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폐기물에서 희토류 추출하는 

단백질 흡착제 개발 

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철강 폐기물로 희토류 공급 부족 해결 실마리 제안

□ 열과 전기가 잘 통하는 특성을 가진 희토류. 전기‧전자‧촉매‧광학‧초전도

체 등 다양한 산업 분야에서 필요로 하지만 생산이 제한적인 희토류를 

폐기물인 철강 슬래그에서 선택적으로 회수 할 수 있는 단백질 흡착제

가 개발되었다.

  * 희토류 (Rare earth elements) : 원소기호 57번부터 71번까지의 란타넘계 원소와 

21번 스칸듐(Sc)와 39번 원소 이트륨(Y)를 포함한 원소로 독특한 화학적, 전기적, 

자성적, 발광적 특성을 가져 첨단 산업 (스마트폰, 반도체, 자동차, 항공 우주 산업 

등)에 사용되는 원소를 총칭

 ** 철강 슬래그 : 선철 또는 강을 제련한 후에 남은 비금속성 찌꺼기

 

□ 지스트(광주과학기술원, 총장 김기선) 신소재공학부 권인찬 교수 연구

팀은 희토류를 선택적으로 강하게 결합하는 것으로 보고된 단백질과 

온도 조절을 통해 재사용이 가능한 것으로 보고된 단백질을 융합하여 

용매 사용 없이 희토류를 회수할 수 있는 단백질 흡착제를 개발했다고 

밝혔다.

□ 최근 희토류를 산업폐기물에서 회수하여 생산 부족 문제를 해결하려는 

지스트(광주과학기술원) 보도자료

http://www.gist.ac.kr 

보도 일시

배포 즉시 보도 부탁드립니다.

배포일

2022.01.20.(목)

보도자료

담당

홍보팀 조동선 팀장

062-715-2061

홍보팀 이나영 선임행정원 

062-715-2062

연구자 

신소재공학부 권인찬 교수

062-715-2312

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연구들이 진행되어 왔으나, 기존의 기술로는 사용한 흡착제나 용매가 

환경오염의 원인이 되는 한계가 존재했다. 

 ∘ 또한, 산업폐기물 내 희토류는 소량 존재하고, 마그네슘․구리 등의 희토

류가 아닌 원소들(비희토류)이 다량 포함되어 있어서 희토류만을 선택

적으로 회수하는 것이 어려웠다. 

□ 이에, 연구팀은 희토류에 선택적 결합 및 탈착이 가능한 단백질과 온도

에 따라 졸-젤(Sol-Gel) 상변이가 되는 단백질을 융합하여 희토류만을 

선택적으로 회수 가능하고 용매 사용 없이 반복 사용이 가능한 단백질 

흡착제를 개발했다. 개발된 단백질 흡착제는 자연적으로 분해가 되어 

환경오염의 문제도 최소화 할 수 있다. 

  * 졸-젤 (Sol-Gel) 상변이: 자극 (온도, pH 등)에 따라 입자가 분산 (Sol)과 특정한 형

태 (Gel)로 변화가 가능한 현상

□ 지구에 상대적으로 많이 분포되어 있는 13종의 희토류 원소와 과량의 

비희토류 원소 혼합물에 개발한 단백질 흡착제를 적용, 실험실 조건에

서 90% 이상의 희토류를 회수하고 비희토류는 거의 회수되지 않음을 

확인하였으며 선택적 회수가 가능함을 발견하였다. 

 ∘ 또한, 일정 횟수 반복 사용하여도 희토류 회수 효율이 유지되어 흡착제

의 활용 가능성을 확인하였다.

□ 나아가 산업폐기물인 철강 슬래그에 존재하는 15종의 희토류에 대해 

80% 이상 회수하는 결과를 확인하여 산업에서의 사용 가능성을 기대

하고 있다. 

 ∘ 다만, 실제 응용되기 위해서는 단백질 흡착제 생산 및 적용 규모 확대

에 대한 더 많은 연구가 필요하다.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 선도연구센터 ·중견

연구와 C1 가스리파이너리 사업단의 지원으로 수행된 이번 연구의 성

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과는 화학 분야 국제학술지‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈 (Advanced 

Functional Materials)’12월 26일 게재(온라인) 되었다.  <끝> 

주요내용 설명

 <작성 : 광주과학기술원 권인찬 교수>

논문명

Repeated Recovery of Rare Earth Elements Using a Highly Selective 

and Thermo-Responsive Genetically Encoded Polypeptide 

저널명 

Advanced Functional Materials 

키워드 

biosorption, biomaterial, elastin-like polypeptide, phase 

separation, proteins, rare earth elements 

DOI

10.1002/adfm.202109158

저  자

권인찬 교수 (교신저자/광주과학기술원), 조하이브 후세인 박사과정생 (제1저자/광주과학기술원)

김승균 박사과정생 (공동 제1저자/광주과학기술원), 조진환 박사 (공동 저자/광주과학기술원)

심규대 박사과정생 (공동 저자/광주과학기술원), 박영준 교수 (공동 저자/광주과학기술원)

1. 연구의 필요성

 ○ 희토류는 독특한 화학적, 전기적, 자성적, 발광적 특성을 가져 현대 

산업에서 없어서는 안되는 중요한 자원으로 여겨지고 있다. 하지만 

세계적인 수요에도 공급이 불안정하며, 희토류 생산에 있어 발생하는 

환경 문제가 있다.

 ○ 이러한 문제를 해결하기 위해 산업 과정에서 나오는 희토류가 포함된 것으로 

알려진 철강슬래그나 석탄 연소 잔류물 (fly ash)등에서 희토류를 회수하여 

희토류 공급 및 환경 피해를 줄이기 위한 다양한 방법이 연구되었다.

 ○ 그러나 현재까지 연구된 방법은 용매를 사용하여 더 큰 환경오염을 야기하거나 

일회성으로 희토류를 회수하여 기존의 문제점을 해결하기 힘들었다.

 ○ 이에 연구팀은 실제 산업 부산물에서도 선택적․반복적으로 희토류를 

회수할 수 있는 플랫폼 개발을 진행하였다.

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 2. 연구내용 

○ 연구팀은 온도 감응성 졸-젤 (Sol-Gel) 특성을 가지는 단백질이 

희토류에 강한 흡착 효과를 가지는 것으로 보고된 단백질을 결합하여 

단백질 흡착제를 설계하였고, 대장균에서 성공적으로 정제하였다.

     ※ Sol-Gel 상변이 : 자극 (온도, pH 등)에 따라 입자가 분산 (sol)과 

특정한 형태 (gel)로 변화가 가능한 현상

 ○ 온도에 따라 흡착제는 고온 (~37 ℃)에서 젤 형태로 상변이를 

하였으며, 저온 (~4 ℃)에서는 졸 상태로 존재하는 것을 확인하였다. 

간단한 온도변화를 통해 젤 상태의 흡착제를 회수하고 졸 상태로 

바꾸어 희토류 흡착을 가능함을 확인했다.

 ○ 희토류 회수 가능성을 확인하기 위해 흡착제를 다양한 희토류와 

비희토류(일반 금속 원소 (마그네슘, 구리 등))를 섞은 용액에 적용할 

경우, 희토류의 90% 이상이 회수된 것을 확인하였으며, 일반 금속 

원소들은 희수가 거의 되지 않은 것을 통해 연구팀은 흡착제가 

희토류만을 선택적으로 결합할 수 있음을 확인하였다.

 ○ 얻어진 흡착제를 여러 번 사용이 가능함을 확인하기 위해 연구팀은 

6번의 희토류 반복 회수 실험을 진행했으며, 희토류 회수가 

지속적으로 가능함을 확인하였다.

 ○ 연구팀은 실제 산업 부산물인 철강슬래그를 이용하여 흡착제가 실제 

산업 현장에서 사용 가능한지 확인해보았으며, 철강 슬래그에 

존재하는 희토류를 성공적으로 회수할 수 있음을 확인하였다. 이를 

통해 이번에 개발된 단백질 흡착제가 희토류를 친환경적으로 

재활용할 수 있는 플랫폼이 될 수 있음을 보여주었다.

3. 연구성과/기대효과

 ○ 희토류의 생산부족 문제를 해결하기 위한 기술 들이 현재까지 다양한 

한계가 있었다. 하지만 이번 기술을 통해 다양한 산업 현장에서 

나오는 부산물에서 부가가치가 높은 희토류를 회수할 수 있어, 

희토류 공급의 문제 및 환경오염 문제를 줄이는 데 기여할 것으로 

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기대한다.

 ○ 또한 이러한 단백질 흡착제는 철강 슬래그뿐만이 아닌 화력 발전이나 

배터리 산업체등 다양한 산업 현장에서 응용이 가능할 수 있는 

잠재력을 지니고 있다.

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그림 설명

(그림1) 개발된 단백질 흡착제를 통한 선택적 희토류 회수 사이클

희토류 및 비희토류 원소 혼합물에서 단백질 흡착제 통해 희토류를 선택적으로 

회수하는 것을 표현

그림설명 및 그림제공 : 광주과학기술원 권인찬 교수.  Copyright Wiley-VCH 

GmbH. Reproduced with permission.

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(그림2) 개발된 단백질 흡착제를 통한 철강 슬래그 희토류 회수율

단백질 흡착제를 통해 실제 철강 슬래그에 존재하는 희토류를 회수한 결과 

비희토류는 거의 회수되지 않고 희토류를 선택적으로 회수 가능함을 확인

그림설명 및 그림제공: 광주과학기술원 권인찬 교수. Copyright Wiley-VCH GmbH. 

Reproduced with permission.

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연구 이야기

                                      <작성 : 광주과학기술원 권인찬 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

국내에서는 희토류가 거의 생산되지 않아서 수급에 어려움이 있다. 이에 희토류가 존재한다고 

알려져 있고 국내에서도 많은 양이 생산되는 산업폐기물 등에서 회수하여 사용하면 공급의 

어려움을 해결할 수 있을 것으로 생각하였다. 이에 단백질 공학 기술을 적용하여 친환경적인 

단백질 흡착제를 개발하고자 하였다. 

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

새로운 소재를 개발하였을 때 플라스틱처럼 자연계에서 분해가 어려우면 또 다른 환경오염 문제를 

일으킬 수 있다고 생각하여 처음부터 자연계에서 분해가 용이한 단백질을 기반으로 한 희토류 

흡착제를 개발하고자 하였다. 희토류에 선택적인 결합을 할 수 있는 단백질에 대한 최신 보고를 

바탕으로, 온도감응성 단백질을 융합하면 재사용 가능한 단백질 흡착제가 될 것이라는 가설을 

세우고 진행했는데 예상대로 좋은 결과가 나왔다. 

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

실험실 수준에서 희토류와 다른 금속이 섞인 샘플에서 희토류의 선택적인 회수는 먼저 확인할 수 

있었는데 어떤 산업 폐기물을 사용하였을 때 실제로 희토류 회수가 의미가 있을까 고민을 

오랫동안 하였다. 주변의 환경문제 전문가들과 상의도 하고 몇 종류의 산업 폐기물을 시험해 보고 

최종적으로 우리나라에서 많이 배출되는 철강 슬래그를 선택하여 연구를 진행하였다. 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존의 기술들은 선택적으로 희토류를 회수하기 어렵거나, 다량의 용매 사용 등으로 환경에 

피해를 주거나, 친환경적인 바이오흡착제의 경우에는 재사용이 어렵다는 문제 들이 있었는데 

이러한 문제점들을 거의 극복한 친환경이고 선택적이며 재사용이 가능한 희토류 회수용 흡착제가 

개발되었다는 것이 큰 장점이다.   

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

실용화를 위해서는 스케일업이 되어야 하고 컬럼에 넣어서 사용할 수 있도록 변형 등이 필요하다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은? 

희토류 이외에도 산업적으로 중요한 중금속이나 귀금속을 선택적으로 회수할 수 있는 친환경 

신소재를 개발하고 싶다.