본 연구에서는 P. agglomerans를 이용하여 불용성 인산염인 hydroxyapatite 와 인광석을 가용화 하여 유리 인산을 생산하였고, P. agglomerans를 Ca-alginate에 고정화하여 이를 불용성 인산염을 가용화시키는 가능성올 조사하였다. HY 배지에 서 $30^{\circ}C$, lOOrpm 으로 pH 7에서 48시간 배양한 경우 520mg/L 의 유리인산이 생성되었고 hydroxyapatite 대신 같은 농도의 인광석을 첨가하였을때 생성되는 유리 인산 의 양은 86.09mg/L였다. 또한 P. agglomerans를 Ca-alginate에 고정화하였을 때 HY 배지에서 같은 조건으로 120 시간 동안 계속적으로 인산이 생성되었고 , 이때 생성된 인산의 농도는 74Omg/L였으며, 인광석을 첨가한 경우에서도 182mg/L 정도의 유리 인산이 생성되었다.
탄소/탄소 복합체의 내산화 코팅을 위하여 산화티탄, 산화알루미늄, 산화이트륨 등을 포함하는 여러 가지 인산염계 유리를 제조하였다. 유리 산화물조성 몰비는 인산에 대하여 인산알루미늄을 15몰%, 30몰%, 45몰%로 하였고 산화티탄은 70몰%, 산화 이트륨은 25몰%이 되도록 코팅 액을 제조하였다. 제조 된 코팅액은 석영 도가니에서 열처리 하여 급냉 시켰으며, 급냉 시키고 다시 130$0^{\circ}C$, 1시간 동안 열처리하여 유리를 제조하였다. 제조된 유리의 열중량, 열팽창율, 열전도도를 분석하여 탄소 복합체와의 적합성을 조사하고, 내산화성 시험을 위해 탄소/탄소 복합체에 코팅액을 도포하여 산화 감량 비율을 측정하였다. 엑스선 회절분석기와 적외선 분광기를 통하여 인산염 유리의 구조분석을 실시하고 비커스 미세 경도 시험기를 이용하여 기계적 물성을 측정하였다.
토양에서 분리된 인산가용화 사상균 Penicillium sp. GL-101 균주를 PDB-인광석 배지에서 액침배양했을 때 유리인산을 배양액속에 다량 방출함으로써 높은 인산가용화능을 보였다. 일반적으로 미생물에 의한 인산가용화 기작은 산성화, 킬레이트 대사산물의 생성, 산화환원 활성 등이 알려져 있는데 본 연구에서는 GL-101 균주의 유리인산 생성기작을 밝히기 위하여 균체를 PDB-인광석 배지에 키우면서 유리인산 생성능을 분광학적인 방법으로 정량분석하였다. 또한 균체의 액침배양중의 pH 변화를 측정한 결과 pH의 급격한 감소 즉 배지의 산성화가 주된 인산가용화 기작임을 확인하였다 즉 이 균주는 배양 4일이 경과하면 pH가 4.0 이하로 떨어지며, 특히 1.0%(w/v)의 황토를 첨가할 경우 pH가 3.2까지 떨어졌다. 이때 pH 감소에 영향을 주는 주 원인물질을 HPLC로 분석한 결과 citric acid 임을 확인하였다. 또한 이 균주는 균체의 생장중에 배지속으로 phosphatase를 생성 ${\cdot}$ 분비하였으며, 특히 황토를 1.0% 첨가했을 때 최대 1.3 unit의 효소활성을 보였다. 그러나 이 균주는 2-ketogluconic acid와 같은 킬레이트 물질은 거의 생성하지 않았기 때문에 이와 같은 기작에 의한 유리인산 생성은 거의 없을 것으로 생각된다. 따라서 Penicillium sp. GL-101 균주의 유리인산 생성기작은 citric acid 생성에 의한 산성화 및 phosphatase 활성의 두 가지 기작에 의한 것으로 결론지었다.
본 연구는 친환경재료로서 생체, 전자, 환경재료로서 관심이 증가하고 있는 인산염계 저융점 유리의 열적특성 및 결정화에 대한 연구를 진행하였다. $K_2$O-CaO-P$_2$O$_{5}$ 삼성분계 인산염 유리에 대해 P$_2$O$_{5}$ 함량이 40~60mo1% 범위의 조성을 선정하여 전통 용융법에 의해 제조하였으며, 제조된 유리의 전자 패키징 및 저온소결 첨가제용 frit으로의 적용 가능성을 평가하기 위한 기초 연구로서, DSC, TMA를 통해 열적특성을 평가하였다. 제조된 유리의 연화온도는 320-5$50^{\circ}C$였으며, 열팽창 계수는 26~60$\times$$10^{-6}$/$^{\circ}C$의 범위였다. 제조된 유리의 열분석 결과로부터 최적 결정화 온도를 조사하였으며, 결정화 유리를 제조하여 XRD을 통해 결정상을 조사하였다.
난용성 인산염을 가용화 시킬 수 있는 경제적이고 효율적인 생물비료를 개발하기 위하여 난용성 인산염 가용화능이 우수한 미생물을 염류 집적 및 인산과다처리 재배지로부터 분리하였다. 이 분리균주의 생리 생화학적인 특성을 조사한 결과 Aeromonas hydrophila DA57로 동정되었다. Aeromonas hydrophila DA57은 hydroxyapatite, tri-calcium phosphate 와 같은 난용성 인산염을 모두 가용화한다. 난용성 인산염의 분해능이 최대가 되는 배양 온도와 배양초기 pH는 각각 $30^{\circ}C$와 5.0이었으며, 탄소원으로 glucose를 3% 첨가시 가용화능이 높았다. 배양 pH가 감소함에 따라 가용화된 유리인산의 함량이 증가하였고 gluconic acid의 생성이 확인되었다. 따라서 난용성 인산염의 분해가 우수한 새로운 Aeromonas hydrophila DA57를 분리하였고, 이는 하나의 생물비료원으로 활용이 가능하리라고 사료된다.
불용성 인산염인 hydroxyapatite를 분해하여 인산을 생성하는 미생물인 P. agglomerans의 성장에 따른 인산의 생성량을 여러 산으로 처리하였을 때와 비교하여 보았다. P. agglomerans 의 성장에 있어서 필요한 인산의 양은 300mg/L에서 361mg/L 정도의 인산을 소모하였다. 또한 여러 유기 및 무기산으로 4% 의 hydroxyapatite를 처리하였을 때에 0.01N 의 시트르산과 옥살산으로 처리하였을 때 만이 인산의 생성량은 P. agglomerans 에서 보다 높은 각각 702와 537mg/L 이었고 배양후 48 시간이 지났을 때 P. agglomerans 의 유리인산의 최대가용화량은 465mg/L이었다.
본 연구는 퇴비화 과정 중 난용성 인산의 가용화와 무기태 인산의 변화를 알아보기 위하여 수행하였다. 비료와 퇴비중의 인산형태는 다른 성분들보다 토양에 흡착 또는 고정되거나 불용화 되는 양이 많아 작물의 흡수량이 적다. 시비된 인산의 흡수율은 낮고, 그 대부분은 난용화되기 때문에 토양에 축적되거나 세탈과 용탈에 의해 수질을 오염화시키는 주원인이 되고 있다. 퇴비화 과정중의 인산형태별 함량변화를 분석조사하여 작물에 시비되는 인산비료와 퇴비의 시용량을 적절하게 조절하여 인산의 과잉 시비량을 저감시키기 위한 연구이다. 돈분을 원료로 한 퇴비화 과정에서 단계별로 퇴비시료를 채취하여 총인산(T-P), 유효인산(Avail. -P)과 무기태인산분획별(Ca-P, Al-P, Fe-P)로 분석한 결과는 다음과 같다. 퇴적더미의 초기부피는 570L였으며, 약 2개월간의 퇴비화를 통해서 시료채취와 미생물등의 분해작용으로 최종부피는 430L정도로 감소하였다. 이는 초기의 부피보다 25% 감소하였다. 퇴적더미의 분해로 인한 용적밀도의 변화를 고려하면, 총인산 함량은 초기 약 17,500mg/kg에서 최종시료는 22,500mg/kg로 증가되었다. 또한 퇴비화가 진행됨에 따라 인산의 가용태가 증가하는 결과를 보였으며, 초기의 유효인산이 4,500mg/kg에서 최종시료에서는 8,900mg/kg으로 증가되었다. 그리고 무기태 인산분획별 인산의 형태별 변화를 조사한 결과, 퇴비화 과정 중 Ca-P의 경우 pH와의 중요한 상관관계를 갖고 있었다. 유기물분해를 통해 유리된 인산과 Ca은 난용태로 전환되는데, 초기의 약 10일 동안 Ca-P의 감소원인은 pH의 감소로 인한 Ca이 유리되는 정도가 낮기 때문인 것으로 해석된다. 초기 Ca-P형태의 인산함량은 11,900mg/kg으로 Fe-P와 Al-P보다 많았다. 또한 퇴비화가 안정화되어 부숙된 최종시료의 무기태 인산분획물 중 Ca-P는 18,000mg/kg로 증가하였으며, Ca-P>Al-P>Fe-P의 순 이었다. 그러나 Al-P와 Fe-P 형태의 무기태인산은 초기의 함량비율보다 다소 감소한 결과를 보였다. 결론적으로, 퇴비화과정 중 단계별 인산함량의 형태전환을 분석한 결과 총인산의 함량은 퇴비화가 안정화될수록 부피감소로 인한 인산함량이 증가하는 경향을 보였지만, 유기물질의 분해로 인한 원료내 인산의 형태가 불용태와 난용태에서 가용태 인산으로 전환되는 것을 도출하였다. 또한 무기태 인산분획물에서는 Ca-P 인산형태가 퇴비화가 진행될수록 증가한다는 결과를 얻었으며, Fe-P와 Al-P는 분해된 유기물의 킬레이트작용으로 감소되었다고 판단되며, 그 존재형태가 경쟁적임을 알 수 있었다. 따라서 화학비료와 퇴비의 시용이 병행될 경우에는 퇴비의 가용태 인산함량뿐만 아니라 무기태 인산의 함량을 분석한 후 인산질비료의 시비량을 조절해야할 것으로 판단된다.
Bioglass 조성 중 45S5 (46.1SiO$_2$.24.4$Na_2$O.26.9CaO.2.6P$_2$O$_{5}$ : 몰비)를 기본 조성으로 하여 46P4 (46.2SiO$_2$.49.5CaO.4.3P$_2$O$_{5}$ : 몰비), 46SF (46.1SiO$_2$24.4$Na_2$O.16.1CaO.2.6P$_2$O$_{5}$.10.8CaF : 몰비) 그리고 55SF (55.1SiO$_2$.9.2$Na_2$O.27.8CaO.3.4P$_2$O$_{5}$.4.5CaF : 몰비)를 제조하여 tris-완충용액 및 유사 생체용액(simulated body fluid)에서 반응시킨 후 생체활성유리의 표면에 생성되는 아파타이트 결정형에 관하여 연구하였다. 45S5 유리를 tris-완충용액에 반응시켰을 경우 6시간 반응시부터 수산화 아파타이트가 생성되었으나 유사 생체용액에 반응시켰을 경우에는 24시간까지도 수산화 아파타이트 결정이 생성되지 못하고 비정질 상태의 칼슘 인산염만 형성되었다. tris-완충용액에 각 조성의 유리를 200시간 반응시킨 경우 불소를 함유하지 않은 유리에서는 잎사귀 모양의 수산화 아파타이트가, 불소를 함유한 유리에서는 구상의 플루오르 아파타이트가 형성되었다. 그러나 유사 생체용액에 각 조성의 유리를 200시간 반응시켰을 경우 불소를 함유하지 않은 유리에서는 누에고치형의 수산화 아파타이트가 형성되었고 불소를 함유한 유리에서는 무정형의 칼슘 인산염이 생성되었다.
고온용 전기.열 절연재의 유리모재로 사용하기 위한 산화크롬함유 인산염 유리 복합체의 소결거동, 물성, 그리고 미세구조변화를 연구하였다. 단미의 유리는 점성유동에 의한 1단계 소결수축을 보이나 복합체는 점성유동 및 반응 액상소결에 의한 2단계 수축을 보였다. 단미 유리는 소결온도 증가에 따라 재기공율이 감소하고 기공크기가 작아지지만 93$0^{\circ}C$ 이사에서는 폐기공이 생성되면서 기공이 성장함을 보였다. 복합체 소결밀도는 산화크롬 증가에 따라 감소하였으며, 특히 산화크롬 40% 이상에서는 percolation에 의해 소결수축율이 급격히 저하하였다. 복합체의 곡강도는 산화크롬 증가에 따라 거의 직선적으로 감소한 반면 열팽창율은 오히려 급속히 증가함을 보였다.
Er과 Yb이 첨가된 인산염 유리를 KNO3 응용액에 담구는 1단계 이온교환 공정을 통하여 채널 도파로를 제조하고자 하였다. 이온교환시 반응기 내부에 산소를 흘려줌으로서 인산염 유리의 열학한 화학적 내구성에서 비롯되는 유리 도파로 표면의 손상을 억제할 수 있었다. 제조된 도파로의 $1.5{\mu}m$ 신호광에 대한 증폭특성을 평가한 경과, 이온교환 공정 최적화 작업을 거친 45nm도파로의 경우, 2개의 980nm LD를 사용하는 양방향 펌핑시 160mW 파워에서 7.5dB의 순이득을 얻을 수 있었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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