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SBR & BR 고무 시장의 현황과 미래 전망 보고서

I. 개요 합성고무는 자동차 분야에 관련된 수요가 다수를 차지하고 있어 생산 대수 감소와 EV 보급 확대에 따른 연료호스 등 특정 부품의 수요 상실, 저연비 타이어의 요구 증가 등에 크게 영향을 받고 있다. 또한, 원유 가격 급등이나 원료 기업의 사업 철수 등에 따른 원료 수급의 압박이 계속되는 제품이 많아 미래가 불투명감도 감돌고 있다. 합성고무 제품 시장의 현황과 미래 전망을 파악하여 대응하는 것이 필요하다고 생각되어 합성고무 중 수요가 가장 높은 스타이렌 부타디엔 고무와 부타디엔 고무에 대한 시장의 현황과 미래 전망에 대해 소개하고자 한다1). II. 스타이렌 부타디엔 고무(Styrene butadiene rubber, SBR) 개요 및 정의 스타이렌 부타디엔 고무(이하 SBR)는 천연고무의 대용으로서 개발된 합성고무이며 스티렌과 부타디엔을 주원료로 제조한다. 천연고무와 비교하여 이물질이 적고 제품 품질이 안정적이며, 내노화성, 내마모성이 우수하다. SBR은 중합 방식에 따라 유화 중합 SBR(Emulsion SBR, E-SBR)과 용액 중합 SBR(Solution SBR, S-SBR)로 나뉜다. E-SBR은 단량체를 계면활성제로 물속에 분산(유화) 시킨 뒤 라디칼 개시제, 촉매, 사슬 연장제 등을 첨가해 중합한다. 유화 중합에 의한 제품에는 중합 후 황산을 더해 응고시킨 고형 제품과 라텍스 제품이 있다. 고형 제품은 자동차 타이어에 가장 많이 사용되며 신발, 공업 용품 등에 적용되고 있다. 라텍스 제품은 ABS 수지 원료, 발포 고무, 제지 코팅 등에 사용된다. S-SBR은 탄소화 수소계 용제 중 유기 리튬에 의한 리빙 음이온 중합에 의해 제조된다. S-SBR은 E-SBR에 비해 세밀한 폴리머 설계가 용이하며, 컨버전의 제약이 적기 때문에 미반응 단량체가 거의 없다는 장점이 있어 고성능화가 가능하다. 다음의 표 1에 후지경제에서 추정한 중합 방식에 따른 SBR의 세계 시장 규모를 나타내었다. 2. 주요 생산 기업 국내에서는 금호석유화학과 LG화학에서 SBR을 생산하고 있으며, 유럽 및 일본 등 다양한 기업에서 SBR을 생산하고 있다. 표 2에 SBR 주요 생산 기업과 제품을 나타내었다. 3. 시장 규모 및 향후 전망 표 3에 “후지경제”에서 추정한 SBR의 세계시장 규모 및 향후 전망에 대해 나타내었으며, 표 3-1과 표 3-2에는 E-SBR과 S-SBR의 세계시장 규모 및 향후 전망에 대해 각각 나타내었다. 2020년에는 신형 코로나바이러스의 감염 확대에 의해 소비가 침체되었으나, 2020년 후반부터2021년에 걸쳐 교환용 타이어가 호조를 보였고 자동차 생산 회복으로 신차용 타이어도 증가했기 때문에 SBR 수요도 회복됐다. 전 세계 타이어 생산은 연간 약21억개로 추정되는데 신차용 타이어는 그 중 약5억개로 나머지는 교체용 타이어이기 때문에SBR 수요는 자동차 생산량 추이에 큰 영향을 받지 않는다. SBR은E-SBR, S-SBR로 나뉘며 E-SBR은 주로 범용 타이어용으로S-SBR은 저연비 및 고성능 타이어용(실리카 타이어 확대)으로 사용되기 때문에 S-SBR는 미국, 유럽이나 일본, 일부의 아시아 지역 등 시장에서 급속히 성장하고 있으며 향후는 중국이나 러시아 등에서도 확대가 예측된다. 국내 시장에 있어서도 고성능 실리카 타이어의 성장으로S-SBR의 수요는 증가가 예상되고 있지만 원재료 및 물류비 급등, 환율의 영향 등의 불안정 요소에 의해 미래 시장의 전망이 밝지만 않는 상황이 되고 있다. E-SBR은 타이어 외에 신발, 벨트, 호스 등의 폭넓은 용도로 채택되고 있는 반면 새로운 용도 개척은 진행되지 않고 있는 실정으로 타이어 용도에 있어서는 향후 세계적인EV의 보급 확대에 따라S-SBR로의 전환이 진행될 전망이다. 4. 분야·용도별 판매량 및 구성비 표 4에 “후지경제”에서 추정한 SBR의 분야·용도별 판매량 및 구성비에 대해 나타내었다. SBR은 타이어용으로 가장 많이 사용되고 있으며 그림2에 타이어의 내부 구조를 나타내었는데 타이어 중 트래드, 사이드월, 카카스 부분 등에 많이 사용되고 있다. 그림 3에 나타낸 것 같이 타이어의 대표적인 성능인 연비(회전저항), 제동과 마모 성능은 서로 Trade-off 관계에 있어, 이들 성능을 동시에 향상시키기 위해 실리카를 트래드부에 배합한 실리카 배합 타이어가 증가하고 있다. 다량의 실리카를 고무에 고 분산시키기 위한 변성 S-SBR은 개발과 수요가 증가하고 있다. 타이어 다음으로 많이 사용되는 공업 용품에는 컨베이어벨트, 기타 벨트, 호스, 방진고무, 전선 케이블 등이 주로 사용되고 있으며 신발은 내마모성이 요구되는 겉창에 사용되고 있다. ABS 수지나 PS 수지 등의 스티렌계 수지 개질제에 사용되고 있으며 신종 코로나바이러스의 유행에 의해 외부 활동이 어렵고 실내 생활시간 증가에 따른 보상 심리로서 ABS 수지와 PS 수지가 사용되는 가전 수요가 증가함에 따라 수지 개질제 용 판매가 증가했다. 이외에 접착제, 발포체, 바닥재 및 바닥타일, 고무천, 스포츠용품, 고무판, 가시용 고무관 등에 사용되고 있다. 5. 신기술 및 친환경 기술 동향 5-1. 신기술 동향 저연비이면서 내마모성의 실현이 요구되고 있어 각 제조사는 실리카 분산을 극대화할 수 있는 관련 제품 개발을 위해 노력을 진행시키고 있다. 국내에서는 표면 개질된 실리카를 S-SBR에 분산시킨 Wet MB를 개발하고 이를 적용한 고성능 저연비 타이어를 개발하고 있다. 일본에서는 ENEOS가 보유하고 있는 실란 커플링제 기술과 JSR이 가진 S-SBR의 기술을 합쳐 실리카 고 분산을 위한 제품 개발을 하고 있다. E-SBR뿐 아니라 선진 기업들이 앞서 가던 S-SBR도 중국 등이 저가품을 투입하면서 저가 시장에서 가격 승부가 되고 있다. 세계 자동차는 고성능 가솔린차와 EV, FCV 등 동력원과 형태가 다양해지고 자동차와 타이어업체의 타이어에 요구하는 요구도 다양해지고 있기 때문에 차별화된 하이엔드 제품의 개발에 주력해 가는 것과 동시에 세분화한 요구에 대한 대응이 중요해지고 있다. 5-2. 친환경 기술 동향금호석유화학은 미국의 재활용 기업 Agilyx와 공동으로 폐폴리스티렌으로부터 순수한 스티렌을 제조해 S-SBR의 원료로서 이용하는 케미컬 리사이클 기술의 개발을 실시하고 있다. 또 향후 보급이 예측되는 전기차는 내연기관차보다 무겁고 타이어의 내마모성이 중요해 저연비 실리카 타이어의 수요가 증가할 것으로 전망되고 있어 S-SBR과 혼련하는 실리카에 쌀의 왕겨로부터의 추출물을 원료로 하는 바이오 실리카를 채용하고 있어 재생 스티렌과 맞추어 환경 대응형 제품의 전개를 확대시키고 있다. Trinseo는 2021년 3월, S-SBR의 원료에 대해서 순환 원료에 근거하는 스티렌을 BASF로부터 조달한다고 발표했는데 BASF가 제조하는 순환형 스티렌 단량체에는 식물성 기름 등 재생가능한 원료 기반의 스티렌과 가정 폐기물 및 폐타이어 등에서 화학적으로 재활용된 원료 기반의 스티렌 두 가지가 있다. Asahikaei는 싱가포르의 Shell Eastern Petroleum(이하 Shell)이 제조한 폐플라스틱 및 바이오매스 유래 부타디엔을 사용한 S-SBR 생산 및 마케팅을 시작했다. 서스테이너블 부타디엔에 대해서 Shell은 폐플라스틱을 열분해유로 변환해 동사의 나프사 크래커에 피드하는 제법, 또 하나는 바이오 원재료를 동나프사 크래커에 피드하는 제법을 채용하고 있으며 폐플라스틱 유래의 부타디엔을 사용하는 S-SBR의 생산은 세계 최초이다. III. 부타디엔 고무(Butadiene rubber, BR) 1. 개요 및 정의 부타디엔 고무(이하 BR)는 공액 디엔 단량체인 1,3-부타디엔이 부가 중합되어 만들어지는 중합체로 단량체의 결합 방식은 cis-1,4 결합, trans-1,4 결합, vinyl-1,2 결합으로 주쇄를 형성한다. 이 미세 결합 구조는 중합 방법을 선택함으로써 제어할 수 있다. 중합 방법으로는 용액 중합 또는 유화 중합이 있지만, 일반적인 BR은 용액 중합법으로 제조되며 유화 중합법으로 합성되는 BR은 주로 ABS 수지의 원료로 사용되고 있다. 용액 중합법으로 제조되는 BR은 배위음이온 중합으로 합성되는 cis 함량이 90% 이상인 high cis BR과 음이온 중합으로 합성되는 cis 함량이 40% 이하의 low cis BR로 나누어진다. High cis BR은 금속 화합물에 유기 알루미늄 화합물을 반응시켜 개질한 촉매를 사용한다. 금속 화합물에는 Ti, Co, Ni를 사용한 전이 금속계와 Nd를 사용한 희토류 금속계가 있다. 이들 촉매는 BR의 미세구조에 영향을 미치고, cis 함량은 Ti계가 90~93%, Co계와 Ni계가 96~98%, Nd계가 97~99%가 된다. 시스 함량이 높으면 인장 강도, 내마모성 등의 물성이 우수하다. Low cis BR은 유기 리튬 화합물을 촉매로 사용하며, 일반적으로 시스 함량은 약 35% 전후로 낮으며 vinyl 함량은 약 10 내지 90%의 범위에서 제어할 수 있고 유기 과산화물 등의 가교제에 대한 반응성은 높다. High cis BR의 주된 용도는 자동차 타이어이며, 트래드나 사이드월, 비드 필러 등에 폭넓게 사용되고 있다. Low cis BR은 ABS 수지나 PS 수지(HIPS)의 개질제에 주로 사용된다. 다음의 표 5에 BR 종류 및 특성을 요약해서 나타내었으며, 표 6에는 BR 종류별 세계시장 구성비를 나타내었다. 2. 주요 생산 기업 국내에서는 금호석유화학과 LG화학에서 BR을 생산하고 있으며 유럽 및 일본 등 다양한 기업에서 BR을 생산하고 있다. 표 7에 BR 주요 생산 기업과 제품을 나타내었다. 3. 시장 규모 및 향후 전망 표 8에 “후지경제”에서 추정한 BR의 세계시장 규모 및 향후 전망에 대해 나타내었다. BR은 자동차 타이어용 판매 비율이 높고 타이어 생산과 연동성이 높은 시장으로 2020년에는 신형 코로나바이러스의 감염 확대에 의해 소비가 침체되었으나, 2020년 후반부터 2021년에 걸쳐 교환용 타이어가 호조를 보였고 자동차 생산 회복으로 신차용 타이어도 증가했기 때문에 BR 수요도 회복됐다. 세계 타이어 생산량 중 신차용 타이어는 약 25% 수준이며 나머지 75%는 교환용 타이어이기 때문에 BR의 수요는 자동차 생산 대수에는 크게 영향을 받지 않는다. 4. 분야·용도별 판매량 및 구성비 표 9에 “후지경제”에서 추정한 BR의 분야 · 용도별 판매량 및 구성비에 대해 나타내었다. BR은 동적 발열이 고무 중 천연고무(Natural rubber, NR) 다음으로 작고 연비나 내마모성에 대해 중요한 특성을 갖고 있어 자동차용 타이어에 가장 많이 사용되고 있다. 트래드, 사이드월 등에서 사용되며 주로 high cis BR이 사용된다. 타이어 다음으로는 HIPS의 내충격성을 높이기 위한 개질제로 주로 low cis BR이 많이 사용되고 있으며 2020년과 2021년에는 신종 코로나바이러스의 유행에 의해 외부 활동이 어렵고 실내 생활시간 증가에 따른 보상 심리로서 HIPS가 이용되는 가전의 수요가 높아짐에 따라 판매가 증가했다. ABS 제조 프로세스에는 mass ABS와 emulsion ABS가 있지만 BR이 개질제로 이용되는 것은 mass ABS뿐이다. Mass ABS는 HIPS의 플랜트로부터의 전용도 가능하기 때문에 향후 mass ABS 생산 증가에 의한 BR의 수요 증가도 기대된다. 공업 용품으로는 컨베이어벨트, 호스, O-링, 개스킷 등에 주로 사용되고 있으며, 신발은 내마모성이 요구되는 겉창에 사용되고 있다. 이 외에 골프공, 스포츠용품, 완구 및 고무마개 등에도 BR이 일부 사용되고 있다. 5. 신기술 및 친환경 기술 동향 5-1. 신기술 동향ENEOS는 연료가스에서 타이어 원료로의 전환을 위한 노력으로 부타디엔의 새로운 제조 기술 개발을 진행 중이다. 일반적으로 부타디엔은 에틸렌 제조 공정으로부터 부산되고 있지만, ENEOS는 제유소나 석화 공장에서 연료로서 사용하고 있는 부탄을 주로 하는 염가의 유분에 주목해 이것을 탈수소화에 의한 부타디엔을 얻는 제조 기술을 개발하고 있으며 개발한 탈수소 촉매는 알루미나 기반 담체에 백금(Pt)과 주석(Sn)을 담지한 것으로 촉매상에 고 분산 시킴으로써 부타디엔의 수율을 20% 이상 달성했으며 생산된 부타디엔을 바탕으로 BR 제조를 추진 중이다. 브리지스톤은 타이어 등에 이용되고 있는 NR의 대체 소재가 될 수 있는 새로운 합성고무인 재료 「High Strength Rubber」(이하, HSR)를 개발했다. HSR은 부타디엔 등의 합성고무 성분과 에틸렌 등의 수지 성분을 가돌리늄(Gd)를 배합한 브리짓스톤의 독자적인 촉매를 이용해 공중합(분자 레벨로 결합) 시킨 것으로 HSR은 천연고무와 비교해 내균열성에서 5배 이상, 내마모성에서 2.5배 이상, 인장강도에서 1.5배 이상의 높은 내구성과 강도를 달성했다. 성능이 향상된 만큼, 천연고무(NR)의 대체로서 이용했을 경우, 소량의 재료로도 종래대로의 성능을 발휘할 수 있기 때문에 보다 경량으로 만들면서 고강도 내마모성이 높은 차세대 타이어 등의 개발로 이어질 가능성이 있다. 또 촉매 배합을 통해 완성된 소재 특성을 변화시킬 수 있어 타이어뿐만 아니라 다른 분야로의 응용도 기대된다. 5-2. 친환경 기술 동향Zeon은 바이오매스(생물자원)에서 효율적으로 부타디엔을 생성할 수 있는 세계 최초의 신기술을 개발했다. 새로운 인공 대사 경로와 효소로 우수한 부타디엔 생성능을 가진 세포를 창제하는데 성공하였으며, 이화학연구소와 공동 연구로 바이오 매스로부터 효율적으로 부타디엔을 생성하는 기술을 개발한 것 외에 산업기술종합연구소가 바이오 에탄올으로부터 대량 합성한 부타디엔을 사용해 기존과 같은 성능을 가지는 자동차용 타이어의 시제품 제조에 성공했다고 발표했다. Synthos는 Lummus Technology와 공동으로 바이오 에탄올을 원료로 한 부타디엔의 사업화에 추진하여 4만 톤/년 규모의 플랜트를 건설할 예정이며 Nd-BR의 원료로 사용한다고 한다. IV. 결론 SBR과 BR에 대한 시장의 현황과 미래 전망, 신기술 및 친환경 기술 동향에 대해 살펴보면 주 용도인 타이어와 관련되어 시장 및 소재 기술이 변화하고 있음을 보여주고 있다. 세계적인 친환경 정책과 EV 확대에 따라 고성능 저연비 타이어가 확대됨에 따라 SBR과 BR도 맞추어 변화하고 있어 국내에서도 SBR과 BR 원소재에 대한 연구와 타이어 관련 응용 기술에 대한 동반 연구가 병행되어야 급변하는 세계시장에서의 경쟁력 확보가 가능할 것으로 보여진다.

편집부 2025-03-05

KIST, 모듈형 로봇 가구 oOoBOT(오봇)으로 국제 로봇디자인 대회 최고상 수상

- 제16회 ICSR, Innovative Prototypes 부문 최종 우승- 초소형 주거공간, 재난 구호, 아동 성장 지원 등 다양한 응용 가능성 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록)은 곽소나 박사 연구팀이 2024년 10월 23일부터 26일까지 덴마크 오덴세에서 개최된 국제 소셜 로봇 학술대회(International Conference on Social Robotics 2024, 이하 ICSR 2024)의 로봇 디자인 대회에서 모듈형 로봇 가구 시스템 oOoBOT(오봇)1)으로 Innovative Prototype 부문 최고상을 수상했다고 밝혔다.1) “oOoBOT(오봇)”의 ‘oOo’는 확장 및 축소가 가능한 모듈형 로봇 가구의 상단 모습을 형상화한 것이다. 소문자 ‘o’는 가구가 축소되었을 때의 형태를, 대문자 ‘O’는 가구가 확장되었을 때의 형태를 나타낸다. 이와 함께, 상황에 따라 형태와 기능이 변하는 모듈형 로봇 가구의 혁신성에 대한 감탄을 표현하는 의미에서 ‘오~’라는 감탄사도 담고 있다. [그림 1] oOoBOT(오봇)변형(축소와 확장)과 이동을 통해 상황에 적합한 서비스를 제공하는 로봇 가구 올해로 16회를 맞은 ICSR은 소셜 로봇 분야의 저명 학술지인 International Journal of Social Robotics와 연계된 대표적인 국제 학술대회로, 이번 대회에서는 전 세계 주요 연구 기관의 팀들이 참여하여 치열한 경합을 벌였다. 로봇 디자인 대회는 Innovative Ideas, Innovative Prototypes, Innovative Solutions 세 부문으로 나뉘어 진행되었으며, 최종 후보로는 펜실베이니아대학교(University of Pennsylvania), 오리건주립대학교(Oregon State University) 등 전 세계 유수의 연구팀이 이름을 올렸다. 최종 후보로 선정된 팀들은 학회기간동안 발표와 시연을 통해 작품의 혁신성과 실용성을 선보였으며, 심사위원단의 종합 평가를 거쳐 최종 우승팀이 결정됐다. KIST 연구팀은 Innovative Prototypes 부문에서 최종 우승을 차지하며, 모듈형 로봇 가구 시스템 oOoBOT의 혁신성을 세계적으로 인정받았다. [그림 2] 용도와 물건 개수에 따라 변형하는 oOoBOT(오봇)oOoBOT은 필요에 따라 테이블, 의자, 카트 등으로 변형하며, 상황에 맞게 가용 공간을 유연하게 조정 oOoBOT은 초소형 주거 환경에서 공간 활용도를 극대화할 수 있도록 설계된 다기능 로봇 가구 시스템으로, 현대 사회에서 점차 증가하고 있는 1인 가구 및 초소형 주거 공간의 요구를 충족하기 위해 개발되었다. 이 시스템은 사용자의 필요와 상황에 따라 테이블, 의자, 수납함, 카트 등으로 변형이 가능하며, 필요에 따라 크기와 형태를 자유롭게 조정할 수 있다. 특히, 사용하지 않을 때는 최소화된 상태로 수납할 수 있어 제한된 공간에서도 효율적인 사용이 가능하다. 이러한 설계는 공간 부족 문제를 해결하는 데 있어 매우 효과적이며, 거주자의 다양한 활동을 지원함으로써 생활의 질을 향상시킨다. [그림 3] 사람 수에 따른 oOoBOT(오봇) 배열사용자 수에 맞추어 테이블의 크기와 의자의 개수를 다르게 배열 oOoBOT은 초소형 주거 공간에 적합한 솔루션일뿐만 아니라 다양한 사용자층에게 맞춤형 서비스를 제공할 수 있는 유연성을 가지고 있다. 젊은 직장인과 학생 등 1인 가구뿐만 아니라 신체적·인지적 지원이 필요한 독거노인에게도 적합하며, 사용자의 요구와 상황에 따라 다양한 역할을 수행할 수 있다. 예를 들어, 독거노인의 경우 의자나 테이블을 보조 장치로 활용하거나 필요한 물건을 손쉽게 이동할 수 있도록 카트 형태로 변형할 수 있다. 이외에도 oOoBOT은 재난 구호 환경에서 그 가능성을 더욱 발휘한다. 임시 주거 시설에서는 침대, 테이블, 수납함 등 다양한 가구로 변형 가능하며, 조립과 설치가 간편해 긴급 상황에서도 신속하게 대응할 수 있다. 또한, 성장기 아동의 신체 발달에 맞춰 높이와 크기를 조정할 수 있어 학습 환경을 최적화하며, 아동의 발달을 효과적으로 지원할 수 있다. 이러한 다기능성과 적응성은 다양한 환경과 상황에서 oOoBOT이 실질적인 도움을 제공할 수 있음을 보여준다. 곽소나 박사는 “oOoBOT은 초소형 주거 문제를 해결할 혁신적 해법으로, 청년과 1인 가구뿐만 아니라 다양한 사용자층에게 새로운 공간 활용 방법을 제공할 수 있다”며, “자원의 효율적 사용과 지속 가능한 설계로 환경친화적인 주거 환경을 구축하는 데 기여하고자 한다”고 밝혔다. 강다현 박사는 “앞으로 재난 구호, 아동 성장 지원 등 다양한 용도로 확대 적용할 수 있도록 추가 연구를 이어갈 계획”이라고 덧붙였다. 본 연구는 산업통상자원부(장관 안덕근)의 로봇산업기술개발사업(2MRE620)의 지원으로 수행됐다.

편집부 2025-02-07

반도체·디스플레이 소재인 고성능 폴리이미드, 독성 없이 물로 만든다. 한국화학연구원, 환경 오염과 인체에 유해한 기존 기술을 대체하는 친환경 수계 폴리이미드 제조 기술 세계 최초 개발

- 디스플레이, 반도체, 항공우주 등 첨단 산업에서 폭넓게 활용가능한 친환경 폴리이미드 소재 개발 환경 규제가 강화되고 친환경 소재 수요가 늘어나는 가운데, 국내 연구진이 독성 유기용매 대신 물을 활용한 폴리이미드 제조 기술을 세계 최초로 개발했다. 본 기술의 핵심인 중합이 완료된 수계 폴리이미드 용액 한국화학연구원 원종찬·김윤호·박종민 박사 연구팀은 물을 용매로 사용해 고온 내구성과 높은 강도를 갖춘 폴리이미드를 중합하는 친환경 공정을 성공적으로 구현하였다. 수계 폴리이미드 제조 기술을 개발한 고기능고분자연구센터 연구자들 물을 용매로 하는 폴리이미드 친환경 중합 기술 개발물을 용매로 이용한 폴리이미드 친환경 중합 기술 및 이를 이용한 코팅용액, 필름 제조 및 3D 프린팅 구조화 응용 연구 그림 폴리이미드는 우수한 내열성, 기계적 강도, 화학적 안정성을 지닌 고분자 소재로, 디스플레이, 반도체, 항공우주 등 첨단 산업에서 폭넓게 활용된다. 특히 반도체 및 전자기기 수요 증가로 전 세계 폴리이미드 시장은 연평균 7% 이상의 성장을 기록 중이다. 수계 폴리이미드 용액을 이용한 대면적 필름화 공정 그런데 기존 폴리이미드 중합은 NMP, DMAc, DMF와 같은 독성 유기용매를 필수적으로 사용해 환경 오염과 인체에 유해하다는 문제가 있었다. 더불어, 중합 공정 온도가 350도 이상으로 높아 에너지 소비가 크고 생산 단가가 높은 한계가 있었다. 물에서 중합한 불소계 투명 폴리이미드 및 필름화 기술 개발불소계 투명 폴리이미드 전구체 수계 합성 및 고상 중합을 통한 분자량 증폭 개념도, 투명 폴리이미드 필름 위에 제작된 투명 면상발열체(히터) 발열 특성 결과 이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 물 기반(Water-borne) 중합 공정을 개발했다. 이를 통해 기존 유기용매 공정을 대체하며, 고성능 폴리이미드를 친환경적으로 합성할 수 있는 길을 열었다. 개발된 기술은 기존 대비 공정 온도를 250도 이하로 낮추면서, 기존 유기용매 방식을 적용하여 이미 상용화된 대표적인 폴리이미드 제품*과 동일한 수준의 물성을 확보하였다. * 600°C 이상의 우수한 내열 특성과 330메가파스칼(MPa) 이상의 높은 인장강도 일반적으로 기존의 폴리이미드 소재 제조 공정에는 비점*이 높고 독성이 강한 유기용매**가 사용되지만, 본 기술은 물을 반응 용매로 사용하여 합성 재료의 원가를 10% 이하***로 대폭 절감할 수 있다. 또한 독성 유기용매 처리를 위한 고비용 증류 회수시설이 필요 없다.* 액체 물질의 증기압이 외부 압력과 같아져 끓기 시작하는 온도 ** NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone), DMAc(Dimethylacetamide), DMF(Dimethylformamide)*** 용매 원가 : NMP 20L 약 400불($), 증류수 20L 10불($), 공업용 수돗물 1톤 1불($) 미만 박사랑 석사후연구원(주저자)이 제조한 폴리이미드 또한, 기존 유기용매 기반 공정에서는 350°C 이상의 고온이 필요하지만, 본 기술은 공정 온도를 100°C 이상 낮춘 250°C의 저온 공정을 가능하게 하여 에너지 소비를 전기 용량 기준으로 30% 이상 절감할 수 있는 장점이 있다. 물 환경에서의 폴리이미드 기능화물을 용매로 이용한 폴리이미드 고분자의 기능화 중합 기술 및 이를 이용한 미세 패턴 형성 공정 기술 및 이를 이용한 반도체 디바이스 제작 예시. 본 기술은 기존의 독성 유기용매를 대체하는 친환경 공정을 제시함으로써, 폴리이미드 소재의 상업화 가능성을 더욱 높였다. 실제로 본 기술을 활용하여 배터리 음극 바인더 및 절연 소재로 두 차례 기술 이전을 체결하였다. 연구팀은 배터리 바인더, 절연 코팅, 3D 프린팅 소재 등 다양한 응용 연구를 통해 고부가가치 산업으로 확장해 나갈 계획이다. 원종찬·김윤호 박사는 “이번 연구는 환경과 경제성을 동시에 만족시키는 혁신적인 친환경 공정으로, 폴리이미드 소재뿐만 아니라 고성능 고분자 소재의 장기적 발전과 글로벌 경쟁력 강화를 위해 연구를 이어갈 계획이다.”라고 밝혔다. 이번 연구 결과는 에이씨에스 서스테이너블 케미스트리 & 엔지니어링(ACS Sustainable Chemistry&Engineering, IF : 8.3) 10월호 표지논문과 케미칼 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, IF : 13.4) 7월호에 각각 게재되었다. 또한 한국화학연구원 기본 사업과 과학기술정보통신부의 중견연구자사업, 나노및소재 기술개발사업의 지원을 받아 수행되었다.

편집부 2025-02-07

국립낙동강생물자원관, 생분해성 플라스틱 원료를 친환경적으로 생산할 수 있는 미세조류 발견

- 미세조류 이용, 지속 가능한 친환경 플라스틱 원료 생산 가능성 열려 환경부 산하 국립낙동강생물자원관(관장 유호)은 친환경 플라스틱 원료인 PHA*를 생산하는 능력이 우수한 담수 미세조류를 발견했다고 밝혔다.* 폴리하이드록시알칸산(Polyhydroxyalkanoate, PHA): 미생물이 세포 내에 축적하는 고분자 물질 PHA는 물리 화학적 특성이 기존 플라스틱 소재를 대체할 수 있고, 자연에서 미생물에 의해 쉽게 분해되어 친환경 소재로 주목받고 있다. 그러나 현재 세균을 이용한 PHA 생산과정에서 환경오염을 유발하는 배양 폐액 및 세포 부산물의 처리 문제는 해결해야 할 과제로 남아있다. 이를 해결하기 위해, 국립낙동강생물자원관 연구진은 2023년부터 ‘PHA 생산능 담수 미세조류 확보 및 배양기술 개발’ 연구를 수행하여, PHA의 생산능이 뛰어난 클로렐라(Chlorella) 속 담수 미세조류를 확보하였다. 연구진이 확보한 클로렐라(Chlorella) 속 미세조류는 태양광을 이용해 재배할 수 있고, 배양 폐액과 세포 부산물은 각각 농업용 친환경자재와 식품 및 사료 등으로 이용될 수 있다. 이를 이용하면 기존 세균을 이용한 PHA 생산방식의 문제를 해결할 수 있다. 신규 미세조류 KGP1-12의 분류 속 동정과 형태 분석 확보한 미세조류 KGP1-12의 유전자(18S rRNA) 분석 결과, 클로렐라(Chlorella) 속 미세조류들과 99.64~99.40%까지 서열 상동성(좌)이 확인되어 클로렐라(Chlorella) 속으로 동정되었으며, 형태적으로 약 2~3㎛의 지름을 가지지만, PHA를 축적하기 시작하면 6~7㎛로 세포의 지름이 증가하는 것(우)을 확인하였음. 또한, 연구진은 확보한 클로렐라(Chlorella) 속 미세조류의 PHA 함량을 약 4.5% 내외에서 30.8%까지 비약적으로 증대시킬 수 있는 유도 생산방법을 개발하여, 그 결과를 특허로 출원*하였다.* 특허명: 폴리하이드록시알칸산을 고생산하는 신규 클로렐라 KGP1-12 미세조류와 이를 이용한 폴리하이드록시알칸산 유도 생산방법(출원번호: 10-2024-0159649) 클로렐라(Chlorella) 속 미세조류 KGP1-12의 PHA 생산능 분석 ▲ PHA는 고분자 물질로 직접 정량이 불가능하여, 단량체로 분해시킨 후 PHA의 90% 이상을 구성하고 있는 주요단량체인 PHB(Poly 3-hydroxybutyrate)의 함량을 가스 크로마토그라피를 이용해 정량 분석하였음. ▲클로렐라(Chlorella) 속 미세조류 KGP1-12는 일반 배양에서 생체량(세포 건조물) 기준 약 4.5%의 PHB를 생산하였고, 개발한 유도 생산방법*을 적용할 시 30.83%까지 PHB를 함량이 증대되었음.* 유도 생산방법: 배양액 내 인(Phosphorus) 결핍 처리와 복합 유기 탄소원(OCM) 공급 류시현 국립낙동강생물자원관 생물자원연구실장은 “향후 PHA와 같은 친환경 소재를 생산할 수 있는 담수생물의 확보와 이의 실용화를 위한 연구를 통해 환경오염을 방지할 수 있는 기술개발에 매진하겠다”라고 밝혔다.

편집부 2025-02-07

한국화학연구원, 16.4배 빠르게 반응하고 2배 이상 더 효율적인 수소 저장·운송 기술 개발

편집부 2025-02-07

코레일, 국내 개발 신소재 철도 침목 해외 현지 테스트

- 목재 대체 ‘합성수지 침목’, 베트남서 시험 시공… 내구·안전성 검증 한국철도공사(코레일)가 국내 기술로 개발한 합성수지 철도 침목을 베트남 현지에서 시험 시공하는 데 성공했다고 밝혔다. 합성수지 철도 침목(이하 합성수지 침목)은 철도 선로를 지지하는 침목을 섬유 보강기술로 강화한 폴리우레탄 소재로 만든 침목이다. 기존에는 방부 처리된 목침목을 주로 사용했는데 최근 환경문제 등으로 동남아지역에서 생산이 불가해 이번에 합성수지 침목을 개발하게 됐다. 합성수지 침목은 특수처리 방식을 사용해 △ 내구성 △ 경제성 △ 부식성 등이 양호하고, 유해 방부제를 사용하지 않아 친환경적이다. 베트남 현지에 시험 시공한 합성수지 철도 침목(위 교량 설치, 아래 분기기 설치) 국토교통부 ‘성과확산형 국토교통 국제협력 연구개발’의 일환으로 진행된 이번 사업은 국내 기업의 우수 기술과 제품을 해외에서 현지화해 세계 시장에 진출할 수 있도록 지원하는 R&D 과제이다. 코레일은 국내 중소기업과 공동으로 합성수지 침목을 개발하고 베트남철도공사(VNR)와 협력해 베트남 현지에 설치해 기술적 타당성을 검토했다. 실제 열차가 운행 중인 철도 교량과 선로의 방향을 전환하는 ‘분기기’에 시험 시공해 내구성과 안전성을 검증했다. 세계 철도시장에서 친환경 침목에 대한 사용기준이 강화되는 만큼 동남아는 물론 유럽과 미대륙 등에서도 합성수지 침목에 대한 시장이 확대될 것으로 기대를 모은다. 이두희 코레일 연구원장은 “베트남철도공사와 함께 신기술 현지화 가능성을 확인한 이번 사업을 계기로 베트남 철도 현대화 사업과 유지보수 및 고속철도 건설까지 참여할 수 있도록 힘쓰겠다”고 밝혔다.

편집부 2025-02-07

물에 떠 있는 미세 플라스틱, 수상 드론으로 잡는다 KIST, 친수1) 톱니 기술 접목 수상 드론 이용한 미세 플라스틱 회수 기술 개발

- 양식장, 가정용 수처리 등 확장 가능성으로 다양한 활용 기대 최근 수돗물과 생수병은 물론, 강, 호수, 바다 등에서 미세 플라스틱이 검출되며 그 심각성이 널리 알려졌다. 기존의 수처리용 필터링 기술은 크기와 모양이 다양한 미세 플라스틱을 효과적으로 걸러 내기 어렵고, 쉽게 막히는 문제가 있다. 게다가 필터가 막히지 않더라도 작은 입자를 회수하려면 필터 망을 매우 촘촘하게 설계해서 차압2)이 크게 발생하게 되어, 필터 효율이 지나치게 낮아지는 문제가 발생한다. 더욱이 미세 플라스틱 오염이 심해지고 있는 호수, 강이나 바다와 같은 열린 공간에서는 사용할 수 없다는 단점을 가져서 실효성이 많이 떨어졌다. 1)친수(親水, Hydrophilic): 물과 잘 결합하거나 물에 쉽게 젖는 성질, 2)두 지점 간의 압력 차이를 의미, 유체(액체 또는 기체)가 이동하거나 특정 장치에서 작동하는 과정에서 발생 한국과학기술연구원(KIST) 극한소재연구센터 김성진·문명운 박사 연구팀은 새로운 차원의 미세 플라스틱 제거 기술을 개발해, 문제 해결에 중요한 전환점을 제시했다. 이들은 물의 표면장력을 활용한 친수성 톱니 구조를 기반으로 미세 플라스틱을 효율적으로 제거할 수 있는 수상 드론 기술을 구현했다. [그림 1] MP(MP, 마이크로플라스틱) 볼에 대한 친수성 톱니의 스키밍 메커니즘인접한 오목한 meniscus의 존재는 치리오스 효과를 유발하여 MP 볼이 자발적으로 톱니 쪽으로 끌리게 만듭니다. 도식에서는 물 meniscus의 주기적인 변형과 함께 MP 볼의 스키밍 과정을 보여줍니다. 스키밍된 MP 볼은 이후 모세관 접착력에 의해 물로 연결된 톱니 내에(water bridge에 의해) 단단히 고정됩니다. 연구팀이 개발한 기술의 핵심은 친수성 톱니 구조에 있다. 이 구조는 물과의 친화력으로 인해 톱니 구조 사이에 형성되는 물막(Water bridge)을 생성하며, 물의 표면장력을 극대화시켜 미세 플라스틱을 톱니 사이에 부착시키는 역할을 한다. 이 원리를 활용하면 1마이크로미터(㎛)에서 최대 4㎜ 크기까지 다양한 크기와 밀도의 미세 플라스틱을 걸러낼 수 있다. 이를 통해 기존의 필터링 기술이 크기와 모양의 한계로 인해 효과적으로 작동하지 못했던 문제를 개선하며, 필터의 막힘 현상 없이 안정적인 제거가 가능해진다. [그림 2] 다양한 유형의 MP 회수를 위한 톱니 드럼의 프로토타입(A) 실험 이미지에서는 P = H = 6㎜, 드럼 직경이 60㎜인 톱니 구조 드럼을 사용한 MP 스키밍 과정을 보여줍니다. 이 드럼은 밀리미터 크기의 PE 펠릿과 마이크로미터 크기의 PE 입자를 스키밍합니다.(B) 톱니 구조 드럼이 수조 오른쪽에 위치한 모든 MP를 제거한 후, MP가 i) 크기 2~4㎜의 PE 펠릿이든, ii) 1~2000㎛ 범위의 PE 입자(C)이든 관계없이 이를 왼쪽으로 방출하는 모습을 보여줍니다.(D) 톱니 구조 드럼이 다섯 가지 다른 MP에 대해 세 가지 드럼 회전 속도에서 보이는 회수율을 나타냅니다. 이 기술은 다양한 미세 플라스틱(Expanded Polystyrene, Polypropylene, Polyethylene 등)을 대상으로 80% 이상의 회수 효율을 보였다. 특히, 수상 드론에 친수성 톱니 구조를 접목해 바다, 호수, 강 등 넓은 수역에서도 실시간으로 미세 플라스틱을 제거할 수 있다. 드론은 가정용 로봇청소기처럼 자율적으로 이동하며 수질을 정화할 수 있어, 기존 고정형 시스템의 한계를 넘어선 활용성을 보여준다. [그림 3] 친수 톱니 기술이 접목된 수상 드론(해양 로봇 청소기 프로토타입)연속 이미지는 톱니 드럼이 장착된 실험실 규모의 프로토타입이 전진하면서 다양한 크기의 MP를 스키밍하는 모습을 보여줍니다.(아래, 왼쪽 이미지) 개방된 바다를 항해하기 위한 수상 드론형 해양 로봇 청소기.(아래, 오른쪽 이미지) 선착장이나 해안가와 가까운 지역을 수동으로 청소하기 위한 핸드-헬드 (수동형, 휴대용) 타입. 문명운 박사는 “이번 기술은 수상 드론뿐만 아니라 양식장 수처리 필터와 같은 고정형 시스템에도 적용 가능하다”라며, “가정용 수처리 필터 장치로 확장해 개인이 일상에서 사용할 수 있는 형태로도 개발할 수 있다”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요 사업 및 해양경찰청사업(KIMST-20210584)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Advanced science」 (IF 14.3, JCR 분야 8.2%)에 최신 호에 게재됐다.* 논문명: Capillary skimming of floating microplastics via a water-bridged ratchet

편집부 2025-02-07

KIST, 귀한 ‘희토류 금속’의 고효율 회수 소재 기술개발… 디지털 인프라 자원순환↑

- 폐 영구자석으로부터 희토류 금속의 회수를 통한 해외 의존도 저감 기대- 성능·생산성·경제성·적용성 향상된 섬유상 흡착 소재 개발, 산업 안정성 향상 우리나라는 리튬, 니켈, 희토류 등 핵심 광물의 95%를 수입에 의존하고 있다. 특히 희토류는 소량 첨가만으로도 물질을 화학·전기·자성·발광적 특성을 갖게 만드는 특징을 갖고 있어 최근 친환경 자동차 및 신재생 에너지 산업 분야의 핵심 소재로 그 사용량이 크게 증가하고 있다. 희귀 금속의 주요 생산국인 중국이 자원 무기화 전략을 통해 공급을 조절하고 있어, 국내 산업에 큰 부담으로 작용하고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 물자원순환연구단 최재우 박사 연구팀이 최근 네오디뮴(Nd)과 디스프로슘(Dy) 등 희토류 금속을 고효율로 회수할 수 있는 섬유상 회수 소재를 개발했다고 발표했다. 이 신소재는 주로 전기차, 하이브리드차의 구동 모터, 풍력 발전, 로봇 및 항공우주 산업에서 필수적인 부품으로 사용되는 3세대 영구자석1)에 들어가는 희토류 금속(네오디뮴-철-붕소(Nd-Fe-B))을 회수하여 순환하는 소재로 희토류 공급과 산업적 안정성 문제를 해결하는 데 기여할 것으로 기대된다. 1)네오디뮴(Nd), 철(Fe), 붕소(B)를 주성분으로 하는 자석으로, 현재 상업적으로 사용되는 영구자석 중에서 가장 강력한 자속 밀도와 자력을 가짐. [그림 1] 섬유상 희토류 금속 회수 소재의 합성고분자 섬유와 금속-유기물 구조 나노 물질의 복합 구조로 구성된 섬유상 소재의 구조와 표면 분석 결과를 나타낸다. (a) 소재 형성 과정을 나타낸 도식표. (b) 고분자 섬유의 표면 작용기 개질 과정을 나타내는 샘플의 FT-IR 분석 결과. (c) 사용한 용매에 따른 나노 물질의 담지 성능. (d) 담지 용매의 종류에 따른 섬유의 FT-IR 결과. (e) 섬유 소재를 준비하는 단계에서 각 샘플들의 XRD 패턴. KIST 연구진은 효율적으로 희토류 금속을 회수하기 위해 금속-유기 구조체와 고분자 복합 섬유로 구성된 나노 구조 섬유 소재를 개발했다. 국내에서 이미 널리 활용되는 아크릴 섬유를 기반으로 제작되어 경제성과 생산성 측면에서도 우수하다. 연구진은 개발된 소재가 폐액 내에서 희토류를 쉽게 흡착하면서도 회수가 용이해 산업적 활용도가 아주 클 것으로 전망했다. [그림 2] 섬유상 소재의 희토류 금속 회수 성능(a) Nd3+및 (b) Dy3+이온에 대한 섬유의 희토류 회수 성능에 미치는 pH의 영향. 각각의 희토류 금속 이온에 대한 초기 농도와 흡착제 용량은 1,000mg/L 및 0.5g/L로, 반응 시간은 24시간 동안 별도의 pH 조절 없이 수행. 저농도의 (c) Nd3+ 및 (d) Dy3+이온에 대한 소재의 회수 효율. (e) Nd3+ 및 (f) Dy3+이온에 대한 소재의 등온 평형 곡선. 접촉 시간은 24시간이며 pH 조절 없이 수행. (g) Nd3+ 및 (h) Dy3+이온에 대한 CSCF의 회수 속도 곡선. 초기 농도는 1,000mg/L이며 pH 조절 없이 수행. (i) 흡착 소재의 Nd3+와 Dy3+의 최대 회수 용량(qm)과 (j) 회수 속도 상수 k를 최상위 논문에 보고된 흡착제들과 비교한 결과. 개발된 섬유 소재는 네오디뮴에 대해 468.60mg/g, 디스프로슘에 대해 435.13mg/g의 흡착 용량을 보여 세계 최고 수준의 성능을 기록했다. 이는 기존 흡착 소재보다 매우 높은 수치이며, 간단한 형태의 반응기에 적용할 수 있기에 회수 과정의 에너지 효율 또한 크게 개선될 수 있다. [그림 3] 희토류 금속 회수 섬유의 우수한 산업 적용성폐기된 영구자석으로부터의 희토류 회수 공정에 대한 회수 소재의 실용적 응용 가능성. (a) 초기 농도 비율이 65(Fe):25(Nd):10(Dy)인 경우, 각 이온의 pH에 따른 구성 성분도 그래프. (b) 세 가지 금속 이온에 대한 섬유 소재의 흡착 성능에 대한 분배계수(Kd), 흡착 소재를 사용하여 선택적인 희토류 회수를 예측. (c) 흡착 소재로 채워진 흡착 반응조는 동일한 무게의 입상 분말로 채워진 모듈보다 현저히 낮은 압력 강하(빠른 물질 전달 속도). 내부 이미지는 각 소재로 채워진 반응조를 나타냄. (d) 재생 전 소재의 최초 최대 흡착량(qm)과 반복 재생 이후 최대 흡착량(qm, r)의 비율을 나타낸다. 3번의 재생까지 거의 100%의 소재 재생 성능을 유지함. (e) 4회 재생 이후 NPZIF-8의 결정 구조가 붕괴되는 현상을 나타내는 재생 이후 NPZIF-8의 XRD 패턴. (f) 5번의 재생 후 CSCF 흡착제 표면의 NPZIF-8 나노입자의 전자현미경 이미지.(스케일바: 1μm) 연구팀은 이 소재가 폐 영구자석뿐 아니라 광산 배수 등 희토류 금속이 포함된 다양한 산업 폐수에서도 효과적으로 희토류를 회수할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 특히, 표면 개질이 용이해 다양한 산업 폐수에 대한 적용 가능성이 높아, 희귀 금속 자원 확보를 위한 기술적 대안으로 자리 잡을 전망이다. KIST 최재우 박사는 “이번에 개발한 고효율 희토류 금속 회수 소재는 기존의 입상 흡착 소재를 대체할 수 있는 기술로, 성능, 생산성, 경제성, 적용성 측면에서 뛰어난 결과를 보여 디지털 인프라 폐기물 광물 추출 생태계를 활성화 시키고, 자원순환을 통한 산업적 적용 가능성이 매우 크다”라고 연구의 의의를 설명했다. 또한 정영균 박사는 “향후 산업 폐수에서 희토류를 포함한 다양한 유용 자원을 선택적으로 회수할 수 있는 기술로 확장하여 탄소 중립과 희토류 관련 전 후방 산업에 기여할 수 있을 것”이라고 강조했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요 사업, 소재혁신선도사업(2020M3H4A3106366) 및 세종과학펠로우십(RS-2023-00209565)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Advanced Fiber Materials」 최신호에 게재됐다.* 논문명: Synergistic Effect of Core/Shell-Structured Composite Fibers: Efficient Recovery of Rare-Earth Elements from Spent NdFeB Permanent magnets

편집부 2025-02-07