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제조혁신 위해 국내 최초로 금형 수명 정량적 예측 기술 개발

- 생기원, 금형의 한계수명 예측해 제조공정 원가와 품질 경쟁력 모두 확보- 차량부품 전문 제조업체 ㈜이화테크원에 구축, 조향 부품 생산에 활용 중 밀폐된 공간에서 소재를 금속 틀(금형)에 넣고 반복적으로 높은 힘을 가해 제품을 만드는 ‘냉간단조’ 기술은 주로 자동차 부품을 생산하는 데 사용된다. 소재에 열을 가하지 않기 때문에 강도가 우수하고 표면도 깨끗한 완성품을 얻을 수 있으며, 원하는 치수대로 정밀하게 가공할 수 있다. 하지만 작업자가 금형을 언제까지 사용할 수 있는지 알 수 없어 제때 교체되지 못할 경우, 불필요한 공정비용이 들거나 품질이 떨어지는 문제점이 있었다.한국생산기술연구원(이하 생기원, 원장 이낙규)이 부품 산업의 제조혁신을 위해 국내 최초로 금형의 한계수명을 정량적으로 예측하고, 품질 검사를 자동화하는 시스템을 개발했다. 냉간단조 금형에는 탄화텅스텐 소재가 많이 쓰이는데, 가격이 높은 데 반해 압력을 받다 보면 수명이 다해 잘 깨지는 특성이 있다. 개발된 기술은 압력이 반복적으로 가해질 때 금형이 단위 면적 당 받는 하중을 측정하고 분석해서 파손이 예상되는 부분을 찾아낸다. 한계수명이 예측 가능해지면 금형이 파손되기 전에 최대한 사용하고 교체하기 때문에 공정비용을 절약할 수 있고, 불량 발생도 줄일 수 있다. 냉각단조 금형의 한계수명 예측 및 모니터링 장비를 개발한 한국생산기술연구원 서영호 박사(左)와 (주)이화테크원 관계자(右) 생기원 스마트모빌리티소재부품연구그룹 서영호 박사는 작업자가 쉽게 금형 파손 시점을 감지할 수 있도록 반복적 하중에 의한 수명을 시각화하는 모니터링 시스템을 구현해냈다. ㈜이화테크원에 구축된 냉각단조 공정 및 금형 수명 모니터링 장비 기존 방식은 이상적 공정 상황에서의 하중치를 고정값으로 활용해 수명을 예측하는 방식이라 환경변수를 고려하지 못하고, 공정 중 발생하는 편차도 예측 불가능했다. 반면, 생기원에서 개발한 모니터링 시스템은 금형에 피에조* 센서를 설치, 힘이 가해질 때 발생하는 전기신호를 실시간으로 변환하여 그래프로 표현하기 때문에 환경변수와 편차 모두 반영할 수 있다.* 피에조: 압력이 가해졌을 때 전압을 발생시키는 전기 회로 냉각단조 공정을 통해 생산된 자동차 부품(Ball Stud) 해당 시스템은 현재 자동차 부품 전문 제조업체인 ㈜이화테크원에 구축돼 자동차 조향장치에 사용되는 ‘볼스터드(Ball Stud)’ 부품 생산에 활용되고 있다.나아가, 연구팀은 공정에서 생산된 제품의 품질 검사를 자동화하기 위해 비전 센서를 시스템에 적용할 수 있는 알고리즘도 개발했다. 비전 센서는 산업용 카메라로 검사대상의 형태, 크기, 문자, 패턴 등을 판별해 양품과 불량품을 구분하는 센서인데, 사람보다 정확도가 높다. 작업자가 눈으로 확인할 경우 1개당 1분이 소요되었지만, 센서를 이용하면 개당 6초로 검사시간이 대폭 단축되고, 검사에 필요한 인건비도 절감할 수 있다.서영호 박사는 “제조산업 지능화를 위한 첫걸음으로써 현재 실제 현장에 적용 가능한 단일공정기술이 개발 완료된 상태”라며, “향후 대규모 제조업체들과 공정 간 연계와 모듈화 작업을 추진해 글로벌 대응에 힘을 합칠 예정”이라고 밝혔다.한편, 이번 성과는 생기원 제조혁신지원사업(2020년~2022년 예정)을 통해 수행된 ‘키-테크(Key-Tech)*’ 성과 중 하나로, 올해 2차연도 연구가 진행 중이며, 현재 관련 특허 1건이 출원된 상태다.* 키-테크(Key-Tech): 국가 R&D 혁신을 주도하고 소·부·장 독립을 뒷받침할 수 있는 생기원 대표기술로, 뿌리산업 등 전통 제조업의 공정개선부터 4차 산업혁명 기반의 차세대 생산시스템까지 다양한 분야의 143개 기술로 구성 이번 기술은 산업부의 ‘글로벌품질대응뿌리기술개발사업’과도 연계되어 있으며, 자동차 부품 전문 제조업체인 ㈜이화테크원, 태양금속공업㈜, 프라이맥스와 한국재료연구원이 공동 참여 중이다. 문의: 한국생산기술연구원 스마트모빌리티소재부품연구그룹 서영호 박사(062-600-6200 / yhseo@kitech.re.kr)

편집부 2021-03-23

화학연, 수소차 연료전지 핵심 소재 제조공정 개발 성공, 국산화 위한 기술이전 계약체결

- 한국화학연구원, ㈜켐트로스와 수소차 연료전지의 핵심 소재인 전해질막(과불화술폰산 이오노머(PFSA) 공정 기술이전 계약체결 한국화학연구원(원장 이미혜)은 ㈜켐트로스(대표 이동훈)와 3월 16일, 화학연 중회의실에서 수소차 연료전지의 핵심 소재인 과불화술폰산 이오노머(PFSA*)를 국산화하기 위한 기술이전 계약을 체결했다. * Perfluorosulfonic acid: 전체가 불화탄소(C, F)로 된 구성된 고분자로, 수소이온(H+) 전달 역할을 하는 소재 이날 행사에는 한국화학연구원 이미혜 원장, 윤성철 화학소재연부본부장, 손은호 계면재료화학공정연구센터장, 박인준 책임연구원(연구책임자), ㈜켐트로스 이동훈 대표이사, 곽주호 연구소장, 전상현 상무, 진유식 부장 등 관계자 10여 명이 참석했다.과불화술폰산 이오노머는 수소차, 에너지 저장장치(ESS), 분산전원, 전해조 등에 사용*된다. 특히 수소차는 환경오염 물질을 배출하지 않아 탄소중립을 실현할 수 있는 차세대 운송 수단 중 하나로 꼽혀 정부에서도 수소차 산업을 육성할 예정**이다. 2019년 산업통상자원부의 수소경제 활성화 로드맵에 따르면, 우리나라 수소차 생산 규모를 연간 2022년 8.1만대, 2040년 620만대로 확대할 계획***이다.* 분산전원: 태양광이나 풍력과 같은 신·재생에너지 자원을 이용한 소규모 발전 설비/전해조: 전기분해를 하는 장치** 탄소중립 산업전환 추진위원회 4차 실무회의(2021.3.9.) *** 산업통상자원부, 수소경제 활성화 로드맵(2019.1.17.) 수소차는 연료전지에서 수소와 산소의 화학적 반응으로 물이 배출되고 전기가 생성되는 원리로 움직인다. 따라서 연료전지 내의 수소이온을 통과시켜 산소와 반응을 일으키게 하는 전해질막이 중요하다. 전해질막인 ‘과불화술폰산 이오노머(PFSA)’ 제조공정은 불소 화학의 모든 기술이 집약된 기술로, 수분, 온도, 폭발성 등 여러 민감한 변수가 있고 제조공정이 매우 까다롭고 길어* 듀폰, AGC, Solvay 등 일부 글로벌 기업만 제조할 수 있다. 현재 국내에서는 전량 수입에 의존하고 있는 실정이다. * 기초원료인 사불화에틸렌(TFE), 산화육불화프로펠렌(HFPO), 중간물질인 불화산(-COF) 화합물, 과불소술폰산 단량체, 불소계 개시제, 최종 소재(불소고분자) 제조 기술과 신뢰성 검증 기술 등을 모두 확보해야 한다. 화학연 “불소화학소재공정 국가연구실(19F-N-LAB*)”은 30년 이상 축적한 불소 화합물 연구역량을 바탕으로 2018년 국내 최초로 과불화술폰산 이오노머 합성기술을 개발했으며, 이후 상업화를 위한 생산공정을 계속 연구해왔다.* N-LAB: 과학기술정보통신부가 소재 부품 장비 기술력 향상을 위해 지정한 출연연과 대학 소속 연구실 연구실은 과불화술폰산 이오노머의 기초원료 제조공정, 단량체로부터 과불화술폰산 이오노머 제조공정 등 상업화에 필요한 제조공정 총 9단계를 최적화하여 ㈜켐트로스에 기술이전을 했다. 연구실은 현재 ㈜켐트로스와 함께 2022년 상반기 생산 개시를 목표로 100톤/년* 규모의 상업 생산 공장 설계 및 건설, 시제품의 장기 안정성 평가 등을 추진하고 있다.* 승용차 기준 10만대/년 소요량(1Kg/대 × 100,000대=100톤) 화학연 이미혜 원장은 “과불화술폰산 이오노머의 제조와 활용기술은 수소차, 에너지저장장치 등 다양한 곳에 쓰일 수 있어 국가전략산업인 그린뉴딜 및 수소산업 발전, 탄소중립 실현에 기여할 수 있다. 또한, 소재·부품·장비의 핵심 소재로서 그동안 일본 등 해외에서 전량 수입해온 소재를 국산화하여 관련 산업을 육성할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다. 박인준 연구책임자는 “PFSA 제조공정은 진입장벽이 높아 미국, 일본, 벨기에 등 단 몇 개 선진국만 보유하고 있다. 이를 국내 독자 기술로 개발해 의미가 있으며, 향후 상용화가 잘 진행될 수 있도록 기업과 후속 연구를 진행하겠다”고 말했다. 한편, 본 연구는 한국화학연구원 주요사업 및 한국에너지기술평가원 에너지기술개발사업의 지원으로 수행되었다. < 연구진 소개 >○ 인적사항 - 박인준(朴仁濬, In Jun Park) - 1960년 9월 7일생 - 한국화학연구원 화학소재연구본부 계면재료화학공정센터 - 연락처: 042-860-7537 - 이메일: ijpark@krict.re.kr 문의: 화학소재연구본부 박인준 박사(042-860-7537) 화학소재연구본부 소원욱 박사(042-860-7534)

편집부 2021-03-22

생기원, 2050 탄소중립 시대, 지구를 지킬 친환경 촉매 원천기술 개발

- 화석연료 대체 원천기술로 새로운 화학 패러다임 선도한다 최근 플라스틱 폐기물이 크게 늘면서 이를 원천적으로 감량하고 대체할 수 있는 기술 개발이 화두다. 이를 위해 지속 가능 자원 기반의 대체 플라스틱 개발도 한창 진행 중이다. 정부 역시 플라스틱 폐기물 발생량을 2025년까지 20% 감축하고 재활용 비율은 70%(현재 54%)까지 상향하기로 했다. 또한, 탄소중립과 연계해 석유 유래 플라스틱 중 바이오 플라스틱 대체 비율을 2050년까지 100% 높임으로써 탈 플라스틱 사회로의 전환에 나서고 있다.한국생산기술연구원 친환경융합소재연구부문 김용진 박사 김용진 박사, 친환경 촉매 전환공정 개발한국생산기술연구원 친환경융합소재연구부문 김용진 박사는 최근 탄소중립 시대를 앞당길 ‘지속 가능 자원 기반 화학적 촉매 전환기술’ 개발에 성공했다. 이산화탄소/일산화탄소(이하 C1)와 바이오매스를 주원료로 고분자 원료 물질인 핵심 단량체를 고효율로 제조할 수 있는 신촉매·신공정 기술이다. 지난 2017년 개발한 바이오매스 유래 FDCA 제조 촉매기술을 진일보시킨 원천기술 성과여서 의미가 깊다. 특히 고분자 제조공정의 원천 소재기술로서 지속적인 연구개발이 가능해 더욱 기대를 모으고 있다.이 기술을 이용하면 기존의 석유 유래 물질을 C1 및 바이오매스 기반의 재생 가능 원료로 대체할 수 있어 환경에 덜 유해한 고분자 소재를 만들어 낼 수 있다. 또한, PET의 대체 고분자인 PEF 단량체, 나일론 또는 폴리우레탄의 단량체, 차세대 2차 전지 전해액도 만들어 낼 수 있다.김용진 박사가 실험실에서 촉매 반응을 연구하고 있다 “저는 촉매 화학자로서 산업 및 실생활에서 폭넓게 사용되는 다양한 고분자 단량체를 친환경적으로 만드는 역할을 맡고 있습니다. 식물자원을 활용하는 신촉매기술을 20여 년간 연구 중인 거죠. ‘신’촉매란 어떤 출발물질에서 목적하는 화합물을 합성할 때 기존 촉매보다 에너지 효율이 더 뛰어난(온도나 시간을 적게 사용하나 높은 수율로 목적 화합물을 제조) 촉매입니다. 저희 분야에서는 하나의 과제에 ‘완료’라는 개념은 사실상 존재하지 않습니다. 하지만 우리 연구팀에서 개발한 기술이 세계에서 가장 완성도 높은 기술 중 하나라고 자신할 수 있습니다.”종전에 원유에서 뽑아내던 원료가 필요 없어지기 때문에 지구 온난화를 막는 데 기여할 수 있고, 촉매는 에너지 효율도 높여주기 때문에 공정에서 생산되는 이산화탄소를 줄이는 데에도 큰 도움이 된다는 것이 김 박사의 설명이다. 전 세계적으로 FDCA 제조기술은 아직 상용화된 기술이 아니지만, 2017년 기술이전 하면서 축적된 기술 노하우를 기반으로 꾸준한 연구를 통해 노하우를 쌓았다. C1 및 오탄당 또는 육탄당을 이용한 다양한 단량체를 제조하는 원천기술 포트폴리오(SCI 논문 22편, 특허 80건)는 사실상 김용진 박사가 세계에서 유일하다.C1과 바이오매스 융합 친환경 단량체 제조이번에 개발된 원천기술 역시 ‘진행형’ 기술이다. 환경친화적이고 재생 가능 물질을 원료로 하는 플라스틱 단량체를 만들기 위해서는 촉매가 달라져야 한다는 단순한 사실에서 출발했다. 이를 위해서 촉매가 다양한 소재에서 어떤 메커니즘으로 움직이는지 알아보고, 향상된 새로운 촉매를 만들어 내는 것이 중요하다. 설명은 단순하지만, 실험은 수없이 이뤄지고, 복잡한 과정을 거쳐 새로운 촉매가 만들어진다.이번에 개발된 신기술은 C1과 바이오매스로부터 치환 우레아, 카바메이트(우레탄) 등 이소시아네이트의 전구체와 퓨란계 다이올(diol) 등 플랫폼 단량체를 제조하는 기술이다. 카바메이트(우레탄)를 재료로 열분해한 물질을 고분자화하면 폴리우레탄이 되는 식이다. C1이나 바이오매스를 직접 플라스틱으로 만들 수는 없지만, 이를 다양한 화합물로 만들어 합성하는 과정에서 플라스틱 ‘원료의 원료’가 되는 물질(플랫폼 화합물)을 만들어 내야 하는데, 이를 위해서는 C1과 바이오매스를 ‘활성화’해야 한다. 촉매는 이 ‘활성화’ 공정에서 필요하다.“석유화학에 활용되는 물질은 대부분 육각 고리 구조로 되어 있어 생분해가 어렵습니다. 그런데 바이오매스는 오각 고리 구조로 되어 있어, 이를 기반으로 하는 대체 플라스틱은 생분해 가능성이 더 높아집니다.”신촉매 시스템을 개발하고 있는 김용진 박사이산화탄소 → 치환 우레아 95.1%, 바이오매스 → FDCA 99.1% 세계 최고 전환 수율촉매 효율이 높을수록 플랫폼 화합물 생산수율도 높아진다. 김용진 박사가 개발한 Cs[BTd] 촉매를 이용해 이산화탄소를 치환 우레아로 전환할 경우, 95.1% 수율, Ru/MnCo₂O₄ 촉매를 이용해 바이오매스를 전환해 FDCA 수율 99.1%를 달성했다. 이 기록은 모두 세계 최고 수율 기록이다. 더욱이 종전 기술은 순 산소(O₂)와 산화제, 유기용매 등을 사용해 폭발 위험이 있지만, 신기술은 일반 공기와 물을 촉매와 용매로 사용해 안전성을 더했다.김 박사는 “C1과 바이오매스 기반의 단량체는 화학 산업에서는 업스트림 부문에 해당합니다”라며, “업스트림 소재는 최종산물인 다운스트림 물질(예: 고분자 소재)의 소재가 되므로 전체 화학 산업에 끼치는 파급효과가 매우 큽니다. 일본 수출규제로 대한민국의 반도체 산업이 비상을 맞았던 때를 우리는 기억합니다. 마치 상류에서 강줄기가 끊어지면 하류에서 물 부족으로 난리가 나는 것과 같은 원리입니다” 그는 친환경과 탄소중립 측면에서 해당 기술의 위상을 묻는 취재진의 질문에 이렇게 답했다.“기존 석유화학 공정은 새로운 시대에 맞지 않습니다. C1과 바이오매스를 기반으로 새로운 화학물질을 만드는 길을 모색해야만 합니다. 국내 대기업뿐만 아니라, 세계 유수의 기업도 이제는 친환경 사업으로 나아가고 있습니다. ‘친환경’은 이미 세계적인 경쟁의 주제입니다. 이런 상황에서 우리 정부도 탄소중립을 정책 키워드로 내건 만큼 저와 같은 화학자들이 할 일은 앞으로도 무궁무진합니다.”김용진 박사가 개발 중인 기술에 대해 설명하고 있다

편집부 2021-03-17

기계연, VR 기반 무인 작업기계 가상시험 및 관제기술 개발

편집부 2021-03-17

UNIST 조재필 특훈교수, 신개념 ‘코발트-보라이드’ 전극(양극) 코팅 원천 기술 개발

- 저렴한 상온 코팅으로 상용 양극재 수명·열안정성 극복해… Nature Energy 게재 한 번 충전으로 오래 달리는 전기차 배터리(리튬이온전지) 개발이 탄력을 받게 됐다. 국내 연구진이 대용량 전극(양극재)을 보호하는 코팅 기술을 개발했기 때문이다. 신규 코팅 물질을 쓴 배터리 셀은 수백 회의 충전·방전 이후에도 재료구조가 안정적으로 유지됐으며, 상용 양극재 대비 약 20%나 향상된 수명을 보였다. 이번 연구결과는 에너지 분야의 권위 학술지인 Nature Energy에 3월 2일 자(현지시각)로 공개됐다.UNIST (총장 이용훈) 에너지화학공학과 조재필 특훈교수 연구팀은 배터리 수명을 저해하는 양극재 입자의 미세균열과 화학적 불안정성을 획기적으로 개선할 수 있는 코팅 기술을 개발했다. 상온에서 입자 표면뿐만 아니라 입자 내부까지 코팅 가능한 혁신 기술로 주목을 받고 있다.대용량 배터리 양극 소재로 꼽히는 하이니켈 소재는 고용량 발현이 가능하고 가격이 상대적으로 저렴하다. 하지만 충·방전이 반복되면서 소재 입자 내부에 미세균열이 생길 뿐만 아니라 배터리 전해액과의 부반응 때문에 수명이 급격히 감소한다.* 하이니켈 소재: 니켈(Ni)함량이 80% 이상인 소재. 배터리 양극재는 배터리 가격에서 차지하는 비중이 높은데 비싼 코발트 함량은 낮고 니켈함량이 높아 저렴하다는 장점이 있다. 이 때문에 전극을 보호하기 위해 현재 생산 중인 모든 소재 표면에 코팅제를 발라 700°C 이상의 고온에서 열처리하는 방식을 쓰고 있지만, 이는 성능 저하와 공정비 상승으로 이어지는 문제가 있다. 그림 1. 개발된 코팅법이 입자 내부(결정립계)까지 코팅하는 모식도와 실제 현미경 사진CoXB 코팅 물질이 Ni계 양극 소재의 이차 입자의 최 외각 표면을 비롯한 일차 입자 간 결정립계에 확산하여 분포함. 일반 Ni계 양극 소재의 주사전자현미경 이미지(SEM, 좌), CoXB 코팅 물질이 적용된 Ni계 양극 소재의 주사전자현미경 이미지(SEM, 우) 연구팀은 보호제인 ‘코발트-보라이드 (CoxB)’ 화합물을 양극재 입자 표면뿐만 아니라 입자 내부까지 골고루 침투시킬 수 있는 상온 코팅 기술을 개발했다. ‘코발트-보라이드 (CoxB)’ 물질이 하이니켈 양극 구성 성분인 산소와 강한 결합을 이루는 원리로 상온 코팅이 가능하다. 주로 입자 표면에서 시작된 균열이 안으로 파고들어 입자 내부까지 균열이 생기는데, 새로 개발된 코팅법을 쓰면 입자 안팎을 모두 보호할 수 있어 수명 유지 효과가 뛰어나다. 그림 2. 개발된 코팅법을 적용한 양극재를 썼을 경우 배터리 수명 유지 효과음극을 인조흑연으로 채택하고, 양극을 각각 CoXB-NCM, 그리고 일반 NCM으로 적용한 셀의 사이클 당 용량 및 (쿨롱)효율의 변화를 비교한 그래프이다. ‘CoXB-NCM/흑연’ 셀은 ‘일반 NCM/흑연’에 비하여, 500 사이클 기준 약 20%가량 향상된 수명 유지율을 보인다. 효율이 ‘일반 NCM/흑연’에 비하여 ‘CoXB-NCM/흑연’에서 높은 수치에서 안정적으로 유지됨을 통해 부반응이 억제되고 있음을 알 수 있다. 연구진은 코팅제를 쓴 하이니켈 양극재와 상용 인조흑연 소재를 음극재로 쓴 배터리를 제조하고 코팅제의 성능을 평가했다. 실험 결과 500회 충전 및 방전 후에도 기존 용량의 95%에 이르는 성능을 보였으며, 이는 일반 하이니켈계 소재 대비 약 20% 향상된 수명 유지율이다.제1저자인 윤문수 UNIST 에너지공학과 박사과정생은 “하이니켈계 소재는 45°C 이상의 고온에서 미세 구조 붕괴가 발생하는 문제가 있는데, 새로 개발한 코팅 법으로 이 문제도 해결했다”고 설명했다.또 연구진은 개발된 코팅 물질이 하이니켈 양극 소재의 구조적 안정성을 개선하는 원리와 현상도 이론계산과 원자단위의 투과전자현미경으로 규명했다.지도교수인 조재필 특훈교수는 “현재 상용화된 하이니켈계 양극 소재는 습식코팅 공정을 이용하는 것이 보편화되어 있으나, 잠재적으로 이미 등록된 미국특허의 침해 가능성이 아주 크고, 고온 합성이라 생산비용 상승 문제가 있다”며, “신규 개발된 코팅법을 적용한 양극재 대량 합성공정 개발 시, 기존 코팅공정 대비 적어도 20% 이상의 비용 절감 가능할 것”이라고 기대했다.한편, 이번 연구는 美 MIT(매사추세츠공과대학교)의 쥐 리(Ju Li) 교수 연구팀과 공동으로 진행됐다. * 논문명: Reactive boride infusion stabilizes Ni-rich cathodes for lithium-ion batteries 자료문의: 에너지화학공학과 조재필 특훈교수 (052)217-2910

편집부 2021-03-17

필름 포장재, 업사이클링 신소재 개발 성공… 특허 출원

- 최근 적체된 필름 포장 폐기물, 업사이클링 신소재로 재탄생- 특허기술은 필름 포장재를 이용한 업사이클링 목적으로 공개- 대량 생산 위해 전국 SRF 복합화 소재 분석 돌입 실시 한국포장재재활용사업공제조합(이사장 송재용 이하 공제조합)은 최근 한국생산기술연구원과 협약을 맺고, 합성수지 포장 폐기물에 그래핀을 혼합한 업사이클링 재생원료 개발에 성공했다고 밝혔다.한국생산기술연구원 최두영 박사팀은 시멘트 소성로 보조 연료로 재활용하는 고형연료(SRF, Solid Refused Fuel)에 꿈의 소재로 불리는 그래핀을 혼합하여 고가의 알루미늄 재질을 대체할 수 있는 기능성 재생원료를 개발했다. 최두영 박사는 필름 포장재와 그래핀 복합 신소재 제조기술 개발과 함께 단일재질 재생원료(PP, 폴리프로필렌)를 이용하여 가로등에 사용되는 히트싱크(방열판)와 건축용 나무합판을 대체하는 보드를 만들었는데, 신소재로 만든 히트싱크는 알루미늄을 사용한 기존 제품의 중량을 약 56.5%로 감소시키면서도 90% 이상 수준의 방열 기능성을 확인했고, 건축용 보드는 나무합판에 비해 중량을 감소시켜 작업시간을 크게 단축할 수 있으며, 새집증후군을 일으키는 오염물질인 포름알데히드도 검출되지 않아 매우 친환경적인 건축 자재인 점을 특히 강조했다. 필름 포장재-그래핀 복합화 재생원료 제조기술 특허 출원한국생산기술연구원은 필름 포장재 등 합성수지 폐기물에 그래핀을 혼합하여 업사이클링 재생원료 제조기술을 공제조합과 공동명의로 특허를 출원했다. 공제조합은 필름 포장재를 이용하여 업사이클링 재생원료를 제조할 목적으로 기술이전을 요청하는 기업에 한국생산기술연구원을 통해 지원할 예정이다. 필름 포장재-그래핀 복합화 물성 분석과 상용화 지원사업 추진공제조합은 올해도 적체된 필름 포장재를 복합화한 신소재로 제조 가능한 제품을 추가 개발하는 등 상용화 사업에 적극 나설 방침이다. 전국에서 발생되는 필름 포장재를 재활용한 고형연료(SRF)를 지역별, 계절별로 수집하고, 그래핀 복합화 신소재와 물성(소재가 가지고 있는 성질)을 비교·분석한 뒤, 데이터베이스(DB)를 구축한다는 계획이다.공제조합 송재용 이사장은 “이번에 개발한 업사이클링 재생원료는 그래핀 함량 조절에 따라 다양한 제품에도 적용이 가능한 것으로 확인되었다”라면서, “재활용사업자가 이 기술을 이전받아 고부가가치의 업사이클링 제품 대량생산이 가능하게 된다면 폐비닐 적체도 해소되고, 재활용시장에도 획기적인 변화를 가져올 것으로 기대한다”고 말했다.

편집부 2021-03-12

생기원, ‘탄소섬유강화플라스틱 공정기술 국산화’ 신호탄 쐈다

- CFRP 공정장비 국산화 및 원천기술 확보로 해외 종속 탈피 기대- 생산 공정 개선으로 경제적 효과 20~50%↑, 공정효율 70%↑예상 대표적 경량소재인 탄소섬유강화플라스틱(이하 CFRP, Carbon Fiber Reinforced Plastic)은 고강도·고탄성 경량소재로서 미래 산업을 이끌 핵심 부품 소재로 각광받고 있다. 자동차, 항공기, 우주 분야는 물론 반도체와 디스플레이 등 그 활용 분야도 무궁무진하다. CFRP는 철과 비교해 강도는 10배 강하면서도 무게는 1/5 정도이며, 부식이 전혀 없다. 게다가 화학적 안정성, 내열성, 저열 팽창률이라는 장점 때문에 이미 많은 기업에서 금속 대체재로 사용하고 있다. 다만 고품질 CFRP 제조 장비의 경우 대부분 해외의 고가 장비를 수입해 사용해와서 제품 생산단가가 높아지고, 장비 유지보수도 어렵다는 단점이 있어 제조 공정 국산화가 꾸준히 요구되어 왔다.한국생산기술연구원(이하 생기원, 원장 이낙규)이 자평테크(대표 전형길)와 함께 용도와 작업자에 최적화된‘CFRP 생산 엔지니어링 공정기술’을 개발했다. 이번에 개발된 기술은 디스플레이 제조 공정 간 이동 및 보관에 사용되는 ‘카세트’에 유리기판을 안착시키는 기능을 하는 ‘카세트용 서포트 바(Cassette Support Bar)’ 제조 장비에 적용해 시험 생산 중이다. 일반적으로 서포트 바는 유리기판을 옮기는 로봇팔의 간섭을 최소화하기 위해 단단하고 휘어짐이나 처침이 없고, 진동이 적어야 한다. 가볍고, 강한 CFRP가 카세트 서포트 바에 가장 적합한 소재로 널리 사용되는 이유다. 생기원과 자평테크가 용도와 사용자에 최적화한 CFRP의 생산 엔지니어링 공정기술을 개발했다. 생기원 지능형생산시스템연구부문 최경락 수석연구원(왼쪽)과 자평테크 정원경 기술개발 책임연구원 생기원 지능형생산시스템연구부문 최경락 수석연구원팀은 카세트 서포트 바 제조 핵심공정인 ‘CFRP 제조용 주입장치 원천기술’을 확보했다. CFRP는 원자재인 탄소섬유와 합성수지를 성형·가공해 만드는데, 합성수지의 물성치와 성형공정조건이 데이터화 되어 있지 않으면 경화 과정에서 균열이나, 성형 불량 등의 문제가 발생할 수밖에 없다.연구팀은 기존의 수조에 담긴 합성수지에 탄소섬유를 담가 묻히는 방식에서, ‘품질 표준화’를 목표로 탄소섬유에 합성수지를 주입하는 방식의 원천기술을 개발했다.주입 양 제어 및 경화온도 관리를 위해 탄소섬유와 합성수지의 혼합비율, 투입배열, 온도에 따른 경화도 등 관련 다양한 실험 및 해석 데이터를 도출했다. 또한, 밀폐 조건에서 탄소섬유 합침률을 높이는 방법과 탄소섬유 적층 방법, 원액 누출 방지 방법도 고안했다. 연구팀은 이 기술을 기반으로 탄소섬유 투입 장치, 원액 함침-경화 구간 온도제어 시스템, 혼합 도구 등을 한 데 합친 ‘밀폐형 재료 주입 장비’를 만들어 냈다. 해당 장비로 생산된 CFRP 부품을 카세트 바에 적용할 경우 약 20~50%의 비용 절감과 공정개선으로 인한 최대 70%의 생산효율 효과를 거둘 것으로 기대된다. 생기원 최경락 수석연구원이 개발된 공정으로 생산된 CFRP 부품에 대해 설명하고 있다. 자평테크 정원경 기술개발 책임연구원이 이번에 개발된 공정장비를 조작하고 있다. 생기원 최경락 수석연구원은 “CFRP의 제조기반 기술을 국산화했다는데 이번 기술지원의 의의가 있다”라며, “첨단 신소재 제조기술 분야에서 선진국 종속에서 벗어나는 계기가 되기 바란다”라고 밝혔다.자평테크 정원경 책임연구원은 “생기원의 기술지원 덕분에 해외 선진국과 동등한 수준의 부품을 국내기술로 생산할 수 있게 됐다”고 전하며, “CFRP가 다양한 산업에 활용되는 만큼 타 산업에 도전할 수 있는 추진력을 갖게 됐다”고 말했다. 한편 이번 연구는 생기원 ‘중소기업 지원 선도연구기관 협력기술개발사업*’을 통해 진행됐다. * 중소기업 지원 선도연구기관 협력기술개발사업: 생기원을 비롯한 출연(연)이 보유한 우수 연구 인프라(인력, 장비 등)을 활용해 중소기업 맞춤형 기술개발 지원으로 기술 경쟁력을 제고 및 지속 성장 촉진 기반을 마련하는 사업 문의: 한국생산기술연구원 지능형생산시스템연구부문 최경락 수석연구원(041-589-8475 / grchoi@kitech.re.kr)

편집부 2021-03-12

우리 생활에 없어서는 안될 유용한 플라스틱 제품을 만드는 사출성형기 이야기 32

편집부 2021-03-08