KRICT 한국화학연구원

 - 2만 건의 논문 인공지능 학습하여 목적 물질(결과물)의 화학식만으로 합성에 필요한 전구체(재료 물질) 예측
 - 인공지능 분야 최고 권위의 학회 NeurIPS(뉴립스)에 전구체 물질 예측 인공지능 논문 발표
 - 기존에 확보한 정방향 합성 예측 기술과 결합해, 소재 합성 전 과정에 대한 자동화 기술 상용화 기대

□ 국내 연구진이 특정한 소재를 만들려면 어떤 최종 재료 물질이 필요한지 자동으로 알려주는 기술을 개발했다.

  ㅇ 한국화학연구원(원장 이영국) 나경석 선임과 한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형) 박찬영 교수 연구팀은 공동연구를 통해 목적 물질의 화학식 정보만으로 합성에 필요한 최종 재료 물질(전구체 물질*)을 예측하는 인공지능 방법론을 개발하였다.
     * 전구체 물질 : 목표 물질을 만드는 과정에서 필요한 모든 최종 재료 물질

□ 최근 배터리, 반도체 등 다양한 산업 분야에서 첨단 소재는 매우 중요하다. 원하는 소재를 합성하려면 중간 물질을 먼저 찾아야 하는데, 많은 비용이 드는 반복적인 실험 없이 인공지능(AI)을 활용해 찾으려는 수요가 높다. 

  ㅇ 하지만 기존의 AI 기반 기술은 신약 등 유기 소재에 집중된 반면, 무기 소재에 대한 연구는 상대적으로 부족했다. 금속 등 무기 화합물은 복잡한 구조와 다양한 원소로 인해 합성 경로를 찾기 어렵기 때문이다. 

□ 연구팀은 X라는 목적 물질의 화학식만으로, 이를 만들기 위해 필요한 전구체 물질 A, B, C, …등을 역방향으로 예측해내는 새로운 인공지능 방법을 개발했다.

  ㅇ 화학연은 앞서 복잡한 코딩이나 서버 구축 과정 없이 물질 합성에 필요한 정보들을 인공지능으로 예측해주는 ‘ChemAI’ 플랫폼을 개발해 2022년 기술이전 한 바 있다. 

  ㅇ 이번 기술은 기존 예측 기술의 발전을 가로막았던 무기 소재의 복잡한 3차원 구조, 즉 원자 구조나 결합 정보 등을 요구하지 않는다. 대신 어떤 원소들이 얼마나 포함되어 있는지 종류와 비율을 살핀다. 그리고 이런 원소들과 목적 물질 간 열역학적 형성 에너지 차이를 계산해, 합성 반응이 더 쉽게 일어나는 전구체를 찾아낸다.

  ㅇ 또한 전구체 물질 예측의 정확도를 높이기 위해 화학 데이터에 특화된 심층 인공신경망을 구성했다. 심층 인공신경망은 약 2만 건의 논문에 보고된 소재 합성 과정 및 전구체 물질에 대한 정보를 모두 학습했다. 

  ㅇ 이후 AI 학습과정에서 보여준 적 없는 약 2,800건의 물질 합성 실험을 대상으로 합성에 필요한 전구체 물질을 예측한 결과, 대략 10번의 시도 중 8번 이상 성공했다. 또한 그래픽 처리장치(GPU) 가속을 통해 약 100분의 1초 이내의 매우 짧은 시간 만에 전구체 물질을 예측했다.

□ 연구팀은 앞으로 화학연 연구사업을 통해 학습 데이터셋을 확장하여 전구체 물질 예측 정확도를 90% 이상 높인 후, 2026년경 웹 기반 공공 서비스 구축을 계획하고 있다. 또한 추가 연구를 통해 목적 물질의 화학식을 제공하면 전구체 물질 뿐만 아니라, 소재 합성 과정까지 모두 예측해주는 “인공지능 기반 소재 역합성 완전 자동화”도 기대 중이다.

  ㅇ 연구진은 “기존의 전구체 물질 예측 AI는 특정 물질 종류에만 적용이 가능했는데, 이번 연구를 통해 목적 물질의 종류에 상관없이 범용적으로 전구체 물질을 예측할 수 있게 된 점이 차별성”이라고 말했다. 또한 화학연 이영국 원장은 “신소재 개발이 필요한 다양한 산업 분야의 연구 효율 향상에 기여할 것으로 기대한다.”라고 말했다.

  ㅇ 이번 논문은 2024년 12월 인공지능 분야 최고 권위의 학회인 신경정보처리시스템학회(NeurIPS, 뉴립스)에 발표되었다. 화학연 나경석 선임연구원과 KAIST 박찬영 교수가 교신저자로, KAIST 노희웅 연구원이 1저자로 참여했다. 이번 연구는 화학연 기본사업, 과학기술정보통신부 한국연구재단 정보융합기술단 및 글로벌 기초연구실사업 (RS-2024- 00406985)의 지원을 받아 수행했다.

* (논문 DOI 주소) https://doi.org/10.48550/arXiv.2410.21341

 - 정부출연연구기관 연구성과의 산업화를 통해 지속가능한 수처리 환경기술 개발 선도
 - 올해 7월 창업 이후, 굵직한 각종 스타트업 경연대회에서 세 차례 대상 수상 경력

□ 한국화학연구원(KRICT)이 창업 지원 및 기술사업화의 선도적 성과를 입증하며, 대한민국 과학기술계의 모범사례로 자리매김하고 있다. 

   ○ 화학연 김인철 박사가 창업한 기업 ‘워터트리네즈(WaterTrinez)’가 중소벤처기업부 등 10개 정부 부처가 공동 개최한

       ’24년 ‘도전 K-스타트업! 왕중왕전’ 대상을 수상하며, 화학연의 연구성과 산업화 및 창업지원 노력이 빛을 발하고 있다.

   ○ ㈜워터트리네즈(대표: 김인철)는 지속가능한 환경을 목표로 혁신적인 수처리 소재 기술을 개발하는 기업이다. 특히, 불소 규제에 따른

       대체소재 혁신을 통해 효율적인 환경 정화와 친환경 소재 기술을 보유하고 있다. 이러한 기술은 기후 위기와 물 부족 문제 해결의 실마리가

       될 것으로 기대된다.

□ 화학연은 기술사업화와 창업을 촉진하기 위해 다양한 지원 프로그램을 운영해 왔다. 연구자의 창업 아이디어를 발굴하고, 이를 구체화하는 과정을

    체계적으로 지원하는 것은 물론, 연구개발(R&D) 성과가 시장에서 가치 있는 제품으로 이어질 수 있도록 적극 나서고 있다.

   ○ 김인철 박사의 창업 역시 이러한 지원 시스템 속에서 시작되었다. 연구를 수행하면서 환경 기술에 대한 깊은 고민과 지속적인 연구를 통해

       창업 아이디어를 발전시켰고, 이를 기반으로 ㈜워터트리네즈를 창업했다.

   ○ 그 과정에서 기관 차원의 창업 프로그램을 통해 총 17회의 창업컨설팅과 과기정통부, 중기부 등 2건의 정부과제를 수주할 수 있도록 지원하였다.

       이를 통해 ’24년 7월 연구원 창업기업인 ‘㈜워터트리네즈’를 설립하고 우수한 사업성을 인정받아 5건, 총 16억원의 투자를 유치하였다. 

   ○ 설립 이후 6개월 간 ’24년 ‘환경창업대전’ 대상, ‘출연(연) 아이코어 실험실창업페스티벌’ 대상, 국무총리상인 ‘도전 K-스타트업! 왕중왕전’ 대상 등

       굵직한 상을 세 차례나 수상하여, 발전 가능성을 입증하였다.

   ○ 최근 정부는 첨단 기술 산업화와 창업 생태계 활성화에 대한 중요성을 거듭 강조하고 있다. 과기정통부가 발표한 데이터에 따르면 기술 기반 창업은

       국가 경쟁력을 강화하고 지속가능한 성장을 위한 핵심 요소이다. ㈜워터트리네즈는 이러한 정부 기조에 부합하는 모범사례로, 과학기술 기반의 창업이

       환경과 사회적 문제 해결에 어떻게 기여할 수 있는지를 보여준다.

   ○ 김인철 박사는 “창업은 단순히 연구의 연장이 아닌, 연구가 산업과 만나는 중요한 접점”이라며, “워터트리네즈의 기술이 환경 문제 해결에 실질적 기여를

       할 수 있도록 노력하고 있으며, 이번 수상은 화학연의 전폭적인 지원과 협력 덕분이다”고 소감을 밝혔다.

   ○ 이번 수상을 계기로, 워터트리네즈와 같은 혁신적인 스타트업이 더 많은 주목을 받고 기술사업화의 성공적인 모델로 자리잡을 수 있도록,

       화학연은 지속적으로 창업과 기술사업화를 통한 연구성과 확산에 앞장설 예정이다.

- 환경 오염과 인체에 유해한 기존 기술을 대체하는 친환경 수계 폴리이미드 제조 기술 세계 최초 개발
- 디스플레이, 반도체, 항공우주 등 첨단 산업에서 폭넓게 활용 가능한 친환경 폴리이미드 소재 개발

□ 환경 규제가 강화되고 친환경 소재 수요가 늘어나는 가운데, 국내 연구진이 독성 유기용매 대신 물을 활용한 폴리이미드 제조 기술을 세계 최초로 개발했다.

   ○ 한국화학연구원 원종찬·김윤호·박종민 박사 연구팀은 물을 용매로 사용해 고온 내구성과 높은 강도를 갖춘 폴리이미드를 중합하는 친환경 공정을 성공적으로

       구현하였다. 

□ 폴리이미드는 우수한 내열성, 기계적 강도, 화학적 안정성을 지닌 고분자 소재로, 디스플레이, 반도체, 항공우주 등 첨단 산업에서 폭넓게 활용된다.

    특히 반도체 및 전자기기 수요 증가로 전 세계 폴리이미드 시장은 연평균 7% 이상의 성장을 기록 중이다.

   ○ 그런데 기존 폴리이미드 중합은 NMP, DMAc, DMF와 같은 독성 유기용매를 필수적으로 사용해 환경 오염과 인체에 유해하다는 문제가 있었다.

       더불어, 중합 공정 온도가 350도 이상으로 높아 에너지 소비가 크고 생산 단가가 높은 한계가 있었다.

□ 이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 물 기반(Water-borne) 중합 공정을 개발했다. 이를 통해 기존 유기용매 공정을 대체하며, 고성능 폴리이미드를

    친환경적으로 합성할 수 있는 길을 열었다.

   ○ 개발된 기술은 기존 대비 공정 온도를 250도 이하로 낮추면서, 기존 유기용매 방식을 적용하여 이미 상용화된 대표적인 폴리이미드 제품*과 동일한 수준의

       물성을 확보하였다. 

     * 600°C 이상의 우수한 내열 특성과 330메가파스칼(MPa) 이상의 높은 인장강도
 
   ○ 일반적으로 기존의 폴리이미드 소재 제조 공정에는 비점*이 높고 독성이 강한 유기용매**가 사용되지만 사용하지만, 본 기술은 물을 반응 용매로 사용하여

       합성 재료의 원가를 10% 이하***로 대폭 절감할 수 있다. 또한 독성 유기용매 처리를 위한 고비용 증류 회수시설이 필요 없다.

       * 액체 물질의 증기압이 외부 압력과 같아져 끓기 시작하는 온도

       ** NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone), DMAc(Dimethylacetamide), DMF (Dimethylformamide)

       *** 용매 원가 : NMP 20L 약 400불($), 증류수 20L 10불($), 공업용 수돗물 1톤 1불($) 미만

   ○ 또한, 기존 유기용매 기반 공정에서는 350°C 이상의 고온이 필요하지만, 본 기술은 공정 온도를 100°C 이상 낮춘 250°C의 저온 공정을

       가능하게 하여 에너지 소비를 전기 용량 기준으로 30% 이상 절감할 수 있는 장점이 있다.

□ 본 기술은 기존의 독성 유기용매를 대체하는 친환경 공정을 제시함으로써, 폴리이미드 소재의 상업화 가능성을 더욱 높였다. 실제로 본 기술을 활용하여

    배터리 음극 바인더 및 절연소재로 두 차례 기술 이전을 체결하였다. 연구팀은 배터리 바인더, 절연 코팅, 3D 프린팅 소재 등 다양한 응용 연구를 통해

    고부가가치 산업으로 확장해 나갈 계획이다.

   ○ 원종찬·김윤호 박사는 “이번 연구는 환경과 경제성을 동시에 만족시키는 혁신적인 친환경 공정으로, 폴리이미드 소재뿐만 아니라 고성능 고분자 소재의

       장기적 발전과 글로벌 경쟁력 강화를 위해 연구를 이어갈 계획이다.”라고 밝혔다.

□ 이번 연구 결과는 에이씨에스 서스테이너블 케미스트리 & 엔지니어링(ACS Sustainable Chemistry & Engineering, IF : 8.3) 10월호 표지논문과 케미칼 엔지니어링 저널

    (Chemical Engineering Journal, IF : 13.4)  7월호에 각각 게재되었다. 또한 한국화학연구원 기본사업과 과학기술정보통신부의 중견연구자사업, 나노및소재 기술개발사업의

    지원을 받아 수행되었다.

 - 독성 금속 포함된 기존 상용 소재와 달리 인체 무해, 저렴한 구리-황 소재 활용한 열전 소재
 - 기존 화학적 합성법에 비해 간단하게 정밀한 구조로 대량 생산하고, 다양한 기판에 부착 가능
 - 40℃ 온도 차 환경에서 밀리와트 수준 전력 생성
 - 주변 온도 탐지 기능을 갖춘 스마트 장갑 센서 등 활용 가능

□ 국내 연구진이 물체 간 온도 차이로 발전이 가능한 열전 소재를 친환경적이고 경제적인 재료로 대량 생산할 수 있는 기술을 개발했다.

  ㅇ 한국화학연구원(원장 이영국) 조동휘, 이정오, 이예리 박사 연구팀은 최근 고려대학교(총장 김동원) 전석우 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 비싸고 독성이 있는 기존 상용 열전 소재 재료 대신, 구리(Cu) 기판에 매우 저렴한 황(S)을 용액 형태로 처리한 구리 황화물(CuS) 나노구조 박막 제조 기술을 보고했다. 이번 연구 결과는 세계적 권위 국제학술지 ‘인포멧(InfoMat)’에 11월 표지 논문으로 게재됐다.

□ 발전소·선박·차량 등 산업 기계에서 발생하는 에너지의 65% 이상은 열로 손실되는 만큼 폐열을 전기로 바꾸는 열전 소재 연구가 활발하다. 상용 열전 소재인 비스무스 텔루라이드(Bi₂Te₃), 리드 텔루라이드(PbTe) 등의 합금 소재는 ZT(열전 성능 지수) 값이 1 이상의 높은 열-전기 변환 효율을 보인다. 다만 비싸고 독성이 있어 대량 생산 및 친환경 에너지 발전이 제한된다.

□ 연구팀은 인체에 무해하고 저렴한 구리 황화물(CuS)에 주목했다. 먼저 미세한 두께의 결정성 구리 호일을 황 용액에 담근 후, CuS가 결정화될 때까지 온도, 시간, 그리고 반응 농도를 정밀하게 제어하여 CuS의 성장 형태를 세밀하게 조절했으며, 성장 원리를 최초로 규명하였다.

  ㅇ 이 제조 방식은 기존의 화학적 합성법으로 CuS 나노입자를 만드는 방법보다 더 간단하고, 대면적 생산도 빠르게 할 수 있다. 만들어진 CuS 표면은 작은 구멍이 뚫린 미세 기둥들이 자라난 상태로서, 마치 빼곡한 오리털처럼 열 이동을 잘 막아준다. 열이 일부 구역에만 맴돌며 찬 구역과 온도 차이가 오래 유지될수록 열-전기 변환 효율은 높아진다.

  ㅇ 제작된 CuS 나노 구조 박막은 구리 호일의 습식 식각 공정을 통해, 기판에 반도체를 옮겨 심듯이 유연 기판 등 다양한 기판에 전사(잘라내 붙이기)가 가능하다. 이에 따라 고온 발생 기계의 폐열 회수, 웨어러블 기기의 최첨단 에너지 수확 시스템 등에 다양하게 적용할 수 있다.

  ㅇ 개발된 CuS 나노 구조 박막은 650K(367.85℃)에서 ZT 값 0.91을 기록해 기존 상용 열전 소재와 비교할 수 있는 매우 높은 열전 성능을 보여주었으며, 300~400℃ 범위의 산업 기계에 적합할 것으로 예상된다. 또한, 40K(40℃)의 온도 차가 발생할 경우 CuS 기반 열전 발전기를 사용하여 저전력 센서에 활용 가능한 밀리와트 수준의 전력을 생산할 수 있다. 다양한 기판에 쉽게 옮길 수 있는 특징 덕분에 개발한 박막을 장갑에 적용해, 무선 온도 탐지 기능을 추가한 스마트 장갑도 만들 수 있었다.

□ 연구팀은 향후 CuS 박막을 다양한 웨어러블 기기와 에너지 하베스팅 기술에 적용하여 상용화할 계획이다. 이를 통해 전 세계적으로 에너지 효율성을 높이고, 온실가스 배출을 줄이는 데 기여할 것으로 기대된다.

  ㅇ 연구진은 “기존 상용 소재보다 저렴한 재료로 원하는 구조를 정밀하게 만들었고, 대량 생산이 가능하다는 점이 차별성”이라고 말했다. 또한 화학연 이영국 원장은 “친환경 열전 박막 소재가 폐열 회수 시장 개척 및 웨어러블 기기 제품 혁신으로 이어져, 미래의 에너지 문제 해결에 중요한 역할을 할 것으로 기대한다.”라고 말했다.

  ㅇ 이번 논문은 재료·화학 과학기술 분야 국제학술지인 ‘재료 정보(인포맷, InfoMat, (IF : 22.7))’에 2024년 11월 표지논문으로 게재됐다. 화학연 이예리·이건희 박사, 고려대 최명우 박사가 공동 1저자로 참여했다. 이번 연구는 한국화학연구원 기본사업, 과학기술정보통신부 한국연구재단 정보융합기술단의 지원을 받아 수행됐다.