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㈜우진플라임 사출성형기 사출 성형품에 나타날 수 있는 트러블의 종류와 해결 방법 4

자료제공: 우진플라임기술교육원(http://woojinplaimm.or.kr)< 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 완화또는 수축으로 일어나는 변형을 말한다. 변형도 면에 평행방향 변형을 휨(Warp), 대각선 방향의 변형을 뒤틀림(Twist)이라 하며 변형이 심하게 진행된 경우에는 균열도 발생함.< 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 2021-01-03
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기계연, DNA 니들 패치·스마트 로봇 의족 올해의 10대 기계기술선정

- 한국기계단체총연합회 선정 2020년 올해의 10대 기계기술에 나란히 올라통증 없이 약물을 피부에 전달하는 ‘붙이는 주사’, 나라를 지키다 상처 입은 국가유공자에게 새로운 다리가 되어줄 스마트 로봇의족. 한국기계연구원의 우수 연구 성과 2건이 올해의 10대 기계기술에 선정됐다.한국기계연구원(원장 박상진, 이하 기계연)은 지난 12월 9일(수) 한국기계기술단체총연합회 선정 올해의 10대 기계기술에 정준호 전략조정본부장의 ‘통증 없이 붙이는 주사-나노마이크로 DNA 니들 패치’ 기술과 우현수 의료지원로봇연구실장의 ‘하지 절단 장애인의 정상보행을 위한 발목형 로봇 의족’ 기술이 나란히 오르는 영예를 안았다.올해의 10대 기계기술은 한국기계기술단체총연합회가 국내에서 개발된 기계기술을 대상으로 심사하여 올해 가장 우수한 기계기술에 수여하는 명예로운 상이다.   나노 마이크로 DNA의 체내 전달 원리  DNA 니들에 유효물질을 탑재해 피부에 부착하면 니들이 피부의 각질층을 뚫고 들어가 피부 안쪽에서 융해되고, 유효물질이 DNA와   함께 체내로 흡수된다.  0.3㎚ 연어 DNA로 제조한 200∼1,000㎛ 니들 패치  200∼1,000㎛ 수준의 DNA 니들을 확대한 이미지.  한국기계연구원 정준호   전략조정본부장정준호 본부장의 나노 마이크로 DNA 니들 패치는 3차원 나노 패터닝 기술로 만든 DNA 니들을 피부에 부착해 통증 없이도 백신 같은 원하는 유효성분을 피부 내로 흡수시킬 수 있는 세계 최초 기술이다. 이 기술은 국내 등록 특허 및 미국과 중국, 인도를 포함한 해외 7개국 출원 특허를 바탕으로 연구소기업을 설립하여 상용화에도 성공했다.정준호 본부장은 “독감 및 신규 유행성 바이러스 백신이 탑재된 나노 마이크로 DNA 니들 패치 실용화를 위한 연구개발에 전력을 다하겠다”고 말했다.하지 절단 장애인의 정상보행을 위한 발목형 로봇 의족(왼쪽) 세계 최고 수준의 경량 고출력 구동 메커니즘이 적용된 전자제어식 의족.(오른쪽) 전자제어식 의족을 착용하고 계단을 오르는 모습.   한국기계연구원 우현수    의료지원로봇연구실장우현수 의료지원로봇연구실장이 개발한 하지 절단 장애인 정상보행을 위한 발목형 로봇 의족은 세계 최고 수준의 경량 고출력 구동 메커니즘을 적용하여 구현한 전자제어식 의족으로, 무릎 아래 부위가 절단된 장애인이 착용하고 평지와 경사로, 계단 등을 자연스럽게 걸을 수 있도록 돕는 기술이다.로봇 의족은 현재 과학기술정보통신부와 국가보훈처가 협력하여 사용성 개선 테스트를 진행하고 있으며 연내에 다수의 국가유공자를 대상으로 시범 공급하는 사업도 진행할 예정이어서 큰 관심을 모으고 있다.우현수 의료지원로봇연구실장은 “국산 기술로 가격은 기존 외산제품 대비 1/4 수준이면서 성능은 동등한 로봇 의족을 개발하고 사업화함으로써 국내 하지 절단 장애인분들의 편안하고 자연스러운 보행에 도움이 되기를 기대한다”며, “향후 발목형뿐 아니라 무릎형 로봇 의족까지 제품군을 다양화하고 경쟁력을 보강하여 해외시장에도 진출할 수 있도록 노력하겠다”라고 말했다.
편집부 2020-12-20
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고성능 폴리머가 기여하는 5G 기술 발전

고성능 플라스틱의 도움으로 5G 출시 속도 향상코로나 바이러스로 인하여 5세대 (5G) 무선 기술의 출시가 지연되지 않을것으로 보이며, 하이 퍼포먼스 폴리머는 이러한 초고속 데이터 네트워크의 발전을 실현하는 데 필요한 인프라 구축에 핵심적인 역할을 계속하고 있습니다.   세계 최대 통신 장비 공급 업체 중 하나 인 에릭슨은 2020년 말까지 전 세계 5G 휴대 전화 가입자 수에 대한 추정치를 2억 2천 8백만으로 다시 상향 수정한 새로운 보고서를 발표했습니다. 이는 지난 6월 예상치 인 1억 9천만명에서 증가한 수치입니다. 5G구축에 필요한 많은 하드웨어에 장비를 사용하는 스웨덴의 네트워크 대기업은 이 초고속 기술이 2026년까지 전 세계 인구의 약 60 %를 차지할 것이라고 예측합니다.   또한 미국 소비자 기술 협회의 "미국 소비자 기술 1년 산업 전망”은 5G 지원 스마트폰이 올해보다 296% 증가한 436억 달러의 수익을 2021년에 기여할 것으로 예측합니다. CTA의 연구에 따르면 미국의 5G 스마트 폰 출하량은 2021년 말까지 6,500만대, 2024년에는 1,억730만대에 이를 것이라고합니다.   그럼에도 불구하고 대부분은 5G 기술이 모바일 통신을 넘어 우리 삶과 많은 산업에 영향을 미칠 것이라는 데 동의합니다. 예를 들어 사용자가 몇 초 만에 고화질 영화를 다운로드 할 수 있도록 지원하며, 안전한 자율 주행을 가능하게하고, 증강 현실 기술을 발전시키고, 공장 자동화를 촉진하고, 원격 의료를 강화하고, 엔터테인먼트 산업에 혁명을 일으킬 것입니다.   원료 공급 업체는 5G 관련 인쇄 회로 기판 (PCB) 및 기지국에 필요한 고열, 내구성 및 투명 사양을 수용하는 데 필요한 수지 및 화합물을 개발하기 위해 열심히 노력하고 있습니다. 다음은 몇 가지 최근 개발 사항입니다.   Clariant는 Exolit® OP 및 Exolit EP 라인의 인 기반 난연제가 고속, 고주파 PCB에서 필요한 특성을 지원하고 5G 표준을 실현하는 데 필요한 모든 특성을 갖추고 있다고 말합니다. 액상 가공품 (Exolit EP)과 초 미세 분말 (Exolit OP)로 모두 사용 가능하며, 다른 난연제와 시너지를 낼 수 있는 인 함량이 높아 저용량에서도 높은 효율을 제공합니다. 열 안정성이 높기 때문에 전자 제품의 조립 및 패키징에 적합하며 5G 전송으로 인해 발생되는 "열을 견딜"수 있습니다.   Kaneka Corp.는 고속, 고주파 5G 용 초 내열 폴리이미드 필름인 Pixeo ™ IB를 개발했습니다. Pixeo ™ IB는 고주파수에서 손실 탄젠트를 폴리이미드 필름의 글로벌 최고 수준인 0.0025까지 감소시킵니다. 이를 통해 5G 밀리미터파 영역을 처리 할 수 있어 고속 통신을 실현할 수 있습니다. △ Kaneka Corp.의 새로운 Pixeo IB 폴리이미드 필름은 초 내열성으로 5G 애플리케이션에 사용하기에 이상적입니다.   Toray Industries Inc.는 폴리머의 분자 특성, 난연성 및 화학적 견고성을 유지하면서 40 °C 에서 내열성을 유지하는 폴리페닐렌 설파이드 (PPS) 필름을 개발했습니다. 도쿄에 본사를 둔이 회사는 새로운 필름이 변형에 강하고 융점 근처에서 치수적으로 안정적이라고 말합니다. 5G 애플리케이션을위한 연성 인쇄 회로에서이 필름은 고주파에서 통신 장치의 전송 손실을 줄이고 온도 및 습도 스펙트럼에서 고속 통신을 안정화 한다고 합니다. △도레이는 독자적인 기술을 이용하여 PPS 필름의 특성을 유지하고 내열성을 높이면서 PPS 필름의 구조를 제어하는 ​​기술을 개발했습니다.   Dow Inc.는 최근 민감한 전자 부품에서 많은 양의 열을 방출하기 위해 개발 된 1 액형 열전 도성 젤을 출시했습니다. DOWSIL ™ TC-3065 Thermal Gel은 뛰어난 습윤성으로 인해 틈새를 쉽게 채우고 5G의 높은 전력 밀도와 관련된 높은 열로부터 전자 장치를 보호하지 못할 수 있는 탄성 열 패드를 대체 할 수 있습니다.  △ Dow Inc.는 전자 부품에 사용되는 새로운 Dowsil TC-3065 열전도성 젤이 자동 디스펜싱을 지원한다고 밝혔습니다.   SABIC은 5G 기지국에 사용되는 CCL (동박 적층판)이 필요한 고성능 인쇄 회로 기판에 사용되는 특수 Noryl SA9000 폴리페닐렌 에테르 (PPE) 수지의 글로벌 생산 능력을 높일 계획이라고 밝혔다. 2019년 증산을 기반으로한 이 최신 기술은 아시아 지역 생산량을 거의 두 배로 늘리고 아시아의 전체 Noryl SA9000 수지 생산량을 2018년 대비 10배 증가시킬 것입니다. 이 확장 프로젝트는 현재 인도에서 진행 중이며 연말까지 완료 될 것으로 예상됩니다.△ SABIC은 5G 기지국, 단말 및 모바일 기기에 사용하기위한 다양한 특수 소재를 제공합니다. 이 수지는 열 관리 및 무선 주파수 개선과 같은 문제를 해결합니다.한편 SABIC은 자사의 포트폴리오에 LNP ™ 화합물 및 공중합체, Ultem ™ 수지, NORYL ™ 수지 및 코폴리머를 포함한 5G 기지국, 단말기, 모바일 장치를 위한 기타 특수 재료가 포함되어 있다고 말합니다. 이러한 재료는 열 관리 및 RF (무선 주파수) 성능 개선, 무게 및 비용 감소, 생산 수율 향상과 같은 주요 산업 과제를 해결하는 것으로 알려져 있습니다. 따라서 5G 혁명이 본격화됨에 따라 플라스틱 공급 업체가 이를 실현하는 데 앞장서고 있는것은 분명한 사실이다.자료제공: C P R J 자표편집 : 핸들러 전문지핸들러 전문지는 차이나플라스 전시 주최사인 애드세일에서 발행하는 CPRJ미디어와 한국독점 제휴가되어 있습니다.  CPRJ 미디어(중국.아시아)에 홍보 계획이 있으시다면 핸들러 전문지에 문의 바랍니다.
편집부 2020-12-18
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화학연, 온실가스 이산화탄소와 폐글리세롤로부터 유용한 자원 생산한다!

- 바이오디젤 부산물인 폐글리세롤과 버려지는 온실가스 이산화탄소로부터 유용 화학원료 젖산 및 포름산 동시 생산 촉매 공정 개발… 온실가스 감소 효과 기대- 물질 분야 권위지 『물질 화학(Chemistry of Materials)』 紙 12월호 표지논문 발표온실가스인 이산화탄소와 바이오디젤의 부산물인 글리세롤로부터 유용한 화학원료인 젖산과 포름산을 동시에 생산할 수 있는 촉매 공정 기술이 개발됐다. 최근 친환경 정책의 영향으로 식물 유래 연료인 바이오디젤 생산이 전 세계적으로 증가하고 있다. 글리세롤은 바이오디젤이 생산될 때 약 10% 정도 나오는 부산물로, 가격이 매우 저렴하다. 글리세롤에 있는 수소를 떼어내 반응시키면 생분해성 플라스틱의 원료인 젖산을 만들 수 있어 관련 연구가 전 세계적으로 증가하고 있다. 새로 개발한 촉매의 반응을 통해 글리세롤과 이산화탄소를 동시 전환해 젖산과 포름산을 생산하는 것을 나타낸 그림이다. 화학연 황영규 박사팀은 이 글리세롤과 온실가스인 이산화탄소를 활용해 젖산과 포름산을 높은 수율로 생산할 수 있는 촉매 공정을 개발했다. 젖산은 썩는 플라스틱의 원료로 활용될 수 있으며 포름산은 연료전지의 수소저장물질, 가죽과 사료 첨가제로 쓰이거나 추가 촉매 공정을 통해 화학제품으로 만들어질 수 있다. 2020년 기준 세계적 시장 규모로 젖산은 170만 톤, 포름산은 200만 톤이고, 매년 15%, 5%씩 시장이 성장하는 추세다.** 출처: Markets and Markets, 2015,
편집부 2020-12-15
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UNIST·KIST 공동연구팀, 그래핀 튜브가 규칙적으로 이어진 메조 다공성 구조 구현

- 에너지 변환·저장 장치 적용 가능한 탄소 나노물질… 앙게반테 케미 논문 게재전기전도도가 우수한 그래핀으로 만들어진 새로운 ‘메조(meso) 다공성’ 탄소가 개발됐다. 그래핀 메조 다공성 탄소는 차세대 에너지 생산 및 저장장치의 상용화를 앞당기는 데 크게 기여할 것으로 기대된다.메조 다공성 흑연질 탄소 골격 구조UNIST(총장 이용훈) 화학과 주상훈 교수 연구팀은 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 김진영 박사팀과의 공동연구를 통해 그래핀 튜브(탄소 나노튜브)가 규칙적 연결된 ‘그래핀 골격 메조 다공성 탄소(Ordered Mesoporous Graphitic Tubular Carbon, OMGC)’를 합성하는 데 성공했다.(그림 참조) 구멍이 많고 전기전도도가 높아 연료전지 촉매, 촉매 지지체, 에너지 저장장치 등으로 다양하게 쓰일 수 있다.메조 다공성 탄소는 기공 크기가 일정하고 균일하게 배열된 탄소 나노물질이다. 반응 표면적이 넓어 촉매로서 유리하다. 그러나 전기전도도가 낮다는 단점 때문에 쓰임새의 제한이 있었다. 물로 수소를 만드는 ‘물 전기분해 시스템’이나, 수소로 전기를 만드는 연료전지 촉매로 쓰이려면 물질의 전기전도도가 높아야 한다.메조 다공성 흑연질 탄소 골격 제조 방법(이중 주형법)주 교수 연구팀은 ‘메조 다공성 실리카’와 ‘몰리브데늄 카바이드’를 틀(주형)로 사용하는 ‘이중 주형법’을 고안했다. 제1저자인 백두산 화학공학과 박사과정 연구원은 “‘몰리브데늄 카바이드’를 메조 다공성 구조로 만들게 되면 겉에 그래핀 층(few-layer graphene)이 여러 겹 생긴다”며, “이 상태에서 ‘몰리브데늄 카바이드’만 제거하면 그래핀 튜브로 이뤄진 메조 다공성 탄소를 얻을 수 있다”고 설명했다.이 물질과 루테늄을 함께 쓴 촉매는 상용 촉매 (루테늄, 백금)보다 높은 성능을 보였다. 실제 상용화된 수소생산 장치에서도 우수한 성능을 보였다. 이 실험을 진행한 한국과학기술연구원 김진영 박사는 “차세대 수소생산 장치로 각광받고 있는 알칼리 고체막 물 분해 장치의 성능 향상에 큰 전기를 마련한 연구”라고 전했다.메조 다공성 흑연질 탄소 골격의 성능(좌) 탄소 나노물질 전기전도도(Conductivity) 비교 그래프. 메조 다공성 그래핀 골격 탄소(붉은색 막대그래프)의 전기전도도가 가장 높다. (우) 음이온 교환막 물 전기분해 장치에서 루테늄 나노촉매의 성능 비교 그래프. 루테늄 금속 입자 지지체로 메조 다공성 그래핀 골격 탄소를 쓴 경우(붉은색 막대그래프) 성능이 가장 우수하다.한편, 이 소재는 에너지 저장장치로도 쓰일 가능성이 보였다. 에너지 저장장치 중 하나인 리튬이온 커패시터(Lithium-ion capacitor)에서 그래핀 메조 다공성 탄소는 기존 메조 다공성 탄소 대비 우수한 에너지 저장 성능을 보였다.주상훈 교수는 “새롭게 개발한 소재는 메조 다공성 탄소, 그래핀, 탄소 나노튜브의 장점을 결합한 물질”이라며, “에너지 변환장치용 촉매 또는 촉매 지지체, 에너지 저장장치, CO2 흡착제, 오염물질 흡착제 등에 다양하게 응용될 것”이라고 기대했다.UNIST 화학과 주상훈 교수팀, 에너지화학공학과 강석주 교수팀, KIST 김진영 박사팀이 참여한 이번 연구는 화학 분야 권위지인 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)’에 11월 12일 자로 온라인 출판됐다.연구 수행은 과학기술정보통신부(장관 최기영)와 한국연구재단(이사장 노정혜)이 추진하는 ‘기후변화대응기초원천기술개발사업’, ‘미래소재디스커버리사업’, ‘수소에너지혁신기술개발사업’ 및 한국과학기술연구원 주요사업의 지원을 받아 이뤄졌다.* 논문명: Ordered Mesoporous Carbons with Graphitic Tubular Frameworks via Dual Templating for Efficient Electrocatalysis and Energy Storage자료문의: 화학과 주상훈 교수(052)217-2522
편집부 2020-12-15
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스마트폰 액정, 돈 내고 수리하세요? 깨져도 알아서 고쳐지는데

- 열, 습도, UV 등 다양한 자극을 감지하여 스스로 손상이 복원되는 소재- UV 20분 조사 시 95% 이상 균열과 물성이 복원되는 투명 폴리이미드수많은 사람의 가슴을 아프게 한 스마트폰 액정 수리비…. 이제는 걱정거리가 아닐 수도 있게 됐다. 국내 연구진이 스스로 손상을 회복할 수 있는 스마트폰 액정 소재를 개발했다.한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 구조용복합소재연구센터 정용채 센터장 연구팀이 연세대학교(연세대, 총장 서승환) 한학수 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 소재에서 발생한 균열이나 손상된 기능을 스스로 복원할 수 있는 자가치유 투명 전자소재를 개발했다고 밝혔다.투명 폴리이미드(CPI, Colorless Polyimide)는 뛰어난 기계적, 전기적, 화학적 물성을 갖고 있다. 유리처럼 투명하고 강도가 세면서도 수십만 번 접어도 흠집이 나지 않아 폴더블, 플렉서블 디스플레이 등의 모바일 제품에도 이미 상용화되어 활용되고 있으며 항공우주, 태양전지 등 산업 전반에서 활용되고 있는 소재이다. 이처럼 다양한 산업군에 폭넓게 사용되는 소재이기 때문에 노출되는 다양한 환경에서 발생할 수 있는 균열과 지속적인 전자파에 의한 파괴 등을 해결하여 내구성을 확보하려는 노력이 끊이지 않고 있다. 일부 연구진에서는 첨가제를 넣거나 표면에 단단한 보호층을 코팅해 해결하고자 했으나, 근원적인 소재의 손상을 막을 수는 없었다.자가복원 투명 폴리이미드 제조방법KIST-연세대 공동연구팀은 투명 폴리이미드의 장점은 유지하면서도 균열이나 손상된 기능을 어떠한 환경에서도 쉽고 빠르게 능동적으로 복원할 수 있도록 식물의 일종인 아마 씨에서 추출한 아마인유(Linseed oil)를 활용하여 자가치유 투명 폴리이미드를 개발하였다. 아마인유는 상온(25℃)에서 쉽게 경화되는 특성이 있어 그림을 보존하기 위한 코팅 물질로도 많이 사용되고 있다. 아마인유가 함유된 자가복원 마이크로캡슐KIST 연구진은 아마인유를 담은 마이크로캡슐을 제조한 후, 제조한 마이크로캡슐을 실리콘과 섞어 투명 폴리이미드 위에 코팅하여 보호층을 만들었다. 연구진이 개발한 소재는 손상이 생기면 마이크로캡슐이 터져 아마인유가 흘러나와 손상된 부분으로 이동한 뒤 경화되어 스스로 복원될 수 있게 됐다. 이러한 자가치유 기능은 국소적인 손상에서 국부적인 손상범위까지 복원할 수 있다는 장점이 있다.(좌) 자가복원 투명 폴리이미드의 형상 자유도, (우) 개발된 투명 폴리이미드의 자가복원 특성지금까지 알려진 다른 자가복원 기능은 부드러운 소재에서만 구현할 수 있었으며, 거기에 뜨거운 열을 가해야 복원될 수 있었다. 이와는 달리 공동 연구진이 개발한 소재는 단단한 소재임에도 자가치유 기능을 갖고 있으며, 고온의 열을 가하지 않아도 상온에서도 스스로 복원되며 습도, 자외선에도 반응하여 치유 속도가 더 빨라지는 장점을 갖고 있어 최대 20분 이내에 손상의 95% 이상이 복원되었다.  KIST 연구진이 개발한 자가치유 CPI 필름의 치유된 모습(70도 1분) KIST 연구진이 개발한 자가치유 CPI 필름의 치유된 모습(70도 20분)KIST 연구진이 개발한 자가치유 CPI 필름의 치유된 모습(UV 1분)KIST 연구진이 개발한 자가치유 CPI 필름의 치유된 모습(UV 20분)KIST 연구진이 개발한 자가치유 CPI 필름의 치유된 모습(습도 1분)KIST 연구진이 개발한 자가치유 CPI 필름의 치유된 모습(습도 20분)KIST 연구진이 개발한 자가치유 CPI 필름의 치유된 모습(상온 12시간)정용채 센터장은 “손상된 고분자 소재의 물성과 수명을 근원적으로 해결할 수 있는 자가복원 투명 폴리이미드를 제조하였고, 유연 디스플레이와 전자재료 디바이스 등 그 소재의 응용범위를 제시했다는 데 의의가 있다”라고 말하며, “향후 보다 향상된 물성확보를 위해서 추가적인 구조를 검토하고 응용범위를 확대할 예정이다”라고 밝혔다.본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업으로 수행되었으며, 연구결과는 재료과학 및 복합소재 분야 국제저널인 ‘Composite Part B: Engineering’(JCR 분야 상위 1.67%) 최신 호에 게재되었다.* 논문명: Interfacial Adhesion and Self-Healing Kinetics of Multi-Stimuli Responsive Colorless Polymer Bilayer Structure< 연구원 소개 > 제1저자: 김영남 연구원○ 소속: 한국과학기술연구원 전북분원 복합소재기술연구소             구조용복합소재연구센터 연구원○ 전화: 063-219-8230○ e-mail: t15930@kist.re.kr○ 전문분야: 자가치유(Self-healing) 고분자 합성 및 물성제어, 복합소재 제조 및 재활용제1저자: 남기호 박사○ 소속: 한국과학기술연구원 전북분원 복합소재기술연구소             탄소융합소재연구센터 연구원             (現, University of Pittsburgh Swanson School of Engineering 박사후연구원)○ 전화: +1-412-916-9927○ e-mail: kh.nam@pitt.edu○ 전문분야: 고분자화학, 복합소재화학교신저자 정용채 박사○ 소속: 한국과학기술연구원 전북분원 복합소재기술연구소             구조용복합소재연구센터 책임연구원(센터장)○ 전화: 063-219-8153○ e-mail: ycjung@kist.re.kr○ 전문분야: 스마트(형상기억, 자가치유, 자가방오) 고분자 구조 및 물성, 폴리우레탄, 폴리이미드, CNT, 난연, 복합소재 구조 및 물성교신저자 한학수 교수○ 소속: 연세대학교 공과대학 화공생명공학과 정교수○ 전화: 02-2123-2764○ e-mail: hshan@yonsei.ac.kr○ 전문분야: 폴리이미드 합성, 다공성 폴리이미드 합성, 고온형 연료전지용 분리막 합성, 우레탄 소재 합성문의: 구조용복합소재연구센터 정용채 책임연구원(T.063-219-8153, 010-6226-9643, ycjung@kist.re.kr)
편집부 2020-12-07
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우리 생활에 없어서는 안될 유용한 플라스틱 제품을 만드는 사출성형기 이야기 29

자료제공: LS엠트론 기술교육아카데미2.3.2 Control Box 외부 전장품■ Solenoid Valve- 유로의 방향을 통제하는 부품- A, B, P, T의 유로가 있으며, 솔레노이드 A가 동작하면 P-A, B-T로 연결되며, 솔레노이드 B가 동작하면 A-T, P-B로 연결된다.■ 근접 센서기계적으로 온-오프를 하던 리밋스위치나 마이크로 스위치 대신, 비접촉 동작으로 같은 스위칭 작용을 하게 한 센서. 센서의 동작 원리로부터 고주파 발진식, 정전용량식, 자기식, 광전식(방사선도 포함)으로 분류할 수 있다. 일반적으로 근접스위치라고 하면 고주파 발진식과 정전용량식인 것을 의미한다. 다른 두 방식은 리드 스위치, 광전 스위치라 하여 구별하고 있다. 고주파 발진식 근접스위치는 그림과 같은 구성으로 되어 있다. 출 코일에 금속물체가 접근하면 전자 유도작용에 의하여 금속물체 내에 유도전류가 흐르고, 검출 코일의 인덕턴스가 변화한다. 따라서 검출 코일에 발진회로를 접속해 놓으면 발진회로의 발진 주파수나 발진진폭이 변화하여 스위칭 동작을 시킬 수 있다. 검지 대상은 금속물체에 국한된다. 정전용량식 근접스위치는 도체 전극을 가진 검출부에 피검지 물체가 접근하면 센서 부분의 정전용량이 크게 변화하는 현상을 이용한 것이다. 정전용량 변화를 이용하고 있기 때문에 피검지 대상물은 금속, 비금속 어느 것이든 좋다. 따라서 플라스틱, 종이, 반도체 등 모든 유전체를 검지할 수 있는 이점이 있다.• 부하의 종류에 따라 NPN과 PNP 타입으로 구분되는데, 일반적으로 헤드부가 적색계열은 PNP, 녹색 계열은 NPN으로 구분지울 수 있다.• LS 사출성형기에서도 제어장치에 따라 타입이 다르기 때문에 사전에 확인 후 맞는 타입이 연결되어야 한다.■ 열전대, Thermocouple두 종류의 금속 도체 양단을 전기적으로 접속시키고 이 양단에 온도 차를 주면 회로 중에 전류가 흐른다.(Zee Back 효과) 이처럼 한쪽(기준접점)의 온도를 일정 온도로(원칙적으로 0℃) 유지하고 열기전력의 수치를 측정함으로써 다른 끝단(측온 접점)의 온도를 알 수가 있다.- 온도 측정 센서로 가소화 장치 중 배럴, 유압식 사출기의 작동유 온도, 금형의 온도 센서에 적용되고 있다.- 접촉 부분과 비접촉 부분의 온도 차에 따라 전류가 유도되는 금속을 이용하여 온도를 측정하는 센서• K 열전대(chromel-Alumel)K 열전대는 +쪽에 Cr을 약 10% 포함한 Ni-Cr 합금(chromel)과 -쪽에 Al, Mn을 조금 포함한 Ni 합금(Alumel)을 사용한 열전대이다. 현재 공업용의 열전대로써 가장 넓게 사용되며 신뢰성이 높다. 이 열전대는 고온(약 1,200)까지 사용할 수 있고 기전력특성의 직선성이 양호하며 비교적 내열, 내식성이 높은 것이 특징이다. 또 금속 증기 공기 중 및 O2, N2, CO2 가스(gas) 중에서 기전력은 안정되어 있다. 그러나 환원성(H2, CO) 가스 중 또 산소분압이 낮은 조건에 대해서는 크로멜(chromel) 선의 열화 “Green Rot”라 불리는 Cr 선택 산화 현상이 생겨 이 때문에 기전력 치가 크게 저하하여 큰 오차가 생기는 경우가 있으므로 사용할 때에는 충분한 배려가 필요하다.• J 열전대(Iron-constantan)+쪽에 순철(Fe)과 –쪽에 Cu-Ni 합금(constantan)을 사용한 열전대이다. J 열전대는 환원성분위기 중에서 사용에 적절하고 기전력특성이 E 열전대에 이어서 높은 것이 특징이다. 또 비교적 값이 싸기 때문에 손쉽게 측정을 할 경우에 편리한 열전대이다.* LS 사출성형기는 J 타입을 표준으로 적용하고 있다.■ Limit Switch기계장치 등에서 동작이 일정한 한계 위치에 달하면 접점이 전환되는 스위치를 말한다. 접점기구와 극성을 작동시키는 핀이나 바 기구가 조합되어 있다. 스위치 중에서 설정하는 위치, 시간에 대해서 이것을 「ON」으로 하거나 「OFF」로 하거나 할 수 있는 구조로 만들어진 스위치를 말한다. 자동제어장치나 크레인 기타 동작 제어 또는 안전장치에 사용된다. 레버가 달려서 기계적 동작의 한계점에 위치시켜 접점을 On/Off 시키는 장치사진은 안전문에 장치된 Limit Switch■ 위치 센서직선 변위와 회전 변위를 전기저항의 변화로 바꾸는 가변저항기. 접촉형과 비접촉형이 있다. 접촉형은 저항 체위를 브러시가 움직이는 구조로서, 직선형의 경우는 스트로크가 3,000㎜ 정도인 것까지 있고, 회전형인 경우는 1회전에서 다(多) 회전인 것까지 있다.또 저항체의 종류에 따라 다음과 같이 분류된다.① 권선형: 고유저항이 크고 저온도 계수의 Ni-Cr, Cu-Ni계 합금선율 권심 위에 코일 모양으로 감은 것.② 전도성 플라스틱형: 카본 블랙이나 흑연 분말 등을 플라스틱 수지와 혼합하여 세라믹스 등의 기판 위에 인쇄한 것.③ 서밋형: 금속 분말을 세라믹 기판 위에 소성(燒成)한 것.④ 하이브리드형: 권선(卷線) 상에 전도성 플라스틱을 도포한 것. 권선형은 저항온도 계수가 작고, 전도성 플라스틱형, 서멋형은 고분해력, 수명이 긴 장점이 있다. 양쪽의 장점을 합친 것이 하이브리드형이다. 비접촉형은 자기 저항형이라고도 불리며, 자계의 강도에 따라 저항값이 변화한다. 자기 저항 소자를 저항체로써 사용한 것이다.비접촉식 센서는 변위를 측정하고자 하는 물체에 부착된 영구 자석(Tempo sonics LDT의 부품)의 자장과 LDT 로드에 들어있는 웨이브 가이드 속을 흐르는 전류 펄스(전류 펄스는 웨이브 가이드 내의 전선을 따라 흐름)에 자장에 의해 유도되는 비틀림 스트레인 펄스(Torsional Strain Pulse)를 감지하여 자석의 위치, 즉 측정하고자 하는 물체의 위치를 디지털 또는 아날로그 신호로 정확하게 출력한다.■ 인코더펄스 신호를 발생.전기각(또는 자극) 검출 모터를 회전의 불규칙이 없이 계속해서 회전시키기 위해서는 로터의전기적 회전각도 위치(전기각 또는 자극)를 검출하여 그 위치에 맞는 전류를 흘릴 필요가 있다. 그 위치를 검출하는 역할을 담당한다.1. 기계각의 검출 2. 전기각의 검출 3. 회전 속도의 검출 4. 회전 방향 검출• 엡솔루트 인코더: 전원 절단 시에도 만일 외부의 힘으로 모터가 회전하거나 해도 그 횟수를 카운터 없으면 안 되므로 1회전 1 펄스를 발생하는 쪽의 디스크는 소비전력이 적은 자기 인코더로 되어있다.■ 압력 센서압력 센서란 기체나 액체의 압력변화를 감압소자에서 전기신호로 변환하여 압력에 맞는 아날로그 전기신호로 출력하거나 어떤 압력 치에도 동작하는 스위칭 출력을 나타내는 것이다.압력을 측정할 때 반드시 측정되어야 하는 조건, 범위, 물질이 매우 다양하므로 압력 센서 디자인에는 여러 가지 유형이 있다. 흔히 압력은 변위와 같은 중간 형태로 변환된다. 그 후 센서는 변위를 전압 또는 전류와 같은 전기 출력으로 변환한다. 이 같은 형태의 압력 트랜스듀서(Transducer; 변환기)의 가장 일반적인 세 가지 형태는 스트레인 게이지 트랜스듀서, 가변 용량 트랜스듀서, 압전기 트랜스듀서가 있다.모든 압력 센서 중 가장 보편적인 센서는 휘트스톤브리지(스트레인 기반) 센서이며, 다양한 정확도, 크기, 견고함, 비용 옵션을 제공한다. 브리지 센서는 고압 및 저압 애플리케이션에 사용되어 절대압, 게이지압, 차압을 측정한다. 모든 브리지 센서는 스트레인 게이지와 가로막을 활용한다. 압력의 변화가 생기면 막이 빗나가게 되고 스트레인 게이지의 저항이 변한다. 이 변화는 데이터 수집(DAQ) 시스템으로 측정된다. 이와 같은 스트레인 게이지 압력 트랜스듀서에는 몇 가지 형태가 있다. 즉, 접착형 스트레인 게이지, 스퍼터(sputtered) 방식 스트레인 게이지 및 반도체 스트레인 게이지가 있다. 압력 트랜스듀서는 컨디셔닝 된 0~5V 신호 또는 4~20mA 전류를 출력한다. 이 두 가지 출력은 트랜스듀서의 작동 범위에서 선형으로 나타난다. 예를 들어, 0V와 4mA는 압력 측정값 0에 해당된다. 이와 유사하게, 5V 및 20mA는 Full Scale Capacity 즉, 트랜스듀서가 측정할 수 있는 최고 압력에 해당된다. ■ Load Cell사출압력을 측정하는 센서로, 유압의 압력 센서와 달리 스크류 선단의 수지 실제 압력을 정한다.출력방식: 4~20mA스트레인 게이지(Strain Gage)는 물리적인 변형량(Strain)을 전기적인 신호로 바꾸어 피측정물의 변형량을 측정하는 저항 센서다.금속저항체를 당기면 길어지는 동시에 가늘어져 전기 저항값이 증가하고 반대로 압축되면 전기저항이 감소한다는 것으로 식으로 나타낼 수 있다.여기서 L은 저항체의 길이, A는 단면적, ρ는 비저항이다. 따라서, 같은 소재의 저항체인 경우 길이가 길어지고 단면적이 좁아질수록 큰 저항값을 가진다.저항체를 측정하고자 하는 물체에 부착시켜 길이 방향으로 이완, 수축시킬 경우 그 변형량에 비례하여 저항값의 변화가 생긴다. 특히 부착시키는 저항체가 얇고 가늘수록 피측정물과 같이 거동할 것이므로 물체의 변형량을 충분히 전달해 줄 것임을 예상할 수 있다.■ 예비용 Consent• 사출기 이외의 기기에 전원을 공급하기 위한 콘센트• 사용자의 편의를 위해 설치되었으며, 붉은색 뚜껑으로 보호되어있다.• 사용 시에는 뚜껑을 제거하고 플러그 연결
취재부 2020-12-07
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플라스틱 분해 효소를 이용한 친환경 플라스틱 연구 동향

자료제공: 소재종합솔루션센터(www.matcenter.org), 화학소재정보은행(www.cmib.org) 지식정보 심층보고서 Ⅰ. 서론1. 기술 개요플라스틱은 사용하기 편리하지만 쉽게 분해되지 않아 폐기하기가 쉽지 않다. 이로 인한 환경오염이 나날이 심각해지는바, 전 세계는 해결 방안을 찾기 위해 노력하고 있다. 다양한 방법이 제시되어 연구되고 실행되고 있으며 그중 효율적으로 평가되는 유기체를 이용한 플라스틱의 생분해에 대해 알아보고자 한다. 이는 최종적으로 플라스틱 분해효소를 이용하는 것이지만, 연구의 시작은 어떤 곤충이나 미생물이 플라스틱을 소화시킬 수 있다는 점에서 시작되었다.2. 기술 동향국내뿐 아니라 해외에서도 플라스틱으로 인한 환경오염은 심각하게 다루어지고 있다. 때문에 친환경 물품으로 대체할 수 있는 플라스틱 품목에 대한 규제부터 자체적으로 친환경을 띄는 플라스틱 생산까지 다양한 노력을 기울이고 있다. 이러한 사업이 확장되고 있지만, 국내에서는 아직 활발하지 않다. 원천기술이 부족하여 생산성이 떨어지고, 생산된 친환경 플라스틱의 물성이 좋지 않기 때문이다. 더불어 엄격한 규제 역시 친환경 플라스틱 사업 발전의 발목을 잡고 있다. 사업의 경제적 확장성뿐 아니라, 지구의 환경을 위해서라도 발 빠른 대처가 필요하다.Ⅱ. 본론1. 기술 내용1.1. 생분해성 플라스틱의 필요성1.1.1. 플라스틱의 단점플라스틱은 가볍지만, 내구성이 좋고, 다양한 형태로 가공하기가 쉬우며, 쉽게 분해되지 않는다. 이러한 플라스틱의 장점 때문에 우리는 주변에서 어렵지 않게 플라스틱을 찾아볼 수 있다. 그러나 이러한 플라스틱의 최대 단점은 역설적이게도 큰 장점이었던 비분해성에서 야기된다. 플라스틱 쓰레기 처리의 가장 좋은 방법은 재활용이겠지만, 모든 폐기물을 100% 재활용하기란 현실적으로 불가능하다. 그리고 재활용되지 않은 플라스틱은 소각되거나 매립되어 처리된다. 그러나 플라스틱은 소각되면서 다이옥신 등 유독물질을 발생시킨다.1 또한 매립되더라도 분해되는데 수백 년이 걸린다. 이렇게 처리되지 못한 플라스틱들은 바다로 흘러 들어가 플라스틱 섬을 만들기도 하며, 먹이사슬 속으로 파고든다.2-4이러한 문제는 범지구적 피해를 야기한다. 때문에 전 세계적으로 폐플라스틱과 미세 플라스틱으로 인한 환경오염의 심화를 방지하고자 일회용 플라스틱 제품 사용규제를 강화하고 있다.1.1.2. 생분해성 플라스틱을 이용한 극복 방안현재 프랑스, 이탈리아, 인도, 아랍에미리트, 파키스탄 등에서는 생분해 플라스틱 포장재 사용에 대한 법령을 제정하고 있다. 우리나라 역시 환경기술개발 및 지원에 관한 법률, 제1조에 따른 생분해성 수지 제품으로 환경표지 인증을 받은 제품을 생분해성 제품으로 규정하고, 이들에 한해 1회용품 사용규제 대상에서 제외, 폐기물 부담금 제외하는 등 친환경 플라스틱 사용을 독려하고 있다.그러나 전 세계의 이러한 노력에도 불구하고 플라스틱의 사용량을 완전히 없앨 수는 없다. 때문에 사용하더라도 지구 환경에 큰 문제가 없는 유기체의 플라스틱 분해효소를 이용하는 방안을 제시한다.5-71.2. 생분해성 플라스틱의 원리플라스틱의 문제점이 대두된 후 많은 친환경 플라스틱이 연구 개발되었으나, 그 역시 문제점이 아예 없는 것은 아니었다. 기존의 친환경 플라스틱은 식물에서 원료를 추출할 때, 오염물질이 발생하였다. 그러나 미생물과 효소 등 유기체를 이용하면 그런 부분을 보완할 수 있다. 유기체의 플라스틱 분해 효소를 이용하는 방법은 지금도 활발하게 연구 중이며, 그중 몇 가지를 소개하고자 한다. 이러한 생분해성 플라스틱의 대표적인 표적으로는 폴리에틸렌 (PE), 폴리스타이렌 (PS), 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET) 등이 있다.1.2.1. 곤충을 이용한 플라스틱의 생분해1950년대 이래로 많은 연구자들은 곤충이 포장재료를 손상시키는 것에 관해 연구하였다. 이러한 행동을 보이는 곤충으로는 거저리과, 빗살수염벌레과, 수시렁이과 곤충들이 보고되었다.8,91970년대 초에는 토양, 해수, 매립 퇴적물, 퇴비에서 PS의 생분해를 연구하였다. 당시에는 폴리스타이렌(PS)이 분해되려면 C-C 결합에 광분해 또는 열분해가 필요하다고 보고되었다.10-15 그러나 최근 곤충의 장에서 PS가 빠르게 분해되는 관찰들이 보고되면서, 새로운 방향이 제시되었다.162003년에는 식품 용기를 먹는 밀웜이 보고되었다. 2009 년에는 밀웜에 의한 PS 소비와 밀웜 내장으로부터 PS 분해성 박테리아 균주 2종의 분리를 성공하였다. 2015년에 벌레 균주가 한 달 동안 PS만으로도 생존할 수 있음을 입증하였다. 섭취된 PS 탄소의 거의 절반이 밀웜의 내장에서 이산화탄소로 전환되었다.17갈색 거저리는 PS를 분해한다고 보고되었다.18 이들은 PS를 먹이로 섭취하며, 후에 번식이나 진화 등에서 모두 정상적인 생활사를 가졌다. 또한, 이산화탄소와 유기 폐기물을 배출하는데, 이를 퇴비로 이용할 수 있다.또한, 이들은 PS뿐 아니라, PE, PVC, PLA도 분해한다고 연구되었다.21 그러나 대량의 플라스틱 폐기물에 갈색 거저리를 동원하여 처리하기에는 분해되는 양이 너무 적었다. 또한, 갈색 거저리는 햇빛에 약해 금방 말라 죽었다. 때문에 이 곤충을 그대로 사용하기보다는 그 안의 효소를 추출하는 방법이 연구되었다.플라스틱을 분해하는 효소를 추출하여 플라스틱 분해에 이용하는 것이다. 이 경우, 이미 만들어진 플라스틱의 분해뿐 아니라 새로 생성되는 플라스틱에 효소를 첨가하여 플라스틱이 분해되는 기간을 대폭 줄일 수 있다.20, 21 꿀벌부채명나방을 이용하는 방법도 있다.22 본디 이 곤충은 꿀벌 집을 먹이로 한다. 꿀벌 집의 성분인 왁스가 PE와 비슷한 구조라는 데에서 착안하여 이 연구가 시작되었다. 기에는 꿀벌부채명나방의 장내 미생물에 의해 분해되는 것으로 알려졌으나, 장내 미생물을 모두 제거한 후에도 동일하게 플라스틱을 분해하는 것이 확인되었다. 이후 에스테라아제, 라이페이즈, 사이토크롬 P450 세 가지 효소를 이용하여 분해한다는 것이 연구되었다. PE는 플라스틱의 가장 많은 부분을 차지하는 플라스틱이기 때문에 꿀벌부채명나방의 장내 효소를 발굴해 대량배양 후 이용한다면, 플라스틱 오염의 근본적인 해결책을 마련할 수 있을 것으로 기대된다.231.2.2. 박테리아를 이용한 플라스틱의 생분해그다음은 박테리아를 이용하는 방법이다. 대장균은 포도당의 첫 번째 발효 과정에서 방향족 폴리에스터를 생산한다. 대장균을 이용하는 것이다.24 전사효소와 진화된 폴리하이드록시알카노에이트 합성 유전자가 D-페닐락테이트 생산 균주에서 과발현될 때, 포도당으로부터 제조된다. 또한, 다양한 농도의 D-페닐락테이트를 갖는 여러 폴리페닐락테이트 중합체는 β-케토디올라아제와 환원효소 등의 유전자를 발현한다.특히 방향족 폴리에스터는 강도 및 열안정성이 우수하여 병, 식료품 포장재 등에 사용되는 중요한 원료로 쓰이는데, 그중 대표적으로는 PET가 있다. 페트병 등의 생산원료로 사용되는 이것은 우리 생활에 필수적이지만 원유로부터 복잡한 공정을 거쳐야 얻을 수 있기 때문에 친환경적이지 못하다. 때문에 이를 친환경적으로 분해하고 친환경적인 물질로 대체하는 것은 큰 의미가 있다.PET를 분해하는 또 다른 분해 박테리아로 이데오넬라 사케엔시스가 있다.25 이 박테리아는 활성 부위에 Ser-His-Asp 촉매 트라이어드를 가지며 PET의 모노하이드록시에틸 테레프탈레이트(MHET) 4개 부분에 접합할 수 있는 최적의 기질 결합 부위를 포함한다. 이 박테리아는 2개의 효소를 이용하는데, 그 중 첫 번째 효소를 이용하여 PET를 모노하이드록시에틸 테레프탈레이트로 만들고, 두 번째 효소로는 모노하이드록시에틸 테레프탈레이트를 분해해 에너지를 얻는다. 또한, 이 메커니즘을 역으로 이용하여 모노하이드록시에틸 테레프탈레이트에서 PET를 생산할 수도 있으며, 이 박테리아의 PET 분해 효소를 변이시켜 대체재인 폴리에틸렌 퓨란디카복실레이트를 쉽게 분해할 수 있다.26-301.2.3. 효소를 이용한 플라스틱의 생분해 연구효소를 이용하여 플라스틱을 분해하는 기술에 대한 연구도 활발하다. 대표적으로 플라스틱을 분해한다고 알려진 효소에 변형을 가하여 효소의 활성과 분해율, 그리고 열적 안정성 등을 높여주는 것이다. 이는 같은 양의 효소로 더 많은 플라스틱을 분해할 수 있게 해주며, 분해되는 시간을 줄이는 데에도 효율적이다. 이러한 연구들의 최신 결과들은 다음과 같다.그림 8은 PET의 종류와 효소의 종류에 따른 활성도를 그래프로 나타낸 것이다. 상업적으로 이용되는 PET는 대부분 비정질이기 때문에 비정질 PET(Gf-PET)에 대하여 주로 연구가 진행되었고, 결정질 PET(Pf-PET)는 대조군으로 사용되었다. 효소는 써모바이피다 푸스카 하이드로라아제 1(Thermobifida fusca hydrolases 1, BTA 1), 써모바이피다 푸스카 하이드로라아제 2(Thermobifida fusca hydrolases 2, BTA 2), 푸사리움 솔라니 피시 커티나아제(Fusarium solani pisi cutinase, FsC), 아데오넬라 사케인시스 피이티에이스(Ideonella sakaiensis PETase, Is-PETase), 리프브런치 컴포스트 컷티나아제(leafbranch compost cutinase, LCC)의 5개 효소가 사용되었다. 비정질 PET에 대하여 LCC의 활성이 가장 높았으며, 이는 결정질 PET에서도 비슷하게 높은 활성을 나타내었다.그림 9에서 LCC의 단백질 구조에 변형을 가하여 여러 종류의 LCC를 만들고 이들의 활성을 조사하였다. 그 결과 1 분위값은 0.6, 3 분위값은 47.6, 최댓값은 112.5, 그리고 중간값은 15.2의 활성을 나타내었다.그림 10과 11에서 LCC의 단백질 구조 중 F243 부위에 변형을 한 결과 활성도가 높아지는 것으로 연구결과가 보고되었다. 이는 다양한 LCC 들의 활성도 중간값이 15.2임을 고려하면 거의 2배에 가까운 활성을 나타내는 것으로 볼 수 있다.효소는 열에 민감하기 때문에 열적 안정성도 중요하다. 그림 12에서는 연구에 보고된 여러 효소 중 가장 뛰어난 활성을 나타냈던 LCC는 섭씨 65도에서 비정질 PET에 대해 약 93의 활성도가 관찰되었다. 또한, 이는 결정질 PET에 대해서도 준수한 효소 활성도가 관찰되었다.그림 13에서 PET에 대하여 가장 높은 활성을 가지고 있는 LCC는 다른 효소에 비해 열적 안정성도 뛰어난 것으로 연구되었다. LCC의 녹는점이 섭씨 84도로 비교군 효소들 중 가장 높았기 때문이다. 그러나 효소의 활성이 안정적으로 이루어지기 위하여 조금 더 높은 열적 안정성이 요구되었기에, 이를 향상시키려는 연구가 뒤따랐다.그림 14와 15에서 LCC의 D238C/S283C 부위에 변성을 가하자 녹는점이 약 섭씨 10도가량 올라간 것으로 연구되었다. 이는 효소의 열적 안정성에 높은 기여를 하여 효소가 높은 온도 조건에서도 쉽게 변성되지 않고 플라스틱을 분해할 수 있음을 의미한다.그림 16에서 상온에서 LCC는 PET를 6일동안 30% 정도 분해한다고 연구되었다. 이는 분명 의미 있는 수치이지만, 30% 이상의 분해율이 빠르게 이루어지지 않아서 실용성 면에서 부진하다. 때문에 이를 개선시키려는 후행 연구가 진행되었다.그림 17 에서 이러한 시도의 일환으로 앞서 열적 안정성을 증가시키기 위하여 특정 단백질 구조를 변성시킨 것처럼, 비슷한 시도가 이루어졌다. F243W/D238C/S283C/Y127G(WCCG), F243I/D238C/S283C/Y127G(ICCG), F243W/D238C/S283C/N246M(WCCM), F243I/D238C/S283C/N246M(ICCM) 네 가지의 다른 종류의 LCC를 만든 결과, 야생형 LCC 에 비하여 훨씬 높은 분해율을 획득하였다. 특히 종결 값이 80~90%에 육박하는데, 이는 플라스틱 폐기물을 1/10 수준으로 만들 수 있음을 의미한다. 또한, 시간 역시 채 하루가 걸리지 않는 시간 동안 이루어진 연구결과이기 때문에 속도 면에서도 우수하다. 플라스틱을 매립할 시 수십 년이 걸리는 것과 비교해보면 이러한 분해 속도가 얼마나 빠른 것인지 알 수 있다.그림 17에 나타낸 결과는 1g의 PET 당 1mg의 효소 농도로 진행되었다. 그리고 그림 18에서 효소의 농도에 따른 분해율을 알아보기 위하여 1g의 PET 당 3mg의 효소 농도로 진행한 결과를 그림 18에 나타내었다. 가장 주목할 만한 점은 ICCG 타입의 효소가 WCCG를 역전한 결과를 보여준 것이지만, 차이 값이 유의미하게 크다고는 할 수 없는 정도로 보고되었다. 다만, 고농도에서 ICCG의 분해율이 높아진다는 점을 시사하고 있다.효소는 온도에 민감한 물질인 만큼 온도에 따른 분해율에 큰 차이가 있다. 그림 19는 LCC가 PET를 각각 섭씨 72도와 75도의 온도 조건에서 분해하는 비율을 시간에 따라 나타낸 것이다. 섭씨 3도의 차이이지만, 실질적인 효율은 30% 이상으로 나타나고 있다.LCC가 PET를 분해하는 데 있어 섭씨 72도가 최적 온도로 선행 연구되었기 때문에 해당 온도에서 다양한 효소의 최적 농도를 찾기 위한 연구가 뒤따랐다. 그림 20에서의 연구결과, 효소의 농도가 높을수록 분해율이 높아졌지만, 어느 정도의 농도가 효율적인지는 현재 연구 중이다. 효소 단독이 아닌, 다른 물질과의 혼합하여 효율을 높이는 방안도 연구되고 있다. 현재 연구된 물질로는 에틸렌 글라이콜과 테레프탈릭 산이 있다.그림 21과 22에서는 함께 첨가하였을 때 LCC의 분해 효율을 높여주는 물질들의 연구결과가 보고되었다. 에틸렌 글라이콜과 테레프탈릭산은 획기적으로 분해율을 높여주지는 못하지만, 기존 LCC에 비해서는 높은 분해율을 나타내었다.효소에 관한 이러한 연구는 앞으로도 최적 온도와 농도를 찾아서 분해율을 높이고 분해 시간을 낮추기 위하여 지속될 것으로 전망된다.2. 기술 동향2.1. 해외 시장이러한 세계적 동향에 발맞춰 분해되지 않는 플라스틱으로 인한 환경문제를 해결하기 위해 전 세계 30여 개의 글로벌 기업(BASF 사, DSM 사, Dow 사, Braskem 사, ExxonMobil 사, Total 사, Shell 사, Mitsubishi Chemical Holdings 사, Mitsui Chemicals 사, Procter & Gamble 사 등)들은 해양 폐플라스틱 감소 및 제거를 위하여 ‘플라스틱 쓰레기 제거 연합(AEPW, Alliance to End Plastic Waste)’을 결성하였다. AEPW는 5년간 15억 달러 투자를 목표로 하며, 플라스틱 쓰레기 최소화를 위한 새로운 솔루션 개발은 물론, 폐플라스틱 재활용을 통해 순환경제에 기여하는 솔루션 또한 가속화할 예정이다.BASF사는 플라스틱 재활용을 증진시키는 혁신적인 기술 개발을 목표로 켐사이클링(ChemCycling) 프로젝트를 진행하여, 2018년 폐플라스틱의 화학적 재활용을 통한 생산된 첫 파일럿 제품을 발표하였다. ‘Total Corbion PLA’은 생분해성 바이오 플라스틱 PLA 생산을 위해 Total(프랑스의 석유화학기업) 사와 Corbion(네덜란드의 식품첨가물 기업) 사가 합자하여 설립하였다. Succinity 사는 BASF(독일의 화학기업) 사와 Corbion 사가 합자하여 설립하고 바이오숙신산을 생산하였다. Dupont Tate & Lyle BioProducts 사와 Dupont 사(미국의 화학기업)’는 젖산, 락타이드, PLA 생산에 독보적인 기술을 보유하고 있으며 해마다 약 15만 톤 규모의 PLA를 생산하고 있다. 또한, 후발 기업인 Total Corbion PLA 사 역시 7만5천 톤의 PLA를 해마다 생산하고 있다. BASF 사는 PBAT 수지와 PBAT와 PLA를 혼합한 수지를 해마다 약 7만4천 톤의 규모로 생산하고 있다.Mitsubishi Chemical 사는 바이오매스를 부분적으로 포함하고 있는 PBS 수지를 해마다 약 2만 톤 규모로 생산하고 있다. Kaneka 사는 Biodegradable PBHBTM® 제품을 해마다 약 5천 톤의 규모로 생산하고 있다.바이오 플라스틱은 금세기 초 전체 플라스틱 시장의 1~5%를 차지하나, 10~20년 후에는 훨씬 확장될 것으로 보인다. 최근 바이오 베이스 플라스틱의 약진으로 그 시장은 예상보다 훨씬 빨리 성장할 가능성이 매우 높다.312.2. 국내 시장국내 생분해성 바이오 플라스틱 산업은 PLA/PBS/PBAT 등 생분해성 원료 소재를 수입·가공하여 플라스틱 제품을 생산하는 중소·중견기업을 중심으로 어느 정도 바이오 플라스틱 산업생태계가 구축되어 있지만, 생분해성 원료 소재는 대기업을 중심으로 아직 연구 단계에 머물러 있는 상황이다. 우리나라의 바이오 플라스틱 기술에 관한 연구는 아직 선진국 수준에 현저히 못 미치는 것으로 평가되며, 원천 기술 개발의 확대가 필요하다. 또한, 우리나라의 생분해성 제품 관련 규격 기준은 표준물질 대비 90%로, 미국과 일본의 60%에 비해 지나치게 엄격하여 생분해 원천기술을 확보가 미흡한 국내 기업은 대부분 사업을 중단하고 있는 실정이다. 이에 따라 국내 규격 기준을 완화하여, 생분해성 물질을 30% 첨가한 생분해성 플라스틱 규격 기준을 마련하고, 이를 종량제 봉투에 적용하였으나 인장, 신장 등 물성이 약하고, 생산성이 부족하여 현재는 사업화되지 않고 있다.바이오 플라스틱의 기술 개발 및 실용화를 위해 초창기 국내에서는 SKC 사, 대상 사, SK케미칼 사, 롯데케미칼 사, 한화 사, 이래화학 사, 새한 사 등이 참여했다. 최근에는 기존 대기업 및 참여업체 등이 협소한 시장규모, 해외에 비하여 너무 높은 생분해 제품 관련 환경마크 인증규격 문제, 바이오매스 제품 원천기술 개발 미흡 등으로 인한 사업보류, 중단, 인수합병 등에 의해 많이 정비되어 가고 있다. 현재 바이오 플라스틱 제품을 취급하고 있는 업체는 기술력 기반의 전문업체가 주를 이루고 있다. 전분 발포, 생분해, 산화 생분해, 바이오 베이스 플라스틱 원료 및 제품을 제조 판매하는 바이오 소재를 출시한 SK케미칼 사가 있다. 또한, 이산화탄소 폴리머를 추진하고 있는 SK이노베이션 사, 탄소 저감 및 인체 무해성 자동차 내장품을 개발하는 SH글로벌 사, PLA 필름을 생산하는 SKC 사, 호남석유화학 사와 케이피케미칼 사를 합병한 롯데케미칼 사, 웅진케미칼 사를 합병한 도레이케미칼 사, 기타 바이오 소재 원료를 사용하여 친환경 완제품을 제조하는 제영산업 사, 콘프라테크 사, 포텍 사, 앤투앤 사, 에이유 사, 에코마스터 사, 세화피앤씨 사, 태승테크 사, 대원포장산업 사, 일신웰스 사, 비에스지 사, 유원컴텍 사, 뉴랩 사, 네고팩 사 등이 있다. CJ제일제당 사는 미국 메타볼릭스 (Metabolix)의 PHA 관련 자산인수를 통해 미국 보스턴에 위치한 연구시설과 고급 연구인력 및 네트워크 확보하고 상용화 연구 진행하고 있다. SK이노베이션 사와 SK케미칼 사는 PLA 생산 원천기술 연구 및 PLA 기반 유연 생분해성 바이오 플라스틱을 판매하고 있다. 대상 사는 전분계 생분해성 바이오 플라스틱 연구개발을 진행하고 있다. 롯데케미칼 사는 PBCT (Polybutylene carbonate-co-terephthalate) 기술이전 후 파일럿 규모 생산 연구개발을 진행하고 있다. SKC 사는 세계최초 PLA 이축 연신 필름 상용화에 성공하여 판매 중이지만 시장성 성장의 둔화로 대량 판매는 아직 이루어지지 않고 있다. 에스엔폴 사는 PBS, PBAT 2천 톤을 해마다 생산 중이지만 경제성 문제로 베트남 기업에 매각되었다.32현재 국내 기업들은 다른 외국에 비해 상대적으로 우위에 있는 수지의 가공 및 성형기술을 활용하여, 신소재 개발보다 실제 제품화 위주로 전환되어 가고 있는 새로운 국면에 접어들고 있다. 실제 바이오 플라스틱의 상용화 제품, 기존 플라스틱의 대체 제품, 화석연료 사용 절감을 위한 대체 제품 등이 속속 출시되고 있다. 이러한 추세에 맞춰 최근의 연구 중심은 감량화, 재활용 용이, 탄소저감 그리고 산화 생분해 등으로 기울고 있는 추세로 생각된다.33Ⅲ. 결론소비자의 환경보호에 대한 관심 증대는 환경 관련 기술개발수요 증대로 이어지고, 바이오 플라스틱, 바이오 소재 및 에코 산업 구조 변화를 초래하고 있다. 바이오 플라스틱은 환경보호에 관한 관심 증대와 함께 경제적인 성공, 환경보호 및 사회 후생적 측면을 모두 포괄하는 개념인 지속 가능한 발전에 관한 관심이 높아지고 있다. 또한, 소비자들은 소형화, 경량화, 편리성, 이동성 등에 대한 기술적 혁신을 요구하고 있으며, 이러한 변화는 산업에 대한 긍정적 요인으로 작용할 수 있다. 지속 가능한 발전 개념은 단순히 환경보호 차원에만 머무르지 않고 경제성장, 기후변화, 생태 다양성, 종업원 교육 훈련, 보건과 안전, 노령화 인구구조 등을 포괄하고 있는데, 개별업체에 대해서는 이에 대응하기 위한 기술 개발 투자 증대와 비용 증대가 필요한 실정이다. 이와 관련하여 향후 기업의 성과나 경제성장의 측정기준이 이러한 지속가능성을 반영하는 방향으로 변화하게 될 것으로 예상된다. 이는 기업들이 지속가능성에 대한 투자를 비용의 개념이 아닌 새로운 미래 경쟁력 확보 수단으로 받아들여야 한다는 것을 의미한다. 바이오 플라스틱 및 이를 이용한 에코 산업은 지속 가능한 발전을 추구하여야 하며, 이를 위해서는 정부의 지속적인 지원과 관련 규제의 합리성이 요구된다.
취재부 2020-12-07