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우리 생활에 없어서는 안될 유용한 플라스틱 제품을 만드는 사출성형기 이야기 26

자료제공: LS엠트론 기술교육아카데미 (http://lsmtronacademy.com)

취재부 2020-09-02

㈜우진플라임 사출성형기 “다단 사출로 성형하라”

자료제공: 우진플라임기술교육원(http://woojinplaimm.or.kr)

관리자 2020-09-01

스마트공장(Smart Factory)을 위한 사출성형 모니터링 및 최적화 기술 6

Ⅲ. 사출성형 모니터링 시스템의 활용1. 사출기 성능점검(Machine Evaluation)많은 성형 엔지니어는 자신이 ‘자신의 기계를 안다’라고 생각하지만, 실제로는 사출기의 성형조건 변화가 사출기의 작동에 정량적으로 어느 정도 영향을 미칠 수 있는지를 파악하지 못하는 경우가 대부분이다.사출성형 공정에서 설정 조건이 아니라, 설정된 조건으로 사출기의 실제 작동결과가 중요한 것이며, 제품의 품질과 양산성에 직결된다는 점을 명심해야 한다.사출기의 성능은 사출기 제작업체의 사양서(Specification)에 의하여 평가되기도 하는데, 이는 사출기의 대략적인 용량(Capacity)을 나타내는 것임으로, 사출기의 성능(Performance), 즉 정확성, 안정성, 반복성 등의 정도를 나타내는 것은 아님을 알아야 한다. 현재 국내에서는 자체적으로 평가 항목을 정하고 평가를 실시하는 몇몇 업체들이 있으며, 해외의 평가 방법과 비교하여 가장 두드러진 차이점은 배럴 내의 수지가 없는 무부하(Unload) 상태에서 대부분의 항목을 평가한다는 점이다.국내의 평가 항목에서 사출 속도에 대한 스펙(Specification) 대비 속도 직진성(Linearity) 테스트를 실시하는 경우에 수지가 배럴 내에 없는 상태에서 단순히 실린더의 직선운동의 정확성만을 평가한다. 모든 성형공정에서는 용융재료와 금형에 의하여 유동 저항이 존재하며, 다양한 부하(Load) 상태에서 사출기가 조작자의 명령에 따라 정확하게 작동하는 지가 제품 품질과 성형성에 관련된 실제적인 성능인 것이다.예를 들어 두 대의 트럭의 성능을 비교할 때에, 짐이 없는 트럭이 평지를 달릴 때의 능력과 짐을 가득 실은 트럭이 언덕길을 올라갈 때의 능력을 비교하는 것과 매우 유사하다고 볼 수 있다.1.1 성능 평가에 필요한 기본금형 제작이 완료되면, 시사출이나 생산을 시작하기 전에, 성형에 사용되는 사출기가 제대로 작동하는지 확인해야 한다. 이러한 과정이 생략되면, 성형조건을 선정하는 데에 어려움이 발생하고 불량 발생 시에 원인 파악과 해결책 도출이 어려워진다. 다음과 같은 사출기의 성능을 판별할 수 있는 성능점검 테스트가 선행되어야 더욱 정밀하고 안정적인 생산이 이루어질 수 있다. 또한, 이를 수행하는 데에 총 2시간 이상 걸리지 않도록 간결하고 직관적인 테스트여야 하며, 이를 연간 기계 점검의 일환으로 1년에 한 번 이상 수행해야 한다. • 스크류 위치의 정확성 및 제어 • 부하 민감도 • 역류 방지 밸브 성능 • 사출 속도 선형성 및 정확도 • V/P 절환 응답성 • 배압 제어 • 온도 제어 • 형체 시스템• 안전 시스템 및 장비1.1.1 스크류 위치제어의 정확성(Accuracy of Screw Position Control)샷(Shot) 간 일관성을 달성하기 위해 사출은 동일한 양의 재료로 시작해야 하며, 이는 사출이 시작되는 위치와 충진 후에 보압(Packing) 공정으로 절환하는 위치가 매 샷마다 동일하여야 한다는 것이다.일반적으로 유압식 사출기가 전동식 사출기에 비하여, 높은 변동성을 보여주며, 그 편차가 클수록 위치제어의 알고리즘과 장치에 성능이 떨어진다고 볼 수 있다. 또 다른 중요한 (그리고, 종종 간과되는) 포인트는 스크류의 바닥(Bottom) 영점 조정이며, 사출부가 보압(Pack & Hold) 공정 중에 플라스틱에 압력을 전달하려면 쿠션(Cushion)을 유지해야 하므로, 스크류의 바닥(Bottom) 영점 조정이 정확하지 않으면, 사출기가 일관된 쿠션을 유지하지 못하여 미성형 및 치수 변화가 발생할 수 있다.1.1.2 부하 민감도(Load Sensitivity) 이 테스트는 사출기가 다양한 부하(재료 점도 변화, 열 순환 등)에서 충전 속도(시간)의 일관성을 유지하는지를 평가한다. 도로 상황이 변하더라도 차량이 일정한 속도를 유지하도록 돕기 위한 차량의 크루즈 컨트롤(Cruise Control)이라고 생각하면 된다. 부하 민감도 테스트는 여러 사출 속도 하에서 수행하며, 한 속도에서 테스트를 통과하지만 다른 속도에서는 불만족스러울 수 있다. 따라서 재품 성형에 사용하려는 속도 범위 내의 모든 구간에서 사출 속도 제어를 정확하게 유지할 수 있는지 테스트하고 확인하여야 한다. (일반적으로 세 가지 다른 속도로 테스트를 진행한다.)1.1.3 역류 방지 밸브 성능(Non-Return Valve Capability) 금형에 플라스틱을 주입할 때마다 얼마간의 소량의 재료가 밸브를 지나 누출되며, 밸브(일반적으로 슬라이드 체크링 스타일)와 배럴이 마모되기 시작하면 누출이 증가하여 공정의 변동이 발생한다. 역류 방지 밸브의 상태를 모니터링하기 위하여 정적 또는 동적 테스트(또는, 둘 다)를 수행하여 정도를 파악하는 것이 중요하며, 결과에 따라 과도하게 마모된 부품은 교체해야 한다.1.1.4 사출 속도 선형성 및 정확도(Velocity Linearity & Accuracy) 이 테스트에서는 다양한 속도에서 사출기의 사출 속도 제어 정도를 평가한다. 다만 스크류의 움직임을 가속화 하는데 걸리는 시간이 긴 경우에 테스트의 정확도가 감소할 수 있음에 주의하여야 한다.테스트 정확도를 개선하기 위한 쉬운 방법 중 하나는 사출기의 최대 스크류 이동 거리(또는, 최대 사출량)의 70~80% 이상을 사용하는 것이다. 그리고 금형 캐비티의 체적이 작아 샷 용량이 너무 작은 경우에는 감압(Decompression)을 추가하여 이동 거리를 증가시키는 편법을 쓰기도 한다. 이때 금형의 밴트(Vent)가 유입되는 추가 공기를 처리할 수 있는지 확인하여야 한다. 사출기마다 사출 감속을 처리하는 알고리즘이 상이하며, 컨트롤러 속도, 스캔 속도, 유압 밸브 응답 및 구동 기술(유압, 전기 서보 또는 하이브리드)과 같은 다른 요인들과 함께 사출기의 성능에 직접적인 영향을 준다. 이러한 요소는 V/P 절환 시 제어되지 않은 오버슈트가 얼마나 많이 발생하는지에 영향을 주며, 일반적으로 모든 전동사출기는 유압 사출기보다 오버슈트(Overshoot)가 적지만 일부 사출기 제조업체는 이러한 상태를 최소화하는데 도움이 되는 고급 유압 구동 기술을 제공하기도 한다.1.1.5 V/P 절환 응답성(Switch-over Response) 이것은 아마도 가장 미묘하고 복잡하지만, 사출기 성능 평가 테스트 중 가장 중요한 것 중 하나일 것이다.V/P 절환 시 문제는 생각하는 것보다 훨씬 더 빈번히 발생하며, 치수 제어, 미성형, 플래시 및 기타 성형 결함 문제로 이어질 수 있고, 극단적인 경우에는 금형 손상으로 이어질 수도 있다.V/P 절환 시 과도한 압력강하(Pressure Drop at Switch-Over)오래된 사출기든 새로운 사출기든 많은 사출기에서 절환 시 유동 선단 멈춤(Flow-Front Hesitation) 문제가 발생한다. 예를 들어 절환 시 압력이 21,000psi이고 보압단계에서 15,000psi를 적용하는 경우 스크류의 밀림(Bounce Back)이 종종 발생할 수 있다.소량의 스크류-밀림(Bounce Back)은 스크류가 용융물을 계속 움직이게 하기 위해 여전히 압력을 가지고 있기 때문에 유동 선단의 멈춤이 발생하지 않지만, 스크류 앞의 용융재료의 압력이 너무 많이 떨어지면 많은 스크류-밀림(Bounce Back)이 발생하여 결과적으로 유동 선단에 멈춤(Hesitation) 현상이 발생한다. 유동 선단이 멈추면 점도가 가파르게 상승하고, 재료가 더 굳어지게 되어, 스크류 앞의 보압(Packing & Holding Pressure)이 캐비티 안으로 전달되지 않는다. [그림 95]는 캐비티에서 유동 선단 멈춤(Flow-Front Hesitation)을 제공하거나 너무 많은 스크류-밀림(Bounce Back)을 제공할 수 있는 사출기의 전형적인 압력-시간 곡선을 보여준다. 이 모든 현상은 0.1 초 내에 발생하며, 이것은 절환 후 나머지 채울 캐비티 영역 근처의 복잡한 형상부나 웰드라인(Wled-Line)이 있는 부품에 심각한 문제를 발생시킬 수 있다.느린 V/P 절환 (Slow transfer at Switch-Over)충진 단계에서 보압 단계로 천천히 절환하는 것은 좋게 들릴 수 있지만, 그 시간 동안 얼마나 많은 플라스틱이 캐비티로 유입되는지를 생각하여야 한다. 이 마지막 몇 그램의 플라스틱은 [그림 96]에서 보는 바와 같이 캐비티에 날카로운 압력을 발생시키고, 금형의 파팅에 플래쉬를 일으키며, 최대 캐비티 압력을 일정하게 유지하기가 어려워져 제품 품질의 일관성(Consistancy)을 저하시키기도 한다.빠른 V/P 절환 (Fast transfer at Switch-Over)충진 단계에서 보압 단계로 빠르게 절환하는 것은 캐비티에 압력을 전달하는 데에 거의 이상적인 상황을 제공한다. [그림 97]에서 보는 바와 같이 빠른 절환은 보압 단계에서 더 둥글고 일정한 최대 캐비티 압력을 발생시킨다. 이것은 종종 견고(Robust)한 프로세스를 제공하여 일관된 부품을 만들게 하며, 이러한 프로세스는 다른 사출기로 쉽게 이전하여 적용할 수 있으나, 이 방법을 사용하려면 스크류의 체크링의 성능이 좋아야 한다.1.1.6 배압 제어(Back-pressure Control) 대부분의 성형 엔지니어들은 배압에 대하여 깊게 고려하지 않는 경우가 많으나, 배압 문제는 치수 변화, 미성형, 플래시, 검은색 반점, 색상 문제 및 기타 여러 성형 결함으로 이어질 수 있을 만큼 중요한 사항이다. 또한, 사이클 시간(Cycle Time)의 불일치 또는 연장에 영향을 미치는 인자이다.배압 제어를 평가하는 가장 좋은 방법은 사출기 컨트롤러 내에서 또는 외부 장치(예: RJG eDART 시스템)와 함께 일종의 그래픽 프로세스 모니터링 기능을 사용하는 것이다. 그래픽 화면을 사용하여 실제 배압을 계량공정에서 설정된 배압과 비교하여, 불일치가 클수록 문제가 발생할 가능성이 커진다고 예측 가능하며, 동일한 방법으로 보압 제어의 정확도를 평가할 수도 있다.1.1.7 온도 제어(Temperature Control) 사출기의 히터는 플라스틱 온도를 기준으로 하는 것이 아니라 배럴에 위치한 열전대에서 측정한 온도를 기준으로 작동한다. 열전대 및 히터 밴드의 배치와 스타일은 가열(Heating) 시스템(배럴, 노즐, 핫 러너 등) 전체의 온도를 제어하는 능력에 큰 영향을 미친다. 간혹 노즐 영역에서 온도를 측정할 때, 설정온도에 비하여 30~50℃의 온도 차이를 발견하기도 함으로 실측에 의한 검증이 꼭 필요하다.1.1.8 형체 시스템(Clamp System) 사출기 성능 검증은 사출부(Injection Unit) 뿐만 아니라, 형체 시스템(형판 평행도 및 편향, 형체력 제어 등)의 평가도 함께 수행되어야 한다. 이 평가 절차는 종종 유지 보수 메뉴얼에 포함되어 있으며, 형체 시스템(토글, 유압, 2-Platen 등)의 차이에 따른 형체력 변화와 일관성을 중점적으로 파악하여야 한다.(* 토글 시스템의 경우 열팽창의 영향으로 인해 형체력을 정확하게 제어하기가 매우 어렵다.)1.1.9 안전 시스템 및 장비(Safety System & Equipment) 성형에서 가장 중요한 항목은 안전(Safety)이다. 너무 많은 성형업체가 주요 안전 시스템의 올바른 작동을 확인하지 않고 사출기를 사용하고 있으며, 또한 가드가 제거되거나 누락되고, 리미트(Limit) 스위치가 우회되어 있는 경우가 종종 발견된다. 이러한 관행은 어떤 상황에서도 용납되어서는 안 된다.1.2 성능 평가(예제)여기에서는 사출부(Injection Unit)의 성능을 중심으로 3종류의 사출기에 대한 중요한 몇 가지의 성능 평가 결과를 비교하고, 이에 대한 성능 평가 방법과 결과 판정 기준에 대하여 간략하게 기술하고자 한다.(* 여기에서의 평가 기준은 절대적인 것이 아니며, 제품의 특성과 요구 정밀도에 따라 변경될 수 있다.)1.2.1 성능평가에 필요한 장비(Test Equipment) 성능 평가에는 대상 사출기, 모니터링 시스템과 센서(거리/속도 센서, 유압 센서), 그리고 기타 측정 장비(중량측정, 온도측정, 거리측정)들이 필요하며, 전동식 사출기의 경우에는 사출부에 장착된 로드셀에서의 압력값으로 유압을 대신한다.위와 같은 장비를 이용하면, 대상 사출기의 컨트롤러 성능에 상관없이 객관적인 데이터를 통하여 성능을 평가할 수 있으며, 평가 항목뿐만 아니라 사출기의 성능 관련 문제점 발견 시 원인 파악에 필요한 보다 자세한 정보를 얻을 수 있다. 1.2.2 사출 속도 선형성 테스트(Speed Linearity Test) 이 테스트는 사출 속도 변화에 대하여 얼마나 적절한 제어가 이루어지고 있는지를 파악하는 것에 목적이 있으며, 표준 Decoupled Molding-II 성형 방식을 기본으로 한다. 성형조건은 충진 만 이루어지도록 설정하고, 사출 속도를 10%씩 낮추어가며 반복한다.[그림 104]에서 보는 바와 같이 각각의 사출기들은 설정값에 대하여 다양한 결과를 보여주고 있으며, 위의 10% 이내의 판정 기준에 의하면, B-Company의 사출기가 가장 양호하다고 판정할 수 있다.그러나 A, B-Company의 사출기를 고속영역에서 사용하여 실제의 속도가 설정치에 비례하여 빠르게 작동하지 않는 것을 성형 엔지니어가 인지하지 못하는 경우에, 성형조건 조정으로 양질의 제품을 얻을 수 있는 기회를 상실할 수 있으며, 더 나아가 금형 수정을 결정하여 불필요한 시간과 경비를 낭비할 수도 있다. 사출기의 선형성(Linearity) 판정은 최대 값과 설정값과의 비례관계를 파악하는 것이 더욱 중요하다. (* C-Company의 사출기가 다른 사출기에 비하여 상대적으로 전 영역에서 사용이 더 용이함) 1.2.3 압력 응답성 테스트(Pressure Response Test) 사출기의 V/P 절환 시에 유압 및 밸브제어 시스템과 알고리즘의 성능을 확인하기 위한 테스트이며, 표준 Decoupled Molding-II 성형 방식을 기본으로 충진 조건을 설정하고, 보압의 크기와 시간은 최대 사출압의 30~60% 정도를 기준으로 설정한다.‘1.1.5 V/P 절환 응답성(Switch-over Response)’에서 기술된 여러 절환(Transfer) 타입을 보여주고 있으며, 수치적인 판정 기준 외에도 이러한 압력 응답 패턴에 세심한 주의를 하여야 한다.1.2.4 계량 안정성 테스트(Plasticizing Stability Test) 이 테스트는 매 사이클마다 일정하게 계량이 가능한 지를 파악하는 것에 목적이 있으며, 재료 공급사가 추천하는 계량속도와 배압(Back Pressure)을 기본으로 표준 사이클 타임 하에서 수행한다. 계량시간이 일정하지 않으면, 매 사이클마다 금형에 주입되는 용융재료의 물성(특히 점도)이 일정하지 않아 캐비티의 압력분포의 변동이 발생하여, 불안정한 치수분포와 수축/변형이 발생할 가능성이 증가된다.1.2.5 체크링 반복성 테스트(Check-ring Repeata-bility Test) 스크류 선단에서 유동의 흐름을 제어하는 체크링은 매 사이클마다 동일한 동작을 반복하여야 금형 내에 유입되는 용융재료의 양을 동일하게 유지할 수 있다. 이 테스트의 목적은 사출 시 체크링 동작의 일관성 및 수지의 누출량을 확인하는 데에 있다. 체크링 반복성 테스트에는 충진(Fill) 시의 체크링의 동작과 누출량의 일관성을 평가하는 동적(Dynamic) 테스트와 보압(Pack & Hold) 시의 누출량의 정도를 평가하는 정적(Static) 테스트로 나눠진다.1.2.6 그 외의 테스트 그 외에 사출기의 성능을 체크할 수 있는 테스트로는 하중 민감도(Load Sensitivity), 온도 안정성, 배압 안정성 그리고 형판 평행도 등과 관련된 항목을 평가하는 것이 있다. 하중 민감도는 부하의 정도에 따라 사출기의 동작이 어느 정도 차이를 발생하는지에 대한 평가이며, 온도와 배압 안정성은 공정 중에서 일정하게 유지되는지를 평가한다. 형판 평행도는 사출기 제조사에서 시행하는 방법을 따르는 것이 일반적이다.1.3 성능 평가 관련 참고문헌사출기의 성능을 체크할 수 있는 테스트와 평가 기준은 생산하고자 하는 제품의 특성과 요구되는 정밀도에 밀접한 관계가 있으며, 위에 예시한 여러 테스트 방법은 일반적인 무부하 상태에서 수행되는 테스트의 단점을 보완하기 위함이다.성능 평가의 가장 중요한 목적은 생산에 사용하는 사출기의 성능을 인지하고, 주어진 사출기의 성능을 최대한 활용하여, 최적의 생산성과 양질의 품질을 얻기 위함이다. 다음의 참고자료로 더욱 폭넓은 이해에 도움이 되었으면 한다. 1. Bozzelli, J. and Groleau, R.; “Molten Polymer Flow, a Novel Explanation for Injection Molding; The Molding Machine as a Rheometer;” Las Vegas West SPE Conference, February, 1991.2. Bozzelli, J.; “Selection/Buying an Injection Molding Machine for SPC/SQC: Some Questions to Ask Machine Suppliers;” ANTEC,1989; pg. 228-230.3. Bozzelli, J. and Larin, B.; “Implementation of Advanced Screw Design for Injection Molding; How to Improve Your Productivity and Profits: A Case History;” ANTEC, 1990; pg. 257-259. 4. Has the Molding Ma chineBeen Tested? Gary Chastain, RJG ., Moldmaking Technology 5. Injection Molding: How Does Your Machine Control Pack Velocity? John Bozzelli , Plastics Technology October 20146. Injection Molding: ‘Know Your Machine’ Injection Molding, Kip Doyle, Plastics Technology, May 20147. Injection Molding Machine Inspection Manual, SEC, Ver.2.2, April 2013… 2020년 핸들러 10월호에서 ‘스마트공장(Smart Factory)을 위한 사출성형 모니터링 및 최적화 기술 7’ 이 이어집니다.

취재부 2020-09-01

폭발, 화재 없는 안전한 차세대 아연이온 배터리 개발

- 아연금속의 표면처리 기술 개발, 기존 아연금속 전지의 소재적 한계 극복- 유연한 섬유 형태로 제작 가능, 안전하게 입을 수 있는 인체 친화형 배터리 제작한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 에너지저장연구단 이중기 박사 연구팀이 원천적으로 폭발이나 화재의 위험 없는 차세대 아연금속 전극 이차전지를 개발했다고 밝혔다. 이 전지는 신체에 착용할 수 있을 정도로 안전하고, 섬유 형태로 제조할 수 있어, 향후 웨어러블 기기용 전원으로도 적용될 수 있다.최근 리튬이온배터리를 활용한 다양한 전자기기에서 발생하는 화재 사고로 인해 안전한 배터리에 대한 수요가 급증하고 있다. 화재의 주요 원인은 가연성의 전해질인데, 아연이온 이차전지는 물 기반의 전해질을 사용하기 때문에 폭발위험이 없어 리튬이온배터리를 대체할 유력한 후보 가운데 하나이다.하지만, 기존 아연이온 이차전지의 핵심 소재인 아연금속 음극(-)은 물 기반 전해질에서 지속적으로 부식되는 문제가 있었다. 또한, 아연이온이 금속 표면에 저장될 때, 나뭇가지 형태의 결정(덴드라이트*)으로 쌓여 전극 간의 단락을 일으켜 효율이 급격하게 저하된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 아연금속을 복합화하거나 표면코팅, 형상 변형 등 다양한 연구가 시도되고 있으나, 공정비용과 시간의 소모가 큰 한계가 있었다. * 덴드라이트: 아연 이온이 환원되어 금속전극 표면에 증착될 때, 금속 표면 일부에서 비정상적으로 성장하는 나뭇가지 형태의 결정. 전극 부피팽창과 전극-전해질 사이 부반응 등을 유발해 전지의 안전성과 수명을 떨어뜨린다.KIST 이중기 박사팀은 금속전극 표면에 전류를 반복적으로 흐르게 했다가, 차단하는 사이클 양극산화 공법을 개발하여 아연금속의 산화막 표면코팅과 형상을 동시 제어에 성공하였다.KIST 연구진은 이 공법을 통해 아연금속 표면에 육각뿔 피라미드가 배열된 형상을 형성시켜 전기화학 반응 중에 덴드라이트의 발생을 원천적으로 억제했다. 사이클 양극산화 공법에 의하면 육각뿔 피라미드 형상의 윗부분은 두껍게, 측면 부분은 얇게 산화아연으로 덮여있다. 이와 같은 두께 편차는 아연금속이 상대적으로 산화아연이 얇은 측면에 쌓이도록 유도한다. 덴드라이트는 금속 표면에 수직 방향으로 쌓이기 때문에 문제가 되는데, 전극 표면에 수평 방향으로 아연금속 막이 자라게 하는 본 기술은 덴드라이트 생성을 효과적으로 억제할 수 있었다. 또한, 표면에 형성된 산화아연 막은 전해질과 직접 접촉하는 것을 차단함으로써 부식을 방지할 수 있었다.개발된 아연금속 이차전지는 구조적, 전기화학적인 안정성으로 인해 상당한 가혹 조건(9,000mA/g, 약 2분 만에 총 용량의 완전충전 및 방전)으로 충·방전을 지속해도 1,000 사이클 동안 100%에 가깝게 용량을 유지하였다.KIST 연구진은 이와 같은 안정성을 바탕으로 유연한 섬유 형태로도 아연금속 이차전지를 제조하였다. 이 배터리는 자유롭게 구부릴 수 있고, 직물로 제작하여 옷이나 가방 형태로도 응용할 수 있었다.(ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 5, 5820-5830)KIST 이중기 책임연구원은 “이번 연구에서 개발된 고성능 아연금속 이차전지는 기존의 리튬이온배터리가 인체와 접촉하였을 경우 발생할 수 있는 잠재적 위험요인을 차단했다. 동시에 전지용량 측면에서도 기존 상용전지를 대체 가능할 수준의 우수한 전기화학적 성능과 함께 폭발, 화재의 위험이 없는 안전한 인체 친화형 차세대 이차전지로써 주목받을 것으로 기대된다”라고 말하며, “높은 안정성과 향상된 전기화학적 성능뿐만 아니라 간단한 공정을 바탕으로 제조공정에 대한 실용화 가능성에 대한 경쟁력도 확보할 수 있을 것으로 보인다”라고 밝혔다.본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 중견연구자지원사업 등으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 재료과학 분야 국제 저널인 ‘Advanced Functional Materials’ (IF: 16.836, JCR 분야 상위 3.981%) 최신 호에 게재되었다.* 논문명: Functionalized Zn@ZnO Hexagonal Pyramid Array for Dendrite-Free and Ultrastable Zinc Metal Anodes - 제1저자: 한국과학기술연구원 김지영 연구원(박사과정) - 교신저자: 한국과학기술연구원 이중기 책임연구원

편집부 2020-08-31

UNIST 김지윤·서울대 권민상 교수팀, 온도 변화로 형태 조절 가능한 자성 스마트 소재 개발

- 의공학, 소프트 로봇 개발 등에 응용… Nano Letters 논문 게재 자기장에 반응해 스스로 움직이는 ‘자성 스마트 소재’의 모양을 더 다양하게 만들 수 있게 됐다. ‘자성 스마트 소재’가 움직이는 모양은 소재 내부의 ‘자화 형태’가 결정하는데 자화 형태를 쉽게 지우고 다시 쓸 수 있는 기술이 개발됐기 때문이다.* 스마트 소재: 외부 환경의 자극(빛, 온도, 전·자기장)을 감지하고 이에 반응하는 소재. 자성 스마트 소재는 자기장에 반응에 반응하는 소재로 모양이 변하거나 점도 등이 달라진다.자성 스마트 소재는 내부에 미리 입력된 자화 형태와 외부 자기장 간 상호작용을 통해 움직인다. 자석에 다른 자석(자기장)을 갖다 대면 발생하는 인력이나 척력을 이용하는 셈이다. 자화 형태는 자석 힘의 세기와 N-S극 방향을 결정하는 ‘설계도’다. 자화 형태에 따라 자성 스마트 소재가 특정한 방향으로 굽혀지거나 접힌다. 하지만 자화 형태는 소재 제작과정에서 한 번 고정되면 바꾸기 쉽지 않다. 움직임을 원격으로 제어 할 수 있고, 외부 자극에 빠르게 반응하는 장점을 가짐에도 불구하고 자성 스마트 소재가 널리 쓰이지 못하는 이유다.공동연구팀은 온도에 따라 상태가 바뀌는 물질을 이용해 이 문제를 해결했다. 개발된 소재는 ‘자석 입자’(자성 물질)와 ‘상변화 물질’(PEG)이 혼합된 마이크로미터(10-6m) 크기의 알갱이(자성 미소 구체)가 고분자 기질에 박혀 있는 구조를 갖는다. 고체에서 액체로 변하는 상변화 물질인 PEG 때문에 자화 형태를 여러 번 반복해서 바꾸는 것이 가능하다. 얼음 속 구슬은 단단하게 고정되지만, 물속에선 자유롭게 움직이듯, 액체가 된 상변화 물질 때문에 자석 입자가 외부 자기장을 이용해 자화 형태를 새롭게 입력할 수 있다. 반면 온도가 상온으로 내려가면 고체가 된 상변화 물질 때문에 자석 입자가 물리적으로 움직일 수 없어 자화 형태가 고정된다.제1 저자인 송현서 UNIST 신소재공학부 석·박사통합과정 연구원은 “PEG의 고체 액체 간 상변화는 ‘가역 반응’이라, 위 과정을 반복하는 것만으로도 부드러운 복합소재의 자화 형태를 원하는 만큼 쉽게 재설계(reprogram)할 수 있다”고 설명했다.또 개발한 복합소재로 ‘셀프 종이접기’가 가능한 자성 소프트 액추에이터까지 만들었다. 연구팀은 액추에이터의 자화 형태를 실제 작동 환경 (in situ)에서 재설계하고, 이를 자기장에 노출시켜 복잡한 3차원 형태를 다양하게 구현한 것이다. 가역 반응을 이용하기 때문에 동일한 액추에이터에 반복적으로 새로운 자화 형태를 입력해도 소재의 성능이 유지된다는 장점이 있다.김지윤 교수는 “기존 연구와 달리 자성 입자나 고분자 기질의 고유 특성을 바꾸지 않으면서도 쉽게 자화 형태 재설계가 가능한 소재를 개발했다는 데 의의가 큰 연구”라며, “이번에 개발된 소재는 유연성도 갖춰 의공학, 유연 전기소자, 소프트 로봇 등 가변 구조형 스마트 소재가 필요한 다양한 분야에서 핵심적인 역할을 할 것”이라고 기대했다.* 가역 반응: 물 얼려 얼음으로 만들고 역으로 얼음 녹여 물을 만들 듯 반대 방향으로 물질 변화 없이 진행 가능한 반응.* 액추에이터(actuator): 구동장치. 센서(senor)나 외부에서 직접 받은 자극을 통해 움직이는 장치.이번 연구는 나노분야 세계 최고 권위지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 7월 8일자로 게재됐다. 연구 수행은 한국연구재단(NRF)과 한국산업기술평가관리원의 지원을 받아서 이뤄졌다.* 논문명: Reprogrammable Ferromagnetic Domains for Reconfigurable Soft Magnetic Actuators자료문의: 신소재공학부_김지윤 교수 (052)217-3052

편집부 2020-08-31

암모니아로부터 고순도 수소를 대용량으로 생산, 수소경제 사회로 한걸음 더

- 암모니아로부터 수소생산과 동시에 정제하는 고효율 수소추출기 개발- 화학적 수소저장기술로 향후 수소충전소 및 무인 비행체 등에 활용 기대한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 수소·연료전지연구단 조영석·윤창원 박사팀은 암모니아로부터 고순도의 수소를 추출하고 전력을 발생시키는 기술을 개발하여 대용량의 수소를 장거리 운송할 수 있는 수소 운반체로서의 암모니아 가능성을 확인했다고 밝혔다.재생에너지 기반의 글로벌 청정에너지 공급망 확산이 전 세계적인 이슈로 부상하고 있지만, 재생전력을 전기의 형태로 장거리 이송하는 데는 많은 제약이 따른다. 이러한 이유로 잉여 재생전력을 수소의 형태로 변환하고, 생산된 수소를 원하는 곳까지 운반하여 이를 활용하는 기술개발에 대한 수요가 크게 증가하고 있다. 하지만 기체 형태의 수소는 단위 부피에 저장할 수 있는 양이 작아 한 번에 많은 양의 수소를 운송하기 어렵다. 최근 이를 극복하기 위한 전략으로 현재 사용 중인 화석연료의 이송 방법과 유사하게 액상 형태의 화합물을 수소 운반체로 활용하는 방법이 제안되고 있다.액상 암모니아는 액체수소보다 같은 부피로 1.5배가량의 더 많은 양의 수소를 저장(부피대비 수소저장밀도 108kg-H2/m3)할 수 있다. 생산과정에서 다량의 이산화탄소를 배출하는 기존 천연가스 수증기 개질 기반의 수소생산법과는 달리 암모니아는 분해 과정에서 수소와 질소만을 생성한다. 그러나, 암모니아가 가지는 많은 장점에도 불구하고, 암모니아로부터 고순도의 수소를 생산하고 이를 연료전지와 연계하여 전기를 생산하는 연구는 상대적으로 개발이 미흡하였다.KIST 연구진이 개발한 암모니아 기반 분리막 반응 수소추출 장치KIST 연구진은, 암모니아를 수소와 질소로 분해하는 촉매와 저렴하게 생산할 수 있는 분리막 소재를 개발하였다. 개발한 촉매와 분리막 소재를 결합하여 암모니아로부터 수소를 생산하는 반응과 동시에 분리막으로 고순도의 수소를 분리해 내는 추출기를 구현하였다. 개발된 기술은 높은 순도의 수소를 연속적으로 생산할 수 있으며, 별도의 수소 정제장치 없이 연료전지와 직접 연계하여 소형 전력 발생 장치에도 적용할 수 있다. 연구진은 암모니아 분해반응과 동시에 수소를 분리함으로써 분해반응 온도를 550℃에서 450℃까지 현저히 낮추어 에너지 소비를 줄임과 동시에 수소 생산속도를 기존 기술 대비 2배 이상 높였다. 또한, 자체 개발한 저가금속 기반의 분리막을 활용하여 PSA (Pressure Swing Adsorption)* 공정 등 값비싼 분리공정 없이도 99.99% 이상의 순도를 갖는 수소를 생산할 수 있었다.* PSA(Pressure Swing Adsorption): 현재 수소 분리에 가장 많이 사용되고 있는 공정. 혼합기체에서 특정 기체를 분리하는 데에 활용하는 흡착기반의 공정. 기체 분자들이 특정 흡착제에 가지는 흡착평형을 활용하여, 공정 압력을 조절하여 기체를 분리함. 현재 암모니아 운반선을 이용한 대륙 간 운반으로 암모니아에서 수소를 추출하여 활용하는 저장, 운송 관련 인프라는 전 세계적으로 상용화되어 사용되고 있다. 이번 연구진의 기술이 이러한 인프라에 활용된다면 수소경제 사회로 들어가는데 한 걸음 더 나아갈 수 있을 것으로 예상된다.KIST 조영석 박사는 “본 기술을 기반으로 이산화탄소 배출이 없는 컴팩트한 수소 파워팩을 개발해 드론 택시, 무인비행기, 선박 등의 이동수단에 적용하는 후속연구를 계획하고 있다”고 말했으며, KIST 윤창원 수소·연료전지연구단장은 “이번 연구 성과는 순수 국내 연구진이 개발한 암모니아 기반 수소추출·정제 원천기술로서, 가까운 미래에 암모니아를 활용한 국내 대용량 수소공급에 새로운 장을 열 수 있을 것으로 기대한다”고 포부를 밝혔다.본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업, 한국에너지기술평가원 “신재생에너지핵심기술개발사업”으로 수행되었으며, 연구결과는 분리막 분야 권위지인 ‘Journal of Membrane Science’ (JCR 분야 상위 2.809%) 7.26 일자로 온라인 게재되었다.* 논문명: A Catalytic Composite Membrane Reactor System for Hydrogen Production from Ammonia using Steam as a Sweep Gas- 제1저자: 한국과학기술연구원 박용하 박사후연구원- 교신저자: 한국과학기술연구원 조영석 선임연구원- 교신저자: 한국과학기술연구원 윤창원 책임연구원

편집부 2020-08-19

UNIST 김지윤·서울대 권민상 교수팀, 온도 변화로 형태 조절 가능한 자성 스마트 소재 개발

- 의공학, 소프트 로봇 개발 등에 응용… Nano Letters 논문 게재 자기장에 반응해 스스로 움직이는 ‘자성 스마트 소재’의 모양을 더 다양하게 만들 수 있게 됐다. ‘자성 스마트 소재’가 움직이는 모양은 소재 내부의 ‘자화 형태’가 결정하는데 자화 형태를 쉽게 지우고 다시 쓸 수 있는 기술이 개발됐기 때문이다.* 스마트 소재: 외부 환경의 자극(빛, 온도, 전·자기장)을 감지하고 이에 반응하는 소재. 자성 스마트 소재는 자기장에 반응에 반응하는 소재로 모양이 변하거나 점도 등이 달라진다.자성 스마트 소재는 내부에 미리 입력된 자화 형태와 외부 자기장 간 상호작용을 통해 움직인다. 자석에 다른 자석(자기장)을 갖다 대면 발생하는 인력이나 척력을 이용하는 셈이다. 자화 형태는 자석 힘의 세기와 N-S극 방향을 결정하는 ‘설계도’다. 자화 형태에 따라 자성 스마트 소재가 특정한 방향으로 굽혀지거나 접힌다. 하지만 자화 형태는 소재 제작과정에서 한 번 고정되면 바꾸기 쉽지 않다. 움직임을 원격으로 제어 할 수 있고, 외부 자극에 빠르게 반응하는 장점을 가짐에도 불구하고 자성 스마트 소재가 널리 쓰이지 못하는 이유다. 자화 형태(pattern) 재설계(reprogramming)가 가능한 자성 스마트 소재의 구조 및 원리 (a) 자성 입자(자석 입자, NdFeB)와 상변화 물질(PEG)로 이루어진 자기 미소 구체(작은 알갱이)가 고분자 기질(matrix) 내에 포함된 계층 구조를 가짐. (b) 상변화 물질이 용융 온도 이상(상변화 물질이 액체)일 때, 자성 미소 구체 내에서 자성 입자가 물리적으로 움직일 수 있어 자화 형태 재설계가 가능함. 반면, 용융 온도 이하의 온도(상변화 물질이 고체)일 때는 자성 미소 구체 내에서 자성 입자의 배열이 고정됨. (c) 자화 형태에 따라 구동 방향이 달라짐. 반복적인 재설계를 통해 구동 형태를 바꿀 수 있다.공동연구팀은 온도에 따라 상태가 바뀌는 물질을 이용해 이 문제를 해결했다. 개발된 소재는 ‘자석 입자’(자성 물질)와 ‘상변화 물질’(PEG)이 혼합된 마이크로미터(10-6m) 크기의 알갱이(자성 미소 구체)가 고분자 기질에 박혀 있는 구조를 갖는다. 고체에서 액체로 변하는 상변화 물질인 PEG 때문에 자화 형태를 여러 번 반복해서 바꾸는 것이 가능하다. 얼음 속 구슬은 단단하게 고정되지만, 물속에선 자유롭게 움직이듯, 액체가 된 상변화 물질 때문에 자석 입자가 외부 자기장을 이용해 자화 형태를 새롭게 입력할 수 있다. 반면 온도가 상온으로 내려가면 고체가 된 상변화 물질 때문에 자석 입자가 물리적으로 움직일 수 없어 자화 형태가 고정된다.제1 저자인 송현서 UNIST 신소재공학부 석·박사통합과정 연구원은 “PEG의 고체 액체 간 상변화는 ‘가역 반응’이라, 위 과정을 반복하는 것만으로도 부드러운 복합소재의 자화 형태를 원하는 만큼 쉽게 재설계(reprogram)할 수 있다”고 설명했다. 개발된 자성 스마트 소재를 이용한 소프트 오리가미(종이접기) 액추에이터 복잡한 형상으로 변형 및 구동 가능한 자성 소프트 액추에이터를 제작함. PEG의 상변화는 가역 반응이라 반복적 재설계(reprogramming)를 통해 다양한 형태를 만들 수 있다.또 개발한 복합소재로 ‘셀프 종이접기’가 가능한 자성 소프트 액추에이터까지 만들었다. 연구팀은 액추에이터의 자화 형태를 실제 작동 환경 (in situ)에서 재설계하고, 이를 자기장에 노출시켜 복잡한 3차원 형태를 다양하게 구현한 것이다. 가역 반응을 이용하기 때문에 동일한 액추에이터에 반복적으로 새로운 자화 형태를 입력해도 소재의 성능이 유지된다는 장점이 있다.김지윤 교수는 “기존 연구와 달리 자성 입자나 고분자 기질의 고유 특성을 바꾸지 않으면서도 쉽게 자화 형태 재설계가 가능한 소재를 개발했다는 데 의의가 큰 연구”라며, “이번에 개발된 소재는 유연성도 갖춰 의공학, 유연 전기소자, 소프트 로봇 등 가변 구조형 스마트 소재가 필요한 다양한 분야에서 핵심적인 역할을 할 것”이라고 기대했다.* 가역 반응: 물 얼려 얼음으로 만들고 역으로 얼음 녹여 물을 만들 듯 반대 방향으로 물질 변화 없이 진행 가능한 반응.* 액추에이터(actuator): 구동장치. 센서(senor)나 외부에서 직접 받은 자극을 통해 움직이는 장치.이번 연구는 나노분야 세계 최고 권위지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 7월 8일자로 게재됐다. 연구 수행은 한국연구재단(NRF)과 한국산업기술평가관리원의 지원을 받아서 이뤄졌다.* 논문명: Reprogrammable Ferromagnetic Domains for Reconfigurable Soft Magnetic Actuators 자료문의: 신소재공학부_김지윤 교수 (052)217-3052

편집부 2020-08-19

폭발, 화재 없는 안전한 차세대 아연이온 배터리 개발

- 아연금속의 표면처리 기술 개발, 기존 아연금속 전지의 소재적 한계 극복- 유연한 섬유 형태로 제작 가능, 안전하게 입을 수 있는 인체 친화형 배터리 제작한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 에너지저장연구단 이중기 박사 연구팀이 원천적으로 폭발이나 화재의 위험 없는 차세대 아연금속 전극 이차전지를 개발했다고 밝혔다. 이 전지는 신체에 착용할 수 있을 정도로 안전하고, 섬유 형태로 제조할 수 있어, 향후 웨어러블 기기용 전원으로도 적용될 수 있다.이번 전극의 표면처리 기술을 통해 안전한 인체 친화형 차세대 아연이온 배터리를 개발한 KIST 연구진, (좌) KIST 우주만 기술원, (중) KIST 이중기 책임연구원, (우) 김지영 연구원(박사과정)최근 리튬이온배터리를 활용한 다양한 전자기기에서 발생하는 화재 사고로 인해 안전한 배터리에 대한 수요가 급증하고 있다. 화재의 주요 원인은 가연성의 전해질인데, 아연이온 이차전지는 물 기반의 전해질을 사용하기 때문에 폭발위험이 없어 리튬이온배터리를 대체할 유력한 후보 가운데 하나이다.하지만, 기존 아연이온 이차전지의 핵심 소재인 아연금속 음극(-)은 물 기반 전해질에서 지속적으로 부식되는 문제가 있었다. 또한, 아연이온이 금속 표면에 저장될 때, 나뭇가지 형태의 결정(덴드라이트*)으로 쌓여 전극 간의 단락을 일으켜 효율이 급격하게 저하된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 아연금속을 복합화하거나 표면코팅, 형상 변형 등 다양한 연구가 시도되고 있으나, 공정비용과 시간의 소모가 큰 한계가 있었다. * 덴드라이트: 아연 이온이 환원되어 금속전극 표면에 증착될 때, 금속 표면 일부에서 비정상적으로 성장하는 나뭇가지 형태의 결정. 전극 부피팽창과 전극-전해질 사이 부반응 등을 유발해 전지의 안전성과 수명을 떨어뜨린다.(좌) KIST 김지영 연구원(제1저자, 박사과정)과 (우) KIST 이중기 책임연구원이 아연금속의 표면처리 기술을 통해 육각뿔 피라미드 모양의 형상을 형성시킨 표면의 현미경 이미지를 확인하고 있다.KIST 이중기 박사팀은 금속전극 표면에 전류를 반복적으로 흐르게 했다가, 차단하는 사이클 양극산화 공법을 개발하여 아연금속의 산화막 표면코팅과 형상을 동시 제어에 성공하였다.본 연구의 사이클 양극산화 공법을 통해 표면이 개질된 아연금속 전극의 표면 형상 및 아연 이온 증착 거동, 표면이 개질된 아연금속 전극은 산화아연 막으로 인해 전해질과의 접촉을 차단하고 아연 이온을 하단으로 유도함으로써 수평적 증착이 이루어짐.KIST 연구진은 이 공법을 통해 아연금속 표면에 육각뿔 피라미드가 배열된 형상을 형성시켜 전기화학 반응 중에 덴드라이트의 발생을 원천적으로 억제했다. 사이클 양극산화 공법에 의하면 육각뿔 피라미드 형상의 윗부분은 두껍게, 측면 부분은 얇게 산화아연으로 덮여있다. 이와 같은 두께 편차는 아연금속이 상대적으로 산화아연이 얇은 측면에 쌓이도록 유도한다. 덴드라이트는 금속 표면에 수직 방향으로 쌓이기 때문에 문제가 되는데, 전극 표면에 수평 방향으로 아연금속 막이 자라게 하는 본 기술은 덴드라이트 생성을 효과적으로 억제할 수 있었다. 또한, 표면에 형성된 산화아연 막은 전해질과 직접 접촉하는 것을 차단함으로써 부식을 방지할 수 있었다.(가) 기존의 아연금속 전극과 표면이 개질된 아연금속 전극으로 이루어진 대칭 셀에 대한 다양한 전류밀도에서의 전압 곡선. (나) 기존의 아연금속 음극과 표면이 개질된 아연금속 음극을 포함한 아연-이산화망간 전지의 방전용량 비교(전류밀도: 9.0 A g-1)개발된 아연금속 이차전지는 구조적, 전기화학적인 안정성으로 인해 상당한 가혹 조건(9,000mA/g, 약 2분 만에 총 용량의 완전충전 및 방전)으로 충·방전을 지속해도 1,000 사이클 동안 100%에 가깝게 용량을 유지하였다.섬유 형상의 아연금속 이온 전지 제조 방법KIST 연구진은 이와 같은 안정성을 바탕으로 유연한 섬유 형태로도 아연금속 이차전지를 제조하였다. 이 배터리는 자유롭게 구부릴 수 있고, 직물로 제작하여 옷이나 가방 형태로도 응용할 수 있었다.(ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 5, 5820-5830)KIST 이중기 책임연구원은 “이번 연구에서 개발된 고성능 아연금속 이차전지는 기존의 리튬이온배터리가 인체와 접촉하였을 경우 발생할 수 있는 잠재적 위험요인을 차단했다. 동시에 전지용량 측면에서도 기존 상용전지를 대체 가능할 수준의 우수한 전기화학적 성능과 함께 폭발, 화재의 위험이 없는 안전한 인체 친화형 차세대 이차전지로써 주목받을 것으로 기대된다”라고 말하며, “높은 안정성과 향상된 전기화학적 성능뿐만 아니라 간단한 공정을 바탕으로 제조공정에 대한 실용화 가능성에 대한 경쟁력도 확보할 수 있을 것으로 보인다”라고 밝혔다.다양한 종류의 기존 상용 배터리와 본 연구의 표면 개질된 아연금속 전극을 포함한 아연이온 배터리의 출력밀도 및 에너지밀도 비교본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 중견연구자지원사업 등으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 재료과학 분야 국제 저널인 ‘Advanced Functional Materials’ (IF: 16.836, JCR 분야 상위 3.981%) 최신 호에 게재되었다.* 논문명: Functionalized Zn@ZnO Hexagonal Pyramid Array for Dendrite-Free and Ultrastable Zinc Metal Anodes- 제1저자: 한국과학기술연구원 김지영 연구원(박사과정)- 교신저자: 한국과학기술연구원 이중기 책임연구원

편집부 2020-08-19