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한국화학연구원, 대량의 황폐기물 활용법 찾았다… 황 신소재 개발 성공

- 신축성, 자가치유 등 다기능성 소재 개발… 웨어러블 전자소자․적외선 광학소재 응용 기대원유 정제과정에서 나오는 대량의 황폐기물이 환경문제로 떠오르고 있는 가운데, 국내 연구진이 황을 기반으로 한 신소재를 개발하는 데 성공했다.전 세계적으로 연간 황 생산량 6,800만 톤 중 5%(340만 톤)가량*이 폐기물로 축적되고 있으나, 마땅한 처리방법이 없는 상황이다. 국내의 경우 중국에 황폐기물을 수출하고 있지만, 중국의 정유산업 고도화로 인해 수출량이 줄어들 것으로 예상된다. * 자료출처: 유황의 유효 이용과 미래전망, CMC Research, 2014이에 전 세계 연구진이 황폐기물 활용 해법으로 황을 기반으로 하는 신소재 개발에 나섰지만, 물성이 떨어지는 탓에 번번이 상용화 문턱을 넘지 못했다.한국화학연구원 김용석 고기능 고분자연구센터장은 “향후 중국의 정유 산업 고도화로 황 수입이 급감하면 국내에 대량의 황 폐기물이 축적될 가능성이 있다”라면서, “석유화학 부산물인 황을 활용한 고부가가치 화학소재 개발이 시급하다”고 말했다. 이러한 가운데 한국화학연구원 김용석‧김동균 박사 연구팀이 황 기반의 다기능성 고분자 신소재를 개발했다. 한국화학연구원 연구진이 이번에 개발한 황 기반 소재 필름을 들여다보고 있다. (왼쪽부터 김용석 박사, 이지목 박사과정 학생연구원, 김동균 박사)이 신소재는 신축성이 뛰어나고, 스스로 원래 상태로 회복하는 자가치유 특성이 있는데 다, 적외선을 투과할 수 있어서 웨어러블 전자소자나 적외선 카메라 렌즈 등에 응용할 수 있을 것으로 기대된다. 이번에 개발한 신소재를 실험한 결과, 필름 형태의 소재 양 끝을 잡고 당길 때 길이가 늘어나는 비율인 연신율이 300%에 달하고, 신소재에 흠집을 내고 자외선을 조사한 지 5분이 지나자 자가 치유되는 것으로 확인됐다.또한, 한 번 사용한 황 고분자 소재를 버리지 않고 다시 쓸 수도 있다. 잘게 부서진 필름 형태의 소재를 고온에서 강한 압력으로 찍어내는 프레스 공정을 통해 원래 상태로 재활용할 수 있기 때문이다. 이에 대해 한국화학연구원 김동균 박사는 “이 같은 특성을 활용하면 웨어러블 전자소자나 적외선 광학 소재뿐만 아니라, 고부가가치 응용범위를 획기적으로 넓힐 수 있다”고 설명했다.황 신소재 합성 공정한국화학연구원 연구진은 황과 파라-디아이오도벤젠에 실리콘 오일을 첨가한 후 가열해 용융된 황과 파라-디아이오도벤젠을 얻었다. 이후 230℃에서 재가열한 후 질소가스를 흘려 넣어 효과적으로 요오드(I2)를 제거했다. 끝으로 처음에 첨가한 실리콘 오일을 제거하고, 황 고분자만 얻어냈다.한국화학연구원 연구진은 황에 파라-디아이오도벤젠을 첨가하는 방법으로 다기능성 황 기반 고분자 소재를 합성했다. 연구진은 황과 파라-디아이오도벤젠 용융중합(단위분자를 고온에서 녹여(용융) 중합(연결)하는 고분자 합성법) 시, 실리콘 오일을 소량 첨가해 황 함량을 조절했다. 이를 통해 황 고분자의 연신율(신축성)을 150~300%까지 조절하는 것은 물론이고, 자외선을 이용한 자가치유, 적외선 투과, 재가공 특성 등 다양한 기능을 가질 수 있게 됐다.황 신소재의 신축성·자가치유·재가공 특성 이번에 개발한 황 신소재의 끝을 잡아당겼더니 원래 길이의 3배까지 늘어났으며, 3분 이내 처음 형태로 회복됐다.(왼쪽/신축성 관련 실험)  황 신소재 표면에 흠집을 낸 후 자외선을 조사한 지 5분이 지나자 흠집이 사라졌다.(가운데/ 자가치유 실험) 잘게 잘린 황 신소재 필름을 고온 프레스 공정을 통해 원래 상태로 재가공했다.(오른쪽/ 재가공성 관련 실험)황 신소재 필름의 적외선 투과 특성손바닥에 황 신소재 필름(아래)과 폴리이미드 필름(위)을 올려놓고 적외선을 투과하는 실험을 했다. 그 결과 황 신소재 필름(아래)은 적외선이 투과되어 투명하게 보이며, 폴리이미드 필름(위)은 적외선이 투과되지 않아 붉게 보인다. 새로운 용융중합법으로 기존 황 기반 소재의 한계를 극복한 것이다. 지금까지 전 세계적으로 황을 활용한 신소재 개발 시도가 여러 차례 있었으나, 소재에 신축성이 없어 쉽게 부서지는 등 물성이 떨어지는 한계점이 뚜렷했다.이번 연구결과는 고분자 분야 국제학술지 ‘ACS 매크로 레터스(ACS Macro Letters)’ 8월호 표지논문*으로 게재됐다.* 논문명: Synthesis of Poly(phenylene polysulfide) Networks from Elemental Sulfur and p‑Diiodobenzene for Stretchable, Healable, and Reprocessable Infrared Optical Applications(원소 황과 파라-디아이오도벤젠으로부터 신축성, 자가치유 및 재가공 특성을 갖는 페닐렌 폴리설파이드 가교 고분자 합성 및 적외선 광학 응용) 또한, 이번 연구는 산업통산자원부의 산업핵심기술개발사업, 한국화학연구원 주요사업의 지원을 받아 수행됐다. ACS 매크로 레터스 8월호 표지논문 ○ 성명: 김 용 석 ○ 소속: 한국화학연구원 화학소재연구본부               고기능 고분자연구센터 ○ 전화: 042-860-7305 ○ 이메일: yongskim@krict.re.kr○ 성명: 김 동 균○ 소속: 한국화학연구원 화학소재연구본부              고기능 고분자연구센터○ 전화: 042-860-7297○ 이메일: dgkim@krict.re.kr
편집부 2019-09-16
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우리 생활에 없어서는 안될 유용한 플라스틱 제품을 만드는 사출성형기 이야기 14

자료제공: LS엠트론 기술교육아카데미 (http://lsmtronacademy.com)
편집부 2019-09-10
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가상공학을 활용한 복합소재 제품개발 방안 2

압축성형의 경우, 일반적으로 압축성형 공정에 사용되는 섬유 강화 충진재는 벌크 재료(Bulk charge)와 시트 재료(Sheet Charge)의 두 가지의 초기 포맷이 있다.
관리자 2019-09-10
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사출성형기의 정점에 선 ‘전동사출성형기’, LS Mtron에서 에너지 절감과 정밀도로 고객을 사로잡다!

사출성형기 발달과정의 마지막 정점에 위치해 있는 기종이라 할 수 있는 전동사출성형기는 최근 산업계에서 원가 절감과 제품 품질향상이라는 장점으로 구매가 꾸준히 증가하고 있다. 이에 LS Mtron injection & molding machine division에서는 보다 높은 청결도 및 낮은 에너지 소비, 뛰어난 재현성 및 정밀도, 빠른 속도 등으로 고객에게 전동사출성형기를 제시하며 화제를 모으고 있다. 앞으로도 전동사출성형기에 기술개발과 투자를 꾸준히 진행해 제품의 품질과 원가 절감을 위해 최선의 노력을 하겠다는 LS Mtron injection & molding machine division의 제품을 소개해보고자 한다.
편집부 2019-09-09
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가상공학을 활용한 복합소재 제품개발 방안 1

      자료제공: 소재종합솔루션센터(www.matcenter.org), 화학소재정보은행(www.cmib.org) 지식정보 
취재부 2019-08-08
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우리 생활에 없어서는 안될 유용한 플라스틱 제품을 만드는 사출성형기 이야기 13

자료제공: LS엠트론 기술교육아카데미 (http://lsmtronacademy.com)
편집부 2019-08-07
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Silicone 소재의 무한한 가능성, LS엠트론㈜이 “WIZ-E LSR”로 새로운 솔루션을 제시하다!

실리콘(Silicone)은 산업 전반에 걸쳐 광범위하게 이용되고 있으며, 기초 화학산업뿐만 아니라 응용화학산업에 있어서도 없어서는 안 될 중요한 첨단 화학산업으로 평가받고 있다. 특히, 액상 실리콘 고무(Liquid Silicone Rubber), 즉 LSR은 인체에 무해하고 내열, 절연, 난연 등의 안정적인 물성으로 의료, 전자제품, 생활가전, 화장품, 자동차 등 다양한 산업 분야에서 사용되고 있는 소재이다. 이처럼 실리콘 산업의 중요성이 점차 부각되고 있는 가운데, 올해 ‘토털 솔루션(Total Solution)과 스마트 팩토리(Smart Factory)’를 콘셉트로 사출기 시장의 새로운 붐을 일으키고 있는 LS엠트론㈜(이하 LS엠트론)에서 제안한 WIZ-E LSR 시리즈를 소개하고자 한다. “고객의 수익을 더 극대화할 수 있도록 LS엠트론만의 축적된 노하우 컨설팅은 물론, 부대설비부터 금형까지 LSR에 관련된 모든 Total Solution Provider을 제공하겠다”고 계획을 밝힌 LS엠트론의 WIZ-E LSR 시리즈에 대해 알아보도록 하자.
취재부 2019-08-07
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화학연, 차세대 연료전지 ‘음이온 교환막 연료전지’ 핵심소재 국산화

- 최근 기술 선진국 각축장 … 국내 상용기술 전무한 상황서 국산화 성공- 한국화학연구원 이장용 박사팀, ㈜SDB에 기술 이전 … 하반기 상용제품 출시 계획최근 일본의 수출규제에 직면해 핵심소재 국산화에 대한 목소리가 커지고 있는 가운데, 국내 연구진이 차세대 연료전지로 불리는 ‘음이온 교환막 연료전지’의 핵심소재를 국산화하는 데 성공했다. 음이온 교환막 연료전지는 기존 양이온 교환막 연료전지에 비해 제조비용을 크게 낮출 수 있어 차세대 연료전지로 각광받고 있다. 최근 시장을 선점하기 위한 기술 선진국의 움직임도 빨라지고 있다. 하지만 국내에서는 관련 상용기술을 보유한 기업이 전무한 상황이다. 이러한 상황에서 음이온 교환막 연료전지의 핵심소재를 개발한 연구진은 국내 기업에 관련 기술을 이전하고, 올해 하반기 상용제품으로 출시한다는 계획이다. 한국화학연구원 화학소재연구본부 이장용 박사팀은 차세대 연료전지 ‘음이온 교환막 연료전지’에 쓰이는 음이온 교환 소재(바인더 및 분리막)의 제조 기술을 개발해, 국내 기업인 ㈜SDB(대표 김호선)에 이전했다. 이번에 개발된 음이온 교환 소재는 음이온 교환막 연료전지(AEMFC)에 쓰는 전극 바인더와 분리막이다. 연료전지에서 바인더는 분말 가루 형태의 전극을 단단히 결합시키고, 전극 층 내부에서 이온이 이동할 수 있는 채널을 형성하며, 분리막(이온교환막)은 고체 전해질로 양극에서 음극으로 음이온(수산화이온)을 선택적으로 이동시키는 채널 역할을 한다.한국화학연구원 개발 음이온 교환형 바인더(위) 및 분리막(아래) 사진한국화학연구원 개발 음이온 교환 소재 적용 예시현재 산업계에서는 양이온 교환막 연료전지(PEMFC)가 성능과 내구성이 우수해 많이 쓰이지만, 촉매로 값비싼 백금을 사용하다 보니 가격이 고가인 게 흠이었다. 실제 백금 촉매가 양이온 교환막 연료전지에서 차지하는 비중은 60%에 달한다.이에 반해 음이온 교환막 연료전지(AEMFC)는 니켈과 구리 등 비 귀금속계 촉매를 사용해 제조비용을 크게 낮출 수 있고, 관련 기술은 연료전지뿐만 아니라 수처리, ED(Electro Dialysis․전기투석) 시스템에도 활용될 수 있어 산업계의 관심이 높다. 하지만 핵심소재인 음이온 교환 소재(바인더 및 분리막)의 성능과 내구성이 떨어지는 게 문제였다. 한국화학연구원 연구진은 기존 상용 음이온 교환소재의 성능과 내구성을 한층 개선했다. 상분리* 특성이 우수해 동일한 이온교환 능(이온 교환 반응을 할 수 있는 능력)을 갖는 상용 바인더와 비교해 이온전도도가 3배 이상 향상됐고, 화학적 안정성이 높아졌다. * 상분리(相分離): 이온의 이동 채널인 친수성 부분과 고분자의 소수성 부분의 뚜렷한 분리 현상하지만 양이온 교환 소재를 완전히 대체할 수 있는 수준은 아니다. 성능은 양이온 교환소재와 동등하지만, 내구성이 양이온 교환 소재에 미치지 못하기 때문이다. 이점은 연구진에게 여전히 풀어야 할 숙제다.이에 따라 신규 음이온 교환막 연료전지는 당장 자동차나 건물용 연료전지를 대체하기보다 상대적으로 이용 빈도가 낮아 높은 내구성을 요구하지 않는 UPS(무정전 전원 공급장치; Un-interrupted Power System)에 적용할 수 있을 것으로 보인다.현재 음이온 교환 소재 시장은 기술 선진국의 각축장이다. 기존 생산국인 독일과 일본 이외에도 미국과 캐나다까지 제품 개발에 뛰어들었다. 최근 미국과 캐나다는 관련 소재 생산기업을 설립하고, 신규 제품도 발표했다. 하지만 한국은 독일 푸마테크와 일본 도쿠야마 등으로부터 음이온 교환 소재를 100% 전량 수입하고 있는 형편이다. 국내에는 관련 상용기술을 보유한 기업도 없다.또한, 음이온 교환 소재는 연료전지 이외에도 수전해, 레독스 흐름 전지, 전기화학적 이산화탄소 전환기술 등에 활용될 수 있어 파급효과가 크다. 다시 말해, 수입대체 효과뿐만 아니라 관련 시장 확대도 기대되는 것이다.에너지 조사기관 ‘네비건트 리서치’에 따르면, 전 세계 이온교환막 연료전지 시장규모는 2024년 15조 원에 달할 것으로 예상되며, 이온교환 소재(바인더 및 분리막) 시장은 전체의 10%인 1.5조 원 정도로 예상된다.연구책임자인 이장용 박사는 “연료전지의 소재 시장이 전체의 10%나 되는 것은 엄청 큰 규모”라면서, “이번 기술 이전을 계기로 ㈜SDB와 함께 산업적 파급효과가 큰 음이온 교환 소재를 상용화시키고, 가격을 낮추기 위한 원천기술 연구개발에 힘을 쏟겠다”고 포부를 밝혔다.한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업의 결과로 이뤄졌다.
편집부 2019-08-05