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II. 모니터링 시스템의 활용에 필요한 기본지식2. 플라스틱 재료 (Plastic Material)사출성형에 사용하는 플라스틱(Plastics) 재료는 고분자(Polymer)와 첨가제(Additives)의 혼합이다. Polymer는 그리스어로, ‘Poly’는 ‘많음’을, ‘Meros(mer)’는 ‘부분’을 뜻하며, 증류탑에서 생성된 단량체(Monomer)를 중합공정을 거쳐 고분자(Polymer)로 만든다.• 플라스틱은 고분자(Polymer)와 첨가제(Additives)의 혼합이다.• 플라스틱은 가공(Processing) 중에 사슬분해(Chain Degradation)가 일어날 수 있다.고분자(Polymer)는 동일한 탄소 뼈대를 가질 수 있지만, 결합형태나 결합된 원소에 따라 상당히 다른 특성을 가질 수 있다. 아울러 산소(O), 질소(N), 염소(Cl), 브롬(Br), 그리고 불소(F)가 포함된 고분자는 건조에 조심해야 한다. 고분자는 단량체가 결합하여 만드는 사슬(Chain)의 길이(Length)에 따라서 분자량(Molecular Weight)이 결정되며, 분자량이 높을수록 유동에 저항하는 정도가 높아지고, 물성이 좋아진다. 이러한 유동에 저항하는 정도를 점도(Viscosity)라고 하며, 산업현장에서는 MFI 또는 MFR을 이용하여 유동성이 높고 낮음을 구분하기도 한다. * MFI(Melt Flow Index)는 10분 동안 흘러내린 재료의 중량을 이야기함.2.1 플라스틱(Plastics)의 분류고분자는 재연화(Re-softened) 될 수 있는 유무에 따라서 열가소성(Thermoplastic)과 열경화성(Thermoset)수지로 분류할 수 있으며, 다음 분류표(그림 39)와 같이 사용하는 용도 또는 목적에 따라 분류하기도 한다.열가소성(Thermoplastics)은 반결정성(Semi-crystalline)과 비결정성(Amorphous) 수지로 분류되기도 하며, 산업현장에서 사용되는 반결정성(Semi-crystalline)과 비결정성(Amorphous) 수지의 종류는 다음과 같다.2.2 반결정성(Semi-crystalline)과 비결정성(Armophous) 수지의 특성 비교 2.2.1 용융과정(Melting Process)비결정성(Amorphous)과 반결정성(Semi-crystalline) 수지는 내부에 단단한 결정구조의 유무와 이에 따른 녹는 메커니즘의 차이로 구분되기도 한다. 비결정성 수지는 버터와 같이 녹는 점(Melting Point)을 정할 수 없는 매우 넓은 온도 범위에서 서서히 녹으며, 반결정성 수지는 녹는 점(Tm)에서 갑작스러운 상변화를 일으킨다.Tg는 유리 전이온도(Glass Transition Temperature)이며, 가열 중에 이 온도를 지나면 폴리머(Polymer)가 급격하게 고체(Solid)상태에서 고무(Rubbery) 상태로 변화한다.Tm은 녹는 온도(Melting Temperature)로써, 가열 중에 이 온도를 지나면 반결정성 폴리머(Polymer)만 급격하게 고무(Rubbery) 상태에서 결정이 없는 상태로 변화한다. 이때 투명하게 변화하고 유동성이 급격히 향상된다.2.2.2 냉각/수축 과정(Cooling/Shrinkage Process)비결정성(Amorphous)과 반결정성(Semi-crystalline) 수지는 냉각과정에서 결정 형성 유무에 의하여, 수축률의 차이를 보이며, [그림 41] 우측의 그림(P-V-T 선도)에서 보는 바와 같이 반결정성 수지는 비결정성에 비하여 큰 체적수축(△V)을 발생시킨다. P-V-T 선도에서의 기울기는 냉각속도에 의하여 결정됨으로, 비결정성 및 반결정성 수지에 있어서 냉각속도에 영향을 주는 인자(냉각 회로설계, 냉각수 유속, 냉각수 온도, 수지 온도)들을 제어하는 것이 중요하다.• 반결정성(Semi-crystalline) 수지의 경우, 냉각속도는 훨씬 더 중요한 인자이며, 초기 설계 단계에서부터 세심한 주의가 필요하다.(*결정화도는 냉각속도에 반비례한다.) • 부품의 치수(Dimension)는 반결정성(Semi-crystalline) 수지인 경우에 냉각속도의 영향이 크다.• 부품의 치수(Dimension)는 비결정성(Amorphous) 수지인 경우에 냉각속도에 영향을 받지만, 압력의 변화에 더욱 민감하다.2.3 플라스틱에 사용되는 첨가제(Additives)아래는 일반적으로 플라스틱에 사용되는 첨가제를 사용 목적에 따라 분류한 것이다.• 플라스틱은 중합체(Polymer)와 첨가제(Additives)의 혼합이다.• 첨가제는 재료의 변동성(Variability)을 증가시킨다.• 재료의 변동성(Variability)은 점도(Viscosity)의 변화와 함께 나타난다.2.4 플라스틱의 점도(Viscosity)유체의 흐름에서 저항의 크기를 나타내는 양을 점도(Viscosity)라고 한다. 즉 끈적거림의 정도를 표시하는 것으로서 유체가 유동하고 있을 때, 인접하는 유체 층간에 작용하는 단위 넓이 당의 전단력(shear Stress)은 그 위치의 속도 구배(Gradient)에 비례하며, 이 비례 정수를 점도(Viscosity)라고 한다.점도가 일정하지 않고 위의 [그림 42]에서와같이 전단율(Shear-Rate)이 변화할 때에 점도도 변화하는 유체를 비뉴턴 유동(Non-Newtonian Flow)이라 말한다. 이는 사출 공정 중에 점도가 유로(Flow Path)와 관계된 사출기와 금형의 기하학적 구조에 따라 변화된다는 것을 의미한다.사출기나 유압 센서에서 충진(Filling) 공정의 압력 곡선의 아래 면적(Area)은 재료의 점도와 밀접한 관계가 있으며, 이를 유효 점도(Effective Viscosity)라고 한다. 이를 모니터링(Monitoring)하여 실시간으로 재료의 변화를 감시하고 생산관리를 수행하는 데에 사용 가능하다.• 플라스틱은 비뉴턴 유동(Non-Newtonian Flow)을 한다.• 점도(Viscosity)의 변화가 사출성형 공정에서 발생하는 문제점들의 근원(Root)이다.• 공정의 변동성(Variability)은 점도(Viscosity)의 변화와 직접적으로 관계한다.2.5 플라스틱의 압축성(Compressibility)플라스틱은 유체상태에서 압력이 증가함에 따라 체적(Volume)이 감소하며, 이를 압축성(Compressibility)이라고 한다.• 비결정성(Amorphous) 수지의 경우, 100bar당 최대 1/2%• 반결정성(Semi-crystalline) 수지의 경우, 100bar당 최대 3/4%• 결정성(Crystalline) 수지의 경우, 100bar당 최대 1%이것은 전체 치수가 재료 특성에 따라서 100bar당 1/2%에서 1%까지 변화할 수 있다는 것을 의미한다. 그러나 아래와 같이 치수에 영향을 미치는 다른 요인이 있으므로 유의하여야 한다. • 수지 배향성(유동과 유동 직각 방향의 서로 다른 수축률)• 결정성(Crystalline) 수지의 결정화도(Crystallinity)• 유리섬유와 같은 긴 충진물(Filler)• 금형 캐비티(Cavity) 내의 압력을 제어하는 것이 성형품의 치수 변화와 변형을 최소화하는 열쇠이다.2.6 결정성(Crystalline) 수지의 결정화도(Crystallinity)결정성 또는 반결정성 수지의 결정화도(Degree of Crystallinity)는 냉각속도에 크게 영향을 받는다. 그러므로 성형조건이나 금형 냉각조건에 대한 최적화와 관리가 절대적으로 필요하다.냉각속도가 빠르면, 결정화도가 적어지며, 반대로 냉각속도가 느리면 결정화도가 커지게 된다. 다음은 결정화도에 다른 물성의 변화를 보여준다. (표 4)2.7 플라스틱의 분해(Degradation)2.7.1 고분자 사슬 분해(Polymer Chain Degradation)고분자 사슬은 강하지만, 부적절한 성형(processing)에 의해서 고분자의 사슬(Chain)이 끊어질 수 있다. 이는 성형품의 성능 저하로 이어지고, 점도(Viscosity)가 낮아져 흐름성(flowability)이 좋아지게 된다. 부적절한 성형에는 다음과 같은 경우가 있다.• 과도한 열(Heat)• 건조나 용융과정 중 고온 상태에서의 과도한 체류 시간(Time)• 계량이나 사출 중에 받는 과도한 전단력(Shear Force)• 화학물질(예: 물)에 의한 사슬 분해(끊김)• 흡습성(Hygroscopic) 수지의 경우에 적절한 건조는 분해를 방지하기 위하여 필수적이다.2.7.2 첨가제의 분해(Additives Degradation)첨가제는 고분자에 비하여 사슬(Chain)의 크기가 매우 작으므로, 성형 중에 쉽게 분해되거나 휘발하여, 다음과 같은 결과를 유발할 수 있다.• 금형의 벤트(Vent)나 캐비티 표면에 휘발성 물질이 잔류 → 표면 문제 발생• 기계적 물성의 변화• 유동성 저하(점도가 높아짐)• 첨가제의 함량(% Content) 변화가 신재(Virgin)와 분쇄재(Regrind) 간의 가장 주요한 차이점이다.2.8 수분(Moisture)과 플라스틱수분은 비정상적인 성형조건(과도한 열, 체류 시간, 전단력 …) 하에서 플라스틱이 분해되기 쉽게 만들며, 특히 수분흡수가 쉬운 재료(Hygroscopic)일 때 매우 주의하여 건조 공정을 모니터링 해야 한다.수분을 함유하는 방식에 따라 플라스틱을 분류할 수 있으며, 수분이 폴리머의 외부에서 응축하는 소수성(Hydrophobic), 수분을 흡수하는 흡습성(Hygroscopic)으로 분류하며, 흡습성은 수분이 단순히 내부에 침투하는 친수성(Hydrophillic)과 열과 함께 수분이 폴리머의 체인을 분해하는 가수분해성(Hydrolyzable)로 나눌 수 있다. 가수분해성(Hydrolyzable) 플라스틱을 재료로 성형하는 경우에는 건조기의 조건과 유지관리(Maintenance)에 보다 중점을 두어야 한다. 외관상으로는 문제가 없어 납품 처리된 제품이 물성 저하로 인하여 사용/작동 중에 문제가 발생할 가능성이 있기 때문이다. 건조기의 관리/모니터링 인자(Factors)는 유속(CFM), 온도, 체류 시간, 그리고 이슬점(Dew Point)이 있으며, 기타 요인으로는 펠릿의 크기와 관리상태 등이 있다.★ 사출기 모니터링 시스템의 필요성 – 재료관리 측면 사출성형에서 재료의 관리는 공정 최적화의 기본이 된다. 균일한 재료가 공급되지 못하면, 공정상의 모든 변수가 변하게 되며, 결국 균일한 제품을 생산할 수 없게 된다.(그림 47)은 사출기에서 용융된 재료가 동일한 점도를 가지고 있는 지를 관리하는 방법으로 유효 점도(Effective Viscosity)를 모니터링(Monitoring) 하는 예제이다. 동일한 Grade의 재료일지라도 생산 로드(Lot)가 변화하면 내압이 변화하는 모습을 보여준다.재료의 수분 관리를 위하여, 수동으로 일정 시간 간격을 두고 수분 측정기나 이슬점 측정기를 이용하여 수행할 수 있다. 수동적(Manual)인 관리는 사람에 의하여 데이터의 누락, 관리 포인트의 상이, 측정 조건의 불일치 등이 발생하여 효율성과 정확성이 떨어짐으로 습도 센서를 이용하여 자동적(Automatic)인 관리와 감시 체계를 확립하는 것이 필요하다.
편집부 2020-06-06
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- 콜드체인(저온유통) 안심 스티커 제조기술 라운드 테이블 서울 양재 aT센터서 열려- 기업들의 높은 관심 속 국내외 유통·제조기업 30여 개 사 참가한국화학연구원(원장 이미혜)은 지난 5월 19일(화), 서울 양재 aT센터 세계로룸에서 기술 도입 희망기업을 대상으로 ‘콜드체인 안심 스티커 제조기술 라운드 테이블’을 개최했다.‘콜드체인(저온유통) 안심 스티커’는 냉장·냉동 식료품 변질 여부를 알려주는 스티커로, 10℃ 이상의 상온에 노출되면 투명해지는 나노섬유 필름을 이용한 것이다.이번 기술설명회는 한국화학연구원 바이오화학연구센터 연구진이 개발한 안심 스티커 제조기술이 지난 4월 초 언론에 보도된 이후, 기업들이 높은 관심을 보여 개최하게 됐으며, 국내외 유통 및 제조기업 30여 개사가 참가했다.이번 기술설명회는 연구진의 기술소개와 질의응답과 기업별 기술상담으로 나눠 진행됐다.우선, 한국화학연구원 바이오화학연구센터 황성연 센터장이 콜드체인 안심 스티커 제조기술에 관해 설명하고, 참여기업들의 질문에 답하는 시간을 가졌으며, 이어서 제조기업과 유통기업으로 나눠 기업별 기술상담이 진행됐다.한국화학연구원 바이오화학연구센터 오동엽·박제영·최세진 박사팀은 지난 4월 7일 냉장으로 배송받은 식료품의 변질 여부를 확인할 수 있는 스티커를 개발했다고 밝혔다.콜드체인 안심 스티커는 10℃ 이상의 상온에 노출되면 투명해지는 나노섬유 필름이 핵심으로, 나노섬유 필름과 일반 필름 두 겹으로 이뤄져 있다. 나노섬유 필름은 저온 상태에서 안정된 형태로 빛을 산란시켜 불투명하다. 하지만 상온에 일정 시간 동안 노출되면 나노섬유 구조가 붕괴되면서 빛이 투과해 투명해진다.이 같은 원리를 이용해 스티커 앞면의 나노섬유 필름이 상온에 노출되어 투명해지면 뒷면의 일반 필름 이미지가 나타나는 것이다. 이를 통해 식료품의 변질 여부를 알 수 있다. 이 스티커는 식료품뿐만 아니라 고가의 의약품 저온유통에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 스티커 자체가 얇고 유연한 데다 기존 TPU 생산공정의 변경 없이 생산할 수 있고, 용도별 다품종 소량생산이 가능해 예상 제작 비용이 개당 10~50원*대로 저렴하기 때문이다.* 회사별 구매량 및 사용공정 설비에 따라 단가 변동 가능성 있음.한편 화학연구원의 안심 스티커는 구부림, 화물 적재, 훼손에 정상적으로 작동이 된다. 이는 안심 스티커 원료 자체가 화학연이 보유한 자가치유 폴리우레탄 소재로, 물류 이동 시 스크래치 및 절단과 같은 외부요인에 손상을 스스로 감지하고 회복하여 원 상태의 매끈한 표면을 유지할 뿐만 아니라 절단 이전의 기계적 강도를 유지할 수 있는 기능을 가지는 지능형 소재이기 때문이다.문의: 연구전략본부 기술사업화실 이영석 실장(042-860-7995, 010-8803-1841)연구전략본부 기술사업화실 최경선 선임연구원(042-860-7076, 010-7942-7164)
이용우 2020-06-02
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- 화학연 이제욱 박사팀, 흑연에 전기 흘려 그래핀 벗겨내는 전기화학 박리공정 개발- 화학연·㈜엘브스지켐텍, 국내 채굴 흑연으로 고품질 그래핀 대량생산한국화학연구원 이제욱 책임연구원(우)과 권연주 연구원(좌)이 멀티 전극 시스템으로 생산한 그래핀 용액과 가루를 들고 포즈를 취했다. 두 연구원 뒤에 있는 장치가 차세대 전기화학 박리공정이 적용된 멀티 전극 시스템이다.한국화학연구원과 국내 중소기업이 꿈의 신소재로 불리는 그래핀을 올해 내 양산화한다. 국내에서 채굴된 흑연으로 산업현장에서 쓰이는 그래핀을 대량 생산하는 건 이번이 처음이다.그래핀은 흑연을 한 층만 벗겨낸 것으로, 강도와 열 전도성, 전기전도성 등 성능이 매우 뛰어나 꿈의 신소재로 일컬어졌지만, 10여 년간 대량생산의 문턱을 넘지 못했다. 세계적으로 산업용 그래핀 주도권을 차지하기 위한 연구가 활발히 이뤄지고 있지만, 아직 상용화된 적은 없다. 고품질의 그래핀을 저렴한 가격으로 대량생산하는 게 매우 어렵기 때문이다.이를 해결하기 위해 한국화학연구원 화학공정연구본부 이제욱 박사팀은 ‘차세대 전기화학 박리공정’을 개발하고, 이 공정을 적용한 멀티 전극 시스템을 만들었다. 멀티 전극 시스템은 전해질 용액 수조에 ‘금속 전극-흑연 전극-금속 전극’을 샌드위치처럼 배치한 묶음을 여러 개 담가놓은 장치다. 이 장치는 흑연 전극에 전기를 흘려보내 그래핀을 아주 얇은 층으로 벗겨내는 방식으로, 이렇게 벗겨진 그래핀은 장치 하단의 필터를 통해 용액과 분리되어 가루 형태로 추출된다. 한국화학연구원 화학공정연구본부 이제욱 박사팀이 개발한 ‘차세대 전기화학 박리공정’을 적용한 멀티 전극 시스템현재 이 장치로 고품질의 그래핀을 1시간이면 생산할 수 있는데, 이는 세계에서 가장 빠른 수준이다. 또 그래핀 1g당 가격도 2,000원으로 비교적 저렴해 가격경쟁력도 갖췄다. 이는 기존 그래핀 생산기술인 ‘화학적 합성 공정’보다 생산시간과 가격, 품질 등 모든 면에서 우수한 것이다. 화학적 합성 공정은 흑연을 강산으로 처리해 그래핀을 얻는 방식으로, 현재 주로 연구용으로 사용되고 있다.한국화학연구원 이제욱 박사는 “화학적 합성 공정의 경우, 강산 처리로 인해 그래핀의 강도, 열 전도성, 전기전도도 등의 품질이 급격히 떨어지고, 나중에 환원처리를 하지만 100% 수준으로 품질이 회복되지 않는다”고 설명했다.한국화학연구원은 이 같은 기술을 개발해 ㈜엘브스지켐텍에 이전하고, 올해 연말까지는 고품질의 그래핀을 대량 생산한다는 목표로 공동 연구를 수행하고 있다. 현재 ㈜엘브스지켐텍의 모회사인 엘브스흑연㈜은 국내 흑연광산의 채굴권을 확보하고, 올해부터 본격적인 흑연 채굴에 들어간다. 지금까지 중국 수입에 의존하던 고품질의 흑연을 저렴한 가격으로 대량 공급할 수 있게 된 것이다. 대량 생산되는 그래핀은 우선 디스플레이와 스마트폰 등 전자제품의 열을 방출하는 방열부품, 전기자동차의 이차전지에 들어가는 도전재와 전극 등에 적용할 예정이다. 현재 전자제품의 방열부품에는 흑연 시트가 주로 쓰이는데, 유연성이 떨어지는 탓에 휘어지는 디스플레이 생산의 걸림돌이었다. 하지만 그래핀은 유연성과 가공성이 뛰어나 흑연 시트를 충분히 대체할 수 있을 것으로 기대된다.한국산업평가관리원에 따르면, 현재 전 세계 그래핀 시장은 900억 달러로 추정되며, 2025년에는 2,400억 달러로 3배 가까이 증가할 것으로 전망된다. ㈜엘브스지켐텍 박철용 대표는 “값싼 고품질의 그래핀을 대량으로 시장에 공급해 지난 10년 동안 열리지 않았던 그래핀 상용화의 문을 2021년까지 활짝 여는 게 목표”라고 말했다. 현재 ㈜엘브스지켐텍은 안성에 엘브스흑연연구소를 설립하고, 그래핀 양산을 위한 준비에 박차를 가하고 있다.한편, 이번 연구는 산업통상자원부의 ‘벤처형전문소재기술개발사업’과 ‘탄소산업기반조성사업(고부가가치 인조흑연 소재기술개발)’ 등의 지원을 받아 이뤄졌다. < 문의 > 연구부서 - 화학공정연구본부 C1가스·탄소융합연구센터 / 이제욱 책임연구원 / (042-860-7392/leeju@krict.re.kr)- 화학공정연구본부 C1가스·탄소융합연구센터 / 권연주 연구원 / (042-860-7584/kyj0905@krict.re.kr)    홍보부서- 과학확산실: 양경욱 실장(042-860-7998)- 과학확산실: 김민호 선임행정원(042-860-7826)               
편집부 2020-05-31
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- 김차중‧김영식 교수팀, 해수전지 이용한 디자인으로 생활 담수·조명제품 개발- 식수, 전기 부족으로 어려움 겪는 제3세계 아이들 위해… iF 디자인 어워드 수상친환경 미래 에너지 연구와 약자를 생각하는 디자인이 만나 제3세계 아이들을 위한 제품을 탄생시켰다. 대학 내 협업으로 바닷가에서 식수와 전기 부족으로 어려움을 겪는 이들에 꼭 필요한 도움을 줄 길이 열린 것이다.UNIST(총장 이용훈) 김차중 디자인 및 인간공학부 교수와 김영식 에너지 및 화학공학부 교수팀은 생활 담수화 및 조명제품, ‘아쿠아시스(Aquasis)’를 공동 개발했다. 해수전지 기술과 디자인 작업이 결합한 이 제품 디자인은 지난 3월 ‘독일 iF 디자인 어워드 2020’에서 ‘프로페셔널 콘셉트(Professional Concept)’ 부문 본상을 수상했다.해수전지를 이용한 담수화 및 조명제품, 아쿠아시스연구진은 바다에 인접해 있지만, 만성적인 식수와 전력 부족으로 인해 보통의 일상을 누리지 못하는 제3세계 국가의 아이들을 위해 제품 디자인을 진행했다. 세계적으로 오염된 식수로 어려움을 겪는 아이들을 위해 ‘라이프 스트로우’*와 같은 제품이 제작돼 보급되고 있지만, 바닷물의 경우엔 담수화가 어려워 식수 문제가 심각하다.*라이프 스트로우(Life Straw): 수자원이 오염된 개발도상국, 제3세계에 살고 있는 사람들을 위해 제작된 휴대용 정수 빨대. 전기적 장치 없이 필터를 이용해 미생물과 기생충을 걸러낼 수 있다.아쿠아시스는 해수전지의 담수화 기능에 주목해 문제를 해결했다. 바닷물 속 나트륨 이온을 이용해 전기를 충전하는 해수전지는 충전 과정에서 바닷물을 담수화할 수 있다. 연구진은 조명 상단에 있는 태양광 패널로 해수전지를 충전해 조명을 위한 전기를 담고, 동시에 마실 수 있는 물을 만들 수 있도록 제품을 디자인했다.아쿠아시스는 제3세계 바닷가 아이들에게 식수와 조명을 공급할 수 있다< 아쿠아시스(Aquasis) 디자인 소개 >■ 아쿠아시스는 해수전지를 이용해 해수 담수화 및 조명 기능을 할 수 있는 제품이다. 바닷가에서 식수와 전기 활용에 어려움을 겪는 사람들을 위해 디자인됐다. 해수전지는 태양광으로 전기를 충전하는 과정에서 바닷물을 담수화할 수 있다. 낮에 충전된 전기는 저녁에 조명으로 활용될 수 있다.■ 담수화된 물은 식수를 구하기 어려운 바닷가에서 유용하게 활용될 수 있다.■ 사용자는 낮 동안 아쿠아시스에 바닷물을 담고, 상단부의 태양광을 이용해 전기를 충전함과 동시에 바닷물을 담수화할 수 있다. 약 4시간의 충전 과정을 거치면 해수전지 충전과  담수화가 완료된다. 담수화 완료 여부는 LED를 통해서 확인할 수 있다.■ 아쿠아시스 상단부는 전지와 조명으로 구성돼 있다. 낮 동안 충전된 해수전지는 별도로 분리해 집 안에서 조명으로 활용할 수 있다.이 제품은 수인성 질병에 취약한 어린이들의 건강에 큰 도움이 될 것으로 기대된다. 바닷물을 담수화하는 만큼 살균된 깨끗한 물을 지속적으로 공급할 수 있기 때문이다. 또한, 아이들도 쉽게 바닷물을 담을 수 있는 크기와 무게로 디자인되었으며, 아이들의 일상을 고려해 아침에 일어나 바닷물을 담아두면 오전에는 정수기로, 오후에는 생수통으로, 밤에는 조명등으로 기능한다. 특히, 해수전지로 작동되는 조명은 교육 및 놀이 기회가 부족한 아이들에게 야간에도 책을 보거나 놀이를 할 수 있는 시간을 확보해줄 수 있다.아쿠아시스는 UNIST가 보유한 원천기술과 디자인 역량을 결합해 탄생했다는 점에서 특별하다. 해수전지 원천기술을 보유한 김영식 교수팀(참여연구원 김문이)과 제품 디자인에 강점을 지닌 김차중 교수팀(참여연구원 조광민, 마상현)은 1년여에 걸쳐 기술 상용화를 위한 협업을 진행했다.김차중 교수는 “아쿠아시스는 기술의 사회적 기여에 초점을 맞춰 제3세계 아이들이 겪고 있는 문제에 대한 깊은 고찰과 고민을 바탕으로 연구와 협업을 진행한 결과물”이라며, “디자인을 통해 UNIST가 가진 기술을 사회에 기여할 수 있는 상용제품으로 만들어낸 사례로 의미가 깊다”고 설명했다.그는 이어 “혁신적 신기술의 사회적 기여 가능성에 집중한 프로젝트가 세계적 디자인 수상으로 인정받아 기쁘다”며, “이번 수상은 UNIST가 디자인 연구뿐 아니라 실무분야에서도 꾸준히 인정받고 있음을 보여주는 성과”라고 강조했다.김차중‧김영식 교수팀은 아쿠아시스를 상용화해 실제 제품으로 출시하는 것을 목표로 협력하고 있다. 연구진은 아쿠아시스 외에도 해수전지의 기술을 활용한 다양한 제품을 개발해 교원창업기업 ㈜포투원을 통해 사업화할 계획이다.김차중 교수팀은 2016년부터 독일 iF 디자인 어워드, 미국 스파크 디자인 어워드 등 세계적인 디자인 공모전에서 대상을 포함해 수차례 수상하며 디자인의 우수성을 인정받아왔다. 특히, 디자인 산학과제를 통해 기업의 기술적 가치를 높이는데 기여하고 있으며, 장기입원 아동 환자, 노인 환자, 시각 장애인, 제3세계 아이들 등 사회적 약자를 위한 디자인을 통해 ’공존의 디자인’을 꾸준히 진행해오고 있다.한편 iF 디자인 어워드는 세계적 권위를 자랑하는 디자인 수상기관인 독일 레드닷 어워드, 미국 IDEA와 함께 세계 3대 디자인 어워드로 불린다. 올해 iF 디자인 어워드에는 전 세계 56개국에서 7,000개 이상의 작품이 출품됐다.문의:대외협력팀_장준용 팀장, 김석민 담당(052)217-1231디자인 및 인간공학부_김차중 교수(052)217-2730
편집부 2020-05-31
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- 장수명·고용량 리튬이온배터리 실현… Advanced Energy Materials 표지 게재인체 노화의 주범으로 꼽히는 ‘활성산소’는 배터리 수명과 성능에도 악영향을 준다. 고용량 리튬이온배터리용으로 도입한 전극 물질에서 활성산소가 나오면 목표한 성능이나 수명을 달성하지 못하게 되는 것이다. 이 문제를 ‘체내 항산화 작용’에서 힌트를 얻어 해결한 기술이 개발됐다.UNIST(총장 이용훈) 에너지 및 화학공학부의 최남순·송현곤·곽상규 교수팀은 리튬이온 배터리의 양극에서 만들어지는 활성산소와 배터리 내 부반응을 일으키는 물을 제거하는 ‘전해액 첨가제(MA-C60)’를 개발했다. 이 첨가제는 체내 항산화 효소처럼 배터리 내에 발생한 활성산소와 반응해 배터리 노화를 방지한다. 이 물질을 고용량 리튬 이온 배터리용 전해액 시스템으로 활용하면 더 오래 안전하게 사용하는 배터리를 만들 수 있다.전기자동차를 비롯해 대용량 에너지 저장장치의 수요가 급증하면서 리튬이온배터리의 용량을 키우기 위한 시도가 많다. 리튬이 많이 함유된 물질인 ‘리튬 리치(Lithium-rich) 양극’을 사용하는 게 대표적인데, 풀어야 할 문제가 있다. 리튬 리치 양극을 적용한 배터리의 충·방전 반응 중에 활성산소가 발생한다는 점이다. 활성산소는 전해액을 분해하고, 일산화탄소나 이산화탄소 같은 가스를 발생시켜 배터리의 수명과 안정성을 떨어트린다.기존 전해질 사용 시 문제점 및 새로운 첨가제의 기능(좌측) 기존 전해액을 리튬 리치 양극에 사용할 경우 초과 산화물이 전해질의 주된 용매인 에틸렌 카보네이트(Ethylene carbonate, EC)의 분해를 유도하여 일산화탄소(CO) 및 이산화탄소(CO2)와 같은 가스가 발생한다. 이러한 기체는 전지의 부풀어 오름(스웰링)을 야기함. 또 수분에 의해 리튬염(LiPF6)의 가수분해로 형성되는 반응성 화합물들에 의해 전이금속 용출 및 마이크로 크랙킹(금이 가는 현상) 현상이 촉진된다.(우측) MA-C60을 사용할 경우 초과산화이온 안정화, 물 분자(H2O) 흡착을 통한 불화수소(HF) 형성 억제, 올리고머(Oligomer) 기반 양극 보호막 형성 효과를 통해 전극 내 전이금속 용출 및 구조적 열화(마이크로 크랙킹, 전극에 미세한 금이 가는 현상)를 효과적으로 억제시킬 수 있다.최남순 교수팀은 기존 전해액에 ‘말론산이 결합된 풀러렌(malonic acid-decorated fullerene, MA-C60)’ 첨가제를 넣어 이 문제를 해결했다. MA-C60는 탄소 원자가 축구공처럼 5각형과 6각형 구조로 이어진 풀러렌(C60)에 말론산이 결합한 물질이다. 이 물질을 전해액 속에 소량(1%) 첨가하면 전해질 용매 대신 활성산소와 반응해 전해액이 분해되는 것을 막는다. 게다가 전지 작동 초기에는 첨가제가 용매와 반응해 보호막을 만들기 때문에 양극 표면을 보호하는 역할도 한다.     전지의 초기 활성화 단계에서 MA-C60의 말론산(Malonic acid) 작용기 부분과 다수의 용매(EC)가 함께 분해돼      올리고머(Oligomer) 기반의 양극 보호막을 형성하는 메커니즘이다. 또, 이와같이 형성된 양극 보호막은 4.4V 이상의      고전압에서 리튬 리치 양극으로부터 발생되는 초과산화이온이 전해액 내 용매와 반응하기 전에 안정화 시키기 때문에,      초과산화이온에 의한 부반응을 효과적으로 제어할 수 있다.송현곤 교수는 “우리 몸도 활성산소를 없애기 위해 다른 효소들이 활성산소와 반응하는 ‘항산화 작용’을 한다”라며, “배터리 내 활성산소도 다른 물질과 반응해 제거할 수 있도록 새로운 물질(MA-C60)을 첨가한 전해질을 개발했다”고 밝혔다.곽상규 교수팀은 양극 표면에 보호막이 생성되는 원리를 계산화학을 이용해 분석했다. 곽 교수는 “항산화 첨가제의 말론산 작용기가 전해질의 고리 형태 분자구조를 열어주고, 절단된 구조 끝에서 또 다른 전해질 분자가 달라붙어 양극을 보호하는 물질(올리고머)이 만들어진다”고 설명했다.    (좌측) 전극 및 전지 구성성분에 흡착된 수분 분자들은 전해액 내 주요 성분인 리튬염(LiPF6) 염을 가수분해해,     전극 계면 구조 결함 및 손상을 유발하는 반응성 화합물의 형성을 촉진시킨다. 다양한 반응성 화합물 중 특히 불화수소(HF)는     전해액이 만든 보호막인 양극-전해액 계면(Cathode-electrolyte interface, CEI)을 공격하여 전지 성능의 열화를 일으킬 수 있는     CO2, H2O를 형성한다. 또한, 저항성이 큰 불화 리튬(LiF) 기반의 양극 피막을 형성하여 양극-전해액 계면의 저항을 증가시키는     문제가 있다.    (우측) 반면, MA-C60은 물 분자를 물리적으로 흡착시켜 반응성 화합물의 발생을 억제시킨다. 이를 통해, 반응성     화합물로부터 발생될 수 있는 부반응을 차단하고, 양극-전해액 계면의 안정성을 확보해 전지의 전기화학적 성능을 개선한다.첨가제는 배터리 내의 수분도 효과적으로 제거했다. 전지 작동 중에 만들어지는 수분은 전해질 염(LiPF6)를 분해해 배터리의 수명과 성능을 단축하는 산성 화합물(HF)과 전극 피막(LiF)을 만든다. 산성 화합물을 전극 표면을 공격해 전지 용량을 결정하는 전이금속(리튬, 니켈 등)을 밖으로 흘러나오게 하고, 전극 표면에 생기는 피막은 전지가 과열되게 한다.최남순 교수는 “이번에 개발된 전해액은 전지에 부반응을 일으키는 활성산소와 물을 제거할 뿐만 아니라, 양극 표면에 보호막도 형성하는 ‘다기능성 전해질’”이라며, “리튬 리치 양극뿐 아니라 다른 고용량 양극 소재에도 적용해 전기차 배터리와 같은 고용량 전지의 성능과 수명을 동시에 개선할 수 있을 것”이라고 전망했다.이번 연구는 재료 분야의 세계적인 저널 ‘어드벤스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)’에 4월 6일 자로 공개됐으며, 그 중요성을 인정받아 표지(Front Cover)논문으로 선정돼 출판을 앞두고 있다. 연구 수행은 삼성전자가 시행하는 삼성미래기술육성사업의 지원으로 이뤄졌다.논문명: An Anti-Aging Electrolyte Additive for High-Energy-Density Lithium-Ion Batteries< 자료문의 >대외협력팀: 장준용 팀장, 양윤정 담당 (052)217-1228에너지 및 화학공학부: 최남순 교수 (052)217-2926
편집부 2020-05-31
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- 태양광 적외선의 투과율을 자동 조절해 냉난방 에너지 30% 절감- 외부 전원 필요 없고, 대면적 필름 형태로 양산 가능해 상용화 유리전 세계 에너지 사용량의 약 41%는 건물 냉난방에 사용되고 있으며, 그중 45%가량의 에너지가 외부로 노출된 유리창을 통해 손실된다. 특히 최근 유리창이 건물 외곽의 대부분을 차지하는 커튼 월(Curtain Wall) 구조의 고층 건물들이 늘어나면서 에너지 손실을 줄이기 위한 방안으로 ‘스마트 윈도우(Smart Window)’가 주목받고 있다. 스마트 윈도우란 실내로 들어오는 태양광선을 차단하거나 그 투과율을 제어함으로써 에너지 손실을 줄이고 냉난방 효율을 향상시켜주는 기능성 창호이다.스마트 윈도우 필름 시제품을 제작하고 있는 생기원 전북본부 소속 연구원한국생산기술연구원(원장 이낙규, 이하 생기원)이 외부 기온 변화에 따라 태양광 적외선의 투과율을 스스로 조절해 쾌적한 실내온도를 유지해줄 수 있는 스마트 윈도우 제조기술을 개발했다.개발된 스마트 원도우는 특정 온도에서 가시광선은 투과시키지만, 적외선을 차단하는 특성을 지닌 열변색 소재 ‘이산화바나듐(이하 VO2)’을 사용해 외부 기온이 일정 수준 이상 상승할 경우 적외선 투과를 자동 제어한다. 특히 여름철 고온에서는 적외선을 70%가량 차단시켜 냉방 효율을 향상시켜주는 반면, 겨울철 상온에서는 적외선을 최대한 받아들여 보온 효과를 냄으로써 적정 실내온도 유지에 필요한 에너지 소비를 일반 창호보다 30%가량 절감시켜준다. 개발한 스마트 윈도우 필름 시제품을 점검하고 있는 김대업 박사개발을 주도한 생기원 탄소소재응용연구그룹 김대업 박사 연구팀은 스마트 윈도우 제작비용 감소와 설치 편의성 증대에 초점을 두고 2016년부터 자체 연구비로 개발에 착수해 4년 만에 성과를 냈다.기존 전기변색 방식의 스마트 윈도우의 경우 전력 구동 회로가 복잡해 공정비용이 많이 들고, 설치 시 전기 배선 작업이 필요하다는 단점으로 인해 그동안 상용화에 어려움을 겪어왔다. 반면 개발된 스마트 윈도우는 기온 변화에 자동 반응하는 소재 특성상 별도의 외부 전원과 전력 구동 회로가 필요 없어 제작비용이 저렴하다. 또한, 창호뿐만 아니라 유리창에 덧붙이는 필름 형태의 플렉시블(Flexible) 제품도 생산 가능해 사용자가 쉽고 간편하게 시공할 수 있다.현재 50㎝×50㎝ 크기의 필름 개발을 완료한 상태이며, 향후 1m×1m 크기의 대면적 필름을 고속 생산에 유리한 롤투롤(Roll-to-roll) 공정*을 통해 저렴하게 양산할 수 있을 것으로 예상된다.* 필름, 동박 등 얇은 소재를 회전 롤에 감으면서 소정의 물질을 도포해 새로운 기능을 부가하는 공정이번 기술개발의 핵심은 유리 또는 필름 기판 위에 VO2 박막을 코팅하는 공정에 세계 최초로 인쇄전자* 분야에서 주로 활용돼왔던 백색광 저온 소결 공정을 적용했다는 데 있다.* 원하는 전자회로 부분을 기판이나 필름 등에 전도성 전자잉크로 인쇄하듯이 제조하는 기술기존 VO2 박막은 68℃ 수준에서 적외선을 반사하는 특성을 보여 이보다 온도가 낮은 상온에서는 스마트 윈도우 소재로 활용하기 어렵고, 결정성이 낮아 반사 효율도 떨어진다는 한계가 있었다.연구팀은 VO2 소재에 도핑 물질을 첨가해 적외선 반사 온도를 23℃ 수준까지 낮췄으며, 이 소재로 만든 용액을 코팅해 박막을 만들고 40℃~60℃ 사이의 저온 영역에서 제논램프(Xenon lamp)*의 광에너지로 VO2 나노입자를 소결, 결정성을 높임으로써 적외선 반사 효율을 향상시키는 데 성공했다.* 고압 제논 가스가 이온화를 통해 전기를 인가시켜 빛을 생성하는 백색 전등이 공정을 통해 기존 열처리 공정 대비 소결 시간을 1/10,000 수준 이하로 단축했고, 제조비용도 약 40% 이상 절감해 상용화 가능성을 높였다.생기원 전북본부에 구축된 백색광 저온 소결 공정 장비김대업 박사는 “적외선램프를 활용한 시제품 비교 평가결과 스마트 윈도우 필름 부착 여부에 따라 실내 온도 차가 13℃가량 발생했다”고 밝히며, “현재 상품성을 높이기 위해 소비자들이 선호하는 푸른색 계열의 필름 색상 개발에 주력하고 있으며, 향후 자동차나 온실, 옥외 디스플레이용 필름까지 응용 분야를 확대할 예정”이라고 말했다.한편 연구팀은 국내 특허 9건과 해외 특허 3건을 출원해 우수특허 1건을 포함한 국내 특허 4건이 등록되고, 게재된 SCI 논문 10편 중 4편이 우수논문에 포함되는 실적을 냈다. 또한, 2019년 12월 액정필름 제조 전문기업 ㈜큐시스와 기술이전 계약을 체결해 건축 창호용 필름 양산을 준비 중이며, 현재 다른 전문기업 2곳과 추가 기술이전을 협의하고 있다.관련문의: 한국생산기술연구원 탄소소재응용연구그룹 김대업 박사 (063-210-3740 / 010-7128-9166 / dukim@kitech.re.kr)한국생산기술연구원 홍보문화실 이한영글 행정원 (041-589-8039 / 010-3126-7596 / left0723@kitech.re.kr)
취재부 2020-05-18
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- 콜드체인 안심 스티커 제조기술 라운드테이블 5월 19일(화) 13시 서울 양재aT센터서 열려- 기업들의 높은 관심 속 국내외 유통·제조기업 15개사 참여 의사 밝혀한국화학연구원(원장 이미혜)은 5월 19일(화) 오후 1시 서울 양재aT센터 세계로룸에서 기술 도입 희망기업을 대상으로 ‘콜드체인 안심 스티커 제조기술 라운드 테이블’을 개최한다.콜드체인 안심 스티커 제조기술은 그 우수성을 인정받아 ‘어드밴스트 머티리얼스’ 3월호 내지 삽화(Frontispiece)로 실렸다.‘콜드체인(저온유통) 안심 스티커’는 냉장·냉동 식료품 변질 여부를 알려주는 스티커로, 10℃ 이상의 상온에 노출되면 투명해지는 나노섬유 필름을 이용한 것이다.이번 기술설명회는 한국화학연구원 바이오화학연구센터 연구진이 개발한 안심 스티커 제조기술이 지난 4월 초 언론에 보도된 이후, 기업들이 높은 관심을 보여 열리게 됐다. 현재 국내외 유통 및 제조기업 15개사가 기술설명회 참여 의사를 밝혔다.이번 기술설명회는 크게 연구진의 기술소개와 질의응답, 기업별 기술상담으로 나눠 진행된다.콜드체인(저온유통) 안심 스티커 제조기술 라운드테이블 개최 안내문우선, 한국화학연구원 바이오화학연구센터 황성연 센터장과 오동엽, 박제영 박사가 콜드체인 안심 스티커 제조기술에 대해 설명하고, 참여기업들의 질문에 답하는 시간을 갖는다. 이어서 제조기업과 유통기업으로 나눠 기업별 기술상담이 진행될 예정이다.이번 기술설명회에 참여하고 싶은 기업은 5월 13일(수)까지 한국화학연구원 기술사업화실에 전화(042-860-7076)나 이메일(chanian@krict.re.kr)로 신청하면 된다.한국화학연구원 바이오화학연구센터 오동엽·박제영·황성연·최세진 박사팀은 지난 4월 7일 냉장으로 배송받은 식료품의 변질 여부를 확인할 수 있는 스티커를 개발했다고 밝혔다.콜드체인 안심 스티커는 10℃ 이상의 상온에 노출되면 투명해지는 나노섬유 필름이 핵심으로, 나노섬유 필름과 일반 필름 두 겹으로 이뤄져 있다. 나노섬유 필름은 저온 상태에서 안정된 형태로 빛을 산란시켜 불투명하다. 하지만 상온에 일정 시간 동안 노출되면 나노섬유 구조가 붕괴되면서 빛이 투과해 투명해진다.이 같은 원리를 이용해 스티커 앞면의 나노섬유 필름이 상온에 노출되어 투명해지면 뒷면의 일반 필름 이미지가 나타나는 것이다. 이를 통해 식료품의 변질 여부를 알 수 있다. 이 스티커는 식료품뿐만 아니라 고가의 의약품 저온유통에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 스티커 자체가 얇고 유연한 데다 예상 제작 비용이 개당 10원 대로 저렴하기 때문이다.이 연구성과는 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials, IF:25.809)’ 3월호에 ‘식품의 콜드체인 배송 시 온도·시간 이력을 지시하는 나노섬유 스티커’라는 제목의 논문으로 게재됐으며, 과학기술정보통신부의 한국화학연구원 주요사업으로 수행됐다.기술설명회 문의: 연구전략본부 기술사업화실 이영석 실장(042-860-7995, 010-8803-1841)연구전략본부 기술사업화실 최경선 선임연구원(042-860-7076, 010-7942-7164)
취재부 2020-05-14
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- 화석연료에 대한 의존성을 대폭 낮추고, 숙신산을 효과적으로 생산할 수 있는 근간을 제시왼쪽부터 생명화학공학과 김기배 박사과정, 안정호 박사, 이종언 박사과정, 이상엽 특훈교수국내 연구진이 플라스틱의 원료와 식품·의약품 합성에 사용되는 중요한 화학물질인 숙신산을 대량으로 생산할 수 있는 기술을 개발했다. KAIST 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀과 경북대학교(총장 김상동) 김경진 교수 연구팀이 시스템 대사공학을 이용해 미생물 기반의 바이오 숙신산 대량 생산을 가능케 하는 세계 최고의 효율을 지닌 숙신산 생산 균주를 개발하는 데 성공했다고 밝혔다. 이 교수와 김 교수가 이끄는 공동연구팀의 이번 연구성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)’ 4월 23일 저 온라인판에 게재됐다.(논문명 : Enhanced succinic acid production by Mannheimia employing optimal malate dehydrogenase) 기후변화 대응기술 중 바이오리파이너리 기술은 화석연료에 의존하지 않고 바이오매스 원료로부터 생물공학적‧화학적 기술을 이용해 화학제품과 바이오 연료 등 산업 화학물질을 친환경적으로 생산하는 분야이다. 이 중 특히 핵심 기술인 ‘시스템 대사공학’은 미생물의 복잡한 대사 회로를 효과적으로 조작해 산업 화학물질의 생산 효율을 높일 수 있다. 현대산업 전반은 화석연료를 바탕으로 하는 산업에 매우 의존적이며 숙신산의 생산 또한 화석연료를 기반으로 이뤄진다. 그러나 이는 화석연료의 고갈과 이에 따른 원류 가격의 지속적인 증가, 화석연료 기반 산업으로부터 발생하는 지구 온난화 등 매우 심각한 부작용을 낳는다. 또 급속도로 고갈돼 가는 화석연료를 대체할 수 있는 바이오 기반의 숙신산 생산은 필수적이다. 연구팀은 한우의 반추위에서 분리한 미생물인 맨하이미아(Mannheimia)의 대사 회로를 조작해 숙신산을 생산하는 연구를 지속해 왔으며, 이번에 세계 최고의 생산 효율을 지닌 숙신산을 생산할 수 있는 개량 균주를 개발하는 데 성공했다.개발된 숙신산 생산 미생물의 대사 회로 및 숙신산 생산에 핵심적인 말산 탈수소효소의 효소 구조숙신산은 탄소 4개로 구성된 다이카복실산인데 대사과정에 있어 숙신산 한 분자를 생산할 때 이산화탄소 한 분자를 소모한다. 따라서 미생물 배양에 의한 숙신산 생산을 통해 이산화탄소의 저감에 기여한다. 연구팀은 이번 연구 과정에서 숙신산 전환에 핵심역할을 하는 효소의 구조를 밝히는 한편 단백질 공학을 통해 효소 성능을 개선했으며, 이를 전체 대사회로 최적화에 연계시키는 시스템 대사공학을 수행했다. 이를 통해 포도당, 글리세롤, 이산화탄소를 원료로 리터당 134g(그램)의 높은 농도로 숙신산을 생산하고 경제와 가장 밀접하게 연관되는 생산성이 시간당·리터당 21g(그램)에 달하는 등 매우 효율적인 공정을 개발했는데 이는 세계 최고의 효율성을 지닌 숙신산 생산 공정으로 평가를 받고 있다. 지금까지는 일반적으로 시간당·리터당 1~3g(그램)이 최고 수준이었다.기후변화 등 환경 문제의 주범으로 꼽히는 화석연료에 대한 의존성을 대폭 낮추고 주요 산업 기반 화학물질인 숙신산을 효과적으로 생산할 수 있는 근간을 제시한 이번 연구성과는 학계로부터 중요성을 인정받아, 국제학술지인 네이처 커뮤니케이션지에 게재됐다. KAIST 이상엽 특훈교수는 “이번에 개발한 미생물 기반 바이오 숙신산 대량 생산기술은 화학산업의 플랫폼 화학물질로 사용될 수 있는 숙신산을 보다 더 효율적으로 생산할 수 있기 때문에 환경친화적인 바이오화학산업으로의 전환에 기여할 것”이라고 설명했다.한편 이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 ‘C1 가스 리파이너리 사업’ 및 ‘바이오리파이너리를 위한 시스템 대사공학 원천기술개발 과제’의 지원을 받아 수행됐다.
편집부 2020-05-14