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UNIST 연구팀, ‘분산형 플라스틱 쓰레기 자원화’ 경제‧환경 타당성 검증

- 컨테이너형 생산 장치 지역별로 나눠 설치하면 대형 중앙 집중시설보다 경제성 높아 - 지리적 여건 등에 따라 경제성 달라 개별 사례 분석해야… J. Clean. Prod. 논문 게재 플라스틱 쓰레기를 가열해 원유를 뽑아내는 열 분해유 생산기술이 새로운 자원 재활용 기술로 주목받고 있다. 설비를 소규모로 만들어 지역마다 분산 설치하면 경제성이 높다는 결과가 나왔다. 소형화에 따른 초기 투자 비용도 기존 중앙집중형에 비해 적어서 열 분해유 생산 시장 진입 장벽도 크게 낮아질 전망이다.UNIST(총장 이용훈) 임한권 교수팀은 분산형 시스템과 기존의 중앙집중형 열 분해유 생산 시스템의 경제적·환경 타당성을 비교 분석한 결과를 국제학술지인 저널 오브 클리너 프로덕션(Journal of Cleaner Production) 8월호에 발표했다. 본 연구에서 고려한 분산형 폐플라스틱 열분해 시스템 실제 전경도 분산형 폐플라스틱 시스템 모델링 개략 분석 결과, 플라스틱 처리량은 중앙 집중 형태가 많았지만, 연간 수익이나 이산화탄소 배출(환경 타당성) 부문에서는 분산형이 우위를 보였다. 일간 플라스틱 처리량은 중앙집중형이 3,100~4,600kg, 분산형 시스템은 1,000~4,000kg로 나왔다. 최대 연간 수익은 각각 147,800달러(한화 약 1억9천만 원)와 196,600달러(한화 약 2억6천만 원)로, 이산화탄소 배출량은 일간 670~1,430kg과 100~1,000kg로 예측됐다. 타당성 평가 결과. 중앙집중형(노란색), 분산형(핑크색) (a) 폐플라스틱 처리량, (b) 연간 순이익, (c) 이산화탄소 발생 연구팀은 총 61개 지역에서 배출된 플라스틱 쓰레기들이 6개의 컨테이너 형태 분산형 설비와 중앙집중형 공장으로 운송된다고 가정해 이 같은 결과를 얻었다. 실제 지역별로 배출되는 플라스틱 양을 반영했다. 분산형(보라색)과 중앙집중형 시설의 분포(Zagreb, Croatia) 폐플라스틱 배출 지역 분포(Zagreb, Croatia). 총 61개의 플라스틱 쓰레기 배출 장소가 지도에 표기되어 있다. 제1 저자인 보리스(Boris Brigljević) UNIST 연구원(現㈜카본밸류 소속)은 “플라스틱 쓰레기 배출원은 넓은 지역에 걸쳐 분포하는 특성이 있어서 소규모의 플라스틱 열분해 공장이 산재한 경우를 분석해 보게 됐다”라고 밝혔다. 이번 연구는 보리스 연구원이 경제성·지정학적 분석 데이터를 확보한 크로아티아를 대상으로 이뤄졌다.공동 제1저자인 변만희 연구원은 “분산형 설비 가격이 중앙집중형보다 저렴하고, 운송 경로 최적화로 플라스틱 수거 비용이 줄어들면서 나타난 결과”라며, “지리적 여건 등에 따라 분석 결과가 달라질 수 있는 만큼 한국에 관한 연구도 계획 중”이라고 밝혔다.임한권 교수는 “설비 대형화와 공격적 투자로 원가를 낮추는 ‘규모의 경제’ 대신 소규모 시설로도 초기 진입 장벽을 낮춰 열 분해유 생산 시장을 활성화할 수 있다는 가능성을 보여주는 사례”라며, “전반적인 열 분해유 산업 활성화에 도움이 될 것”이라고 연구 결과를 설명했다. 폐플라스틱 운송 최적화 모델 개략도 한편, OECD는 발간자료(Global Plastics Outlook)를 통해 현재 추세대로 간다면, 2060년경 전 세계 플라스틱 쓰레기 배출량이 2019년의 3배 수준에 이르는 10억1,400만 톤이 될 것이라고 경고했다. 이는 에펠탑 10억 개와 맞먹는 무게다. 특히 이 중 재활용되는 플라스틱 쓰레기는 약 20%가 채 안 될 것으로 예상된다.플라스틱 열 분해유 기술은 이 같은 낮은 재활용을 높일 방안으로 주목받고 있다. 300~800°C의 고열로 폐플라스틱을 열처리해 원래 원료 상태로 되돌리는 기술이다. 정제한 열 분해유는 플라스틱을 비롯한 각종 석유화학 제품의 원료로 다시 쓸 수 있는 만큼 이미 사용된 플라스틱을 재활용해 계속 쓰는 순환 경제를 구축할 수 있다.이번 연구는 파키스탄의 라호르 경영과학대학교(Lahore University of Management Sciences)와 ㈜카본밸류와 함께 했다.* 논문명: Demonstration of feasible waste plastic pyrolysis through decentralized biomass heating business model 자료문의: 에너지화학공학과: 임한권 교수_ 052-217-2935

편집부 2022-10-08

빌딩 숲 태양광 발전 머지 않았다 KIST, 출력, 안정성이 높은 CIGS 소재를 이용한 투광형 태양전지 개발

- 투명산화물전극 및 Ag 전구체 적용으로 투명도, 발전성능 향상 2050년 탄소배출 제로를 달성하기 위해 다양한 대체 에너지원이 검토되고 있고, 그 가운데 하나로 태양광 발전 기술에 대한 관심이 높다. 하지만 인구밀집도가 높고 국토면적의 70% 이상이 산인 우리나라는 대규모 태양전지 설치공간의 확보가 어렵다. 이 때문에 기존 도심 건물의 활용을 극대화하는 건물일체형 태양광발전(BIPV)1)이 주목받고 있다. 건물에 직접 활용이 가능한 대표적 태양 전지 기술인 창호형 태양전지 기술은 빛을 부분적으로만 투과시켜 투명성을 확보할 수 있는 비정질 박막 실리콘, 유기 박막, 염료감응 소재를 중심으로 연구개발이 진행되고 있지만 아직까지 상용화에 필요한 효율성과 내구성이 확보되지 않고 있다. 투광형 태양광모듈용 레이저 가공 개념도 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 차세대태양전지연구센터 정증현 센터장, 유형근 박사 연구팀은 뉴욕주립대 연구팀과의 공동연구로 발전성능과 장기안정성이 뛰어난 Cu(InGa)Se2(이하 CIGS) 화합물 박막 소재를 이용한 투광형 태양전지 기술을 개발했다고 밝혔다. CIGS 화합물 태양전지는 널리 쓰이고 있는 결정질 실리콘 태양전지 수준의 고효율(23.4%) 광 발전성능과 높은 장기안정성을 갖고 있어 실제생활에 적용이 가능하지만 불투명하다. 이는 소재 자체의 높은 광 흡수 능력과 태양전지 뒷면에 전극으로 사용되는 몰리브데늄 금속이 불투명성으로 인해 투명하지 않다는 문제가 있었다.연구진은 소재 전면의 투광도를 높이기 위해 수 ㎛ 크기까지 에칭이 가능한 레이저 공정을 적용했다. 그 결과 육안으로는 구분이 어려운 크기로 불투명한 박막 소재를 제거하고 광 투과가 가능한 미세패턴을 균일하게 형성할 수 있었다. 에칭된 태양전지는 광 발전성능 저하가 없는 투광형 태양전지로, 현재 건물의 창호로 사용 중인 유리를 태양전지로 대체하거나 기존 유리에 태양전지를 추가하는 등 바로 활용이 가능하다. 개발된 투광형 CIGS 모듈 또한, 레이저 에칭 공정의 효율을 높이기 위해서는 CIGS 박막태양전지의 뒷면 전극을 통한 레이저 조사가 가능하도록 기존 불투명한 몰리브데늄에서 투명한 인듐주석산화물(ITO)로 적용해야 했다. 그러나 ITO/CIGS 계면의 높은 전기저항 때문에 광 발전성능이 크게 낮아지는 문제점이 있었다. 연구팀은 ITO 후면전극에 10nm 두께의 은(Ag) 전구체를 적용하면 계면의 전기저항을 낮출 수 있다는 사실을 확인해, 양면이 투명한 CIGS 박막태양전지 셀구조에서 고출력 광 발전이 가능한 기술을 개발하였다. 이러한 셀구조는 전면을 통한 광 발전뿐만 아니라 후면입사 광에 의한 발전이 20~30% 정도 추가되므로 더 높은 발전량을 얻을 수 있다.개발한 투광형 태양전지 모듈은 레이저 에칭 면적비율 조절로 투과도 제어가 자유롭고 광 발전출력이 높아서(30% 광 투과에서 11% 이상 광 발전효율) 건물에서 요구하는 다양한 투과도 수요를 맞추면서도 더 많은 전기생산이 가능하다. 또한, 레이저 에칭에 의한 투광패턴을 100㎛ 이하로 작게 형성할 수 있어 심미적으로 우수한 창호 제작이 가능하고, 모듈화 시 기존의 기계적 방법에서 정밀한 레이저 에칭으로 대체함으로써 패터닝에 따른 효율 감소를 방지할 수 있었다. 투광형 CIGS 모듈의 창호 적용 예(건물 모형) KIST 정증현 센터장은 “개발된 창호형 태양전지는 가격경쟁력이 우수하고 이미 상용화된 CIGS 소재를 활용하기 때문에 기술의 실용화가 용이하다. 향후 발전성능과 레이저 에칭 능력을 향상시키면 경쟁력이 한층 높아질 것으로 기대한다”라고 밝혔다.본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 KIST 주요 사업 및 한국연구재단 기후 변화 대응 기술개발사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 에너지 분야의 국제학술지 ‘Progress in photovoltaics: Research and Applications 최신호(7월호) 표지논문으로 선정되었다. Progress in photovoltaics 2022년 7월호 이슈 전면커버 이미지* 논문명: Transparent back-junction control in Cu(In,Ga)Se2 absorber for < 연구진 소개 >정증현 박사(교신저자) ○ 소속: 한국과학기술연구원 청정신기술연구본부 차세대태양전지연구센터 책임연구원○ 전화: 02-958-6767○ e-mail: jhjeong@kist.re.kr유형근 박사(교신저자) ○ 소속: 한국과학기술연구원 청정신기술연구본부 차세대태양전지연구센터 선임연구원○ 전화: 02-958-5330○ e-mail: hyu@kist.re.kr

편집부 2022-09-12

서울대 공대 이태우 교수-고려대 우한영 교수 공동 연구팀, 최고 효율 스트레처블 유기 발광 다이오드 개발

- 공동 연구팀, 2차원 그래핀을 적용한 스트레처블 전극 개발- 대면적 스트레처블 신축성 발광 소자 적용 가능 서울대학교 공과대학(학장 홍유석)은 이태우 재료공학부 교수와 우한영 고려대 교수 공동 연구팀이 2차원 그래핀을 투명 전극으로 적용한 최초의 고효율 발광 소자를 개발했다고 밝혔다. 이에 유연 소재 및 용액 공정 기술 발전에 따른 웨어러블 소자의 개발이 가능해졌다. 왼쪽부터 이태우 서울대 재료공학부 교수와 우한영 고려대 교수가 개발한 연신 전후의 대면적 스트레처블 발광 다이오드 웨어러블 소자의 기본 요소 중 하나는 센서의 신호를 시각화할 수 있는 스트레처블 디스플레이다. 웨어러블 소자 개발 초기에 모든 장치는 케이블로 연결돼 있고 소자의 부피가 큰 문제로 인해 휴대성이 떨어지는 문제가 있지만 스트레처블 디스플레이는 고유의 신축 특성으로 피부에 부착할 수 있으며, 센서에서 출력된 신호를 실시간으로 확인할 수 있다. 하지만 기존 스트레처블 발광 소자의 문제점 중 하나인 낮은 효율은 은 나노와이어(AgNW)란 전극 물질의 낮은 전하 주입 성능 때문이며, 새로운 소재 개발을 통해 돌파구가 필요한 상황이다.특히 공기 중에서도 전도도를 높게 유지하면서 전자 주입을 용이하게 하는 스트레쳐블 전극 재료는 전무한 상황이었다.공동 연구팀은 그래핀 층을 은 나노와이어 표면에 적용해 2차원 스트레처블 전극을 개발했다. 그래핀 층을 통해 일함수를 조절할 수 있고, 높은 이동도로 인해 전하 확산을 촉진할 수 있어 은 나노와이어의 본질적 문제를 해결할 수 있다.또한 이 전극은 양극과 음극 모두 사용하는 것이 특징이다. 지금까지 양극에 대한 연구가 주로 이뤄왔다. 하지만 음극에서는 신축성을 확보하고, 전자 주입에 용이한 반응성이 높은 알칼리 금속을 사용하지 못하므로 효율적인 전자 주입을 구현하기 어려운 점이 난제였다.하지만 새로 개발한 공액 고분자 전해질을 스트레쳐블 전극 위에 코팅함으로서 공기 중에서도 3.57 eV의 낮은 일함수를 가진 스트레쳐블 전극을 개발했다. 연구팀은 이를 이용해 최고 스트레쳐블 발광 소자 효율인 20.3 cd/A를 달성했다. 또한 전극 기술을 대면적 소자에 적용해 3인치 5×5 수동 매트릭스 ISOLED를 시연했다.이태우 교수는 “그래핀을 이용해 스트레처블 전극 표면 및 계면 개질로 양극과 음극 둘 다 구현했다. 우수한 발광 효율을 갖는 최초의 고효율 스트레처블 발광 소자를 개발했다”며, “이번 연구가 신축성 소자 개발 및 이의 응용에 가이드 라인이 될 뿐만 아니라 웨어러블 전자 소자 응용을 위한 신축성 발광 소자 상용화에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.한편 이번 연구 성과는 그 중요성을 인정받아 세계적으로 저명한 국제학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’에 온라인에 게재됐다.https://eng.snu.ac.kr

편집부 2022-08-29

㈜우진플라임 사출성형기 사출 성형품에 나타날 수 있는 트러블의 종류와 해결 방법

자료제공: 우진플라임 기술교육원 / 교수 한선근< 성형품에 나타날 수 있는 불량의 종류 >5. Weld Line (용접 선)Weld Line이란 플라스틱 부품상 Weld Line은 흔히 광학적/기계적 결함으로 나타난다.또 노치 현상 및 색상 변화가 나타날 수 있다. 노치 현상은 특히 표면이 곱고, 고광택을 가진 Black 또는 짙은 색상에서 많이 나타나며 투명 제품에는 더욱 선명하게 나타난다.< 원인 >Weld Line은 2개 이상의 유동 선단이 만날 때 발생하는 현상이다.수지 흐름의 볼록한 유동 선단은 서로 접촉하여 납작해지고 서로 붙는다. 이 과정은 이미 높아진 점성을 가진 유동 선단의 퍼짐이 요구된다. 따라서 높아진 점성으로 인해 온도와 압력이 충분하지 못하면 유동 선단의 모서리는 충분히 Purge지 못하고 노치를 형성한다.또한, 유동 선단은 더 이상 균일하게 용융/융합되지 못하고 약한 지점을 만든다.첨가제(안료, 윤활제)가 포함된 수지를 사용할 경우 Weld Line 주변에서 이들 첨가제가 심한 방향성을 나타내며, 이로써 Weld Line 주변에서 색상이 달라지는 것을 유발한다. 가장 중요한 해결책은 금형 온도를 올리는 것이며, 금형 온도를 올리면 Cooling Time은 정상적인 금형 온도에 비하여 약 2%/℃ 만큼 길어진다. < Weld Line 원인/대책 요약 >성형재료가 Cavity 내에서 Core Pin 주위를 흐를 때 또는 2개 이상의 흐름이 완전히 결합되지 않을 때 생기는 Line이다. 이 Line은 Gate로부터 분류가 있는 한 Weld Line을 완전히 제거하는 것은 불가능하므로 불량 현상이 최소한으로 되도록 방한을 모색하여야 한다.- 문제점과 현상: Weld Line 부근에서 색이 다른가? < 대책 > - 미세한 안료를 사용한다.- 가벼운 수지를 사용한다.- 문제점과 현상: 금형 구조상 개선이 가능한가?< 대책 > - Sprue Runner Size를 + 방향으로 조절한다.- Gate Size를 + 방향으로 조절한다.- Gate 추가 및 위치를 이동한다. (Weld Line 은폐)- Weld Line 부의 Air Vent를 확인하고 조치한다.- 수지 유동을 저해하는 부분을 확인하고 조치한다.- 금형의 성형부를 Polishing 한다.- 문제점과 현상: 성형 조건으로 개선이 가능한가?< 대책 > - 금형 온도를 + 방향으로 조절한다.- 수지 온도를 + 방향으로 조절한다.- 사출 속도를 + 방향으로 조절한다.6. Silver Streak(수분 줄)수분 줄은 성형품의 표면에 열린 U자 모양으로 나타난다.수분 줄 주위의 표면은 흔히 거칠고 기공을 나타내며, 금형 표면상의 수분 때문에 발생한 수분 줄은 폭이 넓고 거친 얇은 층 모양으로 나타나는 현상이다.< 원인 >보관 또는 성형 중 수지 입자, 수지의 수증기 형성으로 수분이 흡수된다.유동 선단에서 속도 때문에 Gas가 기포 및 수증기 형태로 수지의 표면으로 밀고 들어간다. 성형에서 보압을 가하기 때문에 터진 기포는 움직이는 유동 선단에 의하여 변형되어 금형 벽면에 고화된다.수분 줄이 생길 수 있는 원인: 금형 Cooling Line 누수, 금형 표면의 결로 현상, 수지 건조 불충분, 수지 보관 불량< 문제점 분석 >이렇듯 수분 줄은 재료 안에 함유된 수분의 영향으로 나타나는 현상이라도 해도 과언이 아니기 때문에 재료의 건조 상태를 늘 확인하여야 한다.7. 공기 줄 (Air Streak)대개의 경우 공기 줄(Air Streak)은 망 모양 또는 백색 줄로 나타나고 Domes, Rib 및 살 두께의 변화가 있는 주위에서 찾아볼 수 있는데, Sprue 및 Gate 주위에서 시작하여 박막 모양의 줄이 나타날 수 있다. 또는 Air Hooks은 글자와 같은 조각부의 오목부나 돌출부 근처에 나타날 수 있다.< 원인 >금형 내로 수지 충전 중 시간 내에 빠져 나가지 못하는 공기는 성형품 표면까지 밀려 유동 방향으로 퍼진다. 특히 글자, Icon, Mark 등과 Rib, Dome 등 오목부 부근의 공기는 휘말려 수지에 의하여 갇힌다. 그 결과 Air Hooks가 형성된다.사출성형기 가소화 장치에 수지를 계량할 때 Screw 앞쪽(Nozzle) 부위에서 공기가 흡입되면, 공기는 사출 중 Cavity로 운반되어 수지가 고화되는 금형 벽을 향해 밀린다. 따라서 이 경우는 Gate 주변에 공기 줄(Air Streaks)이 많이 나타난다.< 공기 줄 원인/대책 요약 >성형품 표면에 수지의 유동 방향으로 나타나는 은색의 선이나 구상의 점을 말한다. 이것은 성형 수지에 수분이 흡수되었거나 성형 수지의 일부 또는 전부가 Cylinder 내에서 과열되어 분해 Gas 발생 시 특히 잘 나타난다.< 원인과 대책 >

편집부 2022-08-22

전기자동차용 실리콘 방열 소재 기술 개발 동향

1. 실리콘의 개요규소와 실리콘(silicone)은 대부분의 산업 분야에서 필수적으로 사용되는 고기능 재료로서 유기성과 무기성을 겸비한 독특한 화학 재료이다. 일반적으로 실리콘은 <silicon>과 <silicone>의 두 개의 용어로 단어가 서로 유사하나, 화학적으로는 엄밀히 구별된다. 즉, silicon은 원소기호 Si로 표시되는 규소를 의미하며, 암회색의 금속상 물질로 반도체용 실리콘 웨이퍼, 합금 페로실리콘(ferrosilicon) 등의 제품으로 사용된다. 한편, Silicone은 유기기를 함유한 규소(organosilicon)와 산소 등이 화학결합으로 연결된 폴리머를 의미한다. 실리콘은 유기성과 무기성을 겸비한 독특한 재료로서 여러 형태로 모든 산업 분야에서 필수적인 고기능 재료로서 위치를 점하고 있다.실리콘 오일의 분자 구조는 사슬 모양의 분자 구조를 가지고 있으며, 이분자의 골격을 형성하고 연결하는 것은 실록산 결합으로 개개의 분자가 독립해서 존재하므로 분자 사슬은 상호 간 자유로이 움직일 수 있어서 유동성을 가진다. 즉 액체의 성질을 띠는 것으로 중합도를 조절하여 다양한 점도별 제품을 얻을 수 있다.실리콘 고무의 분자 구조는 긴 사슬형의 고중합체로서 나선형 구조를 형성하고 있으며, 이와 같은 구조에서는 오일의 경우에서와는 달리 분자 사슬이 상호 이동할 수 없으므로 유동성은 없어지나, 분자의 자유도가 커져 신축성이 생겨 고무의 형상을 나타내고, 고무의 가교가 진행되어가면 분자의 자유도가 감소하여 신축성이 줄어들고 경도가 올라간다. 분자 간의 상호 인력이 작아 풍부한 탄성과 우수한 압축 영구 줄음률, 뛰어난 내한성 등의 특징을 나타낸다.실리콘 레진의 분자 구조는 고무의 가교가 진행되어감에 따라 분자의 자유도가 감소하고 신축성도 줄어들게 되면서 경도가 올라가게 된다. 이 가교 밀도를 극한으로 높인 것이 실리콘 레진이다. 실리콘 레진은 고무와 달리 직쇄 상 분자들이 나중에 가교하는 것이 아니고 가교하기 쉬운 구성단위를 초기에 선택하여 망상구조의 분자 구조를 갖는 것이다.실리콘의 특성은 낮은 표면장력, 비이온성 및 비극성, 소수성 및 발수성, 내열성 및 산화안정성, 저온 안정성, 가스투과성, 화학적 불활성, 난연성, 환경 친화성, 무독성 등을 들 수 있으며, 실리콘은 분자 구조상 무기적인 성질과 유기적인 성질을 동시에 갖는 독특한 양면성을 지니고 있어 각각의 특징으로 인해 활용도가 매우 넓다.실리콘의 구성 원자인 규소(Si)와 산소(O)는 전기음성도의 차이가 크기 때문에, 이온 결합에 가까우므로 에너지적으로 안정되어 열과 산화에 강하여 고온에서 사용되는 경우 안정적인 물성을 유지할 수 있다. 또한 가수분해 반응의 촉매로써 작용하는 물질이 있는 경우 고온의 수증기 등에 의하여 실리콘 분자가 저분자량 물질로 변하게 된다. 예를 들어, 실리콘 고무를 밀봉 상태에서 가열하거나 수증기 중에 놓아두면 연화되는 것을 볼 수 있다. 물리적 성질은 실리콘 오일의 분자 간의 인력이 작기 때문에 표면장력은 다른 액체에 비해 낮으며, 따라서 실리콘은 물체의 표면에 얇고 넓게 되려는 경향을 가진다. 또 실리콘 오일 및 고무는 고화점이 낮아 내한성이 우수하다. 이러한 물성은 다른 물질에 비해 산업에서 실용화하는데 훨씬 효과적이다. 또한 분자 간의 거리가 크므로 온도에 의한 영향을 적게 받아 온도 의존성이 낮으며, 기체 투과성이 크다. 그리고 실리콘은 표면장력이 낮아 표면의 발수성이 크며, 실리콘은 금속에 의한 친화력이 낮다. 따라서 실리콘 오일을 금속 간의 윤활유로 사용할 경우, 마찰 면의 압력이 높아지면 유막을 보존하지 못하기 때문에 실리콘 오일은 금속 간의 윤활제로서는 적용하기 어렵다.2. 자동차용 실리콘 응용 및 개발 동향자동차 친환경 경량화 시장은 고연비 부품 수요와 함께 지속적인 성장을 추구하고 있다. 특히 전기자동차와 자율주행 자동차의 연구가 활발히 진행되면서 에너지 밀도 향상, 전장 제품 사용 급증에 따른 전력 소모, 방열, 전자파 발생 등 많은 문제가 발생하고 있다.이러한 문제를 해결하기 위해 자동차 연구자들은 소재부터 제품까지 다양한 분야에서 연구를 진행하고 있다. 본 논고에서는 화학소재 중 실리콘 소재가 향후 자동차 산업에 어떤 기여를 할 수 있을지에 대해 논하고자 한다.실리콘 소재는 차량 내장 및 외장 부품에 광범위하게 사용되며, 자동차 및 기타 차량(예: 중장비 도로 및 오프로드 자동차 장비)의 다양한 부품 및 구성 요소에 사용되며, 실리콘은 경량화 및 배출 가스 감소에 많은 기여를 하고 있다고 보고되고 있다. 최근 전기자동차, 자율주행 자동차 개발이 활발히 진행되면서 더 많은 전력과 성능을 요구하는 차량 특성상 엔진에서 발생하는 열량은 증가하고 있으며, 고성능 자동차 응용 분야에 필요한 강도, 저항 및 내구성을 요구하고 있다. 실리콘 소재는 자동차 산업에 있어 고내열에서 작업 환경에 부품 보호 또는 외부 환경에 대응용으로 씰, 진동 댐퍼, 도체, 절연체 역할을 하고 있으며, 자동차의 수명을 연장할 수 있는 실리콘 접착제, 코팅용으로 사용되고 있다. 자동차 외부 환경인 비, 바람, 염수, 마모, 자외선 및 화학 물질 등 내후, 내 환경성을 확보하기 위해 자동차의 많은 부분에서 고분자 실리콘이 사용되고 있다.2.1. 자동차 산업과 실리콘 1) 자동차용 실리콘 시장자동차 실리콘의 시장 규모는 2018년에서 2023년까지 연평균 7.1%의 성장을 예상하고 있으며, 전기 부품 및 인테리어와 같은 고성장 응용 분야 자동차 산업에 사용되는 외장 부품 등 자동차 산업의 높은 성장은 자동차 실리콘 시장의 성장을 이끄는 핵심 요소로 자리매김할 것으로 기대된다.자동차 산업에서 자동차의 내구성과 효율성을 향상시키며, 경량 소재에 대한 수요가 증가함에 따라 자동차 실리콘 시장도 동반 성장할 것으로 예측하고 있다.2) 자동차에서 실리콘 역할자동차는 전기 전자 응용 분야의 수가 계속 증가하고 복잡해짐에 따라 성능 및 안정성 향상에 대한 요구가 지속적으로 증가하고 있다. 실제 자동차 운행 관련 환경 조건은 매우 가혹하다. 보닛 아래의 온도가 상승하면서 열 사이클은 응력과 구성 요소 고장 가능성을 유발할 수 있다.기계적 응력의 또 다른 원인은 엔진 및 도로 조건에서 발생하는 직접적인 진동으로 기인한다. 물과 습도는 지속적으로 엔진 내부와 주변에서 화학적 반응을 발생시킨다. 이러한 모든 요소들로 인해 자동차 산업에서 일하는 모든 전자 설계 엔지니어는 부품 보호를 위한 설계를 최우선으로 생각하고 있다.실리콘은 응용 분야에 따라 자동차에 적용되는 실리콘 내장, 외장, 엔진, 전기 및 기타 부문으로 자동차 전 분야에 걸쳐 사용되고 있다. 내장 및 외장용으로는 배기 행거, 에어백, 외장 트림 및 충격 흡수 장치 등이 있으며, 엔진 분야는 개스킷, 라디에이터 씰 및 여과 등에 적용되고 있다. 전기 관련 분야에는 점화 케이블, 배터리 씰 및 커넥터 등이 있다.특히, 실내 및 외장은 자동차 실리콘의 가장 큰 응용 분야로 추정되며 전기는 예측기간 동안 가장 빠르게 성장하는 분야로 예상되며, 플라스틱 및 코팅에서 자동차용 실리콘에 대한 수요 증가는 향후 이 응용 분야에서 시장을 주도할 것으로 예상된다.실리콘은 에어백, 엔진 개스킷, 헤드램프, 유압 베어링, 점화 케이블, 라디에이터 씰 및 호스, 충격흡수장치, 스파크 플러그 부츠 등 광범위한 자동차 부품에 사용되고 있으며, 실리콘의 쿠션 특성을 이용한 부품들로 카시트, 대시 보드, 베어링 및 보호 충격 흡수 등이 있다. 또한 EV 배터리 씰, 엔진 개스킷, 헤드램프 씰 및 충격 흡수 장치 등 다양한 자동차 부품에 적용 되고 있으며, 파워트레인 실링, 개스킷, 호스, 윈드실드 라이닝, 케이블, 점화 세트, 에어백 쿠션 코팅 및 기타 여러 주요 응용 분야에서 실리콘의 안정성의 특성을 이용하고 있다. 실리콘의 이형 코팅을 통해 타이어를 제조 금형에서 꺼내는 데 사용하기도 한다.자동차용 엔진 부품 분야에도 실리콘 소재가 적용되고 있다. 고온 및 저온 저항, 우수한 전기적 특성 및 높은 접착성을 이용하여 본딩 및 밀봉 재료에 RTV 실리콘 고무를 사용하고 있으며, 견고하고 물성이 우수한 특성을 이용하여 진동 댐퍼로 사용한다. 또한 공기, 연료, 오일, 캐빈, 브레이크 먼지, 조향, 냉각수, 오일 분리기 및 트랜스미션 필터 등 다양한 필터에도 사용하고 있다.전기분야에는 동력 전달, 댐핑, 절연, 점화 케이블 및 점화 플러그 부츠, 회전 전원에서 다른 장치로 속도 및 토크 변환을 제공하는 변속기, 전력 전송 시스템에서 사용되는 케이블의 안전성을 극대화하기 위해 실리콘 화합물들이 사용되고 있다.2.2. 전기자동차용 실리콘 방열 소재 하이브리드 자동차, 전기자동차 또는 연료전지 자동차 등의 핵심 부품을 보호하기 위해 실리콘 소재의 적용이 필요할 것이다.열, 냉기 및 습기 등에 의한 급격한 온도 변화, 진동 또는 오일 및 화학 물질과의 접촉과 같은 극한 환경 영향으로부터 차량을 보호하기 위해 실리콘 소재의 적용은 증가할 것으로 예상 된다.• EV MotorELASTOSIL®, SEMICOSIL®, SILRES® 및 WACKER SilGel® 사 실리콘 제품들은 하이브리드 및 대체 드라이브에 사용되어 효율적인 열 관리 및 기능 안전, 민감한 전자 장치의 안정적인 보호를 제공한다고 발표하였다.일반적인 특징은 수분, 환경, 화학 물질, 냉각수 및 유체로부터 엔진 구성 요소를 보호하고, 진동 댐핑은 -45°C부터 >180°C까지 안정적으로 유지한다. 내열성은 180°C~230°C 지속적인 부하에도 안정적이다. 넓은 온도 및 주파수 범위에서 장수명 및 전기 절연 성능을 발휘한다.실리콘 수지로 전기 코일(로터/고정자) 함침, 실리콘 엘라스토머로 코팅된 포팅 실리콘 유체로 능동 냉각, 실리콘 엘라스토머가 있는 정션 박스 및 커넥터 링을 포팅하여 전기연결 보호, 강한 실리콘 접착제로 영구자석결합 등의 전기모터 성능과 내구성을 향상시키는 재료로 응용될 수 있다.• Batteries 현재 리튬 이온 배터리 기술로 구동되는 EV는 출력 밀도 측면에서 기존 차량 EV를 더 자주 재충전해야 한다. 각 재충전 주기는 배터리의 전체 커패시턴스를 감소시켜 배터리 수명을 단축시킨다. 또한, 재충전은 배터리 셀의 물리적 치수의 팽창으로 나타나는 내부 화학 변화를 일으켜, 내부 배터리 셀 및 부품의 박리 또는 심지어 배터리 팩의 변형을 야기할 수 있다. 이는 배터리 수명을 단축시키며 열악한 상황에서는 열 폭주로 이어질 수 있다. • Electric Vehicles (EV) Silicone Foams현재 자동차에 제공되는 다양하고 성장하는 인포테인먼트, 내비게이션 및 전자 장치는 차량에 많은 전기 수요가 있음을 의미한다. 결과적으로 EV 배터리가 실제로 널리 보급되려면 EV 배터리가 더 많은 전력, 더 많은 사이클 및 더 긴 수명을 제공해야 한다. 리튬 이온(Li-ion) 배터리 팩은 뛰어난 전력 밀도와 충전 효율로 인해 EV 산업의 주요 전원으로 적용되고 있다. 그러나 이 배터리는 수명은 운행 시간이 길고, 자동차 운행 환경이 까다로워질수록 악화된다.특히 배터리 수명을 단축시키는 요인으로 배터리가 충·방전하는 동안 적당한 양의 압력이 가해져야 최적의 효율을 갖게 되지만, 장시간 충·방전을 통하여 박리가 발생하면 배터리 수명이 단축되는 현상이 발생한다. 이러한 현상을 방지하기 위해 유전체 폼이 적용되고 있다. 유전체 폼(Dielectric foam)은 배터리 셀의 치수 변화 등을 제어함으로 셀 패키지에 충분한 압력을 전달하여 사고를 방지할 수 있다. 실리콘 기반 폼의 성능은 배터리 수명보다 오래 지속되고 대부분의 다른 고무보다 훨씬 넓은 발포체의 작동 온도 범위를 가지고 있다.• Electric Vehicles (EV) Cable $ Connector Seals전기자동차용 케이블과 커넥터용 실은 화학성, 완벽한 절연성 및 열부하에 대한 저항력이 필요하며, 안전하고 안정적으로 전기를 공급해야 하는 특성이 있다. 실리콘 고무 경우 물리적, 기계적 및 절연 특성을 결합하여 안정적인 기능을 발휘할 수 있다.ELASTOSIL® 실리콘 고무는 차량의 전기 회로에서 탁월한 성능을 발휘한다고 소개하고 있다.• Electric control Unite(ECU)현재 자동차의 편안함, 안전 및 연료 효율 관리 등 대부분 전자제어 장치의 품질에 의해 성능이 결정된다. 고품질 실리콘 엘라스토머는 전자 제어 및 안전 시스템이 장기적으로 효율적이고 안전하게 작동하도록 한다.3. 결언실리콘 소재는 자동차 산업에 있어 고내열에서 작업 환경에 부품 보호 또는 외부 환경에 대응용으로 씰, 진동 댐퍼, 도체, 절연체 역할을 하고 있으며, 자동차의 수명을 연장시킬 수 있는 실리콘 접착제, 코팅용으로 사용되고 있다.자동차 외부 환경인 비, 바람, 염수, 마모, 자외선 등에 의한 급격한 온도 변화 및 화학 물질과의 접촉 등 내후성, 극한 환경 영향으로부터 차량을 보호하기 위해 실리콘 소재의 적용은 증가할 것으로 예상된다.전기 부품 및 인테리어와 같은 고성장 응용 분야 자동차 산업에 사용되는 외장 부품 등 자동차 산업의 높은 성장은 자동차 실리콘 시장의 성장을 이끄는 핵심 요소로 자리매김할 것으로 기대된다.하이브리드 자동차, 전기자동차 또는 연료전지 자동차 등의 핵심 부품을 보호하기 위해 실리콘 소재의 적용이 필요할 것이다.전기자동차용 케이블, 커넥터, Battery, ECU 등 많은 부품 등이 화학성, 절연성 및 열부하에 대한 저항력이 필요하며, 안전하고 안정적으로 전기를 공급해야 하는 특성이 있다. 실리콘 고무 경우 물리적, 기계적 및 절연 특성을 결합하여 안정적인 기능을 발휘 할 수 있을 것으로 기대된다.자동차 산업에서 자동차의 내구성과 효율성을 향상시키며 경량 소재에 대한 수요가 증가함에 따라 자동차 실리콘 시장도 동반 성장할 것으로 예측하고 있다.

편집부 2022-08-22

KIST, 프린트해서 만드는 유기 태양전지, 대면적화 기술 개발

편집부 2022-08-11

KIST, 화재 걱정 없는 ESS, 수계아연전지 핵심 기술 개발

- 저비용·친환경 전해도금 공정으로 아연금속 음극 성장 및 최적화 성공- ‘폭발 위험’ 높은 리튬기반 에너지 저장장치를 수계아연전지로 대체 기대 최근 대부분의 ESS는 이차전지 중 기술 성숙도가 가장 높은 리튬이온전지를 채택하고 있다. 하지만 화재의 위험성으로 인해 대용량의 전력을 저장하는 ESS에는 적합하지 않다는 지적을 받고 있다. 국제적인 원자재 공급 불안정성 역시 큰 문제로 대두되고 있다. 반면 수계아연전지는 물을 전해질로 사용해 배터리 발화가 근본적으로 차단되며 원재료인 아연의 가격도 리튬의 1/16에 불과하다.한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 에너지저장연구센터 이민아 박사 연구팀은 수계아연전지 상용화의 열쇠인 ‘고밀도 아연금속 음극’ 제조기술 개발에 성공했다고 밝혔다. 이번 제조기술은 특히 저비용·친환경 용액을 이용하여 쉽고 간단한 전해도금 공정만으로도 높은 에너지밀도와 긴 수명의 아연금속 음극을 만들 수 있어 수계아연전지 대량 생산의 기폭제가 될 것으로 전망되고 있다. 기존 수계 전해액에서 불규칙하게 생성되어 부식 반응을 유발하는 아연 입자와 달리 DES 용액에서 성장시킨 아연은 빽빽하고 균일하여 충·방전 후에도 안정적으로 구조를 유지한다. 이론적으로 수계아연전지는 다가 이온을 활용하여 이온 하나당 두 개의 전자를 이용하기 때문에 알칼리 금속 이온 대비 부피당 에너지밀도 측면에서도 유리하다. 전지를 제작할 때 음극으로 사용되는 아연금속의 용량이 양극의 2배만 넘지 않으면 현재 상용화된 리튬이온전지에 버금가는 에너지밀도의 구현이 가능하다. 심지어 아연금속의 용량이 양극의 5배에 달해도 부피당 에너지밀도 측면에서 차세대 배터리로 주목받는 소듐이온전지와 비슷할 만큼 경쟁력이 뛰어나다. 아연금속 전해도금 후의 표면 및 단면 미세구조 하지만, 아연금속 음극은 전지 구동 시 나노입자가 불규칙하게 성장하고 부식이 일어나 이차전지의 에너지밀도와 수명을 지속적으로 저하시킨다는 문제를 안고 있었다. 음극 내 낮은 아연금속 입자 밀도와 넓은 표면적이 전해액과의 부식 반응을 가속화해 활성 아연금속과 전해액을 고갈시키는 것이다. 기존의 연구들은 이런 수명의 한계를 보완하기 위해 일반적으로 필요보다 20배 이상 많은 양의 두꺼운 아연금속을 사용하는데, 이는 역설적으로 수계아연전지의 최대 강점인 에너지밀도와 가격 경쟁력의 저하를 불러올 수밖에 없었다. KIST 이민아 박사팀 연구진은 (좌측) 염화콜린(ChCl)과 (가운데) 요소(UREA)를 혼합하여 (우측) 친환경 공융용매(DES)를 제작했다. 이에 따라 KIST 이민아 박사팀은 수계아연전지의 에너지밀도와 수명 저하를 유발하는 부반응을 줄이기 위해 아연금속 음극의 미세구조를 제어했다. 이를 통해 상온에서 간단하게 합성할 수 있는 DES(Deep eutectic solvent, 깊은공융용매) 용액을 제조했다. 제조한 DES 용액은 콜린클로라이드(Choline chloride, ChCl)와 요소(Urea)를 1:2의 몰비로 혼합하여 녹는점이 12℃인 액체 상태의 복합체가 되는 대표적인 DES 물질로 알려져 있다. 연구진은 DES 내에서 아연과 구리 집전체 사이에 친아연성 구리-아연 합금층이 자발적으로 형성되며 고밀도의 아연 입자를 성장시킨다는 사실을 확인했다. 연구진은 이를 활용해 저비용·친환경인 DES 용액에서 아연금속을 조밀하고 균일하게 성장시키는 전해도금 공정을 개발하는 데 성공했다. KIST 권민형 연구원이 공융용매를 활용하여 제작한 고밀도의 아연 음극과 이를 적용하여 획기적으로 성능이 개선된 수계아연전지(파우치형)를 살펴보고 있다. 이렇게 제조한 아연금속 음극을 수계아연전지 시스템에 적용한 결과, 부식 반응이 효과적으로 억제돼 7,000회 이상의 반복적인 충‧방전 이후에도 70% 이상의 용량을 유지하는 것으로 나타났다. 이는 얇은 아연을 활용한 기존의 유사 연구들 중에 가장 뛰어난 결과이며 상용 리튬이온 이차전지의 충‧방전 수명(1,000~2,000회)을 크게 상회하는 수치이다. 차세대 수계아연전지용 고밀도 음극 제조기술 개발에 성공한 KIST 에너지저장연구센터 이민아 박사(좌, 교신저자)와 권민형 연구원(우, 제1저자) KIST 이민아 박사는 “신재생에너지 보급과 확대의 가장 큰 걸림돌인 ESS의 화재 안전성을 단번에 해결할 수 있는 수계아연전지의 상용화 핵심 기술을 개발하게 됐다”라며, “이번 고밀도 아연 음극 제조기술은 특히 경제적이고 친환경적인 DES 용액과 이미 산업 전반에서 널리 쓰이는 전해도금 공정이 결합돼 수계아연전지 대량 생산의 길을 열게 될 것으로 기대한다”라고 밝혔다,본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 한국연구재단 나노·미래소재원천기술개발사업, 개인연구사업(중견연구) 및 KIST 주요 사업을 통해 수행되었으며, 연구 결과는 에너지 및 환경과학 분야의 세계적 권위지 ‘Energy & Environmental Science’ (IF:38.532, JCR 분야 상위 0.182%) 최신 온라인판에 게재되었다.* 논문명: Stimulating Cu–Zn alloying for compact Zn metal growth towards high energy aqueous batteries and hybrid supercapacitors - 제 1저자: 한국과학기술연구원 권민형 학생연구원 - 교신저자: 한국과학기술연구원 이민아 선임연구원 권민형 학생연구원(제1저자)○ 소속: 한국과학기술연구원 청정신기술연구본부에너지저장연구센터 학생연구원 고려대학교 화공생명공학과○ 전화: 02-958-5808○ e-mail: kwon951013@kist.re.kr이민아 박사(교신저자)○ 소속: 한국과학기술연구원 청정신기술연구소에너지저장연구센터 선임연구원○ 전화: 02-958-5297○ e-mail: minahlee@kist.re.kr

편집부 2022-08-11

KIST, LOHC 상용화를 위한 핵심기술 개발

- KIST‧POSTECH 연구팀, LOHC 탈수소화용 나노촉매 개발- 수소 추출공정 중 발생하는 부산물 줄여 수입 실증에 필요한 핵심기술 확보 지난해 11월 정부에서 발표한 제1차 수소경제 이행 기본 계획에 따르면, 우리나라는 2030년까지 국내 수소 공급량을 390만 톤으로 늘리는 것을 목표로 하고 있지만, 이 중 절반 이상인 196만 톤을 해외에서 생산된 수소로 수입하여 공급할 계획이다. 그런데, 수소는 압축시켜 선박을 이용해 국내로 이송하기 때문에 한 번에 수입할 수 있는 수소량이 제한적이라는 문제가 있다. 최근 대용량의 수소를 저장 후 상온·상압에서 운송할 수 있는 액상유기수소운반체(LOHC, Liquid Organic Hydrogen Carriers) 기술이 주목받는 이유다.한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 수소·연료전지연구센터 손현태 박사와 포항공과대학교(POSTECH, 총장 김무환) 화학공학과 윤창원 교수 공동연구팀은 LOHC의 수소 추출공정에 필요한 다공성 실리카 기반 나노촉매를 개발했다고 밝혔다. 개발된 촉매는 수소 추출공정에서 발생하는 부산물의 양을 획기적으로 줄임과 동시에 추출 속도도 빨라서 향후 대규모 수소운송 실증을 가능케 하는 핵심기술이 될 것으로 기대된다. 다공성 실리카: 고도로 발달 된 중형의 규칙적인 기공 구조를 갖는 구조체형 실리카(SiO2) LOHC는 유기화합물을 수소 저장, 운송 및 방출을 위한 매개 물질로 사용하여 대용량의 수소를 이송하는 기술이다. 이는 경유, 휘발유 등과 비슷한 성질을 가지고 있어 초기 투자 비용 없이 기존의 석유화학 시설 인프라를 그대로 활용할 수 있다는 장점이 있고, 암모니아를 이용한 액체 기반 수송과는 다르게 수소 저장 및 추출 사이클을 반복하는 것이 가능해 비용을 줄일 수도 있다. 하지만, 수소 추출공정 중 소량 발생하는 부분 탈수 소화 물질(부산물)이 저장-추출 사이클의 반복 과정에서 누적되어 수소 저장량의 감소와 함께 전체 공정의 효율을 떨어뜨리는 한편, 고온에서 진행되는 수소 추출공정에서 촉매의 안정성이 낮아져 수소생산 속도 또한 낮아진다는 문제점이 있었다. KIST-POSTECH 공동연구진이 개발한 LOHC 탈수소화용 촉매 구조 모식도 공동연구팀이 개발한 촉매는 3차원 중형 다공성 실리카(Ordered mesoporous silica, KIT-6)에 1-2 나노미터(1nm: 10억분의 1m) 크기의 백금(Pt) 금속이 고르게 퍼져있는 형태로 상용 촉매 Pt/Al2O3보다 약 2.2배의 탈수소화 성능을 기록하였으며, 액상 생성물 분포에서도 바이페닐 기반 LOHC 탈수소화 부산물이 상용 촉매 대비 1/20 수준으로 발생함을 확인하였다. 뿐만 아니라 나노 백금 금속 입자가 3차원 다공성 실리카 지지체의 각 기공 안에 존재하기 때문에 높은 반응 온도에서도 안정적이며, 장시간 사용해도 촉매 성능이 유지된다는 것을 확인했다. KIT-6: 3차원 중형 다공성 실리카(Ordered mesoporous silica)의 일종 백금 금속: 원자 번호 78번의 금속, 무겁고, 연성이 있는 값비싼 귀금속으로 10족에 속하는 전이 금속임. KIST 손현태 박사는 “본 연구는 촉매의 기공 크기 및 바이페닐 기반 LOHC 반응물의 체류 시간을 조절하여 수소 선택도와 생산 속도를 높인 경우”라며, “향후 추가적인 연구를 통해 본 촉매를 바이페닐 기반 외 다양한 LOHC 추출공정에 적용해 보는 것이 목표”라고 말했다. POSTECH 윤창원 교수는 “2019년에 출범한 국내 LOHC 원천기술개발 연구단은 이미 LOHC와 관련된 촉매, 반응기, 공정 및 시스템 구축 기술을 확보하였으며, 앞으로 연구단에서 얻은 결과를 활용하여 해외에서 대용량의 수소를 LOHC로 들여오기 위한 시스템 스케일 업 연구개발이 필요하다”라고 말했다.본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로, 한국연구재단 “수소에너지혁신기술개발사업”으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 에너지 환경 분야 저명 국제 학술지인 ‘Applied Catalysis B-Environmental’ (IF: 19.503, JCR 분야 상위 0.926%) 최신 호에 게재되었다.* 논문명: Dehydrogenation of homocyclic liquid organic hydrogen carriers (LOHCs) over Pt supported on an ordered pore structure of 3-D cubic mesoporous KIT-6 silica - 제1저자: 한국과학기술연구원 안창일 박사후연구원 - 교신저자: 한국과학기술연구원 손현태 선임연구원 - 교신저자: 포항공과대학교(POSTECH) 화학공학과 윤창원 교수안창일 박사(제1저자) ○ 소속: 한국과학기술연구원 청정신기술연구본부 수소·연료전지연구센터 박사후 연구원○ 전화: 010-5386-8983○ e-mail: ciahn@kist.re.kr손현태 박사(교신저자)○ 소속: 한국과학기술연구원 청정신기술연구본부 수소·연료전지연구센터 선임연구원○ 전화: 02-958-5241○ e-mail: sohn@kist.re.kr윤창원 박사(교신저자)○ 소속: 포항공과대학교 (POSTECH)　 화학공학과 교수○ 전화: 054-279-6881○ e-mail: cwyoon@postech.ac.kr

편집부 2022-08-11