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미세플라스틱 없는 바이오 플라스틱으로 신선육 포장재 세계 최초 개발 및 탄소중립 달성을 위한 신 플랫

- 연포장재 대체로 연간 3,060만 톤의 이산화탄소 배출량 감축- 바이오 플라스틱 가공기술 확립 및 D/B화로 포장재 가공 원단 수출한국포장학회 고문 박형우 박사와 중소기업중앙회 박상희 전 회장은 미세플리스틱 없는 바이오 플라스틱으로 신선육 포장용 포장재 가공기술을 세계 최초로 개발하였다. 플라스틱 식품 포장재 900만 톤의 85%를 점하는 연포장재를 바이오 플라스틱 소재와 친환경 접착제로 가공(컨버팅)하는 포장재를 국내기술로 개발하였다. 이번 컨버팅 기술개발을 통해 이산화탄소 배출 3,060만 톤 저감 및 탄소중립 달성을 위한 실제적 대안도 도출하였다.포장재 구성은 Nylon/bio-LLDPE(두께는 0.015/0.055㎜)로 개발하였으며, 식품과 닿는 안쪽은 미세플라스틱 없는 바이오 플라스틱 bio-LLDPE 필름(브라스 캠)을 사용하고, 나일론(한화인더스트리)과 친환경 접착제를 사용했다. 컨버팅은 (주)에이유 평택공장에서 제조하였다.바이오 플라스틱들은 석유계 합성 플라스틱과 비교해 물성과 가공성이 현저히 떨어져 과자, 라면, 스낵, 카레, 소시지 등을 포장하는 연포장재로 사용 시, 내용물의 요구 특성에 따라 물성이 다른 바이오 플라스틱 소재들을 첨합하는 컨버팅 기술개발이 절실한 상황이다.바이오 플라스틱 소재로 가공식품 포장용 연 포장재를 개발한 국가는 세계 어느 국가도 없으며, 세계 연간 포장재 산업 규모는 374조 원에 달한다. 연포장재 세계시장 석권을 위해 국내업체들과 컨버팅 기술개발을 조속히 착수할 필요가 있다. 식품을 포장한 다음 고온고압에서 제조(카레, 소시지, 즉석 밥 등)해야 하는 식품 포장재는 고난도 컨버팅 기술이 필요하며, 이를 개발 시, 연포장재 세계시장 규모 374조 원의 30%만 점유해도 수출액은 112조 원이 되며, 청년 신규 일자리 123만 개가 창출된다.* 수출 100만 달러 당 일자리 14개; 국제경제연구, 최낙균, 2013현재 바이오 플라스틱 컨버팅 기술개발은 우리의 신산업 육성과제이며, 이를 통해 탄소중립 달성, 즉 3,060만 톤의 CO2 발생 감축이 도출된다. * 한국 석유계 플라스틱 생산량 1,500만 톤 중 60~70%인 900만 톤이 식품 포장재이며 이 중 85%인 765만 톤이 연 포장재이다. (석유계 플라스틱 1kg당 CO2 발생량은 3~5kg, 즉 765만 톤 × 4kg = 3,060만 톤의 CO2 발생)앞으로 탄소중립 달성을 위한 단계적 실행방안은, 먼저 바이오 베이스 플라스틱의 경우, 석유계 플라스틱에 바이오매스를 20~25% 이상 첨가하며, 그 포장제품을 소비자들의 구매를 촉진하는 지구사랑 “♥” 마크를 25%에서 75%까지 하트 1개에서 4개까지 첨가량별로 포장재에 사용하게 한다. 이를 통해 석유계 합성 플라스틱 수지를 생산회사에서 출하 시, 수지에 재활용 부담금과 폐기물 부담금을 통합시켜 “00 부담금”으로 통합하고, 생산사는 이를 관련 기관에 송부 업계지원에 활용한다.두 번째, 연포장재의 리사이클링을 위해 UNI 소재(올레핀계)로 개발했으나 카레, 즉석밥 등 식품을 포장 후 고온에서 가공할 때 포장재가 수축되는 등의 문제가 있어 실용화되고 있지 못하고 있다. 향후 셀룰로오스를 첨가하는 기술개발을 병행 추진할 필요가 있다.(사용 후 셀룰로오스와 플라스틱을 분리해내는 기술개발 필요) 세 번째, 바이오 플라스틱 100% 사용한 포장제품의 분야별 활용이다. 바이오 플라스틱 최대의 문제는 석유계에 비해 물성이 너무 열악하다는 것이다. 이러한 이유로 탄소중립과 온난화를 리딩하고 있는 EU, 미국, 일본 등 선진국도 식품용 연포장재에 바이오 플라스틱을 아직 사용하지 못하고 있다.이러한 한계 기술 돌파가 우리나라의 새로운 신산업으로 도약할 기회가 될 것이다. 이러한 기술개발을 과감하게 추진 착수하면, 우리 경제의 새로운 분야가 열리고 중소기업들의 활성화를 선도해나갈 수 있을 것이다.문의: 박형우 박사(010-9965-6561)

이용우 2022-12-04

백종범 UNIST 교수팀, 전하이동도‧점멸비 우수한 2차원 유기 반도체 소재 합성

- 반도체 활용에 적절한 밴드갭과 높은 전도성 가져… Chem 8월 30일 자 발표 가볍고 잘 휘어지는 ‘유기 반도체’를 실제 반도체 소자에 응용할 가능성이 열렸다. 실리콘 같은 ‘무기 반도체’에 못 미치던 성능을 보완한 새로운 ‘2차원 유기 반도체 소재’가 합성된 덕분이다.UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 백종범 교수팀은 ‘방향족 고리화 반응’을 통해 ‘HP-FAN(에이치피-펜) 2차원 유기 고분자 구조체’를 합성했다. 이 물질은 반도체로 활용하기 적절한 ‘밴드갭(Band-gap)과 높은 점멸비(On/off), 전하이동도(Mobility)’를 가지고 있어 실제 반도체 소자로 활용 가능할 전망이다. 그림1. HP-FAN의 구조 및 소자 응용에 대한 모식도균일한 기공과 질소 원자가 첨가돼 적절한 밴드갭과 높은 점멸비, 전하이동도를 가지며, 소자에 응용했을 때도 좋은 성증을 보였다. 현재 사용 중인 ‘실리콘 반도체(무기 반도체)’는 딱딱하고 무거워 ‘돌돌 말리는 디스플레이’나 ‘입는 전자기기’에 적용하는 데는 한계가 있다. 이를 대체할 반도체 물질로 가볍고 유연하며 단단하고 전기가 잘 통하는 ‘그래핀’이 주목받았으나, 역시 문제가 있었다. 그래핀의 밴드갭이 너무 작아 점멸비가 낮고 결국은 반도체 내에서 전류 흐름을 통제하기 어렵다는 점이다.그래핀의 한계를 뛰어넘을 대안으로 ‘유기 반도체’ 연구가 활발히 진행 중이다. 유기 반도체는 그래핀처럼 유연하고 가벼울 뿐 아니라 공정비용이 낮고 물성 조절이 쉬워서다. 그러나 유기 반도체는 소재 내부에서 전자(electron)나 정공(hole)이 느리게 움직여 반도체 소자로 적용하기는 어려웠다. 전하이동도가 낮은 소재로 반도체 소자를 만들면 전기적 신호 전달이 더뎌지고 디스플레이 등에서 색상 변환 지연 등의 문제가 나타나기 때문이다. 그림2. HP-FAN의 필름 형태 합성 사진유기 고분자 구조체를 얇은 필름 형태로 만들어 반도체 특성을 측정한 결과 높은 전하이동도를 보였다. 백종범 교수팀은 유기 반도체의 전하이동도를 높일 새로운 구조체를 고안했다. 두 종류의 화학물질(HAB와 DHBQ)을 반응시켜 HP-FAN 구조체를 얻은 것. 이 구조체는 2차원 방향족 구조에 균일한 기공과 질소(N) 원자가 첨가돼 적절한 밴드갭과 높은 점멸비, 전하이동도를 가진다. 그림3. HP-FAN 구조 밴드갭 측정 및 계산(DFT) 결과A, UV-Vis spectroscopy 측정그래프 B, 사이클릭 볼타모그램(Cyclic Voltammogram) 그래프. C, D, E, F, DFT 밴드갭 계산 결과 그림4. HP-FAN 소자 성능 평가 및 전도도 측정 결과A, 소자에 쓰인 필름 두께 측정(AFM) 이미지. B, 반도체 소자 모식도. C, 전도도 측정 그래프. D, 반도체 성능 평가 그래프 제1저자인 노혁준 박사는 “안정하고 결정성 높은 2차원 구조체를 개발하고, 이 물질의 반도체 특성을 실험과 계산으로 모두 확인했다”며, “실제 반도체 소자로 응용할 때도 훌륭한 성능을 보여 앞으로 물질 개발에 나아갈 방향을 제시하는 연구”라고 설명했다.연구책임자인 백종범 교수는 “2차원 고분자를 유기 반도체 재료로 사용했을 때의 고질적 문제인 ‘낮은 전하이동도’와 그래핀 반도체의 치명적 한계점인 ‘낮은 점멸비’를 모두 극복했다”며, “앞으로 ‘꿈의 신소재’로 불리는 그래핀을 뛰어넘는 유기 반도체 소자 물질 개발에 큰 진전이 있을 것”이라고 기대했다.이번 연구는 POSTECH 화학공학과 조길원 교수팀과 함께 진행했으며, 논문은 저명 국제학술지인 셀(Cell)의 자매지인 켐(Chem) 8월 30일 자로 공개됐다. 과학기술정보통신부의 리더연구자지원사업(창의연구)과 우수과학연구센터(SRC), U-K Brand 육성사업(UNIST)의 지원으로 연구가 수행됐다. * 논문명: Hydrophenazine-linked Two-dimensional Ladder-type Crystalline Fused Aromatic Network with High Charge Transport) 문의: 에너지화학공학과: 백종범 교수 (052)217-2510

편집부 2022-10-15

㈜우진플라임 사출성형기 사출 성형품에 나타날 수 있는 트러블의 종류와 해결 방법

자료제공: 우진플라임 기술교육원 / 교수 한선근< 성형품에 나타날 수 있는 불량의 종류 >12. Scratch, Deformation, Crack (긁힘, 변형, 균열)손상의 정도에 따라서 긁힘, 변형, 균열로 구분한다. 성형품의 긁힘/변형/균열은 이형 시 Ejector Pin에 의하여 일어나는 변형과 내부 압력의 완화 또는 수축으로 일어나는 변형을 말한다. 변형도 면에 평행방향 변형을 휨(Warp), 대각선 방향의 변형을 뒤틀림(Twist)이라 하며, 변형이 심하게 진행된 경우에는 균열도 발생한다.< 원인 및 대책 >변형은 금형 자체의 불량이나 잔류 응력, 이형 시 이형력에 의하여 대부분 발생하며, 금형 내에서 냉각이 불충분한 상태에서 이형 시에도 많이 발생한다.13. Surface desquamation (표층 박리)수지의 층이 균일하게 결합되지 못하여 박리가 발생한다. 이는 Sprue Runner & Gate 부위 또는 성형품 상에서 발생할 수 있고, 조건에 따라 면적이 크고 두꺼울 수도 있고, 면적이 작고 얇을 수도 있다.< 원인 및 대책 >표면층 박리는 박리현상이 발생하는 부위의 표피층 결합이 충분하지 못하기 때문이다. 사출 성형품은 다른 유동 효과와 냉각 조건에 따라 여러 층이 형성되며, 전단응력과 수지의 불 균형성 때문에 이들 층의 결합이 약화하여 표피층의 박리가 시작된다. 사출 속도가 빠르거나, 수지의 온도가 높을 때 발생한다. 상호 혼합이 안 되는 착색제 또는 마스터 배치 사용, 예비 건조가 불충분해도 발생한다. 또한, 사출성형기의 가소화 장치에서 용융이 불충분하여 발생하는 때도 있다. 14. Cold Slag (식은 수지 저장공간)냉각된 수지가 Nozzle(Hot Runner도 동일)을 통하여 사출되면서 제품 표면에 혜성 꼬리와 같은 자국을 만든다. 이들은 Gate 주변 또는 성형품의 넓은 범위에 걸쳐서 나타날 수 있다. 또 Cold Slag가 Runner를 통하여 성형품으로 들어갈 때 Weld Line을 발생시키며 정체된 Cold Slag가 Cold Flow Line을 발생시키는 때도 있다.< 원인 >Cold Slag은 사출성형 공정 중 사출 공정 후 보압 공정에서 이루어지기 시작하여 차기 사출 과정이 시작되기 전까지 형성이 된다. 형성된 Cold Slag은 수지 통로인 Runner를 막아서 수지를 분리시킨다. Cold Slag가 다시 용융되지 않으면 해성의 꼬리와 같은 자국을 만들고, 이것이 성형품에 퍼질 수 있으며, 그 결과 Weld Line과 같은 Cold Slag Line이라는 성형 결함으로 나타난다. Cold Slag는 Nozzle 온도제어 불량 또는 가소화 Unit 후퇴 지연에 의해 발생하기도 하며 작은 Nozzle 직경도 불리한 영향을 미친다.

편집부 2022-10-13

내후성과 가상공학 II. 내후성 시험과 CAE 해석

I. 서론부품의 지속적 사용과 재사용에 중점을 둔 제로 웨이스트(Zero waste) 방식인 순환 경제(Circular economy) 개념이 부품 설계에 중요한 전략이 되고 있다. 본 연재의 배경은 제품수명연장(Product life extension)을 통한 순환 경제 구현의 새로운 솔루션 제공에 있다. 제품수명연장은 사용될 제품의 이용률 및 지속시간을 최대화하도록 설계하는 것에서 출발한다. 제품을 버릴 때마다 제품 생산에 투입된 에너지와 자원 역시 함께 소멸된다. 제품 폐기로 인해 소멸되는 자원을 순환시킬 목적으로 재사용 및 재활용이 고려되는데 제품수명연장은 폐기물 수거 이후 분리나 재사용 또는 재활용에 소모되는 에너지와 자원을 미리 줄일 수 있다는 점에서 효과적인 선제적 친환경 솔루션이라 볼 수 있다. 부품의 장기 사용관점에서 내후 성능 평가 및 수명 예측이 중요한 설계 과정이며, 이에 대한 평가 및 설계 방법론을 제시한다. 내후 노출 부품에 대한 수명연장 설계의 이점은 그림 1에 보여지는 바와 같이 내후 열화에 의한 물성 저하 시점을 지연시킴으로 부품의 사용 수명을 연장할 수 있다는 것이다.이전 9월호에 게재된 원고에서는 그동안 플라스틱 소재의 내후성 시험에서 언급되지 않았던 4가지 인자(내후 시편의 거치 조건, 시편의 두께, 시편 제조방식에서 발생할 수 있는 잔류응력, 그리고 내후 수명 모델 개발을 고려한 내후 시험 시간)을 제시하였고, 내후 시험 시간을 제외한 나머지 3가지 인자에 대한 영향도를 설명하였다. 본 보고서는 지난 보고서에서 설명하지 못한 내후 시험 시간 설정의 중요성에 대한 설명을 먼저 마무리한 후 4년의 자연광 노출 시험 사례 중심으로 기계적 물성의 열화 거동 분석, 수명 예측 모델 개발, 그리고 내후 CAE 해석을 위한 절차 및 가상 사례를 통한 내후 CAE 해석의 효용에 대하여 설명한다. 참고로 본 보고서에 실린 많은 내용은 참고문헌1을 간략하게 재구성한 것이다.1.1 설계 관점에서 고려할 내후성 시험 인자 - 내후 시험 시간내후 시험 시간은 시험의 경제성과 사용 수명 예측(Service Life Prediction, SLP) 모델의 신뢰성 확보에 큰 영향을 주는 변수이다. 신속한 부품개발과 비용 절감을 위해서 촉진 내후 시험(Accelerated weathering tests)이 흔히 사용된다.2 촉진 내후 시험은 그림 2에 보여지는 바와 같이 설정된 목표 물성값이 실제 자연환경에 장기간 노출되면서 발생하는 물성 저하 추세를 잘 대변할 수 있어야 촉진시험으로써 효용가치가 있다.3-4 촉진시험과 자연광 시험의 결과로부터 충분한 연관성이 확인되면 식 (1)과 같이 등가 시간(Equivalent time) 또는 가속 계수(Acceleration factor, k)를 제시할 수 있다.예를 들면, 지역별 편차는 있지만 300~400㎚ 자연광 파장에 대한 1년 누적 광량을 250MJ/㎡으로 추정한다. 자동차 외장재에 대한 실내 촉진시험으로 널리 알려진 SAE J2527 기준(340㎚ 파장 기준, 0.55W/㎡)5으로 1년의 자연광 노출에 따른 플라스틱 외장품의 열화 거동 시험을 진행한다면 내후 시험 기간은 약 79일이 소요된다. 1년의 누적 광량의 촉진시험이지만, 자동차 운행 시간과 주차 장소를 고려하여 누적 광량 250MJ/㎡을 2년의 실제 운용 시간으로 추정하는 것이 일반적이다. 만약 그림 3에 보여지는 것처럼 자동차 회사가 일반 보증(4년/5만 마일)과 연장 보증(7년/10만 마일)을 제시했다면, 그림 4와 같은 후보 소재가 검토될 때, 시험 시간에 따라 상이한 소재를 선정하게 된다. 4년 보증(소재 4와 3 > 소재 2 > 소재 1), 7년 보증(소재 3 > 소재 4와 2 > 소재 1) 또는 10년 보증(소재 3과 2 > 소재 1 > 소재 4)에 따라 소재의 선정이 달라질 것이다. 이처럼 내후 시험 시간에 따라 내후 성능에 대한 판단기준이 달라질 수 있으므로 부품의 보증기간을 고려하여 내후 시험 기간을 주의 깊게 결정해야 한다. 주의할 점은 내후 시험에서 물성 열화를 ‘내후 시험 시간’ 경과에 따른 변화라고 설명하였지만, 엄밀히 말하면 내후 시험 기간 동안 소재나 부품이 받게 되는 ‘누적 광량(Cumulative UV dose or UV radiation)’에 따른 물성 열화라는 점이다. 자연광은 표 1에 보여지는 바와 같이 지역별로 다르므로 내후 시험 결과를 비교할 때는 물리적 시간에 대한 비교가 아닌 시험 조건별 동일 누적 광량에 대해 결과 값을 비교해야 한다.3 Ⅱ. 플라스틱 소재의 내후성 시험2.1. 고분자 소재 및 4년 자연광 노출 시험표 2에 정리된 바와 같이 내후 노출을 받는 대표적인 4가지 적용 분야와 소재를 선정하고, 4년의 자연광 노출 시험을 진행하였다. 4년 동안 315~400㎚ UV 파장대에서 누적 광량이 60MJ/㎡에 도달했을 때마다 주기적으로 인장 시편을 수거하여 물성을 측정하는 방식으로 총 1,020MJ/㎡까지 시험을 진행하였다.내후 시험은 그림 5와 같이 한국건설생활환경시험연구원(KCL, www.kcl.re.kr)의 옥외 실증센터가 위치한 서산에서 진행하였고, 열 피로에 의한 시험 결과의 편차를 최소화하기 위해 그림 5c에 보여지는 바와 같이 온도변화에 대해 자유롭게 수축-팽창할 수 있는 거치대를 고안하여 활용하였다(특허 등록번호: KR1021150250000).2.2. 4년 자연광 노출 시험 결과2.2.1. 4년 기후 정보4년간의 서산 옥외 시험장의 월별 평균 기후 정보를 정리하면, 그림 6과 같다. 내후 시험에서는 총 광량보다 UV 파장대가 중요하며, 5월에 UV 광량이 가장 많음을 알 수 있다(그림 6b). 315~ 400㎚ 영역에서 연간 누적 UV 광량은 283.5MJ/㎡였다. 기온 변화에 따른 열 피로 응력이 염려된다면 기온 변화보다는 검정색 표준 시료(BPT, Black Panel Temperature)의 온도변화를 참조하는 것이 더 바람직하다(그림 6d).앞 절에 설명한 바와 같이 소재의 내후 열화는 내후 시험 시간에 비례하기보다 누적 광량에 비례하며, 내후 시험 시간(t)과 누적 광량(Cumulative UV dose, D)의 관계식을 파악해두는 것은 내후 수명 예측에 있어 중요하다. 그림 6a와 6b에서 알 수 있듯이 광량은 월별로 다르다. 서산 지역의 60MJ/㎡ 광량 주기에 대한 물리적 시간은 표 3과 같으며, 이를 바탕으로 상호 연관성을 파악하면 식 (2)와 같다.2.2.2. 4년 자연광 노출 시험 결과4년 동안 60MJ/㎡ 광량 주기로 측정한 4종 고분자 소재의 인장시험 결과는 그림 7과 같다. 인장시험 결과로부터 탄성계수, 항복강도, 항복신율, 파단강도, 파단신율을 추출하여 정리하면 그림 8와 같다.2.3. 내후 열화 거동 예측 모델그림 8에 정리된 4종 소재의 기계적 물성 거동을 살펴보면, 소재의 탄성 거동을 설명하는 물성(탄성계수, 항복강도, 항복신율)은 4년 동안 초기 값이 거의 유지되는 반면, 소성 거동을 설명하는 물성(파단강도와 파단신율)은 저하되는 경향성을 보인다. 특히 파단신율의 저하가 가장 두드러지게 관찰된다. 각 영역별 열화 거동 특성을 고려하여 다음과 같은 두 가지 열화 거동 모델을 제안한다.2.3.1. 탄성 영역 열화 거동 예측 모델 – 지수 성장-감소 모델소재의 탄성 영역 거동을 설명하는 기계적 물성은 탄성계수, 항복강도, 항복신율이 대표적이다. 4종 소재 모두 4년의 자연광 노출 시험 기간에 초기의 항복신율보다 낮은 영역에서 파단이 발생하는 취성파단을 보이지는 않았으며, 탄성 거동을 대변하는 물성에서도 큰 변화는 없었다. 4년 동안 주기적으로 측정된 이들 세 가지 물성 변화를 살펴보면, 일정 시간 동안 초기 값보다 다소 상승하다가 이후 감소하면서 양의 값에 수렴하는 경향성을 보였다. 이를 토대로 식 (3)에 보여지는 바와 같은 초기에 성장했다가 일정한 양의 값으로 수렴하는 ‘지수 성장-감소 모델(Exponential growth and decay model)’을 도출하였다. 물성 항목별 측정값 변화를 균일화하기 위해 초기 값(Vinitial) 대비 측정 시점의 물성(Vcurrent)을 비교하는 물성 유지율(P= Vcurrent⁄Vinitial) 개념을 도입하였다. 그러므로 초기 시간에서의 물성 유지율은 1.0에서 시작한다. 여기서 t는 식 (2)에 보여지는 바와 같이 내후 노출 지역별 광량에 따라 누적 광량(D)으로 치환될 수 있으며, a, b, c 및 Pmin은 물질 상수이다. 각 물질 상수의 조건에 따라 탄성 영역 거동은 그림 9에 보여지는 바와 같이 다르게 예측될 수 있다.2.3.2. 소성 영역 열화 거동 예측 모델 – 역 로지스틱 모델소재의 소성 영역 거동을 설명하는 기계적 물성은 파단강도와 파단신율이 있다. 인장시험에서 파단점은 시편이 완전히 분리되는 지점이다. 파단강도는 파단점에서의 응력 값이다. 일반적으로 연성 재료는 항복강도(엄밀히 말하면 극한 인장강도, UTS, Ultimate tensile strength)보다 낮은 파단강도를 갖는 반면, 취성 재료는 극한 항복강도와 동일하다. 그러나 플라스틱 소재의 경우, 파단 시점이 명확하지 않은 경우가 있어 파단 응력이 다양하게 측정될 수 있음에 주의해야 한다. 그러므로 내후 노출에 의한 플라스틱 부품의 열화 정도를 판단하는 기준으로 파단강도보다는 파단신율이 합리적이다. 4년 동안 주기적으로 측정된 파단강도와 파단신율의 변화를 살펴보면, 일정 기간동안 초기 값을 유지하다가 감소한 이후 임의 값으로 수렴하는 경향성을 보였다. 이를 토대로 그림 10과 식 (4)에 보여지는 바와 같은 초기 값이 일정 기간 유지되다가 감소한 이후 임의 값으로 수렴하는 ‘역(逆) 로지스틱 모델(Inverted logistic regression model)’을 도출하였다.여기서 t, Pmin, Pmax는 각각 시간, 최소 및 최대 유지 값이다. k는 로지스틱 성장률 또는 로지스틱 곡선의 기울기, t0는 역 로지스틱 곡선의 중간점(tmid)이다. 0.0

편집부 2022-10-13

피부처럼 상처 부위가 변색되고, 스스로 회복하는 코팅 소재

- 피부처럼 손상 정도 파악이 가능하고 스스로 회복- 반복하여 재사용해도 기능성을 유지해 폐기물 절감 가능 자동차나 선박, 건물은 외부 환경으로부터 내부를 보호하기 위해 사람의 피부에 해당하는 코팅제를 표면에 바른다. 현재 사용되고 있는 코팅제는 손상 여부를 파악하기 힘들고, 재사용도 불가능해 일정 기간이 지나면 일괄 교체해야 한다. 이 때문에 대량의 폐기물과 처리 비용이 발생하고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 소프트융합소재연구센터 김태안 박사팀이 손상 부위에 색 변화가 나타나 즉각적인 진단이 가능하면서 높은 온도에서 스스로 회복하는 코팅 소재를 개발했다고 밝혔다.기존에 연구되고 있는 손상 감지 또는 자가 회복이 가능한 코팅 소재는 기능성 물질을 포함하고 있는 매우 작은 캡슐을 혼합하는 방식이다. 하지만 한번 깨진 캡슐은 다시 사용할 수 없으므로 반복적인 손상 감지와 자가 회복이 어렵다. KIST 연구진은 외부 자극으로 화학적 결합이 끊어지더라도 원래의 형태로 돌아올 수 있는 화학적 구조를 지닌 분자를 이용해 손상 진단과 자가 회복 기능을 여러 번 반복하여 구현할 수 있는 소재를 개발했다. [그림 1] 손상 감지 및 자가 회복이 동시에 가능한 코팅제의 작동원리 본 연구에서는 외부에서 힘이 가해질 때 특정 화학적 결합이 끊어지면서 색을 나타내는 기능을 가진 응력 시각화 분자와 온도에 의해 결합이 분리되었다 재형성 될 수 있는 분자가 도입된 고분자 소재를 합성했다. 응력 시각화 분자에 힘을 가하면 특정 결합이 끊어지며 색을 나타낼 수 있는 형태로 바뀐다. 합성된 코팅 소재는 손상된 부위가 보라색이 되었다가 100도 이상의 온도를 가하면 가공 가능한 형태로 바뀌면서 물리적으로 치유되어 무색이 되는 특성을 보였다. 연구진은 분자 단위의 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 기계적 힘을 가해 원하는 특정 화학적 결합만이 선택적으로 끊어져 색이 나타나는 구조로 바뀔 수 있음을 예측하였고, 이에 실제 코팅제를 합성하여 그 기능이 구현되는 것을 확인했다. [그림 2] 다양한 기판에 코팅제로 적용되어 손상 발생 및 자가 회복 기능을 수행 본 연구에서 개발된 다기능성 코팅 소재는 자동차, 해양, 방호, 목재, 철도, 포장, 항공 우주 사업 등 기존 산업용 코팅제의 적용 분야 전반에서 광범위하게 활용되어 산업용 폐기물을 절감하는 데 크게 이바지할 수 있다. 또한, 외부의 에너지원 없이 피부와 유사한 기능을 수행할 수 있어 휴머노이드와 같은 로봇의 인공피부로도 활용이 기대된다.KIST 김태안 박사는 “캡슐과 같은 외부 인자의 도움 없이도 소재 스스로 손상 감지와 자가 회복 기술을 동시에 구현하는 방안을 제시한 연구”라고 말하며, “다만 반복적인 자가 치유가 가능하다고 하더라도 영구히 사용할 수 있는 것은 아니므로, 수명 한계에 다다른 소재를 환경에 해가 없는 물질로 분해하거나 재자원화할 수 있는 형태로 변환하는 추가 연구를 진행 중이다.”라고 밝혔다.본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 KIST 주요 사업(K-Lab)으로 수행되었으며, 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지인 ‘NPG Asia Materials’(IF: 10.761) 최신 호에 게재되었다.* 논문명: Mechanochromic and thermally reprocessable thermosets for autonomic damage reporting and self-healing coatings- 제1저자: 한국과학기술연구원 윤수빈 학생연구원- 교신저자: 한국과학기술연구원 김태안 선임연구원 < 연구진 소개 >○ 성명: 김태안 박사(교신저자)○ 소속: 한국과학기술연구원 소프트융합소재연구센터○ 전화: 02-958-5319/010-4857-6657○ e-mail: takim717@kist.re.kr

편집부 2022-10-08

UNIST 연구팀, ‘분산형 플라스틱 쓰레기 자원화’ 경제‧환경 타당성 검증

- 컨테이너형 생산 장치 지역별로 나눠 설치하면 대형 중앙 집중시설보다 경제성 높아 - 지리적 여건 등에 따라 경제성 달라 개별 사례 분석해야… J. Clean. Prod. 논문 게재 플라스틱 쓰레기를 가열해 원유를 뽑아내는 열 분해유 생산기술이 새로운 자원 재활용 기술로 주목받고 있다. 설비를 소규모로 만들어 지역마다 분산 설치하면 경제성이 높다는 결과가 나왔다. 소형화에 따른 초기 투자 비용도 기존 중앙집중형에 비해 적어서 열 분해유 생산 시장 진입 장벽도 크게 낮아질 전망이다.UNIST(총장 이용훈) 임한권 교수팀은 분산형 시스템과 기존의 중앙집중형 열 분해유 생산 시스템의 경제적·환경 타당성을 비교 분석한 결과를 국제학술지인 저널 오브 클리너 프로덕션(Journal of Cleaner Production) 8월호에 발표했다. 본 연구에서 고려한 분산형 폐플라스틱 열분해 시스템 실제 전경도 분산형 폐플라스틱 시스템 모델링 개략 분석 결과, 플라스틱 처리량은 중앙 집중 형태가 많았지만, 연간 수익이나 이산화탄소 배출(환경 타당성) 부문에서는 분산형이 우위를 보였다. 일간 플라스틱 처리량은 중앙집중형이 3,100~4,600kg, 분산형 시스템은 1,000~4,000kg로 나왔다. 최대 연간 수익은 각각 147,800달러(한화 약 1억9천만 원)와 196,600달러(한화 약 2억6천만 원)로, 이산화탄소 배출량은 일간 670~1,430kg과 100~1,000kg로 예측됐다. 타당성 평가 결과. 중앙집중형(노란색), 분산형(핑크색) (a) 폐플라스틱 처리량, (b) 연간 순이익, (c) 이산화탄소 발생 연구팀은 총 61개 지역에서 배출된 플라스틱 쓰레기들이 6개의 컨테이너 형태 분산형 설비와 중앙집중형 공장으로 운송된다고 가정해 이 같은 결과를 얻었다. 실제 지역별로 배출되는 플라스틱 양을 반영했다. 분산형(보라색)과 중앙집중형 시설의 분포(Zagreb, Croatia) 폐플라스틱 배출 지역 분포(Zagreb, Croatia). 총 61개의 플라스틱 쓰레기 배출 장소가 지도에 표기되어 있다. 제1 저자인 보리스(Boris Brigljević) UNIST 연구원(現㈜카본밸류 소속)은 “플라스틱 쓰레기 배출원은 넓은 지역에 걸쳐 분포하는 특성이 있어서 소규모의 플라스틱 열분해 공장이 산재한 경우를 분석해 보게 됐다”라고 밝혔다. 이번 연구는 보리스 연구원이 경제성·지정학적 분석 데이터를 확보한 크로아티아를 대상으로 이뤄졌다.공동 제1저자인 변만희 연구원은 “분산형 설비 가격이 중앙집중형보다 저렴하고, 운송 경로 최적화로 플라스틱 수거 비용이 줄어들면서 나타난 결과”라며, “지리적 여건 등에 따라 분석 결과가 달라질 수 있는 만큼 한국에 관한 연구도 계획 중”이라고 밝혔다.임한권 교수는 “설비 대형화와 공격적 투자로 원가를 낮추는 ‘규모의 경제’ 대신 소규모 시설로도 초기 진입 장벽을 낮춰 열 분해유 생산 시장을 활성화할 수 있다는 가능성을 보여주는 사례”라며, “전반적인 열 분해유 산업 활성화에 도움이 될 것”이라고 연구 결과를 설명했다. 폐플라스틱 운송 최적화 모델 개략도 한편, OECD는 발간자료(Global Plastics Outlook)를 통해 현재 추세대로 간다면, 2060년경 전 세계 플라스틱 쓰레기 배출량이 2019년의 3배 수준에 이르는 10억1,400만 톤이 될 것이라고 경고했다. 이는 에펠탑 10억 개와 맞먹는 무게다. 특히 이 중 재활용되는 플라스틱 쓰레기는 약 20%가 채 안 될 것으로 예상된다.플라스틱 열 분해유 기술은 이 같은 낮은 재활용을 높일 방안으로 주목받고 있다. 300~800°C의 고열로 폐플라스틱을 열처리해 원래 원료 상태로 되돌리는 기술이다. 정제한 열 분해유는 플라스틱을 비롯한 각종 석유화학 제품의 원료로 다시 쓸 수 있는 만큼 이미 사용된 플라스틱을 재활용해 계속 쓰는 순환 경제를 구축할 수 있다.이번 연구는 파키스탄의 라호르 경영과학대학교(Lahore University of Management Sciences)와 ㈜카본밸류와 함께 했다.* 논문명: Demonstration of feasible waste plastic pyrolysis through decentralized biomass heating business model 자료문의: 에너지화학공학과: 임한권 교수_ 052-217-2935

편집부 2022-10-08

빌딩 숲 태양광 발전 머지 않았다 KIST, 출력, 안정성이 높은 CIGS 소재를 이용한 투광형 태양전지 개발

- 투명산화물전극 및 Ag 전구체 적용으로 투명도, 발전성능 향상 2050년 탄소배출 제로를 달성하기 위해 다양한 대체 에너지원이 검토되고 있고, 그 가운데 하나로 태양광 발전 기술에 대한 관심이 높다. 하지만 인구밀집도가 높고 국토면적의 70% 이상이 산인 우리나라는 대규모 태양전지 설치공간의 확보가 어렵다. 이 때문에 기존 도심 건물의 활용을 극대화하는 건물일체형 태양광발전(BIPV)1)이 주목받고 있다. 건물에 직접 활용이 가능한 대표적 태양 전지 기술인 창호형 태양전지 기술은 빛을 부분적으로만 투과시켜 투명성을 확보할 수 있는 비정질 박막 실리콘, 유기 박막, 염료감응 소재를 중심으로 연구개발이 진행되고 있지만 아직까지 상용화에 필요한 효율성과 내구성이 확보되지 않고 있다. 투광형 태양광모듈용 레이저 가공 개념도 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 차세대태양전지연구센터 정증현 센터장, 유형근 박사 연구팀은 뉴욕주립대 연구팀과의 공동연구로 발전성능과 장기안정성이 뛰어난 Cu(InGa)Se2(이하 CIGS) 화합물 박막 소재를 이용한 투광형 태양전지 기술을 개발했다고 밝혔다. CIGS 화합물 태양전지는 널리 쓰이고 있는 결정질 실리콘 태양전지 수준의 고효율(23.4%) 광 발전성능과 높은 장기안정성을 갖고 있어 실제생활에 적용이 가능하지만 불투명하다. 이는 소재 자체의 높은 광 흡수 능력과 태양전지 뒷면에 전극으로 사용되는 몰리브데늄 금속이 불투명성으로 인해 투명하지 않다는 문제가 있었다.연구진은 소재 전면의 투광도를 높이기 위해 수 ㎛ 크기까지 에칭이 가능한 레이저 공정을 적용했다. 그 결과 육안으로는 구분이 어려운 크기로 불투명한 박막 소재를 제거하고 광 투과가 가능한 미세패턴을 균일하게 형성할 수 있었다. 에칭된 태양전지는 광 발전성능 저하가 없는 투광형 태양전지로, 현재 건물의 창호로 사용 중인 유리를 태양전지로 대체하거나 기존 유리에 태양전지를 추가하는 등 바로 활용이 가능하다. 개발된 투광형 CIGS 모듈 또한, 레이저 에칭 공정의 효율을 높이기 위해서는 CIGS 박막태양전지의 뒷면 전극을 통한 레이저 조사가 가능하도록 기존 불투명한 몰리브데늄에서 투명한 인듐주석산화물(ITO)로 적용해야 했다. 그러나 ITO/CIGS 계면의 높은 전기저항 때문에 광 발전성능이 크게 낮아지는 문제점이 있었다. 연구팀은 ITO 후면전극에 10nm 두께의 은(Ag) 전구체를 적용하면 계면의 전기저항을 낮출 수 있다는 사실을 확인해, 양면이 투명한 CIGS 박막태양전지 셀구조에서 고출력 광 발전이 가능한 기술을 개발하였다. 이러한 셀구조는 전면을 통한 광 발전뿐만 아니라 후면입사 광에 의한 발전이 20~30% 정도 추가되므로 더 높은 발전량을 얻을 수 있다.개발한 투광형 태양전지 모듈은 레이저 에칭 면적비율 조절로 투과도 제어가 자유롭고 광 발전출력이 높아서(30% 광 투과에서 11% 이상 광 발전효율) 건물에서 요구하는 다양한 투과도 수요를 맞추면서도 더 많은 전기생산이 가능하다. 또한, 레이저 에칭에 의한 투광패턴을 100㎛ 이하로 작게 형성할 수 있어 심미적으로 우수한 창호 제작이 가능하고, 모듈화 시 기존의 기계적 방법에서 정밀한 레이저 에칭으로 대체함으로써 패터닝에 따른 효율 감소를 방지할 수 있었다. 투광형 CIGS 모듈의 창호 적용 예(건물 모형) KIST 정증현 센터장은 “개발된 창호형 태양전지는 가격경쟁력이 우수하고 이미 상용화된 CIGS 소재를 활용하기 때문에 기술의 실용화가 용이하다. 향후 발전성능과 레이저 에칭 능력을 향상시키면 경쟁력이 한층 높아질 것으로 기대한다”라고 밝혔다.본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 KIST 주요 사업 및 한국연구재단 기후 변화 대응 기술개발사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 에너지 분야의 국제학술지 ‘Progress in photovoltaics: Research and Applications 최신호(7월호) 표지논문으로 선정되었다. Progress in photovoltaics 2022년 7월호 이슈 전면커버 이미지* 논문명: Transparent back-junction control in Cu(In,Ga)Se2 absorber for < 연구진 소개 >정증현 박사(교신저자) ○ 소속: 한국과학기술연구원 청정신기술연구본부 차세대태양전지연구센터 책임연구원○ 전화: 02-958-6767○ e-mail: jhjeong@kist.re.kr유형근 박사(교신저자) ○ 소속: 한국과학기술연구원 청정신기술연구본부 차세대태양전지연구센터 선임연구원○ 전화: 02-958-5330○ e-mail: hyu@kist.re.kr

편집부 2022-09-12

서울대 공대 이태우 교수-고려대 우한영 교수 공동 연구팀, 최고 효율 스트레처블 유기 발광 다이오드 개발

- 공동 연구팀, 2차원 그래핀을 적용한 스트레처블 전극 개발- 대면적 스트레처블 신축성 발광 소자 적용 가능 서울대학교 공과대학(학장 홍유석)은 이태우 재료공학부 교수와 우한영 고려대 교수 공동 연구팀이 2차원 그래핀을 투명 전극으로 적용한 최초의 고효율 발광 소자를 개발했다고 밝혔다. 이에 유연 소재 및 용액 공정 기술 발전에 따른 웨어러블 소자의 개발이 가능해졌다. 왼쪽부터 이태우 서울대 재료공학부 교수와 우한영 고려대 교수가 개발한 연신 전후의 대면적 스트레처블 발광 다이오드 웨어러블 소자의 기본 요소 중 하나는 센서의 신호를 시각화할 수 있는 스트레처블 디스플레이다. 웨어러블 소자 개발 초기에 모든 장치는 케이블로 연결돼 있고 소자의 부피가 큰 문제로 인해 휴대성이 떨어지는 문제가 있지만 스트레처블 디스플레이는 고유의 신축 특성으로 피부에 부착할 수 있으며, 센서에서 출력된 신호를 실시간으로 확인할 수 있다. 하지만 기존 스트레처블 발광 소자의 문제점 중 하나인 낮은 효율은 은 나노와이어(AgNW)란 전극 물질의 낮은 전하 주입 성능 때문이며, 새로운 소재 개발을 통해 돌파구가 필요한 상황이다.특히 공기 중에서도 전도도를 높게 유지하면서 전자 주입을 용이하게 하는 스트레쳐블 전극 재료는 전무한 상황이었다.공동 연구팀은 그래핀 층을 은 나노와이어 표면에 적용해 2차원 스트레처블 전극을 개발했다. 그래핀 층을 통해 일함수를 조절할 수 있고, 높은 이동도로 인해 전하 확산을 촉진할 수 있어 은 나노와이어의 본질적 문제를 해결할 수 있다.또한 이 전극은 양극과 음극 모두 사용하는 것이 특징이다. 지금까지 양극에 대한 연구가 주로 이뤄왔다. 하지만 음극에서는 신축성을 확보하고, 전자 주입에 용이한 반응성이 높은 알칼리 금속을 사용하지 못하므로 효율적인 전자 주입을 구현하기 어려운 점이 난제였다.하지만 새로 개발한 공액 고분자 전해질을 스트레쳐블 전극 위에 코팅함으로서 공기 중에서도 3.57 eV의 낮은 일함수를 가진 스트레쳐블 전극을 개발했다. 연구팀은 이를 이용해 최고 스트레쳐블 발광 소자 효율인 20.3 cd/A를 달성했다. 또한 전극 기술을 대면적 소자에 적용해 3인치 5×5 수동 매트릭스 ISOLED를 시연했다.이태우 교수는 “그래핀을 이용해 스트레처블 전극 표면 및 계면 개질로 양극과 음극 둘 다 구현했다. 우수한 발광 효율을 갖는 최초의 고효율 스트레처블 발광 소자를 개발했다”며, “이번 연구가 신축성 소자 개발 및 이의 응용에 가이드 라인이 될 뿐만 아니라 웨어러블 전자 소자 응용을 위한 신축성 발광 소자 상용화에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.한편 이번 연구 성과는 그 중요성을 인정받아 세계적으로 저명한 국제학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’에 온라인에 게재됐다.https://eng.snu.ac.kr

편집부 2022-08-29