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우리 생활에 없어서는 안될 유용한 플라스틱 제품을 만드는 사출성형기 이야기 20

자료제공: LS엠트론 기술교육아카데미 (http://lsmtronacademy.com)
취재부 2020-03-03
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자동차용 고분자 소재의 난연 기술

자료제공: 소재종합솔루션센터(www.matcenter.org), 화학소재정보은행(www.cmib.org) 지식정보 심층보고서 
취재부 2020-03-03
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화학연, 페트병 대체 친환경 플라스틱 페프(PEF) 핵심 원료생산 기술 개발

- 새로운 촉매 공정 개발 … 기존 효소 공정 대비 50% 이상 비용 절감·공정 간소화- 촉매 분야 권위지 『ACS Catalysis(미국 화학회 촉매)』 紙 1월호 표지논문 게재촉매로 친환경 바이오 플라스틱의 원료를 생산하는 기술이 개발됐다. 플라스틱의 대명사인 페트병을 대체할 바이오 플라스틱으로 꼽히는 페프(PEF)의 핵심 원료를 생산하는 기술로, 페프의 출발물질인 글루코스를 프럭토스로 바꾸는 촉매 공정을 만든 것이다.기존 효소 공정과 비교해 비용을 50%나 줄이고, 공정을 두 단계에서 단일 공정으로 간소화해 바이오 플라스틱 산업 활성화에 전기가 될 전망이다.페프(PEF)는 글루코스→프럭토스→HMF→FDCA→PEF의 전환단계를 거쳐 만든다. 글루코스는 식물에서 유래한 포도당 기반의 물질로, 풍부하고 값싸지만 직접 바이오 플라스틱 원료로 사용할 수 없다. 글루코스에서 프럭토스로 전환하는 공정이 필요한 것이다.기존에는 효소 공정으로 글루코스를 프럭토스로 전환했다. 하지만 비용이 만만치 않았다. 고가의 효소를 1회 사용하면 재사용할 수 없기 때문이다. 또 프럭토스로 전환되고 남은 글루코스를 분리하기 위해 고가의 크로마토그래피 장비도 필요하다.연구진이 개발한 촉매 공정은 효소 공정과 비교해 비용이 50%나 적게 든다. 촉매가 효소보다 저렴한 데다, 재사용할 수 있기 때문이다. 또 글루코스를 분리하는 크로마토그래피 공정도 필요하지 않다. 글루코스는 촉매 표면에 흡착된 후 수소결합과 탈수소 반응을 거쳐 50% 이상 프럭토스로 전환된다. 이후 상온에서 글루코스와 프럭토스가 섞인 용액을 식히면, 용해도가 낮은 글루코스가 결정화된다. 여기서 글루코스 결정만 분리하면 프럭토스만 남는 것이다.새로 개발된 촉매는 하이드로탈사이트·부탄올이다. 하이드로탈사이트는 이전에도 ‘글루코스→프럭토스’ 전환 연구에 많이 쓰였으나, 불안정한 게 문제였다. 한국화학연구원 연구진은 하이드로탈사이트와 부탄올을 결합해 이 문제를 해결했다. 화학적 안정성을 높이는 동시에 안정적으로 고수율을 확보한 것이다. 이번 연구를 주도한 한국화학연구원 황동원 박사는 “이번 기술 개발은 페프 바이오 플라스틱의 핵심 원료를 안정적으로 확보할 수 있는 기반을 마련한 것”이라며, “신규 촉매기술을 바탕으로 다양한 바이오 플라스틱 원료를 만들 수 있는 기술을 개발해 국내 바이오 플라스틱 산업 활성화에 이바지하겠다”고 말했다.이 같은 연구성과는 촉매 분야 권위지인 ‘ACS Catalysis(IF:12.221)’ 1월호에 ‘글루코스를 프럭토스 결정으로 전환하는 고효율의 하이드로탈사이트·부탄올 촉매 시스템(Highly Efficient Hydrotalcite/1-Butanol Catalytic System for the Production of the High-Yield Fructose Crystal from Glucose’이라는 제목의 논문으로 게재됐다. 또한, 이번 연구는 한국화학연구원 주요사업과 한국연구재단의 해외 우수 신진 연구자 유치사업의 지원을 받아 수행됐다.한국화학연구원 황동원·황영규(UST-화학연 스쿨 교원) 박사팀은 이 기술을 촉매 분야 권위지 ‘ACS Catalysis(미국 화학회 촉매)’에 발표했다. 미국 화학회는 연구의 중요성을 감안해 표지논문으로 선정했다. 
취재부 2020-03-02
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스크래치·주름 발생 줄인 폴더블 디스플레이 나온다

- 생기원, 플렉시블 하드코팅 신소재 기반의 커버 윈도우 제조기술 독자 개발- 화면 평면부는 유리처럼 단단, 이음부는 플라스틱처럼 유연한 복합구조 형태한국생산기술연구원(원장 직무대행 이상목, 이하 생기원)이 폴더블 디스플레이에 적용할 수 있는 플렉시블 하드코팅 신소재를 독자 개발하고 이를 활용해 복합구조 형태의 커버 윈도우를 제조하는 데 성공했다. 스마트폰 등 각종 IT기기의 디스플레이 겉면에는 대부분 유리 소재로 만든 ‘커버 윈도우(Cover Window)’가 부착되어 있다. 커버 윈도우는 외부 충격이나 오염, 지문 등으로부터 디스플레이 기판을 보호해주는 핵심부품으로, 디스플레이 제작 공정에서 필수적으로 부착된다. 특히 터치 기능이 많이 쓰이는 IT기기의 경우 스크래치에 강하면서도 표면이 매끄러운 강화유리가 주로 활용돼왔다.반면 폴더블 폰은 기존 유리 소재 대신 유연성이 뛰어나 접고 펼칠 수 있는 플라스틱 소재인 ‘투명 폴리이미드(Colorless Polyimide, 이하 CPI)’를 적용하고 있다. CPI로 만든 커버 윈도우는 빛 투과율이 높고 깨지지 않으며 수십만 번을 접어도 견딜 수 있을 만큼 내구성이 강하다. 그러나 유리 소재보다 스크래치에 취약하고 접거나 펼칠 때 이음새 역할을 하는 힌지(Hinge) 부분에서 주름 등의 변형이 발생할 가능성이 높다.이 같은 단점으로 인해 IT 업계에서는 접을 수 있는 초박막 강화유리인 UTG(Ultra Thin Glass) 개발을 추진하고 있지만, 유리 두께를 얇게 만드는 기술이 부족하고 수율도 낮아 양산에 어려움을 겪고 있다.정용철 박사 연구팀이 독자 개발한 커버 윈도우 시제품생기원 마이크로나노공정그룹 정용철 박사 연구팀은 이러한 소재별 단점을 보완하기 위해 2015년 연구에 착수, 5년간의 노력 끝에 유리 수준의 경도와 플라스틱 수준의 유연성을 동시에 구현할 수 있는 플렉시블 하드코팅 신소재를 개발했다. 개발된 신소재는 성형 가공이 자유로운 유리 소재의 일종으로, 세라믹에 가까운 실리케이트(SiO2)와 실리콘 오일(SiO) 간 중간 수준의 물성을 지니도록 인위적으로 형성시킨 나노구조체이다.규소(Si)와 산소(O) 간 연결 구조 및 비율을 조절함으로써 세라믹, 고무, 오일 등 단단한 것부터 부드러운 것까지 원하는 물성을 쉽게 만들어낼 수 있으며, 특히 경도와 유연성처럼 서로 상충되는 물성도 하나의 시트 위에 구현 가능하다.연구팀은 이 신소재의 물성 조절을 통해 세계 최초로 폴더블 폰의 양쪽 평면부는 단단하지만, 힌지 부위는 유연하게 만든 복합구조(Rigid-Soft-Rigid, RSR) 형태의 커버 윈도우를 제작하는 데 성공했다.제작된 커버 윈도우의 경도는 강화유리에 가까운 9H* 수준으로 높아 자동차 열쇠로 강하게 여러 번 긁어도 스크래치가 발생하지 않는다.* 하드코팅 경도(Hardness)의 단위. 숫자가 클수록 경도가 높다.또한, 곡률반경* 1R 범위까지 휘어도 깨지지 않아 CPI 소재에 상응하는 유연성을 지녔고, 20만 회가량의 반복 사용에도 내구성이 유지된다.* 휘어진 곡선을 이루는 원의 반지름을 뜻하며, 값이 작을수록 많이 휘어진다.아울러 폴더블 방식 중 화면을 안쪽으로 접는 인폴딩(In-Folding)과 바깥으로 접는 아웃폴딩(Out-Folding) 모두 적용 가능해 활용도 역시 높다.이밖에 연구팀은 자체 제작한 슬롯 코터(Slot-Coater) 장비를 활용해 커버 윈도우 연속 제작에도 성공함으로써 롤투롤(Roll-to-roll) 공정 기반의 양산 가능성을 검증해냈다. 생기원 마이크로나노공정그룹 정용철 박사가 실험실에서 자체 제작한 커버 윈도우의 투명도를 확인하고 있다정용철 박사는 “플렉시블 신소재는 폴더블 폰 외에도 이차전지 분리막, 광학 모듈 코팅, 자동차 곡면 폼 성형, 건축·가구 분야 등 활용범위가 광범위할 것으로 예상된다”고 밝히며, “커버 윈도우 제조기술의 경우 완성도가 높아 조기 상용화가 기대된다”고 말했다. 이번 연구는 산업통상자원부와 패널 및 소재·장비 업체가 디스플레이 산업의 원천기술 확보를 위해 공동 투자해 발족한 ‘KDRC(KOREA Display Research Consortium) 사업단’의 지원을 받아 추진됐다.연구팀은 2019년 8월 국내 특허 출원 6건과 등록 3건을 완료하는 데 이어 9월에는 미국에 특허를 출원했으며, 이번 성과는 2020년 1월 미국의 세계적 출판사 ‘존 와일리 앤 선즈(John & Wiley Sons)’가 발행하는 재료 분야의 SCI 학술지 ‘Journal of Applied Polymer Science’ 온라인판에 게재됐다. 한편, 시장조사업체 카운터포인트리서치는 폴더블 폰 판매량이 2019년 40만대에서 2023년 3,680만대까지 급증할 것으로 전망했다.관련문의: 한국생산기술연구원 마이크로나노공정그룹 정용철 박사(031-8040-6197 / ycjeong@kitech.re.kr)한국생산기술연구원 홍보지원실 이한영글 행정원(041-589-8039 / left0723@kitech.re.kr)
취재부 2020-02-13
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‘이산화탄소’ 잡는 고수명·고효율 ‘배터리’ 나왔다

- UNIST 강석주·곽상규·안광진 교수팀, ‘리튬-이산화탄소 전지’ 개발- 용융염 전해질·전이금속 촉매로 성능 높여… Nature Comm. 논문 게재공기 중 이산화탄소를 흡수해 전기를 저장하는 ‘리튬-이산화탄소 전지’의 수명과 성능을 개선한 기술이 나왔다. 지구 온난화 주범인 이산화탄소를 포집하는 친환경 고효율 배터리로 상용화 가능성을 높였다.UNIST(총장 이용훈) 에너지 및 화학공학부의 강석주·곽상규·안광진 교수 공동연구팀은 리튬-이산화탄소 전지(Lithium-carbon dioxide Battery)의 전해질을 기존과 달리해 성능을 크게 높였다. 전해질로는 용융염(molten salt)을 쓰고, 추가적으로 루테늄(Ru) 촉매를 도입해 공장 굴뚝과 같이 뜨겁고 이산화탄소 농도가 높은 환경에서 효과적으로 이산화탄소를 잡아낼 수 있다.리튬-이산화탄소 전지는 리튬(Li)을 음극재로, 이산화탄소(CO₂)를 양극재로 사용하는 이차전지다. 리튬 이온이 전해질을 통해 음극재와 양극재 사이를 오가면서 전지의 충전과 방전이 일어난다. 특히 전지에 전류가 흐르면서 전기를 사용하는 방전 때, 이산화탄소를 사용하는 반응이 일어나기 때문에 공기 중에 있는 이산화탄소를 포집할 수 있다.하지만 전지의 작동과정에서 탄산리튬(Li₂CO₃)이 생기고, 부반응으로 인해 과전압이 높아지기 때문에 전지의 수명과 성능이 떨어지는 문제가 있다. 과전압은 전극에 가해지는 이론값 이상의 전압에 의해 발생하며, 전극에 과부하를 주어 전지의 수명을 줄인다. 또 과전압은 전지가 작동하는 전류밀도를 제한해 이산화탄소를 잡아들이는 효율을 떨어뜨린다. 이산화탄소를 포집하는 반응은 방전 시에 일어나기 때문에 이산화탄소를 잡는 효율을 높이려면 높은 전류밀도에서 전지가 작동해야 한다.* 과전압: 평형 전압(전류가 흐르지 않을 때 음극과 양극의 전기적 위치 에너지 차이로 발생하는 전압)과 특정 전류밀도에서 발생하는 전압과의 차이. 충전 시에 더 큰 전압이 요구될 때, 그리고 방전 시에 더 낮은 전압이 발생할 때 평형 전압과의 차이를 의미한다. 과전압이 낮을수록 충전이나 방전 때 전지 성능이 우수하다.* 전류밀도: 단위면적당 흐르는 전류의 양. 전극에서 일어나는 반응속도에 비례한다.[그림 1] 5성분계 용융염 전해질과 루테늄을 이용한 리튬-이산화탄소 전지의 전기화학적 성능 향상 일반 전해질을 사용했을 경우 대비 질산염과 루테늄 촉매를 사용했을 경우 전력밀도가 13배 정도 향상됐다. 그래프의 왼쪽에 표시된 값으로 각각 회색, 파란색, 주황색 선으로 표시돼 있다. 또 동일 전류에서 방전 과전압이 감소함을 확인할 수 있다. 그래프의 오른쪽에 표시된 값으로 검정색 선으로 표시돼 있다.이를 해결하기 위해 공동연구팀은 기존 전해질 대신 질산염으로 구성된 고체를 전해질로 사용하고, 양극 표면에 루테늄 나노 입자를 촉매로 붙였다. 고체질산염은 100°C 이상 고온에서 녹아 전해질로 작용하며 충·방전 시 반응에서 부반응 줄여, 과전압을 낮출 수 있다.루테늄 촉매 또한 추가로 과전압을 낮추고, 전류밀도가 높은 상태에서도 전지가 작동하도록 도왔다. 그 결과 단위 부피당 출력을 나타내는 ‘전력밀도(power density)’도 기존 전해질에 비해 13배나 향상됐다* 전력밀도: P(전력 밀도)= {i(전류) × V(평형 전압 – 과전압)} ÷ 전지의 두께 (L)로, 전력밀도가 높을수록 작은 부피로 높은 출력을 낼 수 있다.[ 그림 2] 용융염과 루테늄 나노 입자를 이용한 ‘리튬-이산화탄소 전지’의 전기화학적 성능 A) 줄 가열을 이용해 탄소 환원 전극에 루테늄 나노 입자를 첨가하는 합성과정 모식도, B) 150°C의 구동 온도에서 0-20.0 A g-1 전류밀도 범위에서의 비용량(specific capacity)에 따른 루테늄 나노 입자가 첨가된 리튬-이산화탄소 전지의 충전·방전 시 전압 변화. ㄷ자 모양 그래프에서 동일한 색상의 위아래 선의 차이가 작을수록 과전압이 낮다, C) 루테늄 나노 입자가 첨가된 전지의 전류밀도에 따른 전력밀도(주황색 선) 및 전압(검정색 선) 변화. 고전류밀도에서 과전압이 감소해 높은 전력 밀도를 얻을 수 있다, D) 구동 온도에 따라 기존의 리튬-이산화탄소 전지의 전력밀도(회색 막대)와 본 연구의 리튬-이산화탄소 전지의 전력밀도를 비교한 그래프. 파란색 막대는 용융염 전해질만 사용한 그래프이고, 주황색 막대는 루테늄 촉매도 함께 사용한 결과다. 기존의 리튬-이산화탄소 전지의 전력 밀도에 비해 용융염 전해질과 루테늄 촉매를 함께 사용했을 때 전력 밀도가 월등히 증가했다.곽상규 교수는 “배터리가 전기를 쓰는 방전 시에는 루테늄 촉매가 불안정한 이산화탄소 음이온의 전자를 공유함으로써 반응에 필요한 에너지 장벽인 과전압이 낮아지고 전류밀도와 전력밀도가 향상됐다”고 반응 원리를 설명했다.[그림 3] 충전 시 탄산리튬이 분해되는 반응 메커니즘 A) 100°C에서 이산화탄소와 질산염 이온이 형성되는 탄산리튬 분해 반응 메커니즘에 대해 각 과정의 상대적인 에너지를 보여주는 그래프, B) 150°C에서 발생할 수 있는 3가지 탄산리튬 분해 반응 메커니즘에 대해 각 과정의 상대적인 에너지를 보여주는 그래프, C) 3가지 분해 메커니즘에서 각각 어떠한 경로를 통해 탄산리튬이 분해되는지 보여주는 시뮬레이션 결과강석주 교수는 “이번 연구를 통해 고(高)전류밀도에서 구동 가능한 리튬-이산화탄소 전지가 최초로 개발됐다”며, “전지의 전력밀도가 대폭 증가해, 고성능 차세대 충전지 시스템과 이산화탄소 포집 장치로서 리튬-이산화탄소 전지를 상용화하는 일에도 한 걸음 더 다가섰다”고 강조했다.이번 연구는 세계적으로 저명한 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 1월 23일 자로 공개됐다. 본 연구는 산업통상자원부·한국에너지기술평가원의 에너지인력양성사업과 과학기술정보통신부·한국연구재단의 C1 가스리파이너리 사업의 지원으로 수행됐다.논문명: Synergistic effect of quinary molten salts and ruthenium catalyst for high-power-density lithium-carbon dioxide cell자료문의:대외협력팀: 장준용 팀장, 양윤정 팀원 (052) 217-1228에너지 및 화학공학부: 강석주 교수 (052) 217-3021 / 곽상규 교수 (052) 217-2541
편집부 2020-02-13
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3D 프린팅 산업 동향 및 플라스틱 소재의 활용과 발전 방향

자료제공: 소재종합솔루션센터(www.matcenter.org), 화학소재정보은행(www.cmib.org) 지식정보 심층보고서
편집부 2020-02-09
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우리 생활에 없어서는 안될 유용한 플라스틱 제품을 만드는 사출성형기 이야기 19

자료제공: LS엠트론 기술교육아카데미 (http://lsmtronacademy.com)
편집부 2020-02-09
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생명연, 바이오플라스틱 소재의 친환경 대량생산 해법 찾았다

- 식물유로부터 바이오플라스틱 소재(세바식산) 대량생산 미생물 화학공정 개발 - 기존의 환경오염유발 화학공정을 친환경 저공해 생물공정으로 대체 기대 순수 국내 연구진이 플라스틱 및 다양한 화학제품 원료 소재인 세바식산(sebacic acid)을 식물유 원료로부터 생물학적으로 대량 생산하는 기술을 개발하였다. 이 기술을 활용한 세바식산 생산량은 세계 최고 수준이며, 향후 산업적으로 활용되어 바이오플라스틱 소재 산업 성장에 큰 기여를 할 것으로 기대된다. 한국생명공학연구원(원장 김장성, 이하 생명연) 바이오상용화지원센터 안정오 박사팀(교신저자: 안정오/이홍원 박사, 제1저자: 전우영 박사)이 수행한 이번 연구는 산업통상자원부에서 추진하는 산업핵심기술개발사업의 지원으로 수행되었고, 영국왕립화학회에서 발간하는 세계적 학술지 ‘그린케미스트리지(Green Chemistry, IF 9.405)’에 12월 7일에 게재되었다.* 논문명: Microbial production of sebacic acid from a renewable source: production, purification, and polymerization 세바식산(HOOC-(CH2)8-COOH)은 가소제, 윤활제, 화장품 및 플라스틱의 생산을 포함하여 다양한 산업에 응용되는 물질이다. 현재 피마자유(castor oil)를 고온의 열분해(pyrolysis) 공정을 통해, 세바식산이 생산되고 있다. 하지만, 이러한 화학공정은 고온의 합성공정을 수반하며 이러한 과정에서 상당한 양의 황산을 소비한다. 이 과정에서 심각한 환경 오염을 일으킬 수 있는 황산나트륨을 함유한 폐수를 방출하는 등의 문제점이 존재한다. 이에, 세바식산의 주요 생산국가인 중국은 세바식산 생산공장에 관한 환경법령을 적용하여 공장가동 일을 줄이고 있어, 대체 생산기술개발이 요구되고 있는 상황이다. 연구팀은 기존의 고온·고압의 화학공정을 통한 세바식산 생산을 대체할 수 있는 친환경의 미생물 화학공정*을 개발하고, 생산된 세바식산을 고순도로 분리·정제하는 공정을 개발하였다. 또한, 폴리아마이드 중합공정**을 통해 고성능 바이오 나일론 610(nylon 610)***을 성공적으로 합성하였다. * 미생물 화학공정: 미생물 공정은 화학공정에 비해 친환경적인 공정, 무한히 재생 가능한 생 촉매 사용과 같은 여러 장점을 가지고 있음** 폴리아마이드 중합공정: 고온에서 물(H2O)을 제거하면서 카르복실기(-COOH)와 아민기(-NH2) 간의 아마이드 결합(-COHN-)을 생성하는 반응*** Nylon 610: 세바식산과 헥사메틸렌디아민(Hexamethylenediamine)과의 중합공정을 통해 생산되는 나일론으로 전기 절연체, 정밀부품, 필라멘트 등에 활용된다. 연구팀은 미생물 균주(효모 캔디다 트로피칼리스) 유전자 조작을 통하여, ω-산화 반응*에 관여하는 유전자들을 증폭시킴으로써 식물 유래의 지방산 원료로부터의 세바식산 생산 능력을 향상시켰다. 또한, 배양 공정에 관여하는 온도, pH, 용존산소량, 원료의 투입 속도 등의 조건들을 최적화하여 세바식산을 세계 최고 수준으로 생산(98.3 g/L의 농도와 98%의 생산 수율)하였다.* ω-산화 반응: 알칸이나 지방산의 ω-위치 탄소를 산화시켜서 알콜기 알데히드기를 거쳐 카르복실기로 전환시켜 주는 반응연구팀은 실험실 규모에서 구축한 세바식산 생산 공정을 파일롯 규모(50L 배양기)에서도 성공적으로 재현함으로써 본 연구결과의 산업적 적용 가능성을 확인하였다.또한, 본 연구팀은 국내 기업인 애경유화㈜, ㈜롯데케미칼, 스몰랩과의 산·연 협동 연구를 통하여, 바이오 공정을 통하여 생산된 세바식산을 고순도로 분리 및 정제하였으며, 중합공정을 통해 바이오 나일론 610(nylon 610)을 성공적으로 합성하였다.연구 책임자인 안정오 박사는 “동 연구성과는 재생 가능한 바이오 자원 유래의 세바식산 생산 공정을 통해, 기존의 화학적 생산방법을 대체 가능하다는 것을 보여준 것”이라며, “또한 국내 기업들과의 협업을 통해 세바식산을 나일론 610으로 성공적으로 합성한 것은 산·연 간 공동 연구가 국내 바이오 산업화기술 경쟁력 강화로 이어지는 좋은 사례가 될 것으로 기대한다”고 밝혔다. 
이용우 2020-02-09