HANDLER

기술과 솔루션

news 기술과 솔루션

UNIST 김소연 교수팀, 고분자 나노복합소재 제조 시 용매에 의한 효과 규명

동일 재료 합쳐도 판이한 복합소재 ‘용매’에 답 있다!고분자 소재에 나노입자를 더하면 원하는 특성을 갖춘 복합재료를 만들 수 있다. 고분자로 이뤄진 플라스틱은 가볍지만 부서지기 쉬운데, 나노입자를 더해 강도를 높여서 ‘가벼우면서 단단한 플라스틱’을 만드는 식이다. 이런 특성들은 재료에서 비롯된다고 알려졌는데, ‘재료를 만드는 과정’도 한몫한다는 게 새로 밝혀졌다. UNIST(총장 직무대행 이재성) 에너지 및 화학공학부의 김소연 교수팀은 고분자와 나노입자를 혼합하는 ‘용액 혼합방식’에서 ‘용매’가 재료의 최종 구조와 물성에 중요하게 작용한다고 발표했다. 용액 혼합방식은 고분자와 나노입자를 용매에 녹여 혼합한 뒤 용매*를 증발시켜 복합재료를 얻는 기법인데, 어떤 용매를 사용하는지에 따라 최종 물질의 특성이 달라진다는 이야기다.* 용매(溶媒, solvent): 용액의 매체가 되어 용질(용매에 녹아드는 물질)을 녹이는 물질로, 주로 액체나 기체상을 띤다.고분자 나노복합체는 최근 주목받는 신소재다. 두 물질이 서로 맞댄 면, 즉 계면 특성에 따라 원하는 성질을 구현할 수 있기 때문이다. 따라서 기존에는 혼합하는 물질을 바꾸어가며 계면의 변화를 살펴보는 연구가 많이 진행됐다. 그러나 복합체를 만드는 과정이 계면에 어떤 영향을 주는지에 주목한 연구는 부족했다.김소연 교수팀은 계면에 영향을 주는 요소로 ‘용매’에 주목했다. 용매는 반응 후 제거되므로, 물질계가 반응 전후에 평형을 이루면 어떤 용매를 쓰든 같은 성질의 복합체가 만들어져야 한다. 그런데 실제로는 복합체를 만드는 복잡한 과정으로 인해 반응 전후에 평형을 이루지 못한다. 용매에 의한 ‘비평형 효과’가 나타나는 것이다.연구팀은 ‘똑같은 고분자와 나노입자’로 복합체를 만들면서 ‘서로 다른 용매’인 물과 에탄올을 이용해, 각 용매가 계면 두께에 미치는 효과를 규명했다. 측정결과 에탄올을 용매로 사용하였을 경우 나노 입자에 흡착되어 계면 층을 이루는 고분자의 비율이 약 2배 더 높게 나타났으며, 계면 층의 두께도 1㎚ 더 두꺼웠다.1㎚에 불과한 계면의 두께 차이는 전체 복합체의 물성에 영향을 주기에 충분했다. 충분한 양의 나노입자와 짧은 사슬 길이를 갖는 고분자를 이용해 에탄올 용매에서 복합체를 만든 경우, 물에서 만든 나노복합체보다 액체에 가까운 성질을 보였다.계면 층에 두껍게 붙은 고분자들의 서로 간 반발력(입체 반발력)에 의해서 전체 입자들이 골고루 퍼지는 현상이 생기기 때문이다. 물에서 제조된 복합체의 경우 전체 입자들이 퍼짐이 불규칙해 유리처럼 딱딱한 성질이 더 강했다. 하지만 고분자 사슬이 너무 길면 고분자 사슬 간 엉킴으로 인한 나노입자의 뭉침이 심해져 오히려 계면층 이 두꺼운 나노복합체가 더 단단해지는 현상이 나타났다.김소연 교수는 “똑같은 양의 동일 재료를 이용하더라도 초기 용매에 따라 판이한 상태의 고분자 나노복합체가 제작될 수 있다”며, “이번 발견은 고분자 나노 복합소재를 설계할 때 각 요소의 특성과 더불어 ‘비평형 효과’도 고려해야 함을 보여준다”고 설명했다.이 연구결과는 물리학 분야에서 세계적으로 저명한 학술지인 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’ 10월 17일 자에 게재됐다. 연구 수행은 UNIST-PAL 빔라인과 한국연구재단의 지원을 받아서 진행됐으며, 연구에는 UNIST 연구지원본부(UCRF) 신태주 교수도 참여했다.논문명: Initial Solvent-Driven Nonequilibrium Effect on Structure, Properties, and Dynamics of Polymer Nanocomposites

관리자 2020-01-02

생기원, 유리 기판에 RGB 방식의 OLED 증착해 1,867 PPI 해상도 구현

- 대일의존도 100%인 기존 파인메탈마스크(FMM) 없이 대면적 제작 가능 가상·증강현실(VR·AR) 기기의 디스플레이는 TV, 스마트폰보다 어둡고 선명도가 낮아 이용자 상당수가 장시간 몰입에 어려움을 겪는다.생생한 화질 구현을 위해서는 인간의 시력으로 단위 화소를 구분할 수 없을 만큼 화소의 집적도, 즉 PPI(Pixels Per Inch)를 높여야 하며, 디스플레이가 눈에 가까워질수록 그에 비례해 향상되어야 한다. 일반적으로 4K UHD TV가 100~200 PPI, 스마트폰이 500 PPI를 요구한다면, 눈에 밀착 착용하는 VR·AR 기기의 경우 최소 1,800 PPI를 충족해야 한다.이를 실현할 VR·AR 기기용 화소 소재로는 유기발광다이오드(이하 OLED)가 꼽히는데, 스스로 빛을 내는 특성으로 인해 화소 크기를 줄여도 광 효율에 영향이 적고 색상 표현도 뛰어나기 때문이다.한국생산기술연구원(원장 이성일, 이하 생기원)이 VR·AR 기기용 OLED 화소를 유리 기판 위에서 RGB 방식으로 제조할 수 있는 공정기술을 개발해 세계 최고 수준인 1,867 PPI 해상도를 구현하는 데 성공했다.OLED 화소는 기판 위에 유기물질을 일정 간격으로 증착시켜 제조하며, 크게 RGB 방식과 WOLED 방식으로 구분된다. 적·녹·청 유기물질을 순서대로 증착하는 RGB 방식은 백색 OLED에 컬러 필터를 적용하는 WOLED 방식보다 화소 집적도를 높이는 공정 개발이 어려우나, 밝기와 전력효율이 우수하다는 장점이 있다.한편, VR·AR 기기용 고해상도 디스플레이 기판 소재는 유리와 실리콘 웨이퍼로 나뉘는데, 유리 기판은 실리콘 웨이퍼 기판에 비해 고해상도 구현에 불리하지만, 생산단가가 낮아 대형 디스플레이 제작에 유리하다.마이크로나노공정그룹 조관현 박사 연구팀은 RGB 방식과 유리 기판 방식의 장점을 살려 VR·AR 기기용에 적합한 고해상도 OLED 디스플레이 제조공정을 독자기술로 개발해냈다.이번 원천 기술의 핵심은 OLED 용액을 13.6㎛ 간격으로 담을 수 있도록 여러 개의 마이크로 채널로 구성한 특수용기와 채널 속에만 용액이 달라붙게 만든 선택적 표면처리 기법, 그리고 빛을 흡수해 열로 전환해주는 ‘광열변환 층’에 있다.특수용기 위에 유리 기판을 놓은 다음, 그 아래에서 순간적으로 강한 빛을 내는 ‘제논 플래시램프(Xenon flash lamp)’를 작동하면 특수용기 속 광열변환 층이 300℃ 이상의 열로 OLED 용액을 빠르게 기화시켜 정해진 간격대로 기판에 증착시키는 원리다.개발된 기술의 가장 큰 장점은 대형화가 가능한 유리 기판에 VR·AR용 고해상도 OLED 디스플레이를 저렴하게 제작할 수 있다는 것이다. 이로 인해 대량 생산이 용이해지는 한편, 기기 이용자 입장에서는 화면 시야각이 넓어져 몰입감이 높아지고 VR·AR 대중화에 최대 걸림돌이었던 어지럼증도 해소된다.또한, 유기물질을 기판에 증착할 때 광열변환 층을 활용하기 때문에 기존 RGB 방식 증착 공정의 필수 소재인 ‘파인메탈마스크(Fine-Metal Mask 이하, FMM)’를 사용할 필요가 없다. 일본에서 100% 독점 생산하는 FMM은 미세한 구멍들이 촘촘히 뚫린 얇은 철판으로, 유기물이 기판 위 특정 위치에 증착할 수 있도록 도와주는 역할을 한다. 조관현 박사는 “기존에 수행했던 광열변환 연구 경험과 노하우를 살려 유리 기판에 RGB 방식의 OLED를 최적 조건으로 증착시킬 수 있었다”고 밝히며, “향후 수 ㎛ 크기의 소자를 만들 수 있는 미세전자기계시스템(MEMS) 공정을 활용해 2,000~3,000 PPI까지 해상도를 높일 계획”이라고 말했다.

이용우 2020-01-02

화학연, 이산화탄소를 휘발유로 직접 전환하는 ‘촉매기술’ 개발

- 계산과학 이용 직접전환 반응 메커니즘 규명… 촉매 최적화 성공- 온실가스감축 분야 권위지 『Journal of CO2 Utilization』 12월호 게재우리나라가 2030년까지 온실가스 배출 전망치 대비 37%를 감축해야 하는 가운데, 국내 연구진이 이산화탄소를 휘발유로 전환하는 촉매 제조기술을 개발했다.한국화학연구원 탄소자원화연구소 전기원·김석기 박사팀은 온실가스의 주범인 이산화탄소를 휘발유로 직접 전환하는 반응 메커니즘을 밝히고, 전환공정의 핵심인 촉매를 최적화하는 데 성공했다. 직접전환은 두 단계로 나눠진 간접전환을 단일한 공정으로 통합한 기술이다. 간접전환 반응이 800℃ 고온에서 진행되는 반면, 직접전환 반응은 300℃ 저온에서 진행돼 에너지를 적게 쓴다. 즉, 에너지 효율이 높은 것이다. 이처럼 직접전환의 에너지 효율이 높은데도, 그 반응 메커니즘이 베일에 가려져 있던 탓에 촉매의 성능을 최적화하는 데 한계가 있었다. 한국화학연구원 연구진은 계산과학을 이용해 직접전환 반응에 쓰이는 촉매의 성분별 역할을 규명하고, 이를 바탕으로 촉매의 성능을 최적화했다. 직접전환 반응에는 철 기반의 철·구리·칼륨 촉매가 쓰이는데, 구리와 칼륨의 역할을 밝혀낸 것이다. 연구진은 구리가 이산화탄소(CO2)를 CO와 O로 쪼개고 철 표면에 흡착된 산소를 제거하는 반응을 촉진하고, 칼륨이 일산화탄소(CO)끼리 연쇄적으로 붙어서 휘발유로 전환되는 반응을 도와준다는 것을 알아냈다. 또한, 직접전환 반응 공정에 칼륨을 첨가할 경우, 철과 구리의 합금 형성을 촉진해 안정성을 높인다는 사실도 실험을 통해 확인했다. 이를 통해 철 기반 촉매에 들어가는 구리와 칼륨의 적절한 양을 알아내고, 최적화된 촉매를 개발했다. 그 결과 20%의 안정적인 수율(이산화탄소의 휘발유 전환율)을 확보했다. 이에 대해 한국화학연구원 전기원 박사는 “간접전환 방식보다 효율적인 직접전환 공정 개발에 큰 도움을 줄 것”이라며, “이번에 개발된 원천기술을 바탕으로 파일럿 플랜트로 규모를 키우는 연구에 힘을 기울이겠다”고 말했다.또한, 직접전환 공정은 800℃ 고온에서 공정이 이뤄지는 간접전환과 비교해 300℃의 저온에서 반응이 진행되어, 전력공급이 안정적이지 못한 환경에서도 가동될 수 있다. 즉, 태양열과 풍력 등 재생에너지를 전환공정의 전력 공급원으로 사용할 수 있는 것이다.이에 대해 한국화학연구원 김석기 박사는 “재생에너지는 자연환경과 계절에 따라 출력량이 변동될 수 있는데, 이번에 개발된 직접전환 공정은 이러한 유동적인 환경에 적합하다”라면서, “최근 보급량이 증가하고 있는 신재생에너지의 저장수단으로도 활용할 수 있다”고 설명했다.한국화학연구원 연구진은 이 같은 내용을 온실가스저감 분야 최고 권위지인 『Journal of CO2 Utilization (IF: 5.189)』* 12월호에 게재했다. * 『Journal of CO2 Utilization』: 온실가스 저감 분야 저널로, 화학공학 분야 138개 저널 중 11위에 이름을 올렸다.또 이번 연구는 과학기술정보통신부의 기후변화대응기술개발사업의 일환인 차세대탄소자원화연구단의 지원을 받아 수행됐다.

이용우 2020-01-02

화학연, 바이오화학산업의 쌀 ‘바이오슈가’ 제조기술 개발

- 국내 최초로 시험용 공장서 ‘바이오슈가+고부가가치 부산물’ 생산 성공- 바이오플라스틱·식품첨가물·정밀화학제품 등 바이오화학 기초 원료로 사용한국화학연구원 미래융합화학연구본부 바이오화학연구센터 유주현 박사 연구진한국화학연구원 연구진이 파일럿 플랜트의 연속고압 반응기를 들여다보고 있다.국내에서 처음으로 바이오화학산업의 쌀 ‘바이오슈가’를 고부가가치 부산물과 함께 대량 생산할 수 있는 기술이 개발됐다. 한국화학연구원 바이오화학연구센터 유주현 박사팀은 바이오슈가와 고부가가치의 부산물을 시험용 공장(파일럿 플랜트)에서 생산하는 데 성공했다. 바이오슈가는 억새 등 식물 바이오매스로 만든 공업용 포도당으로, 바이오화학 제품의 기초 원료이다. 바이오연료, 바이오플라스틱, 바이오섬유, 바이오포장재뿐 아니라 식품, 식품첨가물, 정밀화학제품 등을 만드는 데 쓰인다. 이번에 개발된 기술은 화공약품 없이 물을 주로 사용하는 공정으로, 비용이 많이 드는 정제공정이 없고 폐기물이 발생하지 않는 데다, 고부가가치의 부산물도 얻을 수 있어 경제성이 높다. 현재 상용화에 성공한 기업은 미국의 아메리칸 프로세스와 영국의 코멧바이오 등 극소수에 불과한데, 한국화학연구원이 이들에 이어 시험용 생산에 성공하고, 상용화를 남겨 두고 있는 것이다. 이로써 최근 빠른 속도로 성장하는 바이오화학시장 선점을 위한 유리한 고지에 올라섰다.바이오슈가를 기초 원료로 하는 바이오화학산업 흐름도비식용 식물 바이오매스 원료 바이오슈가 제조공정 모식도바이오슈가 및 부산물 견본한국화학연구원 연구진은 억새풀과 팜 공과방(empty fruit bunch of oil palm) 등 식물 바이오매스로부터 바이오슈가와 고부가가치의 부산물을 생산하는 종합공정기술(KrictBiosugarⓇ Process)을 개발했다.우선, 억새풀을 잘게 부숴 곤죽을 만든 후 눌러서 짜낸다. 이 같은 습식분쇄 및 압착공정을 거쳐 첫 번째 부산물인 액상 비료와 생리활성물질을 얻는다. 이후 액체와 분리된 고체만 고온·고압에서 찌면 두 번째 부산물인 자일로스와 식이섬유를 얻을 수 있다. 이어 기계적 정쇄 및 효소 가수분해 공정을 통해 포도당을 추출하고 당용액을 분리한다. 이때 세 번째 부산물인 리그닌 함유물이 고체로 얻어진다. 끝으로 당용액을 에너지 절약형 공정으로 농축하면 바이오슈가(공업용 포도당)가 나온다. 이를 통해 1일 기준으로 바이오슈가 70㎏(포도당 기준)과 고부가가치 부산물(액상 비료 200L, 자일로스·식이섬유 200L, 리그닌 50㎏) 등 바이오화학제품 기초 원료를 생산할 수 있다. 단일 공정으로 바이오슈가 이외에도 다양한 고부가가치 부산물을 생산할 수 있어, 현재 상용화에 성공한 외국기업보다 경제성이 높다. 이에 비해 아메리칸 프로세스는 가축 사료용 펠릿 접착제, 코멧바이오는 기능성 식용당을 생산하고 있다.이와 같이 경제성이 높은 건 제조공정에서 공업용 화학물질을 거의 쓰지 않고 물만 사용하기 때문이다. 고온·고압 반응에 물만 사용하고 공정 조건을 조절하면 바이오매스의 화학적 변형은 거의 일어나지 않는다. 이에 따라 바이오매스를 성분별로 고부가가치의 부산물로 분리할 수 있다. 실제 부산물의 하나인 식이섬유는 중간제품 가격이 바이오슈가보다 50배 정도 높을 것으로 추정된다. 이에 반해 염산과 황산 등 화공 약품을 사용하여 바이오슈가를 제조하는 기술은 특수한 반응기 등 초기투자비가 많을 뿐만 아니라 독성물질 제거와 폐기물 처리에 비용이 많이 들게 된다.한국화학연구원 유주현 박사는 “화공 약품을 사용하여 바이오슈가를 만드는 공정은 또한 고부가가치 부산물이 거의 나오지 않아 수익성에 문제가 있을 수 있다”면서, “이에 비해 우리 기술은 고부가가치 부산물 생산이 가능하고 정제 비용이 들지 않아 상용화가 가능할 것으로 확신한다”고 설명했다.전 세계 바이오화학 제품 시장규모*는 2017년 기준 약 3,490억 달러이며, 2022년에는 화학산업의 22%, 2050년에는 절반을 차지할 것으로 전망되고 있다. 바이오슈가 시장은 바이오화학 시장의 10% 이상을 차지하게 될 것으로 예상된다.* 출처: 프로스트&설리번, 한국바이오경제연구센터 현재 한국화학연구원 연구진은 목질계 바이오매스로부터 바이오슈가를 제조하는 방법 등 27건의 등록 및 출원 특허를 보유하고 있다. 한편, 이번 연구는 산업통상자원부와 한국산업기술평가관리원, 울산광역시의 지원을 받아 수행됐다.

편집부 2019-12-14

기계연, 생분해성 키토산 성분으로 친환경 나노코팅에 성공

- 게 껍데기 키토산으로 자가 세정 반사방지 유리 제작- 생분해성 소재로 환경위험 줄이는 나노 공정 길 열려한국기계연구원(이하 기계연, 원장 박천홍)이 생분해성 키토산을 이용한 나노입자 코팅공정으로 자기 세정과 반사방지 기능을 갖는 유리를 만드는 데 성공했다. 생분해성 소재를 나노 공정에 사용한 첫 사례다. 최근 독성 문제가 불거지고 있는 미세플라스틱 폐기물 나노입자를 발생시키지 않고, 안전하게 활용할 수 있는 길이 열렸다.기계연 나노융합기계연구본부 나노자연모사연구실 임현의 실장과 박승철 박사 연구팀은 게 껍데기의 주성분인 키토산을 이용한 친환경 나노코팅 공정을 개발하고 관련 연구성과를 ACS Applied Materials & Interfaces(ACS 응용물질 및 계면) 지에 게재*했다. (10월 30일 자)* 논문명: Synthesis of Surface-Reinforced Biodegradable Chitosan Nanoparticles and Their Application in Nanostructured Antireflective and Self-Cleaning Surfaces게 껍데기를 이용한 친환경 나노 공정과 일반적인 고분자 나노입자를 사용하는 공정의 비교연구팀은 유리 표면에 자기 세정과 반사방지 기능을 갖는 나노 구조를 가공하기 위해 기존 나노 공정에 폴리스티렌 나노입자 대신 생분해성 키토산을 이용했다. 이번에 개발된 공정은 친환경 소재를 이용하여 기존의 나노 공정에서 발생하던 미세플라스틱 폐기물이 없다는 것이 가장 큰 장점이다.환경문제에 대한 관심이 커지면서 기존의 가공 공정을 친환경 공정으로 개선하기 위한 다양한 연구가 펼쳐지고 있지만, 생분해성 소재의 경우 물성이 취약해 가공 공정에 활용하기 어려웠다.실온 보관 시 시간의 변화에 따른 키토산 나노입자의 변화를 전자현미경으로 촬영한 사진, 특정 구조로 형성되어 있던 키토산 나노입자가 30일 후 분해된 것을 볼 수 있다.연구팀은 기존의 나노입자 코팅에 주로 사용되는 폴리스틸렌 대신 생분해성 소재인 키토산 성분을 나노 가공 공정에 사용할 수 있도록 나노입자로 만들고 표면처리 하여 물성을 강화시켰다.키토산 입자를 식품이나 약물 전달을 위해 활용한 사례는 있지만, 나노 공정에 활용한 것은 처음이다. 이번 연구성과는 고분자 나노입자가 활용되는 다양한 공정에 적용이 가능할 것으로 기대를 모은다.일반 유리와 키토산 성분으로 만든 나노입자를 가공한 자기 세정 유리의 물흐름을 비교한 실험장면. 왼쪽의 일반 유리는 유리의 접촉각이 23도로 물을 뿌렸을 때 물방울이 퍼져서 맺히지만, 오른쪽의 자기 세정 유리는 152도의 접촉각이 형성돼 물이 맺히지 않고 흘러 떨어진다.지금까지 표면에 나노 구조물을 만들기 위해 값싸고 구형으로 합성이 쉬운 폴리스티렌 고분자가 사용되어 왔다. 이 과정에서 다량의 플라스틱 나노입자가 포함된 용액이 버려져 환경에 영향을 줄 수 있다는 우려가 제기되어 왔다.교신저자인 임현의 박사와 1저자인 박승철 박사나노자연모사연구실 임현의 실장은 “이번 연구성과는 나노 플라스틱 입자의 사용을 줄이기 위하여 세계 최초의 친환경 나노 공정의 가능성을 제시한 데 의의가 있다”며, “향후 고분자 나노입자를 필요로 하는 다양한 공정에 활용될 것으로 기대된다”고 말했다.한편 이번 연구는 국가과학기술연구회 융합연구사업 ‘테플론 대체 고온 내구성 초발수 표면 설계 및 공정 기술 선행 연구’와 산업통상자원부 ‘도심형 건물용 태양광 모듈 개발을 위한 자가 세정 기능의 고부가가치 컬러유리 개발’과제의 지원을 받아 수행됐다.

편집부 2019-12-14

우리 생활에 없어서는 안될 유용한 플라스틱 제품을 만드는 사출성형기 이야기 17

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

취재부 2019-12-08

고분자 발포기술 동향 2

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

취재부 2019-12-08

우리 생활에 없어서는 안될 유용한 플라스틱 제품을 만드는 사출성형기 이야기 16

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

편집부 2019-11-10