포항공과대학교 “생체모사친환경재료 연구실” (황동수 교수)

연구실 개요

생체모사친환경재료 연구실 (Laboratory for Biomimetic, Biological, & Eco-friendly Materials) 에서는 지속가능한 자원인 천연고분자나 생체재료들을 생물학적/화학적 방법을 통해 유용한 친환경소재로 전환하기 위한 생체소재의 이해 및 생체모사 연구를 진행 중이다.
자연에는 여러 생명체가 있듯 이를 활용한 소재 연구도 다양하다. 친환경생체모사재료 연구실은 배의 껍질, 곤충의 날개, 따개비, 오징어의 부리와 빨판 등 자연에서 얻을 수 있는 소재의 특성을 이해하고 이를 친환경 소재로 만드는 연구를 진행한다.
환경공학은 화학, 물리, 생명 등이 융합된 분야다. 황 교수가 박사후과정까지 전공한 분야를 나열하면 화학공학, 생명공학, 해양과학, 물리학으로 다양하다. 이를 바꿔 말하면 물리, 생명, 화학, 기계를 전공한 학생이 들어와 원하는 연구를 할 수 있다는 뜻이다. 친환경생체모사재료 연구실은 수준 높은 연구시설을 활용해 아직 과학자의 손이 닿지 않은 자연의 소재를 연구하고 친환경 플라스틱 개발을 통해 지구환경 보존에 관심 있는 학생을 기다리고 있다.
C1 가스 리파이너리 사업단에서는 용해도가 낮고 세포독성이 있는 일산화탄소 가스의 효율적인 전환을 위해서, 친환경 고분자 입자에 생체모사 기술을 융합한 나노 유체연구를 진행 중이다. 인간의 혈액에 있는 헤모글로빈이 일산화탄소에 아주 강한 친화성이 있는 것을 착안하여, 친환경 나노셀룰로오스 입자에 ‘인공 헤모글로빈’코팅 기술을 경제적으로 개발하여, 일산화탄소의 바이오반응기 내에서의 낮은 용해도 문제 뿐 아니라, 일산화탄소 활용균주에 일어나는 기질저해 및 세포독성 문제를 해결할 수 있는 기술을 개발했으며, 이를 공정에 적용하는 연구를 진행 중에 있다.

주요 연구내용 소개

1. Foul Play

1) 자연계에 있는 표면에 오염현상인 파울링 기작을 이해하고 응용하는 연구
물속이나 기상에 존재하는 표면에 오염원이나 미생물, 무척추동물, 식물들이 흡착해서 일으키는 biofouling의 근본적인 메커니즘을 규명하고, 이를 다양한 산업에 응용하는 연구를 진행 중에 있다. 최근에는 배에 해양 생명체가 들러붙지 않게 하는 방오 도료를 연구하고 있다. 배가 나아갈 때 바닥에 해양 생명체가 들러붙으면 마찰이 증가해 연비가 80%까지 떨어진다. 2회 운항할 수 있는 연료로 1회만 운항하는 셈이다. 이를 방지하기 위해 방오도료를 배 밑에 칠하지만 방오제 성분인 주석과 구리에 환경독성이 있어 사용이 전세계적으로 금지되었거나 금지될 예정이다. 이를 해결하기 위한 방오표면을 개발하는 연구를 진행 중이다.

2) 친환경접착체 개발연구
본 연구실의 분자간의 작용력에 대한 이해를 바탕으로 환경친화적인 접착재료 개발을 수행 중에 있다. 표면힘측정기 (Surface forces Apparatus, SFA)라는 독특한 실험 장비를 활용해서 다양한 물질의 분자간의 작용력을 0.1 nm 와 0.1 nN의 분해능으로 측정할 수 있다. 이러한 연구결과는 비산먼지를 제거하는 산업용 바인더에서부터, 의료용 디바이스나 표면을 접착하는 의료용 바인더까지 개발하는 연구에 응용될 수 있다.

2. 생체재료연구

수중환경에서 발견되는 생물학적 물질 (Biological materials)은 살아있는 생명체에 의해 생성되는 천연물질이며, 생명체의 주변 환경 변화에 따른 적응으로 목적에 맞게 길게는 수억 년 동안 최적화 된 물질이다. 수중환경의 생물학적 물질은 인체 내 생체소재들과 많은 공통점을 갖는다. 두 시스템 모두 자연적으로 염이 있는 수용액이며, 유체 흐름에 대한 기계적 충격, 거대 분자를 통한 흐름에 의한 파울링 및 세포 수준 활동을 통한 유기물의 합성과 분해를 지속적으로 경험하는 것은, 인체와 수중환경에서 진화된 생물학적 물질의 공통점의 몇 가지 예시이다. 따라서, 습한 환경에서 생체 재료의 물리 및 화학을 이해하면 공학자에게 생체공학 물질로의 응용을 위한 생체 재료를 설계하는 데 유용한 통찰력을 제공 할 것이다. 본 연구실에서는 다양한 재료공학적 기법들을 통해서 다양한 생체재료를 연구하고 응용하는 실험을 진행 중에 있다.

3. 친환경소재 연구

생명체에서 만들어지는 다양한 친환경 고분자를 산업용으로 활용 가능한 소재로 변환시키기 위한 연구를 다양하게 진행 중에 있다. 구체적으로 본 연구실은 식물의 주성분인 ‘셀룰로오스’나 곤충의 외골격의 주성분인 ‘키틴’에 관심을 갖고 연구를 진행하고 있다. 두 가지 고분자 모두 지구상에서 가장 풍부한 유기물자원으로 각각 연간 1×1011t이 생산된다고 알려져 있으며, 이들의 유도체는 다양한 용도의 친환경소재로 사용되어 왔다. 본 실험실에서는 이들을 더욱 다양하게 활용하기 위해서 나노섬유화를 진행하여, 새로운 소재를 개발하는 연구를 진행 중이다.

연구실 현황

친환경생체모사재료 연구실은 황동수 교수님을 비롯하여 박사과정 학생 12명, 석사과정 학생 1명, 연구교수 1명, 박사후연구원 2명으로 총 16명의 실원으로 구성되어 있다. 2016년-2020년 현재, SCI 급 논문 60건 게재, 특허출원 42건 및 등록 8건, 기술이전 2건 등, 친환경고분자전문기업 ㈜에이엔폴리 창업 등 우수한 연구 실적을 올리고 있다.