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환경과 소재가 만나는 미세플라스틱 연구

편집부 2021-10-09

사출성형 금형에 대하여

자료제공: 우진플라임 기술교육원 / 교수 한선근< 사출성형 재료 >사출성형 제품을 작업하는 현장에서는 다양한 종류의 플라스틱 재료를 사용하고 있으나 기본적인 어떤 종류의 재료인지, 어떤 물성 특징을 갖추고 있는지, 어느 정도의 온도에서 건조해야 하는지, 또는 가열 온도는 어떻게 해야 하는지를 잘 모르고 현장의 선임 또는 본인의 직감으로 기준을 만들어서 사용하는 경우가 많다. 이러한 잘못된 정보에 의해 건조나 가열 온도로 제품을 생산하다 보면 제품의 기능을 발휘할 수 없기에 자료에 정보를 수집 공유해야 한다. 플라스틱 재료는 열경화성 수지와 열가소성 수지로 나눌 수 있는데, 일반적으로 사출성형은 열가소성 수지를 많이 사용한다.< 열가소성 수지의 종류 >플라스틱은 고분자 화합물로서 약칭해서 고분자의 일종이다.고분자물질은 화학적으로 존재하지만, 인공적으로 만들어진 것을 현재의 플라스틱이라고 하며, 합성수지라고도 한다.플라스틱은 원유의 끊는 점이 30~200도가 되면 가솔린 연료로 사용되는 나프타가 발생한다. 나프타를 재가열하면 석유화학 공업원료인 에틸렌과 프로필렌을 추출할 수 있다. 에틸렌(ethylene) 또는 에텐(ethene)은 가장 간단한 구조를 가진 에틸렌계 탄화수소의 하나이다. 주로 다른 화합물 합성의 원료로 사용되며, 분자식은 C2H4이다. 프로필렌은(Propylene) 프로펜(Propene)이라고도 하며, 불포화 탄화수소 화합물의 일종으로 분자식은 C3H6이다.1) 모노머(Monomer)와 폴리머(Polymer) 고분자(Polymer)는 분자량이 작은 저분자(모노머, monomer)가 화학적으로 결합한 분자량이 큰 화합물을 말하는데, 보통 분자량이 1만 이상인 것을 일컫는다. 각 원자별 분자량 값을 더하면 분자량을 알 수 있다. (물(H2O)의 분자량: 18, 에틸렌(C2H4)의 분자량: 28) Polymer의 어원은 poly(많다), mer(단위)를 뜻하는 고대 그리스어에서 유래가 되었으며, 큰 분자량을 가진 것을 말한다.세계적으로 열경화성 수지는 20% 정도 사용되며, 열가소성 수지가 대부분을 차지한다.또한, 범용고분자가 열가소성 수지의 80% 정도를 차지하는데, 5대 범용 수지로 LDPE, HDPE, PP, PVC, PS가 있다.2) 열경화성 수지와 열가소성 수지3) 결정성 수지와 비결정성 수지4) 5대 범용수지5) 엔지니어링 플라스틱엔지니어링 플라스틱은 기계 부품이나 구조재료 등 공업용 재료로 금속을 대처하는 플라스틱의 총칭이며, 내열성이 100℃ 이상인 것을 범용 플라스틱이라 하고, 150℃ 이상인 것은 고성능 엔지니어링 플라스틱이라 한다.

편집부 2021-10-09

코오롱플라스틱, KOCETAL® 신규 메탈릭 소재 개발

- 페인트 도장 과정 필요 없이 사출성형만으로 금속 질감 구현코오롱플라스틱은 엔지니어링 플라스틱을 생산, 판매하는 회사로, 7개 소재군 (KOCETAL®(POM), KOPA®(PA), SPESIN®(PBT), KOPET®(PET), KOPEL®(TPC-ET), KompoGTe®(LFT), KompoGTe®(Composite))을 판매하고 있다. 본 기사는 KOCETAL®(POM) 메탈릭 grade 신규 개발에 관한 내용이다. 자동차 내/외장 부품들은 특성과 용도, 감성 품질 등에 따라 그에 알맞은 페인트 도장을 하게 된다. 하지만 페인트 도장은 시간과 비용이 많이 든다는 단점뿐 아니라 도료 등의 사용에 따른 환경오염의 우려 또한 존재한다. 글로벌 시장에서도 지속적으로 친환경 소재의 요구가 높아지는 만큼, 페인트 도장 과정 필요 없이 사출성형만으로 금속 질감을 구현할 수 있는 메탈릭 POM 소재인 KOCETAL® MC301LO2를 신규 개발하였다.메탈릭 소재의 주요 외관 불량 요소로는 수지가 만날 때 발생하는 Weld line과 수지 흐름 자국인 Flow mark가 있다. 이것은 알루미늄 입자의 배향에 따른 빛 반사 각도의 차이에서 발생하는 것인데, 코오롱플라스틱은 금형 설계 단계부터 알루미늄 입자의 배향과 수지 흐름을 고려한 성형해석 솔루션을 제공하고 있다. 또한 금속 질감과 가장 유사함과 동시에 감성 품질까지 만족시킬 수 있는 최적의 조성도 제공한다.KOCETAL® MC301LO2의 첫 번째 특징으로는 알루미늄 입자가 첨가되었음에도 기존 KOCETAL® POM 소재와 유사한 기계적 강도를 구현하는 점이다.KOCETAL® MC301LO2의 두 번째 특징으로는 low VOC 및 low odor(저취) 특성으로, POM에서 발생하는 Formal-dehyde를 억제하여 자동차 내장재 등 사람이 냄새를 느낄 수 있는 부품에도 사용이 가능한 소재이다. KOCETAL® MC301LO2의 세 번째 특징으로는 높은 Flop index 값으로, 이것은 시야각에 따른 빛의 변화를 수학적으로 나타내는 척도이다. Flop index는 사람이 느끼는 금속 질감의 정도를 표현할 때 사용되는데, 솔리드 컬러는 0에 가까우며 주변에서 흔히 볼 수 있는 자동차 도장 컬러는 통상 12 이상의 수치를 나타낸다. KOCETAL® MC301LO2는 Flop index 12 이상을 만족하여 높은 수준의 금속 질감과 다양한 컬러의 소재를 제공한다. 코오롱플라스틱은 KOCETAL® MC301LO2 소재를 통해 친환경 모빌리티용 부품 및 고급 생활가전 용품 등 다양한 application으로의 적용 확대를 통해 POM 분야의 Global Major Player로 성장해나갈 것을 기대하고 있다.

취재부 2021-10-06

보다 정밀하게, 보다 편리하게! LS엠트론의 전동식 신제품 ‘the ONE*-E’

- 최적화된 토글링크 설계로 1.49초대 드라이 사이클 타임 실현! 지난 9월 1일(수)에 오픈한 LS엠트론㈜(이하 LS엠트론) 디지털 쇼룸(https://show-lsinjection.com)에서 첫선을 보인 전동식 신제품 ‘the ONE*-E’의 관련 업계 호응이 매우 뜨겁습니다. 최적화된 토글링크 설계로 1.49초대의 드라이 사이클 타임을 실현한 LS엠트론의 ‘the ONE*-E’에 대해 자세히 알아보는 시간을 가져보도록 하겠습니다. High Cycle, 최적화된 토글 메커니즘의 ‘the ONE*-E’하이 사이클(High Cycle) 및 더 정밀한 성형에 대응할 수 있는 the ONE*-E는 최적화된 토글 메커니즘을 통해 링크 속도비가 30% 빨라졌다는 특징을 가지고 있으며, 170톤급 기준으로 드라이 사이클 타임이 1.49초대가 실현되어 관련 업계에서의 호평이 이어지고 있습니다. 또한, C-Curve 제어를 통해 저진동으로 동작해 충격을 저감시키고, 가속 성능이 더욱 향상된 the ONE*-E는 대리드 고속 B/S 장착을 통해 빠른 형개폐 동작을 할 수 있는 the ONE*-E는 타이바 센서(OPT)로 형체력 모니터링 기능, 형체력 자동 보정 기능, 스프링 금형용 자동 영점 조정 모드 기능, 형체력 최적화 제어 기능 등이 가능합니다. 그 외에도 듀얼 센터 프레스 다이(Dual Center Press Die) 구조로 승압 시 형판 변형량을 최소화하고, 금형 면압 분포 향상 및 금형 수명을 연장시킬 수 있습니다. 정밀 서보 제어로 재현성 향상!the ONE*-E는 고강성 일체형 주물 구조로 내구성 향상 및 정밀한 사출제어 가능 구조로 이루어졌는데, 박육 성형을 위한 사출가속 시간을 78ms에서 20ms로 74% 단축시켰으며, 저관성 설계를 통한 회전체 관성 74%를 저감했습니다. 또한, 디지털 로드셀의 접목으로 측정제어 주기의 향상은 물론, 고속/고정도 압력 제어로 재현성이 더욱 좋아졌습니다. 그 외에도 사출 구동부의 LM가이드 적용으로 마찰이 적어졌으며, 뛰어난 가속성과 정밀 제어가 실현되었습니다. 정밀한 사출압력 및 계량 제어를 통해 편차를 최소화한 동 제품은 서보모터 엔코더 분해능을 17bit에서 20bit로 증대시키고, 드라이브 제어주파수 응답성을 3.7배 향상시켰으며, Ethercat 통신주기를 2배 단축시켰다는 강점을 가지고 있습니다.사용자 친화적인 인터페이스 구성으로 고객의 편의 기능 확대성능과 사용자 편의성 개선을 위한 사양을 업그레이드한 the ONE*-E는 기존 single core CPU로 main으로 HMI 처리하고, 차세대 dual core CPU로 변경 및 main, HMI CPU 분리해 CPU 부하를 개선, 다양한 모드를 추가했습니다.또한, 형체력 최적화 모드, 형체 고속 저진동 프로파일 모드, 사출 고속 모드, 보압 패턴 선택 모드, 계량 완료시 잔압 제거 모드 등을 추가했으며, PDF 뷰어, 그래픽 설정 기능, 유지 보수 알림 기능, 전력량 모니터링 기능 등을 통해 사용자의 편의를 증대했습니다. 그 외에도 the ONE*-E는 기존모델 5453×1499×1853에서 5281×1495×1800로 172㎜ 단축시켜 보다 콤팩트(Compact)한 사이즈를 자랑합니다.보다 자세한 내용을 확인하고 싶으시면 LS엠트론 디지털 쇼룸(https://show-lsinjection.com)을 방문해주세요. the ONE*-E를 비롯한 다양한 제품을 언제, 어디에서나 직접 눈으로 확인하실 수 있으십니다.문의: LS엠트론㈜ 사출사업부 공식 홈페이지 www.lsinjection.comLS엠트론 디지털 쇼룸 https://show-lsinjection.com

이명규 2021-10-06

한국화학연구원, 플라스틱 분해하는 미생물, 쉽고 빠르게 찾을 수 있는 키트 개발

- 플라스틱을 분해할 수 있는 미생물을 3일~1주일 안에 빠르게 찾아낼 수 있는 키트 개발, 특허 출원 및 논문 ‘Green Chemistry’ 게재플라스틱 분해 미생물을 쉽고 빠르게 찾아낼 수 있는 키트가 개발됐다. 키트를 통해 플라스틱을 분해할 수 있는 미생물을 많이 확보하면, 향후 플라스틱 쓰레기를 친환경적으로 처리할 수 있을 것으로 기대된다.코로나19로 인해 마스크와 일회용품 사용이 급격히 늘어나면서 플라스틱 쓰레기 문제가 심각해지고 있다. 플라스틱은 화학적으로 매우 안정해서 자연에서 분해가 잘되지 않는다. 즉, 대부분의 미생물들은 플라스틱을 먹이로 삼지 않는다. 하지만 특정 미생물들은 분해 효소를 분비해 플라스틱을 영양분으로 섭취한다. 지구에는 인간이 아직 밝혀내지 못한 미생물이 90% 이상 존재하기 때문에 어디에 플라스틱 분해 미생물이 있을지 모른다. 따라서 전 세계적으로 수많은 연구진이 석유계 플라스틱을 분해하는 미생물을 찾기 위해 고군분투하고 있다.기존에 이 미생물들을 찾는 방법은 수년에서 수십 년의 시간이 걸렸다. 플라스틱 조각을 흙이나 강·바다에 놓고 썩을 조짐이 보일 때까지 기다린 다음, 그것을 꺼내 썩은 부분 주위의 미생물들을 채취하고 배양하는 방법이다. 플라스틱은 잘 썩지 않기 때문에 시간이 오래 걸리고 어려웠다. 그런데 플라스틱 분해 미생물을 빠르고 간편하게 찾아낼 수 있는 스크리닝 키트를 한국화학연구원 오동엽·신기영 박사팀이 개발했다. 이 키트를 활용하면 1주일 안에 플라스틱을 분해하는 미생물들을 찾아낼 수 있다. 스크리닝 키트는 손바닥 크기의 둥근 샬레다. 우선 빈 샬레에 미생물이 살 수 있는 얇은 땅(배지)*을 깐다. 그 위에 플라스틱**을 녹인 용액을 스프레이로 뿌려 마이크로 사이즈로 코팅한다. 그다음 수많은 미생물이 살고 있는 강물이나 해수, 흙탕물 등을 뿌리면 이 안의 특정 미생물들이 플라스틱 코팅된 부분을 먹어 치운다. 플라스틱이 없어지면 배지만 드러나 이 부분 색깔이 투명해진다. 투명해진 부분에 있는 미생물들을 도구로 조심스럽게 긁어서 채취한다. * 빈 샬레에 미생물이 생명을 유지할 수 있도록 도와주는 소금 등이 포함된 말랑말랑한 젤리 재질의 한천을 깐다. 보통 미생물을 키우기 위해서는 설탕 등이 들어간 영양이 풍부한 먹이를 제공하는데, 이 키트에서는 최소한의 생명만 유지할 수 있도록 환경을 만들었다. 배지의 먹이가 풍부하면 미생물들이 다 잘 자라기 때문에 플라스틱을 먹을 수 있는 미생물만 골라내기 힘들기 때문이다. ** 석유계 플라스틱(PS, PET, PE 등), 바이오 플라스틱(PLA, PBS, PBAT, PHA 등) 모두 가능하다이 모든 과정은 일주일 안에 끝난다. 플라스틱을 작은 크기인 직경 20 마이크로* 미만의 사이즈로 코팅했기 때문에 표면적이 넓어 미생물이 빠르게 분해할 수 있기 때문이다. 또한 플라스틱을 영양분으로 삼은 미생물이 짙은 농도로 번식하고 생장하는 것을 육안으로 확인할 수 있어 추출도 간편하게 할 수 있다. * 100만분의 1m키트를 통해 연구팀은 플라스틱 필름을 분해할 수 있는 미생물을 하수 처리장 및 토양으로부터 3일 이내에 추출해냈다. 추출한 미생물을 배양한 곳에 1㎝×1㎝ 면적의 100마이크로 두께 필름을 넣으면 2주 안에 분해되는 것을 확인했다. 본 성과는 국내 특허 출원 후 국제학술지 ‘그린 케미스트리(Green Chemistry, IF: 10.182)’ 7월호에 ‘A micro-spray-based high-throughput screening system for bioplastic-degrading microorganisms’ 제목으로 논문 뒤표지에 선정됐다.향후 연구팀은 이 키트를 활용해 플라스틱 분해 미생물 균주를 다양하게 확보하고 대량 생산하기 위한 연구를 진행할 계획이다. 또한 미생물들이 어떤 메커니즘으로 플라스틱을 분해하는지 등을 연구해 생분해 플라스틱 제조 기술에도 활용할 예정이다. 연구책임자 오동엽 박사는 “플라스틱 자연 분해는 미생물을 대량으로 생산하는 공정, 유통하고 공급하는 과정 등이 선행되어야 하기 때문에 당장 상용화되기는 어렵다. 하지만 기후변화가 심각해지고 있어 향후 플라스틱 분해 미생물들의 가치가 높아질 것으로 예상한다. 해외 연구실들은 플라스틱 분해 미생물 리스트를 외부에 공개하지 않고 국가적 자산으로 확보하고 있다. 우리나라도 분해 미생물들을 확보하는 것이 중요한데, 이 키트가 상용화되면 국내 연구실들이 플라스틱 분해 미생물을 빠르고 쉽게 찾는 데 도움을 줄 수 있을 것이다”라고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부의 한국화학연구원 주요 사업, 산업통상자원부의 바이오산업핵심기술개발사업과 시스템산업거점기관지원사업으로 수행되었다.

취재부 2021-10-05

코딩 못해도 손쉽게 활용 가능한 화학 분야 인공지능 플랫폼 ‘ChemAI’ 서비스 출시

- 컴퓨터 코딩 없이 사용자의 데이터를 활용하여 인공지능 모델을 만들 수 있는 웹기반 환경 제공- 알고리즘 자동 추천 기능, 하이퍼파라메터 최적화 자동 수행 등 사용자 편의 기능 반영 한국화학연구원(원장 이미혜, 이하 ‘연구원’) 화학데이터기반연구센터(이하 ‘연구센터’)는 사용자의 데이터를 자유롭게 활용하여 인공지능을 연구에 활용할 수 있는 웹기반 인공지능 플랫폼 ‘ChemAI’를 구축하였다. ‘ChemAI’를 통해 인공지능에 대한 경험이 전혀 없는 연구자도 자신의 연구 데이터를 활용하여 컴퓨터 코딩 없이 인공지능 연구를 수행할 수 있게 되었다.본 서비스는 8월 30일부터 ‘ChemAI’ 웹사이트를 통해 시범서비스를 시작한다.* ChemAI 웹사이트 : http://www.ai.chemdx.org ChemAI의 웹페이지 홈 화면 http://www.ai.chemdx.org ‘ChemAI’는 화학 데이터에 특화된 인공지능 플랫폼으로, 플랫폼을 통해 인공지능 알고리즘에 화학 데이터들의 상호 관계를 학습시키고, 이를 통해 가상의 화합물의 화학적 특성을 예측하는 모델을 만들 수 있다. 이러한 인공지능 모델은 미지의 화합물에 대해 실험적인 합성이나 분석 없이 화합물의 특성을 예측할 수 있게 한다. 특히, ‘ChemAI’는 화학 분야의 데이터에서 주로 사용되는 화합물의 조성, 분자구조, 결정구조 등 사용자의 데이터를 웹사이트에서 사용자가 직접 업로드하여 편하고 쉽게 사용하도록 구성되어 있다. 그런데, 화학 데이터에 인공지능을 적용하기 위해서는 화합물을 이루는 원소의 특성이나 화합물의 구조 정보 처리를 위한 코딩이 필수적이다. 따라서 어려운 코딩 문제로 인공지능을 연구에 활용하지 못하는 경우가 많았다. 하지만, ‘ChemAI’틀 통해 컴퓨터 코딩 없이 사용자가 자신의 데이터를 자유롭게 활용하여 쉽게 인공지능 예측 모델을 만들 수 있게 되었다. 그리고 ‘ChemAI’에서 제공되어 있는 16개의 인공지능 알고리즘을 활용하여 사용자의 데이터 특성(화합물조성, 분자구조, 결정구조, 이미지 등)에 따라 적절한 인공지능 알고리즘을 자동으로 추천해 주는 기능을 가지고 있어, 맨 처음 인공지능을 활용하는 사용자들에게 가이드라인을 제공하고 있다.또한, 코딩 문제와 더불어 인공지능을 처음 접하는 연구자들에게 중요하면서도 어려운 하이퍼파라메터 최적화* 문제를 돕기 위해, 본 플랫폼에서는 인공지능 알고리즘에 따른 하이퍼파라메터 최적화를 자동으로 수행하여 인공지능 모델을 만들어 주는 기능을 탑재하였다. 이를 통해 알고리즘에 대한 깊은 이해 없이도 쉽게 인공지능 예측 모델을 만들 수 있는 환경을 제공한다.* 하이퍼파라메터 최적화: 인공지능 알고리즘을 구성하기 위한 설정값을 하이퍼파라메터라 하며, 이를 최적화하여 인공지능 예측 성능을 극대화함 한편, ‘ChemAI’에서 제공하는 인공지능 알고리즘 중에는 연구센터에서 자체 개발한 ‘DopNet(도프넷)’ 알고리즘을 포함하고 있다. ‘DopNet’ 알고리즘은 화학적으로 도핑*된 소재의 물성 예측에 특화된 인공지능 알고리즘으로, 개발 및 응용연구 결과는 계산 재료 분야의 권위 있는 학술지인 ‘npj Computational Materials’ 저널(IF=12.4)에 발표되어 그 성과의 우수성을 인정받았다.* 화학적 도핑: 소재 개발 시 우수한 소재 특성을 만들기 위해 원재료에 다른 종의 원소를 소량 첨가하여 원재료의 물성을 조정하는 것 화학연 이미혜 원장은 “‘ChemAI’는 국내에서 최초로 공개되는, 화학 분야에 특화된 인공지능 플랫폼으로, 산·학·연 연구자들에게 인공지능 활용의 문턱을 낮추어 연구 데이터를 활용한 인공지능 연구를 활성화시키는 역할을 할 수 있을 것으로 기대한다.”라고 말했다.향후에도 연구센터에서는 화학 분야에 특화된 인공지능 알고리즘 개발 및 응용의 지속적인 연구를 통해 ‘ChemAI’에 새로운 기술을 탑재하여 플랫폼의 성능을 고도화시켜 나갈 예정이다. ‘ChemAI’ 플랫폼 활용에 대한 시연은 ‘ChemAI’에서 동영상으로 제공되고 있으며, 유튜브 ‘Data-KRICT’ 채널의 ‘ChemAI 소개’로 쉽게 찾아볼 수 있는 동영상을 제공하고 있다.이번 연구는 한국화학연구원 주요 사업 지원으로 수행되었다. 연구책임자 : 장현주 박사○ 소속: 한국화학연구원 화학플랫폼연구본부 화학데이터기반연구센터○ 전화: 042-860-7364 ○ 이메일: hjchang@krict.re.kr 핵심 참여 연구진: 장승훈(jang@krict.re.kr)○ 한국화학연구원 화학데이터기반연구센터 연구원핵심 참여 연구진: 나경석(ngs0@krict.re.kr)○ 한국화학연구원 화학데이터기반연구센터 전문연구요원

편집부 2021-09-22

KIST, 도장 찍듯이 간단한 초미세 인쇄기술 이용, 3차원 나노구조 전극 개발

- 촉매 내구성 증대 및 백금 사용량 저감을 통한 수소연료전지 경제성 확보 수소를 연료로 이용해 전기에너지를 생성하는 친환경 발전장치인 수소연료전지는 수소전기차에서는 엔진과 같은 역할을 한다. 그러나 연료전지의 핵심 구성요소인 백금 촉매를 지지하기 위해 사용되는 탄소 입자가 쉽게 부식되어 연료전지의 수명이 길지 않다는 문제가 있다. 부식된 연료전지는 새로이 교체가 필요한데, 수백~수천만 원을 호가하는 연료전지 교체 비용은 차주로서는 부담스러울 수밖에 없다.국내 연구진이 이러한 문제를 해결해 수소연료전지의 수명을 획기적으로 늘릴 수 있는 기술을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 수소·연료전지연구센터 김진영 박사와 물질구조제어연구센터 김종민 박사가 한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형) 정연식 교수와의 공동연구를 통해 도장 찍듯이 간단한 20nm급 초미세 인쇄기술을 활용하여 연료전지 부식 문제의 원인인 탄소를 사용하지 않는 새로운 형태의 백금 나노구조 전극을 개발했다고 밝혔다. [그림 1] 철골구조와 비슷한 형태의 멀티 스케일 백금 나노 아키텍처 전극 모식도 [그림 2] 멀티 스케일 백금 나노 아키텍처 기반 박막형 막전극접합체(MEA) 모식도 수소연료전지의 촉매로 사용되는 백금은 나노미터 크기일 때 서로 달라붙는 성질이 있어 안정적이지 못해 백금만으로는 촉매 소재로 활용될 수 없다. 이 때문에 현재 상용화된 촉매는 2~5nm 크기의 백금 나노입자를 탄소 입자 위에 붙여 안정화시켜 놓은 것이다. 하지만 탄소 입자는 연료전지의 반복 구동 과정에서 부식으로 인해 소실되어 백금을 지탱하지 못하며, 결과적으로 연료전지의 성능이 지속적으로 감소하는 문제를 일으킨다. 또한 전극 두께가 수 마이크로미터로 두껍고 구조가 복잡해 연료전지의 효율 또한 좋지 못했다. 연구진은 수소연료전지 수명에 치명적인 탄소 입자를 사용하지 않고도 안정적인 백금 촉매를 만들기 위해 도장을 찍듯이 간단한 인쇄공정을 여러 번 반복하여 20nm급의 안정적인 형태의 백금 구조물을 적층하는 초미세 공정을 개발하였다. 이 공정을 통해 개발한 전극은 철골 건축물과 닮아 구조물 사이에 넓은 통로가 있어 연료전지 내부에서의 산소, 수소, 물의 이동이 원활해졌고, 기존의 1/10 이하로 두께가 얇아질 수 있다.이로 인해 탄소 입자 없이 백금만으로 전극을 제작할 수 있게 됐으며, 해당 전극을 사용할 경우 기존 상용 촉매 전극보다 내구성이 3배 이상 향상1)됐을 뿐만 아니라 연료전지 출력 또한 27%가량 향상되는 결과를 얻었다. 고분자전해질 연료전지에 적용하여 테스트한 결과, 5,000회의 반복 구동 시 상용 촉매 전극의 경우 72% 성능 감소하는 가혹 조건에서 연구진이 개발한 전극은 탄소 입자가 없어 18%의 성능만 감소함 [그림 3] PET 유연 기판 위에 롤투롤 대면적 나노 인쇄공정 구현 및 전사된 백금 나노선 SEM 이미지 [그림 4] 20nm급 고해상도 나노 인쇄공정 과정 및 마스터 몰드에 따른 백금 나노 아키텍처 SEM 이미지 [그림 5] 기존 상용 Pt/C 전극 및 다양한 나노 아키텍처 백금 전극 성능 비교 및 탄소 담지체 열화 테스트 이후 최대전력 밀도 유지율 KIST 김진영 박사는 “초미세 인쇄 기술을 통해 개발한 촉매는 전극의 내구성 및 성능을 획기적으로 향상시켜 수소연료전지의 경제성을 확보할 수 있다.”라고 말했다. 공동연구를 수행한 KAIST 정연식 교수는 “연료전지뿐만 아니라 촉매, 센서, 배터리 등 다양한 전기화학 응용 분야에서의 활용을 기대한다”라고 밝혔다. 한편, 본 연구에는 연료전지 계산전문가인 인하대학교 주현철 교수도 참여해 연료전지 전극 내 유체의 거동에 대한 시뮬레이션 분석 역할을 담당했다.본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙)의 지원을 받아 KIST 주요 사업, 기후변화대응사업, 글로벌프론티어사업을 통해 수행되었으며, 이번 연구 결과는 국제 과학 저널인 ‘Science Advances’ (IF: 14.136, JCR 분야 상위 6.164%) 최신 호에 게재되었다. * 논문명: Conformation-Modulated Three Dimensional Electrocatalysts for High Performance Fuel Cell Electrodes 제1저자 김종민 박사○ 소속: 한국과학기술연구원 첨단소재기술연구본부 물질구조제어연구센터 선임연구원○ 전화: 02-958-5406○ e-mail: jongminkim@kist.re.kr교신저자 김진영 박사○ 소속: 한국과학기술연구원 청정신기술연구본부 수소·연료전지연구센터 책임연구원○ 전화: 02-958-5294○ e-mail: jinykim@kist.re.kr교신저자 정연식 교수○ 소속: 한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과○ 전화: 042-350-3328○ e-mail: ysjung@kaist.ac.kr

편집부 2021-09-16

사출성형조건의 기본원칙과 체계적인 금형 시험 Injection Molding Basic & Systematic Mold Proving

자료제공 : LS엠트론 김영기 고문010-6603-8210 / ykkim2025@gmail.com4. 체계적인 금형 시험1) 정보모든 금형 시험 공정의 초기 단계에서 금형과 플라스틱 재료 및 성형품에 대한 필요한 정보와 시험목적이 있어야 한다.2) 절차이 금형 시험은 위에 표기된 플로 차트에 맞게 수행되어야 한다.3) 부분 충진각 시험과 불량원인의 분석을 위해서 부분 충진을 진행하는 것이 아주 중요하다. 여기에서 보압단계 중에 용융수지가 금형의 캐비티로 들어가지 않는 것을 확인하는 것이 중요하다. 설정한 보압절환점을 육안으로 점검되어야 한다. 보압절환 위치가 초과되는 것을 피하기 위해서 보압의 양을 아주 적은 값을 선택하는 것이 중요하다.계량 중 용융 수지가 금형 캐비티 내로 들어가지 않게 확보하기 위해 충분히 긴 계량 지연 시간이 요구된다.부분 충진 단계는 흐름 공정의 명확한 형상을 갖기 위해서 직경의 변화나 표면 결점이 있는 곳에 단계적으로 나누어서 수행되어야 한다. 부분 충진은 흐름 전단이 추적될 수 있도록 해당 절환점이나 계량량을 기록해야 한다. 상응한 이젝터 위치를 확보하기 위해서 부분 충진의 생산에서 충분한 사전 충진이 요구된다. 4) 사출 구간일정한 표면 품질을 얻기 위해서 사출 초기 속도가 상대적으로 일정해야 한다. 사출 초기 속도는 사출 구간에서 사출 초기에 커버되는 거리이다.일정하게 설정된 사출 속도에서 용융 수지가 일정한 양으로 사출된다. 그림 2.1과 같이 게이트에서 가깝고 먼 곳의 적은 수지 전단의 직경으로 수지 전단 속도는 중간에서 보다 이들 구역에서 높다.좀 더 일정한 수지 전단 속도를 얻기 위해 저속-고속-저속의 사출 프로파일이 설정되어야 한다. 성형품의 상당한 흐름 전단 직경의 크기와 위치를 설정한 후에 스크류 전진 속도는 대략적으로 동등한 사출 전단 속도를 얻기 위해서 채택되어야 한다.5) 보압절환점보압절환점은 사출에서 보압단계로의 변환을 결정한다. 성형품의 과충진을 방지하고, 가능한 금형 손상을 방지하기 위해 성형품 전체용량의 대략 98%에 달할 때 보압절환이 되어야 한다.계량되는 용융량이 변수 변화에 의해서 영향을 받을 때마다 보압절환점이 점검되어야 한다.• 압력: 용융 수지의 압축• 석백: 스크류 전단 구역의 수지량 변화• 초기 사출 단계: 스크류 체크링의 닫힘 동작6) 효과적인 보압시간효과적인 보압시간은 점차 증가되는 보압시간에 따라 생산되는 성형품의 무게를 측정하여 결정할 수 있다.보압의 양을 일정하게 유지해야 한다. 무게가 상당하게 증가하는 것이 멈추자마자 효과적인 보압시간에 도달한 것이다. 성형품에서 게이트 시스템으로 혹은 스크류 전단의 공간으로 불명확한 방법에 의해서 용융 수지가 뒤로 새지 않도록 하는 것이다. 이것은 성형품의 무게나 치수에서의 변화의 결과일 수 있다.7) 냉각시간경제적인 이유로 냉각시간은 가능한 한 짧아야 한다. 계산식에 의한 값이나 경험치는 해당 수지에 대한 고정된 값으로 사용될 수 있다. 결정적인 것은 제품두께, 금형 온도와 이형 온도이다. 냉각시간에서 금형 온도의 영향, 즉 생산 과정에서 추정컨대 금형 온도가 매우 높다는 것을 명심해야 한다. 온도 10℃의 변화는 냉각시간을 대략 20%까지 변화시킨다. 더군다나, 이형 온도나 금형 온도도 수축에 영향을 준다. 따라서 금형 치수 수정은 일정한 사이클에서 생산된 성형품을 갖고 이루어져야 한다. 8) 공정영역사출성형품의 품질이 품질 관련 설정값의 확실한 범위 안에서만 보증될 수 있다. 이러한 범위를 가끔 공정영역이라고 부른다. 공정영역의 중간에서 기계 설정값만이 재료, 기계, 주변장치 등의 오차에 의해서 원인이 되는 불량률을 낮게 확보할 수 있다. 기계 설정에 대한 변화의 허용된 오차를 정의하는 것이 가능하다. 만약 생산 중에 품질 문제가 발생한다면 완벽한 기능을 위한 모든 구성 품목을 사전에 점검하는 것이 의무사항이다. 일반적으로 공정온도가 측정되어야 하고 수지 건조가 점검되고, 변수의 설정값과 실제값이 비교되어야 한다.기계의 설정값이 체계적으로 최적화되었을 때만이 정확한 원인을 파악할 수 있다. 9) 변수변경 절차만약 최적화가 아래의 조치대로 수행된다면 한 번에 변수 하나만 바꾸어야 하고 기록되어야 한다. 특히 용융온도와 금형 온도에 변화가 있다면 열 균형이 도달했을 때 성형품을 평가해야만 한다.10) 상관관계여러 변수의 상관관계와 그들이 성형품 품질에 끼치는 영향이 평가될 수 없다면, 체계적인 금형 시험이 수행되어야 한다. 이러한 목적으로 사출률, 보압 등 각각의 품질 관련 변수가 체계적으로 변경되도록 시험계획에 포함되어야 한다. 금형 시험 횟수는 2n이다.< 예 > 변경될 변수사출 시간 te보압 tn금형 온도 Tw금형 시험 횟수 = 2n = 23 = 8 te+ 사출 높임te- 사출 낮춤tn+ 보압 높임tn- 보압 낮춤Tw+ 금형 온도 높임Tw- 금형 온도 낮춤시험에 필요한 시간은 가능하면 적게 들어야 한다. 따라서 시험은 설정온도의 변화에 따라서 실시되어야 한다. 상기 도표와 같은 경우에는 2, 3, 4, 7, 1, 5, 6, 8번 순으로 시험을 진행되어야 한다.… 10월호에 ‘5. 성형작업을 위한 준비 및 기계조작’가 이어집니다

취재부 2021-08-31