HANDLER

기술과 솔루션

news 기술과 솔루션

사출성형기의 전기장치

자료제공: 우진플라임 기술교육원 / 교수 한선근학습 목표:사출성형기에 사용되는 여러 가지 전기 부품의 명칭과 사용 목적을 파악하여 설비의 수리 및 보전 시 조금 더 빠르게 고장의 원인을 파악할 수 있다.< 전기의 종류 >우리나라의 전기는 일반적으로 원자력 발전소나, 수력 기타 발전소에서 만들어진 전기를 1만 2,000(V)~2만 2,000(V)인데, 이 전기를 1차 변전소에서 345(KV)나 765(KV)로 승압을 시켜 송전탑을 이용하여 송전하게 되고, 각 지역의 2차 변전소에서는 다시 22,900(V)로 다운 시켜서 각 현장에 설치되어 있는 변압기에 공급되어 현장에 맞게 380(V), 220(V), 또는 440(V)로 다운되어 각종 전기를 사용하는 기구나 기계에 사용되게 된다.< 사출성형기의 입력측 전기 >사출성형기에 사용되는 전기는 사출성형기의 형식, 또는 회사에 따라 달라질 수 있으나, 일반적으로 입력측 동력원 전원, 즉 교류(AC) 전기와 출력측 직류(DC)로 나눌 수 있으며, 이는 사출성형기의 주변 기계도 같은 방식이라고 볼 수 있다.< 사출성형기의 출력측 전기 부품 >사출성형기의 출력측 전기는 일반적으로 직류를 사용하는 경우가 많이 있다. 예전의 기계들은 릴레이와 전자 접촉기 등을 이용하는 시퀀스 방식이었으나, 현재의 기계들은 PLC(Programmable Logic Controller)라는 일체화된 모듈에서 논리, 연산, 순서조작, 타이머, 카운터 등의 제어 동작을 행하게 되어 출력측을 직류로 제어하는 방식을 많이 사용하고 있다.< 사출성형기에 사용되는 대표적인 전기 부품 >- 전자 접촉기전자 접촉기는 전기 코일에 의해 만들어진 전자력에 의하여 접점을 접촉하여 전기의 흐름을 이어주는 역할을 하는 전기 부품이다. 사출성형기에서는 부하가 큰 출력에 전기를 공급하는 부품으로 활용되고 있다. 모터, 히팅 라인 주 전원공급 등- 무접점 릴레이(SSR: solid state relay)사출성형기의 가열 방식은 예전에는 on, off 방식이었으나, 현재의 온도제어 방식은 PID 제어 방식으로 PID(proportional integral derivative control) 제어 변수와 기준 입력 사이의 오차에 근거하여 출력이 기준 전압을 유지하도록 하는 피드백 제어의 일종으로 비례, 적분, 미분을 조합하여 관리하는 시스템이다. 온도제어가 그만큼 정확하게 이루어진다고 할 수 있다.위 회로에서 보시는 것과 같이 SSR은 히터에 전기를 공급해 주는 부품으로 접점이 없어서 전기적 아크에 의한 고장은 없으나, 과열과 히터 단락에 의한 출력측 단락과 단선이 발생할 수 있다. SSR의 출력측 단락과 단선의 고장 여부는 출력측 저항치를 체크함으로써 알 수 있다.- 릴레이(relay)사출성형기에서 릴레이의 역할은 말 그대로 전기를 이어주는 것이다. 앞에서 언급한 바 있듯이 요즘은 사출성형기의 제어는 PLC로 구동한다고 했으며, PLC의 출력 수와 전기적 형식이 다른 출력을 원할 경우에는 릴레이라는 부품을 이용하여 예를 들어 DC로 릴레이를 동작 시키고 릴레이의 접점을 이용하여 AC의 전기적 출력을 보낼 수 있는 장점이 있다. 또한 릴레이의 접점의 수에 따라 출력도 1개 이상에 사용될 수 있다.- 근접센서(proximity sensor)사출성형기에는 여러 가지 센서가 장착되어 있는데, 그중에 고주파 발진형 근접센서가 장착되어 있으며, 이것은 대부분 금속을 감지하는 센서로 가열 실린더의 전·후진 위치를 감지하거나 형 조정판(후판) 최소, 또는 최대 거리를 감지하고, 후판의 이동량을 펄스 값으로 감지할 때 사용하기도 한다. 사출성형기에서는 근접 스위치의 종류에 따라 NPN형 또는 PNP형으로 나누며 이는 사출성형기의 입력측 극성을 알아보는 역할을 하기도 한다. 사출성형기에 장착되어 사용되는 근접 스위치는 대부분 3선식이다.• PNP형이란?금속 물체를 감지하게 되면 출력이 (+)로 나오는 것이다.• NPN형이란?금속 물체를 감지하게 되면 출력이 (-)로 나오는 것이다.

편집부 2021-07-12

부록 : 성형 불량의 종류 (Molding Fault Categories) 2

기고 : LS엠트론 김영기 고문010-6603-8210 / ykkim2025@gmail.com자료제공: LS엠트론 기술교육아카데미 (http://lsmtronacademy.com)

편집부 2021-06-23

탄소나노튜브 섬유의 제조 및 응용

편집부 2021-06-23

사출성형기 주변기계 활용에 대하여

자료제공: 우진플라임 기술교육원 / 교수 한선근

편집부 2021-06-23

크라우스마파이의 기술과 설비를 적용한, BASF기술 연구소

크라우스마파이 "코로나19 시대에도 빛나는 파트너십의 힘” BASF, 미국 기술 연구소 설비교체 BASF가 미국 미시건주 와이언도트에 사출 성형 실험실을 차렸다. 또한 전동 사출 성형기와 크라우스마파이의 지능형 디지털 서비스 솔루션과 함께 지속가능한 생산에 집중하고 있다. 코로나 시국 및 관련 제재에도 불구하고 이 야심찬 계획은 적기에 실현되었다. 세스 로든 사진 크라우스마파이, BASF 미시간 주 와이언도트의 노후화된 금형 연구소에 시설개선에 직면한 BASF는 구식 장비 및 잠재적 작업장 위험 요소를 제거하고 새로운 사출 성형 기계 설치 및 레이아웃 수정을 수반하는 광범위한 재설계 프로젝트에 착수했다. 당초 2018년 여름에 제안되었던 이 프로젝트는 2020년 12월에 약간의 지연이 있었으나, 안전사고 문제없이 완료되었다. 즉, 세계적인 유행병이 일어나는 동안에도 이루어낸 성과였다. 이는 지속적인 협력과 소통, 그리고 약간의 독창성이 바로 비법이다.PX 시리즈의 전동 사출 성형기에 대한 투자 이 프로젝트의 주요 목표는 많은 노후화된 설비들을 더 새롭고 더 발전된 기계로 교체하는 것이었다. 기존 설비의 라인업은 21-34년 된 4개의 기계로 구성되었다. 이 설비들은 서로 독립적으로 작동하여 실험실 효율성을 떨어뜨리고 복잡성은 증가시켰다. 일부는 또한 바닥에서 돌출된 전기선이나 누유 문제를 가지고 있었으며, 이는 잠재적인 위험을 내포하고 있었다. BASF는 새로운 사출 성형 기계가 "스마트"하고 공유 가능한 사출 사양이 조화로운 작동과 유연성을 가질 수 있도록 일종의 세포로서 기능하기를 원했다. "우리는 서로 다른 고객이 많이 있기 때문에 업계 표준 성형기를 찾고 있었습니다. 그래서 우리는 우리의 장비가 잘 인식되기를 바랬습니다.“ 데이비드 크루거, BASF 품질 관리자 크라우스마파이는 도전했다. BASF는 전문성과 기술적인 도움을 받아 두 대의 첨단 전동 사출 성형기를 주문했다. “데니스”와 “보” 은퇴한 BASF 성형 전문가이자 그의 후계자의 이름을 딴 Dennis와 Beau라는 애칭으로 불리우는 이 기계는 크라우스마파이의 PX 제품 시리즈에 속하며, 높은 분사 용량과 모듈식 설계 덕분에 다양한 애플리케이션에서 탁월한 유연성을 특징으로 한다. 이 설비들은 또한 사용자들이 그들 자신의 개별 인터페이스를 만들고 두 기계들 간에 정보를 공유할 수 있도록 하는 현대적인 터치스크린 제어 시스템을 자랑한다. 스마트 지원 기능을 통해 기술자는 전 세계 어디에서나 도움을 줄 수 있다. "이전 설정에서는 불가능했던 프로파일을 한 기계에서 다른 기계로 옮길 수 있습니다. 설비가 동일한 모델이기 때문에 예비 부품의 수와 유지 보수 시간이 단축되는 것처럼 필요한 트레이닝도 줄었습니다.“ 데이비드 크루거, BASF 품질 관리자, 기계 운송 및 설치에 관한 도전 강력한 기술적 능력만이 새 기계의 요구사항은 아니었다. 2층에 위치한 이 무거운 기계를 실험실로 들여오려면 기계를 더 작은 부품으로 분리하거나 큰 벽을 제거해야 했다. 후자는 이상적이지 않았기에, BASF는 장비 공급업체가 설치 전에 기꺼이 기계를 분해해주길 바랐으며, 이는 서비스 엘리베이터에 딱 맞는 크기로 실려 더 큰 공간으로 옮길 수 있도록 되었다. "사출 성형 기계는 클램프와 사출 장치로 구성되어 있습니다," 라제시 샤 크라우스마파이 지역 판매 부장은 설명했다. "보통 50톤 기계는 한 조각으로 나오기 때문에 무게 관점에서나 치수 관점에서나 모두 맞도록 하기 위해 각 반쪽의 측정과 무게를 측정해야 했습니다." "그것은 엄청난 지원이었습니다." 라고 크루거는 말했다. "라제시와 그의 팀원들은 모든 것이 계획대로 잘 맞을 수 있도록 엘리베이터의 치수를 재기 위해 공장을 방문했습니다.“ 코로나에도 불구하고 빠른 의뢰절차 프로젝트의 물류 문제에 더해 진행 중인 코로나-19 사태와 그것으로부터 오는 제한이 있었다. "그 기간 동안 사람들을 현장에 데려오는 데 한계가 있었기 때문에 우리는 약간의 지연을 겪었습니다. 그래서 우리는 할 수 있는 한 많은 사전 작업을 했습니다,"라고 크루거가 말했다. "이 설비가 미국에 도착했을 때, 우리는 공장에서 무슨 일이 일어날 위험과 추가 비용의 가능성 때문에 그것을 창고에 넣고 싶지 않았습니다.“ 이러한 작은 시행착오에도 불구하고, 기계들은 안전하게 공간으로 옮겨졌다. 크루거는 "모든 안전 프로토콜과 사회적 거리 두기 규칙이 프로젝트 기간 동안 유지됐으며 설치와 관련된 안전사고나 질병은 없었다"고 말했다. 신규 및 개선사항 프로젝트가 완료됨에 따라 ISO 17025 인증을 받은 와이언도트 연구소는 첨단 성형기가 제공하는 향상된 기능과 보다 안전하고 효율적인 레이아웃의 혜택을 누릴 수 있게 되었다. 고객은 BASF에서 제작한 Ultramid®, Ultraform® 및 Ultradur® 엔지니어링 플라스틱을 사용하여 고품질 부품생산을 시작할 수 있게 되었다. 강하고 다재다능한 이 열가소성 플라스틱은 자동차 제조, 의료 기술 및 전자 제품과 같은 산업의 다양한 용도에 사용할 수 있다. 또한, 모든 전동 사출설비는 유압 또는 하이브리드 기계보다 적은 에너지를 사용하여 BASF의 지속 가능성 목표에 기여할 것이다. "BASF가 신경쓰고 있는 것 중 하나는 탄소 배출량을 줄이는 것입니다. 그리고 이 모든 전동사출설비 시설의 준비는 그 방향으로의 커다란 진전입니다. 또한 업계와 BASF가 고객에게 강력한 공급업체가 되겠다는 지속적인 약속을 하는 데에도 장기적인 노력을 기울이고 있습니다.“ 데이비드 크루거, BASF 품질 관리자 성공으로 가는 중요한 열쇠, 팀 워크 BASF와 크라우스마파 사의 모두 프로젝트의 성공을 프로젝트 타임라인 전체에 걸쳐 양 당사자가 보여준 강력한 커뮤니케이션과 조정 덕분이라고 본다. "그것은 멋진 협력이었습니다."라고 샤는 말했다. "데이브와 그의 팀은 인내심이 많았습니다. 그리고 기계가 도착하기 전에 우리 팀과 몇 번의 미팅을 가졌습니다. 그래서 우리는 우리가 해야 할 일을 정확히 이해했습니다. 그래서 모든 과정이 아주 순조롭게 진행된 것 같아요. 데이브는 BASF의 관점에서 전체 프로젝트를 관리하는 데 탁월한 성과를 거뒀습니다. "저는 이것이 매우 성공적인 프로젝트였다고 생각합니다,"라고 크루거가 덧붙였다. "우리는 우리의 장비와 연구소의 디자인을 대폭 업그레이드했고, 크라우스마파이 사람들의 협조를 얻어 검역과 전염병이 한창일 때 그것을 할 수 있었습니다.“ 이 프로젝트를 가능하게 한 팀 구성원들에게 감사드립니다. 연구소 리더: Tom Vick 사출 성형 전문가: Mike Beauregard, Dennis Lozowski (은퇴)QA 팀: Roger Marquardt, Steve Sountas 프로젝트 코디네이터: Craig Fogus, Paul Hopkins 프로젝트 매니저: Dave Krueger 기사작성 : 이명규기자 myhandler@naver.com

관리자 2021-06-16

POSTECH 기계·화공 노준석 교수팀, 100nm급 3차원 나노 프린팅 기술 개발

- 폴리머나 잉크를 전혀 사용하지 않고 건식 방법으로 금속 나노 에어로졸을 발생시킨 후 조립하는 기술 기계공학과·화학공학과 노준석 교수팀은 서울대학교 최만수 교수팀과 공동으로 100 나노미터 수준의 3차원 나노 구조물을 제작할 수 있는 새로운 3차원 나노 프린팅 기술을 Nature지에 온라인으로 게재했다. 기존의 3차원 프린팅 기술로는 수십 마이크로미터 크기 이하의 3차원 구조물 제작이 어렵지만, 연구팀이 개발한 3차원 나노 프린팅 기술은 기존에 제작 가능한 구조물보다 100배 이상 작은 3차원 나노 구조물을 손쉽게 한 번에 수천 개 이상을 대기압 중에서 제작할 수 있는 실용적인 기술이다. 기존 방법과 다르게 폴리머나 잉크를 전혀 사용하지 않고 건식 방법으로 금속 나노 에어로졸1을 발생시킨 후 조립하는 기술이기 때문에 불순물을 최소화시켜 초고순도 구조물을 제작할 수 있다.4차 산업혁명의 핵심요소 기술이면서 산업 제조 기술의 큰 변화를 일으키고 있는 현존하는 3차원 프린팅 기술의 한계를 뛰어넘어 나노 구조물까지 실용적으로 프린팅할 수 있다는 점에서 산업 제조 기술의 혁신을 일으킬 것으로 기대하고 있다. 3차원 나노 프린팅 기술은 높은 민감도의 3차원 나노 센서, 집적도를 극대화시킬 수 있는 3차원 나노 전자소자 등의 제작이 가능하여 기존 소자의 성능을 획기적으로 올릴 수 있을 뿐만 아니라 현존하지 않는 새로운 소자의 구현도 가능하다. 예를 들면 자연계에 존재하지 않는 빛(전자기파)의 물성을 인위적으로 실현시키는 메타물질2의 제작에는 정교한 3차원 나노 구조물을 어레이3로 만드는 것이 필요한 데 연구팀이 발표한 3차원 나노 프린팅 기술로 실용적인 실현이 가능하다. 이번에 발표한 논문에서 특정 형태의 3차원 나노금속 구조물 어레이를 제작하여 원하는 인공 자기(磁氣) 물성을 인위적으로 구현시킴으로써 미래 신소재인 메타물질의 실용화를 앞당길 수 있음을 보여주었다. 마이크로미터 크기의 구멍이 정렬되어있는 비전도성 마스크 4와 실리콘 기판이 위아래로 분리된 상태로 놓여 있는 증착 챔버 안으로 하전된 나노입자5와 이온을 주입하면, 이온이 먼저 마스크 위에 축적되면서 정전기 렌즈6를 형성시키게 되고, 이 렌즈를 통하여 뒤따라 도달하는 하전 나노입자 에어로졸 제트가 100 나노미터 수준으로 집속7되는 원리를 새로운 3차원 프린팅 기술에 사용하였다. 나노입자의 부착과 동시에 실리콘 기판을 3차원으로 이송시키면 원하는 형태의 3차원 나노 구조물을 한 번에 수천 개 이상을 제작할 수 있으며, 마스크 구멍을 더 작게 만들면 수십 나노미터 크기의 3차원 나노 구조물도 제작할 수 있을 것으로 보고 있다. 1. 에어로졸공기 중에 부유하고 있는 수 나노미터~수십 마이크로미터 크기의 작은 입자들을 지칭하는 용어. 본 연구에서는 하전된 나노입자와 이온을 사용함. 2. 메타물질자연계에 존재하지 않는 물성을 가지도록 인위적으로 매우 작은 크기의 입자나 구조물을 주기성을 갖고 배열한 어레이로부터 구현하는 물질로서 단위 구조체의 형상 및 배열에 따라 다른 특성이 나타난다. 3.어레이일정한 간격에 따라 대상을 규칙적으로 정렬한 것. 본 연구에서는 3차원 나노 구조물 수천 개가 정렬된 형태를 의미함. 4. 비전도성 마스크전기적 저항이 커 전류가 흐르지 않는 얇은 막에 수 마이크로미터의 구멍 수천 개가 정렬된 형태로 뚫려있는 얇은 막 형태의 물질. 이온이 비전도성 마스크 표면 위에서 전기적 성질을 잃지 않고 축적됨. 5. 하전된 나노입자나노(nano)는 10^-9를 의미하는 접두어로서, 1나노미터는 1미터의 10억분의 1임 (혹은 1㎜의 백만분의 일). 나노입자는 직경이 수 나노미터인 구 모양의 입자를 의미하며, 하전된 나노입자는 나노입자가 전기적으로 중성이 아닌 양(+) 또는 음(-)전하를 띈다는 의미. 6. 정전기 렌즈비전도성 마스크 표면에 이온이 축적되면서 마스크 구멍마다 평평한 등전위면이 볼록한 형태로 왜곡함. 볼록한 등전위면이 하전된 나노입자들을 구멍 중심으로 집속하는 렌즈 역할을 하기 때문에 정전기 렌즈라고 부름. 즉, 유리로 만든 광학렌즈가 빛을 집속하듯이 본 연구에서 이온 축적으로 형성되는 정전기 렌즈가 하전된 나노입자를 100㎚ 수준으로 집속하는 원리임. 따라서 물질 렌즈라고 말할 수 있음. 7. 집속여러 다발이 한곳으로 모이는 것. 정전기 렌즈에 의해 하전 나노입자 에어로졸 제트 형태로 마스크 구멍 중심으로 모이는 것을 의미. 연구책임자인 서울대 최만수 교수는 에어로졸 기술을 이용하는 3차원 나노 프린팅 기술을 지난 10여 년간 대학원생들과 함께 동고동락하며 개발하여 온 결실을 보게 되어 기쁘고 개발된 3차원 나노 프린팅 기술로 말미암아 우리나라 산업 제조 기술의 혁신적 발전이 기대된다고 말했다.공동 교신저자인 노준석 교수는 본 3차원 나노 프린팅 기술은 음의 굴절률, 슈퍼렌즈, 투명망토 기술로 알려진 메타물질 분야의 최대 난제였던 나노미터 수준의 임의 형상 3차원 구조를 만들 수 있는 혁신적인 생산 기술로써 메타물질 분야의 실용화에 한발 다가섰다고 말했다.이 연구는 POSTECH, 서울대, 그리고 일본 이화학연구소(RIKEN)가 참여하였으며, 과학기술정보통신부가 지원하는 글로벌프런티어 멀티스케일 에너지시스템 연구단과 파동에너지 극한제어 연구단 및 한국연구재단 중견연구자 사업, 지역선도연구센터 사업 등을 통하여 이루어졌다.

편집부 2021-06-15

POSTECH 화학 박수진 교수팀, 질산리튬 보호막으로 폭발 없는 배터리 만든다

- 계면활성제 역할하는 다기능성 박막 제조를 통한 차세대 전지 개발 세계적인 탄소배출 규제강화 움직임에 따라 전기차 수요가 늘어나고 있다. BMW, 폭스바겐, 테슬라, 볼보, GM 등 글로벌 완성차업체들도 연이어 전기차 생산을 높인다고 발표했다. 그러나 배터리 폭발로 인한 화재 사고 등 불안 요소는 여전히 남아 있다. 최근 POSTECH 화학과 박수진 교수, 이정인 박사, 통합과정 조성진씨 연구팀이 기존 사용되는 배터리 제조 시스템을 변화시키지 않고도, 쉬운 제조 방법으로 리튬 금속 보호막을 제조하는 데 성공했다. 게다가, 통상적으로 사용되는 카보네이트 계열 전해질에서도 높은 에너지 밀도를 안정적으로 구현할 수 있는 리튬 금속 배터리를 제조할 수 있는 새로운 방법을 제시했다. 이 연구 결과는 국제학술지 ‘에너지 스토리지 머티리얼즈(Energy Storage Materials)’ 온라인판에 최근 소개됐다.리튬 금속은 높은 에너지 밀도를 구현해 낼 수 있는 배터리 음극 물질이다. 그러나, 리튬 금속은 높은 반응성으로 인해 카보네이트 계열 전해질에서 불안정한 반응을 일으키고, 결국 배터리의 안정성을 크게 저하시키는 고질적인 단점을 가지고 있다.연구팀은 이온화된 질산리튬이 정전기적 인력으로 결합된 마이셀1 형태의 블록 공중합체(poly(styrene-block-2-vinylpyridine)) 보호막 제조를 통해 카보네이트 계열 전해질에서도 높은 안정성과 성능을 나타내는 리튬 금속 배터리를 구현했다. 마이셀 보호막은 리튬 금속과 전해질과의 직접적인 접촉을 막아주면서 이온 전도성이 높은 고체 전해질 계면을 형성시키며, 초기 전착2되는 리튬의 모형을 안정적으로 유도했다. 게다가, 일반적인 카보네이트 계열 전해질을 사용하더라도 높은 온도에서 100 사이클이 넘는 안정적인 효율을 유지하는 것으로 나타났다.또한, 얇은 두께의 리튬 음극(40μm)과 높은 면적 용량(4.0 mAh cm−2) 그리고 높은 전류밀도(4.0 mA cm−2)를 이용한 가혹 조건에서 실시한 평가에서 300 사이클이 넘도록 장시간 수명 안정성을 보였을 뿐만 아니라 파우치 형태의 평가에서도 유사한 성능을 보였다. 1. 마이셀(micelle)고분자 물질과 같은 비결정 물질을 구성하고 있는 미소결정 입자. 2. 전착(電着, electrodeposition)용액 중에 전극 판을 배치하여 직류 전압을 가하여 물질을 전극 면에 부착시키는 것. 도금의 일종. 박수진 교수는 “리튬 금속 음극은 높은 에너지 밀도를 구현해 차세대 음극 물질로 각광 받는 물질인데, 안정성이 너무 좋지 않아 상용화에 어려움이 있었다”며, “일반적으로 리튬 음극 배터리는 카보네이트 계열 전해질에서는 상대적으로 안정성이 좋지 않은데 이번 연구에서 이런 문제를 해결했다”고 말했다. 또한, “파우치 셀 제작과 같이 대면적화에도 적합하며, 고온에서도 안정적으로 구동되는 리튬 금속 배터리 시스템 실현이 기대된다”고 덧붙였다.한편, 이번 연구는 과학기술분야 기초연구사업 개인연구사업 ‘대통령 POST-Doc. 펠로우십사업’, 과학기술정보통신부 연구사업 ‘기후변화대응기술개발사업’의 지원으로 수행됐다.

편집부 2021-06-15

UNIST, 다공성 물질(MOF) 변형기술 개발… “금값” 팔라듐 재활용 길 열려

- UNIST·충북대 연구팀, MOF 구조체 결합 끊어 금속 추가하는 합성 기술 개발- 고활성 금속 넣어 재활용 가능한 촉매로 쓸 수 있어… 앙게반테케미 표지 선정 금보다 비싼 팔라듐 등과 같은 고가의 촉매 소재를 재활용할 수 있는 새로운 합성 기술이 개발됐다. 고가의 소재를 여러 번 사용할 수 있어 공정비용을 절감하고, 한정된 귀금속 광물자원 소모를 줄일 기술로 주목받고 있다.UNIST(총장 이용훈) 화학과 나명수 교수·백승빈 연구교수·충북대 화학과 김민 교수 공동 연구팀은 금속-유기물 골격체(metal-organic framework, MOF)를 변형하는 합성 기술을 개발했다. 골격체 구조를 의도적으로 끊어 새로운 금속이온을 끼워 넣는 기술이다. 이 합성 기술로 팔라듐이나 코발트 금속 등을 MOF에 끼워 넣으면 재활용 가능한 촉매 등을 만들 수 있다.이 기술로 합성된 팔라듐 촉매는 5번 이상 재사용을 해도 유사한 성능을 유지했다. 팔라듐은 의약품, 화장품과 같은 고부가가치 화합물 합성에 필수적으로 쓰이는 촉매 물질인데, 차량용 배기가스 감축 촉매 수요가 늘면서 최근 가격이 금값의 1.5배로 폭등한 귀금속이다. 팔라듐 촉매 합성과정 및 이를 스즈키 미야우라 반응에 적용한 모식도결함 자리를 가진 DEMOF-I (또는 DEMOF-II) 합성 및 기능화 전략: MOF-74의 기공 내에 결함자리 생성을 유도하며 또한 아민 작용기(-NH2)를 지닌 아미노 살리실산(붉은색)을 적정량 도입해 DEMOF-I (또는 DEMOF-II)를 합성했다. 도입된 아민 작용기를 후처리 합성(covalent modification and metallation)해 새로운 팔라듐(Pd) 촉매 활성 자리를 만들어 DEMOF-I (또는 DEMOF-II)에 향상된 촉매 기능을 부여했다. 이 촉매는 스즈키-미야우라 반응(하단 반응식) 촉매로써 높은 효율을 보였다. 연구진이 변형한 MOF는 MOF-74다. MOF는 금속과 유기물이 결합해 다공성 구조 골격을 이루는 물질이다. 구멍이 많아 촉매 지지체나 가스 저장 소재로 주목받는다. MOF-74는 MOF 중 합성이 쉽고 매우 안정하다는 장점이 있지만, 이 물질 골격구조에 고활성 촉매 금속인 백금이나 팔라듐을 끼워 넣는 변형은 거의 불가능하다고 여겨졌었다.연구팀은 금속과 유기물 분자 간의 화학결합이 끊긴 ‘결함 구조’를 인위적으로 만든 뒤 절단 부위에 아민 작용기(-NH2)를 붙이는 방식을 썼다. 결함을 유도하는 동시에 아민 작용기를 포함하는 유기리간드를 첨가해 이러한 반응을 일으켰다. 절단 부위의 작용기를 추가적으로 변형하면 작용기에 팔라듐이나 코발트, 구리 금속이온을 붙이는 게 가능하다. 유기물의 양 끝에 금속이온이 붙어 있는데 그중 한 쪽만 결합이 끊어져 입체 구조는 유지된다.* 작용기(functional group): 유기물에 특정 기능을 부여할 수 있는 원자 그룹 팔라듐이 끼워진 MOF-74는 스즈키-미야우라 반응의 촉매로써 70~99%의 효율을 보였다. 스즈키-미야우라 반응은 의약품 제조 등 고부가가치 화합물 제조에 널리 쓰이는 화학반응으로 팔라듐 촉매를 쓴다. 일반적인 팔라듐 촉매는 재사용이 불가능(균일촉매)하지만, 이번에 개발된 MOF-74 촉매(불균일 촉매)는 재사용이 가능하다. 실험 결과 5번을 재사용한 뒤도 유사한 성능을 유지했다.* 스즈키 미야우라 반응: 유기붕소 화합물과 유기할로젠 화합물을 탄소-탄소 교차 짝지움 (cross coupling)을 통해 효율적으로 결합시키는 반응. 방향족 화합물의 합성법으로서 자주 이용되는 반응 중의 하나. 이 연구의 성과로 일본 화학자인 스즈키 아키라가 2010년 노벨 화학상을 수상했다. *불균일 촉매: 반응물, 생성물과 섞이지 않으며 불균일 혼합물을 이루는 촉매 화학반응 후 생성물과 촉매의 상(주로 고체)이 달라 촉매를 쉽게 분리할 수 있다. 많은 경우 분리된 촉매를 재생 후 재사용한다. 앙게반테케미(Angewandte Chemie) 표지 그림채널 형태의 기공 내에 결함 자리를 만든 MOF-74(오른쪽 아래 구조)는 결함 자리에 팔라듐(확대부의 노란색 공)을 끼워 넣어 스즈키-미야우라 반응의 불균일 촉매(분리해 재활용할 수 있는 촉매)로 사용할 수 있다. 반면, 결함 자리가 없는 다공성 MOF-74(왼쪽 위 구조)는 팔라듐 도입이 불가능하여 촉매 특성을 보이지 않는다. 녹색과 청색 육각판은 반응물인 방향족 붕소화합물과 할로겐화합물을 나타낸다. 나명수 교수는 “구조 내 결함을 유도하는 새로운 접근 방식으로 MOF 내 작용기를 원하는 데로 집어넣어 추가적 기능을 부여했다는 점에서 학술적 의의가 크다”며, “제조기술 상용화에 성공한다면 치솟고 있는 팔라듐 귀금속 소모를 획기적으로 줄일 수 있는 새로운 촉매 제조기술로써도 가치 있을 것”이라고 설명했다.이번 연구는 우수성을 인정받아 화학분야 권위학술지인 앙게반테케미(Angew. Chem. Int. Ed.) 표지논문(Front Cover)으로도 선정돼 4월 19일 온라인 공개됐다. 연구 수행은 한국연구재단이 주관하는 선도연구센터(SRC)와 창의도전연구기반지원사업의 지원으로 이뤄졌다.* 논문명: Amine-tagged Fragmented Ligand Installation for Covalent Modification of MOF-74 자료문의: 화학과_나명수 교수 (052)217-2931

편집부 2021-06-15