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100% 친환경 바이오 윤활기유 개발

- 바이오매스 유래 ‘퓨란 화합물’로 차세대 윤활기유 생산기술 확보

□ 윤활유는 기계 부품 표면 사이에 얇은 막을 형성해 마찰과 마모를 줄이고 열을 분산시키며, 부식을 방지하는 필수소재이다.

 ㅇ 기유(Base oil)를 기본 원료로 첨가제를 혼합해 만들어지는데, 기유는 크게 원유를 정제해 얻는 기유와 인공적으로 합성한 기유로 구분된다.

 ㅇ 자동차 엔진 오일에서 기유가 차지하는 비중이 80~85%, 산업용의 경우 95% 이상일 만큼 높기 때문에 기유의 품질이 윤활유의 성능을 결정한다고 해도 지나치지 않다.

□ 에스터계(Ester) 윤활유는 분자 구조에 포함된 ‘에스터 결합*’ 특성상 열과 산화에 강하고, 높은 윤활성과 점도 유지 특성을 갖고 있어 선박, 항공기 등 극한 환경에서 운행하는 운송수단에 사용된다.

 * 에스터 결합 : 산과 알코올이 반응해 물 분자가 빠져나오는 결합 

 ㅇ 반면 석유 기반의 윤활기유를 사용하기 때문에 제조 과정에서 탄소를 배출하고, 황성분을 제거하는 추가 공정이 필요해 친환경 윤활기유 개발이 요구되고 있다.

□ 한국생산기술연구원(원장 이상목, 이하 생기원)과 포항공과대학교 공동 연구팀이 바이오매스 유래 ‘퓨란 화합물’을 개발하고, 이를 바탕으로 친환경 윤활기유를 제조할 수 있는 차세대 생산기술을 확보했다. 

 ㅇ 퓨란(Furan)은 비석유 유래 중합체 물질 제조에 사용되는 유기 화합물을 가리킨다. 

□ 생기원 저탄소전환연구부문 김용진 수석연구원 연구팀은 식물유래 바이오매스로부터 5-히드록시메틸퍼퓨랄(5-HMF)을 생산하고, 이로부터 테트라하이드로퓨란디메탄올(THFDM)을 생산하는 기술을 개발했다고 밝혔다.

 ㅇ 5-HMF는 다양한 퓨란 단량체를 생성하기 위한 출발물질로, 연구팀은 5-HMF의 수소화 반응을 통해 윤활기유 제조의 핵심 원료물질인 THFDM을 벤치규모(Bench scale)로 생산하는 데 성공했다. 

 ㅇ 이어 THFDM과 식물성 기름에서 추출한 다양한 탄소수와 불포화도를 갖는 지방산을 에스터화하는 방식으로 ‘퓨란계 디에스터 화합물’을 합성해 냈다. 

□ 개발된 퓨란계 디에스터 화합물은 퓨란 구조 양팔에 에스터 결합이 형성된 화합물이다. 

 ㅇ 연구팀은 앰버리스트-15(Amberlyst-15)를 촉매로 사용해, 지방산 구조마다 다른 반응조건을 최적화해 퓨란계 디에스터 화합물을 분리정제했다.

 ㅇ 분석 결과, 지방산의 탄소 수와 불포화도 조절을 통해 다양한 특성을 가진 퓨란계 윤활기유를 생산할 수 있어 윤활기유로서의 범용적 활용 가능성이 높은 것으로 확인됐다. 

□ 공동연구진인 포항공대 한지훈 교수 연구팀은 LCA(Life Cycle Assessment) 및 경제성 분석을 통해 개발된 윤활유의 환경성과 경제성을 분석했다.

 ㅇ 제품의 수명 주기를 평가하는 LCA 분석 결과 기존 화석연료 기반 윤활유 대비 탄소 배출량이 35% 감소한 것으로 나타났다.

 ㅇ 경제성 분석에서는 퓨란계 디에스터 윤활유 판매가격이 1㎏당 4.92달러로 평가돼 3.71*달러인 합성 윤활유 가격 대비 약 32% 높았다. 

 * 2021년 기준 

□ 생기원 김용진 수석연구원은 “최근 신규 공용매를 적용한 통합 공정을 개발해 생산 비용을 낮춤으로써 가격 면에서도 석유계 윤활유와 대등한 경쟁력을 확보하게 됐다”고 설명하며 “개발된 퓨란계 디에스터 화합물은 모든 원료를 100% 바이오매스 유래 물질로 제조해 환경 규제가 심해지고 있는 선박 분야에서 활용도가 클 것으로 기대한다”고 말했다.

□ 한편 이번 성과는 한국연구재단의 기후변화대응 기초원천기술개발과제(NRF-2020M1A2A2080853) 지원을 통해 수행됐으며, 환경 화학 분야 국제 학술지 Green Chemistry 1월 표지논문에 선정됐다.

* 논문 제목 : Environmentally friendly process design for furan-based long-chain diester production aiming for bio-based lubricants