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자료제공: 우진플라임기술교육원(http://woojinplaimm.or.kr) 개요사출성형을 통하여 제품을 생산하는 과정 중 발생하는 다양한 사출 성형품 트러블에 대하여 발생하는 원인을 분석하고 그 분석을 통한 해결책을 제시하고자 합니다.성형 불량의 원인1. 성형기의 기능 부족- 작동유, 오일 쿨러 관리 부족- 유압 밸브, 펌프의 이상- 체크링의 이상- 성형기의 기능 부족-속도, 압력, 용량 부족2. 성형조건의 부적절- 온도, 속도, 압력, 배압3. 금형 자체의 결함- 랩핑 불량, 조립 불량, Gas vent, Cold Slug – Well4. 원료(수지)의 결점- Lot 별 물성 차이 발생, 건조 전후 수분율 관리의 미흡5. 제품 설계상의 결함- Gate 위치 및 수, 살 두께 등성형품에 나타날 수 있는 불량의 종류1. Short Shot(짧은 발사/미성형)제품의 형상이 불안전하게 성형품을 Short Shot 또는 미성형이라고 합니다.이러한 종류의 결함은 흔히 유로가 길거나 살 두께가 얇은(Rib, 창살) 경우 Gate에서 멀리 떨어진 곳에 나타납니다.미성형의 원인은 사출되는 수지량이 너무 적거나, 사출압력이 충분하지 않고, 사출 속도가 느려서 충진 시 유로의 고화가 빠르게 발생하여 생기기도 하고 금형 온도가 낮은 것도 원인이 됩니다. 또한, 금형에 Air Vent가 충분하지 않아서 발생하기도 합니다.< Short shot 문제점 분석 >먼저 금형 쪽의 문제점이 있는지 알아보는 것이 우선시 되어야 하는데 Sprue, Runner, Gate의 통과 면적이 작지는 않은지, Cavity에 수지가 저항을 받을 수 있는 이유가 있는지를 확인하여 개선책을 마련해야 합니다.금형 쪽 문제점이 도출되었다면 이번에는 사출 조건에 대한 문제점을 찾아보아야 합니다. < 수지 온도가 낮거나 사출 속도, 압력이 낮은 경우 >수지 온도는 낮게 작업하는 것이 좋지만, 너무 낮으면 Cavity에 충분히 수지가 충진되기 전에 고화가 진행되어 미성형이 발생합니다. 즉 미성형에 대한 조건의 대책은 Cavity에 수지가 충분히 충진되기 위한 높은 압력, 빠른 속도, 적절한 온도가 필요하고, 이때 금형에 잔류할 수 있는 Gas를 빼낼 수 있는 Vent가 만들어져 있어야 한다는 것입니다. 기계적으로는 스크류와 체크링의 마모 상태를 체크 해보는 것도 필요한 것입니다.2. Flash Burr(깔쭉깔쭉 부추어 보이는 부분)금형의 맞닿는 Parting Line 부분에 성형품의 형상 이외에 형상이 만들어지는 것으로 Flash / Burr라고 합니다.< Flash / Burr 문제점 분석 >금형의 Parting Line 면에 흠집 또는 먼지 등 이물질이 있어서 정밀도가 나쁜 경우 발생할 수 있으며, 금형 설치 판(고정/이동 측 플레이트)에 흠이 있거나 기계적으로는 타이바의 변형 또는 터글의 편마모가 있을 때 발생할 수 있습니다.금형 쪽의 문제점이 개선되었다면 사출 조건상으로는 형체력을 올릴 수 있다면 형체력을 올리고 사출압력을 낮추고 보압 또한 낮추고 사출 속도, 수지 온도 등을 내리거나 낮추는 것으로 개선이 가능한 불량의 유형입니다.3. Sink Mark(함몰 자국/수축)제품의 두꺼운 부분이나 Rib, Boss 등의 외측 벽이 불충분한 냉각과 두꺼운 곳에서 열 수축이 보상될 수 없을 때, 성형품의 표면상에 바깥쪽 층이 안쪽으로 빨려 들어가 오목하게 나타나는 현상을 말하는 것입니다.< 원인 및 분석 >Sink Marks 수축은 냉각 과정 중 제품의 어떤 특정한 부위에서 열 수축을 보상할 수 없을 경우 발생하는데, 즉 고체의 수지가 가소화 장치에서 액체화하고 금형 내에 주입되어 고체화하는 과정에서 발생하는 체적수축이 성형품 외관에 나타나는 결함입니다.- 금형 내에서 수지의 고화가 너무 늦음. 유효 보압 시간이 너무 짧다.- 금형 내에서 유동 저항이 너무 높기 때문에, 충분한 보압이 전달되지 못한다.< 주의 사항 >최적의 보압 전달을 위하여 성형품 가장 두꺼운 단면에 Gate를 설치하여야 한다.Sprue & Gate의 조기 냉각을 피하기 위하여 충분한 크기가 요구된다.< 문제점 및 현상 >                                - 사출 후 잔량이 적거나, 산포가 심하다.대책: 계량 거리를 증가시키고 잔량의 산포가 심하다면, 스크류 및 체크링의 마모를 의심해 볼 수 있으니, 스크류의 역류 테스트를 해보는 것이 좋습니다.4. Flow Mark(흐름 자국)Cavity로 최초에 유입된 수지의 냉각이 너무 빨라서 다음에 유입되는 수지와의 경계가 생겨서 일어나는 것으로, 용융 수지의 흐름 흔적이 줄무늬 모양, 파상 또는 흐름 줄무늬로 나타나는 현상입니다.< 원인 >Flow Mark는 수지 온도 및 금형 온도가 너무 낮고, 사출 속도가 느려 냉각속도가 너무 빠른 것이 큰 요인입니다. 금형으로 유입되는 수지는 분수유동을 하게 되어 금형의 외벽을 따라 유동을 하게 되며 이때 점성이 높은 수지나 낮은 금형 온도는 성형품의 외벽 즉 Skin 층을 형성하는데, 이때 유동이 좋지 않다면 더 많은 흐름 자국이 만들어질 수 있습니다.< 분석 및 대책 >불충분한 금형 온도로 인한 흐름 자국이 발생한다면 금형 온도를 올려 주어야 하고, 냉각 라인이 부족하다면 추가적인 라인을 설치하는 적극적인 대처가 필요합니다. Gate 주변에 발생하는 경우는 Gate의 통과하는 위치의 사출 속도를 올리거나 다단 사출로 조건을 설정하여 저속, 또는 고속으로 변경하는 것으로, 흐름 자국 또는 Smog 현상을 개선할 수 있습니다. 가열 실린더의 온도를 올려서 수지의 유동을 원활하게 해주어야 하면 수지의 물성표를 참조하여 금형 온도, 용융 수지 온도를 올바르게 설정해야 합니다. 금형에서는 Gate의 크기 및 위치를 잘 선정하여야 하며, Sprue 끝이나 주 runner로 분기한 곳에 Slag-well을 설치하는 것이 좋습니다.
편집부 2020-10-05
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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 : CAEPRO  이길호 대표 (RJG공식 컨설턴트/트레이너)              http:www.caepro.co.kr                       Ⅲ. 사출성형 모니터링 시스템의 활용2. 사출 공정 최적화(Optimization)시사출 공정 또는 샘플링 공정에서 아래와 같은 모니터링 시스템을 사용하면, 사출 공정의 최적화를 상대적으로 용이하게 이룰 수 있으며, 이러한 시스템을 통하여 스마트공장 구축에 더욱 쉽게 접근할 수 있다.시사출 공정 또는 샘플링 공정에서 설정된 사출 조건 최적화 상태는 내압 및 온도 센서에서 얻어지는 데이터와 육안 및 측정기 데이터 분석을 통하여 이룰 수 있다. 공정 최적화의 달성 여부는 제품의 품질(Quality), 생산성(Productivity), 그리고 공정 안정성(Stability)에 의하여 판정되어 진다.사출 공정은 재료를 실린더에서 용융하고, 스크류의 직선운동을 통하여 금형 캐비티 내로 용융된 재료를 주입하여 냉각시키는 과정이다. 이때 제품 또는 금형 캐비티에 가장 영향을 끼치는 단계는 속도로 제어되는 충진(Filling) 구간과 압력으로 제어되는 보압(Packing) 구간으로 볼 수 있다.그러므로 최적화에 가장 중요한 인자가 사출 속도, 보압 크기와 시간, V/P 절환임을 유추할 수 있다.[그림 114]는 사출 공정에서의 사출압과 내압의 변화를 보여주는 것이며, 전 단계 구간은 다음 단계 구간에 영향을 준다는 것을 명심하여야 한다.예를 들어 속도제어 구간에서 속도가 과도하게 느리면, 캐비티 내의 점도가 높아져, 설정된 보압이 캐비티 끝단까지 용이하게 전달되지 않아 예상하지 못한 과도한 수축이 발생하게 된다. 이렇게 전 단계의 공정은 다음 단계의 공정에 영향을 미침으로 다음 단계의 영향을 고려한 최적화가 이루어져야 한다.여기에서는 사출기의 설정과 동작으로 발생하는 사출압(Injection Pressure or Hydraulic Pressure)과 캐비티(Cavity) 압력 데이터(곡선)를 이용하여, 제품의 품질을 향상시킬 수 있는 사출 공정의 주요 제어 인자(Parameter), 속도와 압력의 최적화에 대한 기본적 이해와 이에 대한 활용에 관하여 기술하고자 한다. 사출을 수행하는 방법에는 여러 가지가 있다. 일반적으로 충진은 속도제어로, 보압은 압력제어로 하는 방법이 널리 사용되고 있으며, 간혹 충진을 압력으로 제어하는 방법을 사용하기도 하지만, 이는 각 사이클(Cycle)의 제품의 편차가 커서 생산성과 제품 안정성이 떨어짐으로 유의하여야 한다.사출 공정(Process)의 다양한 방법을 구분하는 척도는 제어 구간을 몇 단계로 구분하여 제어할 것인가에 있으며, 다음은 RJG의 구분법을 소개한다.2.1 사출 속도(Injection Speed) 최적화사출 속도를 최적화하기 위해서는 다음과 같은 두 가지의 원칙이 충족되어야 한다.• 풍부한 압력(Pressure in abundance)• 원하는 유속(Flow Rate)을 얻기에 충분한 유동(Enough capacity of pump or accumulator) 금형에 플라스틱을 충진(Fill) 및 충전(Pack)하기 위해서는 사출기 제어를 어떻게 해야 하는지에 대한 다음과 같은 개념을 인지하여, 최적화를 수행하여야 한다. 최적화의 목적은 우수한 성형부품을 지속적으로 생산할 수 있게 하기 위함이다.• 사출 속도는 사출기의 속도(Velocity) 설정값에만 반응한다.• 충진 중, 설정 압력은 이차적인 변수이다.• 점도(Viscosity) 변화에 관계없이 사출기는 매 사이클마다 일정하고 반복적인 사출 속도를 보여준다.    (* 그러나 캐비티 내의 압력은 일정하지 않음)• 점도 변화를 최소화하기 위해 빠르게 충진할 수 있어야 한다.• 최적의 조건을 위하여 폴리머 유동학(Rheology)에 대한 이해가 도움이 된다.모니터링 시스템에서 나오는 데이터만으로 사출 속도의 최적화를 이룰 수는 없으며, 이는 제품의 외관 불량에 대한 판정을 육안으로만 할 수 있기 때문이다. 대부분의 외관 불량은 충진과정에서 발생하며, 모니터링 시스템은 사출 속도에 따른 압력의 변화를 보여줌으로써 성형 기술자가 주어진 사출기에서 최적의 조건을 설정하는 데에 보조적인 역할을 한다.아래의 그림에서 보는 바와 같이 Vs1 사출 속도에서 압력이 평행하게 유지되는 현상이 발생하며, 이 경우에는 최대 사출압 제한에 의하여, 설정된 속도가 이를 위하여 감속된 것이다. 충진에 문제가 없는 경우에는 설정 속도를 줄여 속도를 제어를 가능하게 할 필요가 있다. 충진에 문제가 있는 경우에는 최대 사출압이 높은 사출기로 교체하여 성형을 수행하여야 한다.[그림 117]에서 보는 바와 같이 사출 속도를 증가하면, 금형의 내압이 증가하게 된다. 사출 속도가 감소하여, 충진 공정의 압력이 낮은 경우에 사출품의 외관, 특히 전사성에 문제가 되는 경우가 발생하며, 충분한 두께를 가지는 경우에 보압 공정에서 상당한 크기의 압력을 가해야만 해결이 가능하다.(* 얇은 제품이나 냉각이 빠른 제품의 경우에 높은 보압으로도 해결이 불가능하다.)일반적으로 점도의 변화에 가장 영향을 많이 끼치는 인자는 전단률(Shear Rate)이며, 이는 사출기의 속도와 직접적으로 연관이 있다. 그 외에 융용 온도, 금형 온도, 배압과 계량 속도 등에 의하여 점도가 변화하기도 한다. [그림 118]에서 보는 바와 같이 충진 시 점도의 상승을 억제하면, 게이트 부근과 유동 말단에서의 금형 내압 차이가 감소하게 되어 보다 균일한 수축을 유도할 수 있다.그림에서 보압 공정에서 캐비티의 압력이 최대로 증가하며, 사출기에서 노즐에서 작용하는 압력보다 게이트 부근과 유동 말단의 압력이 낮음을 볼 수 있다. 이를 정적 압력 손실(Static Pressure Loss)이라고 하며, 95~99% 충진 테스트를 통하여 ‘노즐 → 스프루 → 런너 → 게이트 → 캐비티’ 순서로 압력 손실이 발생하는 것을 동적 압력 손실(Dynamic Pressure Loss)이라고 한다. 동적 압력 손실이 많은 경우에는 성형 조건의 변경보다는 금형 수정을 통하여 문제점을 해결하는 것이 더 용이한 접근 방식이다.에너지 저감이라는 경제적인 측면과 사출 제품의 품질이라는 두 가지 측면에서 보면, 사출 속도는 실질적인 수준에서 빠르면 빠를수록 바람직함을 알 수 있다. • 가능한 빠른 충진 속도를 사용해야 한다. • 이것이 충진 속도를 최적화하는 가장 빠르고 간단한 방법이다. • 흐름 관련 불량(플래시, 타버림 등)이 발생할 경우 다단(Profiled) 속도가 요구될 수 있다. • 충진 불량에는 적화(blush), 강도, 광학, 페인트 접착, 분사, 연소 및 공기트랩    (마지막 3개에 대해서는 금형 수리로 문제해결 가능)이 포함된다.• 금형을 단일 충진 속도로, 95%에서 99%를 채울 수 없다면, 금형을 수정하는 것이 좋다. 모니터링 데이터와 육안 검사를 이용한 최적의 충진 속도 선택 방안 양산에서 최적화된 충진 속도를 설정하기 위해서는 생산라인에서 사용될 가능성이 있는 모든 사출기에 성형이 가능하여야 하며, 이는 [그림 119], [그림 120]과 같은 테스트 방법을 기본으로, 모니터링 시스템을 통하여 데이터를 수집/분석하여 결정할 수 있다. 그러므로 현장에 있는 사출기들의 최대 사출압, 최대 사출 용량 그리고 스크류 직경 등의 기본적인 성능 데이터를 미리 준비할 필요가 있다.테스트를 위한 표준 DECOUPLED MOLDING® II 공정을 실행할 사출기들을 설정하고, 성형부품이 95~98% 충진되도록 조건을 설정하여 각 사출 속도에 대한 성형을 수행하고 외관 평가를 진행한다. 최종적으로 사출 용량과 불량방지에 부합되고, 모니터링 데이터의 특이점이 없는 최적의 사출 속도 구간을 설정한다.2.2 보압 절환(V/P Transfer) 최적화모니터링 장비가 없는 경우에, 캐비티 내압과 관련하여 신뢰할 만한 정보가 없기 때문에 절환 시점을 선정하는 것이 어렵고 종종 틀리는 경우가 있다. 일반적인 보압 절환 시점에 따른 금형 내압의 변화는 [그림 121]과 같이 나타난다. (* 아래의 그림에서 센서의 위치는 유동 말단부 또는 중간부분 이후)A) 보압 절환 없이 사출하는 경우: 충진 공정에서 과도한 압력 상승 유발B) 보압 절환이 빠른 경우: 충진 공정에서 압력이 주춤하는 현상 발생C) 보압 절환이 느린 경우: 충진 공정에서 매우 예리한 압력 Peak 발생B) 보압 절환이 적절한 경우: 전 공정에서 Peak가 없는 부드러운 곡선 생성보압 과정에서 필요한 압력이 충진 시 최종 압력과 비슷하다면 보압 절환 없이 성형을 진행하는 것도 하나의 방법이다. 이러한 제품은 대게 게이트가 작고 제품의 길이 비(Ratio)가 큰 경우에 해당된다. 그러나 이 경우에도 공정의 재현성과 안정성은 확보되기 어렵다.(* [그림 121] A의 경우)충진 과정에서 캐비티 내압이 감소한 후에 다시 증가하는 현상은 보압 절환이 이른 경우에 나타난다.충진 과정에서 유동 균형은 보압이 가해질 때 일어나며, 적당한(95~99%) 충진을 위해 요구되는 압력보다 보압이 작을 경우에는 결과적으로 사출 속도가 줄어들게 된다. 이러할 때 보압 절환을 시작하면 순간적으로 유동 선단이 정체되어 점도가 상승하고 사출품 표면에 문제가 발생할 가능성이 높아진다.(* [그림 121] B의 경우)게이트가 크고 상대적으로 큰 속도로 성형을 하는 경우에, 보압 절환이 늦어지면서 발생하는 문제는 매우 심각하다. 과도한 치수 증가나 플래쉬(Flash or Burr)를 발생시킬 뿐 아니라, 과도한 변형을 발생시키고 형체부에 과부하를 주어 금형 손상을 일으킬 가능성이 높아진다.(* [그림 121] C의 경우)적절한 보압 절환이 적용되면, 금형 내압 곡선은 부드럽게 나타나며, 이는 유동 선단의 정체와 압력의 급격한 변화가 없다는 것을 의미하며, 앞에서 기술한 문제들이 발생할 여지가 낮음을 말한다.(* [그림 121] D의 경우)캐비티 내부에 설치되는 압력 센서의 위치에 따라 얻어지는 곡선도 달라지며, 일반적으로 공정의 모든 정보를 얻을 수 있는 게이트 근처의 위치를 선호한다. 하지만 절환 위치 최적화 측면에서 보면, 충진(Filling) 정도를 모니터링하고, 캐비티 전체의 압력 충전(Packing) 상황을 판단할 수 있는 유동 말단부에서의 데이터가 더 필요하다.결론적으로 보압 절환의 제어를 위해서는 게이트 부근에, 충진 정도와 보압의 적절성을 판단하기에는 유동 말단부에, 즉 두 곳에 센서가 위치하는 것이 가장 바람직하다. 그러나 비용적인 측면과 금형 구조의 문제점으로, 두 곳 모두에 설치할 수 없을 때는, 공정 제어(Control)가 목적인 경우에 게이트 부근, 보다 정확한 모니터링(Monitoring)과 QC에 목적이 있는 경우에는 유동 말단부를 선택하여야 한다.충진 과정에서 보압 과정으로 절환하는 데에는 아래와 같이 여러 가지 방식이 있다.1. 시간에 의한 보압 절환(Time dependent Switch-over)2. 스크류 위치에 의한 보압 절환(Screw position dependent Switch-over)3. 유압에 의한 보압 절환(Hydraulic pressure dependent Switch-over)4. 금형 내압에 의한 보압 절환(Cavity pressure dependent Switch-over)시간에 의한 보압 절환의 경우, 다른 인자와 상관없이 일정 시간이 경과하면 절환이 이루어 진다. 이 과정은 유연성이 없으며, 금형 안에서 진행되는 성형과정에 대한 고려가 없기 때문에 재현성과 안정성이 떨어지는 방법이며, 요즘에는 잘 사용되지 않는다.스크류 위치에 의한 보압 절환은 가장 많이 쓰이고 있는 방법이며, 스크류가 설정된 위치에 도달하면, 보압이 작용하는 방식이다. 캐비티의 사이즈가 매우 작은 경우에 스크류 위치나 밸브의 반응 시간이 미세하게 변화하여도 압력의 변화에 크게 영향을 미칠 수 있다. 다시 정리하면, 보압 절환 상의 미세한 변화에도 압력 이력에 심각한 영향을 줄 수 있다.압력(유압 또는 내압)에 의한 보압 절환의 경우에, 설정된 압력 값에 도달하면, 보압이 작용하는 방식이다. 유압을 기준으로 하면 ‘노즐 → 스프루 → 런너 → 게이트’ 과정에서 발생하는 압력 손실(Pressure Loss)을 고려할 수 없어, 내압을 기준으로 하는 보압 절환 방식에 비하여 정밀한 제어가 불가능하다.스크류 위치에 의한 보압 절환 방식에 비하여, 압력 특히 내압에 의한 보압 절환 방식이 재현성과 안정성이 매우 우수하다. [그림 123]은 외부의 변화(점도의 변화)에 따른 두 방식의 안정을 비교한 것이다.2.3 보압 크기와 시간 최적화2.3.1 보압의 크기일반적으로 금형을 만들 때는 금형 수축률을 적용하여, 캐비티의 치수를 실제 제품의 치수보다 크게 적용하여 제작한다. 그러므로 원하는 치수를 얻기 위해서는 금형 제작에 적용된 금형 수축률에 부합하는 수축이 일어날 수 있도록 하여야 한다. 이때 사용하는 금형 수축률은 재료 공급업체에서 추천하는 값이나 성형해석을 통하여 얻은 값을 사용한다.캐비티 내의 압력의 크기와 작용하는 시간에 따라서 제품의 수축률(Shrinkage Ratio)이 차이 나며, 압력이 클수록, 작용하는 시간이 길수록 수축률은 낮아지게 된다.[그림 124]의 P-V-T 선도에서 체적수축률(Volumetric Shrinkage)은 SV=(vD - vE)/vD로 예측될 수 있으며, 내압 그래프에서 B~C 구간의 압력의 크기와 시간에 따라 수축률이 정해짐을 알 수 있다. 예를 들어 사출기에서 보압 설정을 변경하여, 센서에서 측정된 압력이 20MPa에서 60MPa로 변화되었다면, 수축률은 2배 차이가 발생함을 유추할 수 있다 사출기의 보압 설정값이 캐비티의 내압과 일치하지 않으며, 이는 정적 압력 손실(Static Pressure Loss)이 발생하기 때문이다. 결과적으로 보압의 크기는 원하는 수축률에 부합되는 압력 값이 내압 센서에서 측정될 수 있게, 사출기의 보압 설정값을 조정하여 최적화할 수 있다. 2.3.2 보압 시간보압 시간을 최적화하기 위하여 금형에서 모든 캐비티의 게이트(Gate) 밀봉(Seal)이 언제 발생하는지를 파악하는 것이 중요하며, 모니터링 장비가 없는 경우, 여러 번의 반복 실험에 의하여 중량의 변화가 없는 시점을 게이트 밀봉(고화)시간으로 선정한다.모니터링 시스템과 압력 센서가 장착된 경우에는, 게이트 부근의 압력 곡선으로 보다 정확한 게이트 밀봉(고화) 시간을 최적화할 수 있다. 게이트 고화 시간이 짧으면, 게이트에서 역류가 발생하며, 이는 게이트 근처의 압축응력을 감소시켜 압력 구배에 영향을 주어 휨(Warpage)과 치수 변화의 원인이 된다. 게이트 고화 시간이 길면, 사이클 타임을 증가시켜, 생산비용을 증가시킨다.위의 [그림 125]에서 보는 바와 같이 최적화된 보압 시간은 (4)~(5) 구간에서 정하는 것이 합당하며, 보다 정밀한 시간을 원하는 경우에, 사출기의 설정값을 1초 이하 단위로 세분화하여 얻어지는 곡선으로 판단하는 것이 좋다.2.4 기타 고려 사항2.4.1 사출압(유압)의 불안정성사출압(유압) 곡선에서 나타나는 비정상적인 작은 파형을 통하여, 사출 공정상에서 발생하는 불균일성을 예측할 수 있다. 아래의 [그림 126]의 ‘A’와 같은 파형은 젯팅(Jetting)과 같은 불량이 발생했을 때 나타나는 현상이다. 이러한 경우 사출 속도를 낮추거나, 게이트의 크기를 늘려야 한다.[그림 126]의 ‘B’와 같이 보압 단계에서 불규칙한 파형이 나타나는 경우에는, 사출기의 유압 시스템 또는 밸브 제어에 문제가 있음을 예측할 수 있다.[그림 126]의 ‘C’와 같이 계량 단계에서 불규칙한 파형이 나타나는 경우에는, 스크류 구동부의 유압이나 전기모터의 전류를 분석하면 보다 정확한 원인을 파악할 수 있다.2.4.2 기타 변수들이 금형 내압에 미치는 영향[그림 127]의 ‘A’와 같이 금형 온도를 낮추는 경우에 충진 공정에서 압력은 빠르게 상승하며, 냉각 과정에서는 압력은 빠르게 감소한다. 이 경우에 보는 바와 같이 냉각 공정에서 압력 강하의 기울기는 캐비티의 냉각속도와 비례한다.(*기울기가 급해질수록 냉각이 빨리 됨.)[그림 127]의 ‘B’에 보는 바와 같이 게이트의 고화가 빠르게 일어나는 게이트 타입(Type)인 경우에, 냉각 과정에서는 압력이 빠르게 감소한다. 이는 동일한 게이트(Gate)에서도 게이트의 크기가 감소할수록 유사한 곡선과 유형을 보여준다. [그림 127]의 ‘C’에서는 게이트로부터의 거리가 멀어질수록 곡선의 시작점이 늦어지고 Peak의 크기가 감소함을 볼 수 있다. 여러 개의 센서를 사용하는 경우에 시작점의 차이로 캐비티 내의 속도를 예측할 수 있으며, 압력 Peak의 크기 차이에 의하여 캐비티 내의 압력 강하와 점도의 변화를 유추할 수 있다. 이 장에서는 제품의 품질에 크게 영향을 끼칠 수 있는 몇 가지 설정 조건에 대하여 간략하게 기술하였다. 다음 호에 연재되는 [양산품질관리] 편에서 여기에서 언급되지 않은 나머지 사항들을 다루고자 한다.
취재부 2020-10-04
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- CO2를 원료로 활용해 친환경 연질폼(화장품 쿠션) 및 경질폼(건축 단열재) 제조 성공이산화탄소를 활용해 친환경 폴리우레탄 화장품 쿠션(부드러운 폴리우레탄 폼) 및 건축 단열재(딱딱한 폴리우레탄 폼)를 만드는 기술이 개발돼 시제품 제조에 성공했다. 한국화학연구원 조득희·김동우 박사팀은 기업 KPX케미칼㈜, ㈜폼웍스, 부산대학교, 인제대학교와 함께 한국전력공사 기술기획처 사외공모*로 ‘이산화탄소를 함유한 친환경 폴리우레탄 소재 개발’ 연구사업을 수행했다. * Open R&D 사업 (KEPCO-R17XH03)본 연구에서 한국화학연구원은 온실가스인 이산화탄소를 활용해, 폴리우레탄 소재의 원료가 되는 기초 단량체 물질 ‘프로필렌 카보네이트’의 촉매 공정을 개발했다. ‘프로필렌 카보네이트’는 ‘폴리올’의 기초원료이며, ‘폴리올’은 폴리우레탄의 원료가 된다. 연구진은 ‘프로필렌 카보네이트’와 이를 원료로 한 ‘폴리올’을 파일롯 규모로 생산해 기업 ㈜폼웍스와 KPX케미칼㈜에 제공했다. 이를 바탕으로 ㈜폼웍스는 폴리우레탄의 부드러운 형태(연질폼)인 화장품 쿠션을, KPX케미칼㈜는 폴리우레탄의 딱딱한 형태(경질폼)인 건축 단열재 시제품을 각각 제조하는 데 성공했다. ‘프로필렌 카보네이트’는 폴리올의 원료 물질 외에도 활용 범위가 넓다. 인체에 무해해서 화장품의 유화제로 사용하거나 이차전지의 전해액 또는 극성용매로 사용할 수 있다. 또한, ‘프로필렌 카보네이트’는 기존 공정에서 독성이 강한 물질로 만들었는데, 이를 친환경적으로 대체하기 위해 온실가스인 이산화탄소 활용공정을 전 세계적으로 개발하고 있다. 이산화탄소는 열역학적으로 매우 안정된 물질이어서 이를 유용한 물질로 전환하기 위해서는 높은 에너지가 필요하다. 따라서 반응 에너지를 높여주는 촉매 공정이 필수적이다. 중국과 독일에서 촉매 공정을 개발했고, 국내에서는 최근 여러 논문들이 보고되고 있지만, 실험실 규모에 그치고 있으며 효율이 낮다.한국화학연구원은 이산화탄소로부터 ‘프로필렌 카보네이트’ 합성에 필요한 고효율 촉매를 개발하고 파일럿 규모에서 물질 제조에 성공했다. 부산대학교에서는 ‘프로필렌 카보네이트’의 촉매 반응 메커니즘에 대한 연구를 화학(연)과 공동 수행했고, 인제대학교에서는 본 공정으로 만들어진 폴리올의 적용 확장성에 대해 연구했다.또한, 연구진은 촉매를 연속적으로 대량 생산할 수 있는 반응기를 구축했으며, 현재 촉매의 반응성을 개선하기 위한 후속 연구를 진행하고 있다. 이와 관련한 연구성과는 2016년부터 ACS Sustainable Chemistry & Engineering 등 4편*의 국제학술지에 게재되었고 3편의 특허가 출원되었다. 현재 관련 기업과 사업화를 논의하고 있다. * 『ACS Sustainable Chemistry & Engineering 2016, 4(9), 4591 (IF: 7.632)』, 『ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2018, 6(11), 14743 (IF: 7.632)』, 『Organic Letters 2019, 21(11), 4350 (IF: 6.091)』, 『ACS Applied Material & Interfaces 2020, 12(22), 24868 (IF: 8.758)』/ 특허 : 10-2018-0099384, 10-2019-0057630, 10-2019-0178444한편, 연구진은 ‘프로필렌 카보네이트’ 외에도, 이산화탄소와 촉매를 활용한 다양한 5원환 탄산염의 합성 연구를 진행해 왔다. 5원환 탄산염은, 탄소와 산소로 이루어진 오각형 분자구조 물질로 다양한 화학 원료로 쓰인다. 연구진은 특히 유럽 선진국에서 활발한 연구가 진행되고 있는 비 이소시아네이트 폴리우레탄 주원료를 만드는 촉매 및 공정을 개발했다. 비 이소시아네이트 폴리우레탄은 접착제, 페인트, 3D 프린팅 소재 등에 쓰이는 원료로서, 향후 이산화탄소를 활용한 폴리우레탄 원료 연구개발 영역이 확대될 것으로 기대된다.위 연구성과는 최근 2020년 8월 15일 『Applied Catalysis B: Environmental, 2020, article number 119395 (IF: 16.683)』에 게재되었다.
이용우 2020-09-28
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- 나노입자 결합해 백금 원자 개별 반응성 크게 향상, 전극 반응속도 10배↑- 700℃ 고온에도 안정적 가동, 차세대 복합발전 연료전지 상용화 앞당겨충전이 필요한 배터리(2차 전지)와 달리 ‘3차 전지’로 불리는 연료전지는 수소와 산소의 화학 반응으로 직접 전기를 생산하는 친환경 발전 시스템이다. 연료전지는 구동 온도와 전해질에 따라 다양한 종류가 있다. 이 가운데 전 세계적으로 연구가 가장 활발한 분야 중 하나가 세라믹을 전해질로 사용하는 고체산화물 연료전지이다. 700℃ 이상의 고온에서도 작동되기 때문에 연료전지 중 가장 높은 효율을 낼 수 있는 데다 발전 과정에서 발생하는 수증기를 분해해 수소를 재생산하는 복합발전까지 가능하기 때문이다. 상용화의 관건은 고온에서도 안정적으로 작동할 수 있는 촉매를 개발하는 것이다. 한편 현재 연료전지 분야에서 폭넓게 사용되는 백금계 촉매는 연료전지 촉매 반응에서 어떤 물질과도 비교할 수 없을 만큼 좋은 성능을 나타내고 있다. 하지만 고온에서는 원자들이 쉽게 뭉쳐 효율이 떨어지기 때문에 수소 전기차와 같은 저온형 연료전지에서만 활용되어 왔다. 제한된 매장량과 높은 가격도 상용화의 장애물이다. 이런 가운데 국내에서 소량의 백금만 사용하면서도 고온에서 안정적으로 작동하는 촉매를 개발해 비상한 관심을 끌고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 에너지소재연구단 윤경중 박사, 신지수 연구원 연구팀이 한양대학교(한양대, 총장 김우승) 이윤정 교수와 공동연구를 통해 단일원자 촉매를 개발했다고 밝혔다. KIST 연구진이 개발한 단일원자 촉매의 개념도고온에서도 모든 백금 원자들이 뭉치지 않고 개별적으로 분산 반응할 수 있도록 한, 이 촉매는 실험에서 전극의 반응속도를 10배 이상 높이는 것으로 나타났다. 또한, 700도 이상의 고온에서도 500시간 이상 안정적으로 작동하며 전력과 수소 생산 성능을 3~4배 향상시키는 것으로 확인돼 차세대 친환경 연료전지인 고체산화물 연료전지의 상용화를 앞당기게 될 것으로 기대를 모으고 있다.(왼쪽) 고체산화물 연료전지 전극(가운데) 전극 내부의 표면에 형성되어 있는 단일원자 촉매(오른쪽) 촉매 표면에 분산되어 있는 백금 원자 (밝은 점: 백금 원자)KIST-한양대 공동연구진이 개발한 단일원자 촉매는 백금 원자와 세륨(Ce) 산화물 나노입자를 강하게 결합시킨 것이다. 백금 원자 하나하나가 세륨 산화물 나노입자의 표면에 개별적으로 분산되어 있으며, 강력한 결합력으로 고온에서도 분산된 원자 상태를 장시간 유지하기 때문에 모든 백금 원자가 반응에 원활하게 참여할 수 있다는 것이 가장 큰 특징이다. 이에 따라 백금의 사용량을 최소화하면서도 전극의 반응속도를 크게 향상시킬 수 있었다. 고체산화물 연료전지 성능 평가 결과백금 단일원자 촉매가 적용된 고체산화물 연료전지의 안정성 평가 결과이와 함께 새로 개발한 고체산화물 연료전지용 촉매는 백금과 세륨 이온이 녹아있는 용액을 연료전지의 전극 내부로 주입한 후 연료전지가 고온에서 작동하는 동안에 촉매가 합성되도록 하였다. 또한, 별도의 특수장비 없이도 간단하게 전극에 주입할 수 있어 기존 연료전지에도 쉽게 적용될 수 있을 것으로 전망되고 있다.KIST 윤경중 박사는 “본 연구에서 개발된 촉매는 쉽고 단순한 저가 공정을 이용해 다양한 종류의 고체산화물 연료전지 및 고온 전기화학 소자에 폭넓게 적용할 수 있어 차세대 친환경 발전장치와 에너지 저장장치 개발에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다”라며, “특히 단일원자 촉매가 700도 이상의 매우 높은 온도에서도 안정적으로 작동할 수 있다는 가능성을 제시함에 따라 향후 고온 열화학 반응, 고온 전기화학 반응 등으로 활용범위가 크게 확장될 수 있으리라 기대한다”라고 연구 의의를 밝혔다.본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업으로 수행되었으며, 연구결과는 ‘Energy & Environmental Science’ (IF: 30.289, JCR 분야 상위 0.189%) 최신 호에 게재되었다.* 논문명: Highly active and thermally stable single-atom catalysts for high-temperature electrochemical devices - 제1저자: 한국과학기술연구원 신지수 인턴연구원- 교신저자: 한국과학기술연구원 윤경중 책임연구원- 교신저자: 한양대학교 에너지공학과 이윤정 교수문의: 에너지소재연구단 윤경중 책임연구원(T.02-958-5515, 010-3949-4120, kjyoon@kist.re.kr)
취재부 2020-09-14
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- 주름 구조를 갖는 이차원 나노 물질 개발, 마찰전기 발생효율 40% 증가- 유연성 필요한 무전원 웨어러블·생체 삽입형 전자기기 활용 기대언제 어디서나 신호와 정보를 주고받을 수 있는 초미세·저전력 센서와 소자는 사람, 사물, 공간이 모두 연결되는 사물인터넷(IoT) 시대의 필수요소다. 문제는 이들 수많은 전자기기에 어떻게 지속적으로 전기를 공급하는가이다. 일반적인 배터리 충전과 교체 방식으로는 소형화·경량화가 어렵기 때문이다.이에 따라 근본적인 해결책이 될 것으로 기대를 모으고 있는 것이 마찰전기 발생 장치이다. 즉, 생활 속 빈번한 정전기처럼 서로 다른 물질들의 접촉으로부터 마찰전기를 유도해 반영구적으로 에너지를 생산하는 것이다.한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 전북분원 기능성복합소재연구센터 이승기 박사 연구팀이 전북대 신소재공학부 정창규 교수와의 공동연구를 통해 종잇장과 같이 평면 형태를 갖는 이황화 몰리브덴에 주름 구조를 형성해 마찰전기 발생효율을 기존 대비 40% 이상 증가시키는 터치센서를 개발했다고 밝혔다.광원 열처리 기반으로 합성된 주름진 이황화 몰리브덴 이미지일반적인 마찰전기 발생 장치로 충분한 전기를 발생시키기 위해서는 장치의 크기가 크고 무거워져 입을 수 있는 전자기기에 적용할 수 없었다. 이와 같은 문제를 극복하기 위해 원자 한층 수준의 얇은 두께와 높은 물리적 특성을 가지는 이차원 반도체 물질*을 마찰전기 발생 장치의 활성층으로 적용하는 연구가 활발하게 일어나고 있다. 마찰전기가 발생할 때는 접촉하는 두 물질의 종류에 따라 발생하는 전기의 세기가 다른데, 기존의 이차원 물질은 전기를 유도하기 위해 접촉시키는 절연체 물질과 원활히 전하를 주고받지 못해 마찰전기를 통해 생산하는 에너지의 출력이 현저히 낮은 문제가 가지고 있었다. KIST-전북대 공동연구진은 이차원 반도체 물질인 이황화 몰리브덴(MoS2)의 특성을 조절하고 구조를 변경시켜 마찰전기 발생효율을 증가시켰다. 반도체 공정에서 사용되는 강한 열처리 공정을 통해 소재를 구겨지게 하여, 내부응력이 인가된 주름진 소재를 개발했다. 이렇게 만들어낸 소재는 주름 구조로 인해 단위면적당 접촉 면적이 넓어져 기존 이황화 몰리브덴보다 40%가량 마찰전기 발생효율이 향상되었다. 또한, 1만 회의 반복 실험에서도 안정적인 마찰전기 출력을 유지하는 것으로 나타났다.공동연구진은 최종적으로 개발된 주름진 이차원 소재를 터치패드나 디스플레이에 활용되는 터치센서에 적용함으로써 배터리 없이도 구동할 수 있는 가볍고 유연한 무전원 터치센서를 개발하였다. 발전효율이 높아진 터치센서는 자극에 민감하게 반응하여, 전력 없이도 적은 힘으로 터치 신호를 인식할 수 있게 댔다.유연 기판상에 제작된 입을 수 있는 무전원 터치센서 이미지 및 구동KIST 이승기 박사는 “반도체 소재의 내부 응력제어는 기존 반도체 사업에서도 유용하게 활용하는 기술로서 이차원 반도체 물질 합성과 동시에 내부응력을 인가하는 소재 합성 기술은 이번이 처음”이라며, “고분자와의 복합화로 마찰전기 효율을 증대시킬 수 있는 방안을 제시해 이차원 물질 기반 차세대 기능성 소재 개발에 밑거름이 될 것”이라고 연구 의의를 밝혔다.본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST의 주요사업과 신진연구자지원사업 등으로 수행되었으며, 나노분야 저명 국제학술지인 ‘Nano Energy’ (IF: 16.602, JCR 분야 상위 4.299%) 최신호에 게재되었다.* 논문명: Laser-directed synthesis of strain-induced crumpled MoS2 structure for enhanced triboelectrification toward haptic sensors   - (제1저자) 한국과학기술연구원 박성웅 학생연구원   - (제1저자) 전북대학교 박지슬 석사과정   - (교신저자) 한국과학기술연구원 이승기 선임연구원   - (교신저자) 전북대학교 정창규 교수
편집부 2020-09-10
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- 구부러지고 늘어나고 압축 가능… 웨어러블 기기·자동차 등에 적용 기대- 『나노 에너지(Nano Energy), IF:16.602』 8월호에 논문 게재구부러지고 늘어나고 압축이 돼, 열이 있는 곳 어디에든 붙여 열을 전기 에너지로 바꿔주는 열전소재가 개발됐다. 완전히 유연한 열전소재가 개발된 건 이번이 처음이다.한국화학연구원 화학소재연구본부 조성윤 박사팀은 열원의 형태와 관계없이 어디든지 붙일 수 있는 ‘스펀지형 열전소재’를 개발하는 데 성공했다.열전소재는 열을 전기로 바꿔주는 소재로 온도 차에 의해 전기가 발생한다. 일례로 발전소 굴뚝에 열전소재를 부착하면, 굴뚝 안쪽의 고온(150도)과 바깥 상온(30도)의 온도 차로 전기가 만들어지는 것이다.연구진은 주변에서 손쉽게 구할 수 있는 스펀지에 탄소나노튜브 용액을 코팅했다. 탄소나노튜브를 물리적으로 분산시킨 용매를 스펀지에 도포한 후, 용매를 빠르게 증발시킨 것이다. 제조방법이 간단해 대량생산에도 적합하다. 모양을 만들어주는 틀 없이 스펀지를 이용해 열전소재를 만들 수 있기 때문이다. 이를테면 거푸집 없이 콘크리트 구조물을 만드는 셈이다.지금까지 대부분의 열전소재는 무기 소재로 만들어진 탓에 유연하지 않았다. 사람의 몸이나 자동차 등 다양한 곡면의 열원에 붙일 수 없을 뿐 아니라, 제조공정 자체도 까다롭고 복잡하다. 전 세계 연구진들은 유연한 열전소재를 개발하기 위해 탄소나노튜브에 주목했다. 탄소나노튜브는 전기전도도가 높고 기계적 강도가 강하며, 지구상에 풍부하게 존재하기 때문이다. 지난해 한국화학연구원 조성윤 박사팀이 탄소나노튜브를 이용해 유연한 열전소재를 만드는 데 성공했다.* 열전소재는 딱딱하다는 고정관념을 깨고, 스펀지와 유사하면서도 높게 쌓을 수 있는 탄소나노튜브 폼(foam)을 만든 것이다.* 한국화학연구원 조성윤 박사팀은 2019년 구부러진 열원에도 적용할 수 있는 탄소나노튜브 폼 열전소재를 개발했다. 이 연구는 그 우수성을 인정받아 에너지 소재 분야 최고 권위지인 『어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)』 2019년 8월호 표지논문으로 선정됐다.하지만 소재 자체가 완전히 유연한 건 아니었다. 압력을 가하면 부서지는 것도 문제였다. 이러한 이유로 열전소재를 고무 기판에 넣어 사용해야 했다. 이번에는 아예 스펀지로 열전소재를 만들어 이 같은 문제를 해결한 것이다. 한국화학연구원 조성윤 박사는 “지금까지 개발된 유연한 소재는 지지체나 전극의 유연성을 이용한 것”이었다면서, “소재 자체가 유연한 건 이번 스펀지형 열전소재가 처음이고, 제조방법도 간단해 대량생산도 가능하다”고 설명했다.이번에 개발된 스펀지형 열전소재는 열전소재의 전기적 특성과 스펀지 고유의 성질을 그대로 유지하고 있다. 실험 결과, 열전소재를 압축하고 복원하는 과정을 10,000번 반복해도 형태는 물론이고 전기적 특성을 안정적으로 유지했다. 압축 전과 압축 후의 저항값*이 각각 1.0Ω(옴), 0.3Ω으로 그대로 유지된 것이다. 이는 스펀지에 기공이 무수히 많아 변형에 강하기 때문이다.* 저항은 물체에 전류가 흐를 때, 이 전류의 흐름을 방해하는 요소이다. 저항값이 낮을수록 전기가 잘 통한다. 스펀지형 열전소재의 경우, 압축했을 때 전기가 더 잘 통하는 것이다.스펀지형 열전소재의 압축 안정성 실험 결과또한, 스펀지의 탄성을 이용한 응용도 가능할 것으로 기대된다. 스펀지형 열전소재의 경우, 압력이 커질수록 발전량도 덩달아 높아졌다. 실험 결과, 열전소재를 압축했을 때 최대 2㎼(마이크로와트)의 전기를 생산하여, 압축 전과 비교해 발전량이 10배 정도 증가했다.이에 대해 연구논문 1 저자인 김정원 박사는 “스펀지의 압축되고 복원되는 탄성을 활용해 몸에 부착하는 웨어러블 기기에 적용할 수 있을 뿐 아니라, 우수한 기계적 성질이 요구되는 자동차 등에도 다양하게 응용할 수 있다”고 말했다.이어 김정원 박사는 “열전소재 분야 전망도 밝다. 현재 자동차에서 사용하고 난 후의 열이나 온천수를 이용한 열전발전 시작품의 실증실험이 진행되고 있다. 앞으로 관련 기술 수요도 증가할 것으로 예측된다”고 덧붙였다. 이번 연구성과는 그 우수성을 인정받아 에너지 소재 분야 권위지인 『나노 에너지(Nano Energy), IF:16.602』 8월호에 게재됐으며, 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업의 지원을 받아 수행됐다.문의: 화학소재연구본부 에너지소재연구센터 조성윤 박사(010-2301-6560), 김정원 박사(010-3332-9876)
취재부 2020-09-08
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- PET 폐플라스틱 이용 다공성 활성탄 제조, 지구온난화 유발 이산화탄소 흡착 포집 적용 Dr. Xiangzhou Yuan (제1저자), 이종규 박사 (제1저자), 이기봉 교수 (교신저자), 곽상규 교수 (교신저자)고려대학교 공과대학 화공생명공학과 이기봉 교수팀, 포항산업과학연구원 이종규 박사, 울산과학기술원 곽상규 교수팀이 버려지는 PET 폐플라스틱병을 이용하여 다공성 탄소 소재(활성탄)를 제조하고, 지구온난화의 주범으로 알려진 이산화탄소 포집에 효과적으로 적용할 수 있음을 연구를 통하여 입증했다.플라스틱은 원하는 물성으로 가공하기 쉬워 생활에 밀접하게 사용되어왔으나 무분별한 사용으로 플라스틱이 상용화된 1950년대 이후 총 83억 톤 이상의 플라스틱 생산량 중 재활용되는 양은 25%에 불과하고 75%인 약 63억 톤이 처리되지 않고 버려지거나 소각되어 처리되고 있다. 제대로 처리되지 않은 폐플라스틱은 해양으로도 유입되어 미세플라스틱을 생성하면서 수중 생태계뿐만 아니라 인간의 건강까지 위협하고 있다. 따라서, 폐플라스틱을 재활용하는 기술은 환경 보존을 위하여 필수적인 기술인데, 이번 연구에서는 PET 폐플라스틱병을 이용하여 고부가가치 물질인 활성탄을 제조할 수 있는 기술을 개발함으로써 새로운 폐플라스틱 처리 방법을 제시했다. 특히, 개발된 기술은 기존 재활용 방법에 이용하기 어려운 심하게 더럽거나 오염된 폐플라스틱 병도 활용할 수 있다는 장점이 있다.폐플라스틱병을 이용한 활성탄 제조 및 이산화탄소 포집에 대한 모식도활성탄이라고도 불리는 다공성 탄소 소재는 대기 환경 및 수처리, 반응 촉매 등 다양한 곳에 이용되고 있는데, 야자 껍데기나 석탄 등을 열처리와 화학적/물리적 활성화 과정을 거쳐 생산하게 된다. 국내에서 생산되는 활성탄의 원료 물질은 수입에 의존하고 있어 폐플라스틱을 활성탄 제조에 활용한다면 수입 대체 및 원료가격 저감 효과가 있을 것으로 기대된다.폐플라스틱병을 이용하여 제조한 활성탄의 전자 현미경 사진(왼쪽 상단), 연속 이산화탄소 포집 운전 결과(오른쪽 상단), 활성탄 기공 형태에 따른 이산화탄소 및 질소 흡착 거동(하단)PET 폐플라스틱병을 이용하여 제조된 활성탄은 이산화탄소 포집에 상용화가 가능한 정도의 탁월한 성능이 있음을 실험을 통하여 확인했으며, 우수한 포집 성능은 이산화탄소 흡착에 유리한 크기의 기공을 잘 발달시켜 얻을 수 있음을 다양한 분석과 분자 수준의 전산모사를 통하여 밝혀냈다. 폐플라스틱을 이용하여 제조된 활성탄을 이산화탄소 포집에 적용하는 기술은 폐플라스틱 처리와 지구온난화라는 두 가지 환경문제를 동시에 해결할 수 있는 획기적인 방법이라 할 수 있다.PET 폐플라스틱병을 이용하여 제조된 활성탄은 이산화탄소 포집 이외에도 기존 활성탄이 이용되었던 분야에 다양하게 적용할 수 있으며, 고려대 연구팀은 다양한 종류 및 형태의 폐플라스틱, 커피 찌꺼기, 석유계 코크 등 버려지거나 가격이 저렴한 탄소 원료 물질을 활용하여 활성탄으로 고부가가치화하는 연구도 수행하고 있다.과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구지원사업 및 C1가스리파이너리사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 화학공학 분야 국제학술지인 화학공학저널(Chemical Engineering Journal)에 온라인 게재됐다.* 논문명: Solving two environmental issues simultaneously: Waste polyethylene terephthalate plastic bottle-derived microporous carbons for capturing CO2* 저자 정보: Xiangzhou Yuan, Jong Gyu Lee, Heesun Yun, Shuai Deng, Yu Jin Kim, Ji Eun Lee, Sang Kyu Kwak*, Ki Bong Lee** 학술지: Chemical Engineering Journal(2019년 IF 10.652, Chemical Engineering 분야 상위 2.8%(4/143), CiteScore: 15.2)
편집부 2020-09-08
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- 삼성미래기술육성사업 지원받아… 재료부터 전지 시스템까지 융합연구양산형 리튬금속전지 연구에 착수한 공동 연구팀전기차 배터리의 에너지 밀도를 2배 이상 향상시킬 ‘리튬금속전지’ 연구가 본격화된다. 신진연구자들과 중견 연구자들의 융합연구로 배터리 산업의 성장 기회가 마련될지 주목된다.UNIST(총장 이용훈)와 부경대학교, 조선대학교 공동 연구팀이 차세대 전기차 배터리 개발을 위한 연구를 시작한다. 연구팀은 지난 6월 삼성미래기술육성사업 신규과제로 선정됐으며, 8월부터 본격적인 연구에 착수했다.인물사진 4장 첨부(좌측부터 UNIST 정경민 교수, 최남순 교수, 부경대 오필건 교주, 조선대 손윤국 교수)정경민, 최남순 UNIST 에너지 및 화학공학부 교수와 오필건 부경대학교 인쇄정보공학과 교수, 손윤국 조선대학교 전기공학과 교수로 구성된 연구팀은 향후 2년간 10억 원을 지원받아 리튬금속전지 시스템을 위한 전극 설계와 소재기술 개발에 나선다.리튬금속전지는 리튬 금속을 음극으로 사용하는 전지로, 현재 상용화된 리튬이온전지에 비해 에너지 밀도가 높아 전기차용 차세대 고용량 배터리로 주목받고 있다. 공동 연구팀은 양산 가능한 리튬금속전지를 개발, 무게는 가벼우면서도 에너지 용량은 더 큰 차세대 전기차용 배터리 구현을 목표로 하고 있다.연구책임자인 정경민 교수는 “현재 국내 배터리 생산기반과 제조기술을 가능한 그대로 이용하면서 고용량 배터리를 양산할 수 있도록 만드는 것이 목표”라며, “배터리 산업이 한 단계 도약하는데 실질적 기여를 할 수 있는 연구를 추진해나갈 계획”이라고 밝혔다.연구팀은 리튬금속전지 상용화를 위한 새로운 재료 개발에서부터, 촉매 물질, 전해액, 전극기술과 전지 시스템까지 배터리 개발 전 과정에 걸친 연구를 수행할 계획이다. 연구팀에는 각 분야를 담당할 전문가들이 함께하고 있는데, 이들은 모두 UNIST에서의 연구 경험을 갖고 있다는 공통점이 있다.오필건 부경대 교수와 손윤국 조선대 교수는 모두 UNIST에서 박사 학위를 취득했다. 이들은 산업체 경험을 거쳐 각 대학 교원으로 임용됐으며, 차세대 배터리 소재 연구를 수행하고 있다. 이번 공동 연구팀은 UNIST 소속 교원들과 UNIST 출신 교원들이 한 팀을 이룬 셈이다.정경민 교수는 “이번 공동연구는 이차전지 연구에 최적화된 UNIST의 연구 환경과 인재육성 시스템이 있었기에 시작될 수 있었다”며, “짧은 역사에도 불구하고 실용적 융합연구 전통이 이어지고 있는 만큼, 미래를 바꿀 차세대 전지 연구가 더욱 활발하게 진행될 것으로 기대한다”고 밝혔다.UNIST는 최근 산업통상자원부의 ‘산업 혁신 인재성장 지원 사업’ 중 하나인 배터리 전문 인력양성사업 수행 대학으로 선정되기도 했다. 이에 따라 UNIST는 향후 5년간 ‘배터리 핵심 소재’ 전문 인력을 양성하게 된다.한편 삼성미래기술육성사업은 삼성전자가 기초과학 발전과 산업기술 혁신을 위해 기금을 출연해 시행하는 과학기술연구 지원 사업이다. 올해 상반기 연구과제로는 총 28건이 선정됐는데, UNIST에서는 정경민 교수를 포함 총 3건의 과제가 선정됐다. 부경대학교와 조선대학교는 이번 공동 연구팀의 과제가 첫 선정 사례다. 자료문의: 에너지 및 화학공학부: 정경민 교수(052)217-2596 
편집부 2020-09-08