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한국화학연구원, 냉장 배송 식료품 상했는지 알려주는 스티커 개발

편집부 2020-04-12

스마트공장(Smart Factory)을 위한 사출성형 모니터링 및 최적화 기술1

편집부 2020-04-03

초임계 질소 및 이산화탄소를 이용한 초임계 발포 사출성형법

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

편집부 2020-04-02

우리 생활에 없어서는 안될 유용한 플라스틱 제품을 만드는 사출성형기 이야기 21

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

편집부 2020-04-02

환경친화적인 기술로 물에서 스케일 성분을 제거! ㈜한국마쓰이, ‘3존 프리클리어(Preclear)’로 온도관

오래전부터 플라스틱 산업의 원가절감과 생산성 향상에 고민해왔던 ㈜한국마쓰이(이하 한국마쓰이)는 원료 제습과 건조, 수송, 온조 조절, 정수처리, 냉각시스템, 배합, 분쇄 및 리사이클링 등 진보화된 플라스틱 성형공장의 합리화기기 및 시스템을 국내 곳곳에 공급해오고 있다.본 지에서는 보다 친환경적인 기술로 국내외 플라스틱 성형업계의 효율성을 높이고자 최선을 다하는 한국마쓰이가 공급하는 스케일 제거장치 ‘3존 프리클리어(Preclear)’에 대해 소개하고자 한다.온도관리와 유지보수가 용이한 ‘3존 프리클리어(Preclear)’한국마쓰이에서 공급하는 ‘3존 프리클리어(Preclear)’는 환경친화적인 기술로 물에서 스케일(scales) 성분을 제거하여 수질을 관리하는 장치로 유명하다. 칼슘(Ca2+), 마그네슘(Mg2+)성분을 제거하고, 스케일(CaCO3, MgCO3) 생성을 억제함으로써 온도관리가 편리하다는 장점과 전기료 절감, 유지보수의 용이성이라는 강점을 동시에 가지고 있는 제품이다.한국마쓰이의 관계자는 프리클리어 설치 효과에 대해 “설비 설치 후 운용 시에 사전에 스케일 대표 성분인 탄산칼슘(석회), 마그네슘 등의 양이온 스케일 성분을 제거함으로써 스케일로 발전하지 않도록 사전에 예방할 수 있으며, 금형, 온수기, 냉각기 등 냉각수 순환계통의 유지 관리 및 사전예방으로 관련 장비 수명연장 및 스케일 피해를 방지하는 것에 탁월하다”고 강조했다. 또한, “온수기, 냉각기 등 순환계통의 열전달 및 교환 효율 향상, 온도관리 용이, 양질의 성형에 유리하다”고 덧붙였다.한국마쓰이, 항상 국내 플라스틱 공정 효율 개선에 앞장서사실 한국마쓰이는 한국 플라스틱 산업의 역사에서도 절대 빼놓을 수 없는 이름이다. 영동산업을 모태로 한 동사는 1987년 설립된 국내 플라스틱 성형 주변기기 1세대 기업으로 평가받고 있다. 현재 한국마쓰이는 마쓰이 그룹의 혁신적인 주변기기 제품군을 비롯하여 정수처리 관련 솔루션 제품군까지 아우르며, 플라스틱 성형 분야에 꼭 필요한 폭넓은 제품군을 고객들에게 공급하기 위해 최선을 다하고 있다. 동사에서는 현재 다양한 글로벌 마쓰이 거점과 적극적으로 교류하고 있는 만큼, 글로벌 시장에서 선제적으로 발생되는 니즈를 캐치해 국내 고객들에게 한발 앞선 솔루션을 제안하고자 하며, 지속적으로 고객의 비용 부담을 줄이기 위해 노력하는 만큼, 양질의 제품을 제공함으로써 국내 플라스틱 성형 기업의 경쟁력을 제고하기 위해 노력하고 있다.문의: ㈜한국마쓰이(www.koreamatsui.co.kr)032-811-9400

취재부 2020-03-31

한국해양대 강준 교수 연구팀, 고성능 실리콘-탄소 음극재 개발

- 실리콘의 높은 에너지 저장 능력과 탄소의 탄성을 결합한 새로운 복합체한국해양대 강준 교수 연구팀은 고성능 실리콘-탄소 음극재를 개발했다고 밝혔다.볼타가 전지를 발명한 후, 이온이나 전기에너지를 저장하는 재료의 성능 연구가 활발히 진행되었다. 특히 휴대용 에너지에 대한 수요가 증가함에 따라 충전이 가능한 이차 전지가 개발되었다. 이차 전지 연구의 꽃은 이번에 노벨상을 받은 ‘리튬 이온 전지’이다. 이 기술은 휴대전화, 태블릿, 전기차 등 우리의 일상생활과 밀접한 관련이 있다.리튬 이온 전지를 이해하려면 휴대전화를 생각하면 된다. 우리는 하루종일 사용한 휴대전화를 다시 충전해서 사용한다. 휴대전화를 충전할 때 이온은 양극에서 음극으로 흐르며 사용할 이온은 음극에 저장한다. 이 과정을 충전한다고 표현하며, 저장된 이온이 음극에서 양극으로 모두 이동하고 난 상태를 방전이라고 한다. 이때 이온의 흐름을 다시 반대로 바꿔 주면 휴대전화가 다시 충전된다.일반적으로 음극에는 흑연이 사용되지만, 흑연이 저장할 수 있는 이온의 수에 제한이 있다. 이에 에너지 저장량이 높고 많은 이온을 저장할 수 있는 실리콘 기반의 음극재가 흑연을 대체할 효율적이고 지속 가능한 대안으로 등장하였다. 그러나 리튬 이온이 충전되는 과정에서 실리콘 기반 음극재의 부피는 기존에 비해 4배까지 팽창하고, 이 팽창은 전지의 수명에 큰 영향을 미친다.실리콘에 탄소를 결합하여 실리콘-탄소 복합체를 만들면, 실리콘의 장점(높은 에너지 저장 능력)과 탄소의 장점(탄성)을 모두 얻어 이 문제를 극복할 수 있다. 그러나 이 복합체를 제작하기 위해서는 시간과 비용이 많이 들기 때문에 광범위하게 적용하기 어렵다.이 문제를 해결하기 위해 한국해양대학교 강준 교수 연구팀은 실리콘과 탄소를 동시에 합성해 시간과 비용을 절감하는 간단한 방법을 발견했다. 강 교수는 이 연구의 원리는 “실리콘과 탄소를 포함하는 용액에 펄스화된 Bipolar 직류전원을 인가하면, 이온은 가속되지 않고 전자만 가속되는 차가운 플라즈마가 형성이 되고, 이 플라즈마 방전을 통해 실리콘과 탄소 전구체가 분해 후 폴리머화되면서 탄소 재료 내에 실리콘 나노 입자가 고르게 퍼지는 형태의 복합소재가 합성이 된다. 따라서 충전과 방전이 여러 번 진행되더라도 안정적인 성능을 가진 실리콘-탄소 복합체가 만들어지게 된다”고 밝혔다.또한, 강 교수는 “실리콘과 탄소를 동시에 생산하고, 탄소가 고르게 분포한다는 것은 대량생산이 가능한 효과가 있다. 이 제조법이 실리콘-탄소 복합체 제작의 시간과 비용을 크게 줄일 것으로 기대한다”고 덧붙였다.리튬 이온 전지는 크기와 부피가 작기 때문에 오늘날 우리 생활에 없어서는 안 되는 존재가 되었다. 이 연구에서 개발된 실리콘-탄소 복합체 제조법은 범위가 제한되어 있지 않고 다양한 수정과 변형이 가능하다. 특히 실리콘과 탄소의 결합은 세계를 화석 연료 의존 상태에서 구출해 낼 것이다.웹사이트: http://www.kmou.ac.kr/english/main.do

관리자 2020-03-13

UNIST 류정기 교수팀, 바이오매스를 ‘전자 공급원’으로 쓰는 시스템 개발

- 수소 발생 효율 높이고, 고부가가치 화합물 생산… ACS Catalyst 게재 폐목재 같은 바이오매스(Biomass)*가 분해되는 과정에서 생성되는 ‘전자(Electron)’를 이용해 수소를 생산하는 기술이 개발됐다. 바이오매스 분해 후 생산된 결과물은 고부가가치 화합물이 되며, 수소 생산 효율도 높이는 일석이조(一石二鳥) 기술이다.* 바이오매스(Biomass): 태양 에너지를 받아 유기물을 합성하는 식물체, 그리고 식물을 식량으로 하는 동물과 미생물 등 생물유기체를 지칭한다. 화학적 에너지로 전환할 수 있는 친환경 에너지 자원이기도 하다.UNIST(총장 이용훈) 에너지 및 화학공학부의 류정기 교수팀은 바이오매스에 포함된 리그닌(Lignin)을 이용하는 ‘바이오 연료시스템’을 개발했다. 이 시스템은 몰리브덴(Mo) 촉매로 리그닌을 분해해 고부가가치 화합물을 생산하고, 이 과정에서 추출된 전자를 이용해 수소도 효과적으로 생산한다.소(H2)를 생산하는 친환경적인 방법으로 ‘물(H₂O)의 전기분해’가 있다. 물에 전압을 흘려서 수소와 산소를 동시에 생산하는 것이다. 그런데 현재 보고된 기술에서는 산소 발생 반응(OER)의 속도가 느리고 복잡해 수소 생산 효율도 낮은 편이다. 수소 기체(H₂)는 수소 이온(H⁺)이 전자를 얻어 만들어지는데, 이 전자가 산소 발생 반응에서 나오기 때문이다. 그림1. 리그닌 분해를 통한 부산물 생산과 수소 발생 반응의 모식도왼쪽에 있는 ‘리그닌’은 촉매의 영향으로 분해되면서 ‘바닐린’과 ‘일산화탄소’를 생산하게 된다. 이때 리그닌에 있던 전자가 촉매로 이동하면서, 촉매는 전자 두 개를 추가로 가진다. 이 전자를 탄소나노튜브 전극에 전달하면 촉매는 원래 상태로 다시 돌아가며, 다시 리그닌을 분해한다. 오른쪽의 백금 전극에서는 리그닌에서 나온 전자를 전달받아 수소 발생 반응을 한다.류정기 교수팀은 산소 발생 반응의 비효율을 줄일 방법으로, 새로운 전자 공급원(Electron Donnor)인 리그닌을 쓰는 바이오 연료시스템을 개발했다. 몰리브덴 기반의 저렴한 금속 촉매(PMA)를 사용해 낮은 온도에서 리그닌을 분해하고, 그 과정에서 생성되는 전자를 추출해 수소를 만드는 원리다. 이 장치는 리그닌에서 나온 전자가 도선을 따라 수소 발생 반응이 일어나는 전극 쪽으로 이동하도록 설계돼 있다.그림2. 연구진이 구성한 리그닌 분해 및 수소 생성 시스템 촉매만 녹아있는 용액은 노란색(왼쪽)을 띤다. 여기에 리그닌을 넣고 가열하면 리그닌이 분해되면서 전자를 촉매에 주게 된다. 전자를 얻은 촉매는 오른쪽 그림과 같이 진한 초록색을 띠고, 반응생성물인 일산화탄소는 공기 중으로 날아가며, 바닐린은 용액 속에 녹아있게 된다. 리그닌이 분해되면서 나온 전자는 수소 발생 반응을 돕는다.1 저자인 오현명 UNIST 에너지공학과 석·박통합과정 연구원은 “높은 에너지와 귀금속 촉매가 필요한 산소 발생 반응이 필요 없기 때문에 일반적인 물의 전기분해보다 적은 에너지(과전압)로 수소를 생산할 수 있다”며, “기존 방식에서는 1.5볼트(V) 이상의 전압이 필요했지만, 이 시스템에서는 훨씬 낮은 0.95볼트(V)에서 수소를 생산했다”고 설명했다.또 리그닌이 분해되며 만들어지는 ‘바닐린(Vanillin)’이나 ‘일산화탄소(CO)’는 각종 산업공정에 활용될 수 있는 유용한 물질이다. 공동 1 저자인 최유리 UNIST 연구조교수는 “리그닌은 자원량이 풍부하고, 가격이 저렴하나 분해가 어려운 소재이나, 몰리브덴 기반 촉매(PMA)를 사용하자 낮은 온도에서 손쉽게 분해됐다”며, “리그닌이 포함한 식물인 아카시아와 볏짚, 낙엽송을 이 촉매와 반응시켜도 저온에서 쉽게 분해되는 것을 확인했다”고 설명했다.*바닐린(vanilin): 바닐라 향이 나는 방향족 무색의 결정성 고체다. 식품에 단맛을 더해주는 향료로써 사용되어 초콜릿, 아이스크림, 사탕 등에 첨가되며 화장품 원료로도 사용된다.*일산화탄소(CO): 암모니아 같은 가스 합성이나 니켈 정제 공정에 사용된다. 류정기 교수는 “이번에 개발한 ‘바이오 연료시스템’은 백금(Pt) 같은 고가의 촉매 대신 저렴한 촉매와 낮은 전압을 사용해 수소와 가치 있는 화학물질을 생성하는 기술”이라며, “물의 전기분해에서 산소 발생 반응을 대체할 새로운 방법을 제시했다는 의미도 크다”고 강조했다.이번 연구는 미국화학회가 발행하는 ‘ACS catalysis’에 1월 3일 자로 공개됐다. 연구 수행은 기후변화대응기술개발사업 ‘폐 바이오매스를 이용한 zero-waste 바이오리파이너리 기술 개발’ 사업단의 지원을 받아 이뤄졌다.논문명: Phosphomolybdic Acid as a Catalyst for Oxidative Valorization of Biomass and Its Application as an Alternative Electron Source자료문의:대외협력팀: 장준용 팀장, 양윤정 담당 (052) 217 1228에너지 및 화학공학부: 류정기 교수(052) 217 2546

편집부 2020-03-10

UNIST 김건태 교수팀, 금속-공기전지용 ‘망간·코발트 복합촉매’ 개발

- 촉매 합성과정 중 만들어진 계면이 효율 높여… Nano Energy 논문 게재가벼우면서도 에너지 저장용량이 크고, 소재도 저렴해 전기차용으로 주목받는 배터리가 있다. 공기 중 산소를 이용해 충·방전하는 ‘금속-공기전지(Metal-Air Battery, MAB)’다. 이 배터리의 성능을 높여줄 새로운 촉매가 개발됐다.UNIST(총장 이용훈) 에너지 및 화학공학부 김건태 교수팀은 금속-공기전지에서 공기를 받아들이는 양극(공기극)에 적용해 충전과 방전의 성능을 모두 높이는 ‘복합촉매’를 개발했다. 페로브스카이트(Perovskite) 촉매 위에 금속촉매를 ‘원자 두께’로 아주 얇게 씌운 형태인데, 두 촉매 사이에 자연스럽게 형성된 경계면이 촉매의 성능과 안정성을 높인다.금속-공기전지는 음극에 있는 ‘금속’과 양극(공기극)에서 받아들이는 ‘산소’가 전자를 주고받는 산화환원반응을 하며 충·방전하는 이차전지다. 양극 물질로 공기를 이용하므로 가볍고, 전기 저장용량도 커서 차세대 전기차 배터리의 후보로 꼽힌다. 전체 성능은 공기극에서 일어나는 산소의 산화환원반응 정도가 결정하므로 이 반응을 촉진할 촉매가 필요하다. 그런데 기존 촉매인 백금(Pt) 등은 귀금속이라 비싸고 안정성도 낮다. 그 대안으로 성능이 뛰어나고 가격이 저렴한 ‘페로브스카이트 촉매’가 제시됐으나, 이 역시 충전이나 방전 중 한쪽 반응만 활성화하는 문제가 있었다. 복합촉매 제작 과정: 망간 기반 페로브스카이트 구조 산화물(LSM, 회색)에 원자층 증착법(Atomic layer deposition, ALD)으로 스피넬 구조의 코발트 산화물(Co₃O₄, 빨간색)을 증착하는 과정에서 망간(Mn)의 확산으로 인해 계면에서 망간 코발트 산화물(MnCo₂O₄)가 만들어지는 것을 설명한다.김건태 교수팀은 이 문제를 충전과 방전 반응에서 각각 뛰어난 성능을 보이는 두 종류의 촉매를 결합한 복합촉매로 풀었다. 충전에서 성능이 뛰어난 ‘금속촉매(코발트 산화물)’를 방전에서 우수한 성능을 보이는 ‘망간 기반 페로브스카이트 촉매(LSM)’ 위에 아주 얇게 증착해 하나로 만든 것이다. 실험 결과, 증착 과정을 20번 정도 반복해 진행했을 때 두 촉매의 시너지 효과가 최적이 됐다.[연구 그림 2] 제작된 촉매의 산소환원반응(ORR)과 산소발생반응(OER)에 대한 성능계면 시너지 효과로 인해 최적화된 촉매 LSM-20-Co가 대표적인 ORR 촉매인 백금 촉매(Pt/C)와 견줄만한 성능을 보여주며(그림 a), 대표적인 OER 촉매인 산화이리듐(IrO₂)보다 더 뛰어난 성능을 보여주는 것을 확인함 (그림 b) [연구 그림 3] 제작된 촉매를 아연-공기전지에 실제 적용한 결과 아연-공기전지 모식도(그림 a), 제작된 촉매(붉은색)와 상용화된 촉매(검은색)를 적용했을 때 전지의 성능을 나타내는 전력 밀도(우측 Y축) 그래프(그림 b)를 보았을 때 상용화된 촉매를 적용한 경우와 유사한 성능을 보임. 또한, 전지의 충/방전 구동에서도 안정성을 확인함(그림 C)제1 저자인 성아림 UNIST 에너지공학과 석·박사통합과정 연구원은 “증착 과정에서 페로브스카이트 촉매 속 망간(Mn)이 스스로 확산해 코발트(Co)와 만나면서 ‘망간-코발트 화합물’이 생성됐다”며, “이 부분은 두 촉매의 경계면이 되면서 복합촉매의 안정성을 높이고 산소의 산화환원반응을 촉진해 성능도 향상시켰다”고 설명했다.김건태 교수는 “값싸고 효율 높은 촉매를 금속-공기전지의 공기극에 적용하면 상용화가 한층 빨라질 것”이라며, “이번 연구는 페로브스카이트 산화물에 원자층 증착을 접목해 차세대 공기극 소재 개발에 새로운 방법을 제시했다”고 연구의 의의를 밝혔다.이번 연구는 펜실베이니아대의 레이몬드 코테(Raymond J. Gorte) 교수, 존 보 (John M. Vohs) 교수, UNIST 연구지원본부 정후영 교수도 함께 참여했으며, 연구결과는 에너지 분야 국제학술지 나노에너지(Nano Energy)에 2월 3일 자로 온라인 공개됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부-한국연구재단(NRF)의 글로벌박사양성사업과 산업통상자원부(MOTIE)-한국에너지기술평가원(KETEP)의 에너지기술개발사업의 지원으로 이뤄졌다.논문명: Self-reconstructed interlayer derived by in-situ Mn diffusion from La0.5Sr0.5MnO3 via atomic layer deposition for an efficient bi-functional electrocatalyst 자료문의:대외협력팀: 장준용 팀장, 양윤정 담당 (052)217-1228에너지 및 화학공학부: 김건태 교수 (052)217-2917

편집부 2020-03-10