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스마트공장(Smart Factory)을 위한 사출성형 모니터링 및 최적화 기술6

최근 사출성형 산업계에서는 복잡한 제품 구조와 복합 성형 공정의 증가, 그리고 다양한 사용 환경에 대한 더욱 엄격해진 품질요구에 직면하고 있다. 이러한 변화에 이해하고 대응하기 위하여, 사출성형 모니터링에서 얻어지는 데이터를 기반으로 사출성형 공정을 최적화하고 활용하는 방법과 이에 필요한 기본적인 지식에 초점을 맞추어 기사를 연재하고자 한다.RJG사는 사출성형 교육, 기술 및 리소스 분야에서 세계적인 리더로 인정받고 있는 회사이며, 사출성형 공정 모니터링에 사용되는 센서와 장비를 생산/공급하고 있다. 본 기사에 게재된 자료들은 씨에이프로(주)와 RJG사에 모든 권한이 있다. 자료제공 : 이길호 (RJG공식 컨설턴트/트레이너)Ⅲ. 사출성형 모니터링 시스템의 활용3. 양산품질관리(Monitoring & Quality Management) - 1사출 성형품을 생산하는 회사들의 궁극적인 목표는 아래와 같으며, 치열한 시장환경 속에서 사출성형 제품의 양산(Mass Production) 공정이 안정되지 않는 경우에 제품의 경쟁력이 약화되어 기업의 존립에 영향이 미칠 수밖에 없다.1. 최고의 균일한 품질의 제품을 고객에게 납품2. 적기 납품3. 가장 높은 이윤4. 가장 낮은 비용위의 1~3번의 사항은 최적의 설계와 공정 최적화를 통하여 이룰 수 있으며, 4번 사항인 낮은 비용(Low Cost)을 계속 실현하기 위해서는 양산품질관리 체계(System)를 통한 지속적인 모니터링과 공정 제어, 그리고 불량품 선별(제거) 등을 수행하여, 안정적인 양산과 불필요한 비용의 발생을 억제하여야 한다.센서(Sensor)와 모니터링(Monitoring) 시스템을 사용하여 양산품질관리를 수행하여야 하는 이유는 다음과 같으며, 이를 통하여 안정적인 생산과 납품이 이루어질 수 있다.1. 중요 품질 변수의 모니터링을 통한 실시간(On-line) 생산 공정(Process) 진단: - 생산 설비의 정상작동 여부 - 양산 프로세스 설정의 적절성 - 양산 프로세스의 안정성 및 유효성 2. 불량품 또는 불량이 의심되는 제품의 선별 또는 제거(Containment) 3. 변동(Variation)을 최소화하는 공정 자동제어최적의 제품을 생산하기 위해서는 ‘사출성형 모니터링 시스템의 활용에 필요한 기본지식’에서 언급된 재료, 금형, 사출기 그리고 제품설계에 대한 이해를 바탕으로 품질관리에 사용될 적절한 데이터의 선정, 해석, 관리가 필요하다.필요한 데이터를 얻기 위해서는 센서의 위치와 최소 설치 개수를 적절하게 선정하여 센서를 설치하여야 하며, 이를 통해 얻은 그래프에서 양산관리에 필요한 기준값을 선별할 수 있는 지식과 이해가 필요하다. 여기에서는 양산품질관리에 필요한 제반 사항에서부터 그래프 데이터의 해석과 품질 기준의 설정 및 실행까지를 2회에 걸쳐 다루고자 한다.3.1 센서(Sensor)의 위치 및 최소 설치 개수센서 위치나 개수의 적절한 선정이 이루어지지 않으면, 센서를 통하여 얻어지는 그래프 데이터의 유용성과 정확성이 낮아져 최적의 양산품질 관리가 이루어질 수 없다. 예를 들어 공정 중간에 빨리 냉각되는 얇은 두께를 가지는 부위에 센서를 설치하면, 공정 전체를 모니터링하기 어려워, 여기서 얻어지는 데이터를 제어를 목적으로 사용하기 어려워진다.[그림 130]에서와같이 압력의 변화를 측정할 수 있는 위치는 유압실린더, 노즐, 금형 내부 등이 있으며, 노즐에서의 압력, 또는 사출압(Injection Pressure)은 유압실린더에서 측정된 유압에 증압비(Pressure Intensified Ratio)를 곱하여 얻을 수 있다. (* ‘사출기’ 편 참고)금형의 내압을 측정하는 센서의 위치는 게이트 부근과 유동 말단부, 두 곳을 선정하는 것이 일반적이며, 게이트 부근에 설치하는 센서를 PST(Post Gate)라 하고 캐비티 내 유동 거리의 15% 이내에 위치시키는 것이 바람직하다. 이 센서는 V/P 절환과 같은 공정 제어에 주로 사용된다.캐비티 내 유동 거리의 85% 이후의 유동 말단 부위에 설치하는 센서를 EOC(End of Cavity)라고 부르며, 제품 불량 관련 모니터링 목적으로 주로 사용되지만, 간혹 공정 제어 목적으로도 이용된다.게이트 부근의 센서를 사용하면 플라스틱이 캐비티에 들어가는 시점과 압력을 알 수 있으며, 이 정보를 사용하여 압력 손실(노즐에서 게이트까지), 충전(Pack) 속도 및 게이트 고화(보압이 해제될 때 손실되는 압력)를 포함한 다양한 데이터를 얻을 수 있다. 또한, 이 위치의 센서는 Decoupled III 성형법에 이용되는 캐비티 압력을 얻는 데에 사용된다.간혹 제품의 중앙부(Mid-Cavity)에 센서를 설치하기도 하며, 이 센서는 자동차 패널과 같은 큰 부품에서 밸브 게이트의 여닫음(Open/Close) 시기를 조정하는 데에 사용되기도 한다. 이 위치의 센서는 일반적으로 캐비티의 평균 압력을 나타낼 수 있고, 충진 말단 부위에서 이젝터 핀을 사용할 수 없는 경우에 차선책으로 이용되며, 매우 작은 부품에 적합하다.유동 말단의 센서는 캐비티 압력 데이터를 사용하여 미성형과 같은 불량 부품을 자동으로 분류하는 데 사용되며, 게이트 부근의 센서와 함께 사용할 때 부품을 채우는 데 필요한 압력 손실을 모니터링할 수 있다. 또한, 반결정성 폴리머에서 중요한 플라스틱의 냉각 거동을 관찰할 수 있다.영향 영역(Influence Area)아래의 [그림 132]에서와 같이 센서는 사출 공정의 변화가 가장 잘 감지되는 영역(Area)에 설치되어야 하며, 이를 위하여 사출성형 시뮬레이션 프로그램을 사용하기도 한다.금형의 내압을 측정하는 센서의 개수는 일반적으로 게이트 부근과 유동 말단부를 포함하는 2개 이상으로 하는 것이 일반적이나. 다수의 캐비티(Multi-Cavities)를 가지는 금형의 경우에는 센서 개수의 증가로 인하여 초기 투자비용이 상승한다는 단점이 있다. 이런 경우에 다음과 같은 개념으로 센서의 개수를 줄이는 것이 좋다.다수 캐비티를 가지는 Cold-Runner 금형에서의 센서 위치와 최소 설치 개수아래의 [그림 133]에서와 같이 가장 먼저 충진되는 캐비티의 게이트 부근과 가장 늦게 충진되는 캐비티의 유동 말단부를 선정하여, 두 개의 센서를 설치한다. 게이트 부근에 설치된 센서는 공정 제어에 사용하며, 유동 말단부에 설치된 센서는 제품 불량 관련 모니터링에 이용한다. 미세한 차이에 의하여 변화가 발생하는 캐비티의 충진 불균형은 시뮬레이션을 통하여 확인하기에는 무리가 있는 경우에는 시사출을 통하여 확인 후에 센서를 설치하는 것이 좋다.다수 캐비티를 가지는 Hot-Runner 금형에서의 센서 위치와 최소 설치 개수아래의 [그림 134]에서와 같이 평균 순위로 충진되는 캐비티의 게이트 부근과 모든 캐비티의 유동 말단부를 선정하여, 센서를 설치한다. 게이트 부근에 설치된 센서는 공정 제어에 사용하며, 유동 말단부에 설치된 센서는 제품 불량 관련 모니터링에 이용한다. Hot-Runner를 사용하는 금형의 각 캐비티는 Cold- Runner와 다르게 각각의 캐비티의 충진 양상이 개별적으로 진행되기 때문에 서로 간의 영향이 매우 적어 다른 캐비티의 센서로 연관성을 찾기는 매우 어려움으로, 양산품질관리를 위해서는 캐비티 수 만큼의 센서가 유동 말단 부위에 설치되어야 한다.3.2 센서(Sensor)의 설치압력 센서의 가장 일반적인 설치 스타일은 플러시 마운트(Flush Mount)와 버튼(Button), 또는 직접식(Direct)과 간접식(Indirect)으로 나누며, 직접식으로 설치된 센서는 캐비티 블록에 장착되어 감지 표면이 플라스틱과 접촉한다. 간접식으로 설치된 센서는 캐비티에서 떨어져 장착되며, 압력은 이젝터 핀(Ejector-Pin), 전송 핀(Transfer-Pin), 고정핀 또는 이젝터-슬리브(Ejector-Slave)를 통해 센서로 전달된다. 센서 스타일의 선택은 원하는 캐비티 위치에서 이젝터 핀의 가용성, 센서에 사용할 수 있는 공간, 금형 온도 등 여러 요인에 따라 달라진다. 금형 제작이 완료되고 시사출 후에 설계의 변경 등으로 인하여 형상 변경이 이루어질 가능성이 있는 금형에는 버튼(Button) 타입의 센서를 설치하는 것이 바람직하다. 이는 캐비티의 수정이 이루어질 때 이젝터 핀의 상단면을 함께 가공하거나 새로 교체하기가 쉽기 때문이다.수십 년간의 센서 설치, 고객 피드백 및 내구성 테스트 결과에 의하면, 센서를 형체판(Clamping Plate)에 장착하고 압력을 전달하기 위해 전송 핀(Transfer-Pin)을 사용하는 것이 가장 좋은 방법이며, 이에 따른 몇 가지 이점은 다음과 같다.• 금형의 작동, 또는 유지보수 작업으로 인하여 센서가 손상될 가능성이 적음• 접근성이 양호하여 유지보수 용이• 센서에 대한 열 노출 최소화• 이젝터 플레이트의 움직임 및 충격에서 자유로워 센서의 수명 향상버튼(Button) 타입의 센서를 사용하는 경우에는, 이젝터 핀의 상단 면적 또는 원형인 경우에는 직경에 대한 정확한 값을 모니터링 시스템에 입력하여야 한다. 이는 센서에서 측정된 힘으로 캐비티 내의 압력을 계산하기 때문이며, 또한 금형에 따라 이젝터의 크기가 사용자 또는 제작자 임의로 결정되기 때문이다. 캐비티 온도(Cavity Temperature) 센서를 사용하여, 유동 선단이 캐비티의 특정 영역을 통과하는 시간을 감지할 수 있으며, 플라스틱이 그 위로 흐르면 온도가 빠르게 상승하기 때문이다. 이 온도 센서가 각 게이트 가까이에 있을 때 순차적 밸브 게이트의 개방 시간을 측정하는 데 사용되기도 한다. 반결정성(Semi-Crystalline) 재료를 사용한 부품의 경우에 냉각 환경의 변화가 치수(Dimension)에 많은 영향을 끼침으로, 캐비티 온도 센서를 이용하여 금형 표면 온도의 변화를 측정하고, 이를 통하여 양산품질 관리에 필요한 상/하한 기준으로 활용할 수 있다.3.3 그래프(Graph) 분석양산품질관리에서 가장 중요한 작업은 센서에서 얻어지는 그래프에서 품질관리에 필요한 데이터(값)를 선정하고 분석하여 관리하는 일이다. 그러므로 각 곡선에서 얻어지는 데이터 값들에 대한 이해가 요구되며, 이러한 값들의 변화가 제품 품질에 어떠한 영향을 끼치는지를 고민할 필요가 있다. 위치 센서(Stroke Sensor) 데이터아래 [그림 138]에서의 검은색 곡선은 위치 센서(Stroke Sensor)에서 얻어지는 시간에 따른 Screw 위치를 나타내며, 각각의 변곡점, 기울기 등은 사출기의 동작과 매우 긴밀한 관계를 가진다. 적절한 곡선 데이터를 얻기 위해서는 위치 센서가 스크류 최대 전진 위치를 인식할 수 있도록, 보정하는 작업을 필수적으로 수행하여야 한다. 이러한 작업이 완료되면 그래프의 Y축 최대치는 자동으로 스크류 최대 전진 위치(Screw bottom)로 설정된다.(* 위의 작업을 수행하지 않는 경우에, 모니터링 시스템은 쿠션량(Cushion)을 자동으로 계산할 수 없다.)위의 그림에서의 각각의 위치나 구간들은 다음과 같은 의미를 가지며, 이를 통하여 사출기의 동작에 대한 설정값(Setting Value)이 아닌 실제 동작 값에 대한 데이터를 얻을 수 있다.A 위치: 스크류 최대 전진 위치 (Screw Bottom)A to B: 쿠션량(Cushion)C 위치: V/P절환 위치B to D: 최종 사출량(Shot Size)D to E: 감압(Decpmpression) 거리유압 센서(Hydraulic Pressure Sensor) 데이터아래 [그림 139]에서의 빨간색 곡선은 유압 센서(Hydraulic Sensor)에서 얻어지는 시간에 따른 사출기 유압의 변화를 나타내며, 각각의 변곡점, 기울기 등은 사출기의 유압 시스템과 밸브의 동작과 성능에 따라 변화한다. 적절한 곡선 데이터를 얻기 위해서는 유압 센서가 압력이 ‘0’인 상태를 인식할 수 있도록, 보정(Calibration)하는 작업을 필수적으로 수행하여야 한다. 위의 그림에서의 각각의 위치나 구간들은 다음과 같은 의미를 가지며, 이를 통하여 사출기의 동작에 따른 압력의 변화 값과 사출기의 성능 판별에 필요한 데이터를 얻을 수 있다.A: 사출기의 최대 사출압C: 사출기의 보압(Holding Pressure) B to D: V/P 절환 전이 구간-사출기의 압력 응답 성능(Pressure Response) 관련 데이터E: 사출기의 배압(Back Pressure)* 압력 응답성은 사출기의 성능을 판별하는 매우 중요한 항목으로 A에서 C까지의 압력 차이를 전이 발생 구간의 시간으로 나누어 계산하며, 전이 구간의 진폭(B to D)은 유압과 밸브 시스템의 성능과 직결된다.[그림 140]에서 충진(Fill) 구간에서의 사출압(유압) 곡선의 면적을 유효 점도(Effective Viscosity)라고 하며, 이러한 데이터는 모니터링 시스템에서 자동으로 계산된다. 유효 점도 값을 이용하여, 사출기로 공급되는 재료의 일관성(Consistency)을 모니터링할 수 있다. 시간(Time)의 변화에 따른 데이터아래 [그림 141]에서의 유압 센서(Hydraulic Sensor), 위치 센서(Stroke Sensor) 그리고 내압 센서(Cavity Pressure Sensor)의 곡선에서 얻어지는 시간(Time) 값은 사출기 동작과 금형 내에서의 유동의 변화를 예측하는 유용한 데이터를 제공한다. 위의 그림에서의 각 시간이나 시간의 구간들은 다음과 같은 의미를 가지며, 이를 통하여 사출기와 금형에서의 현상을 파악하고, 이를 사출기의 유지보수나 제품의 품질관리에 필요한 데이터로 사용한다.0 to A: 스프루/런너 충진시간(Sprue/Runner Fill Time)0 to B: 사출기 충진시간(Machine Fill Time)A to C: 캐비티 충진시간(Cavity Fill Time)C to D: 캐비티 충전시간(Cavity Pack Time)B to E: 사출기 보압시간(Machine Hold Time)E to F: 사출기 스크류 회전 연기 시간(Screw Rotation Delay Time)F to G: 사출기 계량시간(Screw Run Time)‘H’ 부근에서 스크류 위치 변화가 과도하게 일어나는 경우에는 다음과 같은 원인에 의하여 발생함으로 원인을 파악하여, 적절한 조치를 취해야 한다. 특히 핫런너 금형에 압축성이 높은 재료를 사용하는 경우에는 메니폴드(Manifold)에 과도한 압력이 오랜 시간을 작용하지 않도록 적절한 보압과 보압시간을 설정하는 것이 바람직하다.1. 체크링(Checking-Ring)이나 사출기 실린더의 마모2. 금형의 런너(Runner)나 스프루(Sprue)의 과도한 체적3. 핫런너(Hot-Runner) 사용 시‘K’를 압력 응답시간(Response Time)이라고 하며, 사출기의 성능을 판단하는 중요한 항목이다. 이는 응답시간을 압력의 변화로 나눈 값을 말하며, (T1-T2)/[(P1-P2)/10,000]로 계산되는 값이 0.2sec/1000psi 이하인 경우를 사출기의 성능이 적절하다고 판단한다. 내압 센서(Cavity Pressure Sensor) 데이터아래 [그림 142]에서의 빨간색 곡선은 유압 센서(Hydraulic Sensor)에서 얻어지는 사출기의 유압 또는 사출압의 변화를 나타내며, 파란색 곡선은 내압 센서(Cavity Sensor)에서 얻어지는 캐비티 압력의 변화를 보여준다. 사출기의 일정한 동작에 의하여 동일한 사출압을 보여주나, 내압은 매우 변화가 심함을 알 수 있으며, 이것은 금형 내에서 측정된 데이터를 이용해야 더욱 적절한 제품의 품질관리가 이루어질 수 있음을 설명한다.양산 공정에서 발생하는 이러한 무작위 변동(Random Variation) 현상은 아래 요인에 의하여 발생하며, 결과적으로 내압의 변동에 영향을 주어 제품의 품질을 변화하게 한다.(1) 일정하지 않은 재료의 물성(* 점도)(2) 핫런너의 불안정성(3) 게이트와 런너에서의 불안정한 유동 및 냉각(4) 균일하지 않은 계량(Melting & Mixing)(5) 실린더 또는 핫런너 메니폴드(Manifold)에서의 일정하지 않은 체류 시간(Residence Time)(6) 온도 및 습도의 변화 등…PST(게이트 근처) 위치에 내압 센서를 설치하면 위 [그림 143]의 녹색 곡선을 얻을 수 있으며, EOC (유동 말단 근처) 위치에 내압 센서를 설치하면 아래 [그림 144]의 파란색 곡선을 얻을 수 있다. 게이트 부근의 센서는 충진(Fill) 공정부터 전 공정에 걸쳐 압력 변화를 감지할 수 있으나, 유동 말단부의 센서는 충전(Pack)이 시작되는 시점에서부터 압력의 변화를 보여준다. 이 두 개의 곡선에서 각각의 최대 압력(Peak Pressure), 충전속도(Pack Rate), 냉각속도(Cooling Rate)를 얻을 수 있으며, 각 값의 차이가 클수록 제품이 균일하지 못하게 된다. 특히 최대 압력(Peak Pressure) 값은 유동 공정에서 발생하는 미 충진, 불균일한 패턴 전사 등과 같은 외관 불량을 선별하는 데에 기본으로 사용된다. 또한, 곡선의 아래 면적(Integral)으로 충진(Fill) 적분, 충전(Pack) 적분, 냉각(Cooling) 적분 값을 얻어 제품이 각각의 공정과 전 과정에서 총 압력이 작용하는 정도를 비례적으로 계산된다. 플라스틱은 다른 재료에 비하여 열전도도(Conductivity)가 낮아 냉각 시간이 매우 길며, 상온까지 냉각되는 압력의 이력이 제품의 품질에 많은 영향을 끼친다. 특히 수축(Shrinkage), 싱크 마크(sink-mark), 제품 치수, 그리고 변형(Warpage)과 같은 불량을 선별하고 모니터링하는 데에 적분(Integral) 값이 사용된다.캐비티 온도 센서가 없는 경우에도 보압(Hold) 공정에서의 압력 곡선 기울기를 이용하여, 비례적으로 냉각속도(Cooling Rate)를 계산할 수 있으며, 비결정성(Amorphous)에 비하여 반결정성(Semi-Crystalline) 재료의 수축(Shrinkage)이 냉각속도에 민감함으로 캐비티 온도 센서가 없는 경우에 필수적으로 모니터링해야 한다.기울기(Slope)는 재료의 열전도도, 제품의 두께, 금형 온도, 재료의 용융온도에 의하여 변화함으로, 문제 발생 시에 변동성이 있는 항목(금형/용융온도)의 변화에 주목하여야 한다.… 2020년 핸들러 12월호에서도 [양산품질관리] 편이 계속되며, 이번 호에서 기술된 내용과 연계하여 품질과 그래프(Graph)의 상관관계, 양산품질관리 전략과 방법 등을 다루고자 한다.

취재부 2020-11-06

생기원, 10월 16일 시흥뿌리기술센터에서 항우연과 업무협약 체결

- 생기원이 3D프린팅 부품 제조, 항우연이 제작부품 실증평가 역할 분담항공우주부품은 그 기능이 고도화됨에 따라 형상이 복잡해지고 경량화가 요구되면서 3D프린팅 등의 첨단 제조기술 적용이 확대되고 있다. 세계적 항공기업 보잉(Boeing)사는 공기공급 배관, 제너럴일렉트릭(GE)은 터빈 블레이드, 유나이티드 테크놀로지스 코퍼레이션(UTC)는 항공기 엔진 등 핵심 부품 제작에 3D프린팅 기술을 접목하고 있다. 반면 국내 항공우주산업 분야에서는 기술 활용도가 상대적으로 떨어져 공공연구기관 주관의 시범사업 추진을 통한 활성화가 필요한 시점이다.한국생산기술연구원(원장 이낙규, 이하 생기원)과 한국항공우주연구원(원장 임철호, 이하 항우연)이 3D프린팅 및 첨단 제조기술을 활용해 항공우주부품 공동개발 및 관련기업 지원에 힘을 모으기로 하고, 10월 16일(금) 업무협약을 체결했다. 생기원 시흥뿌리기술센터에서 열린 이날 행사에는 협약기관 대표인 이낙규 생기원장, 임철호 항우연장을 비롯해 생기원 문경일 공정지능연구부문장, 손용 3D프린팅제조혁신센터장, 항우연 박재성 미래발사체연구단장 등 관계자 10여 명이 참석했다. 생기원은 이번 협약을 계기로 뿌리기술센터를 제조혁신의 전초기지로 삼아 보유한 첨단 뿌리기술과 3D프린팅 기술을 기반으로 항공우주부품 제조 자립 및 3D프린팅 산업 저변 확대에 기여하겠다는 구상이다.양 기관은 기술협력을 위해 각각 역할을 분담했다. 생기원 3D프린팅제조혁신센터에서 산업용 3D프린터 장비와 기술인력을 활용해 부품을 만들면, 항우연이 제작된 부품에 대한 실증평가방안을 마련하겠다는 계획이다. 이를 위해, 생기원에서는 2021년도까지 항공우주부품 제작에 적합한 산업용 3D프린터를 경기도 시흥시 및 대전 테크노파크에 위치한 3D프린팅제조혁신센터 2곳에 구축해 3D프린팅 제작 및 실증평가기술을 지원한다.한편 항우연에서는 발사체 연소기, 추진체 고압 탱크를 비롯한 3D프린팅 수요부품을 발굴하고 그에 맞는 평가방안을 제시한다. 해당 부품에 3D프린팅 기술이 적용될 경우, 별도의 조립작업 없이 일체형으로 제작 가능해짐에 따라 공정을 단순화할 수 있으며, 제작 비용과 시간도 크게 감축할 수 있을 것으로 기대된다.생기원 이낙규 원장은 “국내 항공우주부품 제조 자립을 위해서는 최근 14대 뿌리기술로 선정된 3D프린팅 기술을 접목해 공정을 혁신하는 것이 필수 불가결한 일”이라고 밝히며, “향후 항우연과 협업체계를 강화하는 한편, 항공우주부품 제조기업들이 필요로 하는 기술지원에 힘쓰겠다”고 말했다.문의: 한국생산기술연구원 공정지능연구부문 손용 박사

편집부 2020-10-21

기계연, 만능 그리퍼로 언택트 시대를 위한 로봇기술 확보

편집부 2020-10-20

생기원, 고성능 수전해 촉매 개발로 그린뉴딜 선도한다.

- 기존 백금 소재보다 60%가량 저렴, 수소 생산효율 10% 더 높여- 「Advanced Functional Materials」 9월 표지 논문 게재한국생산기술연구원(원장 이낙규, 이하 생기원)이 건국대학교와 함께 기존 백금 소재보다 60%가량 저렴하면서 수소 생산효율을 향상시킨 새로운 수전해 촉매 소재 개발에 성공했다.이번 연구성과는 2020년 9월 소재 분야 해외 유명저널인 ‘Advanced Functional Materials’(Impact Factor:16.836)의 표지 논문으로 선정돼 온라인상에 게재됐다. 생기원 기능성소재부품연구그룹 김강민 박사와 건국대 한혁수 교수가 공동개발한 고효율 저단가 수전해 촉매 기술이 지난 9월 ‘Advanced Functional Materials’ 표지 논문에 게재됐다.수소는 지역적 편중 없이 세계적으로 풍부하고 보편적인 친환경 에너지 자원이지만, 물이나 유기화합물 형태로만 존재해 별도의 분리 기술 연구가 선행되어야 한다.현재 대부분의 수소는 석탄이나 석유, 천연가스와 같은 화석연료로부터 분리해내는 방식을 통해 주로 생산되고 있는데, 제조단가는 저렴한 반면, 생산과정에서 온실가스를 배출하고 환경오염을 유발한다는 단점이 있다. 그에 반해 수전해 기술은 물을 전기 분해해 수소를 생산하는 기술로, 제조공정이 친환경적이어서 최근 연구개발이 매우 활발한 분야이다. 하지만 현재 기술력으로는 수전해 수소 생산에 백금과 같은 고가의 귀금속 기반 촉매를 필요로 해 상용화에 어려움을 겪고 있다.생기원 기능성소재부품연구그룹 김강민 박사와 건국대학교 미래에너지공학과 한혁수 교수가 이끄는 공동연구팀은 수전해 기술 상용화의 핵심이 고효율 저단가 촉매 개발에 있다고 보고 함께 연구를 진행했다.수전해 촉매 효율 향상을 위해서는 전기분해가 잘 될 수 있도록 전기전도도가 우수해야 하고 촉매 표면의 흡착 기능도 뛰어나야 한다. 연구팀은 먼저 촉매 표면에 화학적 표면 식각(蝕刻) 공정*을 적용해 전기전도성이 우수한 니켈보라이드(Ni2B)와 반응물 흡착에 유리한 니켈하이드록사이드(Ni(OH)X)를 동시에 형성할 수 있는 원천기술을 개발했다. * 화학약품의 부식작용을 응용한 표면가공 방법그리고 이를 기반으로 효율적인 촉매 반응을 일으킬 수 있도록 전하 전달과 표면 흡착을 한 번에 최적화시킬 수 있는 새로운 촉매 소재 설계 패러다임을 제시했다. 이 방식으로 제조된 촉매를 사용할 경우, 기존 귀금속 촉매에 상응하는 내구성에 수소 생산효율도 10%가량 높일 수 있으며, 촉매 가격은 기존 대비 약 40% 수준으로 절감될 것으로 예상된다.생기원 김강민 박사는 “수소 촉매뿐만 아니라 배터리·연료전지·슈퍼 캐패시터(Super-Capacitor)* 등 에너지 전환 및 저장 소자에도 적용할 수 있는 기술”이라고 밝히며, “수소산업 생태계 조성 및 그린뉴딜 선도에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.* 전자회로에서 전기를 일시적으로 저장하는 축전 장치한편, 본 연구는 한국연구재단이 지원하는 개인 기초연구 지원 사업으로 2019년 11월부터 2020년 10월까지 1년 동안 진행됐다.문의: 한국생산기술연구원 기능성소재부품연구그룹 김강민 박사(033-649-4025 / 010-4310-9311 / kmkim@kitech.re.kr)

편집부 2020-10-20

그래핀 잇는 신소재 ‘흑린’의 ‘나노 주름’ 생성 과정 첫 포착! UNIST 권오훈 교수팀, 초고속 전자현미

- 빛을 이용한 흑린의 물성(物性) 제어 연구에 기여… ACS Nano 논문 게재차세대 전자소자의 새로운 소재 물질로 주목받고 있는 흑린(검은색 인)이 외부 빛에 반응해 주름(나노 주름)처럼 구겨지는 전 과정을 최초로 포착한 연구가 나왔다. 흑린은 꿈의 신소재라 불리는 그래핀을 잇는 2차원 소재로 주목받고 있다. 이번 연구는 흑린의 ‘나노 주름’에 의해 파생되는 전기적·광학적 특성을 제어하는 데 도움이 될 것으로 기대된다.UNIST (총장 이용훈) 화학과의 권오훈 교수팀은 흑린(Black phosphorus, P)에 섬광을 비추는 방법으로 흑린 내부의 미세구조가 변형되는 전 과정을 포착하는 데 성공했다. 흑린은 전자소자나 나노 스케일 미세기계(NEMS) 재료로 주목받는 물질이다. 전기적 특성을 쉽게 바꿀 수 있어야 이러한 소자 재료로 쓸 수 있는데, 흑린은 외부자극으로 미세구조가 변형되면 전기적 특성이 바뀌는 특이한 성질이 있기 때문이다.* 흑린(인): 삐뚤빼뚤한 육각 벌집 구조(puckered honeycomb structure)를 가진 대표적인 비등방성(anisotropic) 2차원 반도체 물질. 성냥 머리에 쓰이는 적린(붉은 인)이나 폭약에 쓰이는 백린보다 상온에서 안정하다. 단순 육각 벌집 구조인 그래핀(탄소)보다 전기전도성이 높을 뿐만 아니라 그래핀과 달리 에너지 밴드갭(전기적 특성)을 조절할 수 있다는 장점이 있다.* 섬광: 짧은 순간 반짝이는 빛(레이저)권오훈 교수는 “이번 연구는 흑린의 독특한 원자 배치구조(비등방성) 때문에 발생하는 다양하고 특이한 성질(전기·열 전도성, 광학적 성질 등)을 빛을 이용해 아주 짧은 시간 단위로 조절할 수 있다는 것을 보였다는 점에서 실증적으로도 가치 있는 연구”라고 평했다.* 비등방성(anisotropy): 물체의 물리적 성질이 방향에 따라 다른 성질. 흑린은 특정 방향으로 원자 배치가 더 빼곡하다.흑린의 빛에 의한 열팽창 구조 변화. 초고속 투과전자현미경을 이용해 2차원 흑린의 나노 주름을 시공간 동시 이미징을 통해 4차원 재구성하였다. 특히, 흑린의 비등방적 원자 배열에 기인하여 나노 초 레이저 조사 후 열팽창 시 흑린의 지그재그(zigzag) 방향(원자 배열이 빼곡한 방향)으로는 나노 주름이(bulging), 이에 수직인 암체어(armchair) 방향(원자 배열이 느슨한 방향)으로는 넓게 부풀어 오르는 형태(swelling)로 반응한다는 것을 밝혀냈다.흑린이 외부자극에 반응해 순간적으로 구조가 변하는 모습을 직접 관찰한 연구는 아직 없었다. 빛의 강한 에너지로 나노미터 수준의 구조 변형을 일으키기 때문에 변형이 일어나는 순간을 포착하기 힘든데 다, 원자 수준으로 얇은 흑린의 미세한 구조 변화를 보기 위해서는 특별한 관찰법이 필요했기 때문이다.연구진은 빛을 외부자극으로 써 흑린의 미세구조가 실시간으로 바뀌는 모습을 관찰했다. 짧은 순간의 반응을 포착하는 데는 ‘초고속 전자현미경’을 이용했다. 초고속 전자현미경은 ‘초고속 촬영 카메라’처럼 아주 짧은 시간(최대 10~13초, 100펨토초) 간격으로 원자 수준의 움직임을 끊어 찍을 수 있다. 초고속 전자현미경으로 얻은 2차원 이미지를 입체적(3차원)으로 재구성한 뒤 시간 단위로 이어 붙여 흑린이 외부자극에 반응해 내부 미세구조가 바뀌는 전체 과정을 얻었다.* 초고속전자현미경: 투과전자현미경에서 ‘빛’ 역할을 하는 전자빔의 시간분해능(촬영 간격)을 피코초 단위로 높인 전자현미경이다.4차원(3차원 공간+시간) 이미지로 재구성된 흑린 나노 주름 형성. A, 흑린의 지그재그 및 암체어의 각 원자 배열 축을 따라 2차원 시간 분해 암시야 이미지로부터 재구성된 4차원 이미지. B, 각 축을 따라 재구성된 이미지의 합으로부터 도출된 흑린 나노 주름의 전체 형상.이를 통해 흑린을 구성하는 인(P) 원자가 더 빼곡하고 탄탄하게 쌓여있는 방향으로 구조 변형이 잘 생긴다는 사실을 발견했다. 원자가 빼곡하게 쌓여있는 방향으로 나노 주름이 더 잘 만들어진 것이다. 피부는 탄력이 있을수록 주름이 잘 생기지 않는데 흑린에서는 상반되는 현상 나타났다.시간 분해 암시야(dark-field) 이미징. A, 흑린의 지그재그 또는 암체어 방향의 원자 배열로 만들어진 전자 회절 패턴(electron diffraction pattern)으로부터 시간 분해 2차원 암시야 이미지를 얻어내었다. B, 원자 간력 현미경 이미지 (atomic force microscope image)를 통해 시료 기판의 구멍 부분에 매달린 형태의 2차원 흑린 구조를 토대로 4차원 구조 재구성을 구현할 수 있었다. C, 시간 분해 암시야 이미징을 통해 나노 초 시간 영역에서 일어나는 흑린의 비등방적 나노 주름을 지그재그 및 암체어 방향에서 각각 직접 관측하였다.특히 이번 연구는 초고속 전자현미경을 이용한 ‘암시야 이미징’(Dark field Imaging) 기법을 적용했다. 암시야 이미징은 전자빔이 물질 내부를 구석구석 통과하면서 얻은 정보를 모아 이미지를 구성하는 방법인데, 짧은 순간을 포착하는 데 쓰기에는 어려운 기법이다. 전자빔의 세기가 너무 약해 카메라의 ‘필름’ 역할을 센서가 빔을 잡아내지 못하기 때문이다.연구를 주도한 김예진 UNIST 화학과 박사과정 연구원은 “2차원 물질의 구조 동역학 관찰에 암시야 이미징 기법을 최초로 적용한 연구”라며, “국내 유일 전자 ‘직접검출 카메라’를 활용해 암시야 이미징 기법을 쓸 수 있었다”고 설명했다.이번 연구 결과는 나노 분야 국제학술지인 ACS Nano에 9월 23일 자로 출판됐다. 연구 수행은 한국연구재단과 기초과학연구원(IBS), 삼성종합기술원의 지원을 받아 이뤄졌다.* 논문명: Light-Induced Anisotropic Morphological Dynamics of Black Phosphorus Membranes Visualized by Dark-Field Ultrafast Electron Microscope자료문의: 화학과_ 권오훈 교수(052)217-5424

편집부 2020-10-19

물과 햇빛만으로 ‘그린 수소’ 만든다! UNIST 이재성 교수팀, 태양광 수소생산 시스템용 이중기능성 광촉

- 수소생산 에너지 소모 낮추고 생산량은 늘려… Nature Comm. 논문 게재물과 햇빛만으로 청정연료인 수소를 생산하는 시대가 가까워졌다. 더 이상 화석연료를 쓰지 않고서도 청정 수소를 생산할 수 있는 광(光)촉매가 개발되고 있기 때문이다.* 광촉매: 빛을 받아 높은 에너지를 가진 광전자와 전공을 발생시켜 물을 분해하여 수소와 산소를 만들거나 유해 물질을 분해하여 환경오염을 방지하게 하는 반도체 물질.UNIST (총장 이용훈) 에너지화학공학과의 이재성 교수팀은 태양광과 물로 수소를 만들 수 있는 광촉매의 성능을 개선한 연구 결과를 발표했다. ‘태양광 수소생산 시스템’의 전극을 구성하는 광촉매는 태양광 에너지를 흡수해 물(H2O)에서 수소(H2)를 만든다. 이번에 개발된 촉매는 수소생산에 필요한 에너지 소모는 낮추고 동시에 생산량은 늘리는 이중기능성이 있어 수소생산 효율이 높다. 태양광 수소생산 시스템의 상용화 연구에서 중요한 이정표를 세웠다고 평가되는 이유다.* 수소생산효율(태양광전환효율): 정해진 면적에 도달하는 태양에너지 중 수소생산에 쓰인 비율. 생산된 수소의 양을 입사(쪼여진)하는 태양에너지의 양으로 나누어서 계산함. 소모되는 에너지가 적고 수소 생산량이 많으면 태양광전환 효율이 올라간다.청정연료라고 여겨지는 수소는 대부분 천연가스와 같은 화석연료를 개질(改質)시켜 얻는다. 그러나 화석연료로 수소를 생산하는 과정에서 지구온난화를 일으키는 이산화탄소가 발생하는 역설이 있어 일명 ‘그레이 수소’라 불린다. 물과 같은 무궁무진한 원료와 재생에너지를 이용해 ‘그린 수소’를 생산하는 방법이 있지만, 아직 가격경쟁력이 부족하다. 이 때문에 생산에 소모되는 에너지를 낮추고 수소 생산량은 늘릴 수 있는 값싼 촉매가 필요하다.개발된 촉매의 구조 및 수소 생성 반응 모식도. 코어-쉘 나노막대 구조의 산화철 광촉매 전극이 햇빛을 흡수하여 광전자(photoelectron, 음전하)와 전공(hole, 양전하)을 생성하고 이들이 물을 분해하여 수소(H2)와 산소(O2)를 만드는 과정을 보여주는 모식도이재성 교수팀은 산화철을 ‘코어-쉘’(core-shell) 이중구조로 만드는 방법으로 에너지 소모는 줄이면서 동시에 수소 생산량을 늘리는 가격경쟁력을 확보했다. 에너지 소모를 나타내는 반응 개시전압은 일반 산화철 전극에 비해 270mV(밀리 볼트)만큼 떨어지고, 수소 생산량을 나태는 지표인 전류밀도는 기존 산화철 촉매보다 66.8% 증가했다. 앞서 개발된 대부분 촉매가 둘 중 하나에서만 성과를 보여온 한계를 극복한 것이다.촉매 물질로 사용된 산화철(Fe2O3)은 녹슨 철에서 볼 수 있는 붉은 물질이다. 가격도 저렴하고 구하기도 쉽다. 또 흡수할 수 있는 태양광의 파장 대역도 넓다. 하지만 내부의 전하(전자) 전달 문제 때문에 실제 이 촉매를 썼을 때 수소생산 효율이 높지 않았다.연구팀은 산화철을 이중구조로 만들어 물질 내부 전하 전달 문제를 개선한 고효율 촉매를 개발했다. 탄탈럼(Ta)이 도핑(첨가)된 산화철 중심부(Core)를 도핑되지 않은 산화철 껍질(Shell)이 감싸고 있는 구조다. 마치 연필과 같은 구조의 나노 막대이다. 이 막대 입자들을 도자기 만들듯 구워(소결) 광촉매로 이뤄진 전극을 만들었다. 소결 반응에서 흑연과 같은 마이크로웨이브 흡수체를 써 단시간 동안 높은 온도에서 소결이 가능하다.* 도핑(Doping): 반도체 물질의 전하 전달 속도를 높이기 위하여 소량의 다른 원소를 반도체 격자(물질의 원자구조) 내에 도입하는 것이재성 교수는 “추가적인 연구를 통해 상용화의 분기점인 수소생산 효율 10%를 달성하는 것이 목표”라며, “이번에 개발된 촉매로 이러한 목표에 한 발짝 더 다가서게 됐다”고 연구 의미를 전했다. 한편, 이재성 교수는 태양광 수소생산을 20여 년간 연구해온 이 분야 석학이다. 이 교수 연구팀은 과학기술정보통신부의 기후변화대응 사업의 지원을 받아 앞으로 5년 내에 이 기술을 ‘태양광 수소차 충전소’에 적용하기 위한 실증 연구를 수행 중이다.UNIST 에너지화학공학과 허민 짱(Hemin Zhang) 연구교수, UNIST 연구지원본부 정후영, 신태주 교수, 중국 대련 물리화학 연구소(DICP)의 씨우리 왕(X. Wang), 홍씨엔 한(H. Han), 찬 리(C. Li) 교수가 참여한 이번 연구는 국제학술지인 Nature Communications에 9월 15일 자로 공개됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부(장관 최기영)가 추진하는 기후변화대응 사업과 중견연구자지원 사업을 통하여 이루어졌다.* 논문명: Gradient tantalum-doped hematite homojunction photoanode improves both photocurrents and turnon voltage for solar water splitting자료문의: 에너지화학공학과: 이재성 교수_(052)217-2544

편집부 2020-10-19

‘온실가스’(메탄, 이산화탄소)로 수소 만드는 촉매 개발 UNIST 김건태 교수팀, 기존 촉매 성능과 안정성

- 철 박막으로 촉매 표면 재생 촉진… Science Advances 게재온실가스인 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2)를 고부가가치 수소(H2)로 바꿔주는 새로운 나노 촉매가 개발됐다. 이 촉매는 기존의 전극 촉매보다 메탄-수소 변환 효율이 2배 이상 뛰어나 다양한 에너지 변환 기술 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다.UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 김건태 교수팀은 온실가스인 메탄과 이산화탄소로 수소와 일산화탄소(CO)를 만드는 반응(메탄 건식 개질 반응)에 쓰이는 촉매의 성능과 안정성을 강화할 방법을 개발했다.* 일산화탄소(CO): 산업에서 사용되는 화합물 및 연료 생산을 위한 원료로 사용된다.메탄 건식 개질 반응에는 니켈(Ni) 금속 복합체 촉매가 주로 쓰였다. 하지만 이 촉매는 오래 쓸 경우 성능이 떨어지고 수명도 짧다. 고온에서 촉매끼리 뭉치거나 반응이 반복되면 촉매 표면에 탄소가 쌓이기 때문이다.극대화된 이온 위치 교환 현상(Topotactic Ion Exchange) 모식도(A)는 기존 스마트 촉매의 자가 재생(exsolution) 과정이고, (B)는 이온 위치 교환 현상을 이용한 스마트 촉매 자가 재생 과정인데, (B)의 경우 외부에 균일하고 미세하게 원자층 증착된 철 막(layer)이 자리 교체 용출 현상을 더욱 촉진한다. 결과적으로 촉매 역할을 하는 니켈이 전극(연료극) 표면으로 올라온 수가 급증했다.연구팀은 니켈(Ni, 촉매 역할을 하는 핵심물질)이 표면으로 더 잘 올라오게 하는 방법을 고안해 문제를 해결했다. 철(Fe)을 복합체 촉매 표면에 얇게 입힌 것이다. 니켈은 복합체 밖으로 나가려는 성질이 강하고 철은 안으로 들어가려는 성질이 강해 두 물질이 자리를 바꾸게 되는 원리다. 새롭게 올라온 니켈 때문에 입자 간 뭉침이나 표면에 탄소가 쌓이는 현상이 억제된다. 또 밖으로 나온 니켈이 철과 결합해 반응성이 더 좋아진다.이온 위치 교환 현상(Topotactic Ion Exchange) 투과전자현미경(TEM) 분석결과(A, B) TEM 분석결과 니켈(Ni)이 표면으로 올라오고, 철(Fe)이 내부로 들어간 걸 확인했다. EDS 분석결과, 표면에 올라온 입자는 니켈-철(Ni-Fe) 합금임을 확인했다. (C-E) 이 현상들을 더 자세히 분석하기 위해 HR-TEM 분석결과 철이 페로브스카이트 구조 격자에 위치함을 확인했다.이론(DFT; Density Fuctional Theory)을 통한 용출 에너지 및 상대적인 자리 교환 에너지 계산(A) 외부에 있는 철과 내부에 있는 니켈이 단계적으로 자리를 바꾸는 과정에 따른 계산 결과다. 두 이온의 위치 교환이 열역학적으로 안정하다는 것을 DFT 계산을 통해 확인했다. (B) 금속 종류에 따른 용출 에너지 계산 결과로, -3.32 eV의 용출 에너지를 갖는 니켈에 비해 철은 –1.45 eV로 더 낮은 용출 에너지를 갖는 것을 확인함. (C) 니켈 금속을 기준으로 금속들의 상대적인 자리 교환 에너지를 계산한 결과이다.촉매의 메탄가스 변환 특성(A,B) 가장 많은 Ni-Fe alloy를 형성한 LSTN-20C-Fe이 가장 많은 메탄 변환량을 보이며, 활성화 에너지 또한 가장 낮은 것으로 확인되었다. (C) 400시간 동안 일정한 H2/CO 비율로 안정적인 메탄 변환 성능을 보였다.제1저자인 주상욱 UNIST 에너지공학과 석‧박사통합과정 연구원은 “균일하고 미세한 철 박막을 입힐 수 있는 기술(원자층 증착법)을 이용해 ‘자리 교체 용출 현상’을 촉진시켰다”고 설명했다.* 복합체: 이번 실험에서는 페로브스카이트 구조를 갖는 복합체 촉매를 사용함. 2종류의 양이온과 1종류의 음이온을 갖는 구조다. 양이온 중 하나가 전이금속(니켈)이다.* 원자층 증착법(Atomic layer deposition): 반응물과 표면의 반응만 일어나고, 반응물 사이에는 반응이 일어나지 않아 과잉의 반응 기체가 공급되어도 단층의 원자층만 형성되는 “자가-억제(Self-limiting)” 특성을 갖고 있다. 기존 증착 기술과 달리 원자층을 한 층씩 미세하게 조절하여 박막을 성장시킬 수 있는 고도화된 기술이다.공동 제1저자인 성아림 UNIST 에너지공학과 석·박사통합과정 연구원은 “철 박막을 20회 반복해서 입혔을 때 촉매 단위 면적 당 약 400개가 넘는 나노 입자(철-니켈 합금)가 생겼고, 이 입자들은 니켈과 철로 이뤄져 촉매 반응성이 높다”고 설명했다.새로운 나노 촉매를 사용한 메탄 변환 성능은 700℃에서 70% 이상의 높은 변환효율을 보였고, 안정성에서도 400시간 이상을 유지한 결과를 보였다. 김교수는 “이는 기존 전극 촉매보다 변환효율이 2배 이상 뛰어난 것”이라며, “개발된 촉매는 다양한 에너지 변환 기술 분야에 쓰일 것”이라고 기대했다.이번 연구는 한정우 포항공대 교수, 美 펜실베니아대 존 보스(John M. Vohs), 교수, 펜실베니아대 레이몬드 고티(Raymond J. Gorte) 교수도 함께 참여했다. 연구결과는 세계적 과학저널 사이언스(Science)의 자매지인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 8월 26일(수) 온라인판에 게재됐다.* 논문명: Highly active dry methane reforming catalysts with boosted in situ grown Ni-Fe nanoparticles on perovskite via atomic layer deposition자료문의: 에너지화학공학과_김건태 교수(052)217-2917

편집부 2020-10-13

UNIST 최경진 교수팀, 유기 박막 쓴 고효율 실리콘 태양전지 최초 구현

취재부 2020-10-11