서이러한위험한물질을안전하게생산하고분리하고응용하는일련의공정을확립하는것은화학산업전반의경제성확보차원에서나안전한사회를확립하는차원에서도매우중요한문제이다. 이에포항공대미세유체응용화학연구단 ( 단장김동표 ) 은미세유체화학시스템을활용해독성이강한화학물질을안전하게처리할수있는공정개발에중점을두고연구를진행해왔다. 구체적으로연구단은신소재를기반으로합성화학에적합하게디자인하고사용자가손쉽게제조가능한공정에따라다양한마이크로반응기를개발해왔다. 제작된위험한화학공정을반응기를활용해유기반응, 고분자합성, 나노소재합성안전하고친환경적으로? 공정을연구하며기존공정의한계를뛰어넘는고부가화학 생물소재의생산공정을개발했다. 연구단의성과는 CO 2 생물자원을 Nature Communications, Angewandte Chemie 고부가화학원료로전환? International Edition, JACS, NPG Asia Materials, ACS Nano 등세계적권위의학술지에게재됐다. 연구단은궁극적으로신개념초소형화학공장개신약, 신물질을신속, 경제적으로개발? 발을통해서석유고갈에대비한지속가능형녹색화학공정및시스템개발을목표로하고있다. 미세유체화학시스템의특성과제작 화학산업에서반응기내로연속유입된액체와고체를신속혼합해서균일한화학반응에이르게한다음합성된혼합물을유출하는연속흐름식의화학반응기의설계및운용이중요하다. 연속교반반응기 (continuous stirred-rank reactor, CSTR) 는혼합과온도조절이비교적용이하지만반응기부피당반응전환율이낮은단점이있다. 그리고관형반응기 (plug flow reactor, PFR) 는교반기능이없기때문에운용이용이하고부피당반응전화율도높은편이다. 하지만반응기내부온도조절이어려워발열반응의경우국소고온점 (hot spot) 발생하는단점은장시간의분리공정에서높은비용지출과안전상의문제를발생시킨다. 이러한낮은수율과공정상위험을줄이고화학도구및공정개발을위한시도로서물질및열전달효과를극대화하기위한연속흐름형 미세유체화학시스템 (microfluidic reaction system) 연구가활발히진행돼 연속교반반응기 (CSTR) 관형반응기 (PFR) Microfluidic System: 마이크로반응기 2016. 03 화학세계 41
우수선도연구기관 왔다. 이시스템은머리카락굵기의미세한파이프라인을따라액체혹은기체물질이흐르도록구성된합성반응장치이다. 마이크로반응기 (microreactor, 그림 1) 를사용한안전하고고효율화학공정은합성화학, 나노기능소재, 바이오물질분석분야에서 1990 년이후새로운관심의대상이되고있다. 부피가작고정교한마이크로반응기는수십 ~ 수백마이크로미터의채널크기내로소량의시약을연속유입해빠른물질및열전달, 확산거리최소화, 높은면적 / 부피비율 (~10 4 m 2 /m 3 ), 정교한실험변수조절과같은장점을활용해반응시간의단축, 부반응의최소화등을구현할수있다. 이러한특징은유기, 무기합성, 나노입자합성과같은화학분야에서부터단백질, DNA 반응및분석시스템과같은생물학분야등다양한분야에적용될수있다. Microchannel: Molding Machining, Ablation Lab-on-a-chip type Capillary type 그림 1. 미세유체화학시스템 : 머리카락굵기의미세한파이프라인을따라유체가흐르면서화학합성을일으키는랩온어칩및모세관형마이크로반응기 기존의마이크로반응기는가공이용이하고높은열전달, 내화학성과기계적안정성을가진금속재료로제조해고온, 고압반응공정에사용된다. 또한내부관찰이가능한투명유리재료를기계및식각가공해제조되기때문에가격이높으며, 다양한반응기디자인이필요한공정연구를위해서는보다사용자친화형재료와공정의개발이요구되고있다. 이에따라소프트리소그래피 (soft lithography) 를활용한 PDMS(Polydimethylsiloxane) 랩온어칩은가공의편의성, 높은투과성, 안정성, 생체안정성으로세포칩, 바이오칩으로생물학분야에서는광범위하게활용되고있다. 하지만이것은내화학적안정성의문제로인하여화학반응기로서극히제한적으로사용되고있다. 때문에내화학안정성, 높은투과 그림 2. 본연구단에서개발한미세유체화학시스템. ( 좌 ) 폴리이미드필름소재를활용한마이크로반응기 (Angew. Chem. Int. Ed., 49, 7063, 2010). ( 우 ) 화학반응효율개선을위한촉매및혼합용미세구조체를장착한마이크로반응기도관내부 (Adv. Funct. Mater., 20, 1473, 2010). 42 화학세계 2016. 03
POSTECH 미세유체응용화학연구단 성, 저렴한가격이라는장점을가진고분자재료를활용하여다양한유기용매와반응공정조건하에서도견딜수있는미세반응시스템개발이필요한상황이다. 이에연구단은내화학성이검증된폴리이미드, 불소고분자, 실리콘계무기고분자소재를기반으로사용자가직접디자인하고제작하는사용자친화형 (User Friendly) 마이크로반응기를개발했다 [ 그림 2]. 최근에는초소수성나노선표면가공법으로분리막이없이도기체- 액체층류공정을수행하는신개념마이크로반응기도개발하였다 (Adv. Mater. 25, 4561, 2013; ACS Nano, 10, 1156, 2016). 통합형마이크로반응기및공정 미세유체응용화연구단은최근독성이강한화학물질을안전한공정으로처리해활용할수있는기술을개발했다. 기존의실험기구는독성물질이나악취물질이외부로누출되는것을막는데에한계가있었지만, 연구단은디아조메탄 (Diazomethane), 디아조아세트산에틸 (Ethyl diazoacetate), OsO 4 촉매, 이소시안화물 (Isocyanide) 와같은맹독성혹은악취성물질을시스템내부에서생산해즉석에서사용하는현장생산개념을적용, 외부누출가능성을최소화한통합형미세유체시스템과공정을개발했으며이는안전성을획기적으로개선한공정이다.(Angew. Chem. Int. Ed., 50, 5952, 2011) 연구단은이와더불어바이오매스를이용한고부가가치화합물의전환화학공정을개발하고고부가가치화합물을생산 그림 3. 바이오매스촉매전환공정 : 설탕으로부터이종고리퓨란계화합물을합성하는마이크로반응기와 2 단계연속공정 (NPG Asia Materials, 7, e173, 2015) Three -Step Integrated via Two Intermediate Synthesis of Thioquinazolinones with microfluidic device -in 8sec at R.T, up to 91% of yield, gram-scale in 5 min 그림 4. 불안정한초단수명반응중간체의 번개화학 (Flash Chemistry) 을활용하여의약품중간체를합성하는마이크로반응기와 3 단계연속공정 (Angew. Chem. Int. Ed., 54, 1877, 2015) 2016. 03 화학세계 43
우수선도연구기관 한다 [ 그림 3]. 나아가수명이매우짧은불안정한중간체를유용물질합성에활용하는 번개화학 (Flash Chemistry) 으로 Thioquinazolinones 와같은의약품원료화합물 (Angew. Chem. Int. Ed., 128, 1444, 2015), [10]Cycloparaphenylene 나노재료 (Angew. Chem. 128, 1444, 2016), 이산화탄소고정에의한 Oxazolidinedione 합성 (Green Chem., 17, 1404, 2015) 등을다양하게연구했다 [ 그림 4]. 최근에는제올라이트합성 (J. Am. Chem. Soc., 133, 14765, 2011), 금속-유기구조체합성 (MOF, J. Am. Chem. Soc., 135, 14619, 2013; Chem. Mater., 27, 7903, 2015), 그래핀환원 (Green Chem., 16, 3024, 2014) 등나노촉매및각종기능성무기재료연구도활발하게수행하고있다. 밀봉화학반응시스템 (Micro-Total Envelope System) 연구단은통합공정시스템을발전시켜, 유독하지만고부가가치화학물질의생산, 분리및응용은물론사용후미반응맹독잔존물을분해하여안전하게배출함으로서공정전체를외부노출없이안전하게수행할수있는 밀봉화학반응시스템 을개발했다.(Nat. Commun., 7, 10741, 2016) 모든액체에젖지않는양쪽초소수성실리콘나노선특수분리기를포함한이시스템은클로로메틸에테르 (chloromethylmethyl ether) (CMME) 의생산, 분리, 응용및미반응물의분해기능을가진미세반응기를직렬로연결해위험물질의외부노출없이고부가가치화학물질을생산하는환경친화성신개념화학공장모델이다. 미세유체반응기술의전망과미래 미세유체반응기술은화학반응에서높은효율성과공정집적화를통해고부가가치의고순도화합물을소량다품종방식으로생산하는데최적이다. 나아가마이크로반응기는초고온고압반응, 다양한촉매및광화학반응등으로영역을넓혀가면서기존의유리초자및대형화학공장중심의 R&D 및생산체계를대체해가고있다. 최근국내외신약개발제약회사들은고순도원료의약품 (API) 합성을위해미세반응기술을적극활용하여수십톤 / 년규모의상업생산하고있다. 이에따라 IMM, Corning, Lonza 등에서는금속및유리재료기반평판형마이크로반응기를적층연결해수 kg 혹은수톤 / 일규모의반응기도상업제작판매하고있다. 나아가컴퓨터크기화학공장, 컨테이너방식의이동형화학공장, 선박위화학공장 (floating production storage off-loading, FPSO) 과같은새로운화합물생산기술에대한시도가꾸준히이루어지고있다. 랩온어칩기술은생화학분야와융합해줄기세포에의한인공장기재생연구에일조를하고있으며화학, 물리, 광학분야와융합해질병의진단및치료도구로서 POCT(Point-of-care-testing) 생체신호검지시스템, 인체삽입시스템개발응용에도적용되고있다. 더나아가전자산업과융합돼환경진단용미세분석기, POC(Point-of-contact) 휴대단말기, 스마트센서, 연료전지, 나노로봇분야에도활용되는등무궁무진한가능성을보여주고있다. 적층형미세반응기이동형컨테이너화학공장선박위화학공장 (FPSO) 44 화학세계 2016. 03
POSTECH 미세유체응용화학연구단 포항공과대학교 미세유체응용화학연구단은 마이크로반응기에의한합성화학과화학공장의새로운패러다임을제시하고, 기술융합에의해화학과화학공학의한계에도전하는것이우리연구단의목표입니다 포항공과대학교미세유체응용화학연구단을이끌고있는김동표교수는 1995 년충남대학교정밀응용화학과교수를거쳐 2012 년포항공대화학공학과교수로부임했다. 이후김교수는마이크로반응기를이용한화학공학연구에매진하고있다. 대전시과학상 (2007 년 ), 과기부 / 한국과학재단우수성과 50선 /100 선선정 (2007 년 ), 한국과학재단기초과학연구우수평가자 (2008 년 ), 미래부 / 한국연구재단우수성과 100선선정 (2014) 등업적을쌓았다. 현재연구단에는 8명의연구원과박사과정 3명, 석 박사통합과정 10명의학생이연구를진 김동표단장포항공과대학교화학공학과교수 행하고있다. 2016. 03 화학세계 45