▲ (左부터) 진형준 인하대 고분자공학과 교수, 조세연 박사, 윤영수 박사.

국내 연구진이 단순열처리로 천연단백질에서 탄소소재를 제조했다. 향후 몸속에서의 생체반응이 안전하다고 입증되면 그 파급효과가 매우 클 것으로 보인다.

진형준 인하대학교 고분자공학과 교수와 연구팀이 천연 단백질을 이용한 탄소 소재를 개발해 자연과학 분야 최고의 권위지인 네이처(Nature)의 자연과학 분야 자매지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications) 2015년 5월호(5월 20일 출간)에 연구 논문을 게재했다고 밝혔다.

본교 진형준 교수 연구팀은 지난 수년간의 연구를 거쳐 거미줄과 같은 천연 단백질섬유를 이용해 선형고분자에 속하는 단백질이 열에 의해 6각형의 탄소 고리화합물로 전이되는 원리를 규명하였다.

특히 천연 단백질 섬유인 거미줄을 2800°C의 높은 온도로 열처리하면 거미줄이 탄소섬유로 변함을 확인하였으며, 이를 바탕으로 탄소섬유와 다양한 나노구조의 탄소소재를 제조하였다.

탄소 섬유는 미래의 철강 산업을 위협할 만한 강력한 대체재 중 하나로 자동차 및 항공기용 복합소재, 발전기 구조재, 토목 및 건설용 보강재, 전기전자재료와 레져용품 등에 이르기까지 2020년 기준으로 글로벌 시장규모가 70,000톤 이상으로 예상되며 이는 수십조원의 가치에 이른다.

삼성, 효성과 같은 국내 대기업들도 앞 다투어 탄소 섬유 시장에 진출하고 있으며, 본 연구진에 의해 개발된 새로운 탄소섬유와 이에 대한 원천기술이 복합 소재를 비롯한 에너지, 반도체 소재 분야 등 산업계 전반에 큰 영향을 줄 것으로 기대된다.

또한, 본 연구를 바탕으로 유기용매나 금속촉매 등을 전혀 사용하지 않고 단순한 열처리만으로 다양한 나노구조의 탄소 소재를 제조할 수 있어 생체 내 응용 가능성이 매우 클 것으로 기대된다.

현재 안전성 여부에 대한 후속 연구가 현재 본교 연구팀에 의해 진행되고 있으며, 몸속에서의 면역반응 및 염증반응이 거의 없는 소재임이 입증되면 학문적·산업적인 효과가 매우 클 것으로 예상된다.

특히 ‘파이로프로틴(pyroprotein)’이라는 용어는 단백질을 1000°C 이하의 온도에서 열처리한 경우 형성되는 고분자와 탄소의 중간체를 의미하며 본 연구팀이 세계 최초로 제시한 새로운 용어이다.

이번 연구는 본교 고분자공학과 진형준 교수와 조세연 박사, 윤영수 박사 및 KIST(전북분원) 이성호 박사, 서울대 재료공학과 강기석 교수, 인천대 물리학과 김병훈 교수, 미국 Tufts 대학교 Kaplan 교수 등의 공동 연구팀 주관으로 진행 됐으며, 한국연구재단의 기초연구사업과 기후변화대응기술개발사업 그리고 한국과학기술연구원(KIST) 기관고유사업 지원으로 수행되었다.

한편, 논문제목은 논문 ‘Carbonization of a stable β-sheet-rich silk protein into a pseudographitic pyroprotein(실크 단백질의 안정한 베타시트 구조로부터 의사 흑연 구조인 파이로프로테인으로의 탄소화)’이다.

▲ (左부터) 무당거미의 거미줄, 무당거미 거미줄을 2800°C까지 열처리한 탄소체, 탄소체를 투과전자현미경으로 본 이미지로 거미줄이 완전 연소되지 않고 흑연 구조가 발달된 탄소 형태 로 전환되었음을 보여준다..