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바이러스 치료 종양 용해 바이러스 치료
종양 용해 바이러스는 종양 세포의 선택적 사멸과 숙주 면역계 모집의 두 가지 메커니즘을 통해 목표를 달성한다고 믿어진다. 암 치료의 주요 과제 중 하나는 비암성 숙주 세포를 무시하면서 종양 세포를 표적하는 치료법을 찾는 것이다. 바이러스는 암세포에 의해 발현되는 특정 수용체를 표적하여 바이러스 진입을 허용할 수 있기 때문에 선택된다. 이의 한 예는 홍역 바이러스에 의한 다발성 골수종 세포의 CD46 표적화이다. 이러한 수용체의 발현은 종양 세포에서 종종 증가한다. 바이러스는 또한 종양 세포의 특정 수용체를 표적하도록 조작될 수도 있다. 일단 바이러스가 종양 세포에 진입하면, 종양 세포의 빠른 성장과 분열, 그리고 바이러스에 대항하는 종양 세포의 능력 감소는 비종양 세포에 비해 바이러스 복제에 유리하게 만든다. 종양 세포 내에서 바이러스 복제는 종양 세포를 용해시켜 사멸시키고, 또한 숙주 자체의 면역계를 활성화시키는 신호를 방출하여 면역억제를 극복한다. 이는 숙주 면역 세포에 의한 인식을 방해하는 종양 세포의 미세 환경을 파괴함으로써 이루어진다. 종양 항원과 위험 관련 분자 패턴도 용해 과정 동안 방출되어 숙주 면역 세포를 모집하는 데 도움이 된다. 현재 많은 바이러스가 사용 및 테스트되고 있으며, 모두 세포 용해 능력, 면역계 활성화 및 유전자 전달 능력에서 차이가 있다.
바이러스 치료 종양 용해 바이러스 치료
2019년 현재, 다른 바이러스, 암, 용량, 경로 및 투여 방법을 연구하는 100개 이상의 임상 시험이 진행 중이다. 대부분의 연구는 헤르페스 바이러스, 아데노바이러스, 백시니아 바이러스에 대해 이루어졌지만, 홍역 바이러스, 콕사키 바이러스, 폴리오 바이러스, 뉴캐슬병 바이러스 등이 포함된다. 테스트된 전달 방법에는 종양 내 주사, 정맥 내 주사, 복강 내 주사 등이 포함된다. 종양 용해 바이러스로 현재 연구 중인 종양 유형에는 중추신경계 종양, 신장암, 두경부암, 난소암 등이 포함된다. 종양 용해 바이러스 치료는 단독 요법으로도 화학요법, 방사선 요법, 수술, 면역요법 등 다른 요법과 병용하여 테스트되었다.
바이러스 치료 종양 용해 바이러스 치료
2015년 미국 식품의약국(FDA)은 수술이 불가능한 흑색종 병변 치료를 위해 유전자 변형 헤르페스 바이러스인 탈리모젠 라헤르파렙벡의 판매를 승인했다. 2019년 현재 이는 임상 사용이 승인된 유일한 종양 용해 바이러스이다. 병변에 직접 주사된다. 2016년 현재 흑색종 환자의 수명을 연장하거나 전이를 예방한다는 증거는 없었다. 바이러스에서 두 개의 유전자가 제거되었는데, 하나는 개별 세포의 방어력을 차단하는 유전자이고 다른 하나는 바이러스가 면역계를 회피하는 데 도움이 되는 유전자였으며, 인간 GM-CSF 유전자가 추가되었다. 이 약물은 암세포에서 복제하여 암세포를 터뜨려 죽이는 방식으로 작동하며, 면역 반응을 자극하도록 설계되었지만 2016년 현재 이에 대한 증거는 없었다. 이 약물은 BioVex, Inc.에서 개발 및 개발되었으며 2011년에 BioVex를 인수한 암젠에서 계속되었다. 이는 서방에서 승인된 최초의 종양 용해 바이러스였다.
바이러스 치료 종양 용해 바이러스 치료
리그비르는 라트비아 공화국 의약품 국가 기관이 2004년에 승인한 바이러스 치료 약물이다. 이는 에코바이러스 계열에 속하는 야생형 ECHO-7이다. 종양 용해 바이러스로서 에코바이러스의 잠재적 암 치료 용도는 1960년대와 1970년대에 라트비아 과학자 아이나 무체니에체(Aina Muceniece)에 의해 발견되었다. 라트비아에서 약물을 등록하는 데 사용된 데이터는 미국, 유럽 또는 일본에서 사용 승인을 얻기에 충분하지 않다. 2017년 현재 리그비르가 효과적인 암 치료제라는 좋은 증거는 없었다. 2019년 3월 19일, ECHO-7 제조업체 SIA LATIMA는 재정적 및 전략적 이유와 불충분한 수익성을 인용하여 라트비아에서 약물 판매를 중단한다고 발표했다. 그러나 며칠 후 한 조사 TV 프로그램은 국가 의약품 기관이 약병에 대한 실험실 테스트를 실시했으며, ECHO-7 바이러스의 양이 제조업체가 주장한 양보다 훨씬 적다는 것을 발견했다고 밝혔다. 2019년 3월, 라트비아에서의 ECHO-7 유통은 중단되었다.
바이러스 치료 종양 용해 바이러스 치료
종양 용해 바이러스는 종양 세포를 특이적으로 표적하도록 조작되었지만, 해당 바이러스와 일반적으로 관련된 증상으로 이어지는 비표적 효과의 가능성은 항상 존재한다. 가장 흔하게 보고된 증상은 인플루엔자 유사 증상이었다. 종양 용해 바이러스로 사용되는 HSV 바이러스는 고유한 티미딘 키나아제 유전자를 유지하고 있어 원치 않는 부작용 발생 시 항바이러스 요법으로 표적될 수 있다.
다른 과제로는 종양 부위에 직접 또는 정맥 내로 최적의 전달 방법을 개발하고 여러 부위의 표적을 허용하는 것이 포함된다. 임상 시험에는 최적의 치료법을 찾기 위해 다양한 실험실 기술을 사용하여 바이러스 복제 및 확산을 추적하는 것이 포함된다.
종양 용해 바이러스를 치료제로 사용하는 또 다른 주요 과제는 바이러스가 종양 세포를 감염시키는 것을 방해할 숙주의 자연 면역계를 피하는 것이다. 종양 용해 바이러스가 숙주 시스템에 도입되면 건강한 숙주의 면역계는 자연적으로 바이러스를 퇴치하려고 시도할 것이다. 이로 인해 더 적은 바이러스가 표적 부위에 도달할 수 있다면 종양 용해 바이러스의 효능을 감소시킬 수 있다. 이는 치료 초기에는 숙주의 면역 반응을 억제하는 것이 필요할 수 있다는 아이디어로 이어지지만, 이는 안전 문제와 함께 제기된다. 이러한 면역억제 안전 문제 때문에 임상 시험에서는 면역력이 저하된 환자와 활성 바이러스 감염이 있는 환자를 제외했다.
바이러스 치료 바이러스 유전자 치료
바이러스 유전자 치료는 유전적으로 변형된 바이러스 매개체를 사용하여 유전적 오작동이 있는 세포에 치료 유전자를 전달한다.
유전자를 전달하기 위해 바이러스 물질을 사용하는 것은 바이러스 매개체의 공학으로 시작된다. 바이러스 매개체의 분자 메커니즘은 매개체마다 다르지만, 고려되는 몇 가지 일반적인 원칙이 있다.
유전자의 결핍을 유발하는 유전자 변이로 인한 질병에서는 해당 유전자를 다시 추가한다. 유전자의 과발현으로 인한 질병에서는 유전자 변형 바이러스를 도입하여 해당 유전자를 비활성화할 수 있다.
바이러스 유전자 치료는 생체 내(in vivo) 또는 생체 외(ex vivo)에서 수행될 수 있다. 전자의 경우, 바이러스 매개체는 환자의 장기나 조직에 직접 전달된다. 후자의 경우, 원하는 조직을 먼저 추출하여 유전적으로 변형시킨 다음 환자에게 다시 이식한다. 세포로의 유전자 전달 및 통합의 분자 메커니즘은 사용되는 바이러스 매개체에 따라 다르다.
여러 번의 지속적인 치료가 필요한 약물 전달 대신, 유전자 전달은 유전자 산물을 지속적으로 생산할 수 있는 오래 지속되는 세포를 생성할 잠재력을 가지고 있다.
바이러스 치료 바이러스 유전자 치료
2000년대 이후 아데노 관련 바이러스 매개체 및 키메라 항원 수용체 T 세포 치료법을 이용한 바이러스 유전자 치료가 몇 차례 성공적으로 임상에 적용되었다.
아데노 관련 바이러스로 만든 매개체는 오늘날 임상 시험에서 사용되는 가장 확립된 제품 중 하나이다. 처음에는 다른 여러 특징과 함께 질병을 유발하는 것으로 알려지지 않아 유전자 치료에 매력적으로 사용되었다. 또한 유전자 전달 후 복제되지 않도록 조작되었다.
2019년 FDA는 두 살 미만 어린이의 척수성 근위축증 치료를 위한 AAV 매개체 기반 유전자 치료 제품인 졸겐스마를 승인했다. 2019년 8월 현재, 이 치료제는 200만 미국 달러 이상의 비용이 드는 세계에서 가장 비싼 치료제이다. 노바티스는 2019년 현재 EU에서 이 약물에 대한 판매 승인을 여전히 추진하고 있다.
또한, AAV 유전자 치료와 관련된 다른 임상 시험들은 혈우병과 다양한 신경학적, 심혈관 및 근육 질환과 같은 질병을 치료하는 것을 목표로 한다.
바이러스 치료 바이러스 유전자 치료
키메라 항원 수용체 T 세포 (CAR T 세포)는 바이러스 유전자 편집을 활용하는 면역요법의 일종이다. CAR T 세포는 T 림프구를 추출하고 일반적으로 감마레트로바이러스 또는 렌티바이러스를 사용하여 세포 표면의 특정 단백질을 인식하도록 바이러스로 조작하는 생체 외 방법을 사용한다. 이는 T 림프구가 원치 않는 단백질을 발현하는 세포를 공격하게 한다. 현재 티사젠렉류셀과 악시카프타젠 실로류셀 두 가지 치료법이 각각 급성 림프모구성 백혈병과 미만성 거대 B세포 림프종 치료에 대해 FDA 승인을 받았다. 고형 악성 종양에서의 잠재적 이점을 탐색하기 위한 임상 시험이 진행 중이다.
2012년 유럽 연합 집행위원회는 성인의 지질단백질 지질분해효소 결핍증 치료를 위한 AAV 매개체 기반 유전자 치료 제품인 글리베라를 승인했다. 이는 EU에서 승인된 최초의 유전자 치료제였다. 이 약물은 미국에서 FDA 승인을 받지 못했으며, 2017년 제조업체인 uniQure가 수익성 문제로 판매를 중단했다. 2019년 기준 현재 EU에서 더 이상 사용이 승인되지 않았다.
바이러스 치료 바이러스 유전자 치료
현재 바이러스 유전자 치료에는 여전히 많은 과제가 남아 있다. 바이러스 유전자 치료에 대한 면역반응은 성공적인 치료에 어려움을 야기한다. 그러나 눈과 같은 면역 특권 부위의 바이러스 매개체에 대한 반응은 다른 신체 부위에 비해 감소될 수 있다. 다른 형태의 바이러스 치료와 마찬가지로, 비표적 게놈 편집의 방지도 우려 사항이다. 바이러스 유전자 편집 외에도 CRISPR-CAS9와 같은 다른 게놈 편집 기술은 유전자 전달에 더 많은 제어를 통해 더 정확한 것으로 나타났다. 게놈 편집이 현실화됨에 따라 기술의 윤리적 함의를 고려하는 것도 필요하다.
바이러스 치료 바이러스 면역요법
바이러스 면역요법은 바이러스를 사용하여 신체의 면역계를 자극하는 것이다. 약독화되거나 사멸된 바이러스/세균을 사용하여 면역반응을 생성하는 전통적인 백신과는 달리, 바이러스 면역요법은 유전적으로 변형된 바이러스를 사용하여 특정 항원을 면역계에 제시한다. 이 항원은 모든 종류의 바이러스/세균 또는 심지어 인간 질병 항원, 예를 들어 암 항원에서 유래할 수 있다.
백신은 질병에 대한 면역력을 개발하기 위해 약독화되거나 비활성화된 바이러스를 사용하는 바이러스 치료의 또 다른 방법이다. 약독화 바이러스는 숙주에서 종종 감지할 수 없는 자연적인 면역 반응을 유발하는 약화된 바이러스이다. 숙주는 또한 약독화 바이러스가 실제 바이러스와 유사하기 때문에 잠재적으로 평생 면역력을 발달시킨다. 비활성화된 바이러스는 숙주에게 항원의 한 형태를 제시하는 사멸된 바이러스이다. 그러나 장기적인 면역 반응은 제한적이다.
바이러스 치료 바이러스 면역요법
암 맥락에서 바이러스 면역요법은 신체의 면역계를 자극하여 암세포에 더 잘 대항하도록 한다. 백신의 맥락에서 전통적으로 생각하는 것처럼 암의 원인을 예방하는 대신, 암에 대한 백신은 암을 치료하는 데 사용된다. 메커니즘은 바이러스와 치료법에 따라 다르다. 이전 섹션에서 논의한 바와 같이, 종양 용해 바이러스는 용해 시 종양 관련 항원 방출과 암의 미세 환경 파괴를 통해 숙주 면역계를 자극하여 숙주 면역계를 회피하는 데 도움을 준다. 이전 섹션에서 언급된 CAR T 세포는 암세포를 죽이기 위해 면역 세포를 유전적으로 조작하는 바이러스를 사용하는 또 다른 형태의 바이러스 면역요법이다.
바이러스 치료 기타 프로젝트 및 제품
원생동물에 의한 감염을 치료하기 위한 수단으로 바이러스가 연구되어 왔다. 잠재적인 바이러스 치료법이 연구된 한 원생동물은 자유아메바이며, 이는 원발성 아메바성 뇌수막염 (PAM)을 유발한다. 사망률이 95%에 달하는 이 질병 유발 진핵생물은 알려진 병원성 치사율 중 가장 높은 수치 중 하나를 가지고 있다. PAM 치료를 위해 이 아메바를 표적하는 화학 요법제는 혈뇌장벽을 통과하는 데 어려움이 있다. 그러나 원생동물 병원체의 독성 바이러스(VVPP)는 박테리오파지와 유사한 과정으로 혈뇌장벽을 통과하여 이 진핵생물 질병 유기체에 더 쉽게 접근할 수 있는 바이러스 치료법으로 사용될 수 있다. 이러한 VVPP는 또한 자가 복제하므로 투여 빈도가 적고 용량이 낮아 잠재적으로 독성을 줄일 수 있다. 원생동물 질병에 대한 이러한 치료 방법이 박테리오파지 바이러스 치료와 유사한 방식으로 큰 가능성을 보일 수 있지만, 주목할 만한 위험은 진핵생물 병원성을 가질 수 있는 바이러스를 사용하는 것의 진화적 결과이다. VVPP는 진핵생물 표면 단백질 및 DNA 편집 단백질을 조작하는 DNA 삽입 및 복제 메커니즘을 진화시켰을 것이다. 따라서 VVPP 공학은 돌연변이를 일으켜 감염된 숙주의 표면 단백질에 결합하고 DNA를 조작할 수 있는 바이러스를 제어해야 한다.
나노전기기계 시스템
나노전기기계 시스템(Nanoelectromechanical systems, NEMS)은 나노스케일에서 전기적 및 기계적 기능을 통합한 장치 계열이다. NEMS는 소위 미세전기기계 시스템(MEMS) 장치에서 다음 논리적 소형화 단계이다. NEMS는 일반적으로 트랜지스터와 유사한 나노일렉트로닉스를 기계적 액추에이터, 펌프 또는 모터와 통합하며, 이를 통해 물리적, 생물학적 및 화학 센서를 형성할 수 있다. 이 이름은 나노미터 범위의 일반적인 장치 크기에서 유래하며, 이는 낮은 질량, 높은 기계적 공진 주파수, 영점 운동과 같은 잠재적으로 큰 양자역학적 효과, 그리고 표면 기반 감지 메커니즘에 유용한 높은 표면 대 부피 비율로 이어진다. 응용 분야에는 가속도계 및 공기 중 화학 물질 감지 센서가 포함된다.
나노전기기계 시스템 역사
리처드 파인만이 1959년 그의 유명한 강연 "바닥에는 풍부한 공간이 있다"에서 언급했듯이, 더 작고 작은 크기의 기계에는 많은 잠재적인 응용 분야가 있다. 더 작은 규모에서 장치를 만들고 제어함으로써 모든 기술이 이점을 얻는다. 예상되는 이점에는 전기기계 시스템에서 효율성 증대 및 크기 감소, 전력 소비 감소 및 생산 비용 절감이 포함된다.
나노전기기계 시스템 역사
최초의 이산화 규소 전계 효과 트랜지스터는 1957년 벨 연구소에서 프로쉬와 데릭에 의해 제작되었다. 1960년, 벨 연구소의 마틴 아탈라와 강대원은 게이트 산화물 두께가 100 nm인 MOSFET을 제작했다. 1962년, 아탈라와 강대원은 나노층 기반의 금속-반도체 접합 (M–S 접합) 트랜지스터를 제작했는데, 이 트랜지스터는 금 (Au) 박막을 10 nm 두께로 사용했다. 1987년, 비잔 다바리가 이끄는 IBM 연구팀은 10 nm 산화물 두께를 가진 최초의 MOSFET을 시연했다. 멀티게이트 MOSFET은 FinFET을 시작으로 20 nm 채널 길이 이하의 MOSFET 스케일링을 가능하게 했다. FinFET은 1989년 히타치 중앙 연구소의 디그 히사모토의 연구에서 유래한다. 캘리포니아 대학교 버클리에서는 히사모토와 TSMC의 천밍 후가 이끄는 그룹이 1998년에 17 nm 채널 길이까지 FinFET 장치를 제작했다.
2000년, IBM 연구원들은 최초의 초고밀도 집적 회로(VLSI) NEMS 장치를 시연했다. 이 장치는 메모리 장치(밀리피드 메모리)로 기능하기 위해 변형 가능한 기판을 가열/감지할 수 있는 AFM 팁 배열을 기반으로 한다. 스테판 드 한(Stefan de Haan)은 추가 장치들을 기술했다. 2007년, 국제 반도체 기술 로드맵(ITRS)는 신흥 연구 장치 섹션에 NEMS 메모리를 새로운 항목으로 포함시켰다.
나노전기기계 시스템 원자간력 현미경
NEMS의 주요 응용 분야는 원자간력 현미경 팁이다. NEMS를 통해 달성되는 감도 증가는 스트레스, 진동, 원자 수준의 힘 및 화학 신호를 감지하는 더 작고 효율적인 센서로 이어진다. AFM 팁과 나노스케일에서의 다른 감지는 NEMS에 크게 의존한다.
나노전기기계 시스템 소형화 접근 방식
NEMS 제작에는 상향식 접근 방식과 하향식 접근 방식이라는 두 가지 보완적인 접근 방식이 있다.
하향식 접근 방식은 전통적인 미세가공 방법, 즉 광학, 전자빔 리소그래피 및 열처리를 사용하여 장치를 제조한다. 이러한 방법의 해상도에 의해 제한되지만, 결과 구조에 대한 높은 제어도를 허용한다. 이러한 방식으로 나노와이어, 나노로드 및 패턴화된 나노구조가 금속 박막 또는 식각된 반도체 층에서 제작된다. 하향식 접근 방식의 경우, 표면적 대 부피 비율을 증가시키면 나노 물질의 반응성이 향상된다.
상향식 접근 방식은 이와 대조적으로 단일 분자의 화학적 특성을 이용하여 단일 분자 구성 요소가 스스로 조직화되거나 스스로 조립되어 유용한 형태를 이루도록 하거나 위치 조립에 의존한다. 이러한 접근 방식은 분자 자기조립 및 분자 인식의 개념을 활용한다. 이는 훨씬 더 작은 구조를 제작할 수 있게 하지만, 종종 제작 공정의 제어도가 제한되는 대가를 치른다. 또한, 하향식 접근 방식에서는 원래 구조에서 잔류 물질이 제거되는 반면, 상향식 접근 방식에서는 최소한의 물질이 제거되거나 낭비된다.
나노전기기계 시스템 소형화 접근 방식
나노스케일 분자가 하향식 프레임워크에 통합되는 이러한 접근 방식의 조합도 사용될 수 있다. 그러한 예 중 하나는 탄소 나노튜브 나노모터이다.
나노전기기계 시스템 재료
NEMS 기술에 일반적으로 사용되는 많은 재료는 탄소 기반, 특히 다이아몬드, 탄소 나노튜브 및 그래핀이었다. 이는 주로 NEMS의 요구를 직접적으로 충족시키는 탄소 기반 재료의 유용한 특성 때문이다. 탄소의 기계적 특성(예: 큰 영률)은 NEMS의 안정성에 필수적이며, 탄소 기반 재료의 금속성 및 반도체 전도성은 이들이 트랜지스터로 기능할 수 있게 한다.
그래핀과 다이아몬드 모두 높은 영률, 낮은 밀도, 낮은 마찰, 극히 낮은 기계적 소산, 및 넓은 표면적을 나타낸다. CNT의 낮은 마찰은 거의 마찰이 없는 베어링을 가능하게 하며, 따라서 나노모터, 개폐기 및 고주파 발진기와 같은 NEMS의 구성 요소로서 CNT의 실제 응용에 대한 큰 동기가 되었다. 탄소 나노튜브와 그래핀의 물리적 강도는 일반적인 재료가 파괴될 수 있는 더 높은 응력 요구 사항을 충족할 수 있도록 하여 NEMS 기술 개발의 주요 재료로서의 사용을 더욱 지지한다.
나노전기기계 시스템 재료
탄소 기반 재료의 기계적 이점과 함께, 탄소 나노튜브 및 그래핀의 전기적 특성은 NEMS의 많은 전기 부품에 사용될 수 있도록 한다. 나노트랜지스터는 탄소 나노튜브 및 그래핀 모두를 위해 개발되었다. 트랜지스터는 모든 전자 장치의 기본 구성 요소 중 하나이므로, 사용 가능한 트랜지스터를 효과적으로 개발함으로써 탄소 나노튜브와 그래핀은 NEMS에 매우 중요하다.
나노기계 공진기는 종종 그래핀으로 만들어진다. NEMS 공진기의 크기가 작아짐에 따라, 표면적 대 부피 비율에 반비례하여 품질 계수가 감소하는 일반적인 경향이 있다. 그러나 이러한 어려움에도 불구하고, 2400에 달하는 품질 계수를 달성하는 것이 실험적으로 입증되었다. 품질 계수는 공진기 진동의 음색 순도를 설명한다. 또한, 모든 측면에서 그래핀 막을 고정하면 품질 수가 증가할 것이라고 이론적으로 예측되었다. 그래핀 NEMS는 또한 질량, 힘, 및 위치 센서로도 기능할 수 있다.
나노전기기계 시스템 재료
탄소 나노튜브 (CNT)는 원통형 나노구조를 가진 탄소의 동소체이다. 이들은 말린 그래핀으로 간주될 수 있다. 특정하고 이산적인("카이랄") 각도로 말리면, 말린 각도와 반지름의 조합에 따라 나노튜브가 밴드갭을 갖는지(반도체성) 또는 밴드갭이 없는지(금속성) 결정된다.
금속성 탄소 나노튜브는 높은 전류 밀도를 전달할 수 있기 때문에 나노전자 상호연결용으로도 제안되었다. 이는 전류를 전달하는 전선이 모든 전기 시스템의 또 다른 기본 구성 요소이므로 유용한 특성이다. 탄소 나노튜브는 NEMS에서 매우 많이 사용되어, 매달린 탄소 나노튜브를 다른 나노구조에 연결하는 방법이 이미 발견되었다. 이를 통해 탄소 나노튜브는 복잡한 나노전자 시스템을 형성할 수 있다. 탄소 기반 제품은 적절하게 제어될 수 있고 상호연결 및 트랜지스터로 작용할 수 있기 때문에 NEMS의 전기 부품에서 근본적인 재료 역할을 한다.
나노전기기계 시스템 재료
MEMS 스위치에 비해 NEMS 스위치의 주요 단점은 MEMS의 마이크로초 범위 스위칭 속도 제한으로, 고속 응용 분야의 성능을 저해한다는 것이다. 스위칭 속도 및 작동 전압의 한계는 장치를 마이크로에서 나노미터 스케일로 축소함으로써 극복할 수 있다. 탄소 나노튜브(CNT) 기반 NEMS 스위치와 CMOS 스위치의 성능 매개변수 비교 결과, CNT 기반 NEMS 스위치는 더 낮은 에너지 소비 수준에서 성능을 유지했으며, CMOS 스위치보다 수백 배 더 작은 문턱 이하 누설 전류를 가졌다. 이중 클램핑 구조를 가진 CNT 기반 NEMS는 플로팅 게이트 비휘발성 메모리 응용 분야의 잠재적 솔루션으로 추가 연구되고 있다.
나노전기기계 시스템 재료
NEMS 기술에 유용한 탄소 나노튜브와 그래핀의 모든 특성에도 불구하고, 이들 제품 모두 구현에 몇 가지 장애물이 있다. 주요 문제 중 하나는 실제 환경에 대한 탄소의 반응이다. 탄소 나노튜브는 산소에 노출될 때 전자적 특성에 큰 변화를 보인다. 마찬가지로, 탄소 기반 재료의 전자적 및 기계적 속성에 대한 다른 변화는 특히 주변 환경과 쉽게 반응할 수 있는 높은 표면적 때문에 구현 전에 완전히 탐색되어야 한다. 탄소 나노튜브는 또한 처리 시 나선성에 따라 금속성 또는 반도체성으로 다양한 전도도를 갖는 것으로 밝혀졌다. 이 때문에 모든 나노튜브가 적절한 전도도를 갖도록 처리 시 특별한 처리를 해야 한다. 그래핀은 또한 에너지 밴드갭이 없고 본질적으로 전자가 그래핀 기반 장치를 통해 이동하는 방식에 대한 모든 규칙을 변경하기 때문에 전통적인 반도체에 비해 복잡한 전기 전도도 특성을 갖는다. 이는 전통적인 전자 장치 구성이 작동하지 않을 가능성이 높으며, 이러한 새로운 전자 장치에는 완전히 새로운 아키텍처가 설계되어야 함을 의미한다.
나노전기기계 시스템 재료
그래핀의 기계적 및 전자적 특성은 NEMS 가속도계, 예를 들어 심장 모니터링 시스템 및 모바일 동작 캡처를 위한 소형 센서 및 액추에이터에 통합하는 데 유리하게 작용했다. 그래핀의 원자 규모 두께는 가속도계가 마이크로 스케일에서 나노 스케일로 축소되면서 시스템에 필요한 감도 수준을 유지할 수 있는 경로를 제공한다.
실리콘 시험 질량을 이중층 그래핀 리본에 매달아, 현재 생산되는 가속도계의 변환기 기능을 갖춘 나노스케일 스프링-질량 및 압저항 변환기를 만들 수 있다. 스프링 질량은 더 높은 정확도를 제공하며, 그래핀의 압저항 특성은 가속으로 인한 변형을 가속도계의 전기 신호로 변환한다. 매달린 그래핀 리본은 동시에 스프링과 압저항 변환기를 형성하여 NEMS 가속도계의 성능을 향상시키면서 공간을 효율적으로 활용한다.
높은 접착력과 마찰로 인한 고장은 많은 NEMS에서 우려 사항이다. NEMS는 잘 특성화된 미세가공 기술 때문에 실리콘을 자주 활용하지만, 본질적인 강성은 움직이는 부품을 가진 장치의 기능을 종종 방해한다.
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오하이오 주립 연구원들이 수행한 연구는 PDMS 코팅된 단결정 실리콘의 접착 및 마찰 매개변수를 비교했다. PDMS는 기계적으로 조절 가능하며, 화학적으로 불활성이고, 열적으로 안정하며, 기체에 투과성이 있고, 투명하며, 비형광성이고, 생체 적합성이 있으며, 무독성인 실리콘 엘라스토머이다. 폴리머에 본질적인 특성으로, PDMS의 영률은 폴리머 사슬의 가교 정도를 조작하여 두 자릿수 범위에서 변할 수 있으므로 NEMS 및 생물학적 응용 분야에서 실행 가능한 재료가 된다. PDMS는 실리콘과 밀착될 수 있으므로 NEMS 기술에 쉽게 통합되어 기계적 및 전기적 특성을 모두 최적화할 수 있다. PDMS와 같은 폴리머는 비교적 저렴하고, 단순하며, 시간 효율적인 프로토타이핑 및 제조 덕분에 NEMS에서 주목받기 시작하고 있다.
나노전기기계 시스템 재료
휴지 시간은 접착력과 직접적인 상관관계가 있는 것으로 특성화되었으며, 상대 습도가 증가하면 친수성 폴리머의 접착력이 증가한다. 접촉각 측정 및 라플라스 힘 계산은 PDMS의 소수성 특성을 지지하며, 이는 예상대로 실험적으로 검증된 상대 습도와의 독립성과 일치한다. PDMS의 접착력은 휴지 시간과도 독립적이며, 다양한 상대 습도 조건에서 다용도로 수행할 수 있고, 실리콘보다 낮은 마찰 계수를 갖는다. PDMS 코팅은 슬라이딩 방지와 같은 고속 문제를 완화하는 데 도움이 된다. 따라서 접촉 표면의 마찰은 상당히 높은 속도에서도 낮게 유지된다. 실제로 미세 규모에서는 마찰이 속도 증가에 따라 감소한다. PDMS의 소수성과 낮은 마찰 계수는 다양한 상대 습도 및 높은 상대 슬라이딩 속도에서 수행되는 NEMS 실험에 더 통합될 가능성을 불러일으켰다.
PDMS는 NEMS 기술에서 자주 사용된다. 예를 들어, 다이어프램에 PDMS 코팅은 클로로포름 증기 감지에 사용될 수 있다.
싱가포르 국립 대학의 연구원들은 상온에서 클로로포름 증기를 감지하기 위해 실리콘 나노와이어(SiNW)가 내장된 폴리다이메틸실록세인(PDMS) 코팅 나노전기기계 시스템 다이어프램을 발명했다. 클로로포름 증기가 존재하면 마이크로 다이어프램의 PDMS 필름이 증기 분자를 흡수하여 팽창하고, 이는 마이크로 다이어프램의 변형으로 이어진다. 마이크로 다이어프램 내에 심어진 SiNW는 휘트스톤 브리지로 연결되어 변형을 정량적 출력 전압으로 변환한다. 또한 이 마이크로 다이어프램 센서는 저전력 소비로 저비용 처리를 시연한다. 확장성, 초소형 설치 공간 및 CMOS-IC 공정 호환성에 큰 잠재력을 가지고 있다. 증기 흡수 폴리머 층을 변경함으로써 이론적으로 다른 유기 증기를 감지할 수 있는 유사한 방법을 적용할 수 있다.
재료 섹션에서 논의된 PDMS의 고유한 특성 외에도, PDMS는 클로로포름을 흡수하는 데 사용될 수 있으며, 그 효과는 일반적으로 마이크로 다이어프램의 팽창 및 변형과 관련이 있다. 이 연구에서는 다양한 유기 증기도 측정되었다. 우수한 노화 안정성과 적절한 포장으로, 열, 빛 및 방사선에 대한 PDMS의 분해 속도를 늦출 수 있다.
바이오-하이브리드 시스템의 신흥 분야는 생의학 또는 로봇 응용 분야를 위해 생물학적 및 합성 구조 요소를 결합한다. 바이오-나노전기기계 시스템(BioNEMS)의 구성 요소는 DNA, 단백질 또는 나노구조 기계 부품과 같은 나노스케일 크기이다. 예로는 티올-엔 폴리머를 용이하게 상향식 나노구조화하여 교차 결합되고 기계적으로 견고한 나노구조를 생성한 다음 단백질로 기능화하는 것이 포함된다.
나노전기기계 시스템 시뮬레이션
컴퓨터 시뮬레이션은 NEMS 장치에 대한 실험 연구의 중요한 부분이었다. 연속체 역학 및 분자동역학(MD)을 통해 실험에 착수하기 전에 전산 모델링을 통해 NEMS 장치의 중요한 동작을 예측할 수 있다. 또한, 연속체 및 MD 기술을 결합하면 엔지니어는 초미세 메시 및 시간 소모적인 시뮬레이션에 의존하지 않고도 NEMS 장치의 안정성을 효율적으로 분석할 수 있다. 시뮬레이션에는 다른 장점도 있다. NEMS 장치 제작과 관련된 시간과 전문 지식이 필요하지 않다. 다양한 전기기계적 효과의 상호 관련 역할을 효과적으로 예측할 수 있다. 실험적 접근 방식에 비해 매개변수 연구를 상당히 쉽게 수행할 수 있다. 예를 들어, 전산 연구는 NEMS 장치의 전하 분포 및 "풀인" 전기기계적 반응을 예측했다. 시뮬레이션을 사용하여 이러한 장치의 기계적 및 전기적 동작을 예측하면 NEMS 장치 설계 매개변수를 최적화하는 데 도움이 될 수 있다.
나노전기기계 시스템 NEMS의 신뢰성과 수명 주기
신뢰성은 지정된 제품 수명 동안 고장 없이 구성 요소의 무결성과 성능을 정량적으로 측정하는 척도이다. NEMS 장치의 고장은 기계적, 전기적, 화학적, 열적 요인과 같은 다양한 원인에 기인할 수 있다. 고장 메커니즘 식별, 수율 향상, 정보 부족 및 재현성 문제는 NEMS 장치의 더 높은 신뢰성 수준을 달성하는 데 주요 과제로 확인되었다. 이러한 과제는 제조 단계(예: 웨이퍼 처리, 패키징, 최종 조립)와 제조 후 단계(예: 운송, 물류, 사용) 모두에서 발생한다.
패키징 문제는 MEMS 및 NEMS 전체 비용의 75–95%를 차지하는 경우가 많다. 웨이퍼 다이싱, 장치 두께, 최종 방출 순서, 열팽창, 기계적 응력 격리, 전력 및 열 소산, 크리프 최소화, 매체 격리, 보호 코팅과 같은 요인이 MEMS 또는 NEMS 구성 요소의 설계와 일치하도록 패키징 설계에 고려된다. 박리 분석, 운동 분석 및 수명 테스트는 웨이퍼 수준 캡슐화 기술(예: 캡-투-웨이퍼, 웨이퍼-투-웨이퍼 및 박막 캡슐화)을 평가하는 데 사용되었다. 웨이퍼 수준 캡슐화 기술은 마이크로 및 나노 장치 모두에서 신뢰성을 향상시키고 수율을 높일 수 있다.
나노전기기계 시스템 NEMS의 신뢰성과 수명 주기
NEMS의 제조 공정 초기 단계에서 신뢰성을 평가하는 것은 수율 개선에 필수적이다. 접착력 및 정전기력과 같은 표면 힘의 형태는 표면 지형 및 접촉 기하학에 크게 의존한다. 나노 질감 표면의 선택적 제조는 접촉 면적을 줄여 NEMS의 접착 및 마찰 성능을 모두 향상시킨다. 또한, 엔지니어링된 표면에 나노포스트를 구현하면 소수성을 증가시켜 접착력과 마찰력을 모두 줄인다.
접착력과 마찰력은 NEMS 장치의 적절한 응용을 위해 표면 거칠기를 조절하기 위한 나노패터닝으로도 조작할 수 있다. 오하이오 주립 대학교의 연구원들은 원자/마찰력 현미경(AFM/FFM)을 사용하여 두 가지 유형의 패턴화된 요철(낮은 종횡비 및 높은 종횡비)을 가진 친수성 폴리머에 대한 나노패터닝이 소수성, 접착력 및 마찰에 미치는 영향을 조사했다. 친수성 표면과 소수성 표면의 거칠기는 각각 반비례 및 정비례 관계를 갖는 것으로 밝혀졌다.
나노전기기계 시스템 NEMS의 신뢰성과 수명 주기
큰 표면적 대 부피 비율과 감도 때문에 접착력과 마찰력은 NEMS 장치의 성능과 신뢰성을 저해할 수 있다. 이러한 마찰학적 문제는 이러한 도구의 자연적인 축소로 인해 발생하지만, 구조 재료, 표면 필름 및 윤활유의 조작을 통해 시스템을 최적화할 수 있다. 비도핑 Si 또는 폴리실리콘 필름과 비교하여 SiC 필름은 가장 낮은 마찰 출력을 가지므로 스크래치 저항성이 향상되고 고온에서 기능성이 향상된다. 단단한 다이아몬드 유사 탄소(DLC) 코팅은 낮은 마찰, 높은 경도 및 내마모성 외에도 화학적 및 전기적 저항성을 나타낸다. 습윤을 줄이고 소수성을 높이는 요인인 거칠기는 접촉각을 높여 습윤을 줄이고 장치의 낮은 접착력 및 환경과의 상호작용을 허용함으로써 최적화될 수 있다.
나노전기기계 시스템 NEMS의 신뢰성과 수명 주기
재료 특성은 크기에 따라 달라진다. 따라서 NEMS 및 나노 스케일 재료의 고유한 특성을 분석하는 것은 NEMS 장치의 신뢰성과 장기적인 안정성을 유지하는 데 점점 더 중요해진다. 나노 재료의 경도, 탄성 계수 및 굽힘 테스트와 같은 일부 기계적 특성은 가공 공정을 거친 재료에 나노 인덴터를 사용하여 결정된다. 그러나 이러한 측정은 장치가 산업에서 장기간 또는 주기적인 응력 및 변형 하에서 어떻게 작동할지 고려하지 않는다. 세타 구조는 독특한 기계적 특성을 나타내는 NEMS 모델이다. Si로 구성된 이 구조는 높은 강도를 가지며 나노 스케일에서 응력을 집중시켜 재료의 특정 기계적 특성을 측정할 수 있다.
구조적 무결성의 신뢰성을 높이려면 재료 구조와 고유 응력의 특성화를 적절한 길이 스케일에서 수행하는 것이 점점 더 중요해진다. 잔류 응력의 영향에는 골절, 변형, 박리 및 나노 크기 구조 변화가 포함되지만 이에 국한되지 않으며, 이는 작동 실패 및 장치의 물리적 열화를 초래할 수 있다.
잔류 응력은 전기적 및 광학적 특성에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 다양한 광전지 및 발광 다이오드(LED) 응용 분야에서 반도체의 밴드갭 에너지는 잔류 응력의 영향에 따라 조정될 수 있다.
원자간력 현미경(AFM) 및 라만 분광법을 사용하여 힘 볼륨 이미징, 지형 및 힘 곡선 측면에서 박막의 잔류 응력 분포를 특성화할 수 있다. 또한, 잔류 응력은 시차 주사 열량계(DSC) 및 온도 의존성 X선 회절(XRD)을 사용하여 나노 구조의 녹는점을 측정하는 데 사용될 수 있다.
나노전기기계 시스템 미래
현재 많은 NEMS 장치의 상업적 적용을 막고 있는 주요 장애물에는 낮은 수율과 높은 장치 품질 변동성이 포함된다. NEMS 장치를 실제로 구현하기 전에 탄소 기반 제품의 합리적인 통합이 이루어져야 한다. 최근 이 방향으로의 한 단계는 다이아몬드에서 시연되었으며, 실리콘과 비슷한 수준의 처리 수준을 달성했다. 초점은 현재 실험 작업에서 이러한 새로운 장치를 구현하고 이점을 얻을 실용적인 응용 및 장치 구조로 이동하고 있다. 극복해야 할 다음 과제는 이러한 탄소 기반 도구의 모든 특성을 이해하고 이러한 특성을 사용하여 낮은 고장률로 효율적이고 내구성 있는 NEMS를 만드는 것이다.
탄소 기반 재료는 뛰어난 기계적 및 전기적 특성 때문에 NEMS 사용을 위한 주요 재료로 사용되었다.
최근, 칼코게나이드 유리의 나노와이어는 영률의 능동 변조가 가능하여 조절 가능한 NEMS를 설계하는 핵심 플랫폼으로 밝혀졌다.
NEMS의 세계 시장은 2022년까지 1억 888만 달러에 이를 것으로 전망된다.
나노전기기계 시스템 응용 분야
캘리포니아 공과대학교의 연구원들은 매우 높은 주파수(VHF)까지 기계적 공진을 갖는 NEM 기반 외팔보를 개발했다. 압저항 박막 금속 필름을 기반으로 한 전자식 변위 변환기가 통합되어 명확하고 효율적인 나노 장치 판독을 가능하게 한다. 대상 종에 대한 높은 분배 계수를 가진 얇은 폴리머 코팅을 사용하여 장치 표면을 기능화하면 NEMS 기반 외팔보가 아토그램 미만의 질량 분해능으로 상온에서 화학흡착 측정을 제공할 수 있다. NEMS 기반 외팔보의 추가 기능은 센서, 스캐닝 프로브 및 매우 높은 주파수(100 MHz)에서 작동하는 장치 응용 분야에 활용되었다.
메탄올 경제
메탄올 경제(Methanol economy)는 메탄올과 다이메틸 에터가 에너지 저장 수단, 지상 운송 연료, 합성 탄화수소 및 그 제품의 원재료로서 화석연료를 대체하는 미래 경제를 제안하는 것이다. 이는 제안된 수소경제 또는 에탄올 경제에 대한 대안을 제공하지만, 이러한 개념들이 서로 배타적인 것은 아니다. 메탄올은 화석 연료(천연가스, 석탄, 오일 셰일, 타르 샌드 등)뿐만 아니라 농산물 및 쓰레기, 목재 및 다양한 바이오매스를 포함한 다양한 원료에서 생산될 수 있다. 또한 이산화 탄소의 화학적 재활용을 통해 만들 수도 있다.
노벨상 수상자 조지 앤드루 올라는 메탄올 경제를 옹호했다.
메탄올 경제 용도
메탄올은 열기관과 연료전지의 연료이다. 높은 옥테인값으로 인해 기존의 내연기관을 사용하는 플렉스 연료 차량 (하이브리드 전기차 및 플러그인 하이브리드 차량 포함)에 연료로 직접 사용될 수 있다. 메탄올은 다른 액체 연료처럼 다른 종류의 엔진에서 연소되거나 열을 공급하는 데 사용될 수도 있다. 연료전지는 직접 메탄올 연료전지 (DMFC)에서 직접 메탄올을 사용하거나 (개질을 통해 수소로 전환된 후) 개질 메탄올 연료전지 (RMFC)에서 간접적으로 사용할 수 있다.
메탄올 경제 용도
그린 메탄올은 이산화 탄소와 수소를 (CO2 + 3 H2 → CH3OH + H2O) 압력과 열 아래에서 촉매와 결합하여 생산되는 액체 연료이다. 이는 탄소 포집 및 재활용을 재활용하는 방법이다. 메탄올은 액체 수소 및 암모니아가 액체 상태를 유지하기 위해 많은 에너지를 사용해야 하는 것과 비교할 때, 표준 온도 압력에서 경제적으로 수소를 저장할 수 있다. 2023년에는 로라 머스크가 메탄올 연료로 운행되는 최초의 컨테이너선이 되었다. 중서부의 에탄올 공장은 아이오와주, 미네소타주 및 일리노이주에 풍부한 풍력 및 원자력 에너지를 사용하여 순수한 탄소 포집과 수소를 결합하여 그린 메탄올을 만드는 데 좋은 장소이다. 메탄올은 낮에는 보이지 않는 불꽃을 내고 연기를 방출하지 않는 반면, 에탄올은 눈에 보이는 옅은 노란색 불꽃을 내므로 메탄올에 에탄올을 혼합하면 메탄올을 더 안전한 연료로 사용할 수 있다. 70% 효율의 그린 수소 생산과 그로부터 70% 효율의 메탄올 생산은 49%의 에너지 효율이 될 것이다.
메탄올은 이미 오늘날 다양한 화학 물질과 제품을 생산하는 데 대규모로 사용되고 있다. 2015년 기준으로 화학 원료로서 메탄올의 전 세계 수요는 연간 약 4,200만 톤에 달했다. 메탄올-가솔린(MTG) 공정을 통해 가솔린으로 전환될 수 있다. 메탄올-올레핀(MTO) 공정을 사용하여 메탄올은 또한 석유화학 산업에서 가장 많이 생산되는 두 가지 화학 물질인 에틸렌과 프로펜으로 전환될 수 있다. 이들은 필수 고분자(LDPE, HDPE, PP) 생산의 중요한 구성 요소이며 다른 화학 중간체와 마찬가지로 현재 주로 석유 원료에서 생산된다. 따라서 메탄올에서 이들을 생산하면 석유 의존도를 줄일 수 있다. 또한 화석 연료 매장량이 고갈될 때에도 이러한 화학 물질을 계속 생산할 수 있게 할 것이다.
메탄올 경제 생산
오늘날 대부분의 메탄올은 합성가스를 통해 메테인으로부터 생산된다. 트리니다드 토바고는 세계 최대의 메탄올 생산국으로, 주로 미국으로 수출한다. 메탄올 생산을 위한 원료는 천연가스에서 나온다.
메테인으로부터 메탄올을 얻는 전통적인 방법은 수증기 개질과 부분 산화를 결합하여 (또는 결합하지 않고) 합성가스를 생성하는 과정을 거친다. 메테인을 메탄올로 전환하는 대체 방법도 연구되었다. 여기에는 다음이 포함된다.
이러한 모든 합성 경로는 온실 기체인 CO2를 배출한다. 이를 완화하기 위해 CO2 배출을 최소화하는 방식으로 메탄올을 만들 수 있다. 한 가지 해결책은 바이오매스 가스화로 얻은 합성가스로부터 메탄올을 생산하는 것이다. 이를 위해 목재, 목재 폐기물, 풀, 농작물 및 그 부산물, 동물 폐기물, 수생 식물 및 도시 폐기물을 포함한 모든 바이오매스를 사용할 수 있다. 옥수수, 사탕수수, 밀에서 에탄올을 생산하는 경우처럼 식량 작물을 사용할 필요가 없다.
바이오매스 → 합성가스 (CO, CO2, H2) → CH3OH
메탄올 경제 생산
메탄올은 화석연료와 바이오매스를 포함한 어떤 원천의 탄소와 수소로부터도 합성될 수 있다. 화석 연료 연소 발전소 및 기타 산업에서 배출되는 CO2, 그리고 궁극적으로 심지어 공기 중에 포함된 CO2도 탄소의 원천이 될 수 있다. 또한 카본 리사이클링 인터내셔널이 첫 상업 규모 플랜트에서 입증한 것처럼 이산화 탄소의 화학적 재활용을 통해 만들 수도 있다. 초기에는 화석 연료 연소 발전소의 CO2가 풍부한 연도 가스 또는 시멘트 및 기타 공장의 배기가스가 주요 원천이 될 것이다. 그러나 장기적으로 화석 연료 자원의 고갈과 그 활용이 지구 대기에 미치는 영향을 고려할 때, 대기 중 낮은 농도의 CO2 자체도 포집하여 메탄올을 통해 재활용될 수 있으며, 이로써 자연의 광합성 주기를 보완할 수 있다. 식물의 능력을 모방하여 대기 중 CO2를 포집하는 효율적인 새로운 흡착제가 개발되고 있다. 따라서 CO2를 새로운 연료 및 물질로 화학적으로 재활용하는 것이 가능해져, 인간의 시간 척도에서 재생 가능하게 될 수 있다.
메탄올 경제 생산
메탄올은 또한 수소가 물 전기분해를 통해 얻어진 H2를 이용한 CO2의 촉매 수소화에 의해 CO2로부터 대기압에서 생산될 수 있다. 이것이 아이슬란드의 카본 리사이클링 인터내셔널이 사용하는 공정이다. 메탄올은 전력이 있다면 CO2 전기화학적 환원을 통해서도 생산될 수 있다. 탄소 중립이 되기 위해 이러한 반응에 필요한 에너지는 풍력, 수력 및 태양광과 같은 재생 에너지원과 원자력 발전에서 나올 것이다. 사실상 이 모든 것들은 자유 수소에 에너지를 저장하려는 시도 대신, 수소와 이산화탄소에서 즉시 만들어지는 쉽게 운송 가능한 메탄올에 자유 에너지를 저장할 수 있게 한다.
CO2 + 3 H2  →  CH3OH + H2O
또는 전기 에너지와 함께:
CO2 + 5 H2O + 6 e−  →  CH3OH + 6 HO−
6 HO−  →  3 H2O + 1.5 O2 + 6 e−
합계:
CO2 + 2 H2O + electrical energy  →  CH3OH + 1.5 O2
메탄올 경제 생산
필요한 CO2는 화석 연료 연소 발전소 및 시멘트 공장을 포함한 다른 산업 연도 가스에서 포집될 것이다. 화석 연료 자원의 감소와 그에 따른 CO2 배출량 감소를 고려하면, 대기 중 CO2 함량도 활용될 수 있다. 대기 중 CO2의 낮은 농도(0.04%)를 고려할 때, CO2를 흡수하기 위한 개선되고 경제적으로 실현 가능한 기술이 개발되어야 할 것이다. 이러한 이유로, 물에 용해된 CO2의 농도가 더 높기 때문에 물에서 CO2를 추출하는 것이 더 실현 가능할 수 있다. 이는 CO2의 화학적 재활용을 가능하게 하여 자연의 광합성을 모방할 것이다.
대규모 재생 메탄올은 주로 발효된 바이오매스 및 쓰레기 (바이오 메탄올)와 재생 전기 (e-메탄올)에서 생산된다. 재생 메탄올의 생산 비용은 현재 바이오 메탄올의 경우 톤당 300~1000달러, 재생 가능한 원천의 이산화탄소로 만든 e-메탄올의 경우 톤당 800~1600달러, 그리고 직접공기포집 이산화탄소로 만든 e-메탄올의 경우 톤당 1100~2400달러 정도이다.
메탄올 경제 e-메탄올 생산 및 사용 효율
전기를 사용하여 CO2와 물로 생산되는 메탄올을 e-메탄올이라고 한다. 일반적으로 수소는 물의 전기분해로 생산되며, 이는 다시 CO2와 함께 메탄올로 변환된다. 현재 전기에 의한 수소 생산 효율은 75~85%에 달하며 2030년까지 93%까지 잠재력이 있다. 수소와 이산화탄소의 메탄올 합성 효율은 현재 79~80%이다. 따라서 전기와 이산화탄소로부터 메탄올을 생산하는 효율은 약 59~78%이다. CO2를 직접 얻을 수 없고 직접공기포집으로 얻는 경우, 전기 사용에 의한 메탄올 생산 효율은 50~60%에 달한다. 메탄올이 메탄올 연료전지에 사용될 때 연료전지의 전기 효율은 약 35~50%이다 (2021년 기준). 따라서 직접 사용 가능한 CO2로 e-메탄올을 생산하고 이 e-메탄올을 전기 에너지로 전환하는 전체 전기 효율은 약 21~34%이며, 직접공기포집으로 얻은 CO2로 e-메탄올을 생산하는 경우 약 18~30%이다.
메탄올 경제 e-메탄올 생산 및 사용 효율
폐열이 고온 전기분해에 사용되거나 전기분해, 메탄올 합성 및 연료전지의 폐열이 사용되면 전체 효율은 전기 효율을 훨씬 초과하여 크게 증가할 수 있다. 예를 들어, 전기분해 또는 후속 메탄올 합성으로 e-메탄올을 생산하여 얻은 폐열을 사용하면 (예: 지역 난방용으로) 86%의 전체 효율에 도달할 수 있다. 연료전지의 폐열을 사용하면 85~90%의 연료전지 효율에 도달할 수 있다. 폐열은 예를 들어 차량이나 가정의 난방에 사용될 수 있다. 또한 냉장 장치를 사용하여 폐열로 냉각을 생성하는 것도 가능하다. 폐열을 광범위하게 사용하면 e-메탄올 생산 및 연료전지에서의 후속 e-메탄올 사용에 대해 70~80%의 전체 효율에 도달할 수 있다.
주변 장치(예: 음극 압축기, 스택 냉각)의 모든 손실을 포함한 전기 시스템 효율은 RMFC 유형의 메탄올 연료전지의 경우 약 40~50%이고, LT-PEMFC 유형의 수소 연료전지의 경우 40~55%에 달한다.
메탄올 경제 e-메탄올 생산 및 사용 효율
아라야 외 연구진은 수소 경로와 메탄올 경로(직접 사용 가능한 CO2로부터의 메탄올)를 비교했다. 여기서 연료 전지를 통한 전력 공급에서 전력 전달까지의 전기 효율은 전력 관리, 조절, 송전, 전기분해를 통한 수소 생산, 메탄올 합성 또는 수소 압축, 연료 운송, 연료 전지 등의 중간 단계를 거쳐 결정되었다. 메탄올 경로의 효율은 23~38%로 조사되었고, 수소 경로의 효율은 24~41%로 조사되었다. 수소 경로에서는 수소 압축 및 수소 운송으로 인해 에너지의 상당 부분이 손실되는 반면, 메탄올 경로에서는 메탄올 합성에 에너지가 필요하다.
헬머스 외 연구진은 차량의 유정에서 바퀴까지 (WTW) 효율을 비교했다. WTW 효율은 화석 휘발유로 작동하는 내연기관 차량의 경우 10~20%, 화석 휘발유로 작동하는 완전 전기 하이브리드 내연기관 차량의 경우 15~29%, 화석 경유로 작동하는 내연기관 차량의 경우 13~25%, 화석 CNG로 작동하는 내연기관 차량의 경우 12~21%, 연료전지 자동차 (예: 화석 수소 또는 메탄올)의 경우 20~29%, 배터리식 전기자동차의 경우 59~80%로 결정되었다.
메탄올 경제 e-메탄올 생산 및 사용 효율
독일 연구 "아고라 에네르기벤데"에서는 연료 생산을 위해 재생 전기를 사용하는 다양한 구동 기술을 조사했으며, 내연기관 차량(폴리옥시메틸렌 다이메틸 에터와 같은 합성 연료로 작동)의 WTW 효율은 13%, 연료전지 차량(수소로 작동)의 경우 26%, 배터리식 전기자동차의 경우 69%로 결정되었다.
재생 가능한 수소가 사용되는 경우, 수소 연료 전지 자동차의 유정에서 바퀴까지 효율은 약 14~30%에 달한다.
재생 가능한 e-메탄올이 직접 사용 가능한 CO2로부터 생산될 경우, 이 e-메탄올로 작동하는 내연기관 차량의 유정에서 바퀴까지 효율은 약 11~21%이고, 이 e-메탄올로 작동하는 연료전지 차량의 경우 약 18~29%이다. 재생 가능한 e-메탄올이 직접공기포집 CO2로부터 생산될 경우, 이 e-메탄올로 작동하는 내연기관 차량의 유정에서 바퀴까지 효율은 약 9~19%이고, 이 e-메탄올로 작동하는 연료전지 차량의 경우 약 15~26%이다 (2021년 기준).
메탄올 경제 메탄올 경제 vs. 수소 경제 비용 비교
메탄올은 수소보다 저렴하다. 대량(탱크)의 화석 메탄올 가격은 약 0.3~0.5 USD/L이다. 1리터의 메탄올은 0.13 kg의 수소와 동일한 에너지 함량을 가진다. 0.13 kg의 화석 수소 가격은 현재 대량의 경우 약 1.2~1.3 USD이다 (수소 충전소에서는 약 9.5 USD/kg). 중규모 양(1000L 메탄올 IBC 컨테이너 배달)의 경우 화석 메탄올 가격은 보통 0.5~0.7 USD/L, 바이오 메탄올은 약 0.7~2.0 USD/L, CO2에서 얻은 e-메탄올은 약 0.8~2.0 USD/L에 IBC 컨테이너 보증금이 추가된다. 중규모 양의 수소(가스 실린더 묶음)의 경우 0.13 kg의 화석 수소 가격은 보통 5~12 USD에 실린더 대여료가 추가된다. 메탄올에 비해 수소 가격이 훨씬 높은 것은 특히 수소의 복잡한 물류 및 저장 때문이다. 바이오 메탄올과 재생 가능한 e-메탄올은 유통업체에서 구할 수 있지만, 그린 수소는 일반적으로 아직 유통업체에서 구할 수 없다. 재생 가능한 수소와 재생 가능한 메탄올 가격은 미래에 감소할 것으로 예상된다.
메탄올 경제 메탄올 경제 vs. 수소 경제 비용 비교
미래에는 승용차의 상당 부분이 완전 전기 배터리 차량이 될 것으로 예상된다. 유틸리티 차량 및 트럭의 완전 전기 배터리 차량 비율은 승용차보다 훨씬 낮을 것으로 예상된다. 나머지 차량은 연료 기반이 될 것으로 예상된다. 메탄올 인프라(주유소 1만 개)는 약 0.5~20억 달러가 소요될 것이지만, 수소 인프라(주유소 1만 개)는 수소 주유소의 수소 처리량에 따라 약 16~1400억 달러가 소요될 것이다.
메탄올 연료 내연기관 차량의 경우 가솔린 연료 차량에 비해 크게 추가되는 비용은 없지만, 메탄올 연료 전지 승용차의 경우 수소 연료 전지 승용차에 비해 약 -600에서 2400 USD의 추가 비용이 발생할 수 있다 (주로 개질기, 플랜트 균형 구성 요소 및 아마도 스택에 대한 추가 비용에서 수소 탱크 비용 및 수소 고압 기기 비용을 제외).
메탄올 경제 장점
광합성 과정에서 녹색 식물은 햇빛 에너지를 사용하여 물을 자유 산소(방출됨)와 자유 수소로 분리한다. 수소를 저장하려고 시도하기보다는, 식물은 즉시 공기 중의 이산화탄소를 포집하여 수소가 이를 탄화수소(식물성 기름 및 테르펜)와 폴리알코올(글리세롤, 설탕 및 녹말)과 같은 저장 가능한 연료로 환원할 수 있게 한다. 메탄올 경제에서는 유사하게 자유 수소를 생산하는 모든 과정이 이를 즉시 "포획적으로" 사용하여 이산화탄소를 메탄올로 환원할 것을 제안한다. 메탄올은 광합성으로 생산된 식물성 제품처럼 자유 수소 자체보다 저장 및 운송에 큰 이점이 있다.
메탄올은 상온에서 액체 상태이므로 휘발유 및 경유와 마찬가지로 쉽게 저장, 운송 및 분배할 수 있다. 또한 탈수 과정을 통해 다이메틸 에터로 쉽게 변환될 수 있는데, 이는 세테인값 55의 디젤 연료 대체제이다.
메탄올 경제 장점
메탄올은 수용성이다: 환경에 메탄올이 우발적으로 유출되면 유사한 휘발유 또는 원유 기름 유출보다 훨씬 적은 피해를 입힌다. 이러한 연료와 달리 메탄올은 생분해성이며 물에 완전히 용해되므로 미생물이 생분해를 시작하기에 충분히 낮은 농도로 빠르게 희석된다. 이러한 효과는 이미 수처리 시설에서 활용되고 있으며, 메탄올은 이미 탈질 및 박테리아 영양분으로 사용되고 있다. 지하수 오염을 유발하는 우발적 유출은 아직 철저히 연구되지 않았지만, 상대적으로 빠르게 진행될 것으로 예상된다.
수소경제에 비해 메탄올 경제의 장점:
압축 수소와 비교할 때 부피당 효율적인 에너지 저장 수소 압력 밀폐 용기를 고려하면 무게당 에너지 저장의 이점도 실현될 수 있다. 메탄올의 부피당 에너지 밀도는 액체 수소보다 상당히 높은데, 부분적으로는 액체 수소의 밀도가 71 g/L로 낮기 때문이다. 따라서 1리터의 메탄올(99 g/L)에는 1리터의 액체 수소보다 실제로 더 많은 수소가 들어 있으며, 메탄올은 -253 °C의 온도로 유지되는 극저온 용기가 필요하지 않다.