녹색 화학: 주목해야 할 6가지 핵심 트렌드

농업에서 제약, 가전제품에 이르기까지 화학은 현대 생활을 가능하게 하는 제품과 소재의 원동력입니다. 그러나 자원은 한정되어 있으며, 폐기물과 오염은 끊임없이 해결해야 할 과제입니다. 동시에 기후 변화가 환경 문제를 악화시키면서 우리가 필요한 것을 더 지속 가능한 방식으로 생산하는 것이 시급해졌습니다. 경제를 뒷받침하기 위해서는 여전히 화학과 그 혁신이 필요하지만, 이제는 더 친환경적이어야 합니다. 오늘날 가장 중요한 과학적 트렌드 중 일부가 바로 이를 실현하고 있습니다.

CAS Insights 웨비나: 그린 케미스트리의 핵심 트렌드 녹화본을 시청해 보십시오. 다케다(Takeda)의 지속가능성 담당 과학 연구원 댄 베일리(Dan Bailey)와 비욘드 베나인(Beyond Benign)의 공동 창립자이자 상임 이사인 에이미 캐논(Dr. Amy Cannon) 박사가 CAS의 소재 부문 수석 과학자인 레이튼 존스(Leighton Jones)와 함께 이 중요한 과학 분야를 형성하는 핵심 트렌드에 대해 논의합니다.

풍부한 원소로 차세대 영구 자석을 구현할 수 있을까요?

영구 자석은 모터, 반도체, 발전기 및 모든 유형의 가전제품에 필수적인 부품입니다. 이러한 자석은 지리적으로 편중되어 있고 조달 비용이 높은 핵심 금속의 하위 집합인 희토류에 의존합니다. 전체 희토류의 약 80%가 중국에서 공급되고 있어 비용과 수급에 대한 우려가 커지고 있습니다. 희토류 채굴은 환경 파괴를 유발할 수 있어 다른 국가에서 조달하는 것 또한 항상 가능한 것은 아닙니다.

현재 연구자들은 영구 자석의 희토류를 대체하기 위해 철이나 니켈과 같이 지구상에 풍부한 원소를 사용하여 고성능 자성 소재를 개발하고 있습니다. 이러한 대안에는 질화철(FeN) 및 테트라태나이트(FeNi)와 같은 공학적 화합물이 포함되며, 이는 희토류 조달에 따른 환경적, 지정학적 비용 없이도 경쟁력 있는 자기적 특성을 제공합니다.

예를 들어, 과학자들은 최근 철-니켈 합금에 인(phosphorus)을 첨가하면 운석에서 발견되는 강력한 자석인 테트라태나이트가 생성된다는 사실을 발견했습니다. 이 물질은 자연 상태에서 형성되는 데 수백만 년이 걸리지만, 이 그린 케미스트리 혁신 기술을 사용하면 단 몇 초 만에 제조할 수 있으며, 특히 네오디뮴 자석을 대체할 강력한 대안이 됩니다.

풍부한 원소를 포함하는 영구 자석은 다음 분야에서 더 지속 가능한 제조를 촉진할 수 있습니다.

• 전기차(EV) 모터
• 풍력 터빈
• 자기공명영상(MRI) 장치
• 스피커 및 스마트폰과 같은 가전제품

더 많은 산업 분야에서 희토류에 대한 저렴하고 친환경적인 대안을 모색함에 따라 이러한 자석의 생산 규모가 곧 확대될 것으로 전망됩니다.

PFAS 없는 대체 물질로 친환경 전환을 꾀하는 제조 현장

과불화화합물(PFAS)은 잔류성과 생물 농축성이 강하며, 환경 및 건강 위험과의 연관성으로 인해 규제가 강화되는 추세입니다. 많은 산업 분야에서 섬유, 화장품, 조리기구, 플라스틱 등 이른바 '불필요한' 용도로 사용되는 PFAS를 제조 공정 및 공급망에서 퇴출해야 한다는 압박을 받고 있습니다. 이러한 제품에 친환경 제조 공정을 도입하는 것은 단기적인 대체재 사용을 넘어선 근본적인 해결책이 될 것입니다.

PFAS 없는 제조 공정은 기존의 PFAS 기반 용매, 계면활성제, 식각액을 플라즈마 처리, 초임계 CO₂ 세정, 람노리피드 및 소포로리피드와 같은 바이오 기반 계면활성제로 대체하는 것을 포함합니다. 경우에 따라 실리콘, 왁스, 나노셀룰로오스로 만든 불소계 코팅제 없는 소재를 재설계된 워크플로우에 통합하기도 합니다.  

이러한 혁신은 PFAS 오염과 관련된 잠재적 법적 책임과 정화 비용을 줄여주며, 더 안전하고 규제를 준수하는 제품 생산을 가능하게 합니다. 또한 독성 물질 없이도 성능 기준을 충족하는 친환경 계면활성제 시스템과 불소계 코팅제 없는 소재의 도입을 앞당기고 있습니다.

당사의 PFAS 환경 보고서에서 논의했듯이, PFAS 퇴출은 전 세계적인 과제입니다. 하지만 최근의 기술적 돌파구는 의류, 식품 포장재 등 다양한 분야에서 불소계 코팅제 없는 소재의 상용화를 이끌 것으로 보입니다. 머지않아 바이오 기반 계면활성제와 친환경 공정 엔지니어링의 발전도 기대할 수 있을 것입니다.

메카노케미스트리(기계화학)와 친환경 반응: 용매 없는 합성을 향한 새로운 길

메카노케미스트리는 주로 분쇄나 볼 밀링을 통해 기계적 에너지를 사용하여 화학 반응을 유도하며, 이때 용매는 필요하지 않습니다. 이 기술은 기존의 방식은 물론, 용해도가 낮거나 용액 상태에서 불안정한 화합물을 포함한 새로운 형태의 화학적 변환을 가능하게 합니다. 의약품, 고분자, 첨단 소재 합성에 점차 많이 활용되면서 반응 발견과 촉매 분야의 새로운 지평을 열고 있습니다.

용매는 의약품 및 정밀 화학 제품 생산 시 환경에 미치는 영향이 매우 크기 때문에, 공정에서 용매를 제거하는 것은 폐기물을 줄이고 안전성을 높이는 지속 가능한 제조 방식입니다. 예를 들어, 무수 유기염은 연료전지 내 순수 유기 양성자 전도성 전해질로 활용될 잠재력이 있으며, 이는 배출가스를 줄이는 데 기여하는 재생 에너지 기술입니다. 연구진은 메카노케미스트리를 활용하여 용매 없이 이미다졸-디카르복실산염을 합성했으며, 이를 통해 용매 사용량을 줄이고 높은 수율과 에너지 효율을 달성했습니다.

향후 몇 년 내에 의약품 및 소재 생산을 위한 산업 규모의 메카노케미스트리 반응기가 도입될 것으로 예상됩니다. 이 기술은 비대칭 촉매, 금속 프리 변환, 연속 제조 공정으로도 확장될 수 있습니다. AI를 활용한 새로운 메카노케미스트리 반응 및 촉매 발견 또한 매우 유망한 분야입니다.

AI, 화학자를 위한 가장 지속 가능한 경로를 제시하다

전통적인 반응 최적화는 환경적 비용보다 수율과 속도를 우선시하는 경우가 많았습니다. 화학 분야의 AI는 연구자들이 효과적이면서도 녹색 화학 원칙에 부합하는 반응을 설계할 수 있도록 돕습니다. AI는 반응 결과, 촉매 성능, 환경적 영향을 예측 모델링함으로써 화학 연구의 패러다임을 바꾸고 있습니다.

녹색 화학에서 AI 최적화 도구는 원자 효율성, 에너지 효율성, 독성, 폐기물 발생량과 같은 지속 가능성 지표를 기준으로 반응을 평가하도록 학습되고 있습니다. 이러한 모델은 더 안전한 합성 경로와 온도, 압력, 용매 선택을 포함한 최적의 반응 조건을 제안하여 시행착오를 줄여줍니다.

AI는 이 분야에서 어떻게 기여할 수 있을까요? 다음과 같은 역할을 수행합니다.

• 촉매의 거동을 예측하여 물리적 테스트를 거치지 않고도 폐기물, 에너지 소비, 잠재적 유해 화학물질 사용을 줄입니다.‍
• 지속 가능한 농업을 위한 친환경 암모니아 생산을 지원하고 연료전지를 최적화하는 촉매를 설계합니다.
• 고속 실험과 머신러닝을 통합하여 자율적인 최적화 루프를 지원합니다.

규제 및 ESG 압박이 거세짐에 따라, 이러한 예측 모델과 AI 기반 도구는 의약품, 재료 과학 등 다양한 분야에서 지속 가능한 제품 개발을 뒷받침할 것입니다. 이러한 도구들이 성숙해지면 화학 반응에 대한 표준화된 지속 가능성 평가 시스템이 마련될 것입니다. 또한 성능과 환경적 영향을 동시에 고려하는 AI 기반 역합성 도구의 활용도 더욱 확대될 것으로 전망됩니다.

더 친환경적인 합성 경로를 여는 수중 및 수계 반응

화학 산업은 환경 발자국을 줄여야 한다는 압박을 점점 더 크게 받고 있습니다. 유기 용매는 유해 폐기물, 대기 오염, 안전 위험의 주요 원인입니다. 반면 물은 독성이 없고 불연성이며 어디서나 쉽게 구할 수 있습니다. 하지만 수십 년 동안 물은 촉매 반응의 용매로 적합하지 않다고 여겨져 왔습니다. 최근의 기술적 돌파구는 많은 반응이 물속이나 물 위에서 일어날 수 있음을 보여주며, 지속 가능한 화학의 패러다임 전환을 예고하고 있습니다.

수중 및 수계 반응은 물을 용매로 사용하거나 물과 물에 녹지 않는 반응물 사이의 계면에서 일어나는 화학 공정을 말합니다. 이러한 반응은 수소 결합, 극성, 표면 장력과 같은 물의 고유한 특성을 활용하여 화학적 변환을 촉진하거나 가속화합니다. 수계 반응은 반응물이 물에 녹지 않는 경우에도 원활하게 진행되는 경우가 많으며, 이는 물과 유기물의 계면이 활성 촉매 역할을 한다는 점을 시사합니다.

​​​예를 들어, 과학자들은 최근 전자를 아질산은 용액에 조사하여 물속에서 은 나노입자를 개발했습니다. 이 프로젝트는 나노입자 성장 제어 및 플라즈마 구동 전기화학을 더 깊이 이해하는 것을 목표로 했습니다. 또한 딜스-알더 반응도 물속에서 성공적으로 가속화되었습니다. 이 반응은 수많은 유기 화학 응용 분야에서 사용되므로, 독성 용매 없이 반응을 완료하면 제약 및 다양한 소재 분야 전반에서 녹색 화학을 강화할 수 있습니다.  

독성 유기 용매를 물로 대체하면 더 친환경적인 합성 경로와 제조가 가능해집니다. 또한 생산 비용을 절감하고 자원이 부족한 환경이나 교육 기관에서도 화학 합성에 대한 접근성을 확대할 수 있습니다. 향후 다음과 같은 변화가 예상됩니다.

• 제약 R&D 파이프라인에서 수계 반응의 폭넓은 채택.
• 수성 환경에 최적화된 새로운 촉매 개발.
• 흐름 화학 및 연속 제조 시스템과의 통합.
• 소분자를 넘어 고분자 및 소재 합성으로의 확장.
• 수계 반응 결과를 예측하기 위한 계면 효과의 모델링 개선.

DES 기반 추출 기술, 순환 화학의 지형을 바꾸다  

전자 폐기물에서 금속을 추출하는 것은 독성 오염을 방지하고 소비자 및 산업용 기기에 필요한 소재를 안정적으로 공급하기 위한 필수 과제입니다. 폐기물 흐름에서 생리활성 화합물을 제거하는 것 또한 중요하지만, 핵심 금속 및 생리활성 화합물을 추출하는 기존 방식은 에너지 집약적이고 위험하며 환경을 파괴하는 경우가 많습니다.

심공융 용매(DES)은 수소 결합 공여체와 수용체의 혼합물로, 각 성분보다 낮은 녹는점을 가진 공융 혼합물을 형성합니다. 맞춤 설정이 가능하고 생분해성인 이 용매는 폐기물, 광석, 농업 잔여물에서 금, 리튬, 희토류와 같은 핵심 금속과 폴리페놀, 플라보노이드, 리그닌 등 생리활성 화합물을 추출하는 데 사용되고 있습니다. DES는 강산이나 휘발성 유기 화합물(VOC)과 같은 기존 용매를 대체할 수 있는 저독성, 저에너지 대안입니다. DES의 예는 다음과 같습니다.

• ​​​수소 결합 수용체(HBA): 일반적으로 4차 암모늄염(예: 염화콜린)
• 수소 결합 공여체(HBD): 요소, 글리콜, 카르복실산 또는 당류와 같은 화합물
• 일반적인 비율: 1:2 또는 1:3 (HBA:HBD)

DES는 전자 폐기물, 폐배터리, 바이오매스에서 자원을 회수하는 동시에 배출량과 화학 폐기물을 최소화하여 순환 경제의 목표에 부합합니다. 또한 농업 부산물에서 유용한 화합물을 추출하여 바이오 정제소 개발을 지원합니다. 석유화학 용매에 대한 의존도를 낮추고 지속 가능한 소재의 시장 기회를 확대합니다.

가까운 미래에는 산업용 금속 회수 및 바이오매스 처리를 위한 DES 기반 시스템의 규모가 확대되고, 식품, 제약, 화장품 분야에 맞춤화된 상업용 DES 제형이 등장할 것으로 예상됩니다. 효소 및 발효 공정과의 통합을 통해 바이오매스의 전방위적 가치 창출도 가능해질 것입니다.

녹색 화학은 모든 산업과 분야에 영향을 미치며, 연구가 지속됨에 따라 더욱 보편적이고 경제적이며 환경적으로 지속 가능한 방식으로 자리 잡을 것입니다.

‍