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- 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
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- 급격한 도시 인구 증가 및 기존 시설 노후화로 인한 ‘도시 지속가능성’ 중요성 대두- 도시 인프라 보호, 자원 절약 및 에너지 절감 목표로 혁신 솔루션 선보인 화학업계국제기구 유엔(United Nations, UN)에 의하면 급격한 도시 인구 증가로 2050년까지 전 세계 인구의 약 70%가 도시에 거주할 것이며, 2030년까지는 인구 1천만 명 이상 되는 ‘메가시티(Mega City)’가 현재 37개에서 43개로 증가할 것이라고 한다. 메가시티 생성 가속화와 함께 기존 개발로 인해 도심 쇠퇴 및 낙후 지역 등이 발생하면서 도시 경쟁력은 그대로 살리되 환경과 인간이 함께 공존할 수 있도록 최적의 정주 환경을 제공하는 지속 가능한 도시 개발, 즉 ‘도시 지속가능성(Urban Sustainability)’의 중요성이 대두되고 있다. 인구 976만 명에 육박하며 메가시티를 목전에 둔 서울 또한 도시 지속가능성에 중점을 둔 환경친화적 스마트 도시로 성장하기 위해 ‘서울 도시 재생 사업’을 본격적으로 추진하고 있다.이와 같은 세계적 흐름에 더불어 화학업계 또한 뛰어난 기술력을 바탕으로 지속 가능한 소재 개발 및 혁신적인 신재생 에너지 절감 솔루션을 선보이는 등 국내외 도시 자생력 강화를 위해 다양한 노력을 펼치고 있다.지속 가능한 도로보호 솔루션 – 바스프 엘라스토페이브(Elastopave®)기후변화로 인해 해수면이 상승하고 폭우 및 태풍 등 또한 잦아지며, 많은 도시가 홍수 및 침수 피해를 겪고 있다.이에 1시간에 1제곱미터 당 약 4천 리터의 물을 흡수할 수 있는 글로벌 화학기업 바스프의 엘라스토페이브(Elastopave®)는 다져진 광물과 폴리우레탄의 적합한 혼합으로 밀폐가 아닌 흡수 목적의 상호연결된 공간을 많이 만들어 높은 다공성을 자랑하는 혁신 소재이다. 통기성이 낮은 아스팔트나 콘크리트 대신, 지속 가능한 도로 인프라 구축 대안 소재로 주목받고 있는 엘라스토페이브는 폭우 시 빗물을 자연스럽게 땅밑으로 흘려보내 물웅덩이 생성 방지 및 도로안전에 기여하며, 배수관 설치 등 기존 도로포장 시 발생하는 다운스트림 비용도 현저히 감소시킬 수 있다. 엘라스토페이브의 구조(출처: 바스프)중국 항저우 정부는 태풍과 인근 첸텐강으로부터의 홍수 및 침수에 대한 피해를 방지하기 위해 ‘스펀지 시티(Sponge City)’ 건축 프로그램을 발표한 바 있으며, 2020년까지 도시 중심지 20%에 바스프의 엘라스토페이브를 적용하기 위한 계획을 밝혔다. 그뿐만 아니라 국내에서는 현재 수원시청, 남양주, 서초구, 국회의사당 주변 곳곳에 적용되어 시민들에게 안전한 보도를 제공하고 있다. 지속 가능한 태양 에너지 솔루션 – 페로브스카이트(Perovskite) 태양전지자원 절약과 환경오염 최소화는 지속 가능한 도시를 만들기 위한 필수 요소다. 도시 인구와 함께 증가하는 자원 소모 및 오염 배출에 대한 대안으로 다양한 재생에너지원들이 연구되고 있으며, 그 중 태양 에너지는 반영구적인 에너지를 제공함으로써 가장 활발히 연구되고 있는 분야 중 하나다. 이에 한국화학연구원은 이미 30여 년 전부터 태양 에너지를 활용하는 태양전지의 가치와 중요성을 인식, 1세대부터 3세대 태양전지에 이르는 전 분야에서 더욱 저렴하고 효율 높은 화학소재와 공정개발에 역량을 집중해왔으며, 연구의 결과 중 하나가 최근 주목받고 있는 페로브스카이트(Perovskite)다. 페로브스카이트 태양전지(출처: 한국화학연구원)페로브스카이트는 특별한 구조로 분자를 정렬하여 태양전지에 적용하는 방법으로 기존 태양전지의 낮은 효율성 및 가격 경쟁력을 보완하고자 개발되었다. 이밖에도 원료를 잉크처럼 칠하면 필름 형태의 얇은 전지로 유연하게 구부릴 수 있고, 가볍게 제작할 수 있어 도시 빌딩의 벽면이나 자동차 지붕 등 곡면에도 쉽게 설치할 수 있다. 최근 4월에는 새로운 구조의 박막기술을 개발해 내구성 강화는 물론, 태양전지 효율을 24.23%까지 끌어 올리며 고효율 및 고안전성을 입증해 태양전지 상용화에 대한 기대를 높였다. 지속 가능한 온도제어 솔루션 – 나노 창문 지속 가능한 도시로 거듭나기 위한 또 다른 중요 요소로 자원 소모에 이르는 에너지 소비 절감을 들 수 있다. 도시 거주자들의 에너지 절약을 실현하기 위한 다양한 솔루션들이 연구되고 있는 가운데 호주국립대(Australian National University, ANU) 과학자들은 빛 투과율을 조절하면서 온도제어를 할 수 있는 나노 필름을 개발했다. 나노 입자를 이용해 개발된 메타표면(metaspace)은 빛의 파장보다 훨씬 작은 크기의 메타물질로 만든 공간으로, 이를 활용한 나노 필름은 0~100%까지 투과율 조정이 가능해 건물 유리창에 적용 시 에너지 절감에 기여할 수 있다. 빛 투과율 조절이 가능한 나노 필름(출처: 호주국립대)도시 건물 창문에 적용할 경우 100% 빛을 투과시켜 겨울철 온도보존이 가능하며, 여름철에는 빛을 완전히 차단해 실내 온도를 내릴 수 있어 대형 빌딩 건축에 적용돼 건물을 에너지 절감형으로 변신하는 데 큰 도움을 줄 수 있다.또한, 자동차에 활용 시 차창의 투명도를 조절하면서 내부의 보온과 냉동 상태를 조절할 수 있는 가능성을 갖추고 있다. 이같이 나노 필름은 가벼우면서 매우 얇고, 손쉽게 가공할 수 있는 특징을 지니고 있어 다양한 활용이 가능해 현재 상용화를 위한 협의가 진행 중이다. 
관리자 2019-07-12
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Ⅰ. 서 론  세계적으로 고분자 재료의 쓰임은 철강 등 다른 소재보다 많아졌고 환경오염의 이슈가 끊이지 않고 있지만, 그 쓰임의 증가는 막을 수 없는 현실이 되어버렸다. 인류가 지구에 터전을 마련한 후 오랜 세월이 지나면서 선조들의 시대를 구분할 때 당시에 사용하던 재료로 분류하고 있는걸 보면, 재료는 인간의 사회와 문화에 기여하는 바가 매우 크다고 하겠다. 그리고 후손들이 지금의 시대를 고분자 시대의 초기라 부르지 않을까 하는 상상을 하게 된다. 작금의 산업 변화는 예전의 변화와는 비교할 수 없을 정도로 큰 속도로 변화하고 있으며, 4차 산업이라고 불리는 신산업에 올바로 적응하기 위해 모든 사회구성원이 불안한 마음으로 그 초점을 찾기 위해 고민하고 있다.고분자 재료의 쓰임이 증가함에 따라 고분자제품을 성형하는 방법 또한 중요한 역할을 하고 있으며, 예전의 접근과는 사뭇 다른 과학적이면서 시대에 적응된 시도가 필요한 시점이다. 고분자성형에서의 주안점은 경쟁력 있는 가격으로 품질의 만족을 꾀할 수 있도록 하기 위한 소재의 선택과 제품설계, 금형설계, 그리고 성형기계의 운전이라고 할 수 있다.1 이러한 일련의 작업들이 서로 고립된 상태에서 독자적으로 수행되고, 각각의 결과를 물리적으로 연결하면 제품이 되는 프로세스는 이제 더 이상 시대에 맞지 않을 뿐 아니라 경쟁력이 없는 방식이 되어버렸다. 실제로 제품설계, 금형설계, 그리고 성형의 일관적인 작업에 있어서 시행착오를 줄이며 효과적으로 성형작업을 하기 위해 CAE를 많이 응용하고 있긴 하지만, 총체적으로 그의 응용방법을 제고할 시기가 왔다고 판단된다.2컴퓨터 성능의 급속한 발전과 다양한 공정에 맞는 정확성이 개선된 CAE 프로그램의 출현으로 이를 유기적으로 활용하여 짧은 시간에 총체적인 작업이 수행될 수 있도록 하는 연출이 필요하다. 고분자제품 생산에서 가상공학(Virtual Engineering)은 제품성형의 총체적인 작업이 일관성 있게 이루어지고 각 단계들이 유기적인 관계로 연결되도록 하는 코어 역할을 한다고 판단된다. 따라서 고분자성형공정의 가상공학에서는 CAE의 응용이 더욱더 활발히 적용되어야 하며, 각 공정들이 유기적인 관계로 엮어지도록 하는 연출이 중요하다. 하나의 제품을 생산하는 여러 공정단계에서 각각의 단계들이 유기적인 연계가 되도록 하기 위해서는 각 단계들의 해석이 완벽해야 하고, 각 단계에서 전체적인 해석의 목적에 맞는 결과를 얻어야 하는 것이 선행되어야 한다. 따라서 본 보고서에서는 여러 고분자성형공정에서 더욱 정확하고 문제해결에 필요한 해석을 하기 위한 방법을 제고하고자 한다.고분자성형공정에서 고분자 용융체의 흐름을 해석하기 위해서는 질량보존(continuity equation)이 만족되는 조건에서 운동 방정식(equation of motion)과 에너지 방정식(energy equation)을 풀어서 결과를 관찰한다. 이때 재료의 물성에 따라, 또는 해석에 따라 재료의 모델(material model, constitutive equation)을 선정하여 사용한다. 본 보고서에서는 이러한 수학적인 설명을 제외하고, 일반적인 상용 프로그램을 통해 해석한 내용을 소개하고자 한다.
편집부 2019-07-10
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- 고강도·고내열성으로 현존 바이오플라스틱 한계 모두 극복… 비스페놀A계 플라스틱 대체 가능- 네이처 커뮤니케이션즈 온라인판 6월 13일 자 게재잘 썩고 안 찢어지는 비닐봉지를 개발해 화제가 된 국내 연구진이 이번에는 슈퍼 바이오플라스틱을 개발했다. 슈퍼 바이오플라스틱 시제품(공갈 젖꼭지, 종이학, 투명 기판, 플라스틱 수지)이 바이오플라스틱은 환경호르몬이 없는 것은 물론이고, 강철보다 강하고, 200℃ 이상의 고온에서도 견딜 수 있는 등 현존 바이오플라스틱의 한계점을 모두 극복했다.한국화학연구원 오동엽‧박제영‧황성연 박사는 식물성 성분인 아이소솔바이드(isosorbide)를 이용해 고강도‧고내열성의 투명 바이오플라스틱을 개발하는 데 성공했다. 옥수수로 만든 아이소솔바이드와 석유로 만든 비스페놀A의 구조식식물성 성분 단량체*인 아이소솔바이드로 만들어 환경호르몬 걱정이 없는데 다, 물성이 우수해 기존 비스페놀A(Bisphenol-A)계 석유 플라스틱을 대체할 수 있을 것으로 보인다.* 단량체 : 고분자를 이루는 단위분자로, 고분자는 일반적으로 분자량이 1만 이상으로 큰 분자를 말한다. 고분자는 고체로 존재할 때 단단하고, 열에 녹아 액체가 되어 성형 가능하여 플라스틱이라고 부른다.한국화학연구원 오동엽 박사는“아기들이 입을 가져다 대는 장난감, 유모차, 젖병 소재가 믿을 수 있는 소재여야 한다”면서 “내 아이가 만진다는 생각으로 개발했다”고 말했다.비스페놀A계 단량체로 만들어진 폴리카보네이트와 폴리술폰은 고강도‧고내열성 특성 덕분에 고압을 견뎌야 하는 정수기 필터나 치아교정기, 고온에서도 변형이 되지 않아야 하는 젖병과 밥솥 등에 많이 쓰인다. 하지만 비스페놀A는 환경호르몬으로 비만, 심장질환, 고혈압 등을 일으킨다고 알려져 있다. 다른 석유 플라스틱도 안전성 논란에서 자유롭지 않다.전 세계 연구진들은 비스페놀A계 플라스틱의 물성을 가지는 바이오플라스틱을 개발하려고 했다. 문제는 식물성 성분 단량체가 화학적으로 안정된 탓에 반응성이 떨어지고, 공기 중 수분에 의해 쉽게 화학반응이 끝난다는 것이었다.다시 말해, 기존 식물성 성분 단량체의 반응성이 떨어지는 탓에 바이오플라스틱의 강도가 석유 플라스틱에 비해 절반 이하였다. 이는 상용화의 걸림돌로 작용했다.한국화학연구원 연구진은 상전이 촉매를 이용해 반응성이 떨어지는 문제를 해결했다. 식물성 성분의 화학반응을 촉진시켜주는 상전이 촉매를 이용해 아이소솔바이드의 반응성을 극대화 시킨 것이다. 일반적으로 플라스틱은 단량체를 실에 구슬을 꿰듯 이어 고분자로 만든다. 연구진은 단량체인 아이소솔바이드를 화학반응을 통해 하나씩 이어 기다란 화학물질로 만드는 과정에서 상전이 촉매를 이용했다. 그 결과, 슈퍼 바이오플라스틱의 비강도(단위 무게당 강도)는 같은 무게일 때, 69KN‧m/kg으로 강철(63KN‧m/kg)보다 높았다. 지금까지 학계에 발표된 바이오플라스틱 중에서 가장 강한 것이다. 또한, 인장강도는 80MPa을 기록했다. 이는 거의 대부분의 석유 플라스틱보다 높은 수치다.또한, 고온에서 견디는 내열성도 매우 뛰어나다. 진공에서 무려 300℃가 넘는 고온에서도 팽창하거나 변형되지 않았고, 산소와 물리적 스트레스 조건에선 212℃를 견뎠다. 실제 OLED 투명기판을 만드는 화학 공정에서 300℃가 넘는 고온을 이겨냈다. 열팽창 계수*도 약 25ppm/℃로 석유 플라스틱보다 최소 2배에서 최대 10배 정도 뛰어났다. 이는 전자제품의 부품으로 사용됐을 때, 온도 상승으로 인한 소재 팽창 등의 문제를 최소화할 수 있다는 의미다.* 열팽창 계수: 단위 온도가 증가할 때 팽창되는 수치슈퍼 바이오플라스틱을 투명기판으로 하여 만든 OLED 시제품또한, 독성이 매우 낮은 것으로 확인됐다. 연구진은 국제표준기준(ISO 10993-6)에 따라 쥐 모델을 이용한 인비보(in vivo) 독성테스트를 실시한 결과, 0~5점으로 나타내는 독성강도에서 1점 미만으로 나타났다.이에 대해 박제영 박사는 “쥐의 진피와 표피 사이에 플라스틱을 삽입한 후 나타나는 염증반응을 정량화했더니, 1점 미만으로 나왔다”면서, “이 정도 수치는 인공 뼈와 임플란트 소재로 사용해도 무방할 만큼 안전하다”고 설명했다. 이번에 개발된 슈퍼 바이오플라스틱은 열에 녹여 가공할 수 있는 열가소성 수지로, 320℃ 이상의 열에 녹여 재활용할 수도 있어, 폐플라스틱 처리도 용이할 것으로 보인다.이번 연구결과는 세계적인 저널인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF:12.353)’ 온라인판 6월 13일 자에 ‘Sustainable and recyclable super engineering thermoplastic from biorenewable monomer’라는 논문으로 게재됐다.한국화학연구원 황성연 바이오화학연구센터장은 “케모포비아라는 이름으로 국민들이 플라스틱에 대한 불신이 확산되고 있다”면서, “국민들이 안심하고 쓸 수 있는 안전한 바이오플라스틱을 만들겠다”라고 말했다. 한국화학연구원 바이오화학연구센터 연구진(왼쪽부터 오동엽 박사, 박제영 박사, 박슬아 연구원, 황성연 센터장, 전현열 박사)연구원 프로필◯ 이름: 황성연 박사(센터장)                                              ◯ 이름: 오동엽 박사◯ 소속: 한국화학연구원 바이오화학연구센터                      ◯ 소속 : 한국화학연구원 바이오화학연구센터◯ 이메일: crew75@krict.re.kr                                          ◯ 이메일: dongyeop@krict.re.kr◯ 이름 : 박제영 박사                                                          ◯ 이름: 전현열 박사◯ 소속 : 한국화학연구원 바이오화학연구센터                     ◯ 소속: 한국화학연구원 바이오화학연구센터◯ 이메일: jypark@krict.re.kr                                             ◯ 이메일 : hyjeon@krict.re.kr ◯ 이름: 박슬아◯ 소속: 한국화학연구원 바이오화학연구센터◯ 이메일 : seula@krict.re.kr 
취재부 2019-06-26