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런너레스 금형 (Runnerless Mold)에 대하여

자료제공: 우진플라임 기술교육원 / 교수 한선근1) 런너레스 금형(Runnerless Mold)의 관리일반적으로 런너레스 금형을 현장에서는 ‘핫런너’라고 불리고 있기에 저도 ‘핫런너’라고 하도록 하겠습니다. 핫런너 금형의 장점은 전에 설명을 많이 드렸지만, 다시 한번 생각해보겠습니다. 이것을 통상적이라고 할 수는 없겠지만 참조하시기 바랍니다.- 제품 모델: Support Main- 적용: Hot Runner - Hot Runner 투자 비용: 3천만 원 - 기타 절감 효과생산성 향상 50%, Cycle Time 단축에 따른 금형 투자 비용 절감 Cold Runner 이용 시 발생하는 후공정 투자 비용 및 인건비 절감, 폐 Scrap 처리에 따른 환경오염 감소 및 비용 감소 등으로 긍정적인 것이 많으나, 시스템 관리 차원을 배제할 수 없는 상황이기도 합니다.핫런너 시스템은 여러 가지 복합적인 설비가 함께 동작이 되어야 하기에 설비 보전이 중요할 것으로 생각됩니다.2) 핫런너(Hot Runner) 시스템의 구성▶ Heater & Temp Couple일반적으로 오픈 게이트는 막대형의 카트리지 히터를 많이 사용하고 있으며, 밸브 게이트인 경우에는 코일 히터를 사용하고 있습니다.메이커에 따라 고주파 유도 가열 방식을 채택하여 사용하기도 합니다.▶ 코일 히터(Coil Heater)의 장점발열량이 많고, 균일한 온도를 지속적으로 공급하고 높은 온도에서도 산화와 침식이 적어 수명이 길며 높은 열전도와 높은 절연, 강도 유지 ▶ 열전대(Temp Couples)열전대의 구조는 열전대 소선, 보호관, 단자 박스, 절연관 및 취부에 필요한 부분으로 되어 있으며, 동작 원리는 서로 다른 금속 선의 한끝을 용접하여 만들며 기전력 또는 저항을 측정하여 측온 접점의 온도를 알 수가 있으며, 이때의 금속 선을 열전대라고 합니다.▶ 열전대의 특징 - 답이 신속하고 시간 지연에도 오차가 비교적 적다. - 합한 연전대를 선택하면 0~2500℃ 범위의 온도를 측정할 수 있다. - 상온에서 기계적 강도가 높고 내식성이 강하며, 안전성이 높다. - 정한 위치나 좁은 장소에서도 온도 측정이 가능하다.▶ 열전대의 종류(TYPE)핫런너 시스템에는 크게 2가지 타입의 열전대를 사용하고 있으며, 일반적인 열전대의 종류는 다음과 같습니다.▶ 국가별 보상도선에 따른 열전대 색상▶ 핫런너 시스템 연결하기(Square Connector)(Heater)핫런너 시스템의 연결은 금형과 컨트롤러 간의 통신선을 연결하는 것부터 시작이 됩니다.미리 컨트롤러가 설치되어 있는 설비라면 관계없겠지만 처음부터 컨트롤러를 이동 설치해야 한다면 여러 가지 준비물이 필요할 수도 있습니다. 먼저 금형의 핫런너 시스템의 명판을 확인하여 출력의 수를 체크하여 컨트롤러를 배치합니다.▶ 컨트롤러 배치히터 존의 수에 맞게 컨트롤러 설치▶ 중계선 설치와 열전대 TYPE 확인중계선은 금형에 부착되어있는 명판을 확인하여 K(CA), J(IC) 따라 설치한다.위와 같이 중계선이 전용으로 되어 있기에 열전대 타입을 반드시 확인하여 설치해야 합니다.그러나 일반적인 경우 중계선이 바뀌어도 ±2℃ 정도의 오차가 발생하기에 혼용하여 사용하는 경우도 있습니다. 다만 열전대 타입이 금형과 컨트롤러 간에 맞지 않을시 설정 온도와 측정 온도가 상이할 수 있기에 반드시 확인이 필요합니다.▶ 핫런너 금형의 커넥터 번호에 대하여 ▶ 핫런너 시스템의 알람 메시지핫런너 시스템의 에러 메시지는 업체마다 조금은 다를 수 있지만, 일반적인 내용을 공유합니다. 핫런너 시스템은 금형의 분해 조립이 빈번하게 이루어지게 되면 히터 또는 열전대의 연결이 좋지 않을 수 있기에 커넥터의 체결 상태가 잘 되어 있어야 합니다.

취재부 2022-03-07

한국화학연구원, 4D 프린팅용 형상기억 신소재 기술 개발

- 자가 치유·재성형 등 다기능성 소재 개발… 맞춤형 의료기기·소프트 로봇 등 응용 기대- Advanced Science 2021년 12월호 표지 논문 게재전 세계적으로 4D 프린팅 기술에 대한 관심이 고조되고 있는 가운데, 국내 연구진이 4D 프린팅용 고분자 신소재를 개발하는 데 성공했다.한국화학연구원(원장 이미혜) 김용석·김동균·박성민 박사 연구팀은 최근 발표된 연구에서 자가 치유 및 재활용이 가능한 4D 프린팅용 형상기억 비트리머* 신소재를 개발했다. * 열경화성 고분자의 화학적 안정성과 열가소성 고분자의 가공성을 모두 갖춘 신소재연구팀이 개발한 형상기억 비트리머 소재는 4D 프린팅 기술을 활용한 맞춤형 의료기기, 소프트 로봇, 형상 가변 전자기기 등에 응용할 수 있을 것으로 기대된다.4D 프린팅은 3D 프린팅에 자가 변환 및 자기 조립 등의 개념이 더해진 것으로, 간단하게는 외부 자극에 스스로 반응하는 스마트 소재를 활용하여 프린팅된 3차원 구조체가 특정 조건 하에 스스로 변형을 일으키는 기술이다.이러한 4D 프린팅 분야에서 형상기억 고분자는 초기의 고분자 형태를 기억하여, 적절한 자극에 의해 변형된 형태로부터 본래의 모습으로 되돌아오는 스마트 고분자 핵심 소재이다.한편 향후 3D/4D 프린팅 시장이 확대되면 전 세계적으로 다량의 가교 고분자 폐기물이 축적될 것으로 전망되어, 기존에 구축된 3D 프린팅 공정에 바로 적용 가능한 ‘재활용 가능 다기능성 고분자 소재’ 개발이 시급한 상황이다.그동안 전 세계 연구진이 4D 프린팅용 형상기억 고분자 신소재 개발에 나섰지만, 단량체·가교제의 과다 사용 및 프린팅 공정상 손실 등의 단점을 극복하지 못하였고, 3D 프린팅 과정에서 가교*된 소재를 손쉽게 재활용할 수 있는 기술 개발의 문턱 또한 넘지 못했다.* 서로 다른 선형 고분자 사슬들 사이를 다른 사슬로 연결하는 화학결합 반응으로, 그물과 같은 망상 구조를 형성하는 과정이에 한국화학연구원 연구팀(과학기술정보통신부 지정 ‘스마트화학소재 4D 프린팅 연구단’)은 현재 3D 프린팅용 필라멘트* 소재로 활용되고 있는 상용 고분자의 2차례 기능성 가교반응을 통해 형상기억 비트리머 신소재를 합성했다.* 3D 프린터에 사용되는 열가소성 고분자 재료로, 직경 1.75㎜ 내외의 가느다란 선형 형태로 가공된 소재연구팀은 가교구조 제어를 통해 형상기억 비트리머 소재의 형상기억-회복 특성을 조절하는 것은 물론이고, 열에 의한 자가 치유 및 재성형 등 다양한 기능을 가진 신소재를 개발하였다.이번에 개발한 신소재를 테스트한 결과, 필름 형태의 소재에 흠집을 낸 후, 고온 열처리한 지 30분이 지나자 자가 치유되는 것으로 확인되었다. 또한 가교구조를 지니고 있음에도 잘게 부서진 필름 형태의 소재를 고온에서 강한 압력으로 찍어내는 프레스 공정을 통해 원래의 상태로 되돌려 재활용할 수 있게 되었다.또한 필라멘트 압출 성형 및 4D 프린팅도 가능하다. 신소재를 필라멘트 압출기에 넣어주면 깨끗한 필라멘트를 얻을 수 있으며, 3D 펜을 사용하여 형상기억 및 회복이 가능한 3D 구조체를 간단하게 제조할 수 있다.이번 기술 개발로, 소재 분야 관련 기업과의 적극적인 협업을 통해 4D 프린팅 실용화를 위한 핵심기술을 선점할 수 있을 것으로 전망된다. 소재의 자가 치유 및 재활용 공정 또한 가능하여, 향후 발생 가능한 다량의 가교 고분자 폐기물 저감에도 기여할 것으로 기대된다.화학연 이미혜 원장은 “이번 연구를 통해 개발한 기술은 값싼 상용 고분자로부터 고부가가치 형상기억 비트리머 소재를 합성하는 플랫폼 기술로, 맞춤형 의료기기 등 다양한 응용 분야에 폭넓게 활용될 수 있기를 기대한다”라고 말했다.이번 연구 결과는 과학기술 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’ 2021년 12월호 표지 논문으로 게재됐다.또한 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 소재융합혁신기술개발사업, 미래기술연구실 사업, 한국화학연구원 주요 사업의 지원을 받아 수행됐다.

취재부 2022-03-02

LS엠트론㈜만의 인공지능 스마트 사출시스템, 사출성형 스마트 팩토리 실현에 한 걸음 다가서

LS엠트론㈜만의 인공지능 스마트 사출시스템, 사출성형 스마트 팩토리 실현에 한 걸음 다가서LS엠트론㈜(이하 LS엠트론)은 지난 1월 7일(금) 경기도 부천에 소재한 한국금형센터에서 ‘LS엠트론 인공지능 스마트 사출시스템 시연회’를 개최하며 관련 업계의 이목을 집중시켰다.이번 시연회에서 LS엠트론은 인공지능 기술을 통해 사출기가 고숙련된 성형 전문가의 행위를 학습하고 모방하여 초기 공정 안정화에 걸리는 시간을 획기적으로 단축시킨 인공지능 조건 도출 시스템(AI Molding Assistant(M-GA))과 사출기의 소프트웨어로 제품의 중량 변화를 감지해 기계가 스스로 정상중량으로 조건을 변경하는 인공지능 중량 유지 시스템(AI Weight Control(M-QA))을 선보여 화제를 모았다.품질 개선, 원가 절감, 생산성 향상, 납기 단축 등을 실현하기 위한 방안으로 대두되고 있는 스마트 팩토리(Smart Factory)에 대해 고객분들께서 보다 쉽고 친숙하게 받아들일 수 있도록 최선을 다하는 LS엠트론의 새로운 기술에 대해 알아보도록 하자. ■ LS엠트론이 제시하는 실질적이고 현실적인 스마트 팩토리스마트 팩토리(Smart Factory)는 인더스트리 4.0(Industry 4.0)이 가져오는 생산공장의 혁신적인 변화를 뜻하며, 설계·개발, 제조 및 유통·물류 등 생산과정에 디지털 자동화 솔루션이 결합된 정보통신기술(ICT)을 적용하여 생산성, 품질, 고객만족도를 향상시키는 지능형 생산공장을 의미한다.즉, 공장 내 설비와 기계에 사물인터넷(IoT)을 설치해 공정 데이터를 실시간으로 수집하고, 이를 분석하여 목적한 바에 따라 스스로 제어할 수 있는 공장을 말하는데, 최근에는 가볍고 유연한 생산체계가 요구됨에 따라 제조업의 혁신 방안으로서 주목받고 있다.하지만, 아직까지 플라스틱 제조산업에서는 사람이 주도적으로 작업을 진행해왔던 전통적인 방식이 고수되고 있는 경우가 종종 있어 실제 공장에서의 스마트 팩토리는 낯선 상황이다.이러한 상황에 LS엠트론에서는 고객분들에게 보다 쉽고, 친숙하게 다가가고자 실질적이면서도 현실적인 기술 개발에 초점을 맞추고, 최근 AI를 도입한 시스템을 출시해 진정한 스마트 사출 솔루션을 제시하며 화제를 모았다. ■ 인공지능 조건 도출 시스템(M-GA)으로 초보자도 편리하게!사출성형에서 첫 번째 단추를 끼우는 업무는 초기 성형 공정을 설정하는 것으로 시작되며, 이는 보통 숙련된 성형 전문 엔지니어에 의해 주도된다. 숙련도에 따라 초기 공정 환경을 구축하는 소요시간과 생산 품질이 좌우되기 때문에 불량이 아닌 양품으로 생산되도록 최적화된 공정 조건을 설정하는 것은 매우 어려운 일로 평가받고 있다.그에 따라 신규 성형품에 대한 초기 성형 공정 설정시 성형 전문 엔지니어의 숙련도에 따른 생산효율의 편차가 발생하는 사출성형은 기존부터 그 편차를 줄일 수 있는 인공지능 기술의 중요성이 매우 강조되어 왔다.LS엠트론의 인공지능 조건 도출 시스템(M-GA)은 신규 성형품에 대한 초기 성형 공정 설정 시, 인공지능 기술을 통해 최적 조건을 도출할 수 있는 시스템으로, 복잡하고 다양한 공정에서도 작업자의 간단하고 직관적인 조작만으로 가장 최적화된 성형 공정을 설정할 수 있어 업계의 호응이 높을 것으로 예상된다.LS엠트론의 관계자는 “고숙련 전문가의 성형 방법을 학습하고 모방해 사출 조건을 구축하기 때문에 시간 단축은 물론, 작업 숙련도에 구애받지 않는 일관된 공정을 구현할 수 있다”라며, “실제로 연구소 테스트를 통해서 시험평가를 진행한 결과, 인공지능 조건 도출 시스템을 저숙련자 그룹이 다른 그룹보다 평균 23% 더 빨리 양품 세팅을 할 수 있었다”고 설명했다.이어 “고숙련 엔지니어를 채용하는 일도 쉽지 않은 상황에서 LS엠트론만의 인공지능 시스템이 현장에서 많은 도움이 될 수 있을 것”이라고 강조했다. ■ 불량률을 획기적으로 줄인다! 인공지능 중량 유지 시스템(M-QA)초기 성형 공정의 최적 조건을 도출해서 양품 생산을 진행했다면, 그 이후에는 양품으로 계속 유지할 수 있도록 하는 게 중요하다. 반복적으로 성형품을 사출하게 되면 어떤 변수에 의해서 불량이 발생할 수 있기 때문이다.사출 성형품의 가장 기본적인 품질은 성형품의 중량을 일정하게 유지하는 것이기 때문에 LS엠트론에서는 인공지능 중량 유지 시스템(M-QA)을 제시하며, 제품의 중량 변화가 발생했을 때 인공지능 기술을 활용하여 기계가 스스로 정상 중량으로 조건을 변경할 수 있도록 했다.생산 환경의 온습도 변화, 원재료의 물성 변화 등으로 인해 간혹 불량이 발생하기도 하는데, 이러한 부분을 미연에 방지해주는 시스템이 바로 인공지능 중량 유지 시스템이다.LS엠트론의 관계자는 “성형품의 실제 목표 중량을 10g으로 정했는데, 주위의 온습도나 재료의 물성 변화로 인해 무게가 12g 또는 8g 등으로 변하는 불량이 발생할 수 있다. 이러한 중량 변화가 생겼을 때, 당사의 시스템은 자동으로 목표 중량만큼 새로운 조건을 도출하여 사출기로 전달함으로써 성형품의 양품 중량을 지속시키는 역할을 한다”라고 설명하며, “고객분들께서 보다 쉽고, 편리하게 사용하실 수 있을 것”이라고 전했다.인공지능 중량 유지 시스템을 통해 공정을 실시간으로 자동 변경해 제품의 중량 변동을 보정해줌으로써 제품의 불량을 획기적으로 낮출 수 있어 특히 분쇄 재료 혼합시 사출압력 변동 발생의 경우나 동일 공정조건에서 다른 제품이 생산되는 문제점 등의 부분에서 고객분들의 만족이 높을 것으로 사료된다. ■ 고객이 원하는 진정한 스마트 사출 솔루션 제시에 최선 다할 것!LS엠트론에서는 고객이 원하는 진정한 스마트 사출 솔루션을 제시하고자 꾸준한 개발을 진행하고 있다. 이것의 일례로 지난 1월 7일(금) 경기도 부천에 위치한 한국금형센터에서 ‘LS엠트론 인공지능 스마트 사출시스템 시연회’를 개최해 앞서 소개한 ‘인공지능 조건 도출 시스템(M-GA)’과 ‘인공지능 중량 유지 시스템(M-QA)’의 시연을 직접 선보였다.LS엠트론 박찬성 사업본부장을 비롯해 LS엠트론 연구원들과 LG전자 관계자들이 참석했던 이번 시연회는 산업이 갈수록 고도화, 다양화되고, 사회적으로도 인력 감소, 인건비 상승 등의 변화가 진행되면서 현실적으로 한계에 부딪친 기존 생산방법을 타개하기 위한 방안을 제시하기 위해 마련되었다.LS엠트론의 관계자는 “’스마트화’는 선택의 문제가 아니라, 시장에서의 생존을 위해 기왕이면 더 신속히 추진해야 하는 문제가 되었다. 이번 시스템 개발은 고객들이 사출기를 사용하면서 생산성 향상, 품질 개선 등을 통해 경쟁력을 높이도록 하기 위함”이라고 밝히며, “2022년 1월에 정식으로 출시를 했지만 아직은 도입 단계로, 이러한 인공지능 기술이 현재 사출 현장에 접목하기까지는 시간이 걸릴 것으로 생각한다. 하지만 고객이 이해하기 쉽고 어렵지 않게 접근할 수 있도록 도움을 드릴 것이며 여러 가지 프로모션 행사를 통해 많이 알리도록 할 것”이라고 강조했다.사출 분야의 진정한 스마트 팩토리 실현을 위해 앞서고 있는 LS엠트론. 동사에서는 기술개발 및 시연회와 홍보를 통해 고객분들께 더욱 스마트한 사출성형시스템을 제공하기 위한 최선의 노력을 다하고 있다. ■ 문의: LS엠트론㈜ 사출사업본부 공식 홈페이지 www.lsinjection.com

이명규기자 2022-02-22

전기자동차용 리튬이온 전지의 에너지형과 파워형 셀 설계와 제조공정

편집부 2022-02-11

런너레스 금형 (Runnerless Mold)에 대하여

자료제공: 우진플라임 기술교육원 / 교수 한선근통상의 사출성형 방법은 금형에 반드시 스프루, 런너, 게이트가 있다. 성형품이 성형될 때 스프루와 런너가 함께 성형되고, 성형제품이 금형으로부터 이형 될 때 스프루와 런너도 동시에 이형되는 성형 방법이다. 이것을 일명 콜드런너 시스템이라고도 한다.이와는 달리 스프루와 런너부의 수지를 사출성형 공정 중에 계속 용융상태로 유지시키고, 사출 후 금형이 열리면 스프루와 런너가 없이 매 성형 사이클마다 성형제품만을 금형으로 이형시키는 것을 런너레스(Runuerless) 성형이라고 한다.런너레스 성형에 사용되는 금형을 런너레스 금형 또는 핫 런너 금형이라고도 한다.(1) 성형품의 품질이 우수하다.다이렉트 게이트로 사출 압력을 높게 하면 게이트 주변에 잔류응력이 많게 되고, 성형 후 크랙이 발생하기도 한다. 이러한 이유로 핀포인트로 다점 주입을 생각하는데 대형금형에서는 금형의 보수 관계 등을 생각하여 3매 금형 구조는 피한다.(2) 성형 재료비가 절감된다.콜드런너 방식은 성형품 이외 런너와 스프루 등이 필요하다. 반면, 런너레스 성형은 런너와 스프루에 해당하는 성형재료가 필요 없게 되어 그만큼의 재료 절감을 할 수 있다. 콜드런너 방식은 비록 런너, 스프루를 분쇄하여 사용한다고 하지만, 물성 저하 등으로 1회밖에 사용 못 하는 경우와 2~3차 분쇄하여 사용해도 혼합비가 한정되기 때문에 결국 재료 손실이 발생한다.(3) 성형품의 생산시간을 단축한다.스프루, 런너의 냉각 시간이 필요 없으므로 고속 성형할 수 있고, 불필요한 성형기의 다이 플레이트 운동을 피하여 생산시간을 단축할 수 있다.(4) 성형기가 한 단계 작아도 된다.스프루, 런너에 관계하는 사출 용량 및 형체력과 3매 금형일 때의 성형품 런너 빼기에 관계되는 금형 열기의 스트로크 등이 적어도 된다. 그러나, 런너레스 성형에서는 높은 사출 압력이 요구되는 경우가 많다.(5) 금형의 설계와 보수에 고도의 기술이 요구된다.원래 금형에는 스프루, 런너가 필요한 것이지만, 런너레스는 이것을 무리하게 제거하는 것이므로 금형 설계가 적절하지 않거나 보수 관리 및 취급에 문제가 있으면 성형의 각종 문제를 일으켜 도리어 능률을 저하시키는 경우도 있다. 금형적으로는 게이트 및 단열시스템 설계에 기술적 어려움이 있다.(6) 런너레스 성형에 적합한 수지 조건이 필요하다.열 안정성이 좋고 저온에서 성형이 용이해야 하고, 압력에 민감하고 낮은 압력에서도 사출성형이 용이해야 한다. 또한 열변형 온도가 높고 금형으로부터 신속한 이젝트 되어야 하며, 열전도율이 높아 수지로부터 열을 신속하게 방출할 수 있어야 한다.

편집부 2022-02-11

KIST, 액체 전해질의 이온 전도도에 상응하는 고 이온전도성 고체 전해질 개발

- 황화물계 전해질의 유독한 황화수소(H2S) 가스 발생량 70% 저감 전기 자동차 및 에너지저장시스템(ESS)의 시장이 급속도로 성장함에 따라 리튬이온전지의 수요가 폭발적으로 증가하고 있다. 기존의 리튬이온전지는 가연성의 액체 전해질을 이용하고 있어 안전성에 논란이 있으며, 최근 이로 인한 화재 및 폭발 사고가 지속해서 보고된 바 있다. 이 때문에 비 가연성의 고체 전해질을 이용한 리튬 전고체 전지가 화재 및 폭발 위험성이 없는 차세대 이차전지로 주목을 받고 있지만, 고체 전해질은 액체 전해질과 비교해 리튬의 이온 전도도가 낮다는 문제점이 있다.한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 에너지저장연구센터 류승호 박사 연구팀은 황화물계 고체 전해질의 소재 및 합성공정을 최적화해 액체 전해질의 이온 전도도에 상응하는 고이온 전도성 고체 전해질을 개발했다고 밝혔다.액체 전해질의 이온 전도도에 상응하는 다양한 리튬 전고체 전지의 고체 전해질 후보물질들이 속속 보고되고 있는 가운데 황화물계 고체 전해질은 상대적으로 높은 이온 전도도를 보여 소재 및 합성 공정 개선을 위한 연구가 시도되고 있다. 그런데, 황화물계 고체 전해질의 경우 대기 노출시 수분과 반응하여 유독한 황화수소(H2S) 가스를 발생시키는 문제가 있어, 이를 해결하기 위한 연구 또한 함께 진행되어야 했다. 고 이온전도성 황화물계 고체 전해질 합성 과정, 이온전도 메커니즘 모식도 및 이온 전도도 평가 결과 류승호 박사팀은 고 이온전도성 황화물계 고체 전해질 중 하나인 아지로다이트(Argyrodite)1) 고체 전해질 소재 내부에 안티모니(Sb)와 게르마늄(Ge)을 도입하고 추가 리튬(Li)을 삽입하여 16.1mS/cm의 고 이온전도성 고체 전해질을 개발했다. 이는 10mS/cm급의 이온 전도도를 가지는 상용 액체 전해질에 상응하는 수준으로, 기존에 개발된 아지로다이트 황화물계 고체 전해질의 최고 수준 이온 전도도인 14.8mS/cm을 넘어선다. 연구팀은 개발된 고체 전해질을 상용 양극에 적용하여 액체 전해질을 이용한 경우와 유사한 초기 용량을 얻었으며, 추후 전지 제조 공정의 최적화를 통한 고에너지, 장수명 리튬 전고체 전지 개발에 대한 기대감을 높였다. 아지로다이트 (Argyrodite): 황화물계 화합물의 일종 또한, 기존의 황화물계 고체 전해질의 경우 대기 노출시 수분과 반응하여 유독한 황화수소 가스를 발생하는 문제가 있지만, 본 연구에서는 안티모니를 도입하여 수분과의 반응성을 줄여 황화수소 가스 발생을 70% 이상 저감하는 결과를 얻기도 했다. Sb, Ge 기반 황화물계 고체 전해질의 수분 안정성 향상 KIST 류승호 박사는 “본 연구를 통하여 개발된 고체 전해질은 액체 전해질에 상응하는 고이온 전도도를 보이며, 기존의 황화물계 고체 전해질의 대기 안정성을 크게 개선해 폭발 위험성 없는 고안전성 리튬 전고체 전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) KIST 주요 사업 및 한국연구재단 기후변화대응 기술개발사업, 산업통상자원부(장관 문승욱) 리튬 기반 차세대 이차전지 성능 고도화 및 제조기술개발사업 및 자동차산업 핵심기술 개발사업의 지원을 통해 수행되었으며, 연구 결과는 에너지 소재 분야의 국제학술지인 ‘ACS Energy Letters’(IF : 23.101, JCR 분야 상위 3.302%) 최신 호에 게재되었다.* 논문명: Lithium Argyrodite Sulfide Electrolytes with High Ionic Conductivity and Air Stability for All-Solid-State Li-Ion Batteries - 제1저자: 한국과학기술연구원 이용흠 학생연구원 - 교신저자: 한국과학기술연구원 류승호 선임연구원 제1저자: 이용흠 학생연구원 ○ 소속: 한국과학기술연구원 청정신기술연구본부 에너지저장연구센터 학생연구원○ 전화: 02-958-5257○ e-mail: h18511@kist.re.kr교신저자: 류승호 박사○ 소속: 한국과학기술연구원 청정신기술연구본부 에너지저장연구센터 선임연구원○ 전화: 02-958-5232○ e-mail: shyu@kist.re.kr 문의: 에너지저장연구센터 류승호 선임연구원(010-2933-5520)

편집부 2022-02-09

UNIST 연구팀, 산화프로필렌 친환경적으로 합성하는 3종 촉매 융합 시스템 개발

- 산소로 프로필렌 산화시키는 산업계 난제 해결… Nature Catalysis 표지논문 선정 햇빛과 산소를 이용해 자동차 내장재나 화장품의 원료를 합성하는 촉매 시스템이 개발됐다. 이번 연구는 촉매 분야 연구의 최고 권위지인 네이쳐 카탈리시스(Nature Catalysis) 표지논문으로 선정돼 정식 출판을 앞두고 있다. 곽자훈·장지욱(이상 에너지화학공학과)·주상훈(화학과) 교수팀은 고부가가치 석유화학 원료인 산화프로필렌을 합성하는 ‘3종 촉매 융합 시스템’을 개발했다. UNIST(총장 이용훈) 곽자훈·장지욱(이상 에너지화학공학과)·주상훈(화학과) 교수팀은 고부가가치 석유화학 원료인 산화프로필렌을 합성하는 ‘3종 촉매 융합 시스템’을 개발했다. 3 종류 촉매가 연속적으로 반응해 프로필렌을 산화하도록 설계된 시스템이다. 기존에 프로필렌을 산화시키는 화학 공정은 유해 물질을 배출하는 문제가 있었는데, 이 시스템은 유해 물질 배출 없이 태양광 에너지와 산소만으로 산화프로필렌을 만들 수 있다.산화프로필렌은 자동차 내장재나 화장품·의약품의 기초 원료로 그 수요가 꾸준히 증가하고 있는 석유화학 원료다. 원유 납사에서 프로필렌을 얻은 뒤 이를 산화시켜 합성하는데, 가장 값싸고 친환경적인 산화제인 산소와는 원하는 데로 반응하지 않아 유해 물질인 염소를 써서 생산해왔다. 최근 환경 규제가 강화되면서 염소 대신 과산화수소를 산화제로 쓰는 공법이 상용화됐지만, 과산화수소 생산 공정 자체가 여전히 친환경적이지 못한 문제가 있다.* 산화프로필렌: 분자식 CHCHCH2O. 자동차 내장재 등에 쓰이는 폴리올, 화장품, 의약품 원료인 프로필렌글리콜의 기초 원료다. 원유 납사(나프타)에서 나온 프로필렌을 산화시켜 만든다.광촉매, 전기촉매, 불균일촉매 융합 시스템의 산화프로필렌 생산법3종류 촉매가 연속적으로 반응해 프로필렌을 산화하도록 설계된 시스템으로, 기존에 염소나 과산화수소로 프로필렌을 산화하는 공법과 달리 값싸고 친환경적인 산소를 산화제로 쓸 수 있는 기술이다.가장 왼쪽에 있는 광촉매가 태양광 에너지를 받아 정공(h+)과 전자(e-)를 생성한다. 이때 광촉매 표면으로 이동한 정공(h+)이 물을 산화시켜 산소를 발생시키며, 전자(e-)는 중간에 있는 전기촉매로 이동해 산소를 환원시켜 과산화수소를 생산한다. 생산된 과산화수소는 불균일촉매로 이동하여 프로필렌을 산화하는 산화제로서 작용하여 프로필렌을 산화프로필렌으로 변환시킨다. 공동연구진이 개발한 시스템은 과산화수소까지 친환경적으로 만들 수 있다. 그뿐만 아니라 실시간으로 과산화수소 공급이 가능해 생산 시스템을 단순화할 수 있으며, 과산화수소 수송과 저장에 필요한 비용도 줄어든다. 고농도 과산화수소가 시간이 지날수록 분해돼 버려지는 것을 막을 수 있다는 장점도 있다.이 시스템 개발을 위해 3종류 촉매의 반응을 정교하게 제어하는 기술이 쓰였다. 시스템 내의 광촉매는 물속에서 햇빛을 받아 전기(전자)를 생산하고, 전기화학 촉매는 이 전기를 이용해 산소를 환원시켜 과산화수소를 만든다. 마지막으로 과산화수소가 불균일촉매의 도움을 받아 프로필렌과 반응하면 산화프로필렌이 합성된다.이번에 개발된 시스템은 94%의 효율로 산화프로필렌을 생산할 수 있었다.장지욱 교수는 “추가적인 외부전압과 값비싼 화합물 없이 태양광으로 작동하는 산화프로필렌 합성 시스템을 최초로 선보였다는 점에서 그 의미가 크다”라며, “광촉매 성능을 더 개선한다면 상업적으로도 더 큰 가치가 있을 것”이라고 설명했다.곽자훈 교수는 “가장 풍부하고 값싼 산소를 사용해 산화프로필렌을 합성하는 촉매 기술은 석유화학 분야의 난제 중 하나”였다며, “그만큼 산업적으로도 파급력이 큰 연구”라고 설명했다.주상훈 교수는 “이번 연구를 통해 산화프로필렌뿐만 아니라 다양한 화합물을 친환경적으로 생산할 수 있는 광전기화학 기술의 잠재력을 입증했다”고 설명했다.이번 연구는 고묘화 UNIST 석박통합과정 대학원생, 김용선 UNIST 박사, 우진우 UNIST 박사가 공동 1저자로 참여하였다. 연구수행은 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 ‘중견연구자지원사업’, ‘미래소재디스커버리사업’, ‘선도연구센터사업(SRC)’ 그리고 포스코사이언스펠로쉽 과제 등의 지원 받아 이뤄졌다.* 논문명: Direct propylene epoxidation with oxygen using a photo-electro-heterogeneous catalytic system 문의: 에너지화학공학과 곽자훈 교수 052-217-2552 장지욱 교수 052-217-3027

편집부 2022-02-08

효율 35% 슈퍼 태양전지로 탄소중립 2050 앞당긴다! UNIST팀, 산업통상자원부 주관 알키미스트 프로젝트 최

- 탠덤기술(1+1)로 효율 35% 이상 태양전지 개발 도전… 5년간 100억 원 지원받아 연금술사라는 뜻의 ‘알키미스트’. UNIST 연구팀이 철로 금을 만들려 했던 연금술사들의 대담한 도전정신을 이어받아 산업계 난제 해결에 도전한다. 신소재공학과 최경진 교수를 단장으로 하는 UNIST 연구단이 산업통상자원부 알키미스트 프로젝트 최종 과제 수행자로 선정됐다. 향후 5년간 100억 원을 지원받아 효율이 35%에 이르는 슈퍼 태양전지 개발에 나섰다. UNIST 연구팀이 지난 12월 8일 산업통상자원부 주관 알키미스트 프로젝트의 최종 수행기관으로 확정됐다. 서울대 등을 제치고 신재생에너지 부분 알키미스트 프로젝트 최종 과제 수행자로 선정돼 향후 5년간 100억 원을 지원받게 된다.연구팀은 효율 35%의 슈퍼 태양전지 개발에 도전한다. 상용 실리콘 태양전지의 이론 효율 한계인 30%를 훌쩍 넘는 이 전지 개발에는 탠덤기술이 쓰일 예정이다. 탠덤기술은 실리콘 태양전지 위에 페로브스카이트 박막 태양전지를 결합하는 1+1 기술이다. 이를 위해 실리콘 태양전지 전문가인 최경진 교수, 페로브스카이트 태양전지 분야의 세계적 석학인 석상일 교수를 비롯한 UNIST 신소재공학과(송명훈 교수)와 에너지화학공학과 연구진(양창덕 교수)이 모였다.연구팀은 초고효율 슈퍼 태양전지 개발과 더불어 태양전지 상용화의 3대 조건(Golden Triangle)라 불리는 장기안정성과 가격경쟁력 향상을 위한 연구도 동시에 수행할 예정이다. 소재 기술, 대면적화 공정, 모듈화 요소 기술, 일체형 장비 개발 연구 등이다. KETI, KIST, ㈜주성엔지니어링, ㈜ENF테크놀러지와 같은 유수의 연구소, 기업들이 힘을 보탤 예정이다.사업단장을 맡은 UNIST 신소재공학과 최경진 교수는 “초고효율 슈퍼 태양전지는 기후 변화에 대응하고 탄소중립 시대를 앞당기는 효과적인 전략이 될 것”이라며, “중국의 저가공세 밀려 주도권을 빼앗긴 국내 태양광 산업에도 큰 도움이 될 것”이라고 설명했다.UNIST 에너지화학공학과 석상일 교수는 “UNIST 연구진들은 지난 10년간 페로브스카이트 태양전지 분야의 세계적 선두그룹으로 자리매김했다”며, “그간 축적한 지식을 잘 활용한다면 35% 효율을 가지는 슈퍼 태양전지 개발은 매우 어렵지만 충분히 도전해볼 만하다”라고 말했다.한편, 2019년 시작된 알키미스트 프로젝트는 토너먼트형 기술개발 과제다. 1차 선정된 사업 예비 수행기관들의 성과를 종합 평가해 최종 과제 수행자를 선정하는 방식이다. 신재생 부문에 공모한 10개의 연구팀 중 UNIST, 서울대, 고려대 팀이 사업 예비 수행기관으로 선정됐으며, 지난 2년간 예비 연구를 수행했다.

편집부 2022-01-18