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제30주차 IR52 장영실상, 현대차·현대모비스·한화토탈 ‘ 페인트리스 사출 크래시패드’가 수상

- ‘도장’ 과정 없이 매끈한 외관 구현 가능- 높은 수준의 외관 확보가 필요한 소형 생활가전, 대형 가전기기, 장난감 등에 적용 기대▲ 왼쪽부터 최익근 책임연구원, 안재헌 책임연구원, 이병호차장현대자동차와 현대모비스, 한화토탈이 함께 개발한 ‘페인트리스 사출 크래시패드’가 2018년 30주차 IR52 장영실상을 수상했다. 페인트리스 사출 크래시패드는 페인트를 칠하는 공정인 ‘도장’ 과정 없이 외관이 매끈한 크래시패드를 만드는 기술을 말한다. 크래시패드는 계기판 등이 붙어있는 자동차 실내 앞부분의 선반이다. 이처럼 크래시패드는 운전자와 보조석에 앉은 사람이 자주 접촉하는 차량 부위로, 운전 관련정보를 제공할 뿐 아니라 충돌 시 가해지는 충격을 흡수하는 한편, 내부에 에어백이 들어가 있어 승객의 부상을 감소시키는 중요한 역할을 한다.  일반적으로 크래시패드는 플라스틱을 높은 온도에서 녹인 뒤 금형에 넣어 특정 형태로 만드는 사출을 통해 만들어진다. 그런데 사출 시 높은 온도로 인해 끓는 상태의 플라스틱에서 기체가 발생하는데, 이 가스가 금형 안으로 들어가면 외관이 지저분해지는 문제가 발생할 수 있다. 이처럼 사출 과정에서 발생하는 표면의 잡티, 얼룩 등을 제거하기 위해 페인트를 칠하는 도장 과정을 거치는 게 일반적이다.하지만 페인트에 들어 있는 유기화합물이 크래시패드에 남아 있다가 조금씩 공기 중으로 흘러나오면서 차량 실내로 퍼져 나간다는 점이 골칫거리였다. 이 때문에 그동안 많은 업체들이 도장 공정이 필요 없는 크래시패드 개발에 나섰지만 외관 결함을 극복하지는 못했다.현대차와 현대모비스, 한화토탈 연구진은 이 같은 문제를 해결하기 위해 국내 최초로 뜨거운 온도에서 물처럼 빨리 흐르는 고유동성 플라스틱 소재를 개발해 크래시패드 제작에 적용했다. 일반 플라스틱 소재는 녹아서 금형으로 들어갈 때 마치 용암이 흐르듯 천천히 스며든다. 이 때문에 금형 안에서 플라스틱이 굳는 속도가 부위마다 달라지면서 기포나 얼룩, 긁힘 현상 등이 발생하는 문제를 고유동성 플라스틱 소재를 통해 해결한 것이다. 안재헌 현대차 칵핏모듈설계팀 책임연구원은 “페인트리스 사출 제품은 공정이 단순해 공정단가를 낮출 수 있다”며 “자동차용 페인트리스 크래시패드 사출용 소재는 도장 수준의 외관 확보가 필요한 소형 생활가전, 대형 가전기기, 장난감 등 다양한 분야로 확대 적용할 수 있을 것”으로 기대한다고 전했다. 
박애영 2018-08-07
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이구스, 스마트 에너지체인 적용으로 다운타임 사전에 방지

- 이구스의 스마트 플라스틱 제품으로 안정적인 자동화 생산 보장자동차 산업에서 가장 강조하는 부분은 바로 안정성이다. 전체 차체 또는 엔진과 같은 개별 구성품은 매우 높은 수준의 자동화 생산 라인을 거친다. 만약 이 중 한 부분이라도 생산이 갑자기 멈추게 되면 곧 엄청난 비용 손실로 이어진다. 그렇기 때문에 차량 생산 업체 및 부품 공급 업체에게는 안정적인 생산 설비가 중요하다. 이를 위해 오스트리아의 한 엔진 제조업체는 이구스의 ‘스마트 플라스틱’을 도입했다. 이구스 솔루션은 체인에 부착된 센서로 마모 정도를 측정하고 사용자에게 사전에 수리 및 교체시기를 알려준다. ■ 오스트리아 엔진 생산 공장의 엔진 블록 자동 분류를 위한 실내 리니어 로봇 이구스의 에너지체인 시스템은 한 주에 거의 18~19번 교체 가동되는 리니어 로봇에 적용되었다. 가장 바쁠 때는 하루 6,000개 정도의 엔진이 생산되는데, 평균적으로 14초에 엔진 하나가 조립라인을 떠나야 한다. 그렇기에 리니어 로봇에 적용된 에너지체인 시스템은 순식간에 백만 스트로크에 다다른다. 금속 체인대비 중량과 소음을 최소화하기를 원하는 제조업체가 있다면 이구스의 플라스틱 에너지체인이 하나의 솔루션이 될 수 있을 것이다. 제조산업 내에서 ‘예방적 유지보수’가 중요한 화두로 떠오르며 구현 가능한 시스템을 찾고 있는데, 이구스는 이에 대해 수년간 준비해왔다. 이구스의 e체인 시스템 담당자인 Michael Blaß은 “우리가 ‘isense’라는 명칭으로 분류한 이 제품군은 다양한 센서와 모니터링 모듈로 구성되어 있다. 기계와 제품의 디지털 네트워크 시스템 덕분에 구성품의 상태를 측정 및 기록하고, 유지보수가 필요할 때 즉시 사용자에게 알릴 수 있다”고 밝혔다. 해당 기술로 사용자는 예기치 않은 다운타임이나, 막대한 비용 손실을 방지할 수 있게 되었다.■ 이중 안전 장치: 마모 및 파손 모니터링 이번 베타 테스트에는 isense EC.W(Wear) 제품이 적용 되었다. e체인의 크로스바에 설치된 마모 감지센서가 주행 중인 e체인의 상태를 실시간으로 측정하며, 마모가 지속적으로 진행되어 체인의 수명이 다할 때쯤 신호를 전송하는 시스템이다. 다만 고성능 에너지체인의 뛰어난 내마모성 덕분에 지금까지 심각한 수준의 마모가 진행되지 않아, 실제 신호는 아직 전송되지 않았다. 폴리머 와이어와 센서로 체인의 상태를 모니터링하는 isense EC.B(Break) 모듈을 사용하는 것이 더욱 중요하다. 과거에는 외관상으로는 변화가 감지되지 않지만 에너지체인 시스템이 파손되는 경우가 있었으나, EC.B로 이러한 문제점을 사전에 예방할 수 있다. 오스트리아의 엔진 공장에서 이구스의 isense 모듈은 이달의 혁신 기술로 선정되었으며, 현재 50~60대의 파손 감지형 에너지체인 시스템의 추가 주문이 계획되어 있다. 베타 테스트에 적용된 세 시스템중 하나는 이제 생산라인에 그대로 남아 가동되고 있다. 시스템의 육안 점검 후 엔지니어는 알람이 잘못 되었는지, 유지보수가 실제 필요한지 여부에 대한 판단이 가능하다. 이러한 방식으로 해당 공장은 유지보수나 파손으로 인한 막대한 손실을 효과적으로 방지하고 있다. 
박애영 2018-08-07
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화학(연), 높은 효율과 열안정성 모두 잡아… 페로브스카이트 태양전지 분야 세계 선도

- 1㎠ 소자 세계 최고 효율 20.9% 공인인증, 네이처 에너지(IF=46.859) 논문 게재 - 높은 열안정성 지닌 새로운 정공 수송 소재 개발하여 고효율과 장기 안정성 동시 확보한국화학연구원 에너지소재연구센터 서장원 박사 연구팀은 페로브스카이트* 태양전지를 구성하고 있는 새로운 소재를 개발해 전지의 열안정성을 높이고 1㎠ 소자 세계 최고 효율(20.9%)을 기록했다. 본 성과는 네이처 에너지(Nature Energy, IF=46.859) 7월 9일자(현지일자) 온라인판에 게재되었다. * 부도체·반도체·도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 물질로 AMX3 화학식을 갖는 구조체(A, M은 양이온, X는 음이온, 발견자인 러시아 과학자 페로브스키를 기념하여 명명함)페로브스카이트 태양전지는 제조가 쉽고 저렴해 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 태양전지가 상업화되려면 태양광을 전기에너지로 변환시키는 효율과 실제 태양전지 구동 환경에서의 높은 온도에 대한 열안정성이 동시에 높아야 한다. 하지만 지금까지는 페로브스카이트 태양전지에서 고효율과 열안정성을 동시에 만족시키기 어려웠다. 화학(연) 연구팀은 효율을 높게 유지하면서 열안정성도 동시에 만족시키는 기술을 개발한 것이다. 페로브스카이트 태양전지 단면은 총 세 개의 층으로 이루어져 있다. 맨 위에는 물질의 정공*을 이동시키는 정공 수송 층이, 가운데에는 빛을 받아 전하를 생성하는 페로브스카이트 구조의 화합물층이, 아래에는 전자를 이동시키는 전자 수송 층이 있다. 태양광을 받으면 페로브스카이트 구조를 가진 중앙 화합물층의 전자와 정공이 이동하면서 전기가 발생한다. 이때 정공은 양극으로, 전자는 음극으로 이동하는데 정공을 운반하는 층을 정공 수송 층이라고 한다. 연구팀은 이 정공 수송 층에 쓰이는 새로운 화학소재를 개발한 것이다. * 정공 : 반도체 내에서 전자가 부족한 상태를 나타내는 가상의 입자로서, 전자와는 반대로 양의 전하를 띈다.‘DM’으로 명명된 새로운 화학소재는 정공을 운반하는 능력이 뛰어나고 페로브스카이트 전지에 최적화된 에너지 레벨*을 지녔다. 이러한 특성은 태양전지의 개방전압을 높이는 데 결정적인 영향을 끼쳤다. 개방전압은 태양전지의 효율을 측정하는 주요 기준으로, 본 소재를 적용한 페로브스카이트 태양전지는 단위 소자 면적(0.1㎠)보다 10배 큰 1㎠ 소자에서도 높은 효율을 보였다.** * 에너지 레벨 : 물질의 전기적 특성에 관한 고유값(원자, 분자 혹은 고체 물질 등과 같이 양자역학적 계에서 형성된 전자들이 존재할 수 있는 양자화된 상태들이 가지는 에너지 값)** 태양전지 소자 효율은 단위 면적당 입사하는 빛 에너지와 태양전지 출력의 비율을 의미한다. 소자 효율을 측정하는 항목에는 개방전압, 단락전류밀도, 성능지수가 있는데, 본 기술은 개방전압을 높였다. 전압이 높으면 태양전지의 효율이 향상된다. 또한, 기존 정공 수송 소재인 Spiro-OMeTAD 소재가 가지고 있는 취약한 열안정성을 극복했다. 신규 개발된 소재는 섭씨 60도에서 500시간 이상 장기 열안정성을 보인다. 본 결과는 같은 면적 1㎠에서 지난 2017년 기록한 19.7%의 효율(사이언스지 게재)을 약 1년여 만에 갱신한 성과다. 한편, 화학(연)에서 지난해 11월 미국재생에너지연구소(NREL) 차트의 단위 소자 면적 세계 최고 효율(22.7%)을 기록한 기술과는 다른 기술이다. 그러나 성능 면에서 지난해 기술에 버금가는 우수한 결과*다. * 2017년 22.7% 효율은 단위 소자인 0.1㎠에서의 결과이며, 올해 본 기술을 적용한 결과는 단위 소자에서 22.6%, 그 10배 면적인 1㎠에서는 20.9% 효율이다(1㎠ 세계 최고 효율). 화학(연) 서장원 박사는 “이번 연구는 페로브스카이트 태양전지의 효율과 열안정성을 동시에 확보하여 상용화 가능성을 높였다는데 큰 의미가 있다. 앞으로 고효율화 기술을 적용한 대면적 모듈 제조 개발에 힘쓰겠다”고 향후 계획을 밝혔다.공동교신저자로 참여한 화학(연) 이재민 박사는 “이번에 새롭게 개발된 정공 수송 소재는 유기화합물로 이루어져 있다. 앞으로, 우리나라가 강점을 가지고 있는 유기반도체 소재 분야와 페로브스카이트 태양전지 분야의 협업이 더욱 활발해질 것으로 기대된다”고 말했다.이번 연구는 화학(연) 주요사업 및 산업통상자원부 한국에너지기술평가원 신재생에너지 핵심기술 개발사업, 과학기술정보통신부 한국연구재단 글로벌 프론티어 사업(멀티스케일에너지시스템연구단)과 학문후속세대 대통령포스닥사업의 지원으로 수행되었다. - 논문명: A fluorene-terminated hole-transporting material for highly efficient and stable perovskite solar cells (DOI:10.1038/s41560-018-0200-6)- 저자정보: 화학(연) 서장원 박사(공동 교신저자), 이재민 박사(공동 교신저자), 전남중 박사(공동 제1저자), 나혜진 연구원(공동 제1저자), 정의혁 박사(공동 제1저자) 연구내용본 연구팀은 고품질 페로브스카이트 박막 구현을 위해 다양하고 획기적인 기술의 개발을 통해 상대적으로 단기간에 괄목할 만한 소자 성능 향상을 이루었다. 상용화를 위해서는 고효율 이외에 장기 안정성과 소자의 대면적화에 관한 연구 또한 상당히 중요하다. 기존에 사용되는 spiro-OMeTAD는 낮은 유리전이온도(Tg)와 흡습성이 있는 첨가제의 도입 (Li-TFSI, tBP)으로 인해 소자의 안정성을 저해한다고 알려져 있다. 이를 극복하기 위해 페로브스카이트 태양전지 구성 요소 중 열적으로 가장 취약한 spiro-OMeTAD를 화학적으로 간단하게 개질하여 상용화를 위한 세 가지 요소를 모두 확보할 수 있는 방안을 개발하였다.본 연구는  spiro-OMeTAD 구조(그림 1 위 왼쪽)의 말단을 기존의 methoxy phenyl-에서 구조적으로 평면성이 높고 electron donating이 약한 fluorene을 도입한  DM(그림 1 위 오른쪽)을 설계하고 합성하였다. 상대적으로 electron donating 능력이 약한 말단이 도입된 DM은 spiro-OMeTAD대비 낮아진 highest occupied molecular orbital (HOMO) energy level을 보였다.(그림 1 아래 왼쪽) 이는 본 연구에서 사용한 페로브스카이트 층의 valance band maximum(VBM)의 줄어든 energy offset으로 감소한 energy loss를 확보할 것으로 예상된다. DM은 spiro-OMeTAD대비 40∘C 높은 유리전이온도를 보이며 향상된 물질의 열적 안정성을 확인하였다.(그림 1 아래 오른쪽)그림 1. (위 왼쪽) spiro-OMeTAD, (위 오른쪽) DM 의 화학 구조식, (아래 왼쪽) 해당 물질을 도입한 페로브스카이트 태양전지 각 층의 에너지 레벨, (아래 오른쪽) spiro-OMeTAD와 DM의 열적 특성Energy level 조절을 통해 DM 기반의 페로브스카이트 태양전지는 spiro-OMeTAD 기반의 태양전지에 비해 향상된 개방회로전압(VOC)를 얻었다.(그림 2 위 왼쪽) 증가한 VOC를 기반으로 22% 이상의 높은 효율을 나타냈으며, 이 효율은 이전 발표되었던 22.1% (2017년 Science 발표)에 비해 향상된 효율이다. 또한, DM을 1㎠ 면적의 태양전지에 적용하였을 때, 20.9%의 전력 변환 효율을 보였고 이는 공인인증을 받았다. 위 효율은 지금까지 보고된 1㎠ 면적의 페로브스카이트 태양전지 중 최고 효율이며, 모듈로 도입 가능성을 충분히 증명할 수 있는 의미 있는 결과이다. 증가한 효율에 더불어 DM 기반의 태양전지는 spiro-OMeTAD를 도입한 태양전지에 비해 60~80℃ 내의 온도에서 높은 열안정성을 보였다.(그림 2 위 오른쪽) DM 기반 태양전지의 장기 안정성을 확인할 결과, 500시간 동안 60℃의 온도에서 보관한 태양전지의 효율(21.2%)은 초기 태양전지의 효율(22.3%)에 비해 95%를 유지하는 우수한 열안정성을 보였다. 그림 2. (위 왼쪽) spiro-OMeTAD를 도입한 페로브스카이트 태양전지와 DM을 도입한 태양전지의 에너지 변환 효율, (위 오른쪽) 각 해당 태양전지의 온도별(60℃, 70℃, 80℃) 열안정성 비교, (아래) DM을 도입한 페로브스카이트 태양전지의 60℃에서 장기 열안정성기대효과이번 연구는 정공 수송 소재의 화학적 개질을 통해 무/유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지의 고효율과 더불어 대면적화, 안정성 확보를 동시에 구현할 수 있음을 밝혔다. 본 연구에서 개발한 정공 수송 물질은 페로브스카이트 태양전지의 상용화에 한 걸음 더 나아가게 만들었다.이는 기존 상용화된 단결정 실리콘 태양전지나 박막형 태양전지의 광전 변환 효율에 근접한 성능으로 차세대 태양전지의 상용화에 적극적으로 활용될 것으로 전망한다. 또한 본 연구에서 적용한 말단 개질의 전략은 추후 더욱 우수한 정공 수송 물질 개발에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대한다.
이용우 2018-07-11
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우레탄 소재의 자동차부품 적용기술 동향

Ⅰ. 폴리우레탄 개요폴리우레탄은 1937년 독일 오토 바이엘 박사와 그의 팀원들이 개발한 이후 전자·전기, 자동차, 의류, 건축 등 많은 곳에 응용되고 있다.우레탄 결합(Urethane Bond)은 활성 수산기(-OH)를 갖고 있는 알코올과 이소시아네이트기(Isocyanate Group, -N=C=O)를 갖고 있는 이소시아네이트(Isocyanate)가 부가중합반응(Addition Polymerization Reaction)에 의해 반응열을 발생시키면서 형성된다.
이용우 2018-07-05
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화학(연), 태양광 이용 ‘3차원 플라스틱 인공 나뭇잎’으로 유용한 자원 만든다

- 햇빛으로 지구온난화 가스를 자원화하는 3차원 플라스틱 인공 나뭇잎 핵심 원천기술 확보- 국제 학술지인 ChemCatChem 전면 표지(Front Cover) 논문으로 선정한국화학연구원 백진욱 박사(CO2에너지연구센터장) 연구팀이 태양 빛만을 이용해 이산화탄소로부터 포름산*을 선택적으로 생산하는 ‘3차원(3D) 플라스틱 나뭇잎’ 원천기술을 세계 최초로 개발했다.이번 기술은 그 가치를 인정받아 촉매과학분야의 국제 학술지인 ChemCatChem 전면 표지 논문으로 게재되었다.본 연구성과는 전 세계적으로 개발 초기 단계에 있는 미래원천기술인 ‘인공광합성’**을 지속적으로 연구하여, 기존 연구에서 진일보한 결과다.
이용우 2018-07-05
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스마트 생산을 위한 주변 설비 통합제어 기술, LS엠트론의 CSI-C

설계, 조달, 생산, 서비스 등 전 제조 프로세스의 효율성과 최적화를 목표로 하는 4차 산업혁명은 궁극적으로 ‘스마트 공장(Smart Factory)’으로 귀결된다.널리 알려져 있듯이 스마트 공장 관련기술은 생산, 기계, 서비스 영역으로 나뉜다. 이러한 프레임 하에 유럽의 플라스틱/고무 제조자 협회(이하 Euromap)에서는 스마트 사출공장과 관계된 기술을 구분하였고, Euromap의 회원사인 유럽 사출성형기 제조사들은 각각 inject 4.0, Plastics 4.0 등의 캐치프레이즈를 내걸고 관련기술을 개발하고 있으며, 이러한 세계적 흐름에 발맞추어 LS엠트론 역시 “Connection”과 “Smart”의 관점에서 스마트 사출공장 대응 솔루션을 개발하고 있다. 본 고에서 소개하고자 하는 주변 설비 통합제어 시스템 CSI-C도 스마트 생산과 관련된 기술 중 하나이다.
박애영 2018-07-03
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삼보계량시스템(주), 플라스틱 펠릿 이물질 선별기 ‘PLATON’

- 플라스틱 펠릿에 혼입된 이물질 및 이색 불량 펠릿 선별 자동화로 수익증대 및 품질향상- 투명에서부터 불투명, 유색까지 선별 가능펠릿 이물질 선별기가 왜 필요한가?삼보계량시스템(주)의 플라스틱 펠릿 이물질 선별기는 컴파운드나 마스터배치 생산업체에서 주로 사용된다.작업자가 일일이 수작업으로 불량품을 검수하던 방식을 기계자동화로 변환함으로써 작업자의 부담을 줄여주고, 장시간에 걸친 검수 시간을 단시간 내에 가능하게 만들어준다.또한 사람의 눈으로 자칫 놓칠 수 있는 불량 제품들을 선별기준이 명확한 이물질 선별기를 사용해 불량 검수율을 높이고, 출하 후 발생할 수 있는 소비자 클레임을 미연에 방지해준다는 장점이 있다.
박애영 2018-07-03
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최신 복합소재 기술 동향 (Ⅱ)

Ⅰ. 서론다기능 복합소재는 부품의 수와 재료 사용량을 줄여 최종 제품의 성능 및 가격 경쟁력을 향상시킬 수 있기 때문에 최근 쇼와덴코, 미쓰비시화학, 다우, 바이엘, 하니웰 등 글로벌 기업들과 LG, 한화 등 국내 대기업들이 탄소 기반의 다기능 복합소재 개발에 박차를 가하고 있다. 복합소재는 나노 복합소재, 하이브리드 복합소재, alloy 복합소재 등으로 나눌 수 있으며, 환경 및 에너지 문제 해결의 솔루션으로 기대되고 있다. 경량화 및 에너지 절감으로 에너지 효율화, 철강 생산의 부산물서의 탄소 폐기물 재활용 등 자원 절감 측면에서도 주목받고 있다.
이용우 2018-06-05