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UNIST 김광수 교수팀, 이론-실험 융합으로 산소 발생 반응 최적화 촉매 개발

- 물 전기 분해(수전해) 수소 생산 상용화 기반 마련… EES 논문 게재미래 에너지원인 ‘수소’를 더 효율적으로 생산할 수 있게 됐다. 수소 생산 공정인 ‘물 전기 분해’(수전해) 반응을 촉진하는 촉매가 개발됐기 때문이다.UNIST(총장 이용훈) 자연과학부 화학과의 김광수 교수(국가과학자)가 이끄는 연구팀은 이론적 계산을 통해 물 전기 분해 효율을 높일 ‘금속 유기물 복합체’ 촉매를 개발했다. 염기성 전해질에서 사용 가능한 이 촉매는 ‘수전해 기술’에서 ‘병목 현상’으로 지목되는 ‘산소 발생 반응’을 촉진해 전체 반응 효율을 높인다.* 염기성 전해질: 물에 전기를 흐르게 해, 수소와 산소기체로 분리하는 것을 물 전기 분해(수전해)라 한다. 순수한 물은 전기가 잘 통하지 않으므로, 산성이나 염기성 전해질을 이용해 수전해 반응을 일으킨다.‘수전해’는 전기로 물(H2O)을 분해해 수소(H2)와 산소(O2)를 생산하는 방식이다. 여기선 수소, 산소 생산의 두 가지 반응이 각각 동시에 일어나는데, 문제는 전체 반응이 속도가 느린 ‘산소 발생 반응’에 맞춰 진행된다는 데 있다. 그 때문에 산소 발생 반응이 늦어질수록 수소 생산량과 직결된 수소 생산 속도도 더디게 된다.김광수 교수팀은 니켈과 철을 포함하는 금속 유기 골격체(MOF)를 이용해 개발한 촉매로 새로운 해결방안을 제시했다. 금속 유기 골격체는 금속과 유기물이 마치 건축물의 ‘철근’과 같은 뼈대(framework) 모양을 이루는 물질이다. 미세한 크기의 구멍(채널)이 많아 표면적이 넓고, 촉매 반응이 일어나는 금속 원자가 표면에 노출된다는 장점이 있다. 게다가 상용 촉매에 사용되는 이리듐(Ir)에 비해 니켈과 철은 매장량도 많고 가격도 저렴하다.*금속 유기 골격체(MOF): 다양한 금속 이온 집합체와 유기 리간드(금속과 전자를 공유하며 결합을 할 수 있는 물질)로 구성된 화합물의 일종으로 나노 수준의 기공(구멍)을 갖는 결정성 물질촉매 실증 실험에서 사용한 ‘알칼리 음이온 교환막 물 전기 분해조’의 모형막-전극 접합체 (MEA) 중앙부에 그래핀과 금속 골격 유기체(MOF)가 삽입돼 있다.제1저자인 탕가벨(Thangavel) UNIST 자연과학부 박사과정 연구원은 “금속 유기 골격체는 전기전도성이 낮고 불안정하다는 단점이 있다”라며, “전도성이 높고 튼튼한 그래핀(Graphene)을 접목해 단점을 극복하고 높은 효율을 보이는 산소 발생 반응 촉매를 개발할 수 있었다”고 설명했다.공동 저자인 하미란 UNIST 자연과학부 박사과정 연구원은 이론 계산을 통해 촉매의 구조를 디자인했다. 시뮬레이션을 통해 금속 유기체 골격체의 최적화된 구조와 성분을 찾아냈다. 하 연구원은 “니켈 금속 유기 골격체에 철을 도핑하면 철 단원자(single atom) 지점에서 반응성이 개선돼 전체 반응성도 좋아진다”고 설명했다.* 그래핀: 탄소 원자가 육각형 벌집 모양을 이루고 있는 물질* 도핑: 결정의 물성을 변화시키기 위해 소량의 불순물을 첨가하는 공정이번에 개발된 촉매는 기존 산화이리듐 촉매보다 훨씬 적은 에너지로(과전압) 많은 양의 수소(전류밀도)를 생산해낼 수 있다. ‘알칼리 음이온 교환막 수전해 장치’를 만들어 실제 촉매의 성능을 평가한 결과 300mV(밀리볼트) 전압에서 단위 면적(cm2)당 0.5A(암페어)의 전류밀도를 달성했다. 이는 촉매를 상업적으로 이용하기에 충분한 값이다. 또 1,000시간 이상을 작동했을 때도 우수한 내구성을 보였다.* 알칼리 음이온 교환막 물 전기 분해 장치: 염기성 용액을 전해질로 사용하는 수전해 장치김광수 교수는 “이번 연구를 통해 느린 ‘산소 발생 반응’ 속도 문제를 개선했을 뿐만 아니라, 기존 상용 촉매의 가격과 안정성 문제도 동시 해결할 수 있었다”며, “개발된 촉매는 다양한 에너지 변환 장치에 사용될 수 있을 것”이라고 기대했다.이 연구는 에너지 분야의 권위 학술지인 'Energy and Environmental Science'에 5월 27일 자로 온라인 출판됐다. 연구수행은 한국연구재단과 한국과학기술정보연구원의 지원으로 이뤄졌다.논문명: Graphene-Nanoplatelets Supported NiFe-MOF: High-Efficient and Ultra-Stable Oxygen Electrodes for Sustained Alkaline Anion Exchang membrane Water Electrolysis자료문의: 자연과학부_김광수 교수(052)217-5410

편집부 2020-07-09

수소전기차용 수분제어장치 부품 및 소재 기술 동향

자료제공: 소재종합솔루션센터(www.matcenter.org), 화학소재정보은행(www.cmib.org) 지식정보 심층보고서

편집부 2020-07-06

우리 생활에 없어서는 안될 유용한 플라스틱 제품을 만드는 사출성형기 이야기 24

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

편집부 2020-07-06

스마트공장(Smart Factory)을 위한 사출성형 모니터링 및 최적화 기술4

최근 사출성형 산업계에서는 복잡한 제품 구조와 복합 성형공정의 증가, 그리고 다양한 사용 환경에 대한 더욱 엄격해진 품질요구에 직면하고 있다. 이러한 변화에 이해하고 대응하기 위하여, 사출성형 모니터링에서 얻어지는 데이터를 기반으로 사출성형공정을 최적화하고 활용하는 방법과 이에 필요한 기본적인 지식에 초점을 맞추어 본지에서는 이번 4월호부터 씨에이프로(주) 이길호 대표이사로부터 원고를 제공받아 연재하고자 한다.RJG사는 사출성형 교육, 기술 및 리소스 분야에서 세계적인 리더로 인정 받고 있는 회사이며, 사출성형공정 모니터링에 사용되는 센서와 장비를 생산/공급하고 있다. 본 기사의 게재된 자료들은 RJG사에 모든 권한이 있다. 자료제공 : 이길호 (RJG공식 컨설턴트/트레이너) 기술지원및 비니지스제품문의 : http://www.caepro.co.kr/II. 모니터링 시스템의 활용에 필요한 기본지식3. 금형 (Mold)모든 금형에는 다음과 같은 5가지 기능이 있다. 아래의 5가지 기능이 올바르게 구현되면서 안정적인 생산을 이룰 수 있으면, 최적의 금형이라고 할 수 있다.1. 부품의 형상(캐비티)을 정의함.2. 플라스틱 재료를 사출기에서 캐비티까지 이송함. 3. 캐비티에서 공기가 밖으로 빠져나가게 함.4. 플라스틱 성형품을 냉각함.5. 성형품을 취출함.일반적인 금형은 플레이트(Plate) 수에 따라 2단 금형과 3단 금형으로 구분되며, 런너(Runner)의 형태(Type)에 따라 콜드런너(Cold-runner) 금형과 핫런너(Hot-runner) 금형으로 나누기도 한다.또한, 동일 금형 내에 캐비티의 수에 따라 단일 캐비티(Single-cavity) 금형, 복수 캐비티(Multi-cavity) 금형, 그리고 캐비티의 형상이 틀린 복수의 캐비티를 가지는 패밀리(Family) 금형으로 구분하기도 한다.아래의 그림은 금형의 각 부위에 대한 명칭을 보여주며, 성형 기술자나 성형해석 담당자들은 금형 설계자와의 의사소통에 사용될 수 있도록 숙지하여 두는 것이 바람직하다. 특히 성형과정 중에 과도한 내압이 작용하거나, 높은 형체력이 요구되는 금형의 경우에는 받힘봉(Support Pillar)을 적절히 이용하여 금형의 변형에 대비하여야 한다.여기에서는 제품의 품질과 사출 공정에 영향을 끼치는 항목과 금형 설계과정에서 주의하여야 할 사항을 중심으로 논의 해보고자 한다.3.1 스프루(Sprue)스프루 부싱(Bushing)은 기계 노즐을 금형에 연결하는 공급구이며, 부싱에서 형성되는 응고된 플라스틱 부분을 스프루(Sprue)라고 한다. 스프루는 노즐이 스프루 부싱과 만나는 좁은 끝부분에서 점점 가늘어지며, 이 테이퍼의 드래프트(Draft) 각도는 최소 2도 이상이어야 한다.스프루의 넓은 끝에는 스프루 풀러(Sprue Puller)가 있으며, 이는 언더컷이 된 짧은 이젝터 핀 형태로서 취출(Ejecting) 시에 스프루를 금형에서 쉽게 빼내는 데에 사용된다. 또한, 이것은 콜드 슬러그(Cold-Slug)의 역할도 수행한다.3.2 런너(Runner)스프루에서 캐비티로 플라스틱을 보내려면, 금형에 경로가 있어야 하며, 이러한 경로를 런너(Runner)라고 한다. 런너의 단면적 또는 유동 길이가 각 캐비티에 대해 동일하지 않으면 캐비티가 동일한 시간으로 충진되지 않으며, 잘 설계된 캐비티 및 런너의 배치는 각 캐비티로 플라스틱을 자연스럽게 흘러가게 하여 충진의 균형을 향상시킨다.멀티 캐비티 금형인 경우에, 런너의 크키와 스프루에서 캐비티까지의 거리가 동일하여도 캐비티 간의 충진 불균형이 발생한다. 이는 런너의 내부에서도 온도와 유속의 변화가 발생하기 때문이며, 런너의 두께가 커질수록 편차가 심해진다. 사출속도에 따른 충진 불균형을 알아보기 위해서는 동적 캐비티 불균형 테스트(Dynamic Cavity Imbalance Test)를 진행하여야 하며, 추후에 ‘사출 공정 최적화’ 단원에서 다루고자 한다.핫런너(Hot-Runner) 메니폴드(Manifold)를 이용하여, 공정 중에 재료를 액상으로 유지할 수 있으며, 이는 스크랩(Scrap)을 제거하여 재료비를 절감하고, 사이클 타임을 감소시켜 생산성을 향상시켜준다. 그러나 공정상에서 관리해야 할 변수를 증가시키고, 공정의 안정성을 저하함으로 좋은 면만 있는 것은 아니다.• 자연적인 균형이 이루어진 런너 배치(Layout)일지라도 캐비티 불균형은 발생한다. • 캐비티 밸런스(Balance)는 속도에 따라 변화함으로 충진 속도를 최적화하는 테스트가 필요하다.• 핫런너(Hot-Runner)의 경우에 메니폴드(Manifold)의 온도가 관리가 생산성에 가장 큰 변수이다.3.3 게이트(Gate)런너와 캐비티를 연결하기 위하여 가공된 작은 경로를 게이트(Gate)라고 합니다. 아래의 그림과 같이 다양한 게이트 디자인이 있으며, 모든 캐비티의 게이트 치수는 동일해야 하며, 게이트의 수와 위치는 공정에 매우 중요한 영향을 미친다.효과적으로 설계된 게이트는 아래의 두 가지 조건의 균형이 이루어져야 한다.(1) 냉각 및 분리를 용이하게 하기 위하여 충분히 작을 것 (2) 압력손실을 최소화할 만큼 충분히 클 것 탭(Tab) 게이트를 예를 들어, 게이트의 설계 인자는 3가지이며, 아래와 같이 각 설계 인자를 조정함에 따라 제품이나 공정에 영향을 미칠 수 있다.(1) 깊이: 분사(jetting) 및 배향에 영향을 미침.(2) 폭: 분사(jetting) 및 배향에 영향을 미침.(3) 길이: 짧은 길이로 인해 게이트 밀봉(Sealing) 시간이 길어질 수 있음.일부 가열 시스템에서는 게이트를 밀봉하기 위해 밸브 게이트를 사용하는 경우가 있으며, 게이트 수와 위치는 설계 단계에서 매우 신중한 검토가 필요하다. 핫런너 메니폴드(Manifold)와 밸브 게이트(valve-gate) 시스템은 한번 제작하면 수정이 불가하고 교체 시에 높은 비용이 필요하므로, 이를 사전에 사출성형 해석 소프트웨어를 사용하여, 게이트의 수와 위치를 검증할 필요가 있다.밸브 게이트를 사용하는 주요 이유는 플라스틱의 차단을 제어하는 데 있으며, 밸브 게이트가 있으므로 해서 표면 마감이 잘 처리되며, 생산 후 게이트 제거를 할 필요가 없다.• 모든 캐비티의 게이트 치수(깊이, 폭, 길이)는 동일해야 한다. • 게이트의 수와 위치는 공정에 가장 중요한 변수이며, 제품의 강도와 외관에 영향을 미친다.3.4 캐비티(Cavity)캐비티 영역은 제품 설계 엔지니어의 담당 분야이지만, 성형 또는 금형 설계를 담당하는 엔지니어 일지라도 다음의 사항을 기본적으로 검토할 수 있어야, 양산 준비 기간을 단축할 수 있으며 문제점 발생 시 해결책을 쉽게 도출할 수 있다.제품을 취출하는 방향으로 캐비티의 모든 부분에는 빼기 구배(Draft Angle)가 적절히 적용되어 있어야 하며, 제품에 언더컷(Undercut)이 없어야 한다. 3.4.1 제품의 두께(Thickness)제품의 두께는 제품의 강성과 같은 성능에 영향을 미치며, 성형공정에서 유동성과 수축, 그리고 냉각에도 크게 영향을 미친다. 두께는 균일하게 설계하는 것이 가장 좋으며, 부득이하게 두께가 틀린 경우에는 급격한 변화가 없도록 하여야 한다.일반적으로 냉각시간은 총 사이클 타임의 80%라는 이야기가 있으며, 엔지니어(부품, 금형 또는 공정)로서 냉각에 영향을 미치는 요인과 사이클 타임(Cycle Time)을 결정하는 방법을 이해해야 한다. 위의 수식을 이용하면 제품의 두께와 재료의 특성에 따른 이론적인 냉각시간을 계산할 수 있으며, 두께가 1㎜에서 2㎜로 늘어나는 경우에 냉각시간은 2배가 아니라 4배로 늘어남을 알 수 있다.• 냉각시간은 제품 두께의 제곱에 비례한다. 3.4.2 코너R(Corner Radius)제품의 모서리 부위의 ‘코너R’은 내부응력의 집중을 방지하는 데에 매우 중요할 뿐만 아니라, 수지의 흐름을 원활하게 하고 수축에 의한 변형을 줄이는 데에 매우 중요한 요소이다.특히 코너 부분에서의 안쪽과 바깥쪽 면이 서로 다른 속도로 냉각이 되어 발생하는 변형을 코너 효과(Corner Effect)라고 하며, 이는 사각 형태의 제품에 빈번하게 나타나는 문제점이다.3.4.3 리브(Rib)리브는 제품의 강성(Stiffness)을 향상시키거나, 변형(Warpage)을 줄이는 데에 사용되며, 적절한 설계가 이루어지더라도, 충분한 보압이 전달되지 않으면 성형 시에 리브의 뿌리(Root) 부분에서 부분수축(Sink-Mark)이 발생함으로 주의하여야 한다. 제품의 두께에 비하여 너무 얇은 리브의 경우에, 충진 단계에서 유동 선단의 온도가 강하되어 미충진이 발생할 가능성이 있음에 주의하여야 한다. 이러한 문제점은 적절한 리브 두께로 수정하거나 충진 속도를 최적화하여 해결할 수 있다.3.4.4 보스(Boss)보스는 다른 제품과의 체결을 위하여 필요하며, 리브와 같이 적절한 설계가 이루어지더라도, 충분한 보압이 전달되지 않으면 뿌리(Root) 부분에서 부분수축(Sink-Mark)이 발생함으로 주의하여야 한다. 3.4.5 구멍(Hole)구멍이 서로 근접하거나 제품의 끝단에 가깝게 설계되면, 웰드라인에 의하여 강도가 급격히 떨어지고 외관이 양호하지 않을 수 있음에 주의하여야 한다.3.5 가스빼기(Gas Vent)플라스틱이 금형에 주입될 때, 밀폐된 금형의 캐비티 내에 가득 차 있는 공기/가스는 유동 끝단 부분의 작은 채널 또는 구멍을 통하여 외부로 배출된다. 이렇게 금형에 가공된 채널 또는 구멍을 가스빼기(Gas Vent) 라고 한다. 가스빼기(Vent)에는 다음과 같은 종류가 있다.(1) 에지 가스빼기(Edge Vent)(2) 가스빼기 채널(Vent Channel) (3) 가스빼기 핀 (Vent Pin)(4) 진공 가스빼기 (Vacuum Vent)가스빼기(vent)는 사실 게이트의 반대 개념이며, 금형에서 가장 간과되고 무시되는 경향이 있으나, 제품의 품질과 생산 안정성에 끼치는 영향은 매우 크다. 벤트(Vent)에 있어서 가장 중요한 치수는 ‘깊이’이며, 약 0.02~0.05㎜가 일반적이고, 이젝터 또는 코어핀의 경우에 측면과의 간극이 0.01~0.025㎜가 적당하다.• 금형에 적절히 설계된 벤트(Vent)가 아무리 많이 있어도 지나치지 않다. • 가스빼기가 적절치 않았을 때 미성형(Short-Shot) 탄화(Burn-Mark) 같은 문제점이 발생한다.3.6 냉각 라인(Cooling Line)플라스틱이 금형에서 고화되는 것은 냉각 라인을 통하여 재료가 가지고 있는 열이 빠져나가기 때문이며, 이때 냉각속도는 금형 캐비티 벽면의 온도와 재료의 온도 차에 의해서 결정된다. 냉각 라인은 금형에 축적되는 열을 효과적이고 안정적으로 제거할 수 있어야 한다.반결정성(Semi-crystalline) 수지를 재료로 사용하는 경우에, 비결정성(Amorphous) 수지보다 냉각 라인 배치에 세심한 배려가 필요하며, 아래와 같은 기본적인 설계지침을 충실히 따르는 것이 좋다.냉각 라인에는 일반적인 직선의 드릴 홀 (Drilled Hole) 타입이 이용되며, 그 외에 배플(Baffle), 버블러(Bubbler), 히트파이프(Heat Pipe) 등이 사용된다. 요사이에는 캐비티의 형상을 따라 냉각 라인을 가공하는 컨포멀(Conformal) 냉각 라인의 적용도 늘어가는 추세이다.3.7 이젝터(Ejector)냉각이 완료되면 금형이 열리고 제품의 취출이 이루어지며, 이는 금형 내의 취출기구(Ejector)가 담당한다. 취출기구에는 간단한 이젝터-핀(Ejector-Pin)에서부터 복잡한 기계장치가 있으며, 그 종류는 다음과 같다.(1) 이젝터-핀(Ejector-Pin)(2) 스트립퍼-판(Stripper-Plate)(3) 슬리브(Sleeve)(4) 공압장치(Pneumatic(Air) System)(5) 기계장치(Mechanical System)3.8 최소 필요 형체력(Minimum Required Clamp Force) 계산금형이 열리는 방향의 직각인 평면에 투영되는(성형부품+런너)의 면적을 투영면적(Projected Area)이라고 한다. 투영면적은 성형공정 중에 금형이 벌어지는 것을 막기 위하여, 그리고 과도한 형체력에 의한 금형의 손상을 막기에 적절한 형체력을 계산하기 위해 필요하다.형체력의 계산은 투영면적에 캐비티의 압력을 곱하여 얻어지며, 압력은 캐비티의 실제 평균 압력을 이용하는 것이 가장 정확하다. 그러나 압력 센서가 설치되어 있지 않은 경우에는 성형해석의 결과를 이용하거나, 재료 전문가에게 추천받는 것이 바람직하다.3.9 생산성과 안정성 향상을 위한 금형 설계 기본지침(Basic Guide)• 성형부품을 만드는 금형에 적절한 허용오차(Tolerance)를 주도록 설계한다.- 정확한 수축 데이터를 사용- 게이트 밀봉(Seal)을 위한 설계 - 성형부품 방출을 위한 적절한 빼기 구배(draft)를 적용• 사이클(Cycle) 타임을 위한 금형을 설계한다.- 검증되고 적절한 이젝터 시스템을 적용- 각 캐비티에 대해 동일하게 적절한 냉각을 사용- 열이 집중되는 곳에 냉각 라인을 배치- 모든 냉각 채널에서 유속 모니터링을 실시- 지름/거리/피치가 정확한 냉각관을 사용- 항상 성형부품을 한 번의 취출 동작(One Ejecting Cycle)으로 취출되도록 설계• 각 캐비티(Cavity)를 동일하게 설계/가공한다.- 플라스틱 흐름 길이- 냉각- 게이트 위치- 벽의 두께• 쉽게 충전되는 금형을 설계한다.- 유동 균형 유지- 과도하지 않은 흐름 길이- 일정한 벽의 두께- 금형의 압력손실을 추정하는 성형해석 소프트웨어 도구 사용3.10 적절치 않은 금형 설계 또는 제작에 의한 제품결함여기에서는 금형 설계 및 가공 상의 문제로 발생하는 성형 불량에 대하여 간단히 발생 이유와 금형에서의 해결책을 검토하고자 한다. 이는 기본적으로 금형의 설계와 제작에 문제가 있는 경우에 공정 최적화를 아무리 완벽하게 수행하여도 고품질의 제품을 생산할 수 없기 때문이다.★ 사출기 모니터링 시스템의 필요성 – 금형 변형(Mold Deflection) 모니터링(예제) 제품의 변형(Warpage)이란, 수축이 일정하지 않아 발생하는 기하학적 형상변화를 말한다. 부분영역에서 수축이 동일하지 않으면, 제품 내부에서 응력이 발생하며, 제품의 강성에 반비례하여 변형에 영향을 준다.변형의 주요 원인은 수축 차이(Differential Shrinkage), 냉각 차이(Differential Cooling), 배향(Orientation)이 있으며, 경우에 따라서는 금형 변형(Mold Deflection), 코너 효과(Corner Effect), 취출 불량(ejection Difficulty)이 변형의 원인이 될 수 있다.금형 변형에 의한 제품의 변형이 발생하는 경우에, 모니터링 장비와 금형 변형 센서의 활용이 없는 현장에서는 원인 파악이 불가능하여, 올바른 대책을 수립하기 어려운 경우가 종종 발생한다.… 2020년 핸들러 8월호에서 ‘스마트공장(Smart Factory)을 위한 사출성형 모니터링 및 최적화 기술 5’ 가 이어집니다.

편집부 2020-07-06

생명연, 플라스틱 분해효소 발현을 통한 페트병 분해 식물성 플랑크톤 개발

- 수생 생태계의 플라스틱 연쇄 오염 고리 차단의 실마리 제공국내 연구진이 유전자 형질전환을 통해 플라스틱 분해효소를 발현하여, 페트병을 분해하는 식물성 플랑크톤을 개발하였다. 향후 수생 생태계의 플라스틱 연쇄 오염 및 생물 농축 차단에 큰 기여를 할 것으로 기대된다. 미세플라스틱 오염이 먹이사슬에 따라 생물 농축되는 과정에서 플라스틱 분해 플랑크톤이 순환 고리를 끊는 역할을 수행할 수 있을 것으로 기대한국생명공학연구원(원장 김장성, 이하 생명연) 세포공장연구센터 이용재, 김희식 박사팀(교신저자: 이용재/김희식 박사, 제1저자: 김지원/박수빈 석박사통합과정생)이 수행한 이번 연구는 과학기술정보통신부와 생명연이 추진하는 아이디어 기반 융합 사업의 지원으로 수행되었고, 미생물 분야의 국제학술지 마이크로바이얼 셀 팩토리즈(Microbial Cell Factories, IF 4.669) 4월 28일 자(한국시각 4월 29일) 온라인판에 게재되었다. * 논문명: Functional expression of polyethylene terephthalate-degrading enzyme(PETase) in green microalgae 어패류 등의 수생 생명체는 미세플라스틱을 먹이로 오인하여 섭취하는 경향이 있어, 중금속이나 방사능과 같이 먹이사슬을 통해 플라스틱 생물 농축이 일어날 우려가 있다. 식물성 플랑크톤은 수생 생태계에서 1차 생산자로서 빛으로부터 포도당과 같은 영양분을 합성하여 전체 먹이사슬에 공급하는 역할을 담당한다.따라서, 플라스틱을 분해하는 식물성 플랑크톤은 미세플라스틱에 의한 수생 생태계의 연쇄 오염을 원천적으로 예방하고 먹이사슬을 통한 플라스틱 생물 농축을 차단할 수 있다.2016년 해외연구팀에 의해 페트병을 분해하는 효소가 세균으로부터 발견되었지만, 아직까지 식물성 플랑크톤인 녹색 미세조류에 적용한 사례가 없었다. 본 연구팀은 ‘Chlamydomonas reinhardtii’라는 가장 대표적인 녹색 미세조류에, PET 분해효소(PETase)의 아미노산 서열을 이용하여 식물플랑크톤에 적합하도록 유전자를 합성하여, 페트병을 분해하는 식물성 플랑크톤 ‘CC-124_PETase’를 개발했다.연구팀은 플라스틱 분해 식물성 플랑크톤을 개발하여 시판되고 있는 음료수 페트병을 인체에 무해한 단량체들(TPA*, EG**)로 완전히 분해하는 것을 확인하였으며, 전자현미경을 통해 페트병이 분해되는 과정을 관찰하는 데 성공했다.* 테레프탈산(terephthalic acid), ** 에틸렌글라이콜(ethylene glycol)연구책임자인 김희식 박사는 “동 연구성과는 세계 최초로 플라스틱을 분해하는 녹색 미세조류를 개발한 것”이라며, “이 기술은 플라스틱에 의한 환경오염을 해결할 수 있는 새로운 패러다임을 제시한 결과”라고 밝혔다. 또한, “먹이사슬을 통한 미세플라스틱의 생물 농축을 원천적으로 차단할 수 있는 기술의 실마리를 제공함으로써 추가적인 연구를 통해 자연복원, 수산양식 등 다양한 분야에 널리 활용될 수 있을 것”이라고 전망했다.

취재부 2020-07-05

생기원, AI기술 적용으로 제조 중소기업 불량률 개선 지원

- 생기원, 동양다이캐스팅㈜에 기술 지원으로 불량률 3%에서 1%로 감소- 대기업에 납품하는 ECU 부품 생산비용 연간 약 7,200만 원 절감효과 한국생산기술연구원(원장 이낙규, 이하 생기원)이 중소기업 동양다이캐스팅㈜에 기술 지원해 다이캐스팅 부품의 불량률을 3% 이상에서 1%대로 감소시켰다. 연간 생산비용 약 7,200만 원을 절감하는 성과다. 다이캐스팅(Die-Casting)은 주조의 특수 공법 중 하나로 용융된 금속을 금형에 고압·고속으로 주입하여 복잡한 형상의 제품을 대량 생산하는 뿌리기술이다. 다이캐스팅 생산 과정 중에 발생하는 불량은 크게 3가지로 나뉘는데, △ 금속을 녹이거나 주형에 용탕이 주입되는 과정에서 가스가 혼입되어 나타나는 ‘기포 불량’, △ 금속이 수축하면서 빈 공간이 발생하는 ‘수축 불량’, △ 마지막으로 성형 자체가 온전하게 되지 않은 ‘미성형 불량’이 있다. 미성형 불량의 경우 육안으로도 불량이 확인되지만, 기포·수축 불량의 경우 최종 QC(품질관리; Quality Control)과정에서 CT(컴퓨터단층촬영; Computed Tomography)로만 내부 불량을 찾을 수 있어 공정 시간, 비용 및 인력 낭비 문제가 있다. 아울러 불량품은 완제품 품질과 직결되어 기업의 신뢰도에 영향을 주는 만큼 불량률 개선이 중요하다. 주로 대기업에 알루미늄 주조부품을 납품하는 다이캐스팅 제조 전문기업인 동양다이캐스팅㈜은 지난 2018년 ‘ECU 케이스’의 불량률 개선을 위해 생기원의 문을 두드렸다. ‘ECU 케이스’는 자동차 전장의 브레인에 해당하는 ECU(전자제어장치; Electronic Control Unit)에 들어가는 부품이다. 단일 품목 중 생산량이 가장 많아 하루 3,600개를 생산하는데 공정상 불량률이 3% 이상에 달했다.대다수의 뿌리기업이 그렇듯 MES(제조실행시스템; Manu-facturing Execution System)를 통해 DB에 제조 공정 데이터를 저장하고는 있었지만, 데이터 활용 체계가 없어 공정 조건에서 불량품을 찾아내는 데 난항을 겪었다.생기원 공정지능연구부문 황호영 박사 연구팀은 AI(인공지능)기술 적용으로 공정 조건 최적화를 통해 불량률을 낮추고, 예측 및 통제 가능한 스마트 공정 체계 구축에 성공했다. 연구팀은 공정 조건별 △ 군집 분석, △ 일별 불량률 집계와 △ 공정 조건 간의 상관관계 분석, △ 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 공정 최적화를 병행했다. 이를 위해 먼저 관련 데이터를 실시간으로 수집하는 환경을 구축했다. 계절별 불량 발생 변동 원인 분석을 위해 장비의 진동, 현장의 온도·습도·기압 등의 변수 측정을 위한 센서를 추가로 부착해 생산 공정상의 약 20개의 변수를 도출했다.이렇게 수집된 데이터를 바탕으로 약 20개의 공정변수 중 불량률과의 상관관계 분석을 실시해 관련 있는 3개의 변수를 찾아냈다. 도출된 공정변수들은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 최적값을 산출했다. 해당 최적값으로 금형 방안 개선과 공정 조건 설정값을 개선해 불량률을 낮췄다. 아울러 군집 분류 알고리즘을 적용해 특정 공정 조건이 주어질 때 생산부품이 양품인지 불량인지를 판정하는 기능도 개발했다. 이를 통해 99% 정확도로 양품 판정이 가능해졌다.이 같은 기술 지원을 토대로, 동양다이캐스팅㈜는 기존 불량률 3% 이상에서 1%대로 감소시킬 수 있었다. 이는 연간 약 7,200만 원의 생산비용 절감효과로 이어질 것으로 기대된다. 이와 함께 최종 QC에서 불량을 찾아내던 것과 달리 생산 과정에서 불량 판정이 가능해짐으로써 시간, 비용 및 인력 낭비까지 줄일 수 있었다. 불량률 개선은 기업의 이미지 제고에도 긍정적인 영향을 미칠 것으로 예상된다. 동양다이캐스팅 오경택 대표는 “기술적 난제를 극복하는 데 생기원이 큰 힘이 됐다면서, 많은 중소기업이 생기원을 부설 연구소처럼 활용했으면 좋겠다”라고 말했다. 생기원 황호영 박사는 “앞으로도 동양다이캐스팅을 비롯한 중소기업들과의 협업을 통해 생기원의 역할과 임무를 다할 수 있도록 노력하겠다”고 밝혔다. 한편 생기원은 중소·중견기업의 제조혁신을 지원하기 위해 지난 2018년부터 ‘P-ICT RAID 전략*’을 수립해 시범사업을 추진하고 있다. 생산현장에서 수집·분석된 제조 데이터를 기반으로 공정 지능화 기술을 개발하고 우수 적용사례를 기업에 보급·확산하는 것에 방점을 두고 있다. 이번 기술 지원 역시 본 시범사업의 일환으로 진행됐다. * P-ICT RAID: 뿌리(PPURI) 산업의 대표적 업종에 로봇(Robot), 인공지능(Artificial Intelligence), 데이터 마이닝(Data Mining), IoT 센서(Sensor) 등 4차 산업혁명 관련 핵심기술을 적용하기 위한 공정혁신 전략

취재부 2020-07-05

KIST, 불에 타지 않는 친환경 탄소 플라스틱 개발, 재활용도 탁월

- 식물 유래 물질인 탄닌산을 이용한 바이오 에폭시 기반 무독성 난연 복합소재- 물만 이용하여 수십 분 내에 99% 친환경 재활용 가능불에 잘 타지 않는 난연성 탄소섬유 복합소재가 개발됐다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 직무대행 윤석진) 구조용복합소재연구센터 정용채 센터장 연구팀은 식물로부터 유래한 탄닌산(Tannin Acid)1)을 이용하여 난연성 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)2)을 개발하고, 이를 친환경적으로 재활용하는 방안도 제시했다고 밝혔다.강철보다 1/4 정도로 가볍고 10배나 강한 탄소섬유를 이용한 복합재료인 탄소섬유강화플라스틱(CFRP, Carbon fiber reinforced plastics)는 항공우주, 자동차, 선박, 스포츠용품 등 산업 전반에 걸쳐 다양하게 활용되고 있다. 콘크리트가 철근과 시멘트로 이루어진 것과 비슷하게, CFRP는 탄소섬유와 에폭시 수지로 이루어져 있다. CFRP는 기계적 강도를 위해 탄소섬유와 수지 사이의 결합력이 강해야 할 뿐 아니라 건축자재 등 일상생활에 밀접한 분야에 사용되기 때문에 화재와 관련한 안정성 또한 필요하다. 이를 위해 몇몇 첨가제가 함께 합성되기도 한다.열에 취약한 CFRP는 그동안 화재 안전성을 위해 할로겐3) 난연제를 사용해 왔다. 하지만 불에 태워 재활용(고온 소각)하는 CFRP에 연소 시 독성물질이 발생하는 할로겐 물질을 사용하는 것은 적절치 못해 세계적으로 금지되었다. 이에 따라 독성이 없고 안전한 소재를 통해 난연성을 확보하는 것이 필수 과제였다.KIST 정용채 센터장은 식물에서 얻을 수 있는 친환경 물질인 탄닌산을 이용하여 기계적 강도와 난연성을 증진시키고자 하였다. 탄닌산은 탄소섬유와 강하게 접착되는 성질이 있다. 그뿐만 아니라 탄닌산은 불에 탈 때 숯으로 변하는데, 이 숯은 외부의 산소를 차단하는 벽(Char)이 되어 불이 확산되는 것을 막는다. KIST 연구진은 탄닌산으로 에폭시 수지를 제작하고, 탄소섬유와 복합화하여 튼튼하고 불에 타지 않는 CFRP를 개발할 수 있었다. 탄닌산으로 제작한 에폭시 수지는 열에 취약하던 기존과는 달리 난연성이 있으므로 별도의 첨가제가 필요하지 않아 불에 태워 CFRP를 재활용할 때 발생하던 독성물질이 더는 발생하지 않게 되었다. 또한, 불에 태우면 탄소섬유의 성능이 저하되어 완전한 재활용을 할 수 없었는데 연구진은 새로운 재활용 방법을 제시했다.일정 수준 이상의 온도와 압력을 갖는 ‘초임계4)’ 상태의 물에 CFRP를 녹이면 탄소섬유의 성능 저하 없이 99% 이상을 회수할 수 있었다. 또한, 에폭시 수지가 녹으면서 전자재료로 사용될 수 있는 ‘카본 닷5)’이라는 물질이 생성됨을 확인하였는데, 에폭시 수지를 태워버리고 불완전한 탄소섬유만 재활용하던 고온 소각법과는 달리 복합소재의 구성 요소 모두를 재활용할 수 있게 되었다.KIST 정용채 센터장은 “기존 탄소섬유강화플라스틱의 취약한 난연성, 기계적 강도, 그리고 재활용 특성 향상과 응용범위가 확대된 복합소재를 제조하였고, 그 소재의 응용범위를 제시했다는 데 의의가 있다”라고 말하며, “향후 보다 향상된 물성확보를 위해서 구조를 검토하고 응용범위를 확대할 예정이다”라고 밝혔다.1) 탄닌산(Tannin Acid): 자연계에 풍부하게 존재하는 물질로 폴리페놀의 일종이며, 주로 식물에 의해 합성된다.2) 탄소섬유강화플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastics): 탄소섬유를 강화재로 하는 고강도ㆍ고탄성의 경량 구조재로 주목을 받는 첨단 복합 재료이다.3) 할로겐: 주기율표의 17족에 속하는 원소들로, 플루오르, 염소, 브로민(브롬), 아이오딘(요오드) 등이 있다.4) 초임계 유체: 임계점 이상의 온도와 압력에 놓인 물질 상태를 일컫는다. 기체의 확산성과 액체의 용해성이 있다. 초임계 유체로 자주 사용하는 물질은 물과 이산화탄소이며, 초임계 상태에 있는 물은 금조차 녹일 수 있다.5) 카본 닷(Carbon Dot): 카본 닷 또는 탄소 양자점은 주 원소가 탄소로 구성되어 있으며, 무기계 양자점과 유사하게 형광(photoluminescence) 및 반도체적 특성을 나타낸다는 점에서 바이오 이미징, 센서, 발광다이오드(light emitting diode, LED) 조명, 유기 태양 전지, 광촉매 등의 분야에서 최근 많은 응용되고 있다.본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업으로 수행되었으며, 연구결과는 재료과학 및 복합소재 분야 1위 국제저널인 ‘Composite Part B: Engineering’(JCR 분야 상위 2.0%) 최신호에 게재되었다.* (논문명) Recyclable, Flame-Retardant and Smoke-Suppressing Tannic Acid-Based Carbon-Fiber-Reinforced Plastic- (제1저자) 한국과학기술연구원 김영오 연구원- (교신저자) 한국과학기술연구원 정용채 책임연구원

취재부 2020-07-05

UNIST 박혜성 교수팀, 고성능 '금속-그래핀 하이브리드 유연 투명전극' 개발

편집부 2020-07-01