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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
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우리 생활에 없어서는 안될 유용한 플라스틱 제품을 만드는 사출성형기 이야기 17

자료제공: LS엠트론 기술교육아카데미 (http://lsmtronacademy.com)
취재부 2019-12-08
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고분자 발포기술 동향 2

자료제공: 소재종합솔루션센터(www.matcenter.org), 화학소재정보은행(www.cmib.org) 지식정보 심층보고서
취재부 2019-12-08
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우리 생활에 없어서는 안될 유용한 플라스틱 제품을 만드는 사출성형기 이야기 16

자료제공: LS엠트론 기술교육아카데미  (http://lsmtronacademy.com)
편집부 2019-11-10
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고분자 발포기술 동향 1

자료제공: 소재종합솔루션센터(www.matcenter.org), 화학소재정보은행(www.cmib.org) 지식정보 심층보고서
편집부 2019-11-10
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‘링링’ 이어 '타파'… 연이은 태풍 등 급격한 기후변화로 해안침식 문제 심각, 친환경 솔루션에서 해

-  급격한 기후변화로 발생하는 이상기후 현상이 세계 곳곳에서 해수면 상승 및 해안침식을 가속하며    삶의 터전까지 위협-  해안침식 방지는 물론, 건강한 해양 생태계 형성을 돕는 등 다양하고 혁신적인    친환경 해안 보호 솔루션들이 지속 가능한 대안으로 주목받아 최근 제13호 태풍 ‘링링’에 이어 많은 비와 강한 바람을 동반한 제17호 태풍 ‘타파’까지 연이은 태풍의 위력으로 인근 시설물 파손은 물론, 농작물 및 수십 명의 인명 피해 등이 발생했다. 지난 10년 사이 더욱 심해진 이상기후 현상은 해수면의 급격한 상승 및 해안침식의 가속화를 야기하며 해안가 삶의 터전까지 심각하게 위협하고 있는 실정이다.현재까지는 이와 같은 해안침식을 방지하기 위해서 콘크리트 방파제를 활용하는 등 해안의 모래 퇴적을 유도하는 방식이 많이 사용되어 왔다. 그러나 기존 방식들이 효과성, 안전성 및 지속성 차원에서 문제 제기를 받을 뿐만 아니라, 환경보호에 대한 사회적 의식을 충분히 반영하지 못해 이를 보완할 대안 중 하나로 다양한 국내외 친환경 해안 보호 솔루션이 주목 받고 있다. 폴리우레탄 기반 친환경 해안 보호 솔루션 – 바스프의 엘라스코스트(Elastocoast®) 해안 및 하천 주변 자연 제방의 침식을 막기 위한 구조물에 사용되는 글로벌 화학기업 바스프의 엘라스토코스트는 특수 개발된 폴리우레탄 접착제로 일반 골재와 혼합되어 해안에 적용되어 지속 가능한 해안 보호가 가능하다. 기존의 콘크리트 혹은 타르로 포장된 해안선에 비해 상대적으로 적은 양의 바인더를 사용하면서도 골재 사이에 많은 공극을 가진 거친 표면에서 비롯된 우수한 투과성과 다공성을 기반으로 파도의 충격 에너지를 효과적으로 흡수해 파도가 높아도 구조물이 보다 안정적이고 유연하게 견딜 수 있도록 도와준다. 뿐만 아니라 엘라스토코스트는 식물성 원료를 사용하여 친환경성을 극대화했으며, 어떠한 유해물질 방출도 없어 해양 생태계에 영향을 미치지 않아 동식물이 안정적으로 서식할 수 있는 환경을 제공한다. 인체에도 해가 없어 음용수 시설물에도 적용 가능하다는 인증서를 획득하여 환경친화적인 솔루션으로 자리 잡고 있다. 이 같은 환경적 및 경제적 혜택을 제공하는 엘라스토코스트는 세계 곳곳을 비롯하여 국내 해안가에도 여럿 적용되어 있다. 가장 최근에는 다도해 해상국립공원 내 관매도 해안선을 따라 지난 2012년에 이어 추가 적용되어 국내 해안선을 보호, 주변 소나무 숲과 생태계 재서식에 기여하고 있다. 인공 백사장 조성을 활용한 해안 보호 솔루션 – 샌드 모터(sand motor)샌드 모터(sand motor)는 기존 해변가 앞쪽으로 바다 한가운데 인공 백사장을 추가로 조성하여 바람과 파도를 ‘모터’ 삼아 인공 백사장의 모래가 기존 백사장 쪽으로 이동하면서 퇴적되어 기존 해안을 두텁게 만드는 작업으로 해안 보호 및 생태계 형성에 도움을 준다. 2011년 네덜란드의 국책연구기관 델타레스(Deltares)는 해안침식의 대안책으로 ‘Zandmotor’ 라는 명칭 아래 이와 같은 대규모 프로젝트를 처음 시도, 이로 부터 7년 후, 두 백사장은 점차 하나로 합쳐지는 모양을 띠고 있으며 새롭게 조성된 해안의 두께는 기존보다 절반 이상 늘어나 침식 위험에 대응할 수 있을 것이라고 예측되고 있다.이와 같은 샌드 모터는 기존에 모래를 붓는 방식보다 경제적이고 친환경적이다. 초기에 투입되는 모래량도 많고 비용도 많이 들지만, 매년 모래를 붓지 않아도 되고 한 번에 대량으로 모래를 부어 비용 등이 더 저렴할 수 있다는 논리다. 또한, 파도와 바람 등 자연의 힘으로 해안 퇴적을 유도하는 방식인 만큼 새로 생긴 퇴적층 생물들도 기존 식생에 맞게 자랄 수 있는 것으로 보고 있다. 네덜란드에서의 성공을 기반으로 지난 2017년, 영국 노퍽(Norfolk)에서도 대규모 샌드 모터 프로젝트를 진행, 향후 약 15~20년간 해안을 보호해줄 것으 로 예측하고 있다.인공 산호초 설치를 통한 친환경 해안 보호 솔루션 – 코랄 셀(Coral Cell)해변에 직접 적용하는 방안들과 더불어 애초에 바다로부터 오는 파도의 위력을 감소하기 위해 해안에서 떨어진 바닷속에 설치하는 솔루션도 있으며, 이 중 인공 산호초 설치가 친환경성으로 많은 주목을 받고 있다. 실제 호주 골드코스트(Gold Coast)가 해안침식의 위험이 가속화되며 삶의 터전과 공공시설이 위협받는 가운데, 골드코스트 시의 주최로 지난 4월부터 해안 보호를 위한 인공 산호초 구축 프로젝트가 시작되었다. 대형 암석 바위 8톤으로 만들어질 인공 산호초는 주변 파도와 조류에 영향을 미쳐 모래의 이동을 지연시켜 침식의 위험이 가장 심각한 부분에 모래를 보충할 수 있게 만든다.한국에서 역시 이와 같은 솔루션을 눈여겨보고 있다. 해양스타트업 ㈜한오션은 산호초 군락이 있는 해수욕장의 모래가 늘어나고, 심지어 산호초 근처에 섬이 생기는 것에 착안해 인공 산호초를 개발하고 모의실험을 진행, 부산대와 함께 인공 산호초 ‘코랄 셀(Coral Cell)’ 3차원 옥외 실험과 수조 정밀 실험을 동시에 진행해왔다. 친환경 재료로 만들어진 코랄 셀은 수질 오염 요소가 없으며, 1년이 넘게 진행된 실험 결과, 코랄 셀을 설치하면 유실되는 모래의 75%를 막을 수 있는 것으로 나타나 해안침식 방지에 대한 효과성이 입증되었다. 또한, 바다 바닥에 인공블록 설치 후 로프로 묶어 위에 얹는 간단한 설치 방식을 갖고 있어 파손 시 일부분만 교체할 수 있어 유지 관리가 쉽다는 장점을 갖고 있다.   
관리자 2019-11-01
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한국화학연구원, 日 독점 ‘바이오 폴리카보네이트’ 국산화 시동

- 환경호르몬 유발 물질 포함 ‘석유 폴리카보네이트’ 대체 가능- 英 왕립화학회 ‘그린케미스트리’ 10월 표지논문·2019년 주목할 논문 선정국내 연구진이 일본이 독점하고 있는 ‘바이오 폴리카보네이트’를 개발하고, 국산화에 시동을 걸었다. 바이오 폴리카보네이트는 환경호르몬 유발 물질인 비스페놀A(BPA)가 포함된 폴리카보네이트를 대체할 수 있는 친환경 바이오 플라스틱이다. 현재 상용화에 성공한 건 일본의 미쓰비시케미컬이 유일하다. 이번에 개발된 바이오 폴리카보네이트는 투명도와 강도 등에서 우수하여, 자동차 선루프와 고속도로 투명 방음시설 등 유리 대체용 플라스틱 및 가정용 생활용품 등에 쓰일 수 있을 것으로 기대된다. 이번 성과는 그 우수성을 인정받아 영국 왕립화학회의 ‘그린케미스트리(IF:9.405)’ 10월호 표지논문과 2019년 주목할 논문(Hot Article)에 동시에 선정됐다.한국화학연구원 울산 바이오화학연구센터 박제영·오동엽· 황성연 박사는 식물성 성분인 아이소소바이드*와 나노 셀룰 로오스를 이용해 바이오 폴리카보네이트를 개발했다.* 아이소소바이드(isosorbide): 글루코스(포도당)에서 유래한 화합물로 친환경 물질이다. 글루코스를 수소화하면 소르비톨(sorbitol)이 되며, 이 소르비톨을 탈수화한 게 아이소소바이드 이다.바이오 폴리카보네이트는 인체에 유해한 BPA가 포함된 폴리카보네이트의 대안으로 주목받았다. 하지만 식물에서 추출한 원료로 만들다 보니 시장성과 고기능성 플라스틱의 특성(투명성·고강도·내충격성)을 모두 만족하기 어려웠다. BPA는 내분비계 교란과 대사 장애 등을 일으키는 환경호르몬으로, 국내에서는 젖병과 화장품 원료로 사용이 금지되어 있다. BPA는 대부분 폴리카보네이트에 쓰이며, 영수증 용지와 식품캔 코팅 소재 등에도 사용된다. 이러한 상황에서 한국화학연구원 연구진이 아이소소바이드에 보강재 역할을 하는 나노 셀룰로오스를 섞어, 석유 폴리카보네이트보다 뛰어난 바이오 폴리카보네이트를 만드는 데성공한 것이다. 연구진은 유사한 화합물끼리 서로 잘 섞이는 ‘like-dissolve-like’ 원리를 적용했다. 즉, 물에 잘 섞이는 ‘친수성’을 지닌 아이소소바이드와 나노 셀룰로오스를 섞은 것이다.우선, 나노 셀룰로오스를 아이소소바이드 액상에 미리 분산 시킨 후, 나노 복합체 플라스틱 중합 과정을 진행했다. 콘크리트의 철근처럼 보강재 역할을 하는 나노 셀룰로오스의 분산도를 극대화한 것이다.한국화학연구원 박제영 박사는 “바이오 플라스틱은 물성이 떨어지고 가격이 비싸다는 편견을 깨고 싶었다”면서, “식물성 원료 간의 시너지를 극대화해 석유 플라스틱보다 우수한 플라스틱을 개발했다”고 말했다. 그 결과 바이오 플라스틱의 한계점으로 지적됐던 강도와 투명도 등 플라스틱의 특성이 크게 개선됐다. 이번에 개 발된 바이오 폴리카보네이트의 인장강도(튼튼한 정도)는 93MPa(메가파스칼)을 기록했다. 현존하는 석유 및 바이오 폴리카보네이트를 통틀어 가장 높은 수치다. 석유 폴리카보네이트의 인장강도는 55~75MPa이며, 일본 미쓰비시케미컬 바이오 폴리카보네이트의 인장강도는 64~79MPa이다.또한, 플라스틱의 투명도를 나타내는 투과율도 93%*을 기록했다. 이는 매우 높은 수준으로 분산된 나노 셀룰로오스가 비결정성**을 증가시켰기 때문이다. 다시 말해, 투명도가 높아진 것이다. 보통의 나노 복합체는 불균일한 응집물에 의한 빛의 산란으로 투명도가 감소한다. 석유 폴리카보네이트의 투과율은 90%*** 수준이며, 바이오 폴리카보네이트의 투과율은 87%*이다.* 90마이크론 두께, 500나노미터 파장 투과도 기준 **비결정성: 원자들이 불규칙하게 배열되어 있는 것으로, 비결정성 플라스틱은 투명하다.*** 석유 폴리카보네이트 투과율은 바이오 폴리카보네이트 투과율과 동일한 실험조건에서 측정한 결과는 아니며, 상업용 제품의 평균적인 투과율로 간접적으로 비교한 수치이다.특히, 장기간 자외선에 노출되더라도 변색될 우려가 없다. 바이오 폴리카보네이트에는 석유 폴리카보네이트와 달리 벤젠고리가 없기 때문이다. 이에 따라 자동차 선루프 및 헤드램프, 고속도로 투명 방음 시설, 스마트폰과 같은 전자기기 외장재 등 산업용 소재로 사용될 수 있어 기존 폴리카보네이트를 대체할 수 있을 것으로 기대된다.이밖에도 쥐 모델을 이용한 염증 실험에서 독성이 낮은 것으로 확인되어, 의료용 소재로도 적용될 수 있다. 쥐 진피 세포에 고분자를 넣어 염증 유무를 실험한 결과, 독성 0~5 수치 중 1을 기록했다. 0에 가까울수록 독성이 낮다.이에 대해 한국화학연구원 오동엽 박사는 “쥐를 이용한 염증 실험에서 독성이 낮은 것으로 나왔다”면서, “영유아들이 입에 가져다 대도 안전해 장난감, 젖병, 유모차 소재뿐만 아니라 임플란트와 인공 뼈 소재로도 개발할 수 있다”고 설명했다. 현재 생산량 기준 석유 폴리카보네이트 시장규모는 연간 500만 톤 규모이며, 미쓰비시케 미컬의 연간 바이오 폴리카보네이트 생산능력은 2만 톤 수준이다. 아직 바이오 폴리카보네이트 시장이 걸음마 단계이지만, 이번 성과가 상용화로 이어지면 향후 바이오 플라스틱 시장을 선점하는 데 도움이 될 것으로 기대된다.이번 연구결과는 녹색화학 분야 최고권 위지인 영국 왕립화학회‘그린 케미스트리 (Green Chemistry, IF:9.405)’ 10월호에 ‘Preparation of synergistically reinforced transparent bio-polycarbonate nanocomposites with highly dispersed cellulose nanocrystals(고도로 분산된 셀룰로오스 나노결정을 이용하여 시너지화된 강화 투명 바이오 폴리카보네이트 나노복합체의 제조)’라는 제목으로 전면 표지논문에 게재됐다.한국화학연구원 황성연 바이오화학연구센터장은 “폐플라스틱 문제, 케모포비아 현상 등으로 플라스틱에 대한 불안감이 확산되고 있다”라면서, “하지만 플라스틱은 일상생활에 없어서는 안 되는 소재인바, 국민이 안심하고 쓸 수 있는 바이오 플라스틱을 국내 독자기술로 개발하겠다”고 말했다. 이번 연구는 산업통상자원부 바이오화학소재 공인인증센터 구축사업과 한국화학연구원 주요사업의 지원을 받아 수행됐다.
관리자 2019-11-01
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생기원, 플렉시블 투명전극, 전도성 고분자로 만든다

- 전도성 고분자에 레이저 조사하는 물리적 방식의 공정기술 개발- 대일의존도 70%인 기존 전극 소재, 국산 전도성 고분자로 대체 기대스마트폰 터치패널이나 각종 IT 기기의 디스플레이에는 빛 은 그대로 투과시키면서 전기를 잘 통하게 하는 투명전극이 들어간다. 박막 형태의 핵심부품인 이 투명전극의 소재는 인 듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide, 이하 ITO)이 가장 보편 적으로 쓰이는데, 전기 전도도가 높은 반면, 휘거나 굽혔을 때 쉽게 깨지는 단점이 있다. 최근 플렉시블 디스플레이에 대한 관심이 증가하면서, 깨지기 쉬운 ITO 전극의 단점을 극복할 수 있는 차세대 투명전극 개발 경쟁이 더욱 치열해지고 있는 추세이다.한국생산기술연구원(원장 이성일 www.kitech.re.kr 이하 생기원 )이 플렉시블 투명전극 소재로 각광받고 있는 전도성 고분자에 레이저를 조사하여 ITO 전극 수준만큼 전기 전도도를 높일 수 있는 공정기술을 개발했다. 전도성 고분자는 전기가 잘 통하는 플라스틱 소재의 일종으로, 형태 변화가 자유로운 고분자 특성상 압력을 가해도 깨지지 않아 플렉시블 디스플레이에 적합하다. 반면 ITO 대비 1,000분의 1 수준에 불과한 전기 전도도를 높이기 위해 유기용매, 계면활성제 등의 화학첨가제를 사용해 친환경 공정개발이 어렵고, 전도도 또한 ITO 수준에 못 미쳐 상용화에 걸림돌이 돼 왔다.생기원 나노·광융합기술그룹 윤창훈 박사 연구팀은 대표적 전도성 고분자인 ‘PEDOT:PSS’ 투명전극에 1,064㎚ 파장대의 적외선 레이저를 조사하면 전도도가 약 1,000배 가량 높아지는 물리적 현상을 발견하고 이를 공정에 적용했다. PEDOT:PSS 투명전극은 전도성이 있는 PEDOT을 PSS(Polystrene Sulfonate)가 전선 피복처럼 둘러싸고 있는 실뭉치 형태의 고분자 박막으로, 전도도를 높이기 위해서는 PSS를 최대한 녹여 PEDOT끼리 서로 연결되도록 해야 한다. 이 용액에 1,064㎚ 레이저를 쏠 경우 PEDOT이 열을 먼저 흡수해 온도가 올라가고, 이때 둘러싼 PSS가 전선 피복이 녹는 것처럼 녹으면서 PEDOT이 다량 노출되어 전도도가 높아지는 원리이다.이번 성과는 기존 화학적 방식에서 벗어나 레이저를 활용한 물리적 처리 방식으로 ITO 박막 수준의 전도도를 구현해낸 세계 최초의 사례이다. 특히 이미 상용화되어 있는 PEDOT:PSS 용액과1,064㎚ 파장대의 레이저 장비를 활용하는 후처리 공정이기 때문에 구현이 간편하고 전극 제작비용도 저렴하다. 아울러 PEDOT:PSS 용액은 국내 조달이 가능한 만큼 대일의존도가 70%에 달하는 ITO 소재를 대체할 수 있어 투명전극 분야의 소재 자립화가 기대된다. 또한, 전도성 고분자 용액을 기판에 바른 후 레이저를 조사할 때 패터닝 (Patterning) 작업까지 동시에 가능해 투명전극에 원하는 패턴을 새기면서도 쉽고 빠르게 제작할 수 있다. 윤창훈 박사는 “유기발광다이오드(OLED)에 레이저를 쏘면 발광도가 떨어지는 현상을 연구하던 중 유사물질인 전도성 고분자에 레이저를 조사했더니 예상과 달리 전기 저항이 떨어지는 현상을 발견하게 된 것이 계기”였다고 밝히며, “개발된 공정기술은 플렉시블 디스플레이뿐 아니라 사용자 맞춤형 웨어러블 기기, 폴더블 태양광 패널 제작 등에도 폭넓게 활용할 수 있다”고 설명했다.한편 이번 성과는 지난 9월 영국왕립화학회(Royal Society of chemistry, RSC)가 발행하는 재료 분야의 세계적 권위지 ‘머티리얼스 호라이즌스(Materials Horizons)’ 온라인판에 게재됐다.
관리자 2019-11-01