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2화 : ANSYS와 사출 프로그램과의 연계를 통한 성형물의 변형해석 및 적층가공 해석 1. 사출 성형물의 변형해석 사출 성형물은 수지가 유입되는 게이트 위치, 유입 압력, 금형의 냉각 회로, 냉각 시간 등에 따라 제품의 변형 및 불량률이 크게 달라지게 된다. 금형을 제작하기 전에 미리 공정상에 발생할 수 있는 문제를 예측하거나 불량률을 감소시키기 위해 보통 사출전용 특화 프로그램을 사용하여 사출해석을 수행한다. 사출해석에서는 금형 내부의 압력 분포와 열 분포 및 잔류 응력을 계산하거나, 미성형 등을 검토할 수 있고 Fiber가 혼합된 재료의 경우 Fiber의 배향성도 확인할 수 있다. 그러나 사출해석 수행만으로는 제품의 성능 및 구조적 결함을 확인하기에는 한계가 있다. 그 이유는 사출해석에서 구해진 결과들로는 사출 성형물이 실제 제품에 조립되거나 제품 구동시의 거동 등을 확인할 수는 없기 때문이다. 이를 검토하기 위해서는 구조해석 전문 프로그램을 사용할 필요가 있다. 이번에 소개할 내용은 사출 후변형을 고려한 구조해석으로 사출 프로그램과 ANSYS 사이의 연계를 돕는 “ANSYS MoldSim” 프로그램에 대한 내용이다. A. 사출-구조 연성해석에 필요한 사출해석 결과 데이터사출해석을 수행하여 얻을 수 있는 결과들은 매우 다양하다. 그 중에서 구조해석과의 연계 해석에 필요한 데이터는 제품의 온도 분포 및 잔류 응력, Fiber 배향 결과이다. ▶ 제품의 온도 분포 및 잔류 응력사출해석에서 구해진 성형물의 온도 분포 및 잔류응력 결과를 구조해석에서 적용할 수 있다. 기본적으로 용융재료가 액상에서 고상으로 변하면서 수축이 발생하고, 고상의 재료가 냉각 공정과 취출 공정을 거쳐 상온에 노출 될 때 온도 차에 의해 다시 수축이 발생한다. 보통 상변화에 대한 수축 정도를 잔류 응력 값으로 확인하며, 고상에서는 위치 별 온도 분포를 확인하여 상온으로 냉각시의 수축을 구조해석으로 수행할 수 있다. ▶ Fiber 배향 분포사출 충전 재료에 Fiber를 혼합할 경우, Fiber의 배향 방향에 따라 재료의 강성, 휨에 대한 후변형이 달라지게 된다. 그림 1과 같이 사출 게이트 위치에 따라 Fiber의 배향이 달라지게 되고, 그에 따른 후변형 결과까지 영향을 미치게 된다. 제품의 온도 분포 및 잔류 응력의 경우, 사출해석 프로그램에서 위치별 결과 데이터를 추출하여 쉽게 ANSYS 내부에서 Mapping이 가능하다. 별도의 추가 모듈 없이 적용이 가능하여 쉽게 사출-구조 연성해석이 가능하다. 문제는 Fiber 배향성을 적용할 때이다. Fiber 배향성은 요소 볼륨에 대한 결과로 구조해석에 사용하기 위해서는 각각의 요소에 강성의 방향성을 적용해야 한다. 이를 위해서는 사출해석에 사용한 격자를 구조해석에서 동일하게 사용해야 하지만, 격자를 그대로 사용하기엔 격자 수가 너무 과도하거나, 지원하지 않는 요소 타입(모양)이거나, Import 시간이 오래 걸리는 등의 문제가 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 별도의 연결 프로그램을 사용하게 되는데 ANSYS에서는 MoldSim을 사용하여 Fiber 배향 결과 데이터를 구조해석에 반영한다. B. MoldSim을 사용한 ANSYS 사출-구조 연성해석ANSYS MoldSim은 그림 2와 같이 사출해석에서 구해진 결과 데이터들을 쉽게 ANSYS 구조해석에 적용할 수 있도록 돕는다. 사출-구조 연성해석 수행을 위해 필요한 데이터에는 사출해석 격자 파일, Fiber 배향 결과 파일이 필수적이며, 잔류응력 및 온도 분포 데이터 파일을 추가로 적용하여 해석에 반영할 수 있다. 그림 3과 같이 시스템을 연결하면 쉽게 사출해석 결과 데이터를 구조해석 시스템으로 전송이 가능하고, 사출해석과 구조해석 수행 시에 서로 다른 격자를 사용할 수 있다. 또한 MoldSim을 사용하면 사출품에 비선형 재료물성(소성영역)을 적용하여 더욱 정확도 높은 해석 결과를 도출할 수 있고, 구조해석에 특화된 다양한 경계조건 적용이 가능하다. MoldSim에서 지원 가능한 사출해석 프로그램은 Autodesk Moldflow Insight, Moldex3D, SOLIDWORKS Plastics 이다.  2. ANSYS 적층가공 해석 적층가공이란, 3D(입체) 프린트를 사용하여 원료를 여러 층으로 적층하며 제품을 생산하는 공정이다. 별도의 금형 제작 및 중간 과정 없이 즉각적인 생산이 가능한 방법으로 절삭공정 및 사출공정으로도 생산이 어려운 복잡한 형상의 제품을 쉽게 제작할 수 있다. 공정에 사용 가능한 재료는 플라스틱(폴리머), 금속, 생체시료 등이 다양하게 사용되며 재료 및 적층 방식에 따라 다양한 적층가공 기술들이 있다. 많은 적층가공 기술들 중 일부를 그림 4에서 소개한다. ▶ 대표적인 적층 가공 기술들▪ Fused Deposition Modeling(FDM) : 필라멘트 상태의 고체 수지를 녹여 적층하는 방식▪ Powder Bed Fusion(PBF) : 쌓여진 분말 형태의 금속재료에 레이저 또는 전자빔을 사용하여 용융시켜 적층/결합시키는 방식 (DMLS, DMLM, EBM, SLM 등등)▪ Directed Energy Deposition(DED) : PBF와 유사하지만 재료를 쌓아두고 용융시킨 것이 아니라 레이저 소스와 함께 움직이며 적층/결합시키는 방식적층가공 공정으로 제품을 제작할 경우, 하부에서부터 재료가 용융되면서 적층되는데 이때 가해지는 열이 부분적으로 이미 생성된 구조물에 변형을 일으키면서 불량이 발생할 수 있다. 대표적인 것이 과열에 의한 변형, 레이어 분리, 뒤틀림, 잔류응력에 의한 짧은 수명 등이 있다. 보통 적층가공법으로 생산된 제품에 불량이 발생할 경우, 제품이 성공적으로 생산될 때까지 옵션을 변경하며 반복하여 제작을 시도하게 된다. 불량이 없는 제품 생산을 위해 매번 반복적으로 공정을 시도하게 되면 제작 시간 및 재료의 소모가 커서 효율이 떨어지게 된다. 이러한 점을 보완하기 위해 우리는 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 불량을 예측하거나 제작 공정을 안정화 시킬 수 있다. ANSYS는 Additive Manufacturing 시스템을 사용하면 금속 재료에 대한 Powder Bed Fusion(PBF) 기술을 사용한 적층가공 해석을 수행할 수 있다. 그림 5와 같이 제품(출력물)과 하부 베드(빌드 플렛폼) 또는 제품 지지부를 모델링하고 적층가공 공정 변수(재료 용융 온도, 레이어 두께, 레이저 속도 등)를 입력하여 과도 열전달 해석 및 정적 구조해석을 수행할 수 있다. 그림 6에는 타 프로그램과 ANSYS 결과를 실험 결과와 비교하였다. 실험데이터의 패턴이 ANSYS 결과에서 더 유사한 것을 알 수 있으며, ANSYS로 수행한 적층가공 해석의 정확도에 대한 신뢰도를 확인할 수 있다.  맺음말 이번 화에서는 ANSYS에서 수행하는 사출품 및 적층가공품에 대한 해석을 소개하였다. 사출품의 경우, ANSYS MoldSim을 사용하여 사출해석 결과를 사용한 사출 - 구조 연성해석이 가능했다. 적층가공품은 Additive Manu-facturing 시스템을 사용하여 적층공정 중에 적용되는 열과 그에 대한 변형을 계산할 수 있음을 확인했다. 이어서 연재될 3화에서는 “ANSYS를 이용한 적층형 복합재 해석 및 멀티스케일 해석”이란 주제로 다양한 복합재료 및 다공성 재료, 미세패턴이 반복되는 구조물에 대한 해석을 소개할 예정이다. 
이용우 2018-03-05
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사출성형기술과 반응성형기계를 결합, 금형 내에서 직접 코팅하는 혁신적인 원-스텝 생산 방식세계 여러 브랜드 제조업체가 생산하는 자동차, 핸드폰, 청소기, TV 등은 종종 기술적인 면뿐만 아니라 기능면에서도 비슷한 수준을 보여준다. 이럴 경우, 디자인이 구매결정의 주요한 요소가 된다. 이러한 트렌드는 추가적인 원가상승 없이 특수한 표면 마무리를 포함한 고품질의 플라스틱 표면처리에 대한 새로운 공정기술 개발을 요구하는데, 최근 주목받고 있는 표면마감 솔루션으로 열가소성 플라스틱 기반 성형물을 폴리우레아(PUA) 원료로 코팅하는 공정이 있어 화제다. 폴리우레아 코팅은 폴리우레아 기반의 원료에 여러 가지 성분을 첨가하여 제품표면에 다양한 물성을 구현하는 한편, 블랙, 투명, 메탈릭, 유광, 무광 등 뚜렷한 색상과 표면질감을 조성하는 반응성형 기술을 사출성형기에 통합한 다중사출 방식이다.이 신기술 공정은 수년간 개발되어, 세계 최초로 Peugeot SUV 3008의 우아한 피아노블랙 A필러 트림을 도장 대신, 솔벤트나 이형제 없이 금형내 원-샷 프로세스로 시리즈 생산을 시작하며 성공적으로 시장에 런칭되었다. 또한 Opel의 외장부품 양산에도 적용 중이며, 그 외 유수의 글로벌 자동차 내·외장 부품과 산업용 기기, 가전제품, 의료장비, 측량기기 케이스 등 다양한 분야에서 해당 기술의 채택이 날로 확대되고 있다.폴리우레아(PUA)란 무엇인가?폴리우레아(Polyurea)는 1980년대 초 미국 Texaco社에서 개발한 최첨단 재료로써, 큰 개념에서 볼 때는 폴리우레아가 폴리우레탄 범주에 포함되지만, 분자구조에서는 매우 큰 차이가 있다. 활성수산기(-OH)를 갖고 있는 Alcohol과 이소시아네이트(Isocyanate)가 부가중합반응에 의하여 폴리우레탄 결합을 형성하는 것과는 다르게, 폴리우레아는 아민(Amine)과 이소시아네이트(Isocyanate)의 연쇄반응으로 생성되며, 반응속도가 매우 빨라 촉매가 필요 없는 것이 특징이다. 폴리우레아는 내화학성이 뛰어나며, 인장강도와 내구성이 우수하여 기존의 건설, 산업, 선박 등의 분야에 널리 사용되고 있다. 또한 폴리우레아는 경화속도가 빨라서 시공기간을 단축시킬 수 있고, 폴리우레탄이나 에폭시와는 달리 물과의 친화력이 적은 소수성을 가지고 있기 때문에 표면에 습기가 있거나 낮은 온도의 표면에도 직접 분사가 가능하고, 열에도 매우 강한 특징이 있어 그 적용범위가 점차 확대되어 가는 추세다.이형제가 필요 없는 폴리우레아 코팅제의 장점독일 파나두어(Panadur)사는 반응성형 코팅 솔루션 전문기업으로, 탁월한 물성을 가진 폴리우레아를 개발·시스템화하여 유럽 및 북미 유수의 자동차 내·외장 부품에 사용 가능한 인증을 받았다.폴리우레아 코팅은 기존의 도장을 대체할 수 있으며, 라커 도장에 수반되는 전·후처리 공정이 필요 없다. 또한 이형제를 사용하지 않고 용제나 유연제(Softening Agent)가 불필요하며, 중금속 등 기타 유해물질을 배출하지 않아 친환경적으로 원하는 도장 색상의 우수한 표면 품질이 구현된다.폴리우레아 기반에 탄소나노튜브나 이산화규소, 은 성분을 첨가하여 항균효과, 난연성, 내스크래치성, 적외선 흡수, 열전도성 솔루션 등 원하는 다양한 물성을 제품표면에 구현할 수도 있다. 한편, 입체감의 고광택 투명 또는 피아노블랙 색상을 포함한 클래식 컬러뿐만 아니라 펄 안료, 알루미늄 파티클 등을 혼합하여 열가소성 플라스틱에서는 구현이 어려운 메탈릭 또는 반투명 색상도 구현이 가능하며, 유광, 무광 등 다양하고 뚜렷한 색상과 질감으로 표면을 마감할 수 있다.또한 필요에 따라 표면경도의 조절이 가능하고, 60°C 온도에서 2시간 처리 시, 스크래치가 복원(테스트 방법 : ERICHSEN LINEARTESTER 249)되는 자가 복원력(Reflow-effect) 기능을 추가할 수 있으며, 온도 90°C, 습도 95%에서 72시간이상 표면 변성이 생기지 않는 뛰어난 내가수분해성을 향상시킬 수도 있다.폴리우레아 코팅은 뛰어난 경도, 내스크래치성, 내충격성, 열변형내성, 내화학성, 내광성, 부식내성, 고광택, 다양한 컬러 등의 물성을 보이고, 공정상에서도 이형제나 솔벤트 사용 없이, 저점도, 낮은 가공온도, 빠른 사이클 타임, 보관상 안정성, 크기조절 가능한 다양한 입자 및 컬러, 코팅두께 조절기능 등 매우 뛰어난 이점들이 있다.사출성형과 폴리우레아 반응성형의 혁신적인 공법폴리우레아 코팅공법은 사출성형 후 별도로 이루어지던 도색과정 일체를 하나의 프로세스로 통합한 것으로, 사출성형 기술과 반응성형 기계를 결합하여 금형 내에서 직접 코팅할 수 있도록 하는 혁신적인 원-스텝 생산 방식이다.첫 번째 사이클에서 열가소성 플라스틱 소재 베이스 성형물을 사출하고, 두 번째 사이클에서는 금형 안의 성형물 표면 위에 안료와 혼합한 아민(Amine) 주재와 ISO경화제를 별도의 노즐로 주입하여 반응 생성된 열경화성 폴리우레아로 플로우 코팅을 입힌다.사출금형 안으로 열경화성 소재를 주입함으로써, 착색과 광택처리가 끝난 완제품이 곧바로 사출되는 원리로, 작업처리 사이클이 단축되고 불량률이 낮아진다. 특히 이 설비를 처음 사용하는 업체에서는 기존 도장 및 전후처리 공정이 필요 없어 시설투자비를 절약할 수 있으며, 중간 완충용 저장장치와 비용이 수반되는 후속 물류장치가 불필요하여 물류체계를 효율화할 수도 있다. 또한 스크랩 발생을 감소시키고, 제품 이송을 쉽게 할 수 있다. 이로써 스프레이, 코팅 등의 별도 후공정으로 이루어지던 종래의 방식보다 최대 30%까지 원가를 절감할 수 있다.일반적으로 열경화성 폴리우레아 코팅제는 2액형(안료 혼합된 아민(Amine) 주재와 ISO경화제)으로 생성하는데, 여기서 새로 개발된 믹싱헤드를 사용하면 안료를 별도로 한 3액형으로도 구현이 가능하며, 빠르게 안료를 교체할 수 있다. 안료 교체를 위해서 믹싱헤드에 장착된 안료 모듈을 몇 분 안에 교체만 하면 된다.안료는 안료 모듈 내의 닫힌회로를 통해서만 순환하고 믹싱헤드를 통과하지 않도록 설계되었기 때문에 헤드 안에 안료가 남아 색상이 섞일 염려가 없고, 안료 노즐은 안료를 토출할 때만 개방되어 안료는 믹싱 챔버로 바로 투입된다. 뿐만 아니라, 새로운 믹싱헤드 시리즈는 적은 양의 PU소재를 안정적이고 균일하게 믹싱하기에 특히 적합하다.작업안전용 하우징을 포함하여 로봇 시스템과 모든 자동화 장치를 이동 가능한 로봇 플랫폼 위에 추가적으로 설치하면 간단한 조립까지 완성할 수 있게 된다. 금형 내에 프로세스가 완료되면 한 기계에서 가공이 완성되고, 쉽고 신속하게 완성된 고품질 표면마감 부품이 생산되는 것이다. 
이용우 2018-03-05
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유연하고 탄성이 있으며, 미세구조 출력 시 구조를 잡아줄 수 있는 특수 물질 포함엔지니어링 플라스틱(EP) 전문업체 코오롱플라스틱이 국내 최초로 컬러 FDM용 3D 프린터에 사용가능한 INKRAYON Flex를 기반으로 한 신제품 INKRAYON¢ç Medi(이하 Medi) 필라멘트를 새롭게 출시했다.컬러 FDM용 3D 프린터 전용으로 개발된 신제품 INKRAYON¢ç Medi 필라멘트는 유연하고 탄성을 가지는 것이 가장 큰 특징이다. 또한 심장, 위장과 같은 인체의 장기 모형 출력을 타깃으로 개발되어, 어려운 수술을 하기 전에 시뮬레이션을 하거나 수술 진행시의 네비게이션으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 코오롱플라스틱이 기존에 개발해 판매하고 있는 INKRAYON¢ç Flex 및 INKRAYON¢ç Transparent가 주로 일반 교육용 소재였다면, 이번 신제품 INKRAYON¢ç Medi는 기존 소재를 기반으로 의료용 시뮬레이터(장기 모형)를 위해 업그레이드된 필라멘트로, 기본적으로 유연하고 탄성이 있으며, 여기에 미세구조 출력 시 구조를 잡아줄 수 있는 특수 물질이 포함된 것이 특징이다. INKRAYON¢ç Medi 필라멘트는 코오롱플라스틱과 협력하고 있는 3D 코리아(경북 성주)와의 파트너쉽을 통해 대형병원에서의 수술용 시뮬레이터 가능성을 타진하고 있으며, 향후 고가의 소재 및 장비로 출력한 시뮬레이터(장기 모형)보다 더 저렴한 가격에 우수한 성능의 솔루션을 공급할 수 있을 것으로 보인다.최근 3D 프린팅 기술을 의료산업에 적용하고자 하는 움직임이 활발하다. 또한 수술 성공률을 향상시키기 위한 다양한 시도가 진행되고 있고, 이 가운데 수술용 시뮬레이터를 통해 수술하기 이전, 혹은 수술할 때 활용하는 임상이 진행 중이다. 최근 수술용 시뮬레이터는 스트라타시스의 오브젯 장비를 활용하여 출력하고 있는데, 반투명하고 유연한 특징은 가지고 있지만, 장비(3D 프린터) 및 사용 재료가 고가이기 때문에 비용부담이 커지는 문제가 있다.하지만 코오롱플라스틱과 3D 코리아가 함께 제공하는 솔루션으로 수술용 시뮬레이터를 제공한다면, 기존 판매되는 장기모형대비 약 1/4의 가격으로 공급이 가능할 것으로 판단된다.INKRAYON¢ç Medi 필라멘트는 FDA food contact 일부 규격을 만족하는 인체 무해한 플라스틱 재료로, 출력 시 냄새가 나지 않고 유연하며, 수술용 칼에도 잘 잘리기 때문에 장기 내부의 병부를 찾을 때 의사가 직접 수술용 칼로 잘라 병부를 확인하고 수술 시뮬레이션을 할 수 있는 장점이 있다. 코오롱플라스틱은 이번에 개발한 INKRAYON¢ç Medi 소재를 활용하여 국내외 마케팅을 진행하고 있으며, 국내 대형병원, 3D 프린터 업체 및 대리점과 업무제휴 체결이 예정되어 있어 이를 토대로 본격 출시할 예정이다.코오롱플라스틱은 향후 지속적인 연구개발을 통해 앞으로도 다양한 소재를 출시할 계획이며, 항상 고객에게 다양한 솔루션을 제공함으로써 점차 세분화되는 고객의 니즈를 충족시키는 3D 프린팅 소재 전문기업으로 거듭날 것이다. 
이용우 2018-03-02
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2개의 성형작업 동시 실시로 빠른 Cycle Time과 낮은 생산원가 실현 가능‘Be the ONE* 최고의 인재, 1등 제품, 승리하는 파트너십’이라는 비전아래 끊임없는 변화와 혁신을 추구하며, 지속적으로 기술개발에 최선을 다하고 있는 LS엠트론은 지난 2월 13일, 전주공장에서 새롭게 출시한 LS 스택 사출기의 시사출을 진행했다.  LS 스택 사출성형기란? 일반적으로 2개의 성형작업을 동시에 실시할 수 있는 사출기로, 생산성 향상을 위해 동일 생산시간에 2배의 제품을 동시 성형할 수 있으며, 서로 다른 생산 제품도 동시에 2 SET씩 성형할 수 있게 하는 사출기다. 서로 다른 형상, 다른 재질의 제품을 동시에 성형할 수도 있으며, 필요에 따라 1개의 제품만 성형하는 것도 가능하다.최근 인건비 상승 등 경쟁적인 시장 환경 하에서의 빠른 Cycle time과 낮은 생산원가가 절대적으로 요구되는 추세다. 이러한 시장의 필요에 따라 탄생된 제품이 바로 LS 스택 사출기다. 북미지역 Husky의 유사한 제품이 센터플레이트에서 1개의 사출장치로 양쪽에 설치된 금형을 향하여 수지를 주입하는 방식인데에 반해, LS엠트론의 특허는 별도의 2개 사출장치가 각각 좌/우에서 별도의 2개 금형을 향하여 수지를 주입하는 방식으로, 서로 구조가 다르고, 성형조건의 제어성 및 성형제품과 성형방법의 선택에서 고객의 활용범위가 매우 넓다는 특징을 가지고 있다.LS엠트론은 2017년 ‘LS 스택 사출기’란 아이디어로 특허를 등록하였으며, 2018년에는 독자적인 기술개발을 통하여 실 제품을 탄생시켰다.LS 스택 사출기의 특·장점LS 스택 사출기는 동일 Cycle time 동안 2배의 생산성을 낼 수 있으며, 기존 사출기 2대 관리에 필요한 인력을 1대 관리 인력으로도 충분히 운영이 가능하다는 것이 장점이다. 또한 기존의 STACK금형이나 TANDEM금형으로는 생산이 불가능했던 복잡한 코어와 이젝터 핀이 필요한 금형의 성형제품도 일반 금형으로 쉽게 동일한 생산성 향상을 달성할 수 있다. 이제는 플라스틱과 고무, 플라스틱과 실리콘, 多面금형의 성형도 가능해진 것이다.이를 위한 별도의 형체력 증대나 형판 Size의 증대가 요구되지 않고, 범용 금형을 센터플레이트 좌우에 장착하기 때문에 작업성도 용이하며, 서로 다른 형상의 제품, 다른 재질의 제품도 동시 성형이 가능하다. 또 필요에 따라서 일반 성형기로도 사용할 수 있다. 더불어 중앙 Turn Table을 추가 탑재할 경우에는 대형금형을 수직축으로 회전하며 성형하는 이색/이재질 성형사출기로의 변신도 가능하다.이러한 장점을 지닌 LS 스택 사출기는 빠른 생산성, 제품 경량화가 중요시 되고 있는 성형제조 환경에서 고객들이 필요로 하는 솔루션을 제공해줄 수 있는 사출기로써, 생산성 향상과 더불어 2색 또는 2재질 사출 기능까지 쉽게 구현이 가능하다는 큰 장점을 가진다. 향후 LS엠트론은 프리미엄 유압사출기 the ONE*, 소형유압사출기 WIZ-T와 더불어 중형 스택 사출기 Line-Up을 주력제품으로 하여 판매를 확장해나갈 계획이다. 
이용우 2018-03-02
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1화 : ANSYS 소개 및 ANSYS를 이용한 금형의 구조 해석 1. ANSYS로 수행하는 유한요소 해석최근 여러 산업분야에서는 다양한 프로그램을 사용하여 컴퓨터 시뮬레이션을 수행한다. 이 프로그램들을 사용하여 제품의 성능을 검토하거나, 작동환경에서의 거동을 평가하고, 제품의 중량을 줄이기 위해, 또는 사용가능 수명을 예측하고 있다. ANSYS는 이러한 해석 프로그램들 중의 하나로 다양한 물리계의 역학 시뮬레이션이 가능한 다물리계(Multiphysics) 유한요소 해석 프로그램이다.그림 1과 같이 ANSYS는 해석이 가능한 물리계를 크게 3개의 파트로 구분하여 해석을 수행한다. 구조체/유체에 대한 물리계 별로 구조 해석, 유동 해석, 전자기장 해석을 독립적으로 진행할 수 있으며, 각 물리계 해석들의 결과를 연동하여 연성해석(Multiphysics Analysis)을 수행할 수 있다. 해석결과에서 구조물의 변형, 응력 결과 및 열이동, 전자기장 등을 확인 할 수 있고, 이 정보들을 기반으로 상호작용을 고려할 수 있다. 2. ANSYS 구조 해석 소개이번 화에서 중점적으로 소개할 내용은 ANSYS의 여러 물리계 해석 중에 구조체 해석에 특화되어 있는 ANSYS 구조 해석에 대한 내용이다. ANSYS 구조 해석은 열전달 해석 및 선형/비선형 변형해석, 그리고 동해석 등의 구조체에서 발생할 수 있는 모든 현상을 해석하기 위한 기능들을 제공한다. 또한 열-응력, 열-전기, 압전과 같은 연성 해석 기능을 제공함으로써 구조물에 적용되는 복합적인 현상 구현이 가능하여 보다 신뢰성 높은 결과를 얻을 수 있도록 돕는다. ANSYS 구조 해석을 수행하여 제품에 대한 다양한 평가가 가능하고, 제품의 불량을 최소화 하거나 시제품 생산의 부담을 줄일 수가 있다. 특히 이번 화에서는 플라스틱 사출품 및 금형에 대한 구조 해석을 소개할 예정으로 큰 관심을 요한다. 플라스틱 사출품에 대한 구조 해석의 경우, 이어서 연재되는 2화에서 소개될 예정이고, 이번에 소개할 내용은 ANSYS를 이용한 금형의 구조 해석에 대한 것이다.3. ANSYS를 이용한 금형의 구조 해석플라스틱 사출성형에 사용되는 금형은 해석적으로 접근하는 방법이 매우 다양하다. 냉각 회로 및 수지 유동에 의한 금형의 열전달 해석, 금형의 강도 확인을 위한 변형 해석, 반복 적용되는 형체력, 수지 압력 및 열하중에 대한 피로 해석 등이 있다. 그림 2와 같이 시스템들을 구성하여 각각의 해석들을 독립적으로 수행하거나 상호작용을 고려한 연성해석이 가능하다. 또한 타 프로그램으로 수행한 사출 해석 결과를 적용하여 구조 해석 수행이 가능하다.ANSYS에서 수행하는 금형 구조 해석을 열전달 해석, 변형 해석, 피로 해석 순서로 아래와 같이 정리하였다. A. 금형의 구조 열전달 해석플라스틱 사출성형에 있어서 금형의 역할은 매우 중요하다. 특히 금형의 온도 및 온도분포는 제품의 품질과 생산성에 큰 영향을 주기 때문에 금형을 제작하기 전에 이를 해석적으로 먼저 검토해볼 가치가 있다. 금형의 온도 및 온도 분포는 금형 내의 냉각회로, 냉각시간, 스프루, 런너 위치 등에 따라 달라지고 유입되는 수지의 종류 및 온도에 따라서도 달라진다. ANSYS를 이용한 구조 열전달 해석에서는 이를 다양한 형태의 열하중으로 금형에 적용하여 해석을 수행할 수 있다. 그림 3과 같이 외부에서 주어지는 온도 프로파일을 적용하거나 내부 수지에 의해 전달되는 열, 냉각회로를 통해 이동하는 열 등의 다양한 조건의 하중을 사용할 수 있다. 내부 수지에 의해 전달되는 열은 평균값을 취하여 금형에 온도 값을 설정하거나 또는 사출해석 수행을 통해 계산되는 제품의 표면온도 결과를 금형 내부에 직접 적용할 수도 있다. ANSYS에서 금형에 대한 구조 열전달 해석을 수행하면 그림 4와 같이 금형의 온도 분포, 열유속 결과 확인이 가능하며, 이를 통해 최적의 냉각회로 설계 및 런너 위치, 냉각 시간 등에 대한 검토가 가능하다. B. 금형의 구조 변형 해석금형은 수시로 열, 압력 등의 다양한 형태의 힘을 받는데, 보통 이러한 힘들이 반복적으로 금형에 가해지면 금형이 변형되거나 파손이 발생할 수 있다. 금형이 변형되는 경우에는 제품의 품질에도 영향을 미치게 되며, 파손 시에는 금형의 수명에 문제가 발생한다. 이러한 현상 확인 및 보완을 위하여 ANSYS에서 금형의 구조 변형 해석을 수행할 수 있다.금형에 가해지는 힘에는 공정상에 걸리는 내부 압력 및 열하중, 형체력 등이 있다. 그 중에서 금형에 가해지는 열하중의 경우, 금형의 열전달 해석 수행 결과를 반영하여 해석을 수행할 수 있다. 또한 금형 내부에 걸리는 압력 하중은 평균압력 값을 단순히 설정하거나 또는 그림 5와 같이 ANSYS에서 시스템을 구성하여 사출 해석에서 구해진 제품 표면 압력 결과를 적용하여 보다 정확한 금형의 구조 변형 해석 수행이 가능하다.ANSYS에서 구조 변형 해석을 수행하면 그림 6과 같이 금형의 변형 및 내부에 발생하는 응력 분포 확인이 가능하다. 금형의 변형으로 인해 생산되는 제품의 치수 및 형상에 문제가 발생하면 불량으로 이어질 수 있으므로 이에 대한 확인이 중요하다. 또한 내부에 발생하는 응력을 평가하여 금형 내부에 발생할 수 있는 표면 갈라짐, 파손 등을 확인할 수도 있다. 이외에 형체력 적용에 대한 금형의 기밀 유지 여부에 대한 결과까지 확인이 가능하여 실제 구동에 필요한 형체력을 역으로 확인하는 것이 가능하다. C. 금형의 구조 피로 해석ANSYS에서는 금형의 변형 해석을 수행한 후, 피로 해석 수행을 통해 구조물의 수명을 확인할 수 있다. 구조물에 발생하는 응력 및 변형률을 사용하여 제품의 수명을 계산하기 때문에 금형의 변형 해석에서는 열전달 해석 결과가 선택이었다면, 피로 해석에서는 구조 변형 해석 수행이 필수적이다. 금형의 변형 해석을 수행한 후에 피로 해석 결과를 쉽게 바로 확인 할 수 있으며, ANSYS에서 그림 7과 같이 하중이 어떤 크기로 반복될지, 어떤 이론을 사용할지를 선택해주면 제품의 수명이 나타난다.  맺음말이번 화에서는 ANSYS 프로그램을 소개하고 이를 사용하여 금형에 대한 해석적 접근 방법 및 가능성을 살펴보았다. 금형에 적용 가능한 해석으로 열전달, 변형, 피로 해석이 있고 그 결과로 금형의 온도 분포 및 강도, 수명을 예측할 수 있음을 확인하였다. 이어서 연재될 2화에서는 금형이 아닌 사출품에 대한 구조해석 및 3D 프린트를 사용한 적층가공물에 대한 해석을 소개할 예정이다. 
이용우 2018-02-06
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자료제공 : 소재종합솔루션센터(www.matcenter.org), 화학소재정보은행(www.cmib.org) 지식정보 심층보고서Ⅰ. 개요 일본 동경에 위치한 빅사이트에서는 매년 4월 초, 디스플레이 및 이와 관련된 기능성 부재, 장비 등을 중심으로 큰 규모의 전시회가 ‘FineTech’란 이름으로 열려왔다. 최근에는 일본의 디스플레이 산업이 한국과 중국, 대만과 같은 후발 주자의 과감한 투자와 원가 경쟁력을 무기로 한 경쟁에서 밀리면서 디스플레이 완제품과 기술 흐름에 대한 전시 규모는 줄어드는 대신, 기능성 필름 및 플라스틱, 나노 인쇄전자 등 다양한 소재 및 부품 분야에서의 전시회를 연합 형태로 개최하고 있다(※FineTech/FilmTech/Plastic/Metal/Ceramic Photonix Expo 등).  또한 2017년부터는 ‘Joining Japan’ 전시회가 별도로 시작되었고, 광학용과 산업용 점·접착제를 전문으로 하는 부스들이 자리하고 있었다. 전반적인 전시회 분위기는 2016년과 마찬가지로, LCD 위주의 디스플레이 제품과 소재에 대한 비중이 더욱 줄어들고, 용도에 중점을 두기보다는 부품별, 소재별 개별 전시가 두드러지고 있었다. 2017년을 기점으로 27회를 맞은 FineTech Japan을 비롯하여 PLASTIC Japan/FilmTech Japan 전시회도 각각 8회와 6회째를 맞아 점차 확고한 기반을 잡아가고 있었고, 특히 FilmTech에서는 광학필름, 반도체용 필름, 2차전지용 소재, 산업용/의료용 필름 등의 소재와 컨버팅용 장비를 포함하여 다양한 제품이 전시되고 있었다. 본고에서는 2017년 4월 5일부터 7일까지 개최된 FilmTech과 FineTech를 중심으로 기능성 필름과 소재에 대한 조사 내용을 소개하고, 그 중 국내 기능성 코팅 업계에서 주목할만한 아이템 5가지를 선정하여 제품 및 기술 동향에 대해 2016년도 조사내용을 일부 포함하여 논하고자 한다. Ⅱ. 주요 고기능 필름 개발 동향 1. 투명도전성 필름 및 코팅 재료 (전시 및 홍보물 활용 정리)투명 전극으로 가장 많이 사용되는 ITO는 인듐이 희소성 물질인 희토류라는 점에서 가격이 높고, 투과율과 굽힘성이 낮다는 단점과 함께 고유의 Yellow 색상으로 패터닝 후 시인성이 떨어지는 문제점 등의 단점을 갖고 있다.  따라서 이런 ITO 필름을 대체하기 위해 도전성 고분자를 적용하거나, CNT, Ag 나노와이어 등의 도전성 물질을 용액에 분산된 상태로 만들어 기재 필름 위에 습식 코팅법을 이용하여 도포하는 방식으로 투명 도전성 필름을 개발하려는 시도가 진행되고 있다. 이 외에, 금속 잉크로 아주 얇은 선폭을 구현한 메탈메쉬(Metal mesh) 필름이나 무정형 패턴을 형성하여 금속을 연결하게 하는 필름도 ITO 대체재로 관심을 받고 있다. 1.1 투명도전성 폴리머(PEDOT-PSS)도전성 고분자로는 주로 PEDOT[Poly (3,4-ethylenedioxythiophene)]이 이용되고 있는데 이 PEDOT이 용매에 잘 녹지 않으므로 PSS[poly (styrenesulfonate)]를 도입한 PEDOT:PSS 상태로 적용되고 있다. 이 PEDOT:PSS를 이용하여 도전성 고분자를 제조하는 업체로는 ‘헤라우스’와 ‘아그파’가 유명하고 각각 ‘Clevios’와 ‘Orgacon’이란 상품명으로 코팅액을 판매하고 있다. 도전성 고분자를 적용한 투명 도전필름은 일본의 SMK나 브릿지스톤, SMC 등에서 개발하였고, 한국에서는 SKC에서 수년 전에 개발을 마치고 프로모션을 진행하여 저항막 방식에 일부 적용이 되었지만, 아직 시장의 문제로 양산 레벨까지는 이어지지 못하고 있다. 최근에는 국내 중소기업인 ‘포리스’에서 기존 제품과는 다르게 유기용제 베이스의 코팅을 적용한 롤 필름 개발에 성공하여 프로모션 및 일부 고객 판매를 시작한 것으로 알려져 있다. 도전성 폴리머인 PEDOT:PSS를 베이스로한 코팅 용액의 경우 1wt% 이하의 매우 낮은 고형분(Solid content)으로 판매되고 있으며, 슬롯다이나 그라비아 인쇄로 도포하여 대전 방지용으로 주로 적용되고 있다. 특히 ‘아그파(AGFA)’는 ITO 투명전극을 대체하기 위해 최저 125Ω/□ 수준의 면저항을 달성하여 홍보 중이었다. 반면 ‘Osaka Gas Chemical’의 경우, 낮은 온도에서 고형(Solidification)가 될 수 있는 저온 제막성(코팅성)을 강조하였고, 다양한 플라스틱 소재 위에 부착력이 우수하다는 점을 홍보하고 있었다. 즉, 저온 성막이 가능할 때 기판 플라스틱 소재의 선택 범위가 넓어지기 때문에 활용도가 높아질 수 있다는 내용이다. 투명도전성 폴리머의 경우, 약 4~5년 전의 활발한 연구 및 개발이 이루어질 당시의 기대치보다는 확실한 영역을 자리잡는데 한계를 보였다고 말할 수 있지만, 기존의 대전방지필름의 성능향상과 범용 터치센서 및 미래형 제품의 전극 필름용으로 지속적인 가능성을 보여주고 있었다. 최근에는 은 나노와이어와 함께 발열시트나 플렉서블 태양전지용으로 개발 검토가 시도되고 있다.1.2 은 나노와이어(Ag-Nanowire)은 나노와이어의 경우, 최근 수년 동안 국내외 많은 기업에서 상업화를 위해 노력을 기울였고, 전시장에서도 몇몇 기업에서 제품을 전시하고 있었다. 그 중, 특히 한국화학연구원 화학소재솔루션센터와 협력관계를 갖고 있는 ‘C3Nano’사에서 해당 필름 및 코팅 잉크를 포함하여 터치패널과 같은 응용 제품까지 넓은 범위의 제품들을 전시하였다. 금번 전시회에서는 당 센터의 Wet coating 인프라를 비롯한 기술지원으로 만들어진 다양한 그레이드의 투명도전성 필름뿐만 아니라, 필름을 이용한 터치센서 및 모듈화 샘플 등으로의 용도까지 확장하여 전시하고 있었다. 특히 금번 전시회에 출품한 은 나노와이어 필름의 경우 15Ω/□에서 55Ω/□까지 3종류로, 전량 화학연구원의 인프라를 활용하여 제작된 샘플이었으며, ITO 대비 저저항 구현이 가능하고, 광학특성 역시 투과율 90% 수준으로 매우 양호한 품질을 보이고 있다. 특히 ‘Activegrid Ink’ 란 브랜드로 출품한 은 나노와이어 잉크는 와이어의 나노본딩 기술을 이용하여 광학특성이 우수하고, 낮은 전도도에서 컨트롤이 가능하다고 한다. 이 외에 ‘DNP’ 등에서도 수년째 은 나노와이어 필름을 전시하였는데, 면저항이 45Ω/□ 수준이고, 특히 ITO대비 내굴곡성과 내마찰성 등이 우수하다는 장점을 홍보하고 있다.1.3 메탈 메쉬(Metal mesh) 필름메탈 메쉬 필름은 ITO대비 1/10 이하의 초저저항 구현이 가능해서 수년 전까지 대화면 터치패널에 적용하기 위해 컨버팅 업계에서 많은 관심을 가졌지만, 국내 대기업들의 개발 철수를 시작으로 사람들 관심에서 멀어졌다. 하지만 2016년도 전시회에서는 예상을 깨고 Toppan, Panasonic을 포함한 일본의 많은 기업을 통해 홍보가 이루어지고 있었다. Mesh 필름을 만들기 위한 Sputter 증착된 메탈필름도 별도 전시가 되었으며, 초미세 패턴 구현을 위해 동박 필름(동박 포일)보다 스퍼터링 박막이 많이 활용되고 있었다. 즉, 이런 메탈 메쉬 필름 제작을 위해 동박 포일을 사용할 경우 전체적인 두께가 두꺼워지기 때문에 미세패턴 구현이 어렵다고 한다.저항이 낮은 구리(Cu)를 선폭 5㎛ 이하로 패터닝한 그물 망사형 필름으로 선폭이 얇을수록 시인성이 좋아지고, 특히 선폭이 3㎛이하일 경우 소형 디스플레이에도 채용이 가능하다고 알려져 있다. 용도로는 각종 디스플레이용 터치센서나 전자파 차단용, 필름 안테나 등에 적용할 수 있고, 필름 위나 평판 글래스 위에 모두 성형이 가능하다고 한다. 일부 기업에서는 구리의 단점 중 하나인 구리(Copper) 자체에서 유발되는 반사량을 줄이기 위해 흑화 처리를 양면 또는 단면으로 해주는 것이 가능하다는 점을 홍보하고 있었다.2. 가스 배리어 필름 (Packaging용, 전자 디바이스용)기체 차단을 위한 필름 개발은 자원 및 에너지 절감 등에 대한 산업계의 요구에 의해 주로 식품 포장용으로 사용되어 왔고, 투명성과 기체 차단성 향상을 위해 꾸준한 기술개발이 이루어져왔다. 하지만 최근 디스플레이 분야에서 판유리가 아닌 플라스틱 필름을 기반으로 액정 표시패널 또는 유기발광 다이오드(OLED) 등을 이용한 개발이 가시화되면서, 기존 제품보다는 훨씬 높은 기체 차단성을 요구하고 있다. 실제 식품포장용으로 사용되기 위해서는 수분투과율을 기준으로 1~10-1g/m2·day 수준으로 했을 때 차단성이 충분했지만, OLED를 적용한 디스플레이에 사용되기 위해서는 10-5~10-6g/m2·day 수준의 높은 수분 차단성과 높은 가시광 투과율이 필요하다고 알려져 있다. 이런 성능을 달성하기 위해서는 기존에 적용되는 PVDC, EVOH, PE 등을 이용한 고분자 적층 필름이나, PP 또는 PET 등의 기재 필름 위에 단순 알루미늄 증착 등의 방법으로는 구현이 불가능하며, 기재 및 유·무기 적층을 통한 고정밀 코팅 기술과 이를 위한 별도의 하드웨어 구축이 요구된다. 플렉시블 디스플레이 외에도 OLED 조명 및 유연한 태양전지 등의 차세대 제품군에 있어서도 하이 배리어(High barrier) 필름의 적용은 필수적이며, 최근에는 양자점을 적용한 LCD TV가 출시됨에 따라 양자점 필름의 보호를 목적으로 중간 성능 10-2~10-3g/m2·day 의 기체 차단 필름이 적용되고 있다.  높은 수준의 기체 차단성을 만족하기 위해서는 기재 필름의 선정과 코팅재, 모폴로지, 투명 무기박막의 형성, 측정방법 개발 등 다양한 분야에서의 종합적인 기술개발이 필요하다. 2.1 Kuraray사 식품 포장용 필름식품 포장용 배리어 필름으로 ‘Kura-ray’란 회사에서 가장 큰 규모로 부스를 열고 있었다. 이 회사에서는 Ethyle-nevinylalcohol 공중합체(EVOH) 플라스틱을 기반으로 ‘EVAL’이란 가스 배리어 단층 필름을 소개하고 있었으며, 실제 포장용기에 적용하기 위해 다른 종류의 필름 또는 종이와 라미네이팅 시킴으로써 최종 기체 차단성을 부여하고 있었다. 특징으로는 기체 차단성, 보향성(향기 유지), 내용제성, 열차단성, 비흡착성 등이 우수하다는 점과, 뛰어난 Heat sealing 성으로 식품용기 중 ‘Retort(레토르트)’ 분야에 적용이 가능하다는 점이 있다. 또한 이 필름들은 가스 차단성이 뛰어날 뿐만 아니라 가스 투과로 인한 라미네이트 층의 박리가 거의 일어나지 않는다는 장점과 함께, 식품용기 외에 방충제, 의약품 등의 포장재 용도로도 널리 사용되고 있다. 또한 PET나 나일론(ONy) 필름을 기재로 하고, Wet 코팅법을 활용하여 상품명 ‘클라리스타’란 배리어 필름을 개발하여 판매하고 있으며, 용도별로 계속 성능을 업그레이드 하고 있었다. 기존의 식품용 배리어 필름 외에 최근에는 진공 단열판(VIP)에 사용되는 배리어 필름이나, 의약품 포장용, 전자부품 포장용, 잉크카트리지 포장용 등으로 응용범위를 확대하고 있고, OLED 및 태양전지 등의 디바이스에 적용이 가능한 하이 배리어 필름을 개발하기 위해 노력하고 있다(모델명 : 클라리스타 C → 클라리스타 CW).  클라리스타 CW의 경우, 25㎛ 두께의 PET 필름기재 양면에 배리어층을 형성한 필름으로써 수분투과율(WVTR)이 8×10-3g/m2·day 수준의 높은 성능을 보이며, 태양전지의 전면판 배리어용으로 적용되고 있다고 한다. Kuraray의 EVAL 사업부에서는 연구개발과 기술 서비스를 위해 일본, 미국, 벨기에 등에 3개의 해외 거점을 운영하고 있고, 여기에서 배리어 소재 및 패키지 개발을 위해 가공 시험, 분석 등의 업무를 병행하고 있다.2.2 DNP(Dai Nippon Printing) 배리어 필름 필름  IB-Film이란 브랜드로 포장용 필름 분야에서 전통적으로 우세한 ‘DNP’에서 올해도 어김없이 해당 제품을 홍보하였다. 금년에 특이한 점으로는 Wet 코팅 기반의 유기막 코팅으로 높은 수준의 배리어 성능을 갖는 필름을 개발 중이었으며, 특히 불소계 유기막 코팅을 통해 발수 성능과 방오 성능을 함께 구현한 제품을 출품하였다. 이 필름의 경우 10-1~10-2g/m2·day 수준의 수분투과율(WVTR) 성능을 보였고, 더 높은 수준의 배리어 성능을 갖는 디바이스용 필름을 ‘롤투롤 CVD’ 장비를 활용하여 개발하고 있었다. 이 외에 전통적인 브랜드인 IB-Film으로 식품 포장용, 의약품, 산업용 포장제로 접목이 가능한 다양한 그레이드의 필름을 준비하고 있으며, 최근에는 전자 제품 포장용으로 사용 가능한 하이 배리어 필름도 개발을 진행 중이었다. 하이 배리어의 경우 폭 1m 이상 대응이 가능하고, 10-3~10-4g/m2·day 수준의 필름을 향후 1~2년 내에 개발할 계획이라 한다.2.3 Toppan 배리어 필름  GL 시리즈로 유명한 ‘Toppan’ 사도 다양한 용도 전개와 함께 배리어 필름을 소개하고 있었다. GL필름(Good Layer Film) 시리즈는 세계 최고 수준의 배리어 성능과 용도를 갖는 투명 배리어 필름이며, Toppan 자체의 투명 증착 및 코팅기술에 기반한 필름이고, 세계 45개국으로 수출되고 있다. 구조는 PET필름 기재 위에 증착을 이용한 배리어층과 그 위에 Wet 코팅 배리어막으로 이루어진 3층 구조를 갖고 있고, 용도에 따른 구조 변화도 가능하다. 증착층으로는 AlOx 또는 SiOx 박막이 사용되며, 특히 Toppan의 배리어 필름은 메탈을 사용하지 않기 때문에 마이크로 오븐이나 RFID 용도로 사용이 가능하고, 소각 중 염소(Chlorine)가 발생하지 않는 장점이 있다. 또한 기타 PET필름 위에 PVDC가 코팅된 배리어 필름과, EVOH를 활용한 배리어 필름대비 온도 및 습도 의존성이 매우 낮고, 증착막을 활용한 우수한 배리어 성능을 포함하기 때문에 장기간 사용 후에도 품질이 우수하다는 장점이 있다. 이 외에도 PET 필름 위에 아크릴산계 수지를 코팅하여 고객사 공정인 살균·처리 중 발생하는 열과 수분에 의해 배리어 층이 형성되는 ‘BESELA’란 신제품을 전시하고 있었다. [그림 7]에 전시 중인 ‘Toppan’사의 기체 차단 필름 사진을 나타내었다. 2.4 식품 포장용 배리어 필름 수지(재료)일본합성화학(Nippon Gohsei)에서는 ‘Ethylen-vinyl alcohol’공중합체 수지를 ‘Soarnol’이란 상품명으로 전시하고 있었다. EVOH는 PC나 PP, PET, ONy 필름 등의 다른 고분자 소재대비 산소투과도가 현저히 낮고, 소각할 때 유해성 가스가 발생하지 않으며, 연소열도 PE의 절반 정도 수준으로 환경 친화적인 물질이다. 또한 PE(Polyethylene)와 공압출(Co-extrusion) 가공성이 우수하기 때문에 다양한 용도의 포장용으로 가공이 가능하다. 산소 차단성은 에틸렌 함량에 의해 달라지며 에틸렌 함량이 낮을수록 OTR(산소투과도)이 낮아지고, 기계적 특성이 좋아지지만, 용융(melting) 및 결정화 온도가 높아져서 가공성이 떨어지고, 재료 자체의 특성으로 인해 사용 환경의 상대습도가 높을수록 산소 차단성이 급격히 저하되는 단점이 있다. [그림 8]에서와 같이 일본합성화학사에서 제작한 EVOH 필름의 산소 차단 능력은 일반적인 습도 환경에서는 다른 플라스틱 기재보다 훨씬 높은 성능을 보여주고 있지만, 80%RH이상의 고습 조건에서는 산소투과도가 높아지는 것을 알 수 있다.2.5 기타(필름 & 장비)‘(주)REIKO’에서는 증착기술과 습식코팅기술을 기반으로 10-1g/m2·day 수준의 패키징용 필름과, PE-CVD를 이용하여 10-5g/m2·day 수준의 광폭 + 고투명 하이 배리어 필름을 전시하였다. 또한 도레이(TORAY) 엔지니어링사에서는 자사에서 개발한 폭 1,400mm 코팅 드럼과 총 4개의 플라즈마 소스가 장착되어 있는 롤투롤 CVD 장비를 이용하여 SiOC, SiOx 박막을 교차 적층한 제품을 선보였다. 이 제품의 경우 총 6층의 박막 적층 시 10-5g/m2·day 수준의 높은 배리어 성능과 벤딩 시험 후에도 양호한 성능을 유지하였다. ‘데이진(Teijin)’에서는 OLED 조명으로 사용되는 자체 생산 PEN필름을 이용하여 유무기 하이브리드 다층 구조의 배리어 필름을 선보였다. 특히 PEN 필름에 ‘나카이(NAKAI)’사에서 개발한 고경도 코팅층을 접목하여 표면경도 및 벤딩특성, 내지문방지, 러빙 특성을 향상시킨 제품을 전시한 점이 흥미롭다.  3. 자동차 내·외장용 코팅 (코팅재 및 응용 필름)최근 많은 각광을 받고 있는 자동차용 디스플레이의 기능성 필름과 여러 내장재 및 외장재 부품용 하드코팅 재료에 대한 전시도 볼 수 있었다. 특히 디지털 계기판을 사용하는 운전자에게 상호 작용이 원활하고 생활 주기에 맞는 맞춤화된 사용자 경험을 제공하기 위해서 아날로그 계기판들로 이루어져 있던 기존의 대시보드가 디지털 화면으로 변경되는 추세가 고급형 차량부터 시도되고 있다. 최근에는 사용자가 원하는 형태의 계기판을 선택하거나, 운전자에게 맞는 디지털 대시보드도 선보이고 있다. 네비게이션을 포함한 CID(Center Information Display)는 대시보드 중앙에 위치하여 운전자/탑승자에게 차량 운행 정보뿐만 아니라 엔터테인먼트를 제공한다. 계기판(Cluster)의 경우, 주행에 필수적인 정보를 기존 아날로그 형식에서 LCD 디지털 형태로 탑재하여 보다 많은 정보를 제공할 수 있는 디스플레이로 진화하고 있다. RSE(Rear Seat Entertainment) 디스플레이는 뒷좌석 탑승자에게 주행 정보와 엔터테인먼트를 함께 제공할 수 있는 디스플레이로써 최근 고급 차종에 LCD 타입으로 적용되고 있다(심층보고서, 2016.02). 이런 디스플레이의 경우 외광이 강한 자동차 실내 환경을 감안할 때 반사로 인한 시인성의 저하가 문제될 가능성이 높고, 특히 자동차 내부와 같은 가혹한 환경에서 견딜 수 있는 고 신뢰성 품질을 겸비한 광학 필름이 요구된다. 이런 차량용 디스플레이는 고급차를 중심으로 2018년부터 본격적인 공급 개시가 일어날 것으로 예측된다. 3.1 NIDEK(니덱) 하드코팅 용액 및 반사방지(AR) 코팅니덱사에서는 최근 많은 관심을 끌고 있는 자동차에 적용될 수 있는 다양한 코팅소재를 소개하고 있었고, 특히 하드코팅 소재와 반사방지 필름을 강조하여 전시 중이었다. 자동차에 적용되는 코팅소재로, 크게 ①엠블럼 및 센서용 하드코팅 ②선루프의 실내면에 적용되는 하드코팅 ③카메라 렌즈 ④백미러 및 하프미러 코팅용 소재 ⑤헤드라이트 커버용 하드코트 ⑥계기판용 하드코팅 및 반사 방지층 ⑦도어 손잡이용 하드코트 ⑧금속 Wheel에 적용되는 하드코트 ⑨실내 장식용 필름의 하드코트 등을 소개하고 있었다. 니덱의 하드코팅 용액은 ‘Acier’란 상품명을 갖고 있으며, 고경도 및 내마찰성과 방오성을 겸비한 코팅용액으로 소개되고 있다. 이 외에 외광에 의한 반사를 저감시키고, 높은 투과율을 실현할 수 있는 반사방지(AR)코팅 시트인 ‘Lequa-Dry’를 소개하고 있는데, 이 소재는 진공 증착기술에 적용되는 소재로써 Glass와 PMMA sheet, PET, 각종 렌즈 등의 반사방지 코팅에 유리하고, 의료용, 디스플레이 전면판, 차량용 디스플레이의 전면 코팅에 활용이 가능하다고 한다. 특히 니덱의 경우, 차량용이나 해양전자기기 등의 디스플레이에 적용될 수 있는 고내구성의 반사방지(AR)코팅을 신규 개발하고 있고, 개발된 제품이 UV 조사나 염수 스프레이(Salt water spray) 등에 대해 고 내구성을 갖는 등, 매우 우수한 품질을 자랑하고 있다. 증착용 AR코팅 외에 저가로 구현할 수 있는 Wet AR 코팅도 가능하며, Sheet 타입으로 최대 1,400mm×1,200mm 사이즈까지 양면, 단면으로 AR 처리가 가능하다고 한다. 최근 차량에 적용되는 디스플레이가 많아지고 있고, 특히 고내구성의 필름 채택이 많아지면서, 국내 기업 및 연구소의 관심이 필요할 것으로 보여진다.3.2 니쇼(Nissho) 코퍼레이션ITO, 점접착 필름 분야의 세계적인 기업인 니또덴코의 자회사로서 재작년에 이어 다양한 차량용 부재 필름을 선보이고 있었다. 특히 글래스 및 필름의 3차원 성형 기술을 확보하고, 여기에 다양한 표면처리를 시행한 시트를 제작하고 있다. 특히 Film insert 몰딩법의 가식기술, 압축성형기술과 금형 AG(Anti Glare) 전사기술(Spot-AG처리), Insert film 표면처리(AG, AR, AS, 고경도, 내마찰성 등) 기술을 홍보하였으며, 차량용 디스플레이뿐만 아니라 장식용(Decoration) 시트 및 이를 위한 앙카(Anchor)코팅, 착색코팅, 점/접착 코팅을 접목한 다층 시트들이 흥미를 끌고 있다. 이에 대한 사진을 [그림 10]에 나타내었다. 당사에서는 또한 양면테이프를 특수 프레스 가공에 의해 3차원으로 가공하는 것이 가능하고, 의장성을 향상시키기 위해 데코시트 또는 인공가죽 등과 결합하여 스티커 형태의 시트로도 제작하고 있었다. 이 기술에 대해서는 특허 출원 중이라 한다. 3.3 Panasonic(파나소닉) 코팅소재 / Toppan AR 필름‘파나소닉’에서는 반사방지 코팅을 위한 저굴절 코팅재(Low refractive index coating materials)와 자동차 차체에 적용될 수 있는 발수성이 우수한 코팅재, 자동차 윈도우 또는 미러에 적용될 수 있는 Anti-fog(방담) 코팅 소재를 소개하고 있다. ‘Toppan’에서는 주로 액정 디스플레이 편광판용 터치패널의 내면 처리용으로 적용될 수 있는 반사방지 필름을 전시하고 있고, 주로 디스플레이 용도가 대부분이었다. 특히 최근 눈 건강에 심각한 영향을 주고 있다고 보고되는 Blue light를 차단할 수 있는 ‘Blue-light cut film’을 TAC를 기재필름으로 사용하여 개발하였다고 한다. ‘Toppan’사의 반사방지 필름은 고정세용 또는 일반용 Anti-glare나 Clear 타입의 하드코팅을 적절히 구성하여 용도별로 다양한 그레이드에 적용되고 있었다.3.4 TOYO CHEM(자동차 내장재 필름)도요잉크 그룹의 ‘도요켐’에서는 고유의 잉크기술을 기반으로 성형용 가식필름을 개발하여 전시하고 있었다. 해당 필름은 같은 그룹에서 생산한 CNT를 사용하여 짙은 흑색 및 윤기가 있는 피아노블랙 색상을 구현하였고, 연신율이 100%로 성형성과 내구성을 겸비한 필름이었다. 구조는 열가소성 PMMA 필름기재에 상층은 기능성 하드코팅층을, 하층에는 CNT분산 코팅층을 형성하고, 이어서 카본블랙이 분산된 점착제를 연속적으로 형성하고 있다. 이렇게 제조된 필름은 카본블랙만으로 제조된 필름보다 L*과 b* 값이 낮아서 훨씬 더 짙은 느낌의 고급 블랙을 구현할 수 있다고 한다. 4. 고경도 하드코팅 디스플레이의 유연화(Flexible화)가 진행되면서 커버글래스를 대체할 수 있는 필름 개발이 기능성 필름 업계에서 큰 화두가 되고 있다. 그 동안 필름 표면의 글래스화 및 유연성 확보를 위해 유무기 하이브리드화를 통한 개발이 주를 이루었고, 이 외에 여러 무기 입자 혼입을 통한 경도 향상이나 기재의 변경, 첨가제 적용 등 다양한 방법이 연구 개발되었다. 올해는 작년만큼의 관심은 아니었지만, 역시 여러 기업에서 기술력을 소개하고 있고, 이중 두 가지 제품을 소개한다. 4.1 나카이(NAKAI) 공업나카이공업에서 작년에 이어 고경도 하드코팅 필름 라인업을 홍보하고 있었다. 표면경도(Surface Hardness / Pencil hardness)면에서 2H~9H까지 4가지 그레이드를 구비하고 있었고, 9H의 성능을 갖는 필름의 경우 ‘개발품’의 명칭을 계속 사용하는 것으로 보아 아직 양산 진행은 못하고 있는 것으로 보여진다. 하지만 굴곡 반경(하드코팅면이 안쪽에 있을 때 Bending 시험)이 2mm 수준으로 매우 양호하며, 내지문 특성 및 Curl 특성 모두 양호하다는 점은 관심을 끌기 충분하다. 4.2 솔립기술(Solip Tech) – 2016년 참가국내 KAIST 연구실에서 창업하여 활동중인 ‘솔립기술’이 최고 수준의 하드코팅 용액을 전시하고 있었다. 유리만큼 단단한 표면 경도에 플라스틱 같은 유연성(Flexibility)과 강도(Unbreakability)를 겸비한 코팅액으로써, 최고 9H의 성능을 구현하기 위해서는 30㎛ 이상의 코팅 두께가 필요하다고 한다. Foldable한 스마트폰의 Cover window용으로 활용이 가능하며 1mm 반경의 만드렐(Mandrel) 시험에도 코팅막이 깨지지 않는 유연성을 보여주었고, 관람객들에게 직접 시연할 기회도 제공하고 있었다.5. 기타 전자재료·산업용 필름 디스플레이 산업의 포화가 심해지면서, 그 동안 디스플레이를 기반으로 기술적 발전을 지속해온 기능성 필름이 산업용, 자동차용 등 기존의 디스플레이의 축에서 벗어나 새로운 방향 전환을 시도하고 있다. 앞서 설명한 아이템 이외에 흥미로운 제품군을 몇 가지 요약 정리한다. 5.1 채광 필름(Lightening Film)기존 창문(Window)에 간단하게 붙여서 실내로 유입되는 광량을 높일 수 있는 필름으로, 그만큼 실내 조도 유지를 위한 에너지를 저감시킬 수 있고, 건강에도 도움이 된다고 한다. 에너지 저감을 위한 필름으로 용도가 넓어질 수 있을 것으로 보인다.5.2 LED 램프용 필름‘GOYO Paper’사에서는 다양한 마이크로 패턴 필름을 전시하고 있고, 그 중 점광원인 LED 램프의 형태를 가려 직선광으로 인한 눈 건강을 지켜주는 LED용 확산 필름을 전시하고 있었다. 이런 필름들의 표면은 다양한 마이크로 패턴이 성형된 구조를 갖고 있고, LED에서 나오는 빛의 양을 증폭시킬 수 있는 Light Extraction 필름의 설계도 가능하다고 한다.5.3 센서용 필름 및 모니터링 시스템‘니샤(Nissha)’에서는 옥외환경 모니터링 시스템을 전시하였는데, 해당 부스에는 농장 환경을 원거리에서 모니터링할 수 있는 시스템과 여기에 들어가는 다양한 센서들을 전시하고 있었다. 또 사무실 또는 회의실의 센싱(Sensing)을 통해 보다 쾌적하고 안전한 환경을 제공하는 Indoor 모니터링 시스템도 흥미로웠다. 특히 배터리가 필요 없는 사양으로 별도의 와이어링(Wiring) 없이 부착도 쉬운 센서들을 소개하고 있는데, 실내에 사람이 있는지 여부와 조도 및 온습도, CO2 농도를 감별할 수 있는 센서들을 예로 들 수 있다. 또한 ‘Toppan’사에서는 습도 응답성 컬러필름과, 호흡 규칙성 및 심전도 등을 체크 할 수 있는 생체센서 (Biological sensor)가 장착된 매트 등 호기심을 끄는 아이디어성 제품과 다양한 센서용 필름들을 소개하고 있었다.5.4 기타 디스플레이 및 전자정보용 필름‘DNP’에서는 전기전도도와 투명성을 동시에 향상시킨 ITO 대체용 은 나노와이어 필름을 포함해 Super wearable 하드코팅, 편광판을 이용한 스마트 윈도우 창호를 개발하고 있었다. ‘REIKO’사는 은을 이용하여 휴대폰용, 디지털 카메라 등에 응용할 수 있는 ‘Luiremirror 75w05’란 모델의 고반사 필름을 전시하고 있고 구조는 다음과 같다. ※ PET(50um)/Adhesive layer/Top coat layer/Ag layer/Anchor coat layer/PET(25um) 이 외에 Bead 코팅기술을 이용하여 Anti-glare와 Anti-reflective 필름을 개발하고 있었다. (※Anti-reflective coating 구조 : Top coat layer/Anti-reflection coat layer/Hard coat layer/Base film/Printable layer)Ⅲ. 결론 및 제언 지금까지 2017년 동경 빅사이트에서 개최된 “FilmTech” 전시회를 중심으로 한 기능성 필름의 기술 동향을 살펴보았다. 예년대비 금번 전시회에 참여한 기업과 관람객 수가 더 증가한 것을 볼 때, 비록 디스플레이 경기의 하락과 맞물려 필름과 코팅 관련 기업들이 어려움을 겪고 있지만 신사업 및 신기술 발굴을 위한 기업의 니즈는 커지고 있고, 기술 융합을 통한 신규 용도 발굴을 위해 적극적으로 뛰고 있다는 것을 알 수 있다. 국내 대기업들의 전시회 참가는 거의 없고, 대신 중소기업을 위주로 몇몇 기업에서 부스를 오픈하고 있었다. 은 나노와이어(Ag-Nanowire) 및 도전성 폴리머, 메탈 메쉬로 구분되는 ‘투명도전성 코팅’은 여전히 많은 관심을 끌고 있었지만, 이전과 달리 CNT나 그래핀을 이용한 제품 전시는 거의 사라졌고, 특히 2015년까지 CNT를 활용한 투명 도전성 필름을 전시하던 ‘TORAY’도 CNT 응용제품의 홍보 대신 메탈 메쉬를 활용한 투명 도전성 필름을 전시하고 있었다. 전반적으로는 ITO 대체용 투명 도전성 코팅 필름으로는 은 나노와이어와 메쉬 필름이 주류를 유지하고 있었다. 필름 컨버팅 분야에서 많은 관심을 받고 있는 ‘가스 배리어 필름’의 경우 기체 차단 성능별로 식품포장용, 전자제품 포장용, 전자 디바이스용으로 크게 구별할 수 있지만, 상업화는 예상대로 식품 포장용과 일반 산업용에서 활발하게 전개되고 있고, 전자 디바이스용 하이 배리어 필름도 여러 기업에서 연구 개발을 통해 가능성을 타진하고 있었다. 이 외에 자동차 내·외장용 필름에 대한 기업의 관심이 높아지고 있었고, 소형 아이템이긴 하지만, 윈도우용 필름이나 조명용 필름, 기능성 벽지용 코팅재 등 디스플레이가 아닌 산업용으로의 기술도 활발하게 전개되고 있었다.또한 기존 디스플레이용 필름의 경우, 기업들의 원가 경쟁력 유지가 점점 어려워지면서, 차세대 디스플레이라 할 수 있는 Flexible 디스플레이 대응을 위한 광학 필름 및 배리어 필름과 2차전지, 태양전지 등 신제품 관련된 필름의 개발이 새로운 트렌드로 자리잡고 있었다. 본고를 마치며 필자는 국내의 관련 기업들이 기존의 디스플레이 분야에 과하게 치중되어 있는 사업(+개발) 아이템을 조금씩 탈피하고 자동차용 코팅 소재 및 에너지, 환경, 디자인, 식품(+의약품) 포장, 헬스케어 등 새로운 시대적 요구에 부합하는 다양화된 기술 트렌드의 변화를 빨리 읽고 준비하라 제안하고 싶다. 물론 어려운 사업 환경에서 쉬운 일은 아니지만, 그렇다고 앞으로 디스플레이의 사업 환경이 개선되리라 기대하는 것은 더욱 어려워 보이기 때문이다.   
이용우 2018-02-06
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- UNIST 손재성 교수팀, ‘열원 일체형 열전발전기’ 제작기술 개발- 모든 형상의 열원에 부착 가능… ‘네이처 에너지’ 최신호 논문 발표보일러 배관이나 자동차 배기가스관은 뜨겁다.􏘓이러한 보일러 배관·배기 가스관에서 발생하는 열을 버리지 않고 전기로 바꿀 수 있는 신기술이 개발됐다.  3D 프린터로 관(Pipe) 모양에 꼭 맞는 ‘열전발전기’를 찍어내 열을 효과적으로 거둬들이고 전기를 만드는 방식이다.▲ 3D 프린터로 열전발전기를 제작하는 기술을 개발한 UNIST 연구진 (왼쪽부터 김민석 연구원과 손재성 교수)UNIST(총장 정무영) 신소재공학부의 손재성 교수팀은 ‘유기물 프리 전-무기 열전 잉크’를 합성하고, ‘압출형 3D프린터’로 ‘열원 일체형 열전발전기’를 제작하는 기술을 개발했다. 3D프린터는 열전 잉크를 열원 모양에 맞춘 열전소재로 찍어낸다. 이 열전소재를 조립해 만든 열전발전기는 기존 열전발전기와 유사한 성능을 가진다. ▲ 3D 프린팅용 열전 잉크와 3D 프린팅 기술. (a) 전-무기(all-inorganic) 열전 잉크 사진,    (b) 압출형 3D 프린팅 모식도, (c) 광학현미경 이미지 및 3D 프린터를 이용한 열원 일체형 열전 소재열전효과는 열에너지를 전기에너지로, 혹은 전기에너지를 열에너지로 바꾸는 현상이다. 열전효과를 이용하면 지열이나 태양열, 체열처럼 버려지는 열을 이용해 전기를 생산할 수 있는데, 이를 열전발전기라고 부른다. 열전발전기는 열원에 직접 부착돼 구동되며 현재 소형 냉각장치와 자동차 엔진, 선박 등에서 나오는 폐열로 발전하는 기술이 널리 쓰이고 있다. 손재성 교수는 “3D 프린팅 기술은 재료 보존과 공정 단순화, 시스템 제작 등에 따른 비용도 줄일 수 있어 경제적이고 효율적인 방식”이라며, “3D 프린터를 이용한 열원 일체형 열전발전기는 초고성능 열전발전 시스템의 개발 가능성을 보여준다”고 강조했다. 특히 이번에 개발한 열전 잉크는 끈적거리는 ‘점탄성’을 가지면서도 프린팅을 했을 때 전기적 특성을 유지해 주목받았다. 그 비결은 유기물 없이 무기물만으로 열전 잉크를 만든 데 있다. 실제로 이번에 개발한 열전 잉크의 성능지수는 0.6(n형), 0.9(p형)로 상용화된 평판형 열전소재의 성능지수(0.5~1.0)와 유사했다. 제1저자인 김민석 UNIST 신소재공학부 석·박사통합과정 연구원은 “기존의 3D프린팅 잉크는 유기물 결합제(Binder)를 이용해 점탄성을 확보하는데, 그럴 경우 전기적 특성이 크게 떨어진다”며, “이번에 세계 최초로 개발한 무기물 결합제를 이용함으로써 열전 잉크의 점탄성과 열원 형상에 맞춰 찍어낸 열전소재의 전기적 특성을 확보했다”고 말했다. ▲ 파이프형 열전 모듈 제작 공정 모식도손재성 교수는 “기존 소재의 한계를 넘어선 이번 기술은 자연계에서 열로 변해 손실되는 에너지원(60% 이상)을 회수할 효과적인 방법으로도 주목받고 있다”며, “최초로 선보인 열전소재 3D 프린팅 기술은 다양한 분야에 응용될 것”이라고 기대했다. 이번 연구는 세계적 과학저널 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’ 1월 15일(월) 온라인 판에 발표됐다. 미국 일리노 이대 어바나 샴페인 캠퍼스의 권범진 박사와 윌리엄 킹(William P. King) 교수,UNIST 신소재공학부의 채한기 교수, 한국기계연구원 부설 재료연구소의 김경태박사, 한국전기연구원의 김봉서 박사와 이지은 박사도 이번 논문에 참여했다. 연구지원은 국가과학기술연구회의 창의형 융합연구사업, 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 글로벌프론티어사업(파동에너지극한제어연구단), 해외우수연구기관유치사업, 나노소재원천기술개발사업 등을 통해 이뤄졌다. 􏘛■ 논문명 : 3D printing of shape-conformable thermoelectric materials using all-inorganic Bi2eT3-based inks
이용우 2018-02-06
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바이오 플라스틱 산업의 성장 및 친환경적 플라스틱 재활용 기대   과학기술정보통신부(장관 유영민, 이하 ‘과기정통부’)는 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 이상엽 교수 연구팀이 최근 친환경 바이오매스를 활용하여 플라스틱을 생산하는 기술과 폐플라스틱을 재활용할 수 있는 기술을 각각 개발했다고 밝혔다.기후변화 문제가 심각해짐에 따라 국제적으로 ‘지속 가능한 친환경 화학산업을 위한 연구개발(R&D)’이 활발한 가운데, 두 연구 성과는 미생물발효를 통해 방향족 폴리에스테르*를 생산하는 기술을 세계 최초로 개발하고, 더 나아가 기존 플라스틱을 재활용하여 친환경 플라스틱을 생산할 수 있는 가능성을 제시하였다는 점에서 의미가 있다. * 방향족 폴리에스테르 : 강도 및 열안정성이 우수하여 병, 식료품 포장재 등에 사용되는 중요한 원료이며, 대표적으로 PET(폴리에틸렌테레프탈레이트 : PET병 원료)가 있다.   연구결과 1 : 미생물로 방향족 폴리에스테르를 생산하는 기술개발고분자인 방향족 폴리에스테르는 원유(crude oil)로부터 복잡한 공정을 거쳐야 얻을 수 있기 때문에 친환경적이지 않다. 그렇지만, 페트병 생산의 원료로서 우리 생활에 필수적인 물질이다.한국과학기술원(KAIST) 이상엽 교수 연구팀과 이화여대 박시재 교수 연구팀은 공동연구를 통해 개량된 대장균을 직접 발효하여 비식용(非食用) 바이오매스로부터 방향족 폴리에스테르를 생산할 수 있는 친환경 원천기술을 세계 최초로 개발하였다.연구팀은 컴퓨터 기반 가상세포를 이용한 대장균 균주의 대사흐름분석 기술을 적용한 시스템 대사공학기법*을 활용하여, 고분자 생산에 핵심인 코에이-전이효소(CoA-transferase)**의 기존에 밝혀지지 않은 반응을 규명하고, 이를 활용해 다양한 종류의 방향족 폴리에스테르를 생산하였다. * 세포 기반의 각종 데이터를 통합하여 생리 상태를 다차원으로 규명하고, 이 정보를 바탕으로 맞춤형 대사조절을 함으로써 고효율 미생물 균주를 개발하는 기술** 코에이-전이효소(CoA-transferase) : CoA(coenzyme A)를 전달하는 반응에 관여하는 효소   시스템 대사공학과 합성생물학 기술을 접목한 전략을 사용하여 비 천연고분자인 방향족 폴리에스테르를 친환경적이면서도 효율적으로 생산하는데 성공함으로써, 향후 바이오 플라스틱 산업 성장에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.[그림 1] 대장균을 이용한 방향족 폴리에스테르 생산 전체 개념도→ 대사공학적으로 개량된 대장균을 통해 방향족 폴리에스테르를 생산하는 방법을 모식화한 것 연구결과 2 : PET 분해성능이 우수한 효소 개발 성공위 연구와 별도로, 이상엽 교수 연구팀과 경북대학교 김경진 교수 연구팀은 공동연구를 통해 기존 알려진 효소보다 월등한 PET 분해 능력을 가지는 효소의 구조를 밝히고, 이 효소의 우수한 PET 분해 원인 규명 및 PET 분해 활성이 증가된 변이 효소 개발까지 성공하였다.PET는 합성 플라스틱으로 자연분해가 어려워 소각, 매립하기 때문에, 이 과정에서 여러 환경 문제를 야기한다. 따라서 친환경적인 PET 분해를 위해 미생물이 가진 효소를 이용하기 위한 연구개발이 활발하다.기존의 미생물 기반 PET 분해는 시간·비용적인 측면에서 비효율적이었다. 이를 극복하기 위해 PET를 고효율로 분해할 수 있는 효소를 개발해 왔는데, 2016년에 일본 연구진은 Science 저널에 Ideonella sakaiensis균의 높은 PET 분해 능력을 갖는 신규 효소(PETase)를 발표한 바 있다.본 연구팀은 이 신규 효소(PETase)가 기존 알려진 효소대비 높은 PET 분해능을 가지는 원인을 규명하고, 이를 활용하여 고효율의 효소 개발이 가능하도록 Ideonella sakaiensis의 PETase 효소의 단백질 결정구조를 밝혔다. 이 과정에서 컴퓨터 기반 도킹 시뮬레이션*을 통해 PETase 효소와 PET를 모사하는 화합물과의 도킹에 성공하여 결합구조를 제시할 수 있었다. * 두 분자간의 상호작용을 모델링하기 위해 사용되는 컴퓨터 시뮬레이션 기술의 일환   또한 특정부위 돌연변이 유도*를 통해 PET 분해 기작에 중요한 역할을 하는 잔기(residue)를 밝히고, 효소 엔지니어링**을 진행하여 PET 분해 활성이 증가된 PETase 변이 효소 개발까지 성공하였다. * 특정 부위 돌연변이 유도 : 구조 및 기작 관련 주요 잔기 정보를 바탕으로 특정 아미노산 서열을 치환하여 변이 효소를 제작하는 기법** 효소 엔지니어링 : 효소의 활성을 향상시키거나 신규 기능을 가지게 하는 등 효소의 응용을 목적으로 이루어지는 조작으로 유전자 재조합 기술 등을 통해 이루어짐  [그림 2] PET 분해 모식도 및 PET 분해 신규 효소(PETase) 단백질 결정 구조와 원리 규명 관련 전체 개념도→ PETase를 통한 PET분해기작과 PETase의 단백질 결정 구조 및 중요 잔기, 중요 잔기를 기반으로 한 PET 분해능이 예상되는 효소의 분류를 모식화한 것 동 연구도 미생물을 활용한 친환경 플라스틱 재활용 산업을 가속화할 수 있다는 점에서 지속가능한 플라스틱 산업에 중요한 의미를 가진다. 이상엽 교수는 “미생물로 합성 플라스틱을 대체하는 플라스틱을 생산하고, 기존 화학적으로 생산된 플라스틱을 다시 미생물로 분해하는 기술이 개발되었으므로, 친환경 화학 산업으로의 재편이 가능해질 것“이라고 말했다.첫 번째 연구는 과기정통부 글로벌프런티어사업의 ‘지능형 바이오 시스템 설계 및 합성 연구 과제’와 기후변화대응 기술개발사업의 융합 연구를 통해, 두 번째 연구는 기후변화대응 기술개발사업의 '바이오 리파이너리를 위한 시스템 대사공학 기술개발 과제'를 통해 추진되었다.본 연구결과는 국제 학술지인 「네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)」 1월 8일 및 1월 26일자 온라인판에 각각 게재되었다.구분논문명 / 저자정보1월 8일자One-step fermentative production of aromatic polyesters fromglucose by metabolically engineered Escherichia coli strains양정은(한국과학기술원, 공동 제1저자), 박시재(이화여자대, 공동 제1저자), 이상엽(교신저자) 포함 총 8명1월 26일자Structural insight into molecular mechanism of poly(ethyleneterephthalate) degradation주성준(경북대, 공동 제 1저자) 조인진(KAIST, 공동 제1저자), 서호균(경북대, 공동 제 1저자), 이상엽(교신저자), 김경진(교신저자) 포함 총 9명  ▲ KAIST 생명화학공학과 이상엽 교수▲ 경북대학교 생명과학부 김경진 교수 ▲ 카이스트 생명화학공학과 양정은 박사▲ 이화여자대학교 화학신소재공학부 박시재 교수▲ 경북대학교 생명과학부 주성준 석·박사 통합과정생▲ 카이스트 생명화학공학과 조인진 석·박사 통합과정생▲ 경북대학교 생명과학부 서호균 박사 과정생
이용우 2018-02-05