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생분해성 폴리머의 현황과 전망 2

생분해성 폴리머의 중요한 응용 분야는 지구 환경을 청결하게 유지하기 위해 현재 사용 중인 비 분해성 플라스틱을 대체하기 위한 플라스틱 산업에 있다. 플라스틱 폐기물 공정에서의 첫 번째 선택은 재사용하는 것이다 
이용우 2019-04-10
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우리 생활에 없어서는 안될 유용한 플라스틱 제품을 만드는 사출성형기 이야기 9

전기회로의 「ON」 「OFF」 조작을 하는 것으로는 스위치와 차단기가 있다. 스위치는 통상 부하(負荷)전류를 ON·OFF 할 수 있지만, 전선이 단락(短絡)되었을 때(고장)에 흐르는 큰 전류(단락 전류)는 「ON」 「OFF」 시킬 수 없다. 이렇게 큰 전류를 차단하는 것이 차단기이며, 차단기는 강력한 접점 개폐 기구와 차단할 때에 발생하는 아크 에너지를 신속하게 흡수하는 소호(arc extinguish)장치를 갖추고 있다. 
이용우 2019-04-10
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한국화학연구원, 신개념 페로브스카이트 박막기술 ‘DHA’ 개발

- 페로브스카이트 태양전지 상용화 새 해결책 제시… 고효율‧안정성‧대면적 기술 ‘네이처’ 게재 한국화학연구원 연구진이 페로브스카이트 태양전지 상용화를 위한 신개념 페로브스카이트 박막기술 DHA(Double-layered Halide Architecture; 이중 층 할로겐화물) 개발에 성공했다. 이를 통해 페로브스카이트에서 빛을 받아 발생한 정공(+)을 전극으로 이동시키는 정공수송 층으로 사용하는 ‘전도성 상용 고분자’의 활용을 극대화했다. 이번 연구성과는 과학분야 최고 권위지인 ‘네이처(IF=41.577)’에 3월 28일 자(현지 기준)로 게재됐다.Newport Co.에서 발행한 DHA가 도입된 P3HT 기반의 페로브스카이트 태양전지 성능 인증서 한국화학연구원 화학소재연구본부 서장원 박사팀은 차세대 태양전지로 주목받는 페로브스카이트 태양전지*의 고효율화 기술을 선도하고 있는 가운데, 2017년 10월 NREL 차트에 22.7%*의 인증 효율을 등재했다. 이번 논문에서는 상용화에 전환점이 될 기술을 적용하여 고효율, 고안정성, 대면적 모듈화를 동시에 달성할 수 있는 획기적 연구결과를 발표했다.* 페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지와 비교해 제조가 쉬운데 다 제작원가는 평균 5배 저렴하여 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 최근 정부가 발표한 ‘재생에너지 3020 이행계획안’에도 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 기술로 소개됐다.* 미국공인인증기관 Newport Co에서 인증을 받았으며, 2017년 10월 NREL(National Renewable Energy Laboratory; 미국신재생에너지연구소)에서 당시 최고효율로 기록됐다. 페로브스카이트 태양전지 상용화를 위해서 해결해야 할 난제가 있었다. 기존 정공수송 소재*는 가격이 비싸고 높은 전도도 확보를 위한 첨가제*가 필요한데 다, 안정성도 취약했다. 또한, 대면적 인쇄 코팅을 하려면 소재의 대량생산과 일정하고 균일한 성능 확보도 동시에 요구되는데 기존 정공수송 소재로는 한계가 있었다. * 일반적으로 많이 쓰이는 정공수송 소재는 PTAA와 Spiro-OMeTAD 고분자가 있다. 정공은 양전하를 가지는 입자로 전류를 운반하는 역할을 한다.* 일반적으로 친수성 첨가제(Li-TFSI, tert-butyl pyridine 등)를 소량 도핑한다.정공 수송 소재의 가격 비교 일반적으로 사용되는 전도성 유기 물질은 PTAA, spiro-OMeTAD 등이 있다. (위표 참조) 이번 연구에서 활용한 상용 전도성 고분자는 P3HT(poly(3-hexylthiophene)) 이다. P3HT 고분자는 기존에 사용되던 PTAA와 spiro-OMeTAD에 비해 소자 제작에 필요한 소재 가격이 약 4~5배 저렴하다.  연구진은 이러한 조건을 모두 만족시키는 정공수송 소재로 ‘전도성 상용 고분자’ P3HT*에 주목했다. 이미 유기 태양전지와 유기 트랜지스터에서 활용되고 있어 페로브스카이트 태양전지에도 활용하고자 했으나 16%(단위 소자 기준) 수준의 낮은 전력변환효율이 걸림돌이었다.* P3HT: poly(3-hexylthiophene)의 약자로, 고분자 정공수송 물질이다.      이를 해결하기 위해 한국화학연구원 연구진은 태양광을 흡수하는 3차원 결정구조를 갖는 페로브스카이트 할로겐화물 박막 표면에 신규 할로겐화물 박막을 형성시켜 DHA(Double-layered Halide Architecture; 이중 층 할로겐화물)라는 새로운 구조의 박막기술을 개발했다. 빛에 의해 활성화되는 광활성 층인 페로브스카이트 박막 표면과 P3HT 사이에 HTAB*분자를 도입해 DHA를 만든 것이다. * HTAB: Hexyl Trimethyl Ammonium Bromide(헥실 트리메틸 암모니움 브로마이드) 분자 구체적으로 P3HT와 페로브스카이트를 강하게 결합시키기 위해 P3HT의 알킬체인과 같은 크기의 알킬체인이 필요했다. 이를 위해 연구진은 페로브스카이트 박막계면에 HTAB을 도포해 반더발스인력*을 유도했다. HTAB의 알킬체인과 P3HT의 알킬체인을 지퍼처럼 맞물리게 한 것이다. * 반더발스인력: 유기화합물에서 액체와 고체 등의 분자들이 서로 끌어당기는 전기력 그 결과, 새로 형성된 할로겐화물 박막에 의해 페로브스카이트 계면의 물리적‧전기적 특성이 향상되고, P3HT의 자기조립(Self-assembly)을 바탕으로 정공수송 효과가 극적으로 높아졌다.또한, 기존 정공수송 소재는 정공수송 능력 향상을 위해 친수성 첨가제가 필수적으로 쓰였는데, 이는 페로브스카이트 태양전지의 안정성에 치명적 문제를 일으켰다. 페로브스카이트가 수분에 취약한 탓에 태양전지의 안정성에 악영향을 미친 것이다. 이번 연구에선 첨가제 없이 자기조립이 유도된 P3HT 고분자의 특성을 활용해, 이 같은 문제를 해결했다. 페로브스카이트 태양전지 상용화에 필요한 장기안정성과 대면적화 모듈 적용에서도 우수한 결과를 보였다. 페로브스카이트 태양전지를 상대습도 85%에서 1,000시간 이상 보관했을 때, 초기효율 대비 80%의 성능을 유지했다. 지금까지 수분에 취약한 페로브스카이트의 특성은 상용화의 걸림돌이었다. 하지만 DHA 기술이 적용된 페로브스카이트 태양전지에선 높은 수분 안정성을 보였다.  또한, 실제 태양전지가 쓰이는 조건에서 1,300시간 이상 구동했을 때, 초기효율 대비 95% 이상의 성능을 유지해 장기 구동 안정성도 확보했다. 이처럼 높은 수분 안정성과 장기 구동 안정성은 실제 태양전지가 구동되는 외부환경에서도 장시간 고효율을 유지할 수 있다는 것을 의미한다. 이번 연구는 태양전지 상용화에 필수조건인 대면적화의 가능성도 보여줬다. 0.1㎠ 크기(단위 소자)에서 확인한 기술을 25㎠ 크기(대면적 모듈)에 동일하게 적용한 결과, 25㎠ 대면적 모듈 기준으로 세계 수준*의 고효율인 16%를 기록했다.* 페로브스카이트 태양전지 모듈의 세계 최고효율: 17.2% (Microquanta, 모듈 크기: 17㎠)(a)비교군과 DHA가 도입된 P3HT 기반의 페로브스카이트 태양전지의 수분 안정성 평가, (b)구동 안정성 평가,(c)25㎠(5cmx5cm) 페로브스카이트 모듈 사진,(d)스핀코팅 및 바코팅 기법으로 P3HT를 적층한 페로브스카이트 모듈의 전류 밀도-전압 곡선  이번 연구를 이끈 한국화학연구원 서장원 박사는 “전도성 상용 고분자를 활용해 페로브스카이트 태양전지의 고효율과 고안정성을 확보한 신개념 페로브스카이트 박막기술 개발에 성공함으로써, 앞으로 다양한 전도성 고분자의 활용도가 높아졌다”면서, “이에 따른 페로브스카이트 태양전지 소자의 성능 향상도 기대된다. 앞으로 최적화된 공정을 통해 고효율 대면적 모듈 개발도 가능하기에 상용화에 더 가까워졌다”고 말했다. 공동교신저자로 참여한 노준홍 교수(한국화학연구원 겸임연구원, 고려대 건축사회환경공학부 부교수)는 “페로브스카이트 태양전지는 효율과 안정성 측면의 가능성이 이미 확인됐으나 어떠한 기술로 이를 구현할 수 있는지가 상용화의 관건이었다”면서, “이번 연구결과는 단순히 기존 기술 개선의 연장선상에 있는 효율, 내구성 향상 기술개발이 아닌 상용화에 근접한 새로운 기술을 통해 이를 구현했다는데 큰 의의가 있다”고 밝혔다. 이 같은 연구성과는 ‘Efficient, stable and scalable perovskite solar cells using poly(3-hexylthiophene)(P3HT를 이용한 효율적‧안정적‧대면적 페로브스카이트 태양전지)’로 네이처 3월 28일 자에 게재됐다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 글로벌 프론티어 사업(멀티스케일에너지시스템연구단), 산업통상자원부 한국에너지기술평가원 신재생에너지 핵심기술 개발사업, 한국화학연구원 주요사업 등의 지원을 받아 수행됐다. 또한, 포항방사광가속기의 UNIST-PAL 빔라인(울산과학기술원, 신태주 교수, 공저자)에서 스침각 X선 회절기법을 활용했다.
취재부 2019-04-10
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한화연, 첨단 소재의 보강재로 쓰이는 아라미드 나노섬유 대량생산 기술 개발

- 엘라스토머-보강재에 적용하여 세계 최고 기계적 강도 경신한국화학연구원 울산 바이오화학연구센터 박제영, 오동엽, 황성연 박사팀은 첨단 소재의 보강재로 쓰이는 아라미드 나노섬유*를 대량생산할 수 있는 기술을 개발하고, 이를 엘라스토머** 소재에 적용해 탁월한 보강 성능을 확인했다. * 아라미드 나노섬유(ANF; Aramid nanofiber): 미국 미시간 대학의 N. A. Kotov 교수팀이 케블라를 수산화칼륨 및 극성비양성자성 용매(DMSO; dimethyl sulfoxide)에 1주일간 용해시키면 아라미드 나노섬유가 제조된다는 연구를 2011년에 처음으로 보고한 이후에, 많은 연구자들이 이 신소재의 특성에 관한 연구가 경쟁적으로 이루어지고 있음(※ 나노섬유 : 직경이 나노미터인 초극세사. 섬유의 직경이 작아지면 작아질수록 표면적이 넓어져 적은 양으로도 큰 특성을 나타낼 수 있음) ** 엘라스토머: 외력을 가하여 잡아당기면 늘어나고, 외력을 제거하면 본래의 길이로 돌아가는 성질을 지닌 고분자(고분자란, 같은 종류의 분자 개체가 반복적으로 많은 수가 연결되어 이루어진 크기가 큰 분자를 말한다)본 성과는 미국화학회에서 발간하는 고분자 분야 최고 권위지 매크로몰레큘즈(Macromolecules)*에 게재됐다.* 논문제목: Nonstop Monomer-to-Aramid Nanofiber Synthesis with Remarkable Reinforcement Ability(공동 1저자: 구준모 박사, 김호준 연구원), IF=5.914 (링크: dx.doi.org/10.1021/acs.macromol.8b02391)아라미드 섬유는 듀폰사에서 ‘케블라*’라는 이름으로 제조하고 있는 방탄 섬유로, 강도, 탄성, 진동흡수력이 뛰어나 타이어, 방탄복, 진동흡수장치(스피커) 등에 많이 쓰이고 있다.* 케블라(Kevlar): 미국 듀폰社가 개발한 파라계 방향족 폴라아미드(아라미드) 섬유로 코오롱社와의 ‘케블라’ 소송으로 대중에 널리 알려진 소재. 아라미드 나노섬유 제조 공정 비교 (vs. 케블라)연구팀이 개발한 공정으로 제조한 아라미드 나노섬유의 주사전자 현미경 (SEM) 이 섬유를 나노화한 ‘아라미드 나노섬유’는 탁월한 보강 성능을 가진 것으로 2011년 학계에 처음 보고되어 전 세계적으로 연구가 많이 이루어지고 있다. 기존에 아라미드 나노섬유를 만들기 위해서는, 아라미드 방탄 섬유를 먼저 만든 후 이것을 나노화하는 두 가지 단계를 거쳤다. 아라미드 방탄 섬유를 만들기 위해서는 아라미드 구조를 가진 고분자를 합성한 후 황산에 녹이고, 이를 다시 노즐에 통과시켜 물에 또 침전시킨 후 섬유를 뽑아내는 과정을 거쳐야 한다. 이를 다시 나노 단위로 깎아 아라미드 나노섬유를 만드는 데 180시간*이 걸린다. 연구팀은 기존 두 단계 중 한 단계를 생략하고, 보조 용매를 도입하는 방법으로 제조 공정 시간을 기존 대비 12배나 단축하는 신기술을 개발했다. * 연구팀이 개발한 공정은 기존에 180시간이 걸리던 케블라 공정 대비하여 12배 단축된 15시간 만에 제조가 가능함.연구팀은 아라미드 분자 구조가 한 방향으로 정렬되어있다는 점에 주목해 아라미드 물질로부터 아라미드 나노섬유를 바로 만들었다. 아라미드 단량체로부터 고분자를 대량 중합하고, 별도의 정제과정 없이 보조 용매와 염기 물질을 추가하는 단순한 제조법이다.기존 기술로는 아라미드 나노섬유를 일주일 동안 밀리그램 수준으로 만들었는데 본 기술을 적용하면 반나절 만에 대량생산할 수 있기 때문에 상용화하기 쉽다. 또한, 아라미드 방탄 섬유로부터 나노화하는 기술이 아니기 때문에 듀폰사 등의 특정 기업에서 대부분 가지고 있는 아라미드 섬유 제조 기술 특허권에서 자유롭다.연구팀은 개발한 나노섬유를 탄성이 있는 첨단 소재 ‘엘라스토머’의 보강재로 세계에서 처음 적용하여, 미량 함량으로도 세계 최고의 기계적 강도를 내는 것을 확인했다. 열가소성* 폴리우레탄 소재에 400ppm**만 첨가하여도 인장인성***이 1.5배 증가하였고, 인장강도가 84MPa**** 수준으로 세계 최고 기계적 강도를 경신하였다. 화학(연) 오동엽 박사는 “아라미드 나노섬유의 방향족 그룹과 열가소성 폴리우레탄 소재의 방향족 그룹이 물리적 결합을 형성하면서 놀라운 보강 효과가 나타났다”고 말했다.* 열가소성: 열을 가하면 부드럽게 되어 다른 모양으로 바꿀 수 있는 성질** PPM(Parts Per Million): 100만분율. 어떤 양이 전체의 100만분의 몇을 차지하는가를 나타낼 때 사용함. 예를 들어 물 1kg(1,000,000mg) 중에 소금 1mg이 들어있을 경우 1ppm이라고 칭함*** 인장인성(Tensile toughness): 재료를 양쪽으로 변형시켰을 때 생기는 저항으로 파단없이 물체가 잘 늘어나면서 에너지를 흡수하는 성질**** 기존 문헌에 보고된 세계 최고 강도의 열가소성 폴리우레탄 복합체의 인장강도는 61MPa 연구책임자 박제영 박사는 “그동안 구조 보강재로서의 가능성은 있었으나 단점으로 지적되었던 아라미드 나노섬유의 오랜 제조시간을 반나절로 획기적으로 단축하여 대량생산 및 상업화의 교두보를 마련했다. 또한, 나노복합체로서 본 연구가 보여준 경이로운 보강 효과뿐 아니라 다양한 첨단 산업 소재 분야로의 확장이 기대된다”고 말했다.본 연구는 한국화학연구원 주요사업의 지원을 받아 수행되었다.아라미드 나노섬유 용액 및 틴들 효과*를 보여주는 사진* 틴들 효과(Tyndall effect): 가시광선의 파장과 비슷한 미립자가 분산되어 있을 때 빛을 비추면 산란되어 빛의 통로가 생기는 현상으로 나노섬유가 용액에 존재함을 간접적으로 증명함아라미드 나노섬유로 보강된 엘라스토머의 강도 효과아라미드 나노섬유가 포함된 엘라스토머 나노복합체는 기존 대비하여 1.5배 향상된 기계적 강도 특성을 보임연구진 사진  좌: 박제영 박사, 중: 황성연 박사, 우: 오동엽 박사
취재부 2019-04-04
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생분해성 폴리머의 현황과 전망 1

Ⅰ. 서론1-4 생분해성 폴리머에 대한 메디컬 및 약물전달 분야와 친환경 분야 응용에 대한 관심이 지난 30여 년간 지속적으로 증대되어 왔고, 앞으로 더욱더 사회적 요구가 커질 것으로 전망된다. 특히 플라스틱 폐기물에 의한 생태계 교란문제 인식과 이에 대한 대응 필요성이 전 세계적으로 확산되고 있다. 본 보고서에서는 [참고문헌 1]을 근간으로 하여 생분해성 천연폴리머와 합성폴리머에 대한 고찰과 함께, 특히 합성폴리머인 폴리에스터 계열 폴리머 특성을 좀 더 세밀하게 소개하고자 한다.  일반적으로 대부분의 폴리머 분해는 폴리머 분자의 근간 사슬이나 옆가지 사슬에서 절단이 시작되며, 이는 열에 의한 활성화, 산화, 광분해, 방사선 분해 또는 가수분해에 의해 분해가 일어나면서 가속화 된다. 일부 폴리머는 폴리머 주변에 세포나 또는 미생물이 있는 환경에서 분해가 일어난다. 이러한 환경은 흙, 해양, 강과 하천 또는 사람이나 동물 체내에서도 효소에 의해 또는 가수분해로 일어나게 된다.  생분해성 바이오 폴리머와 이들의 유도체는 다양하며 흔하고, 흥미로운 특성을 가지며 다양한 용도로 그 중요성이 증가하고 있다. 이들을 화학 구조에 따라 8가지 주요 부류로 나눌 수 있다; (1) ribonucleic acids와 deoxyribonucleic acids와 같은 핵산, (2) 단백질, 폴리아미노산과 같은 폴리아미노산, (3) 셀룰로오스, 전분과 같은 폴리사카라이드, (4) poly(hydroxyalkanoic acids)와 poly(malic acid) 같은 organic polyoxoesters, (5) polythioesters, (6) polyphosphate인 inorganic polyesters, (7) 천연고무 같은 polyisoprenoids, 그리고 (8) 리그닌 또는 humic acids와 같은 polyphenols.  바이오 폴리머는 생물 유기체에서 생성되며 세포 건조물의 대부분을 차지한다. 엄격한 의미로, 이들 폴리머는 가수분해 또는 산화분해를 위해서는 미생물의 효소를 필요로 한다. 이러한 정의는 생분해성 고분자이며 많이 활용되는 폴리락타이드 계열에는 해당이 되지 않는다. 왜냐하면 폴리락타이드는 수분만 존재한다면 가수분해 효소 도움 없이도 상온과 중성 pH에서도 상대적으로 빠르게 분해되기 때문이다. 이는 우리가 흔히 폴리락타이드는 생분해성이라고 부를 때 혼동이 온다.  폴리락타이드, 특히 폴리글리콜라이드는 체내에서 쉽게 가수분해 되어서 단량체와 올리고머로 되어 수분을 함유한 매체에 쉽게 녹는다. 결과적으로, 폴리머 전체 무게가 없어지게 되며 남은 부분이 없게 된다. 일반적으로, 체내에서 일정 시간이 지남에 따라 폴리머의 무게 감소가 일어나는 폴리머를 분해 방식과 관계없이 흡수성, 재흡수성, 또는 생체흡수성 폴리머, 생분해성 폴리머로 같이 부른다. 다시 말해 효소와 비효소 가수분해 모두와 관계된 것이다.  이러한 혼동을 피하기 위해, 일부 사람들은 “생분해성”은 플라스틱 폐기물로부터 지구환경 보호를 목적으로 개발된 친환경 폴리머 같은 것에만 사용해야 된다고 주장하며, 한편 사람 체내에 이식을 위한 의료목적으로 적용한 폴리머는 “생분해성”이라고 부르지 말고  ‘재흡수성’ 또는  ‘흡수성’으로 불러야 된다고 주장한다.  그러나 본 논문에서는 이러한 혼동의 명명에도 불구하고 “생분해성”을 사용한다. 왜냐하면, 생체재료 분야에서는 이러한 명명이 넓게 사용되어 왔으며, 비효소 가수분해로 체내에 흡수되는 것에 대한 것도 포함한다. 다시 말해 “생분해성”이라는 단어는 이 보고서에서는 넓은 의미로 폴리머가 체내에 삽입된 후에는 궁극적으로 없어지는 것을 뜻하는 것이다. [그림 1]은 폴리머의 재흡수에 대한 다양한 기전을 보여주고 있다. 이들 생분해 폴리머는 현재 2개 주요 응용분야가 있다. 하나는 바이오메디컬 폴리머로 환자를 위한 의료에 활용과, 다른 하나는 지구환경을 청결하게 하기 위한 친환경 폴리머로 활용하는 것이다. 현재 이용 가능한 생분해성 폴리머의 대부분은 이 두 가지 목적 중 하나로, 또는 두 가지 목적으로 다 사용되고 있다. 그러나 일부는 [그림 2]에서 보여주는 바와 같이 두 가지 목적으로도 응용할 수 있다.   생분해성 폴리머는 근원을 기반으로 하여 분류할 수 있다. [표 1]에 폴리머의 근원에 따라 분류된 생분해성 폴리머를 열거하였다. 이 보고서의 목적은 이미 산업화 되었거나 의료 및 친환경 응용을 위해 개발 중인 대표적인 생분해성 폴리머에 대한 간추린 개관을 보여주는 것이다.Ⅱ. 생체재료4-8 다양한 폴리머가 예방의학, 임상조사, 그리고 질환의 외과적 치료를 포함하는 의료용으로 사용되고 있다. 이와 같이 의료목적으로 사용되는 폴리머들 중 우리 몸의 살아있는 세포와 직접 접촉에 사용될 때, 이 특정그룹의 폴리머를 “고분자 생체재료”라고 부른다. 의료분야에서 고분자 생체재료의 전형적인 응용은 일회용 제품으로 주사기, 혈액 백, 카데터가 있으며, 수술 시 사용되는 봉합사, 접착제 및 실란트 등이 있고, 생체조직 대체용 보철로 백내장용 안 렌즈, 치과 임플란트 및 가슴 보형물, 그리고 임시 또는 영구적 인공기관으로 인공신장, 인공심장, 그리고 인공혈관이 있으며 이들은 오랜 기간 사용되어 오고 있다.  이들 생체재료는 상업용 제품 관점에서 보면 같은 화학구조를 가진 폴리머 일지라도 비 의료분야에 사용되는 재료와는 많이 다르다. 예를 들어 고분자 생체재료로는 정부의 엄격한 규제 허락을 받지 않고서는 생산할 수도 없고 판매할 수도 없다. 예로서 대구경 혈관 대용으로 사용된 혈관은 폴리에스터인, PET로 만들어져 있다. 이를 의료용으로 생산하고 판매하기 위해서는 정부의 규제에 합당하는 모든 시험항목과 제조 공정을 이행한 자료에 대한 허락을 받아야만 된다. 일반적으로 정부의 허락을 받기 위한 최소조건은 재료의 비독성, 소독, 효능성, 생체 친화성과 관련된 시험규제 항목평가에 합격이 되어야 된다.  최근에 생분해성 의료용 고분자는 많은 주목을 받고 있으며 그 이유는 2가지로 요약할 수 있다. 인공재료가 체내에 삽입되었을 때에 이물질 거부반응이 크게 안 일어나는 생체친화성 재료를 개발하는 것은 어렵다. 이와 반대로, 생분해성 폴리머는 생체 내에서 오랜 기간 머무르지 않으며, 이물질을 남기지 않고 없어지기 때문에 우수한 생체친화성을 요구하지 않는다. 생분해성 폴리머가 많은 주목을 받는 또 다른 이유는 장기간 임플란트로 체내에서 이물질로서 오래 남기를 누구도 원하지 않기 때문이다.  생분해성 폴리머가 의료분야 응용에 매우 유망한 것으로 보이나, 이러한 폴리머는 임상적용에서 현재 크게 각광 받지 못하고 있다. 이는 분해 부산물의 독성 문제가 있을 수 있기 때문이다. 생체재료의 독성원인은 대부분이 저분자량 화합물이 생체재료로부터 흘러나와 환자의 체내로 들어가기 때문이다. 이들은 중합이 안 되고 남아있는 단량체, 소독해도 제거되지 않은 에틸렌 옥사이드, 산화방지용 첨가제 및 안료, 그리고 남아있는 중합 개시제의 일부 및 촉매 등과 같은 것이다.  또한 생분해 폴리머는 항상 저분자량 화합물을 분해 결과물로 외부 환경에 방출한다. 만약 이들이 세포표면과 상호작용하거나 세포내부로 들어간다면, 이들 이물질은 세포의 정상상태를 교란시킬 수 있다. 순수한 폴리에틸렌과 실리콘은 독성이 없지만 생체 친화성은 아니다. 왜냐하면 이들을 체내에 이식하면 혈전이 형성되며 이들 표면 위에 콜라겐 섬유조직이 형성된다.  생분해성과 비 생분해성 폴리머 사이에 독성 용어의 큰 차이는 생분해성 폴리머는 필연적으로 저분자량 화합물을 만들며 살아있는 세포에 부작용을 초래한다. 생분해성 폴리머의 의료 산업적 응용은 [표 2]에서 보여주고 있다. [표 3]에는 의료산업에 현재 사용 중이거나 조사 중인 대표적인 합성 생분해성 폴리머를 나타냈다.  의료산업에서 생분해성 폴리머를 가장 많이, 그리고 오랫동안 사용한 분야는 봉합사이며, 동물의 내장에서 얻어진 콜라겐 섬유가 오랫동안 사용되어왔다. 합성 생분해성 폴리머를 봉합사로 사용한 것은 미국에서 1970년대에 시작되었다. 이러한 목적으로 사용되는 상업적 폴리머는 polyglycolide가 대표적이며, glycolide-L-lactide(90:10)와 함께 가장 많은 양이 사용된다.  또 하나의 응용분야는 부러진 뼈를 고정시키기 위한 정형외과와 치과용 제품으로, 금속으로 만들어진 plates, pins, screws를 대체하는 것이다. 금속제품은 수술 후 뼈가 접합된 일정기간이 지나면 이를 제거하기 위해 재수술을 해야 하지만 생분해성 폴리머 제품은 뼈가 접합될 때까지 강도를 유지하다 그 후에는 분해되어 체외로 배출되기 때문에 재수술을 할 필요가 없는 장점을 가진다. 또한 최근에는 이들 재료를 재생의학용으로 세포를 부착·성장시키기 위한 스캐폴드로 많은 연구가 진행 중이다.Ⅲ. 약물 전달 시스템4-8 체내에 약물을 좀 더 효율적으로 질환 부근에 전달시키기 위한 새로운 복용기술로, 약물전달 시스템(DDS)이 1960대에 미국에서 시작되었다. DDS의 목적은 약물을 질환부위에 원하는 기간 지속적으로 전달하며 건강한 부위에는 영향을 주지 않는 것으로, 외부자극에 의한 약물제어 방출, 피부나 점막을 통한 약물의 단순전달 방법이 포함된다. 폴리머는 이러한 새로운 제약기술에 매우 효과적이다.  만약 약물이 주사와 같이 비경구로 투입된다면, 약물 운반체로 사용되는 폴리머는 가급적 체내에 흡수되어야 한다. 약물이 전달된 후에는 폴리머가 더 이상 필요하지 않기 때문이다. 그러므로 생분해성 폴리머가 폭넓게 사용되고 있으며, 특히 체내에 주사 또는 임플란트로 서방성 약물용으로 투입 시에 사용된다. 이러한 목적으로, 체내흡수성 나노스피어, 마이크로스피어, 비드, 실린더, 그리고 디스크 형태를 생분해성 폴리머를 사용하여 제조한다.   약물 운반체로 가장 많이 사용되는 형태는 마이크로스피어이며, 여기에 약물을 봉입시켜 약물이 물리적 확산을 통해 방출되게 하는 것이며, 이어서 마이크로스피어 재료는 흡수된다. 이와 같은 마이크로스피어는 PLGA를 사용하여 용매증발 법으로 만들 수 있다. 자연에서 생성된 생분해성 폴리머 또한 지속성 약물 전달체로 사용된다. 만약 약물이 수용성이라면, 폴리머가 생분해성이 될 필요는 없다. 왜냐하면 이 폴리머는 소변이나 변과 함께 체외로 방출된다.  [그림 3]은 생분해성 고분자에서 친수성기의 증가에 따른 단백질모델 약물 BSA의 지속적인 방출거동을 보여주고 있으며, 친수기 증가에 따라 방출이 증가됨을 보여주고 있다.Ⅳ. 재생의학5-8 재생의학은 과학, 공학 및 의학 등 여러 분야의 전문지식을 기초로 하는 학문으로 인체의 손상된 조직이나 장기를 치유하거나 대체하여 정상적인 기능을 복원하는데 그 목적이 있다.  재생의학의 발전과정은 초기의 조직공학(tissue engineering) 연구로부터 시작되었다고 해도 과언이 아닌 만큼 그 개념과 목적은 조직공학과 유사하다. 현재의 조직공학 연구는 30여 년 전 초보적인 세포 배양기술과 폴리머를 사용하여 장기제작을 시도하며 시작되었다.  초기의 재생의학은 인간의 조직과 장기를 대체할 수 있는 치료법의 개발이 가능할 것으로 주목을 받았으나 조직의 형성에 필요한 지식과 기술의 부족으로 새로운 치료법의 개발과 응용에 한계가 있었다. 그러나 최근 관련분야 외에 기계공학, 컴퓨터공학, 빅데이터, 인공지능을 비롯한 첨단 기술발전과 접목으로 혁신적인 결과들이 발표되고 있다.  재생의학의 핵심요소는 세포, 생체재료와 생리활성 물질로 이들을 종합적으로 어떻게 최적화시켜 조직을 재생하게 만드는 것이 관건이 된다. 조직의 손상된 부위가 너무 커서 전통적인 약물치료로 복원을 할 수 없을 때에는 특정세포를 스캐폴드에 부착·성장·분화시키기 위해 성장인자 함께 이식하여 조직이 형성 된 후에는 스캐폴드는 분해되어 없어지며 생성된 조직만 남아 기능을 한다는 개념이다.  이미 언급한 바와 같이 병든 조직이나 기관은 인공장기나 기관 이식으로 대체하나 이들 모두 문제가 있다. 임상적으로 사용되는 인공장기의 생체적합성은 체내 이물질 반응을 방지하기에는 만족스럽지도 못하며 기능도 만족스럽지 못하다. 이와는 대조적으로, 이식된 기관은 생체기능은 우수하나 면역거부반응으로 인한 부작용 때문에 환자는 면역억제제를 복용해야만 된다. 물론 기관이식의 주요 문제는 기관 기여자가 수요자에 비하여 절대적으로 부족한 현상이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 제시된 치료법이 초기의 조직공학이었다.  생분해성 폴리머는 세포 부착·성장과 분화를 위한 스캐폴드로 필요할 뿐만 아니라 성장인자와 같은 생리활성 물질을 조직재생 부위에서 지속적으로 방출시키기 위해 필요하다. 일반적으로, 스캐폴드는 다공성체로 만들어지며 많은 세포가 침투되어 성장 분화할 수 있도록 만든다. 만드는 방법은 생분해성 폴리머를 기반으로 한 3D 프린팅, 화이버 스피닝, 상 분리, 주사 겔, 염 추출법 등 다양한 방법들이 개발되었다.  3D 프린터를 이용하여 다공성 지지체를 만드는 모식도는 [그림 4]와 같다. 최근에는 또한 외부자극인 pH, 온도, 물리적 자극, 전기, 음파, 화학적 변화와 생물학적 자극에 반응하는 생분해성 폴리머를 이용한 조직공학, 약물전달, 메디컬 디바이스, 면역 엔지니어링 등에 활용하기 위한 연구가 진행되고 있으며 [그림 5]는 이에 대한 개념 모식도를 보여준다.  
편집부 2019-03-11
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우리 생활에 없어서는 안될 유용한 플라스틱 제품을 만드는 사출성형기 이야기 8

3상 유도전동기는 바깥쪽의 고정자(固定子)와 안쪽의 회전자가 모두 얇은 강판(鋼板)으로 쌓아 올려서 만들어져 있으며 거기에 각각 슬롯을 내고 있다. 고정자 슬롯에는 코일을 넣는다. 
편집부 2019-03-11
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고강성 고무재료 개발을 통한 경량화 기술

Ⅰ. 서론 환경규제에 대한 대응과 생산원가를 절감하기 위해 자동차 제조사로부터 부품의 경량화/저비용화의 요구가 더욱더 높아지고 있으며, 그에 대한 대응방법의 하나로 제품의 초박화(두께 감소)를 들 수 있다. 초박화를 위해서는 재료의 고강성화가 필요하며, 고무재료의 고강성화를 위한 방법으로는 카본 등의 보강제 및 폴리올레핀계 탄성체를 첨가하거나 증량하는 방법이 일반적이다.   하지만, 이러한 방법으로 제조된 고무재료의 강성은 온도 의존성이 크기 때문에 상온에서의 가공성(조립성)과 사용 환경인 고온에서의 안정성을 동시에 확보하기가 어렵다. 본 심층보고서에서는 고무 탄성을 이용하여 상온에서 고온까지 온도 의존성이 낮은 고강성의 고무재료 개발에 관해 기술하고자 한다. 온도 의존성이 낮은 고강성 고무재료 개발을 위해 가교제인 황과 유기황공여체 및 가황촉진제를 조합하여 고무 탄성을 조절하는 기술을 적용하였다.   고무 탄성의 발현을 purse NMR을 통한 분자 운동성으로 검증할 수 있었고 초박형 에어 클리너 호스를 위한 실용적인 배합에 적용할 수 있었다. Ⅱ. 에어 클리너 호스의 기능과 초박화를 위한 과제 에어 클리너 호스(Air cleaner hose)의 기능은 에어 클리너에서 흡입 매니폴더 쪽으로 공기를 옮기는 것으로 주된 요구 특성은 부압성능, 내피로성을 들 수 있다[그림 1].호스의 일반부위 두께 또는 주름 부위 두께를 초박화 하면[그림 2] 강성부족으로 상온에서의 조립 시 부서질 위험성이 있으며, 제품 사용온도인 고온에서의 부압성능이 저하됨으로 고강성 소재의 개발 및 적용이 필요하다.Ⅲ. 고강성 소재의 개발방법과 검증방법1. 고강성화를 위한 기존 기술의 문제점 [그림 3]에 현재 사용되고 있는 일반적인 소재와 기존 기술로 고강성화된 소재의 온도에 따른 강도(30% 신장 시의 응력) 변화를 나타내었고, 개발 소재가 목표하는 강도영역도 나타내었다. 현재 사용 중인 소재는 상온에서 고온으로 갈수록 강도가 떨어져 온도 의존성이 큰 것으로 나타났다. 고강성화의 종래 기술인 카본 등의 보강성 충진제 증량이나 올리핀계 엘라스트머의 첨가도 온도에 따른 강도 저하가 개선되지 않기 때문에 상온에서의 제품 조립성과 사용 환경인 고온에서의 강성을 모두를 개선할 수 없다.2. 고강성화를 위한 소재 개발 방안 설계 개발 목표를 만족하는 에어 클리너 호스용 소재 개발을 위해 온도 의존성을 줄일 수 있는 고무 탄성을 활용한 기술을 적용하였다. 고무 탄성은 온도상승에 따라 분자의 응집력이 증가해 탄성이 커지며 고무 탄성의 발현기구를 조사하는 데는 열탄성 실험이 효과적이다. [그림 4]에 나타낸 것처럼 일정 하중 조건에서 주위온도를 상승시켜 시험편의 길이 Lo의 변화를 관찰하면 일반적인 고분자 수지의 경우에는 그 길이는 온도상승과 함께 길어지는 데 반해 가교 고무의 경우에는 그 길이는 반대로 온도상승과 함께 짧아지고, 또 다음에 식히면 다시 원래의 길이로 가역적으로 회복한다.  이러한 가교 고무의 특이한 거동은 일정한 압력하의 기체가 온도상승과 함께 팽창하는 거동과 유사하다. 따라서, 가교 고무의 탄성 발현 메커니즘은 잘 알려진 기체 분자 운동론과 관련해서 설명할 수 있다.   가교 고무에서 외력에 의한 무정형 부위가 신장하면 열운동의 자유도 감소에 따른 엔트로피 감소를 초래한다. 한편 온도상승은 가교 고무 중의 분자쇄의 열운동을 활발하게 하고 그에 따라 신장된 계는 구속이 적은, 이른바 엔트로피가 큰 미신장 상태에 근접하도록 수축하려고 한다. 즉, 온도상승과 함께 일정 하중 하에서는 길이가 감소하여 일정 신장 하에서는 견인력이 증가한다.  가교 고무로서 단위체적 중에 삼차원적인 그물구조를 형성하는 가교 결합체를 생각하면 고무 탄성률은 다음과 같은 관계식이 된다.고무 탄성률은 유효 가교결합 농도, 이른바 가교 밀도와 절대 온도에 비례한다. [그림 5]와 [그림 6]에는 온도에 따른 강도의 변화 메커니즘으로서 가교 밀도 차이가 다른 고무를 비교하였다. 가교 밀도가 작은 가교 고무의 강도는 상온에서 고온으로 갈수록 떨어져 온도 의존성이 큰 거동이 된다.  그 이유로 가교에 의한 고무 탄성보다도 오일 등의 열가소성 성분의 점성의 영향이 크기 때문으로 현재 사용 중인 일반적인 소재는 여기에 해당한다[그림 5].가교 밀도를 크게 하면 온도와 비례해 더욱 높은 고무 탄성을 발현하게 되어 오일 등의 열가소성 성분의 점성과 함께 온도 의존성이 작은 고무가 된다고 생각할 수 있다[그림 6]. 개발 목표를 만족시키기 위한 소재는 이러한 거동을 바탕으로 설계하였다.3. 가교밀도를 높이는 방안 설계가교밀도를 높이는 주요 방법은 가교제의 증량, 가교조제의 증량, 폴리머의 반응성 증대이며, 이러한 방법 적용 시 나타나는 문제점 및 효과를 고려해 평가하였다[표 1].  가교 밀도 상승을 위한 방안에 대한 종합평가에 결과에 따라 가교제 증량 중 ‘유황의 증량’과 ‘유황과 유황공여제가 병용/증량’의 두 가지 방안을 선정하였다. 유황 가교 시 가교결합 구조는 [그림 7]에 나타나듯이 polysulfide, disulfide 및 monosulfide로 형성된다. 이러한 가교결합 구조의 생성 비율은 유황량, 가황촉진제의 종류, 가황 조건 등에 따라 달라진다. 유황의 증량은 polysulfide 결합이 많아진다. Polysulfide 결합은 결합에너지가 낮고 이에 따라 열에 의해 결합이 쉽게 절단되기 때문에 내열성이 떨어진다. 유황공여제를 활용하면 polysulfide에 비해 결합에너지가 높아 열안정성이 좋은 disulfide 또는 monosulfide 결합을 형성하기 때문에 내열성이 우수한 가교 고무를 얻을 수 있다. 유황공여제란 유황을 포함한 화합물로 가교 반응 중에 저분자 유황을 활성황으로서 해리, 방출시켜 가교제로 하여 작용하는 물질이다. [표 2]와 [표 3]에는 주요 유황공여제인 유기 가황제와 가황촉진제를 나타내었고 [그림 8]과 [그림 9]에는 유기 가황제인 DTDM와 가황촉진제인 TMTD의 유황 방출 메커니즘을 나타내었다. 유기 가황제인 DTDM에서 방출되는 활성황량은 (유황의 원자량 32×2)/(DTDM 분자량 236)×100 = 약 27%를 방출한다. 가황촉진제인 TMTD에서 방출되는 활성황량은 (유황의 원자량 32)/(TMTD 분자량 240)× 100 = 약 13%를 방출한다. 이것보다 가교 밀도향상으로 선정한 “유황과 유황공여제를 병용한 증량”은 “유황의 증량” 시 문제시되는 내열성 문제를 개선시킬 수 있다고 생각된다.4. 가교 밀도향상 실험 실험은 ‘EPDM 기본배합’에 대해 ‘유황 증량’과 ‘유황과 유황공여제를 병용한 증량’(이하, 유황/유황공여제 병용이라고 나타낸다)의 3개로 실험했다[표 4]. 활성황량은 선택한 유황공여제인 유기 가황제나 가황촉진제로부터 산출하였다. 배합은 1.5L banbury Mixer와 8인치 role-mill를 이용했으며, 2.2㎜ 금형에서 170°C 프레스로 10분간 가황하여 시험편을 제조하였다. 제조된 시편을 가지고 온도에 따른 강도 변화(30% modulus, JIS K6251), 가교 밀도(선택/팽윤분해법, Flory-Rehner의 식으로 산출) 및 영구압출줄음률(100°C×24h×25%, JIS K6262)을 평가하였다. [그림 10]에 가교 시스템에 따른 강도의 온도 의존성을 나타내었다. 기본배합에 대해 ‘유황 증량’과 ‘유황/유황공여제 병용’은 온도 의존성이 적고 고온 강성도 크다는 것을 확인할 수 있었다.  이것은 가교 밀도가 크기 때문이며[그림 11], 특히 ‘유황/유황공여제 병용’은 저분자의 유황을 방출함과 동시에 자신이 분해한 아민화합물이 유황을 활성화하여 효과적으로 가교 했기 때문이라고 생각된다. 또한 ‘유황/유황공여제 병용’은 monosulfide 및 disulfide 결합구조를 형성함을 확인할 수 있었다. [그림 12]에서 나타낸 영구압축줄음률을 살펴보면, 기본 배합에 비해 ‘유황 증가’는 특성이 크게 저하되지만 ‘유황/유황공여제 병용’은 저하 폭이 크지 않았다. 이는 monosulfide 및 disulfide에 따른 효과라고 할 수 있다. 설계된 배합보다 유황공여제를 증가시켜 가교 밀도를 더욱 향상시키면 고온에서의 가교결합 절단이 억제돼 고온 강성이 우수한 재료가 되는 것을 확인할 수 있었다.5. 메커니즘 검증 강성의 온도 의존성 메커니즘에 대한 검증으로서, 강성과 분자 운동성의 관계를 확인하였다.분자 운동성은 pulse NMR법으로 평가하고, 그 원리를 [그림 13]에 나타내었다. 자기장에 시료를 두고 거기에 펄스로 마이크로파를 조사하면 수소 원자의 핵스핀이 기저 상태에서 들뜬 상태가 되고 펄스파를 멈추면 원래의 기저 상태로 돌아간다. 이때의 시간을 완화시간으로 하면 분자 운동성과 상관관계가 있음을 알 수 있다. 가교 밀도가 서로 다른 고무 소재의 분자 운동성 모델을 [그림 14]에 나타내었다. 가교 밀도가 낮은 재료는 분자가 움직이기 쉽고 분자 운동성이 크기 때문에 완화시간이 길다고 할 수 있다. 그에 비해 가교 밀도가 높은 재료는 가교점에서 분자가 구속되어 움직이기 어렵고 분자 운동성이 작기 때문에 완화시간이 짧다고 할 수 있다. 이러한 방법으로 ‘기본 배합’과 ‘유황/유황공여제 병용’ 배합의 분자 운동성과 강성 관계를 비교하였다. [그림 15]와 [그림 16]에 분자 운동성과 강성의 관계를 나타내었는데 ‘기본 배합’은 가교 밀도가 낮기 때문에 고온에서의 분자 운동성이 크고 강성의 온도 의존성도 커지고 있다.  그에 비해 ‘유황/유황공여제 병용’은 가교 밀도가 크기 때문에 고온에서도 분자 운동성이 작고 강성이 유지되었다. 이것으로 볼 때 고무 탄성의 메커니즘을 분자 운동성으로 검증할 수 있었다.6. 실용 배합 설계 강성의 온도 의존성 메커니즘에 대한 검증으로서, 강성과 분자 운동성의 관계를 확인하였다. 초박형 에어 클리너 호스용 실용 배합 설계를 위해 EPDM 실용 배합 마스터배치에 유황과 선택한 활성황량을 혼합한 실험 배합을 [표 5]에 나타낸다. 활성황량은 선택한 유황공여제로부터 산출했다.  개발 소재의 목표는 [그림 17]에 나타난 상온에서의 신장률과 고온에서의 강도(100℃에서의 30% 인장 응력)로부터 설정하였다. [그림 18]에 개발 소재와 현행 소재의 강성 온도 의존성을 나타내었다. 개발 소재는 현행 소재와 비교해 온도 의존성이 작은 고강성 소재임을 확인할 수 있었다.Ⅳ. 결론고무 탄성을 활용해 온도 의존성이 작은 고강성 고무 소재를 개발할 수 있었고, 고무 탄성의 발현은 분자 운동성으로 검증할 수 있었다. 또한, 본 개발 소재는 에어 클리너 호스의 초박화를 통한 경량화에 기여할 수 있었다. 본 개발 소재의 개발기술을 그 외 제품군이나 다른 고무종에 적용할 수 있을 것으로 생각된다.
편집부 2019-02-10
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우리 생활에 없어서는 안될 유용한 플라스틱 제품을 만드는 사출성형기 이야기 7

자료제공: LS엠트론 기술교육아카데미 (http://lsmtronacademy.com)<1월호 3. 유압밸브에 이어서.. >5) 릴리프 밸브5-1) 직동식 릴리프 밸브 회로 내의 압력을 제어하기 위한 목적으로 사용된다. 1 차단의 압력을 제어한다.5-2) 밸런스 피스톤식 릴리프 밸브6) 리듀싱 밸브 릴리프 밸브와 유사하나, 2차 측의 압력을 제어한다.7) 스로틀 밸브 유량제어를 통한 기구의 속도를 제어한다.7-1) 미터인 제어 방식 실린더로 들어가는 유량을 제어하는 방식이다. 펌프와 실린더 사이에 있는 유량조절 밸브에 의해 제어된 유량이 펌프의 토출 유량을 모두 통과시키지 못하므로 잔여 유량은 릴리프 밸브로 드레인되고, A게이지에는 릴리프 밸브의 설정 압력이 표시된다. 실린더에 부하를 구동하는 압력 외에 필요 이상의 압력이 걸리지 않는 반면, 자중 또는 관성에 의한 물체의 이동이 발생할 경우 좋지 않다.7-2) 미터아웃 제어 방식 실린더에서 나오는 유량을 제어하는 방식이다. 실린더 내부에 실제 부하에 의한 압력 외에 추가적인 압력이 발생한다.7-3) 압력보상형 유량제어 밸브 유량조정부 앞뒤의 압력 차가 같다면 유량은 일정한 양이 흐르게 된다. 이러한 원리를 이용하여 압력 차를 일정하게 해줌으로써 부하의 변동에 관계없이 일정한유량을 얻고자 할 때 사용된다.8) 서보 밸브와 비례제어 밸브서보 밸브와 비례제어 밸브는 밸브에 가해지는 전기 신호에 따라 연속적으로 밸브의 밀폐요소를 움직여 유량이나 압력을 제어하는 밸브를 말한다.일반적으로 비례제어 밸브는 서보 밸브보다 제어성능(응답성)은 다소 떨어지지만, 상대적으로 가격이 저렴하고, 유압 유체 속의 이물질에 대한 민감도가 낮은 점등의 장점이 있다.9) 유압모터 유압모터는 유체 에너지를 회전하는 기계적 에너지로 변환하는 장치이며, 구조나 크기 면에서 유압펌프와 매우 유사하다. 두드러진 차이점은, 유압펌프는 작동 중에 유체를 송출구로 밀어내는데 비하여, 유압모터는 작동 유체가 유압모터 내의 회전요소(베인, 기어, 피스톤 등)를 밀어서 유압모터 축을 회전시키는 점이다.9-1) 피스톤 모터9-2) 베인 모터주로 고속 저 토르크에 사용된다. 9-3) 기어 모터주로 저속 고 토르크에 사용된다.… 2019년 핸들러 3월호에서 ‘사출성형기 이야기 8’이 이어집니다.
편집부 2019-02-10