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미세 플라스틱, 인간과 개 고환 조직에서도 발견⋯생식 기능 저하 우려
- 미세 플라스틱이 인간 태반과 생쥐의 뇌뿐만 아니라 인간과 개의 생식기에서도 발견됐다. 미국 뉴멕시코주 앨버커키에 있는 뉴멕시코대학(UNM) 연구팀은 인간과 개의 고환 조직에서 미세 플라스틱을 다량 검출했다고 밝혀 미세 플라스틱이 인간의 생식 건강에 미칠 수 있는 영향에 대한 우려가 커지고 있다. 앞서 수행된 연구에서 미세 플라스틱은 인간의 태반과 장기, 생쥐의 뇌에서도 검출됐다. 지난 4월 10일 '환경 건강 관점(Environmental Health Perspectives)'에 발표된 연구 중 하나는 건강한 쥐에게 폴리스티렌 마이크로스피어(polystyrene microspheres)를 4~8주 동안 먹이는 실험이었다. 이후 과학자들은 폴리스티렌 마이크로스피어를 섭취한 쥐의 경우 뇌, 간, 신장 등의 조직에서 미세 플라스틱 조각이 검출된 것을 확인했다. 또한 미세 플라스틱을 먹은 쥐에게서 담석증 형성이 가속화됐다는 연구 결과도 나왔다. 세계보건기구(WHO)에 따르면, 미세 플라스틱은 일반적으로 크기가 5mm 이하인 불용성 고체 고분자 입자를 말한다. 그보다 더 작은 1㎛(마이크로미터) 이하의 입자는 일반적으로 미세 플라스틱이 아닌 나노 플라스틱으로 불린다. UNM 간호대학 교수인 샤오중 '존' 유(Xiaozhong 'John' Yu) 박사가 이끄는 연구팀은 '독성 과학(Toxicological Sciences)' 저널에 발표한 새로운 논문에서 사람 23명과 개 47마리의 고환에서 12종의 미세 플라스틱을 발견했다고 보고했다. 유 박사는 "우리 연구에서는 모든 인간과 개의 고환에 미세플라스틱이 존재한다는 사실이 밝혀졌다"고 말했다. 연구팀은 새로운 분석 방법을 사용해 조직 검체에서 미세 플라스틱의 양을 정량화할 수 있었으며, 특정 플라스틱 종류와 개의 정자 수 감소 간의 상관관계를 밝혀냈다. 인체 생식계에 미치는 다양한 환경 요인을 연구하는 유 박사는 최근 들어 중금속, 농약, 내분비계 교란 물질 등이 전 세계적으로 사람들의 정자 수 및 질적 저하에 관련이 있다고 말했다. 유 박사는 인간 태반에서 미세 플라스틱 존재를 입증한 매튜 캠펜 박사(뉴멕시코 대학교 약대 교수)와의 대화를 통해 미세 플라스틱의 인체 검출에 다른 원인이 있을지도 모른다는 의문을 갖게 됐다고 한다. 이를 계기로 유 박사는 캠펜 박사의 연구실에서 태반 연구에 사용했던 것과 동일한 실험 방법을 사용해 연구를 설계했다. 연구팀은 뉴멕시코 검시관 사무소로부터 익명 처리된 인체 조직(7년 보관 후 폐기)을 입수했으며, 개 조직은 앨버커키시 동물 보호소와 중성화 수술을 시행하는 사설 동물 병원에서 제공했다. 연구팀은 시료를 화학적으로 처리해 지방과 단백질을 분해하고 각 시료를 초원심 분리기로 회전시켜 플라스틱 덩어리를 얻었다. 그런 다음 금속 컵에 담긴 플라스틱 펠릿을 섭씨 600도까지 가열했다. 연구팀은 질량 분석기를 사용해 특정 온도에서 다양한 종류의 플라스틱이 연소할 때 배출되는 가스를 분석했다. 개의 경우 고환 조직에서 미세 플라스틱의 평균 농도는 1g당 122.63μg(마이크로그램, 1g의 백만분의 1)였다. 인체 조직에서는 329.44μg/g으로 개보다 거의 3배 높았다. 이는 캠펜 박사가 태반 조직에서 발견한 미세 플라스틱 평균 농도보다도 훨씬 높았다. 유 박사는 "처음에는 미세 플라스틱이 생식 기관에 침투할 수 있을지 의문이 들었다"라면서도 "개에 대한 결과를 처음 받았을 때 저도 놀랐다. 인간에 대한 결과를 받았을 때는 더욱 놀랐다"고 말했다. 폴리에틸렌(PE) 최다 검출 연구팀에 따르면 인간과 개의 조직에서 가장 흔하게 발견되는 폴리머는 폴리에틸렌(PE)이었다. 이는 플라스틱 가방과 병 제조에 사용된다. 개에게는 산업, 도시 및 가정용 배관과 여러 다른 용도로 사용되는 PVC가 그 뒤를 이어 검출됐다. 유 박사는 연구팀은 화학적으로 보존된 인간 시료에서는 정자 수를 세어볼 수 없었지만, 개의 경우 시료의 정자 수를 셀 수 있었으며, 조직 내 PVC 농도가 높을수록 정자 수가 적다는 상관관계를 발견했다고 말했다. 하지만 PE 조직 농도와는 관련성이 없었다. 그는 "플라스틱 종류에 따라 잠재적인 기능과 상관관계가 있을 수 있다"며 "PVC는 정자 생성을 방해하는 많은 화학물질을 방출할 수 있으며, 내분비계 교란을 일으키는 화학물질을 포함하고 있다"고 말했다. 이 연구는 몇 가지 이유로 인간과 개의 조직을 비교했는데, 그 중 하나는 개가 사람과 함께 살고 환경을 공유하기 때문이다. 또한 개와 사람은 생물학적 특징도 일부 공유하고 있다. 유 박사는 "쥐나 다른 동물에 비해 개는 인간에 더 가깝다"고 말했다. 이어 "생리적으로 그들의 정자 생성은 인간에 더 가깝고 농도도 인간과 더 유사하다"면서 개의 정자 수도 감소하는 것으로 보인다고 전했다. 그는 "개와 인간이 정자 수 감소에 기여하는 공통적인 환경 요인을 공유하고 있는 것 같다"고 부연했다. 미세플라스틱은 플라스틱이 햇빛의 자외선에 노출되어 매립지에서 분해될 때 발생한다. 바람에 날리거나 인근 수로로 운반될 수 있으며, 일부 조각은 나노미터(10억 분의 1미터) 단위로 측정될 정도로 매우 작다. 매년 강과 바다호 흟러드는 플라스틱 폐기물은 800만톤에 달하는 것으로 알려졌다. 전 세계적으로 플라스틱 사용이 계속 증가함에 따라 플라스틱은 이제 환경에 어디에나 존재한다. 심지어 남극 대륙의 크릴 새우에도 미세 플라스틱이 발견됐다. 유 박사는 OMI 부검 시료에 포함된 남성의 평균 연령이 35세로, 플라스틱 유통량이 적었던 수십 년 전부터 플라스틱에 노출되기 시작했다는 점에 주목했다. 그는 "그 어느 때보다 많은 플라스틱이 환경에 존재하는 지금이 젊은 세대에게 더 큰 악 영향을 미칠까 우려스럽다"고 말했다. 그는 이번 연구 결과가 미세 플라스틱이 고환의 정자 생산에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 이해하기 위한 추가 연구의 길을 제시한다고 말했다. 유 박사는 "아직 밝혀지지 않은 것이 많다. 우리는 잠재적인 장기적인 영향이 무엇인지 살펴볼 필요가 있다"면서 "미세 플라스틱이 정자 감소에 기여하는 요인 중 하나인 걸까요?"라고 반문했다. 유 박사는 "우리는 사람들을 겁주고 싶지 않다"며 이번 연구 결과에 대해 사람들이 당황하지 않기를 바란다고 밝혔다. 그는 "우리는 과학적으로 데이터를 제공하고 사람들에게 미세 플라스틱이 많다는 사실을 알리고 싶다. 우리는 플라스틱 노출을 피하고, 생활 방식을 바꾸고, 행동을 바꾸기 위해 스스로 선택할 수 있다"며 플라스틱의 폐해를 줄이자고 강조했다.
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- 생활경제
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미세 플라스틱, 인간과 개 고환 조직에서도 발견⋯생식 기능 저하 우려
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[신소재 신기술(44)] 혈액뇌장벽 관통 나노입자 개발
- 혈액 뇌 장벽을 뚫는 나노입자가 개발돼 유방암과 뇌 전이 치료의 새로운 가능성을 열었다. 미국 마이애미 대학교 밀러 의과대학 실베스터 종합 암 센터의 연구원들은 혈액뇌장벽을 관통할 수 있는 나노입자를 개발했다고 과학 웹사이트 phys.org가 지난 6일(현지시간) 보도했다. 연구원들의 목표는 한 번의 치료로 원발성 유방암 종양과 뇌 전이를 죽이는 것이다. 이 연구는 실험실 연구에서 유방암과 뇌종양을 줄일 수 있음을 보여준다. 이차 종양이라고 불리는 '뇌 전이'는 유방암, 폐암, 대장암과 같은 고형 종양에서 가장 흔하게 발생하며 예후가 좋지 않은 경우가 많다. 암이 뇌에 침범하면 뇌와 신체의 나머지 부분을 분리하는 거의 뚫을 수 없는 막인 혈액 뇌 장벽으로 인해 치료가 어려울 수 있다. 이 연구를 주도한 실베스터의 생화학 및 분자생물학 부교수이자 기술 및 혁신 부책임자인 샨타 다르 박사는 연구팀이 개발한 나노 입자가 향후 원발 종양을 동시에 치료하는 추가적인 이점과 함께 전이를 치료하는 데 사용될 수 있다고 말했다. 다르 박사는 이번 논문의 시니어 저자이기도 하다. 이 연구 논문은 지난 5월 6일 미국 국립과학원 회보에 게재됐다. 연구팀은 전임상 연구에서 세포의 에너지 생산 중심인 미토콘드리아를 표적으로 하는 두 가지 전구 약물을 입자에 탑재해 유방암과 뇌종양을 축소할 수 있음을 보여주었다. 다르 박사는 "저는 항상 나노 의학이 미래라고 말한다. 물론 우리는 이미 그 미래에 와 있다"며 나노 입자를 제형에 사용하는 상용화된 코로나19 백신을 언급했다. 그러면서 "나노 의학은 암 치료제의 미래이기도 하다"라고 덧붙였다. 이 새로운 방법은 다르 연구팀이 이전에 개발한 생분해성 폴리머로 만든 나노 입자와 암의 에너지원을 겨냥하여 연구실에서 개발한 두 가지 약물을 결합해서 사용한다. 암세포는 건강한 세포와 다른 형태의 신진대사를 하는 경우가 많기 때문에 대사를 억제하면 다른 조직을 해치지 않고 종양을 죽이는 효과적인 방법이 될 수 있다. 이러한 약물 중 하나는 고전적인 화학 요법 약물인 시스플라틴의 변형 버전으로, 빠르게 성장하는 세포의 DNA를 손상시켜 암세포의 성장을 효과적으로 중단시킴으로써 암세포를 죽인다. 그러나 종양 세포는 DNA를 복구해 때때로 시스플라틴 내성을 일으킬 수 있다. 다르 박사팀은 약물의 표적을 염색체와 게놈을 구성하는 DNA인 핵 DNA에서 미토콘드리아 DNA로 바꾸도록 수정했다. 미토콘드리아는 세포의 에너지원이며 훨씬 작은 자체 게놈을 포함하고 있으며, 암 치료 목적상 중요한 것은 큰 게놈과 동일한 DNA 복구 메커니즘을 가지고 있지 않다는 점이다. 암세포는 성장과 증식을 유지하기 위해 다양한 에너지원을 전환할 수 있기 때문에 연구팀은 산화적 인산화로 알려진 에너지 생성 과정을 공격하는 변형 시스플라틴을 키나아제로 알려진 미토콘드리아 단백질을 표적으로 하고 다른 종류의 에너지 생성인 해당 작용을 억제하는 또 다른 약물인 Mito-DCA와 결합하여 개발했다. 다르 박사는 뇌에 접근할 수 있는 나노입자를 개발하는 것은 먼 길이라고 말했다. 그녀는 평생 동안 나노 입자를 연구해 왔으며, 다양한 형태의 폴리머를 연구하는 이전 프로젝트에서, 전임상 연구에서 일부 나노 입자가 뇌에 도달하는 것을 발견했다. 다르의 연구팀은 이러한 폴리머를 더욱 연마하여 혈액-뇌 장벽과 미토콘드리아의 외막을 모두 통과할 수 있는 나노 입자를 개발했다. 다르 박사는 "이 사실을 알아내기까지 많은 우여곡절이 있었으며, 이 입자가 혈액뇌장벽을 통과하는 메커니즘을 이해하기 위해 여전히 노력하고 있다"고 말했다. 그런 다음 연구팀은 전임상 연구에서 특수 약물이 탑재된 나노 입자를 테스트한 결과 유방 종양과 뇌에 종양을 형성하기 위해 주입된 유방암 세포를 모두 축소시키는 효과가 있다는 사실을 발견했다. 나노 입자-약물 조합은 또한 실험실 연구에서 무독성이며 생존 기간을 크게 연장하는 것으로 나타났다. 연구팀은 향후 환자 유래 암세포를 사용해 인간의 뇌 전이를 더 가깝게 재현하기 위해 실험실에서 이 방법을 테스트할 계획이다. 또한 특히 공격적인 뇌암인 교모세포종의 실험실 모델에서 이 약물을 테스트할 예정이다. 다르 박사의 연구실에서 근무하는 마이애미 대학교 박사 과정 학생이자 이번 연구의 공동 제1저자인 아카시 아쇼칸은 "저는 고분자 화학에 관심이 많고, 이를 의료 목적으로 사용하는 것이 정말 매력적이다"라고 말했다.
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[신소재 신기술(44)] 혈액뇌장벽 관통 나노입자 개발
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[신소재 신기술(42)] 플라스틱 폐기물 90% 분해하는 혁신 기술
- 과학자들은 우리 시대 가장 심각한 환경 문제 중 하나인 플라스틱 오염을 해결하기 위한 독창적인 방법을 제시했다. 미국 캘리포니아 대학교 연구팀이 플라스틱을 먹는 매우 강한 포자가 함유된 플라스틱이 매립지에서 스스로 분해되는 기술을 개발했다고 네이처닷컴과 BBC, 뉴아틀라스 등 다수 외신이 집중 조명했다. 이 연구에서는 고온 용융 압출을 사용해 폴리머 분해 박테리아의 포자를 열가소성 폴리우레탄에 통합하는 바이오 복합재 제작을 시연했다. 플라스틱의 한 종류인 폴리우레탄은 강도와 탄성이 뛰어나 휴대폰 케이스부터 운동화까지 모든 제품에 사용되지만 재활용이 까다로워 주로 매립된다. 플라스틱에 첨가되는 박테리아의 종류는 식품 첨가물 및 프로바이오틱스로 널리 사용되는 고초균(枯草菌)으로 영문으로는 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis)로 불린다. 고초균은 토양과 발효식품 등 다양한 환경에서 발견되는 세균이다. 또한 바실러스 서브틸리스 포자로 채워진 열가소성 폴리우레탄의 전반적인 인장 특성이 크게 개선되어 인성이 매우 향상됐다. 캘리포니아대학교 샌디에이고 라호야 캠퍼스의 김한솔 연구원은 "자연에서 플라스틱 오염을 완화할 수 있다는 희망이 있다"고 말했다. 공동 연구원 존 포코르스키는 "우리의 공정은 소재를 더욱 견고하게 만들어 플라스틱의 수명을 연장한다"고 말했다. 그는 "그리고 이 공정이 완료되면 폐기 방법에 관계없이 환경으로부터 플라스틱을 제거할 수 있다"고 설명했다. 포코르스키 연구원은 "이 플라스틱은 현재 실험실에서 연구 중이지만 제조업체의 도움을 받으면 몇 년 안에 실제 환경에 적용될 수 있을 것"이라고 덧붙였다. 플라스틱은 강하고 다양한 용도로 사용되는 소재지만, 이러한 장점은 폐기 처리를 어렵게 만드는 요인이기도 하다. 플라스틱은 분해되는 데 수십 년 또는 수백 년이 걸리기 때문에 엄청난 양의 플라스틱 쓰레기가 매립지와 바다를 오염시키고 있는 실정이다. 연구팀은 플라스틱에 플라스틱 분해 박테리아 포자를 넣어 매립지에 폐기될 때 활성화되도록 만들었다. 이를 통해 5개월 만에 플라스틱 물질의 90%가 생분해되는 것이 확인됐다. 게다가 '플라스틱 분해 박테리아 포자'를 넣은 플라스틱은 실제로 사용하는 동안 일반 플라스틱보다 더욱 견고하고 강했다. 최근 몇 년 동안 과학자들은 플라스틱을 분해하는 능력을 갖춘 박테리아를 발견하고, 이 과정을 담당하는 효소를 분리하여 효율성을 높였다. 이를 통해 효소와 박테리아로 플라스틱을 처리하는 더 효율적인 재활용 시설이 구축될 수 있다. 하지만 재활용 시설로 옮겨지지 않는 플라스틱은 어떻게 될까. 앞서 지적했듯이 열가소성 폴리우레탄(TPU)은 신발, 스포츠 용품, 휴대폰 케이스, 자동차 부품 등을 만드는데 일반적으로 사용되는 견고한 플라스틱 유형이지만 현재 재활용이 불가능하다. 연구팀은 TPU 폐기 처리를 위해 플라스틱 분해 박테리아 바실러스 서브틸리스의 포자를 플라스틱 자체에 직접 넣는 새로운 방법을 연구했다. 또한 연구팀은 포자를 넣은 플라스틱 제품이 너무 일찍 분해되지 않고, 정상적인 기간 동안 사용한 뒤 매립지나 자연 환경에서 폐기될 때만 생분해가 시작되도록 설계했다. 내열성 미생물로 온도 한계 극복 먼저 극복해야 할 문제는 플라스틱 제조에 사용되는 높은 온도였다. 플라스틱 가공시 사용되는 고온으로 인해 대부분의 박테리아 포자가 죽는다. 연구팀은 이를 극복하기 위해 내열성 미생물을 유전공학적으로 제작했으며, 플라스틱 가공 온도인 135°C(275°F)에서 변형된 박테리아의 96~100%가 생존하는 것을 확인했다. 변형되지 않은 박테리아의 경우 생존율은 겨우 20%에 불과했다. 다음으로 연구팀은 박테리아가 플라스틱을 얼마나 잘 분해하는지 테스트했다. 이 과정은 토양의 영양분과 수분에 의해 시작된다. 플라스틱 무게의 최대 1% 농도에서 박테리아는 퇴비에 묻힌 후 5개월 이내에 플라스틱 물질의 90% 이상을 분해했다. 이 새로운 플라스틱은 사용 중 강도가 약화될 것으로 추정했지만, 실제로는 그 반대 효과가 나타났다. 포자를 넣어 만든 플라스틱은 일반 폴리우레탄(TPU)보다 최대 37% 더 강하고 인장 강도가 최대 30% 더 높은 것으로 나타났다. 연구팀은 포자가 강화 충전재 역할을 하는 것으로 추정했다. 연구팀은 이 기술은 확장 가능성이 높으며, 사용 중 더욱 견고하고 강하면서 재활용이 불가능한 TPU를 폐기 처리하는 새로운 방법을 열 수 있다고 말했다. 이를 다른 몇 가지 방법과 함께 사용한다면 플라스틱 오염 문제 해결에 진전을 이룰 수 있을 것으로 보인다. 플라스틱의 약 80%가 재활용되지 않고 매립지나 자연 환경에 축적되고 있는 실정다. 또한 폴리우레탄(PU)은 세계에서 6번째로 많이 생산되는 플라스틱이지만 재활용을 위한 거버넌스는 없다. PU 폐기물은 수지 식별 코드의 카테고리 7(PETE, HDPE, PVC, LDPE, PP, PS 이외의 기타 플라스틱)에 따라 잠재적으로 수거될 수 있지만, 미국에서는 일반적으로 이 카테고리의 플라스틱 중 0.3%만이 재활용되고 있다. 플라스틱 분해 과정에 박테리아 포자를 결합시킨 것은 산업 공정에서 재생 가능한 폴리머 충전재로서 살아있는 세포를 도입할 수 있는 흥미로운 기회를 제공했다는 평가를 받고 있다. 연구진은 잠재적으로 확장 가능한 이 기술이 재활용할 수 없는 TPU를 폐기하는 새로운 방법을 제시하는 동시에 사용 중에 더 튼튼하고 강하게 만들 수 있다고 말했다. 이 기술을 다른 몇 가지 방법과 결합하면 플라스틱 오염 문제를 해결하는 데 어느 정도 진전을 이룰 수 있을 것으로 기대된다. 이 연구는 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)' 저널에 발표됐다.
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[신소재 신기술(42)] 플라스틱 폐기물 90% 분해하는 혁신 기술
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[먹을까? 말까?(7)] 미세 플라스틱이 가장 많이 들어 있는 음식은?
- 아침 밥과 점심, 저녁 식사로 우리는 얼마나 많은 플라스틱을 먹었을까? 이는 공상 과학 영화에 등장하는 내용이 아니다. 즉석 조리 음식과 배달 음식이 넘쳐나는 현재 우리 식탁을 점검해야 할 때가 되었다. 최근 외신에서는 미세 플라스틱이 인체에 미치는 폐해에 대한 보도가 넘쳐나고 있다. "놀랍게도 소금 대체재로 알려진 히말라야 소금에 미세 플라스틱이 엄청나게 함유돼 있다는 사실을 알고 있는 사람은 드물다. 새우와 과일, 당근 등 각종 채소, 즉석밥은 물론 쌀에도 미세 플라스틱이 들어 있다"고 CNN은 22일 보도했다. 2024년 2월 발표된 연구에 따르면 동식물성 단백질 샘플의 90%에서 0.2인치(5mm) 미만에서 2만5000분의 1인치(1마이크로미터)에 이르는 미세한 폴리머 조각인 미세플라스틱 양성 반응이 나왔다. 1마이크로미터보다 작은 것은 나노 플라스틱으로 10억 분의 1미터 단위로 측정해야 한다. 2021년에 발표된 한 연구에 따르면 채식주의자조차도 미세 플라스틱을 피해갈 수 없다. 플라스틱 크기가 아주 작으면 과일과 채소는 뿌리 시스템을 통해 미세 플라스틱을 흡수하여 식물의 줄기, 잎, 씨앗, 열매에까지 이들 미세 플라스틱을 옮길 수 있다. 다시 말하면 육안으로 확인할 수 없지만 우리가 먹는 과일과 채소 등 식용 식물들의 잎이나 뿌리, 열매 등에 이미 다량의 미세 플라스틱이 포함되어 있다는 의미다. 일상 생활에서 흔히 접하지만 미처 인식하지 못했던 미세 플라스틱이 함유된 음식을 다음과 같이 정리했다. 소금·설탕·과일·채소, 전부 미세 플라스틱 함유 소금도 플라스틱이 함유돼 있다. 2023년에 발표된 연구에 따르면 땅에서 채굴한 굵은 히말라야 핑크 소금에 미세 플라스틱이 가장 많았고, 그다음으로 검은 소금과 해양 소금이 그 뒤를 이었다. 2022년 연구에 따르면 설탕도 "인간이 미세 오염 물질에 노출되는 중요한 경로"로 밝혀졌다. 대부분 플라스틱으로 만들어진 티백도 엄청난 양의 플라스틱을 배출할 수 있다. 캐나다 퀘벡의 맥길 대학교 연구진은 플라스틱 티백 하나를 끓일 때 약 116억 개의 미세 플라스틱과 31억 개의 나노 플라스틱 입자가 물로 방출된다는 사실을 발견했다. 동양인들의 주식인 쌀도 미세 플라스틱을 지니고 있다. 호주 퀸즐랜드 대학교의 연구에 따르면 사람들이 밥 100g(1/2컵)을 먹을 때마다 3~4밀리그램의 플라스틱을 섭취한다. 특히 플라스틱 용기에 들어 있는 인스턴트 밥(즉석밥)의 경우 1회 제공량당 미세 플라스틱 섭취량은 13밀리그램으로 증가한다고 한다. 연구원들은 쌀을 씻으면 플라스틱 오염을 최대 40%까지 줄일 수 있다고 말했다. 또한 쌀에 많이 함유되어 있는 비소도 줄일 수 있다고 한다. 생수도 미세 플라스틱 오염을 벗어날 수 없다. 2024년 3월 발표된 연구에 따르면 표준 크기의 생수 두 병에 해당하는 1리터의 물에는 나노 플라스틱을 포함한 7가지 유형의 플라스틱 입자가 평균 24만 개 포함되어 있는 것으로 나타났다. 산모의 태반과 모유에도 미세 플라스틱 발견 미세 플라스틱은 이미 사람의 폐, 산모와 태아의 태반 조직, 모유, 사람의 혈액에서 발견됐다. 그러나 안타깝게도 최근까지 이러한 폴리머가 신체의 장기와 기능에 어떤 영향을 미치는지에 대한 연구는 거의 없었다. 2024년 3월 발표된 연구에 따르면 목의 동맥에 미세 플라스틱이나 나노 플라스틱이 있는 사람은 그렇지 않은 사람보다 향후 3년 동안 심장마비, 뇌졸중 또는 어떤 원인으로든 사망할 확률이 두 배나 높다고 한다. 전문가들은 인체 건강에 가장 우려스러운 플라스틱 오염 물질은 바로 '나노 플라스틱'이라고 지적했다. 그 이유는 아주 미세한 플라스틱 입자가 인체의 주요 장기의 개별 세포와 조직에 침입해 세포 과정을 방해하고 비스페놀, 프탈레이트, 난연제, 과불화화합물 또는 PFAS(자연 상태에서 절대 분해되지 않는 '영원한 화학물질')와 같은 내분비 교란 화학물질과 중금속을 침착시킬 수 있기 때문이다. 펜실베이니아주 이리에 위치한 펜 스테이트 베렌드의 지속가능성 책임자인 셰리 "샘" 메이슨은 이전 CNN 인터뷰에서 "이러한 화학물질은 모두 플라스틱 제조에 사용되므로 플라스틱이 우리 몸에 들어오면 그 화학물질도 함께 들어오는 것"이라고 말했다. 메이슨은 "체온이 외부보다 높기 때문에 이러한 화학 물질은 플라스틱에서 이동go 우리 몸속으로 들어가게 된다"면서 "이러한 화학 물질은 간과 신장, 뇌로 전달될 수 있으며 심지어 태반 경계를 넘어 태아에게까지 전달될 수 있다"고 설명했다. 반면, 국제생수협회 대변인은 앞서 CNN에 "현재 나노 및 미세 플라스틱 입자의 잠재적인 건강 영향에 대한 과학적 합의는 없다. 따라서 가정과 추측에 근거한 언론 보도는 대중을 불필요하게 겁주는 것 이상도 이하도 아니다"라고 말했다. 소고기 등 모든 유형의 단백질도 오염돼 지난 2월 '환경 연구(Environmental Research)'에 게재된 연구에서 연구진은 소고기, 빵가루를 입힌 새우, 닭 가슴살과 너겟, 돼지고기, 해산물, 두부, 명태 피쉬 스틱, 갈은 소고기와 유사한 식감의 식물성 크럼블, 식물성 생선 스틱 등 여러 식물성 육류 대체품을 포함해 일반적으로 소비되는 12가지 이상의 단백질에 대해 조사했다. 연구 결과에 따르면 빵가루 입힌 새우에는 1회 제공량당 평균 300개 이상의 미세 플라스틱 조각이 발견돼, 미세한 플라스틱이 가장 많이 함유된 식품으로 이름을 올렸다. 그 뒤를 이어 식물성 너겟이 1회 제공량당 100개 미만으로 2위를 차지했고, 치킨 너겟, 명태 피쉬 스틱, 최소한의 가공을 거친 화이트 걸프 새우, 갓 잡은 키웨스트 핑크 새우, 식물성 생선 스틱이 그 뒤를 이었다. 가장 오염이 적은 단백질은 닭 가슴살이었으며, 돼지 등심과 두부가 그 뒤를 이었다. 연구 결과를 소비자 소비 데이터와 비교한 결과, 미국 성인의 미세 플라스틱 평균 노출량은 연간 11,000~29,000개이며, 연간 최대 380만 개의 미세 플라스틱에 노출될 것으로 추정된다. 사과와 당근, 미세 플라스틱 가장 많이 오염돼 바다는 플라스틱으로 가득 차 있으며, 이들 플라스틱이 우리가 먹는 해산물에 어떻게 유입되는지는 여러 연구를 통해 밝혀졌다. 그러나 2020년 8월 발표된 한 연구에 따르면 채소와 소, 돼지 등 육상 동물 단백질과 미세 플라스틱에 대한 연구는 거의 이루어지지 않았다. 학술지 '환경 과학(Environmental Science)'에 발표된 이 연구에서는 다양한 과일과 채소에서 10㎛(1마이크로미터는 빗방울 지름 정도) 미만의 플라스틱 입자가 5만2050~23만3000개 발견됐다. 연구 결과에 따르면 사과와 당근은 각각 그램당 10만개 이상의 미세 플라스틱을 함유해, 가장 오염된 과일과 채소였다. 가장 작은 미세 플라스틱 입자는 당근에서 발견되었고, 가장 큰 플라스틱 조각은 양상추에서 발견됐다. 참고로 양상추는가장 오염이 적은 채소였다. 플라스틱으로 가득찬 세계 최근 분석에 따르면 오늘날 전 세계에는 엄청난 수의 플라스틱이 존재한다. 그 중 최소 4200종에서 인체와 환경에 '매우 유해한' 것으로 간주되는 1만6000개의 플라스틱 화학물질이 존재한다. 이러한 화학물질은 환경에서 분해되면서 미세 플라스틱으로 변한 다음 나노 플라스틱으로 변할 수 있는데, 이 입자는 너무 작아 수십 년 동안 과학계에서 이를 발견하는 데 어려움을 겪었다. 새로운 기술을 활용한 최근 연구에 따르면 미국에서 판매되는 인기 생수 브랜드 3곳의 나노플라스틱 수가 리터당 11만개~37만 개에 달하는 것으로 나타났다. 앞서 말했듯이 1리터는 약 16온스(약 480ml, 음료에서 일반적인 그란데 사이즈) 생수 두 병에 해당하는 양이다. 연구 저자들은 어떤 브랜드의 생수를 연구했는지는 밝히지는 않았다. 이전 기술을 사용한 연구에서는 같은 양의 생수에서 더 큰 미세 플라스틱과 함께 약 300개의 나노 플라스틱만 확인됐다. 플라스틱 오염을 줄이는 방법 메이슨은 생수에서 발견되는 플라스틱 오염의 노출을 줄이기 위해 유리 또는 스테인리스 스틸 용기에 담긴 수돗물을 마시라는 오랜 전문가의 조언을 거듭 지적했다. 이러한 조언은 플라스틱으로 포장된 다른 음식과 음료에도 적용된다고 그녀는 덧붙였다. 메이슨은 "사람들은 플라스틱을 흘린다고 생각하지 않지만 실제로는 흘린다"면서 "우리가 피부 세포를 끊임없이 벗겨내는 것과 거의 같은 방식으로 플라스틱은 상점에서 구입한 샐러드나 플라스틱으로 포장된 치즈의 플라스틱 용기를 열 때 등 깨진 작은 조각을 끊임없이 포장된 내용물에 흘리고 있다"고 설명했다. 전문가들에 따르면 우리가 섭취하는 플라스틱에 대해 과학이 더 많은 내용을 밝혀주기까지 사람들은 플라스틱 노출을 줄이기 위해 노력해야 한다. 먼저 플라스틱 용기에 보관된 음식은 먹지 않도록 하는 것이 좋다. 대신 유리, 에나멜 또는 호일에 보관된 식품을 찾아보라고 전문가는 권했다. 또한 천연 섬유로 만든 옷을 입고 천연 소재로 만든 소비재를 구입하는 것이 좋다. 특히 플라스틱 용기에 음식을 담아 전자레인지에 돌리지 말고, 유리 용기에 담아 전자레인지를 돌리는 것이 좋다. 또한 가스레인지에서 음식을 가열해서 데우는 방법도 있다. 전문가들은 "가능한 한 신선한 식품을 많이 섭취하고, 플라스틱으로 포장된 가공식품 및 초가공식품의 구매를 제한하는 것이 바람직하다"고 강조했다.
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- 생활경제
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[먹을까? 말까?(7)] 미세 플라스틱이 가장 많이 들어 있는 음식은?
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미세 플라스틱, 인간 소변서도 발견⋯자궁내막증과 연관 시사
- 플라스틱이 인체에 미치는 다양한 연구가 진행되는 가운데. 인간의 소변에서 매우 강한 독성을 지닌 미세 플라스틱이 검출됐다. 과학 전문매체 더 쿨다운은 과학자들이 건강한 참가자와 자궁 내막 조직이 자궁 밖에서 자라는 만성 질환인 자궁내막증 환자의 소변 샘플에서 모든 종류의 미세한 입자(미세 플라스틱입자)를 검출했다고 지난 10일(현지시간) 보도했다. 이 연구는 4월 1일 '생태독성학 및 환경 안전 저널(Ecotoxicology and Environmental Safety)'에 게재됐다. 연궈 결과 두 집단 간의 미세 플라스틱 수치는 큰 차이가 없었지만, 검출된 미세 플라스틱의 종류는 달랐다. 건강한 사람의 경우 폴리에틸렌(27%)이 주를 이루었고, 자궁내막증 환자는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE, 59%)이 가장 많았다. 또한 건강한 사람의 검체에서는 폴리스티렌(16%), 레진(12%), 폴리프로필렌(12%) 등이 검출됐다. 연구에 따르면 폴리에틸렌은 자궁내막증 참가자의 샘플에서 발견된 미세 플라스틱의 16%를 차지했다. 자궁내막증 환자의 금속 카테터에서 두 번째 샘플 세트를 채취한 결과, 미세 플라스틱의 크기는 약 32 마이크로미터에서 22 마이크로미터로 다른 검체보다 상당히 작았다. 일반적인 미세 플라스틱 크기는 평균 177 x 117 마이크로미터이다. 1마이크로미터는 0.001밀리미터이다. 연구팀은 "미세 플라스틱은 모든 환경에서 발견되며 인체 음식 사슬에도 존재하고 최근 여러 인체 조직에서 검출됐다"고 밝혔다. 자궁내막증은 알려진 원인이 없으며, 과학자들은 미세 플라스틱 수치가 질병과 관련이 있는지, 염증을 유발하거나 화학 물질을 체내로 침출시키는지 여부를 조사했다. 연구팀은 "미세 플라스틱이 신체 내 이동 경로와 이러한 입자의 크기가 신장 사구체 여과 시스템을 통과하기에는 너무 큰 것으로 보이지만 어떻게 이 기관을 통과하거나 우회했는지, 그리고 이러한 미세 플라스틱 존재로 인한 잠재적인 생물학적 영향에 대한 중요한 새로운 질문을 제기한다"라고 밝혔다. 연구팀은 "이는 미세플라스틱의 체내 이동과 신장 사구체 여과 시스템을 통과하거나 우회하는 방법, 그리고 이러한 장기를 통과하기에는 너무 커 보이는 크기로 인해 잠재적인 생물학적 영향과 관련하여 중요한 새로운 의문을 제기한다"고 말했다. 또한 연구팀은 미세 플라스틱이 인체 내에서 어떻게 이동하는지 살펴본 결과, 미세 플라스틱의 크기와 모양도 문제라고 말했다. 또한 오염 물질이 "이론적으로는 신장의 작은 모세혈관을 따라 방광에 도달하기에는 너무 크다"고 지적했다. 이 논문은 미세 플라스틱이 인간에게 미치는 영향은 알려지지 않았지만 "폴리머 특성 분석과 절차적 공백을 설명하는 인간 소변의 미세 플라스틱 오염에 대한 최초의 증거"를 제공했다고 밝혔다. 연구팀은 "그러나 높은 수준의 미세 플라스틱과 염증성 질환, 특히 장 질환 간의 관련성이 나타나고 있다"고 말했다. 또한 "이전 세포 기반 노출 실험에서 불규칙한 모양의 미세 플라스틱이 특히 독성이 강한 것으로 나타났다"면서 "'염증 및 산화 스트레스 유형의 영향'이 자궁 내막증 환자에게도 유사하게 영향을 미칠 수 있다"고 지적했다. 미세 플라스틱과 더 작은 나노 플라스틱은 플라스틱으로 만든 물병이나 식품 용기 등이 시간이 지남에 따라 분해될 때 생성된다. 미세 플라스틱의 양을 줄이는 가장 좋은 방법은 플라스틱 소비를 줄이는 것이다. 예를 들어 영국과 프랑스에서는 대부분의 패스트푸드와 테이크아웃 음식점에서 플라스틱 식기류의 사용을 금지했다. 인도는 2022년에 일회용 플라스틱 사용을 금지했다. 워싱턴 포스트는 다른 연구 결과를 인용하여 미세 플라스틱이 암과 알츠하이머병 위험을 증가시키고 출산 문제를 유발할 수 있다고 보도했다. 또한 이러한 영향은 나이가 들면서 더욱 악화될 수도 있다. 또다른 연구에 따르면 미세 플라스틱은 심장마비와 뇌졸중 발병에도 연관되어 있다. 세계자연보호연맹(IUCN)에 따르면 매년 약 4억톤 이상의 플라스틱이 생산되고 있다. 프랑스 파리의 에펠탑 무게는 약 1만톤이다. 매년 에[펩탑 4만 개 이상에 해당되는 플라스틱이 생산되고 있는 셈이다. 그러나 전 세계적으로 재활용되는 플라스틱은 약 9%에 불과하다. 매일 더 많은 플라스틱이 생산되고 있기 때문에 기업이 플라스틱에 대한 의존도를 낮추는 것이 중요하다. 소비자는 유리나 스테인리스 재질로 된 재사용 가능한 물병을 구입하고 플라스틱을 사용하지 않는 브랜드를 지지하는 등의 노력을 기울일 수 있다. 또한 기술 개발로 식수에서 미세 플라스틱을 제거할 수 있다. '예방이 치료보다 낫다'는 말이 있다. 플라스틱을 줄이기 위한 이러한 작은 실천이 모여 더 안전하고 깨끗한 미래를 만들 수 있다.
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미세 플라스틱, 인간 소변서도 발견⋯자궁내막증과 연관 시사
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[신소재 신기술(27)] 전고체배터리 스타트업 타이란신에너지, 초고에너지밀도 셀 공개
- 중국의 신재생 에너지 기업 타이란신에너지(太藍新能源·Talent New Energy)가 초고에너지 밀도를 갖춘 새로운 전고체 배터리 셀을 공개했다. 중국 전기차 전문매체 CNEV포스트는 전고체 리튬배터리 스타트업 타이란신에너지(이하 타이란)는 단일 셀 용량이 120Ah이고 실제 에너지 밀도가 720Wh/kg인 자동차 등급 전고체 리튬 금속 배터리 시제품을 세계 최초로 개발하는 데 성공했다고 지난 3일(현지시간) 보도했다. 타이란은 지난 2일 성명에서 이 수치가 리튬 배터리의 단일 셀 용량과 에너지 밀도 부분에서 새로운 업계 기록이라고 밝혔다. 참고로 전기차 제조사 니오(Nio)의 150kWh 반고체 배터리 팩은 베이징 위리온 뉴 에너지 테크놀로지(위리온)의 셀을 사용하며, 용량은 360Wh/kg이다. 니오는 지난달 이 반고체 배터리 팩이 2분기에 출시될 예정이며, 니오 차량에 탑재돼 1회 충전으로 최대 주행 거리(단일 충전 기준)를 1000km 이상으로 늘릴 것이라고 밝혔다. 타이란의 전고체 배터리는 위리온의 반고체 배터리보다 에너지 밀도가 두 배 높기 때문에 대량 생산이 가능하다면 전기차의 주행 가능 거리가 약 2000km에 달할 것으로 예상된다. 전고체 배터리와 반고체 배터리는 모두 차세대 에너지 저장 기술로 주목받고 있다. 두 배터리 기술의 주된 차이점은 전해질의 상태에 있다. 전고체 배터리는 액체나 젤 형태의 전해질 대신 고체 전해질을 사용한다. 고체 전해질은 일반적으로 폴리머, 세라믹 또는 복합체로 만들어진다. 고체 전해질은 불연성이기 때문에 전통적인 리튬 이온 배터리보다 화재나 폭발 위험으로부터 더 안전하다. 또한 고체 전해질을 사용함으로써 더 높은 에너지 밀도를 달성할 수 있다. 즉, 더 적은 공간에 더 많은 에너지를 저장할 수 있다. 반고체 배터리는 고체와 액체 성분을 혼합한 전해질을 사용한다. 즉, 부분적으로는 고체 물질을 포함하지만 액체 성분이 일부 존재한다. 반고체 배터리는 전고체 배터리로의 전환을 위한 중간 단계로 볼 수 있다. 타이란은 성명에서 초박막 고밀도 복합 산화물 전고체 전해질, 고용량 양극 및 음극 소재, 전고체 배터리 성형 공정 등 전고체 리튬 배터리의 여러 핵심 기술에서 혁신을 이뤄냈다고 밝혔다. 새로 발표된 배터리의 양극은 고용량, 수명이 긴 리튬이 풍부한 망간 기반 소재를 사용하고 음극은 초광대폭, 초박막이며 높은 사이클 안정성과 다양한 이점을 갖춘 리튬 금속 기반 복합 소재를 사용한다고 회사 측은 설명했다. 타이란은 또 양극 내 이온 및 전자 수송 네트워크를 효율적으로 구축해 양극 내부의 하전 입자 이동을 개선했다고 밝혔다. 아울러 자체 개발한 유연한 층 소재를 통해 배터리의 종합적인 성능 향상을 실현했으며, 이는 기존 리튬 이온 배터리의 주행거리와 안전성 문제 등을 근본적으로 해결할 수 있을 것으로 기대된다고 전했다. 2018년에 설립된 타이란은 전고체 리튬 배터리 및 소재 기술 개발에 주력하고 있다. 2022년 3월 중국 부동산 개발업체 비구이위안(碧桂園·컨트리 가든)으로부터 투자를 유치한 바 있다. 타이란은 산화물 시스템을 기반으로 고체 전해질과 고체 리튬 배터리를 개발했으며 다양한 소재와 반고체 및 전고체 배터리에 대한 기술 파이프라인을 완성했다. 지난해 보도자료에 따르면 1세대 반고체 배터리의 에너지 밀도는 최대 400Wh/kg, 2세대 준고체 배터리는 400Wh/kg에서 500Wh/kg의 에너지 밀도를 달성했다. 타이란은 이러한 1세대 및 2세대 배터리는 여전히 액체 전해질을 포함하고 있으며, 2023년 7월에 3세대 전고체 배터리는 더 이상 액체 전해질을 포함하지 않을 것이라고 말했다.
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[신소재 신기술(27)] 전고체배터리 스타트업 타이란신에너지, 초고에너지밀도 셀 공개
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인위적인 재충전 필요 없는 전기자전거 첫 출시
- 지금까지의 전기자전거는 재활용이 불가능한 배터리를 장착하고 있었다. 그런데 이런 전기자전거의 시대가 끝날 것이라는 전망이 나왔다. 이러한 변화는 슈퍼커패시터(콘덴서)에 초점을 맞춘 프랑스 제조업체의 혁신 덕분이라고 한다. 프랑스의 루아레 주의 주도 오를레앙에서 인위적인 배터리 재충전이 필요 없는 세계 최초의 전기자전거가 등장했다고 보스턴 에머슨칼리지 학생들이 운영하는 독립 라디오방송국 WECB가 보도했다. 보도에 따르면 'PI-POP'이라는 브랜드의 이 전기자전거는 마이크로모빌리티 산업의 혁신적 변화다. 인위적인 배터리 충전 방식이 아니라면 어떻게 자전거가 전기로 작동할 수 있을까? 그 비밀은 바로 슈퍼커패시터로 구동되는 방식이다. 슈퍼커패시터는 콘덴서 가운데 전기 용량의 성능을 중점적으로 강화한 것으로, 전지 기능을 주 목적으로 사용하도록 만들어진 부품이다. 중요한 것은 외부로부터의 충전이 아니기 때문에 특히 기후 변화 대응력이 높다는 점이다. 이러한 친환경 전기자전거의 탄생은 7년간의 고민과 연구, 개발이 있기에 가능했다. 개발팀은 이 자전거가 "사람들에게 필요한 세계 최초의 전기 보조 자전거"라고 강조한다. 작동 원리는 간단하다. 페달을 밟으면 전기 에너지가 생성되고, 이 에너지는 슈퍼커패시터에 저장되며, 시스템이 빠르게 재충전될 때 마법이 일어난다. 평지나 내리막에서 페달을 돌리면 충전되고, 오르막길을 달릴 때는 저장된 전기를 사용해 올라간다. 충전을 위해 전원을 연결하지 않는다. 오직 페달링으로 재충전되는 것이다. 특히 좋은 점은 건강을 위한 운동도 수반한다는 점이다. 평지에서 페달을 돌리면 충전과 함께 신체적인 단련도 동시에 이루어진다. 운동이 필요한 장년 및 노년층에게 더 바람직한 이동성 옵션이 될 수 있다. 신진대사가 활발한 청소년층에게도 도움이 된다. 배터리 자체도 기후 변화에 더 잘 대응할 수 있는 솔루션이다. 전 세계적으로 희귀한 금속이며 재활용도 어려운 리튬에 의존하는 배터리 기반 기존 전기 자전거보다 훨씬 친환경적이다. PI-POP 자전거의 슈퍼커패시터는 재활용성이 높은 탄소, 알루미늄, 셀룰로오스, 폴리머로 구성된다. 배터리 수명도 표준 배터리의 3~5년에 비해 10~15년으로 3배 이상 길어졌다. 친환경 전기자전거의 가격은 2450유로(약 356만원)이다. 획기적인 발전으로 지속 가능하고 환경 친화적인 마이크로모빌리티 옵션을 통해 전기 이동성으로 전환할 수 있는 경계가 더욱 넓어지고 있다는 평가다.
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- IT/바이오
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인위적인 재충전 필요 없는 전기자전거 첫 출시
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'바이오플라스틱' 환경 문제의 해답인가, 새로운 문제의 시작인가?
- 생분해성 혹은 식물 기반의 바이오 플라스틱은 급성장하고 있지만 여전히 기후 및 화학 물질에 대한 우려가 제기됐다. 환경건강뉴스(EHN)은 지난 11일(현지시간) 바이오 플라스틱은 미국 멕시칸 푸드 프랜차이즈 치폴레의 퇴비화 가능한 부리또 그릇부터 코카콜라의 식물성 병, 슈퍼마켓의 불투명한 농산물 봉투에 이르기까지, 식품 산업 전반에 걸쳐 확산되고 있다며 이같이 보도했다. 바이오 플라스틱은 그 외에도 자동차 쿠션, 전자제품, 의류, 건축 자재 등에도 사용되고 있다. EHN에서 소개한 바이오 플라스틱의 정의와 장점과 단점을 다음과 같이 정리했다. 전 세계 바이오 플라스틱 산업은 2023년 87억 달러(약 11조 4031억원)에서 2030년 310억 달러(약 40조 6317억 원)로 급성장세를 보이고 있다. 이는 전통적인 플라스틱 산업보다 빠른 성장률이다. 바이오 플라스틱은 전체 플라스틱 시장의 1%에 불과하지만, 일각에서는 바이오 플라스틱이 플라스틱의 지속 가능한 미래라고 선전하고 있다. 오는 4월, 플라스틱 오염 문제에 대한 해결책을 모색하기 위해 개최되는 국제 조약 회담을 앞두고 있는 대표단 중 일부는 바이오 플라스틱을 조약의 대안 및 대체품으로 포함시키려는 움직임을 보이고 있다. 유럽 바이오플라스틱 협회는 웹사이트에서 "바이오플라스틱이 플라스틱의 진화를 주도하고 있다"고 주장하며 바이오플라스틱의 장점으로 기존 플라스틱에 비해 '탄소 중립성'과 특정 조건에서의 생분해성을 꼽았다. 그러나 바이오 플라스틱이 분해 속도가 빠르고, 더 안전한 소재일 뿐만 아니라 탄소 발자국이 적다는 주장은 과장된 면이 있다. 전문가들은 바이오 플라스틱이 다양한 해결책 중 하나가 될 잠재력을 가지고 있음을 인정하면서도, 제품의 수명 종료 시 관리 및 화학적 안전성을 설계에 포함시키고, 기업의 그린워싱을 방지할 수 있는 더 강력한 표준과 규제의 필요성을 강조했다. 그린워싱(Greenwashing)은 기업이나 조직이 자신들의 제품, 서비스, 정책이 환경에 미치는 영향이 실제보다 훨씬 친환경적이거나 지속 가능하다는 인상을 주기 위해 마케팅 전략이나 홍보 활동을 하는 행위를 말한다. 이러한 행위는 대중에게 오해를 불러일으키거나 잘못된 정보를 제공하여, 실제로는 환경에 해를 끼칠 수 있는 제품이나 서비스를 친환경적인 것처럼 포장하는 것을 포함할 수 있다. 바이오 플라스틱 폐기물 규제 없어 노르웨이 과학기술연구소의 마틴 와그너 생물학 부교수는 바이오 기반 플라스틱을 안전한 방법으로 제조할 수 있다면, 물론 이는 매우 큰 전제이지만, 우려되는 화학 물질을 배제하고, 나노 및 미세 플라스틱의 생성을 최소화하는 방식으로 생산될 경우, 바이오 기반 플라스틱이 해결책의 한 부분이 될 수 있다고 말했다. 와그너의 연구에 따르면, 환경에 우호적인 것으로 여겨지는 퇴비화 가능한 그릇과 식물 기반 음료수 병이 전통적 플라스틱 제품에서 발견되는 것과 같은 수준의 건강에 해로운 화학 물질을 방출할 수 있다는 사실이 밝혀졌다. 또한, 생분해성 바이오 플라스틱이 플라스틱 쓰레기 문제를 근본적으로 해결하지 못한다는 지적도 있다. 바이오 플라스틱은 사용 후 적절한 관리가 필요함에도 불구하고, 바이오 플라스틱 폐기물을 산업적으로 퇴비화하거나 안전하게 관리할 수 있는 인프라나 규정이 아직 충분히 마련되지 않았다. 그로 인해 과학자들과 플라스틱을 지지하는 이들은 플라스틱 사용을 줄이는 것이 플라스틱 위기에 대응하는 가장 핵심적인 해법이라고 강조했다. 특히, 일회용 바이오플라스틱의 사용이 문제를 야기한다고 우려를 표명했다. 플라스틱 재사용을 지지하는 단체인 업스트림(Upstream)의 전무이사 크리스탈 드리스바흐 전무이사는 "지구에서 자원을 수십억 번 채취하고 제조해 단 한 번 사용한 뒤 버리는 행위 자체가 문제의 본질이다"라고 말함으로써, 지속 가능성에 대한 근본적인 접근 필요성을 강조했다. 바이오 플라스틱의 오해 바이오 플라스틱은 생분해성 또는 바이오 기반과 같은 용어가 명확하지 않아 많은 오해를 불러일으킨다는 지적이 있다. 해양 생물학 교수이자 플리머스 대학교 해양 연구소의 리처드 톰슨 소장은 "냉소적인 시각으로 보면 바이오플라스틱은 혼란을 일으키기 위해 의도적으로 만들어진 용어라고 생각한다"고 꼬집었다. 많은 사람들이 모든 바이오 플라스틱이 환경에서 생분해되거나 분해된다고 잘못 알고 있다는 지적이다. 또한 많은 사람들이 바이오 플라스틱이 식물 기반이라고 생각하지만, 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(PBAT)와 같이 화석 연료로만 만들어진 제품도 있다. 업계에서는 PBAT와 같은 물질을 바이오 플라스틱이라고 부르는데, 이는 화학 결합의 유형과 환경 조건에 따라 식물 기반 바이오 플라스틱과 마찬가지로 분해되도록 설계됐기 때문이다. 또한 업계에서는 바이오 플라스틱을 주로 생분해성 플라스틱과 비생분해성 플라스틱으로 나누며, 이들 각각의 범주 안에서 식물 기반 플라스틱과 화석 연료 기반 플라스틱을 동일한 그룹으로 분류하는 경향이 있다. 전 세계적으로 생산되는 플라스틱은 대체로 이 두 범주로 구분된다. 퇴비화 가능한 바이오 플라스틱은 업계 표준에 따라 산업 퇴비화 시설에서 12주 이내에 완전히 분해될 수 있는 생분해성 바이오플라스틱의 특정 부류에 속한다. 다른 한편으로, 비생분해성 바이오 플라스틱에는 사탕수수, 사탕무, 당밀, 또는 옥수수 등에서 추출된 바이오 기반의 폴리에틸렌(바이오-PE), 바이오 기반 폴리에틸렌 테레프탈레이트(바이오-PET), 폴리아미드(나일론) 등이 포함된다. 이 바이오 플라스틱들은 사탕수수 등 천연 자원에서 추출되었음에도 불구하고, 기존의 화석 연료 기반 플라스틱과 유사한 기능성을 제공하도록 설계됐다. 가장 흔히 사용되는 생분해성 바이오플라스틱 중 하나는 폴리락트산(PLA)으로, 옥수수와 같은 전분 기반의 폴리에스테르로 제조된다. 또한, 셀룰로오스 기반의 바이오 플라스틱 섬유도 이 범주에 포함되며, 농업 부산물, 해조류, 효모, 박테리아에서 추출한 폴리하이드록시알카노에이트(PHA)와 폴리부틸렌숙신산염(PBS)으로 제작된 바이오플라스틱도 동일한 범주 안에 속한다. '3세대' 바이오플라스틱은 농업 폐기물, 음식물 쓰레기, 다시마, 스위치그래스, 폐유, 박테리아, 목재 폐기물 등 다양한 원료를 활용하여 제작되며, 식량 작물을 사용하지 않기 때문에 보다 지속 가능한 대안으로 간주된다. 이러한 3세대 바이오플라스틱 제품들은 이미 시장에 출시되어 있지만, PLA나 바이오 폴리아미드를 사용한 제품들의 규모에는 아직 미치지 못하고 있다. 바이오 플라스틱 사용 용도는? 플라스틱 산업 협회의 지속 가능성 담당 매니저 헤더 노츠는 일회용 바이오 플라스틱 음료 용기, 퇴비화 가능한 식품 서비스 용기, 소매 포장, 그리고 기타 식품 산업 관련 제품이 바이오 플라스틱 사용의 약 43%를 차지한다고 말했다. 그중에서도 PLA와 바이오 PET의 사용이 가장 많다. 노츠에 따르면, 생분해성 멀치 필름 및 기타 농업용 제품이 주로 PLA와 PHA로 제조되어 전체 바이오 플라스틱 사용량의 약 21%를 차지한다. 또한, 안경, 섬유, 컵, 아이폰 케이스, 커피 포드 등의 소비재들은 전체 사용량의 13%를 차지하며, 이들 제품은 생분해성 및 비생분해성 다양한 바이오 플라스틱으로 제작된다. 자동차 산업도 바이오 플라스틱의 또 다른 중요한 소비자 군이다. 자동차 쿠션, 대시보드, 범퍼, 배터리 커버 및 기타 부품들이 점점 더 바이오 기반의 폴리아미드 및 바이오 PP로 제작되고 있다. 바이오 플라스틱의 사용은 또한 건축 및 건설, 전자, 코팅 산업에서도 확장되고 있지만, 상대적으로 더 적은 비율을 차지한다. 대규모 바이오 플라스틱 제조업체들은 대부분 화석 연료 기반 플라스틱을 생산하는 대형 석유화학 회사의 내부 사업부이거나, 이러한 대기업에서 독립한 분사 회사들이다. 그럼에도 불구하고, 어떤 회사가 시장에서 선도적인 위치를 차지하고 있는지에 대해서는 재무 분석가들 사이에 의견이 분분하다. 예를 들어, 인사이더 몽키는 바이오 플라스틱 부문이 전체 시가총액에서 차지하는 비중이 비록 작지만, 전체 시가총액 기준으로 BASF SE, 다우, 라이온델바젤 인더스트리, LG화학, 셀라니즈를 상위 5대 제조업체로 지목했다. 반면, 다른 분석가들은 석유화학 기업에 인수되었거나, 석유화학 기업과의 합작 투자를 통해 성장한 기업들을 시장의 선두 주자로 보는 경향이 있다. 이러한 기업으로는 네덜란드 암스테르담에 본사를 둔 다국적 식품 및 바이오케미컬 기업 코비온(Corbion), 영국 옥스퍼드에 본사를 둔 바이오플라스틱 생산 및 개발회사 바이옴 바이오플라스틱(Biome Bioplastics), 텐마크 코펜하겐의 플랜틱(Plantic), 미국 미시건 주의 네이처웍스(NatureWorks), 태국 방콕에 본사를 둔 바이오플라스틱 및 바이오케미컬 회사 PTT MCC바이오케미(PTT MCC Biochem) 등이 포함된다. 환경과 건강에 미치는 영향 바이오플라스틱은 전통적인 플라스틱과 유사한 제조 공정을 거쳐 생산된다. 이 폴리머는 최소한 부분적으로 식물 재료에서 추출한 화학 물질을 기반으로 하며, 때로는 화석 연료에서 완전히 추출한 화학 물질로 구성된다. 제품의 유연성, 내구성, 색상 및 기타 특성을 조정하기 위해 다양한 화학적 충전재, 첨가제 및 염료가 첨가된다. 세계자연기금(WWF)의 플라스틱 폐기물 및 사업 책임자인 에린 사이먼 부사장은 바이오 플라스틱이 여전히 독성 화학 물질을 포함할 수 있다고 말했다. 사이먼은 “PET를 제조할 때, 오래된 탄소 또는 새로운 탄소를 사용하더라도, 궁극적으로 같은 제품을 만들기 때문에 많은 가공 화학 물질이 여전히 필요하다”며, 바이오 플라스틱 생산 과정에서도 화학 물질의 사용이 불가피함을 지적했다. 와그너의 2020년 연구에 따르면 PLA, PBAT, PHA, PBS, 바이오 PE 및 바이오 PET로 만든 43개의 일상적인 바이오 플라스틱 제품이 기존 제품과 마찬가지로 독성이 있는 것으로 나타났다. 이 중 3분의 2가 환경 내 다양한 생명체에 유해할 가능성이 있는 것으로 나타났으며, 42%는 DNA 손상을 유발할 수 있는 자유 라디칼을 생성하는 화학물질의 존재로 인해 산화 스트레스를 일으키는 것으로 조사됐다. 또한, 4분의 1의 샘플에서는 호르몬 교란 특성이 관찰됐다. 분석된 개별 바이오 플라스틱 샘플에는 평균적으로 1000개에서 최대 2만965개에 이르는 다양한 화학적 특성이 포함되어 있었다. 연구를 주도한 와그너는 "이런 종류의 연구를 진행하면서 가장 충격적인 발견은 개별적인 플라스틱 제품에 엄청나게 많은 화학 물질이 존재한다는 사실이었다"고 말했다. 이 연구 과정에서 발견된 다수의 화학 물질들 중 상당수는 특정되지 않았지만, 와그너는 프탈레이트 같은 '자주 지목되는 화학물질들'은 검출되지 않았다고 말했다. 그는 "바이오플라스틱을 기능적으로 제조하는 데 쓰이는 화학물질들에 대한 우리의 이해가 상당히 제한적임을 발견했다. 폴리머의 화학 구조가 다르기 때문에, 사용되는 첨가제 역시 다를 가능성이 있다"고 밝혔다. 바이오 플라스틱과 기후 변화 바이오플라스틱을 옹호하는 주요 주장 중 하나는 이들이 이론상으로 재생 가능한 자원에서 탄소를 추출할 때 순 이산화탄소 배출량이 증가하지 않으므로, 전체 수명주기 동안 전통적 플라스틱에 비해 훨씬 적은 온실가스를 배출한다는 것이다. 예컨대, 유럽 바이오플라스틱 협회는 전 세계적으로 화석 연료 기반의 폴리에틸렌 수요를 바이오 PE로 대체할 경우, 연간 약 8000만 톤의 이산화탄소 배출을 절감하여 마치 매년 2000만 번의 항공 여행을 줄인 것과 동등한 효과를 가져올 수 있다고 주장한다. 2017년 진행된 연구에서는 미국 내 기존 플라스틱을 옥수수 기반의 PLA로 대체할 경우, 미국 플라스틱 산업에서 발생하는 온실가스 배출량을 25% 감소시킬 수 있을 것으로 추정했다. 이 연구는 또한 화학 산업이 재생 가능 에너지 및 스위치그래스와 같은 더 지속 가능한 원료로 전환함으로써 더 큰 탄소 배출 감소 효과를 달성할 수 있다고 제시했다. 앞서 설명했듯이 바이오 플라스틱 샘플에는 평균적으로 1,000개에서 최대 2만965개에 이르는 다양한 화학적 특성이 포함되어 있음이 밝혀졌다. 드레이스바흐는 세라믹, 스테인리스 스틸, 유리로 만든 재사용 가능한 용기는 수명 기간 동안 일회용 바이오 플라스틱보다 이산화탄소 배출량이 3~10배 적다고 말했다. 하지만 바이오플라스틱이 가져올 수 있는 이산화탄소 절감의 잠재적 이점은, 비료와 살충제의 사용 증가, 그리고 옥수수나 사탕수수 같은 원료의 생산을 위한 토지 개간과 산림 태우기로 인해 일부 상쇄될 수 있다. 또한, 생분해성 플라스틱이 매립지에 매립될 경우, 분해 과정에서 메탄 같은 강력한 온실가스가 배출되어 환경에 또 다른 부담을 줄 수 있다. 바이오 플라스틱 폐기물 규정은? 생분해성 바이오플라스틱의 폐기물 관리는 생분해성을 정의하는 명확한 규정이 부재하기 때문에 복잡한 과제로 남아있다. 업계 자발적 기준에 따르면, 생분해성 제품은 대부분 6개월 이내에 자연적으로 분해되어야 하지만, 생분해성이라고 표시된 일부 제품은 완전히 분해되기까지 수년이 걸릴 수 있다. 예를 들어, 한 연구에 따르면 토양에 묻힌 생분해성 비닐봉지가 3년 후에도 여전히 분해되지 않은 채 발견됐다. 이러한 물질이 퇴비 시설에 매립되면 오염 물질이 되어 걸러내야 한다. 톰슨에 따르면, 재활용 시설에서도 이런 종류의 폐기물은 전체 재활용 플라스틱의 품질을 저하시킬 수 있어 기피 대상이다. 게다가 많은 지역에서는 산업 퇴비화 시설이나 도로변 수거 시설이 부족해, 퇴비화 가능한 포장재와 운반 용기가 결국 매립지나 소각장으로 향하는 경우가 많다. 퇴비화되지 않는 플라스틱이 퇴비화 가능한 플라스틱으로 잘못 인식되는 경우가 빈번하여, 라벨링이 명확하지 않을 때 혼란이 가중된다. 미국 퇴비화 위원회의 린다 노리스-월트 부국장은 이러한 문제를 “그린워싱, 모조품, 짝퉁”이라고 지칭했다. 다수의 퇴비화 업체들이 이러한 재료로 인해 퇴비화 가능한 식품 포장을 기피하며, 이는 업체의 수익성에 부정적인 영향을 미친다. 노리스-월트는 이 문제를 두 가지 주요 요인으로 설명했다. 첫 번째는 처리 과정에서 발생하는 노동력 문제이며, 두 번째는 최종 퇴비 제품의 품질 저하로 인해 농장, 조경업체, 골프장 등의 시장에 미치는 영향이다. 따라서, 바이오플라스틱은 퇴비를 오염시키는 원인이 될 수 있다. 생분해성 인스티튜트(BPI)와 유럽의 대응 기관인 OK컴포스트(OK Compost)는 퇴비화 업체들의 우려에 대응하기 위하여 퇴비화 가능한 포장을 위한 자발적 인증 표준을 마련했다. 이 인증을 획득하기 위해서는 바이오플라스틱 제조업체가 제품의 분해 속도를 증명하는 ASTM 기준을 만족시켜야 하며, PFAS(영구적 화학 물질)를 포함하지 않고, 일반적인 토양 생태독성 테스트를 통과해야 한다. 그러나 노리스-월트는 이러한 인증 프로그램이 퇴비 중 미세 플라스틱 문제를 충분히 고려하지 않는다고 지적했다. 이에도 불구하고, 미국 퇴비화 위원회의 최근 조사 결과, 조사 대상 173개 퇴비업체 중 오직 46개 업체만이 퇴비화 가능한 식품 포장의 사용을 허용하는 것으로 나타났다. 혁신을 위한 기회 전문가들은 바이오플라스틱이 여러 어려움에도 불구하고, 화학적 안전성과 수명이 제품 설계에 주요 고려사항으로 포함될 경우, 농업용 멀치 필름과 같은 특정한 용도에 대해 적합한 대안이 될 수 있다고 지적했다. 린 프로덕션 액션의 마크 로시 전무이사는 플라스틱 사용이 필수적인 상황에서는 바이오플라스틱의 활용을 고려해야 한다고 말했다. 그는 "모든 재료에는 잠재적 문제가 존재한다. 우리는 이러한 재료를 인간의 건강과 안전을 고려하여 어떻게 최적화할 수 있을까?"라고 의문을 제기했다. 플라스틱 산업 내에서 바이오플라스틱은 특정 시장에서의 성장 가능성을 가지고 있지만, 광범위한 대체재로는 여겨지지 않는다. 로시는 바이오플라스틱이 대규모로 기존 플라스틱을 대체할 수 있는 해법이 아니라고 명확히 했다. 다시마나 농업 폐기물로 제작된 차세대 바이오플라스틱은 식량 작물을 원료로 사용함으로써 발생하는 환경적 문제를 어느 정도 해결했으나, 여전히 독성 문제에 대한 해결책을 마련해야 한다는 지적이 있다. 클린 프로덕션 액션은 제조업체들이 자사 제품에서 수천 가지의 유해 화학물질을 식별하고 제거할 수 있도록 돕기 위해, 일회용 식품 포장과 재사용 가능한 용기에 적용할 수 있는 독립적인 표준인 그린스크린(GreenScreen)을 개발했다. 주요 PLA 제조업체 중 하나인 네이처웍스(NatureWorks)는 그린스크린 평가를 통해 자사의 원료가 유해 화학물질을 포함하지 않음을 공식적으로 인증받았다. 그러나 업계 전반에 걸친 변화를 이끌기 위해서는 더 많은 제조업체들이 이러한 제품 인증 과정을 통과해 한다. 노리스-발트는 캘리포니아나 콜로라도에서 시행된 것과 같은 엄격한 라벨링 기준과 법률의 존재가 퇴비화 가능한 바이오플라스틱이 실제로 산업 퇴비화 시설로 올바르게 전달되기 위해 필수적이라고 강조했다. 그녀는 "실수든 의도적이든 시리얼을 퇴비화할 수 있다고 잘못 표시하는 비양심적 기업들에 대해 소송을 제기하는 것만으로도 이러한 오해를 빠르게 중단시킬 수 있다. 여기서 중요한 것은 법의 집행이다"라고 말했다. 전 세계적으로 전문가들은 바이오플라스틱이 현재 직면한 플라스틱 오염 문제에 대응하기 위한 국제적 합의에서 중요한 역할을 하고 있음에 동의하며, 이러한 재료는 기존 플라스틱과는 다르게 관리되어야 한다는 점에 대해 합의했다. 톰슨은 단순히 대안이나 대체재를 찾는 것 이상이 필요하다고 말했다. 그는 "우리가 직면한 문제를 해결할 뿐만 아니라 더 우수한 성능을 제공할 수 있음이 입증된 대안과 대체재가 필요하다"고 강조했다. 톰슨과 와그너가 활동하는 국제적 단체인 '효과적인 글로벌 플라스틱 조약을 위한 과학자 연합'은 플라스틱이 화학물질을 적게 포함하도록 재설계되고, 재료 회수를 간소화할 인센티브를 조약에 포함시키길 바란다. 와그너는 "업계가 1만가지의 화학 물질을 포함하지 않는 제품을 설계하길 바란다"고 말해, 제품 설계 시 화학물질 사용을 대폭 줄이는 것을 목표로 하고 있음을 밝혔다.
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'바이오플라스틱' 환경 문제의 해답인가, 새로운 문제의 시작인가?
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수돗물 끓이면 미세플라스틱 해결 가능⋯생수 1리터에 24만개 플라스틱 입자 함유
- 수돗물을 끓여 마시는 것이 미세 플라스틱을 제거할 수 있는 해결책이 될 수 있다는 연구 결과가 발표됐다. 지난 2월 28일(현지시간) 미국 매체 더 힐에 따르면 뉴욕주 컬럼비아 대학 연구원들이 수돗물을 끓이면 물에 존재하는 가장 일반적인 세 가지 플라스틱 화합물(폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌)의 최소 80% 이상을 분해할 수 있음을 밝혀냈다. 이 연구 결과는 이미 동아시아 국가에서 흔히 사용하는 끓인 수돗물을 마시는 것이 플라스틱 병에 든 물을 마시는 것보다 더 안전할 수 있음을 시사한다. 컬럼비아 대학의 연구팀은 지난 달 연구에서 플라스틱 병에 든 물 1 리터당 최대 25만 개의 나노 플라스틱 조각이 포함될 수 있다고 밝혔다. 연구팀은 지난 1월 생수 내 나노입자의 화학 구조를 관찰, 계산, 분석할 수 있는 새로운 기술을 개발했다. 이 기술에 대한 연구 결과는 '미국 국립과학원 회보(Proceedings of the National Academy of Sciences)' 저널에 1월 8일 발표됐다. 당시 연구에 따르면, 표준 크기의 생수 1리터의 물에는 평균 24만 개의 플라스틱 입자가 포함되어 있으며, 이 중 90%가 나노플라스틱으로 구성되고 나머지 10%는 마이크로플라스틱으로 확인됐다. 나노입자는 그 크기가 매우 작아 현미경으로는 볼 수 없는 것으로 알려져 있다. 전문가들은 인간 머리카락의 평균 너비보다 1000배 더 작은 나노플라스틱이 소화기관이나 폐 조직을 통해 혈류로 이동, 전신과 세포에 잠재적으로 유해한 화학 물질을 퍼뜨릴 수 있다고 경고했다. 미세 플라스틱은 0.2인치(약 5mm) 미만에서 2만 5000분의 1인치(약 1마이크로미터)에 달하는 다양한 크기의 폴리머 조각을 말한다. 이보다 훨씬 작은 나노플라스틱은 10억분의 1미터(나노미터) 단위로 측정된다. 이 연구를 이끈 팀은 미국에서 판매되는 인기 있는 생수 브랜드 세 개에서 리터당 300개가 아닌 11만 개에서 37만 개 사이의 실제 플라스틱 조각이 포함되어 있다는 것을 발견했다. 그러나 연구자들은 어떤 브랜드의 생수를 분석했는지 구체적으로 밝히지 않았다. 공동 저자이자 환경 화학자인 컬럼비아 대학교 라몬트-도허티 지구 천문대의 부교수인 베이잔 얀(Beizhan Yan)은 지난 1월CNN에 "이 새로운 기술을 통해 실제로 물속에서 수백만 개의 나노 입자를 볼 수 있었으며, 이는 무기 나노 입자, 유기 입자 및 우리가 조사한 7가지 주요 플라스틱 유형 외에도 다른 플라스틱 입자일 수 있다고 말했다. 끓인 물, 플라스틱 제거 효과 컬럼비아 대학교 연구팀은 이번에는 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등 물에서 발견되는 세 가지 화합물에 대한 끓인 물의 영향을 조사했다. 이 화합물들은 완전히 분해되지 않기 때문에 바이러스 크기와 비슷한 나노 플라스틱으로 분해되어 인체 세포 기관과 장벽을 통과하며 위해를 끼칠 수 있다. 테스트된 화합물 중 가장 우려되는 것은 장에 염증을 일으키고 적혈구를 죽일 수 있는 폴리스티렌이다. 나머지 두 가지 화합물은 대체로 안전하다고 여겨지지만, 내분비학자들은 플라스틱의 안전성 여부를 판단하는 방법론에 심각한 문제가 있다고 주장했다. 연구에서 과학자들은 이 세 가지 플라스틱 화합물을 탄산 칼슘과 마그네슘 함량이 높은 미국 일반적인 담수 유형인 "경수"에 넣었다. 이러한 화합물은 주로 탄산 칼슘으로 구성된 지하 석회암 퇴적층의 공동에서 뽑아낸 지하수의 특징이다. 플라스틱이 포함된 물을 끓이면 이 탄산칼슘이 대부분의 미세 플라스틱 주위에 작은 덩어리를 형성하여 플라스틱을 캡슐화하고 무해하게 만든다. 연구 보고서는 "이 간단한 끓인 물 전략은 가정 수돗물에서 나노 및 미세 플라스틱(NMP)을 '제염'할 수 있으며 수돗물 섭취를 통한 인체 섭취를 무해하게 완화시킬 수 있는 잠재력이 있다"고 기술했다. 모든 플라스틱 폴리머 제거가 과제 하지만 이 연구에는 상당한 한계가 있다. 과학자들은 세 가지 가장 일반적인(폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 경우 가장 안전한) 플라스틱 폴리머만 조사했다. 지난달 연구에서 병에 든 물에서 발견된 심각한 우려 대상인 염화비닐은 연구에 포함되지 않았다. 또한 물을 끓여도 모든 폴리머를 제거하지 못했다. 내분비학회는 지난 26일 보고서에서 플라스틱 입자는 많은 중요한 생물학적 시스템을 실행하는 화학 메신저와 매우 유사하고 이러한 시스템은 매우 민감하기 때문에 안전한 노출 수준이 없을 수 있다고 밝혔다. 게다가 내분비학회와 같은 과학자들은 플라스틱 화합물 자체를 넘어서는 위험 외의 사항에 주목하고 있다. 이러한 폴리머는 종종 내분비, 순환 및 생식 시스템에 피해를 입힐 수 있는 BPA, PFAS 및 프탈레이트와 같은 '가소제'와 혼합된다는 사실에 점점 더 초점을 맞추고 있는 것. 끓는 물로 이러한 물질이 분해되는지는 확실하지 않다. 이 연구는 플라스틱 폴리머만 조사했을 뿐 이러한 잠재적 첨가제는 조사하지 않았다. 또한 물을 끓여서 미세플라스틱을 제거하는 방법을 사용하려면 경수 또는 탄산칼슘을 첨가해야 하는데, 이는 보편적이지 않은 방법이다. 그럼에도 불구하고 지난달 생수 속 미세 플라스틱에 대한 연구 결과를 종합하면, 이본 연구는 적어도 일부 형태의 플라스틱 오염으로부터 보호하는 방법에 대한 잠재적인 해답을 제시했다. 이번 연구는 2월 28일 '환경 연구 편지(Environmental Research Letters)'에 게재됐다.
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수돗물 끓이면 미세플라스틱 해결 가능⋯생수 1리터에 24만개 플라스틱 입자 함유
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[퓨처 Eyes(24)] 숨겨진 위험, 태반에서 미세 플라스틱 발견…우리 몸은 얼마나 오염되었을까?
- 인체 태반 조직에서 미세 플라스틱이 발견됨에 따라 현재와 미래 세대의 건강에 대한 깊은 염려가 일고 있다. 크기가 5mm 미만인 미세 플라스틱은 주변 환경뿐만 아니라, 현재까지 검사된 인체의 거의 모든 부위에서 발견되어 충격을 주고 있다. 20일(현지시간) 어스닷컴(EARTH.com)에 따르면, 뉴멕시코 대학교 보건과학 대학의 리전트 교수인 매튜 캄펜(Matthew Campen) 박사 연구팀은 62명의 개인의 태반 샘플을 면밀하게 분석한 결과, 모든 샘플에서 미세 플라스틱이 검출되었다고 발표했다. 태반 샘플 조사 결과, 놀랍게도 모든 시료에서 미세 플라스틱이 발견됐다. 검출량은 g당 6.5~790마이크로그램에 달하며, 상당한 차이를 보였다. 캠펜 박사는 "초반에는 수치가 미미해 보일 수 있지만, 환경 내 미세 플라스틱 양의 지속적인 증가는 인체 건강에 상당한 영향을 미칠 수 있다"고 강조했다. 연구팀은 최첨단 분석 방법을 활용하여 인체 조직 내 미세 플라스틱을 정확하게 정량화했다. 검출된 플라스틱 중 가장 높은 비율을 차지한 것은 폴리에틸렌(54%)이었으며, 폴리염화비닐(PVC)과 나일론 등이 각각 10% 가량 차지했다. 연구팀은 1950년대 이후 급증한 플라스틱 사용으로 인해 엄청난 양의 플라스틱 쓰레기가 발생했으며, 이것이 미세 플라스틱으로 분해되어 생태계를 오염시키고 있다고 지적했다. 특히, 태반은 단 8개월만에 형성 및 발달하는 기관임에도 불구하고 미세 플라스틱이 검출된 것은 플라스틱 오염 문제의 심각성을 여실히 보여주는 증거이다. 연구팀은 향후 미세 플라스틱의 인체 건강 영향에 대한 연구를 지속할 계획이지만, 즉각적인 조치가 시급하다고 강조했다. 플라스틱 생산량은 10~15년마다 두 배로 증가할 전망이어서 상황은 더욱 악화될 것으로 예상된다. 인체 태반에서 미세 플라스틱이 검출된 것은 플라스틱 오염의 심각성을 여실히 보여주는 사건이며, 인체 건강에 미칠 수 있는 영향에 대한 경고로 작용한다. 이 중요한 연구 결과는 미세 플라스틱이 우리 몸에 미치는 영향을 부각시키고, 플라스틱 쓰레기를 줄이고 지속 가능한 대안을 모색하기 위한 집단적 노력의 필요성을 강조했다. 전체 연구는 톡시로지컬 사이언스(Toxicological Sciences) 저널에 게재됐다. 건강과 경제에 미치는 플라스틱의 숨겨진 비용 플라스틱에 포함된 유해 화학 물질이 경제 및 건강에 심각한 영향을 미치면서 미국에서는 연간 약 2500억 달러의 비용이 지출되고 있다고 EHN이 보도했다. 연구의 주도는 소아과 의사이자 뉴욕대학교 전염병 및 환경 건강 과학부 교수인 레오나르도 트라산데(Leonardo Trasande) 박사가 맡았다. 간단히 말해서, 이 연구는 PFAS, 프탈레이트, BPA와 같은 화학 물질의 위험성을 강조하며, 이러한 화학 물질이 호르몬 파괴 및 질병 위험 증가를 포함한 다양한 건강 문제와 연결되어 있음을 지적한다. 연구자들은 이러한 건강 위험을 완화하기 위해 플라스틱 사용을 줄이고 재활용 방법을 개선해야 할 긴급한 필요성을 강조한다. 경제적 피해에는 직접적인 의료 비용과 건강 문제로 인한 생산성 감소뿐만 아니라 환경 오염 정화 비용, 의료 시스템 부담 증가 등 광범위한 사회적 영향이 파급된다. 레오나르도 트라산데, 소아과 의사이자 NYU 환경 위험 조사 센터 소장은 "우리 모두는 우리 몸 속에 태평양 쓰레기 지대를 조금씩 가지고 있습니다. 그것은 우리에게 해를 끼치고 호르몬을 교란시키며 질병과 장애를 유발합니다"고 말했다. 나노플라스틱, 바다에서 처음 발견 TCD는 과학자들이 미세 플라스틱보다 더 작은 플라스틱 입자인 나노플라스틱을 바다에서 처음으로 직접 관찰했다고 발표했다. 새로운 연구에서는 새로운 첨단 탐지 기술을 사용하여 바닷물에서 나노플라스틱(길이가 1마이크로미터 미만인 플라스틱 입자)의 존재를 증명했다. 퓨처리티는 연구팀이 중국, 한국, 미국, 멕시코만 연안의 바닷물에서 이 작은 나노 입자의 선명한 이미지를 확보했다고 자세히 설명했다. 퓨처리티에 따르면 연구팀은 나일론, 폴리스티렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)로 만든 나노플라스틱을 발견했다. 이러한 폴리머는 식품 포장, 물병, 의류, 어망에 사용되는 소재다. 이 연구는 나노플라스틱이 이미 우리 식생활에 깊숙이 스며들었다는 사실을 보여주는 중요한 증거다. 최근 연구에 따르면 생수에는 리터당 수십만 개의 나노플라스틱이 포함되어 있는 것으로 나타났다. 또 다른 과학자 팀은 해산물, 돼지고기, 닭고기, 소고기, 두부를 포함한 단백질의 90%에서 나노플라스틱과 더 큰 미세 플라스틱 입자를 발견했다. 나노플라스틱의 위협: 인체와 생태계에 미치는 심각한 영향 블룸버그는 나노 입자가 인체 세포를 뚫고 혈류에 들어갈 수 있을 만큼 작기 때문에 내부 장기에 영향을 미칠 가능성이 있다고 보도했다. 또한 이 작은 입자는 태반을 통과하여 태아의 몸속으로 들어갈 수 있다. 하지만 나노플라스틱의 위험에 처한 대상은 인간뿐만이 아니다. 국제자연보호연맹에 따르면 매년 최소 1400만 톤의 플라스틱 쓰레기가 바다로 유입되고 있다. 플라스틱이 분해되면서 미세 플라스틱과 나노 플라스틱으로 변해 해양 동물과 생태계를 위협할 수 있다. 퓨처리티의 연구원 중 한 명인 텅페이 루오(Tengfei Luo)는 "나노 플라스틱은 더 큰 플라스틱 입자보다 잠재적으로 더 독성이 강합니다"라고 말했다. 루오는 "크기가 작기 때문에 살아있는 유기체의 조직에 더 잘 침투할 수 있다"고 설명했다. 예를 들어, 국제원자력기구에서 2020년 요약한 연구에 따르면 미세 플라스틱과 나노 플라스틱이 물고기의 행동 및 신경 기능, 신진대사, 장내 미생물 다양성, 장 투과성 등 생물학적 기능에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 나노플라스틱 문제 해결을 위한 노력: 개인과 과학의 협력 세계자연보호연맹(IUCN)에 따르면 매년 4억 톤 이상의 플라스틱이 생산되고 있다. 에펠탑의 무게는 약 1만 톤이다. 플라스틱 4억 톤은 에펠탑 4만개가 만들어지는 것과 같은 양이다. 생산된 플라스틱 중 상당량이 바다로 유입된다. 이러한 플라스틱은 분해되어 미세 플라스틱과 나노 플라스틱으로 변해 인체와 생태계에 심각한 위협을 가한다. 페트병은 다른 플라스틱 용기로 대여섯 번 재활용 할 수 있지만 재활용 폴리에스터로 만든 티셔츠나 스커트는 두 번 다시 재활용 할 수 없다. 나노 플라스틱 문제를 해결하기 위해서는 개인과 과학의 협력이 필요하다. 개인은 플라스틱 소비를 줄이는 노력을 실천해야 한다. 가루 비누와 세제로 바꾸기, 빈 제품 용기의 재활용, 일회용 플라스틱 물병과 비닐 식료품 봉투 사용하지 않기 등의 작은 노력들이 모여 큰 변화를 만들 수 있다. 과학자들은 플라스틱 문제를 해결할 수 있는 창의적인 기술을 개발하고 있다. 예를 들어, 최근 연구자들은 일회용 플라스틱 병을 만드는 데 흔히 사용되는 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 분해하는 인공 슈퍼 단백질을 개발했다. 이러한 기술 개발은 나노플라스틱 오염 문제 해결에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
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[퓨처 Eyes(24)] 숨겨진 위험, 태반에서 미세 플라스틱 발견…우리 몸은 얼마나 오염되었을까?
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[퓨처 Eyes(23)] 콘크리트보다 강하고 환경친화적인 차세대 건축자재 '페록'
- 기존 콘크리트보다 5배 강하고 이산화탄소(CO₂)를 흡수하는 환경친화적인 건축 자재 페록이 개발됐다. 콘크리트가 건축 자재로 사용되기 시작한 시기는 고대 로마 시대로 거슬러 올라간다. 로마인들은 기원전 3세기경부터 콘크리트를 사용하기 시작했으며, 이를 활용해 수많은 건축물, 교량, 도로 등을 건설했다. 로마 콘크리트는 화산재와 석회석을 혼합한 것으로, 현대 콘크리트의 전신이라 할 수 있다. 그 당시에 건설된 많은 구조물들이 오늘날까지도 남아 있어 그 내구성을 입증하고 있다. 미국 애리조나 대학에서 개발된 '페록(Ferrock)'이라는 새로운 건축 자재가 과학 저널을 통해 최근 또 다시 주목받고 있다. '페록(Ferrock)'은 '철'과 '돌'이 결합된 용어다. 시멘트 대용품으로 사용되는 친환경 건축 자재인 페록은 주로 폐철강 분진과 유리 분쇄물에서 나온 실리카 등 재활용 재료로 생산된다. 철강 분진은 이산화탄소와 반응해 탄산철을 생성하고, 이것이 응고되면 페록이 된다. 미국 매체 쿨다운(TCD)에 따르면 페록은 기존 콘크리트보다 강하면서 환경친화적이라는 특징을 지니고 있어 건물이나 인프라 구조물 설계에 혁신을 가져올 수 있다는 평가를 받고 있다. 강철 분진과 실리카의 혼합물을 철암 및 물과 혼합하고 고농도의 이산화탄소에 노출시키면 페록 경화 과정이 진행된다. 페록의 강도는 일반 포틀랜드 시멘트로 만든 콘크리트의 5배에 달한다. 또한 기존 콘크리트에 비해 더 유연하다. 균열 없이 움직임과 압력을 견디는 페록은 콘크리트에 비해 지진에 의한 압축 하중을 더 많이 견딘다. 일반적으로 페록 강도는 34.5 Mpa(메가파스칼)에서 48 Mpa 사이이며 일부 페록 테스트에서는 69 Mpa에 도달했다. 갓 만들어진 페록은 빠르게 굳으며 최대 강도에 도달하는 데 약 1주일이 걸린다. 페록의 개발은 10여 년 전, 데이비드 스톤 박사 연구원이 시멘트 대체재 개발 대회에서 폐철강 분진을 사용해 우승하면서 시작됐다. 2013년 특허를 획득한 스톤 박사는 '아이언쉘(Iron Shell)' 회사를 설립해 페록 상용화에 나섰다. 스톤 박사는 "실험실에서의 우연한 발견에서 시작됐다"라고 말했다. 보다 지속 가능한 건축 산업 혁신은 짚을 포함한 모든 종류의 재료를 사용하는 전 세계 연구자들의 관심사다. 폐 철강도 바로 여기에 속한다. 건설업계 전문지 사이언스다이렉트(ScienceDirect)에 따르면 페록은 기존 콘크리트보다 압축 강도 13.5%, 인장 강도 20%, 휨 강도 18%가 강하다. 또한 주재료인 철강 분진과 유리 분말을 포함해 페록 제조 과정에 사용되는 재료의 95%는 재활용 재료로 이루어져 비용 효율이 높은 것으로 알려졌다. 아울러 경화 과정에서 특별한 화학 반응을 통해 대기 중 이산화탄소를 흡수해 오염을 줄이는 효과도 있다. 전 세계 시멘트 연간 생산량은 40억 톤이며, 제조 과정에서 지구 대기 오염의 8%를 차지한다고 로이터통신은 전했다. 현재 공개된 페록 사진은 벽돌 모양의 슬라브와 굳어서 벽을 형성하는 슬러리 형태를 보여준다. 보고서는 폐철강 확보 등 과제가 아직 남아있지만 소규모 프로젝트부터 적용 가능하다고 전했다. 페록 외에도 콘크리트보다 더 강한 신소재에 대한 연구는 다양한 분야에서 활발히 이루어지고 있다. 그래핀이나 탄소 나노튜브, 고성능 폴리머,금속 매트릭스 복합 재료 등의 신소재들은 건축, 항공, 자동차 등 여러 산업에서의 응용 가능성을 탐색하고 있다. 먼저 그래핀은 탄소 원자가 2차원 평면상에서 벌집 모양의 격자를 이루는 형태로, 강철보다 약 100배 강하면서도 매우 가벼운 물질이다. 그래핀은 높은 전도성, 유연성, 투명성을 가지며, 이러한 특성으로 인해 전자기기, 에너지 저장 장치, 심지어 건축재료에 이르기까지 광범위한 응용이 기대되고 있다. 탄소 나노튜브(Carbon Nanotubes, CNTs)는 그래핀을 원통형으로 말아 만든 나노스케일의 튜브 형태로, 뛰어난 인장 강도와 탄성 모듈러스를 가지고 있다. 이러한 속성으로 탄소 나노튜브는 항공우주, 군사, 스포츠 용품 등의 고성능 재료에 유용하게 활용될 수 있다. 고성능 폴리머 등 여러 고분자 재료들은 새로운 제조 기술과 결합해 콘크리트보다 훨씬 강하면서도 가벼운 신소재를 만드는 데 사용된다. 이들은 높은 내구성, 우수한 열 저항성 및 화학 저항성을 제공한다. 금속 매트릭스 복합재료(Metal Matrix Composites, MMCs)는 금속을 기반으로 해 다른 금속이나 비금속 재료를 강화재로 추가하여 제작된다. 이러한 복합재료는 원래 금속의 좋은 성질에 강화재의 특성을 더해, 더 높은 강도와 경도, 개선된 내구성을 제공한다. 그밖에 세라믹 매트릭스 복합재료(Ceramic Matrix Composites, CMCs)는 세라믹을 기반으로 하며, 강화재로 탄소 나노튜브나 그래핀 같은 나노물질을 사용할 수 있다. 이들은 높은 온도에서의 안정성, 낮은 밀도, 뛰어난 내마모성 등을 제공한다. 이러한 신소재들은 각각의 독특한 특성으로 인해 콘크리트와 같은 전통적인 건축 재료를 대체하거나, 그 성능을 크게 향상시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 연구와 개발이 계속됨에 따라, 페록과 그래핀 등 신소재들의 생산 비용이 절감되고, 더 넓은 적용 범위와 함께 실용화될 것으로 기대된다.
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[퓨처 Eyes(23)] 콘크리트보다 강하고 환경친화적인 차세대 건축자재 '페록'
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하버드대 연구팀, 고체 배터리 재충전 10분대로 단축
- 미국 스타트업이 가격이 저렴하면서도 충전 시간을 획기적으로 줄인 전기자동차(EV)용 전고체 배터리를 개발했다. 현대 사회에서 탄소 중립을 향한 움직임이 활발해지면서, 전세계 에너지 기업들은 화석 연료에 대한 의존도를 줄이는 데 집중하고 있다. 이러한 상황에서 전기차용 배터리의 중요성이 더욱 강조되고 있으며, 특히 환경 친화적이고 에너지 효율이 높은 전고체 배터리 개발이 업계의 중요한 과제로 부상했다. 기술 전문 매체 클린테크니카(cleantechnica)는 최근 하버드 대학의 스핀오프 기업인 아덴 에너지(Adden Energy)가 충전 시간을 10분대로 낮춘 새로운 전고체 배터리를 개발했다고 보도했다. 이 배터리는 최대 6000사이클 동안 사용 가능하며, 재충전 시간은 단 10분에 불과하다. 이는 연료 탱크를 채우는 시간과 유사하다고 한다. 비용에 대한 구체적인 언급은 없었으나, 이 회사의 배터리는 수명이 길어 전기차의 제조 비용을 줄이는 데 크게 기여할 것으로 전망된다. 새로운 고체 에너지 저장 기술은 기존 리튬 이온 배터리의 액체를 폴리머, 첨단 세라믹 또는 기타 고체 재료로 대체하는 차세대 기술이다. 리튬 이온이 고체를 통과해 이동하게 하는 것은 어려운 기술이지만, 그로 인해 더 긴 사용 범위와 더 빠른 충전 시간을 제공한다. 새로운 고체 에너지 저장 기술은 기존 리튬 이온 배터리에서 사용되는 액체 전해질을 폴리머, 첨단 세라믹, 또는 다른 고체 재료로 대체하는 혁신적인 접근법이다. 리튬 이온이 고체를 통과해 이동하는 것은 기술적으로 어려운 과제이지만, 이를 통해 배터리의 사용 가능 범위를 확장하고 충전 시간을 단축할 수 있다. 아덴 에너지는 여러 고체 배터리 혁신 기업 중 하나로, 이온 이동의 장애를 극복하는 데 중점을 두고 있다. 특히 이 회사는 리튬 이온 배터리의 양극에서 발생하는 수상돌기 문제에 대한 강력한 해결책을 제시했다. 덴드라이트(일종의 수지상의 골격을 형성한 결정)는 리튬 이온 배터리의 양극에서 발생하는 작은 양치류의 돌기처럼 생긴 현상으로, 배터리 성능을 저하시키고 화재 위험을 증가시키는 요인이다. 2018년, 아덴 에너지는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 황화물 기반의 고체 전해질 연구 결과를 발표하며 고체 배터리 분야에서 중요한 발전을 이루었다. 아덴 에너지는 "우리 논문의 목표는 LGPS와 LSPS라는 두 가지 유형의 결정질 황화물 고체 전해질의 미세 구조를 조절하고 수정함으로써 전압 안정성을 향상시킬 수 있다는 점을 입증하는 것이다"라며 두 가지 유형의 결정질 황화물 고체 전해질에 대해 밝혔다. 더 나아가, 회사는 "황화물 고체 전해질의 미세 구조와 성능 간의 기본 메커니즘을 밝히는 것이 중요하다"며 "이는 미래 재료 및 배터리 셀 설계에 대한 지침이 될 수 있다"고 기대했다. 덴드라이트 현상은 과거에는 주로 액체 전해질을 사용하는 배터리에서만 관찰되었지만, 최근 연구에 따르면 고체 배터리에서도 문제가 될 수 있음이 밝혀졌다. 이 문제를 해결하기 위한 여러 방법이 연구되고 있는 가운데, 하버드 대학 SEAS(John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences)의 재료과학 부교수 신 리(Xin Li) 팀은 이 현상을 완전히 멈추는 데 성공했다. 하버드 대학의 언론 담당자 레아 버로우스(Leah Burrows)는 리 팀의 새로운 연구에 대해 "연구팀은 리튬화 반응을 제어하고 균일한 리튬 금속층의 도금을 촉진하기 위해 양극에 마이크론 크기의 실리콘 입자를 사용하여 덴드라이트 형성을 방지했다"고 설명했다. 버로우스는 "이 코팅된 입자가 전류 밀도가 균일하게 분포되는 표면을 만들어 덴드라이트의 성장을 막는다"고 설명했다. 또한, "이런 설계 덕분에 도금과 박리 과정이 평평한 표면에서 더 빠르게 일어날 수 있어 배터리를 약 10분 만에 재충전할 수 있다"고 덧붙였다. 리 부교수는 "우리의 설계에서 리튬 금속이 실리콘 입자를 감싸는 것은 초콜릿 트러플에 있는 헤이즐넛 코어를 단단한 초콜릿 껍질이 감싸는 것과 유사하다"라고 비유했다. 이 혁신적인 새 배터리는 현재 상업적 생산을 위한 확장 단계에 있다. 연구팀은 우표 크기의 파우치 셀을 사용하여 이번 실험을 진행했다. 이는 일반적인 대학 연구실에서 만들어진 배터리보다 10~20배 정도 크며, 실제 사용 환경에서의 데이터 수집에 충분한 크기라고 할 수 있다. 버로우스는 이 배터리의 내구성에 대해서도 언급했다. 그녀는 "배터리가 6000사이클을 거친 후에도 초기 용량의 80%를 유지하며, 이는 현재 시장에 나와 있는 다른 파우치 셀 배터리보다 우수한 성능을 나타낸다"고 말했다. 한편, 아덴 에너지는 2022년에 하버드 대학교의 기술개발실(Office of Technology Development)로부터 이 기술에 대한 독점 라이선스를 획득했다. 또한, 회사는 515만 달러(한화 약 68억원)의 시드 자금을 조달하는 데 성공했다. 이 자금은 창업 아이템을 구체화하고 개발하여 시제품을 생산하는 과정에 사용될 예정이다. 회사 측은 라이선스 획득과 벤처 자금 조달을 통해 하버드 대학의 실험실 프로토타입을 상업적 규모로 확장할 수 있게 되었다고 설명했다. 이를 통해 아덴 에너지는 전기자동차(EV) 시장에 빠르게 충전되고 안정적인 고체 리튬-금속 배터리를 제공할 수 있게 될 것으로 기대된다. 아덴 에너지는 2022년에 손바닥 크기의 파우치 셀을 개발하는 것을 첫 단계로 삼고, 향후 3~5년 이내에 전기자동차(EV)용 풀사이즈의 전고체 배터리 개발을 목표로 하고 있다. 이 회사는 2030년 이전에 이러한 배터리를 시장에 출시될 것으로 예상하고 있다. 리 부교수는 전기차의 중요성에 대해 강조하며, "전기차가 말 그대로 도로 위의 1%에 불과한 단순한 고급 패션 아이템으로 여겨져서는 안 된다"고 말했다. 그는 "청정에너지 미래를 향해 나아가기 위해서는 전기차가 일반 대중에게도 접근 가능해야 한다"고 강조했다. 그는 또한 "만약 전기차 배터리가 3년에서 5년만 지속된다면, 미국은 중고차 시장을 갖지 못할 것"이라고 지적했다. 이어 "기술은 모든 사람이 접근할 수 있어야 하며, 우리가 하고 있는 것처럼 배터리 수명을 연장하는 것은 그 과정에서 매우 중요한 부분이다"라고 덧붙였다.
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하버드대 연구팀, 고체 배터리 재충전 10분대로 단축
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생수 속 나노플라스틱, 리터당 수천 개…체내 침범 우려
- 연구원들이 생수 속에서 이전 추정치보다 10~100배 더 많은 플라스틱 조각이 포함되어 있다는 사실을 발견했다고 CNN이 8일(현지시간) 보도했다. 미국 컬럼비아 대학의 연구원들은 생수에 있는 나노입자의 화학 구조를 보고, 계산하고, 분석할 수 있는 새로운 기술을 제시했다. 새로운 연구에 따르면, 표준 크기 생수 2개에 해당하는 1리터의 물에는 7가지 유형의 플라스틱에서 평균 24만 개의 플라스틱 입자가 포함되어 있으며, 이 중 90%는 나노플라스틱이고 나머지는 마이크로플라스틱인 것으로 확인됐다. 이 연구 결과는 미국 국립과학원 회보(Proceedings of the National Academy of Sciences) 저널에 이날 발표됐다. 나노 입자는 너무 작아서 현미경으로 볼 수 없다. 전문가들은 인간 머리카락 평균 너비의 1000분의 1인 나노플라스틱은 너무 작기 때문에 소화관이나 폐 조직을 통해 혈류로 이동하여 잠재적으로 유해한 합성 화학 물질을 몸 전체와 세포에 퍼트릴 수 있다고 지적했다. 미세 플라스틱은 0.2인치(5mm) 미만에서 2만5000분의 1인치(1마이크로미터)에 이르는 폴리머 조각이다. 그보다 더 작은 것은 10억분의 1미터 단위로 측정해야 하는 나노 플라스틱이다. 이 연구를 주도한 연구팀은 미국에서 판매되는 인기 생수 브랜드 3곳의 실제 플라스틱 조각 수가 리터당 300개가 아니라 11만 개에서 37만 개 사이라는 사실을 발견했다. 단, 저자들은 어떤 브랜드의 생수를 연구했는지는 언급하지 않았다. 공동 저자이자 환경 화학자인 컬럼비아 대학교 라몬트-도허티 지구 천문대의 부교수인 베이잔 얀(Beizhan Yan)은 "이 새로운 기술은 실제로 물속에서 수백만 개의 나노 입자를 볼 수 있었으며, 이는 무기 나노 입자, 유기 입자 및 우리가 연구한 7가지 주요 플라스틱 유형이 아닌 다른 플라스틱 입자일 수 있다"고 말했다. 이 연구는 나노 플라스틱이 인간 건강에 미치는 잠재적 위험을 탐구하는 새로운 방향을 제시했다. '건강한 아기, 밝은 미래'라는 비영리단체의 연합체에서 일하는 연구 책임자 제인 헐리한은 이 연구에 직접 참여하지는 않았지만, 나노 플라스틱의 인간 건강에 대한 잠재적 위험을 더 깊이 이해하기 위한 추가적인 연구가 필요하다고 강조했다. 이 단체는 아기들이 신경독성 화학물질에 노출되는 것을 줄이기 위해 노력하는 과학자들과 기부자들로 구성되어 있다. 헐리한은 "이 연구는 미세 플라스틱 입자에 대한 광범위한 인체 노출이 거의 연구되지 않은 위험을 초래할 수 있음을 시사한다"고 말했다. 그녀는 "특히 영유아가 이러한 위험에 가장 크게 노출될 수 있는데, 그 이유는 영유아의 발달이 더디기 때문"이라고 덧붙였다. 펜실베이니아주립대 베렌드 캠퍼스의 지속가능성 책임자인 셰리 '샘' 메이슨(Sherri 'Sam' Mason)은 이 연구에 참여하지 않았지만, "이 연구는 인상적이며, 투입된 노력이 매우 심오하다. 나는 이를 획기적이라고 부르고 싶다"라고 평가했다. 이 새로운 발견은 수돗물 유해 물질 노출을 줄이기 위해 유리나 스테인리스 스틸 용기에 담긴 수돗물을 마시라는 오랜 전문가의 조언을 강조한다고 메이슨은 말했다. 이러한 조언은 플라스틱으로 포장된 다른 음식과 음료에도 적용된다고 그녀는 덧붙였다. 메이슨은 9개국 11개 브랜드에서 판매되는 생수 샘플의 93%에서 마이크로플라스틱과 나노 플라스틱의 존재를 처음으로 발견한 2018년 연구의 공동 저자였다. 과거 연구에서 메이슨은 오염된 물 1리터에 인간의 머리카락보다 넓은 평균 10개의 플라스틱 입자와 300개의 작은 입자가 포함되어 있음을 발견했다. 그러나 5년 전인 2018년 기술로는 그 작은 입자를 분석하거나 더 많은 것이 있는지 알아낼 방법이 없었다. 메이슨은 "우리가 나노플라스틱의 존재를 몰랐던 것은 아니다. (당시) 우리는 그것들을 분석할 수 없었다"라고 설명했다. 나노 플라스틱, 인간 건강 위협 전문가들은 나노 플라스틱이 인류 건강에 가장 큰 위협을 주는 플라스틱 오염 유형 중 하나로 지목하고 있다. 이는 나노 플라스틱의 미세 입자가 주요 기관의 세포와 조직을 침입해 세포 활동을 방해하고, 비스페놀, 프탈레이트, 난연제, 과불소화 물질(PFAS), 중금속 등의 내분비 교란 화학물질을 축적할 수 있기 때문이다. 러트거스 대학교 어니스트 마리오 약학대학의 독성학 박사이자 약리학 부교수인 피오피 스태플튼(Phoebe Stapleton) 박사는 쥐를 대상으로 한 연구에서 임신한 쥐가 플라스틱 입자를 섭취하거나 흡입한 후 24시간 만에 그들의 태아의 뇌, 심장, 간, 신장 및 폐에서 플라스틱 화학물질을 발견했다고 보고했다. 스태플튼 박사는 "이 시점에서 인간 태반에서 마이크로플라스틱과 나노 플라스틱이 발견됐다"고 말했다. 그는 "인간의 폐 조직과 인간의 대변, 인간의 혈액에서 (미세 플라스틱이) 발견됐다"고 덧붙였다. 생수에서 나노입자를 식별하는 새로운 연구 방법은 라만 분광법의 개선된 형태에 기반을 두고 있다. 이 기술은 분자가 빛에 반응하여 진동하는 방식을 측정함으로써 세포의 화학적 구성을 분석한다. 이 기술의 공동 발명자이자 컬럼비아 대학교 화학과 교수인 웨이 민(Wei Min) 교수는 “이 변형된 라만 분광법, 자극 라만 산란 현미경(SRS)은 두 번째 레이저를 추가해 이전에는 감지하기 어려웠던 나노입자를 여러 자릿수로 증폭된 신호를 통해 탐지할 수 있다"고 말했다. 민 교수는 2008년 SRS를 공동 개발했다. 민 교수는 "이 연구는 자극 라만 산란 현미경을 나노플라스틱 세계에 적용한 최초의 연구"라고 말했다. SRS는 이미지를 획기적으로 향상시킴으로써 기존 기술에서 몇 시간이 걸리던 나노 입자의 이미지를 마이크로초 단위로 명확하게 식별하고 캡처할 수 있으며, 촬영 대상 조직에 손상을 주지 않고도 이미지를 캡처할 수 있다. 해당 연구에서 개발된 알고리즘은 출판 당시 폴리아미드, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리염화비닐, 폴리스티렌, 그리고 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 포함한 일곱 가지 주요 플라스틱 유형을 식별할 수 있었다. 컬럼비아 대학교 화학 박사과정 학생이자 이 연구의 수석 저자인 나이신 치안(Naixin Qian)은 "다른 연구들을 통해 우리는 생수에 존재하는 대부분의 미세 플라스틱이 주로 PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트) 병에서 누출된 것으로 추정했다"고 말했다. 다양한 유형의 플라스틱 존재 연구팀의 발견에 따르면, 플라스틱 물병 안에는 예상과 달리 다양한 유형의 플라스틱이 존재하며, 각 플라스틱 유형마다 입자 크기가 다르다. 연구팀은 "PET 플라스틱 입자는 크기가 컸지만, 다른 플라스틱 입자는 200나노미터에 불과해 훨씬 더 작았다"고 밝혔다. 연구에 따르면, PET 입자는 병 뚜껑을 반복적으로 여닫거나, 병이 파손되거나, 자동차 안에서 높은 온도에 노출될 때 부서질 수 있는 것으로 밝혀졌다. 컬럼비아 대학교 연구팀은 앞으로 생수에 떠다니는 나노 플라스틱의 출처를 더 깊이 연구할 계획이다. 이들은 나노 플라스틱이 제조 과정 중 오염된 원수에서 유래했을 가능성을 조사하고 있다. 한편, '건강한 아기, 밝은 미래' 재단의 헐리안은 과학이 이와 같은 문제를 탐구하는 동안 사람들이 플라스틱 노출을 줄이기 위해 취할 수 있는 조치들에 대해서도 밝혔다. 그녀는 "플라스틱 용기에 담긴 음식과 음료 섭취를 피하고, 천연 직물로 만든 옷을 입으며, 천연 소재의 소비자 제품을 구매하는 것이 좋다. 일상에서 플라스틱 사용을 줄이고 대안을 찾는 것이 중요하다"고 말했다.
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생수 속 나노플라스틱, 리터당 수천 개…체내 침범 우려
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美 노스웨스턴대 "바다 쓰레기 주범 나일론, 촉매로 순식간에 '분해'"
- 바닷속 쓰레기로 전 세계가 몸살을 앓고 있다. 특히, 어망 등이 고래나 바다거북, 물개 등 해양생물을 칭칭 감싸고 있는 모습은 충격을 던져줬다. 나일론 어망 등은 뛰어난 내구성 때문에 자연 분해가 불가능해 해양동물과 산호초, 새, 바다 등을 위험에 빠뜨리고 있다. 해양 환경에 유입된 이들 물질은 분해되지 않고 수천 년 동안 머무를 수 있어 더욱 큰 폐해가 예상되고 있다. 그러나 최근 미국 노스웨스턴대학교 연구팀이 나일론을 분해하는 새로운 촉매를 개발해 이 같은 해양오염을 크게 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 이 촉매는 몇 분 만에 내구성 높은 플라스틱 오염을 완전히 분해하는 것으로 알려졌다. 과학기술 전문 매체 '사이테크데일리(SciTechDaily)'는 미국 노스웨스턴 대학 연구팀이 개발한 새로운 나일론 분해 촉매에 대해 최근 보도했다. 연구팀은 유해한 부산물을 생성하지 않고 몇 분 만에 나일론-6을 빠르고 깨끗하며 완전히 분해하는 새로운 촉매를 개발했다. 더 좋은 점은 이 공정에는 독성 용매, 고가의 재료 또는 극한 조건이 필요하지 않아 일상적인 응용 분야에 실용적이라는 점이다. 연구팀은 이 촉매를 활용해 해양 플라스틱 오염을 줄이는 것은 물론, 폐기물 재활용과 순환경제 활성화에도 기여할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 '켐(chem)'에 게재됐다. 이번 연구의 수석 저자인 노스웨스턴 대학의 토빈 마크스(Tobin Marks) 교수는 "전 세계가 플라스틱 문제의 심각성을 인식하고 있다"며 "우리는 플라스틱을 재활용하기 위해 폴리머를 분해하여 원래 형태로 되돌려 재사용할 수 있는 촉매를 개발하고 있다"고 말했다. 어망, 태평양 쓰레기 46% 차지 나일론-6은 의류, 카펫, 안전벨트 등 매일 사용되는 다양한 제품에 사용되는 소재다. 하지만 사용 후에는 매립되거나 해양을 포함한 환경에 방치되는 경우가 많다. 세계야생생물연맹(World Wildlife Federation) 보고에 따르면 매년 약 45만3592kg(약 100만 파운드)의 낚시 장비가 해양에 버려지며, 이 중 나일론-6로 만들어진 어망이 태평양의 거대한 쓰레기 더미에서 차지하는 비율이 최소 46%에 이른다. 현재 나일론-6 처리 방법은 주로 매립에 의존하고 있다. 나일론-6가 연소될 때는 질소산화물 같은 독성 오염물질을 배출해 조기 사망과 온실가스인 이산화탄소 배출 등의 문제를 야기한다. 마크스 교수는 플라스틱을 분해하는 과정에서 발생하는 오염물질 문제를 지적하며, 친환경 용매의 사용이 중요하다고 강조했다. 그는 "플라스틱을 분해하면 오염된 물이 남게 되며, 친환경 용매의 사용은 필수적"이라며 "어떤 종류의 용매가 환경에 더 적합한지 연구해야 한다"고 말했다. 업사이클링을 위한 나일론 복구 마크스 교수와 연구팀은 실험실에서 새로운 촉매를 개발했다. 이 촉매는 이트륨(지구상에 풍부한 경제적인 금속)과 란탄족 이온을 활용한다. 나일론-6를 녹는 온도까지 가열한 뒤 촉매를 추가하자, 용매 없이도 플라스틱이 분해되어 부산물 없이 원래의 빌딩 블록으로 복구됐다. 마크스 교수는 이 과정을 목걸이와 진주에 비유하며 설명했다. 그는 "폴리머는 목걸이와 같으며, 각 진주는 하나의 단위체, 즉 단량체다. 우리는 이 목걸이를 해체하여 진주, 즉 빌딩 블록을 회수하는 방법을 찾은 것"이라고 말했다. 실험을 통해 연구팀은 플라스틱의 원래 모노머를 99% 회수할 수 있었다. 원칙적으로 이러한 모노머는 현재 강도와 내구성에 대한 수요가 높은 고부가가치 제품으로 재활용될 수 있다. 이 실험을 통해 연구팀은 나일론의 원래 모노머를 99% 회수하는 데 성공했다. 이러한 모노머는 내구성과 강도가 높은 고부가가치 제품으로 재활용될 수 있다. 마크스 교수는 재활용된 나일론이 일반 나일론보다 경제적 가치가 더 높다고 강조했다. 나일론-6를 효율적으로 타깃팅 새롭게 개발된 촉매는 높은 수율의 단량체 회수뿐만 아니라, 선택성도 뛰어나 나일론-6 중합체에만 작용한다. 이는 폐기물 중에서도 나일론-6를 효과적으로 분리해낼 수 있다는 것을 의미하며, 업계에 대량의 분류되지 않은 폐기물에도 적용 가능함을 보여준다. 마크스 교수는 이 과정의 경제성과 효율성을 강조했다. 그는 "나일론 폐기물을 사람이 일일이 분류하는 것은 비용이 많이 들고 비효율적이다. 하지만 이 촉매가 나일론만을 대상으로 하고 다른 물질은 그대로 두기 때문에 효율적이다"라고 설명했다. 이 기술을 통해 회수된 모노머를 재활용하면 신규 플라스틱 생산의 필요성도 줄어들 수 있다. 마크스 교수와 연구팀은 이 새로운 공정에 대한 특허를 출원했으며, 이미 여러 산업 파트너로부터 관심을 받고 있다. 이들은 자신들의 촉매가 대규모로 활용되어 글로벌 플라스틱 문제 해결에 기여하기를 기대한다. 현재 이 연구는 폴리머 재활용 및 지속 가능한 재료 관리 분야에서 중요한 진전을 보이고 있다. 이러한 접근 방식은 현재 재활용 기술의 중요한 격차를 해결하고 나일론 폐기물 문제에 대한 실용적이고 효율적인 솔루션을 제공한다. 이는 플라스틱의 환경 발자국을 줄이고 순환경제에 기여하는 데 영향을 미칠 것으로 기대된다.
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美 노스웨스턴대 "바다 쓰레기 주범 나일론, 촉매로 순식간에 '분해'"
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ETH 취리히, 뼈·인대·힘줄 로봇 손 3D 프린팅 성공
- 스위스의 한 공과대학에서 3D 프린팅을 통해 뼈와 인대 등을 갖춘 로봇 손을 제작했다. 연구원들이 처음으로 뼈, 인대, 힘줄이 있는 로봇 손을 인쇄하는 데 성공했으며 이를 이용하면 부드러운 재료와 단단한 재료를 결합하는 것이 훨씬 쉬워진다고 미국 IT매체 엔가젯(Engadget)이 최근 보도했다. 스위스 취리히 연방공과대학(ETH 취리히)의 연구원들은 잉크빗(Inkbit)이라는 미국 기반 스타트업과 함께 사람의 손과 유사한 로봇 손을 3D 프린팅했다. 그들은 처음으로 뼈, 인대, 힘줄을 갖춘 로봇 손을 프린트했는데, 이는 3D 프린팅 기술의 큰 도약을 의미한다는 것이 엔가젯의 설명이다. 연구 성과가 게재된 '네이처(Nature)' 저널에 따르면 로봇 손의 뼈와 힘줄 등 여러 부분이 동시에 인쇄됐으며 나중에 별도로 조립되지 않았다는 점에 주목해야 한다. 로봇 손의 각 부품은 다양한 부드러움과 강성을 지닌 폴리머로 제작되었으며, 이는 새로운 레이저 스캐닝 기술을 통해 가능했다. 이 기술은 '탄성을 지닌 특수 플라스틱'을 한 번에 만들 수 있으며, 이를 통해 보다 복잡하고 세밀한 구조를 구현할 수 있다. 이러한 기술적 진보는 보철 분야와 소프트 로봇 구조의 생산에 큰 가능성을 열어준다. 기존에는 빠르게 경화되는 플라스틱에 주로 사용되었던 3D 프린팅 기술을, 잉크빗 연구원들은 느린 경화 플라스틱에도 적용할 수 있는 방법을 개발했다. 이 하이브리드 프린팅 방법은 내구성과 탄성을 개선하는 등 여러 장점을 제공한다. 이 기술을 통해 자연을 보다 정확하게 모방하는 것이 가능해져, 로봇 공학 및 의료 분야에서의 적용 가능성이 크게 확대될 것으로 예상된다. ETH 취리히의 로봇공학 교수인 로버트 카츠슈만(Robert Katzschmann)은 최근 그들이 개발한 부드러운 소재로 만들어진 로봇 손의 장점에 대해 설명했다. 그는 "우리가 개발한 부드러운 소재로 만들어진 로봇은 인간과 작업할 때 부상 위험이 적고 깨지기 쉬운 물건을 다루는 데 더 적합하다"고 말했다. 이러한 3D 프린팅 기술의 발전은 여전히 레이어별로 인쇄되는 기존의 방식을 따르지만, 통합 스캐너를 사용하여 프린팅 중 표면의 이상 여부를 지속적으로 확인하고, 시스템에 다음 재료 유형으로 이동하라고 지시한다. 또한, 느린 경화 폴리머 사용을 위해 압출기와 스크레이퍼가 업데이트됐다. 이 기술은 다양한 산업에 적합한 독특한 물체를 만들기 위해 강성을 미세 조정하는 데 사용될 수 있다. 인간의 손과 같은 부속물을 만드는 것은 이 기술의 하나의 사용 사례에 불과하며, 소음과 진동을 흡수하는 제조 물체를 만드는 데도 이 기술이 활용될 수 있다. 이러한 발전은 로봇공학, 의료 기술, 제조업 등 다양한 분야에서 혁신적인 솔루션을 제공할 잠재력을 가지고 있다. MIT 산하 스타트업 잉크빗은 이 혁신적인 3D 프린팅 기술 개발에 기여했다. 이 회사는 이미 이를 활용해 수익을 창출할 방법을 모색하기 시작했다. 회사는 곧 새로 개발된 프린터를 제조업체에 판매할 계획이며, 또한 이 기술을 이용한 복잡한 3D 프린팅 제품들을 소규모 기업에게도 판매할 예정이다. 이는 잉크빗이 제조업계에 새로운 기술을 제공하고, 다양한 시장에 진출하려는 전략의 일환으로 보인다. 한편, 3D 프린트 제조업체인 3D시스템즈에 따르면, 3D 프린팅 기술을 사용해 실리콘을 제작하는 것은 기존 사출 성형에 비해 최대 90% 정도 더 빠르고, 엄청난 비용과 시간을 절약할 수 있다. 의료 분야에서 3D 프린팅의 도입은 진단, 치료, 외과적 개입 방식에 혁신을 가져오고 있다. 특히 맞춤형 임플란트와 보철 영역에서의 응용은 3D 프린팅 기술의 가장 유망한 사용 사례 중 하나로 평가된다. 이 기술을 통해 개별 환자에게 최적화된 맞춤형 관절 임플란트, 복잡하게 설계된 의족 등을 제작함으로써 환자의 삶의 질을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 의료 기기와 수술 도구를 주문 제작할 수 있어 의료 공급자는 리드 시간과 비용을 줄이고 환자의 요구에 신속하게 대응할 수 있다. 이러한 다양한 접근 방식으로 인해 의료용 3D 프린팅의 가능성은 점점 더 현실화되고 있다. 이는 의료 분야에서의 혁신과 질적 향상을 이끌고 있으며, 향후에도 더 많은 발전이 기대된다.
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ETH 취리히, 뼈·인대·힘줄 로봇 손 3D 프린팅 성공
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삼성SDI‧한국산업기술평가관리원, 리튬이온배터리용 내화성 젤 공개
- 삼성SDI와 한국산업평가관리원 과학자들이 화재 위험이 낮은 리튬이온배터리용 내화성 젤을 개발했다. 호주 매체 미라지뉴스는 17일(현지시간) 한국의 유니스트(UNIST) 에너지·화학공학부의 송현곤 교수, 한국화학연구원 첨단특수화학연구센터의 정서현 박사, 한국에너지기술연구원 울산에너지기술연구센터의 김태희 박사가 이끄는 공동 연구팀이 배터리 기술의 획기적인 이정표를 세웠다며 불연성 젤 고분자 전해질(GPE)을 개발해 리튬이온 배터리(LIB)의 열 폭주와 화재 사고 위험을 완화해 안전성을 획기적으로 개선했다고 보도했다. 리튬이온 배터리의 잠재적인 가연성은 특히 지하 주차장에 있는 전기 자동차(EV)에서 심각한 화재 우려가 제기됐다. 연구팀은 이 문제를 해결할 새로운 방법을 찾았다. 그들은 불연성 고분자 반고체 전해질을 성공적으로 개발해 배터리 화재를 효과적으로 줄일 수 있는 방안을 제시했다. 기존에는 불연성 전해질을 만들기 위해 난연성 첨가제나 끓는점이 매우 높은 용매를 주로 사용해 왔다. 그러나 이러한 방법은 종종 이온 전도도가 크게 감소해 전해질의 전반적인 성능을 저하시켰다. 연구팀은 전해질에 미량의 폴리머를 도입하여 반고체 전해질을 만들었다. 이 새로운 접근법은 기존 액체 전해질에 비해 리튬 이온 전도도를 33%까지 획기적으로 높였다. 또한 이 불연성 반고체 전해질을 적용한 파우치형 배터리는 고체-전해질 간상(SEI) 층을 형성하고 작동하는 동안 불필요한 전해질 반응을 효과적으로 방지해 수명 특성이 110% 향상됐다. 이 혁신적인 전해질의 주요 장점은 탁월한 성능과 불연성이다. 고분자 반고체 전해질은 배터리 화재 발생을 줄이기 위해 연소 중 연료 화합물과의 라디칼 연쇄 반응(Radical Chain Reaction)을 억제한다. 연구팀은 이러한 라디칼 반응의 안정화와 억제 능력을 정량적으로 분석하여, 개발된 고분자가 얼마나 우수한지를 입증했다. 정지홍 교수(UNIST 에너지·화학공학부)는 "배터리 내부의 고분자 물질과 휘발성 용매의 상호작용을 통해 라디칼 연쇄 반응을 효과적으로 억제할 수 있다"고 강조했다. 정 교수는 "전기화학적 정량화를 통해 불연성 전해질의 메커니즘을 이해하는 데 크게 기여할 것"이라고 말했다. 공동 제1저자인 김미금 UNIST 에너지·화학공학부 석사과정과 한국화학연구원의 연구팀은 다양한 실험을 통해 배터리 자체의 뛰어난 안전성을 추가로 확인했다. 그들은 그림 2와 같이 불연성 반고체 전해질을 파우치형 배터리에 적용, 실제 배터리 응용 분야에서 전해질의 불연성을 평가했고, 이를 통해 배터리의 종합적인 안전성을 검증했다. 송현곤 교수는 "UNIST의 전기화학, 한국화학연구원 첨단특수화학연구센터의 고분자 합성, 한국에너지기술연구원 울산첨단에너지기술연구센터의 배터리 안전성 시험 등 연구팀의 다학제적 구성이 이번 성과에 큰 힘이 됐다"고 말했다. 이어 "기존 배터리 조립 공정에 바로 적용할 수 있는 불연성 반고체 전해질을 사용함으로써 향후 보다 안전한 배터리 상용화를 앞당길 수 있을 것"이라고 덧붙였다. 이번 연구는 국내 5건, 해외 2건의 특허를 출원해 그 의의를 더하고 있다. 또한 국제 학술지 'ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)'의 표지 논문으로 선정되어 2023년 10월 13일 온라인에 게재됐다. 이 연구는 한국연구재단(NRF), 과학기술정보통신부(과기정통부), 한국산업기술평가관리원(KEIT), 한국화학연구원(KRICT), 삼성SDI(주)의 지원으로 수행됐다.
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삼성SDI‧한국산업기술평가관리원, 리튬이온배터리용 내화성 젤 공개
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폐플라스틱 업사이클링 비누 제작 성공
- 버지니아 공대에서 플라스틱 폐기물로 비누를 만드는 기술이 개발됐다. 폐플라스틱을 비누와 세제와 같은 계면활성제로 재활용하는 방법이 개발됐다. 미국 과학 전문매체 사이테크데일리에 따르면 버지니아 공대의 연구원들은 플라스틱을 비누, 세제 등을 만드는 데 사용되는 계면활성제라는 귀중한 화학 물질로 업사이클링하는 새로운 기술을 개발했다. 플라스틱과 비누는 질감, 모양, 사용 방법면에는 공통점이 거의 없다. 하지만 분자 수준에서 이 둘 사이에는 놀라운 연관성이 있다. 오늘날 세계에서 가장 일반적으로 사용되는 플라스틱 중 하나인 폴리에틸렌의 화학 구조는 비누의 화학 전구체로 사용되는 지방산의 화학 구조와 놀랍도록 유사하다. 두 물질 모두 긴 탄소 사슬로 이루어져 있지만 지방산은 사슬 끝에 원자 그룹이 하나 더 있다. 버지니아 공과대학의 류궈량(Guoliang 'Greg' Liu) 화학 부교수는 폴리에틸렌의 구조와 지방산의 유사성에 주목했다. 그는 이러한 유사성을 기반으로 폴리에틸렌을 지방산으로 변환하면, 몇 가지 추가 과정을 통해 비누를 제조할 수 있을 것이라는 아이디어를 장기간 갖고 있었다. 문제는 긴 폴리에틸렌 사슬을 적절한 길이의 여러 사슬로 분리하고, 그 과정을 효율적으로 진행하는 것이었다. 류 교수는 이 방법을 통해 저렴한 플라스틱 폐기물을 가치 있는 제품으로 업사이클링하는 높은 잠재력을 인식했다. 류 교수는 벽난로 앞에서 겨울 저녁을 즐기다가 벽난로에서 나오는 연기가 나무 연소 중 생성되는 작은 입자로 이루어져 있다는 점에 착안했다. 안전과 환경상의 이유로 플라스틱을 벽난로에서 태워서는 안 되지만, 류 교수는 안전한 실험실 환경에서 폴리에틸렌을 태울 수 있다면 어떤 일이 일어날지 궁금해지기 시작했다. 폴리에틸렌이 불완전 연소하면 나무를 태울 때처럼 '연기'가 발생할까. 만약 누군가가 그 연기를 포집한다면, 그 연기는 무엇으로 만들어질까. 화학과 블랙우드 생명과학 주니어 교수 펠로우십의 류 교수는 "장작은 주로 셀룰로오스 같은 폴리머로 구성되어 있다. 연소 시 이 폴리머는 짧은 사슬로 분해되며, 결국 작은 기체 분자로 변한 뒤 이산화탄소로 완전히 산화된다"고 말했다. 그는 또 "합성 폴리에틸렌 분자도 비슷한 방식으로 분해할 수 있는데, 작은 기체 분자로 완전히 분해되기 전 단계에서 그 과정을 멈추면 짧은 사슬의 폴리에틸렌과 유사한 분자를 얻을 수 있다"고 덧붙였다. 연구실의 화학과 박사과정 학생인 젠 쉬(Zhen Xu)와 에릭 무냐네자(Eric Munyaneza)의 도움으로 류 박사는 온도 구배 열분해라는 공정으로 폴리에틸렌을 가열할 수 있는 오븐과 같은 작은 반응기를 만들었다. 아래쪽의 오븐은 폴리머 사슬을 끊을 수 있을 만큼 충분히 높은 온도를 유지하고, 위쪽의 오븐은 더 이상의 분해를 멈출 수 있을 만큼 낮은 온도로 냉각되는 구다. 열분해가 끝난 후 잔여물을 확인하니 '단쇄 폴리에틸렌', 더 정확하게는 왁스로 구성되어 있었다. 류 박사는 이것은 플라스틱을 비누로 업사이클링하는 방법을 개발하는 첫 번째 단계였다고 말했다. 비누화 등 몇 가지 단계를 더 추가한 후, 연구팀은 세계 최초로 플라스틱으로 비누를 만들었다. 이 과정을 계속 진행하기 위해 연구팀은 컴퓨터 모델링, 경제 분석 등의 전문가들의 도움을 받았다. 이들 전문가 중 일부는 버지니아 공대의 고분자 혁신 연구소와의 연계를 통해 팀에 합류했다. 이 그룹은 함께 업사이클링 프로세스를 문서화하고 개선해 과학계와 공유할 준비가 될 때까지 연구를 진행했다. 이 연구는 최근 사이언스 저널에 게재됐다. 논문의 수석 저자인 젠 쉬는 "우리 연구는 새로운 촉매나 복잡한 절차를 사용하지 않고도 플라스틱 업사이클링을 위한 새로운 경로를 보여준다. 이 연구에서 우리는 플라스틱 재활용을 위한 탠덤 전략의 잠재력을 보여주었다"고 말했다. 그는 "앞으로 사람들이 더 창의적인 업사이클링 절차를 개발할 수 있는 계기를 마련할 것"이라고 기대했다. 비록 폴리에틸렌이 이 프로젝트에 영감을 준 플라스틱이었지만, 이 업사이클링 방법은 다른 유형의 플라스틱인 폴리프로필렌에도 작용할 수 있다. 이 두 재료는 제품 포장, 식품용기, 직물 등 일상에서 소비자가 많이 접하는 플라스틱의 대부분을 차지한다. 업사이클링 기술의 또 다른 장점은 플라스틱과 열이라는 매우 간단한 재료만 있으면 가능하다는 점이다. 공정의 후반 단계에서는 왁스 분자를 지방산과 비누로 전환하기 위해 몇 가지 추가 성분이 필요하지만, 플라스틱의 초기 변형은 간단한 반응이다. 따라서 이 방법은 비용 효율성이 높고 환경에 미치는 영향이 비교적 적다. 업사이클링이 대규모로 효과적으로 이루어지려면 최종 제품이 공정 비용을 감당할 수 있을 만큼 가치가 있어야 하며, 다른 재활용 옵션보다 경제적으로 더 매력적이어야 한다. 대규모로 업사이클링이 효과적으로 이루어지려면 최종 제품은 프로세스 비용을 상환하고 대안 재활용 옵션보다 경제적으로 더 유리하게 만들 수 있을 정도로 가치 있어야 한다. 비록 비누가 처음에는 특별히 비싼 상품으로 보이지 않을 수 있지만, 실제로 무게로 비교할 때 플라스틱의 두 배 이상의 가치가 있을 수 있다. 현재 비누와 세제의 평균 가격은 톤 당 약 3550달러(약 478만원)이고 폴리에틸렌은 톤 당 약 1150달러(약 155만원)다. 류 교수는 이 연구는 사용한 플라스틱을 다른 유용한 재료의 생산으로 전환하여 폐기물을 줄일 수 있는 새로운 방법의 토대를 마련했다고 말했다. 그는 시간이 지나면 전 세계의 재활용 시설에서 이 기술을 도입할 수 있기를 기대했다. 젠 쉬는 "플라스틱 오염은 특정 국가의 문제가 아니라 전 세계적인 과제임을 인지해야 한다. 복잡한 촉매나 시약 대신 간단한 공정은 많은 나라에서 더 쉽게 적용될 수 있다"라며, "이 방법이 플라스틱 오염 문제 해결의 좋은 시작이 되길 바란다"고 말했다.
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폐플라스틱 업사이클링 비누 제작 성공
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美 샌디아 국립연구소, 내구성 높인 분자 개발 성공⋯장단점은?
- 미국 샌디아 국립연구소(Sandia National Laboratories)의 연구팀이 내구성을 높인 획기적인 분자 구조를 개발했다. 일반적으로 열을 가하면 팽창하는 대부분의 재료와 달리, 이 새로운 분자는 열을 가할 경우 수축한다는 놀라운 특성을 보인다. 과학 및 기술 전문 매체 '사이테크데일리(SciTechDaily)'에 따르면, 이 연구팀이 개발한 분자는 폴리머와 결합될 경우 뛰어난 내구성을 발휘한다. 이러한 특성 덕분에 휴대폰 케이스부터 미사일에 이르기까지 다양한 분야에서 활용 가능성이 높아 보인다. 폴리머는 작은 분자들이 결합해 만들어진 고분자로, 섬세한 구성 요소를 보호하는 이상적인 재료로 알려져 있다. 그러나 재료가 오래 사용되거나 다양한 환경에 노출될 경우 성능이 저하되는 문제가 있다. 이와 관련해 대부분의 물질이 가열될 때 팽창하고, 냉각될 때 수축하는 반면, 이 새로운 분자는 그렇지 않다. 일반적으로 폴리머는 가장 높은 팽창률과 수축률을 보이며, 금속이나 세라믹은 상대적으로 낮은 수준을 보인다. 샌디아 연구팀의 이번 발견은 물질의 온도에 따른 변화율을 조절할 수 있는 새로운 가능성을 열어놓았다. 이로써 다양한 산업 분야에서의 응용이 기대된다. 샌디아 연구팀을 이끄는 재료 과학자 에리카 레드라인(Erica Redline)은 "많은 제품들이 플라스틱, 유리, 금속 등 여러 재료로 구성되어 있는데, 이 재료들이 서로 다른 속도로 팽창하거나 수축하기 때문에 시간이 지날수록 제품이 갈라지거나 뒤틀리는 현상이 발생한다"고 지적했다. 레드라인은 이 문제점을 극복하기 위한 새로운 아이디어를 생각하게 되었고, 그 아이디어를 팀원들과 함께 실제로 구현하는 데 성공했다고 말했다. 그는 "우리 팀은 고분자와 잘 결합하면서 그 특성을 바꿀 수 있는 새로운 분자를 개발했다. 이 분자는 흥미롭게도 가열될 때 팽창하는 대신 수축하는 특징을 가진다"고 설명했다. 레드라인은 "이 분자를 폴리머에 첨가하면, 폴리머의 팽창과 수축이 금속과 유사한 수준으로 조절되게 된다. 실제로 금속과 같은 특성을 갖게 만든 이 분자의 개발은 큰 도전이었다"고 강조했다. 이 새로운 분자는 다양한 방식으로 활용될 수 있는 잠재력을 보여주고 있다. 폴리머는 전자부터 통신 시스템, 태양광 패널, 자동차 부품, 인쇄 회로 기판, 항공우주 응용, 국방 시스템, 바닥재 보호 코팅에 이르기까지 광범위한 분야에서 사용되는데, 이 분자가 그 활용성을 더욱 확장시킬 것으로 보인다. 화학 엔지니어인 제이슨 더거(Jason Dugger)는 "이 분자는 국방 시스템에서 특히 큰 잠재력을 발휘할 것"이라며 미래의 혁신을 위한 길을 열 것으로 기대하고 있다. 더거는 또 3D 프린팅 분야에서의 활용성에 대해서도 언급했다. 그는 "하나의 영역에서는 특정한 열적 반응을 보이는 반면, 다른 영역에서는 다른 열적 반응을 보이게끔 인쇄하는 것이 가능하다"며 "재료의 무게를 줄일 수 있어 위성 등에도 적용될 수 있다"고 덧붙였다. 또한, 한 에폭시 제조 회사가 이 분자를 접착제로 활용하려는 시도를 했다는 소식이 전해졌다. 물론, 이 기술에도 단점이 있다. 유기 화학자 샤드 스티커(Chad Staiger)에 따르면, 7~10그램(g)의 분자를 합성하는데 약 10일이 소요된다. 이런 점은 대량 합성 시에 추가적인 시간과 비용이 들 수 있다는 것을 의미한다. 현재 연구팀은 시장에 출시될 제품을 준비하는 과정에서 10만 달러(한화 약 1억3276만원)를 투자해 분자 합성 시간을 단축시키는 연구에 집중하고 있다. 이 분자의 활용 가능성은 무궁무진해 보인다.
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美 샌디아 국립연구소, 내구성 높인 분자 개발 성공⋯장단점은?
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발각시 액화되는 '스파이 로봇' 개발
- 서울대 재료공학부 강승균 교수팀 연구원들이 자외선(UV)과 열에 반응해 자가 붕괴하는 '에퍼멀 로봇(Ephemeral Robot)'의 프로토타입(본격적인 상품화에 앞서 성능을 검증 및 개선하기 위해 간단히 핵심 기능만 넣어 제작한 기본모델)을 개발했다. 연구원들이 개발한 이번 에퍼멀 로봇은 자외선(UV)과 열에 접촉하면 스스로 분해 될 수 있는 실리콘 엘마스토머(silicone elastomer)를 이용해 제작했다. 임무 중에는 기능을 유지하고 필요에 따라 액화해 수명 주기를 제어하여 중요한 데이터의 보안을 유지 할 수 있다. 이 로봇은 적에게 노출되면 스스로 녹아 사라질 수 있는 장점을 보유하고 있어 정찰 로봇 등 군사적 활용도가 높을 것으로 기대된다. 그러나 애퍼멀 로봇의 대표적인 소재인 열경화 실리콘은 내열성 및 내화학성이 강해 소재 분해에 적합하지 않는 지적이다. 열경화 실리콘 기반의 소프트 로봇의 분해를 위해서는 300°C까지의 극한 온도와 유사한 극단적인 pH 수준에 견뎌야 하는 문제를 먼저 해결해야 한다. 서울대 연구팀은 자외선 감응형 소재를 활용해 본연의 장점을 유지하면서 강한 자외선을 통해 가교 고분자를 쉽고 빠르게 분해할 수 있으며, 큰 열에너지나 극단적인 pH 조건이 갖춰지지 않아도 로봇이 스스로 액화될 수 있다고 말했다. 개발 소재를 소프트 로봇에 적용해 분해를 쉽게 함으로써 다양한 분야로의 응용 가능성을 열었다. 광 감응형 플루오린 발생제를 첨가한 실리콘 탄성 복합체 기반 자외선 감응형 소재는 복구할 수 없는 분해 가능한 소재다. 기존 실리콘과 같은 간단한 합성 프로세스와 뛰어난 기계적 특성을 가졌으며, 가교 구조의 고분자를 쉽고 빠르게 분해할 수 있도록 설계됐다. 연구팀은 해당 재료 시스템을 기반으로 소프트 로봇을 제작하고 주위 환경을 정찰할 수 있는 초박형 전자소자를 제작·탑재해 자외선, 온도, 로봇의 움직임까지 실시간으로 측정하는 로봇 시스템을 구현했다. 프로젝트 주요 저자인 서울대학교 재료과학 및 공학부의 오민하 박사는 "유연한 로봇이 주어진 미션을 완료 후에 붕괴가 필요한 상황이 되면, 로봇이 스스로 붕괴 절차를 밟으며 2시간 이내에 붕괴된다"고 설명했다. 이번에 개발한 로봇의 소재는 경직되지 않은 실리콘 엘라스토머(실리콘 수지)를 기반으로 한다. 내부에는 자외선으로 활성화되는 디페닐요오노늄 플루오라이드(DPI-HFP) 생성기가 분산되어 있으면서, 작은 LED를 통해 자외선 빛에 노출되면 실리콘 소재는 플루오라이드 이온(F −)을 방출하여 구조 전체가 즉시 붕괴된다. 자외선 자극에 반응해 Si-O-Si 결합이 F− 이온을 통해 균열되며 전체 구조가 파괴된다. 연구자들은 이 장치를 테스트하기 위해 다양한 전자 기기(온도 및 자외선을 측정하는 응력 센서 등)에 장착해 테스트를 진행했다. 로봇의 형태는 생분해성 폴리락틱 애씨드(생분해성 폴리머) 형태의 몰드 내에서 DPI-HFP-실리콘 혼합물을 60°C에서 30분 동안 경화시켰으며, 자가파괴 과정은 자외선을 활성화하고 60분 동안 120°C로 녹이는 것으로 시작된다. 이 시스템이 적용돼 파괴된 로봇은 실리콘 복합물과 기능이 없는 얇은 전자 부품을 포함한 오일 형태의 잔여물만 남긴다. 연구팀은 이 기술이 로봇 폐기물을 줄이는 데 도움을 주는 것뿐만 아니라 군사 작전과 접근하기 힘든 지역의 탐사 로봇에도 적용될 수 있다고 예상하고 있다. 연구원들은 사용자 안전을 고려한 액화 로봇 후속 연구를 계속 진행할 계획이라고 전했다.
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발각시 액화되는 '스파이 로봇' 개발
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'리튬 이온 배터리' 단점 고가와 불안정성에 '고체 전해질' 주목
- 전기자동차부터 휴대폰, 가전제품까지 다양한 분야에서 활용되는 리튬 이온 배터리. 그러나 이 배터리의 높은 가격과 안정성 문제로 고체 전해질 배터리가 대안으로 급부상하고 있다. 현재 국내에서는 SK온이 주도하는 가운데, 세계적으로도 도요타 등 주요 기업들이 고체 전해질 배터리의 연구와 개발에 박차를 가하고 있다. 특히 일본 도호쿠 대학의 연구팀은 이 분야의 연구에서 큰 진전을 이루며 주목받고 있다. 일본 에너지 전문 매체 '에너진'에 따르면, 도호쿠 대학 연구원들은 물리 화학분야 국제 저명 학술지인 '재료 화학(Chemistry of Materials)'에 고체 전해질의 구조가 배터리 성능에 어떤 영향을 주는지 예측 가능한 프레임워크를 공개했다. 고체 전해질(Solid Electrolyte)은 전기를 전도하는 역할을 유지하는 물질 중 하나다. 고체 전해질의 주요 특징은 리튬 이온 배터리의 액체 전해질에 비해 화학적 안정성이 탁월하다. 다시 말하면, 고체 전해질은 배터리의 양극과 음극 사이에서 리튬 이온을 전달하는 역할을 하는 전해질을 고체 형태로 만든 것이다. 액체 전해질에 비해 고체 전해질은 화재 위험이 없고, 온도 변화나 외부 충격에도 강한 장점이 있다. 또한, 분리막이 필요 없어 배터리의 구조를 단순화하고, 에너지 밀도를 높일 수 있다. 고체 전해질은 크게 황화물계, 산화물계, 폴리머계 세 가지 종류로 나눌 수 있다. 황화물계 전해질은 리튬 이온 전도도가 높고, 전극과의 접촉면을 넓게 형성할 수 있는 특징이 있다. 산화물계 전해질은 리튬 이온 전도도는 낮지만, 전기화학적 안정성이 우수하다. 폴리머계 전해질은 기존 액체 전해질과 유사한 제조 공정과 비용 경쟁력을 가지고 있다. 하오 리(Hao Li) WPI-AIMR의 부교수는 "에너지 저장 장치의 개발은 지속 가능한 미래를 보장하는 데 필수"라며 "클로소형 2차 복합 수소화물(CTCH, 리튬 이온 기술을 대체할 고체 전해질)은 리튬 이온 기술의 안전성 및 에너지 밀도 한계를 극복할 수 있는 귀중한 대안"이라고 강조했다. 한편, SK온은 단국대 신소재공학과 박희정 교수 연구팀과 공동으로 새로운 고체 전해질 기술을 선보여 관심을 모았다. 이 연구 팀은 산화물계 고체 전해질 소재인 리튬·란타넘·지르코늄·산소(LLZO)의 첨가물질을 추가해 리튬이온전도도를 기존보다 무려 70% 개선한 것으로 알려졌다. 이러한 기술적 진보는 배터리의 화재 위험 감소와 용량 증대 효과가 있을 것으로 예상된다. 국내외 기업들도 전고체 배터리 시장에 본격 진출하고 있다. SK온과 함께 삼성SDI, LG에너지솔루션은 각각 연구와 개발에 나서고 있으며, 일본의 토요타와 중국의 칭다오에너지 역시 전고체 배터리 기술 개발에 힘쓰고 있다. SK온을 비롯해 삼성SDI는 지난 2022년 국내 최초로 전고체 배터리 파일럿 라인을 착공했다. LG에너지솔루션은 오는 2026년 고분자계 전고체 배터리, 2023년 황화물계 전고체 배터리 양산을 목표로 연구를 진행 중이다. 일본 도요타는 전고체 배터리 관련 특허만 약 1000여개에 달할 만큼, 전고체 배터리 연구에 전념하고 있다. 중국에서는 칭다오에너지가 지난 2018년 100메가와트시 규모의 전고체 배터리 파일럿 생산 공장을 건설한 바 있다. 전고체 배터리는 고체 전해질을 사용한 차세대 배터리로, 꿈의 배터리라고도 불린다. 고체 전해질은 전기차와 에너지 저장 분야의 향후 기술적 파장을 주도할 핵심 기술로 떠오르며, 그 가능성이 무궁무진함을 입증하고 있다.
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'리튬 이온 배터리' 단점 고가와 불안정성에 '고체 전해질' 주목
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