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3D 프린팅으로 인쇄하는 자유형상 초소형 리튬이온전지 개발

- 반 고체형 겔 전해질 개발로 집전체부터 패키징까지 배터리 소재를 자유롭게 인쇄한 리튬이온전지 개발- 사물화 인터넷, 센서, 의료 삽입형 기기의 초소형 에너지원으로 사용 기대 IoT 디바이스, 생체로봇, 삽입형 의료기기 기술이 급속도로 발전됨에 따라 개인화된 작은 기기에도 전원 공급이 가능한 자유형상 초소형 리튬이온전지가 주목받고 있다. 현재 휴대기기, 전기차 등에는 원형 또는 사각형 등 매우 정형화된 디자인의 리튬이온배터리가 사용되고 있었으며, 기존의 리튬이온배터리는 금속 집전체를 사용하여 매우 무겁고, 가연성이 있는 액체 전해질1)을 사용하는 등의 한계가 있었다. 이를 넘어 사용자 맞춤형 초소형 기기 설계 시 공간을 효율적으로 사용하기 위해서는 배터리의 모양을 자유롭게 제작할 수 있는 기술이 필요하다.한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 소프트융합소재연구센터 정승준 박사팀이 서울대 화학부 임종우 교수와의 공동연구를 통해 가벼우면서 디자인 자유도가 높고, 개인화된 작은 기기에도 도입할 수 있는 자유형상 리튬이온전지를 개발했다고 밝혔다.본 연구에서는 집전체2)부터 패키징까지 모든 배터리 소재를 3D 프린팅 공법을 이용하여 자유롭게 인쇄한 리튬이온전지를 제작했다. 이를 위해서는 고해상도로 안정적인 패턴 형성이 가능한 배터리 소재 잉크 개발이 필수적인데, 기존의 액체 전해질 혹은 반고체 겔 전해질 연구에서는 잉크의 유변학적 특성 제어가 어려워 고해상도 패턴을 형성하지 못했다. 액체 전해질: 리튬이온이 양극과 음극 사이를 이동하도록 하는 매개체 집전체: 배터리를 충·방전할 때 전기화학적 반응이 일어날 수 있도록 전자를 외부에서 활물질로 전달하거나 활물질에서 내보내는 역할을 함. 연구진은 두 개의 고분자 비율을 조절함으로써 밀리미터(㎜) 이하의 고해상도 패턴 형성과 높은 이온전도도를 동시에 만족하는 반고체 겔 전해질 개발에 성공했다. 또한 무거운 금속 집전체를 가벼우며 전기 전도성이 높은 금속 나노 입자 잉크와 고분자 잉크로 대체하여 집전체를 구현하였다. 본 연구에 사용된 높은 이온전도도를 가지며 모양 형성이 우수한 반고체형 겔 전해질(왼쪽), 기존의 상용 액체 전해질 (오른쪽) 그 결과 배터리에 필요한 모든 소재를 3D 프린팅으로 인쇄할 수 있었고, 기존 배터리가 적용될 수 없었던 공간에 형태의 제약 없이 기기에 집적화되어 전원을 공급할 수 있음을 입증했다. 개발한 프린팅 배터리는 사물화 인터넷, 센서, 의료삽입형 기기 등에서 필요한 수 mAh의 용량을 달성하였다. 1센트보다 작은 크기의 플라스틱 기판 위에 올라간 12개의 마이크로 프린팅 배터리 (빨간색 사각형 안) 연구를 주도한 KIST 정승준 박사는 “본 연구에서 개발한 리튬이온전지는 기존의 배터리가 적용되기 어려운 3D 형상의 자유형상 기기, 의료 삽입형 기기, 소형 로봇 분야 부분에 에너지 공급원으로 사용될 것으로 기대된다”라고 밝혔다.본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 KIST 주요사업과 국가핵심소재연구단(특화형)으로 수행되었으며, 연구 결과는 국제학술지 Energy Storage Materials (IF 20.831, JCR 상위 4.203%)에 게재되었다.* 논문명: High-performance, Printable Quasi Solid-state Electrolytes Toward All 3D Direct Ink Writing of Shape-versatile Li-ion Batteries- 제1저자: 한국과학기술연구원 배준호 학생연구원- 교신저자: 한국과학기술연구원 정승준 책임연구원 / 서울대학교 화학부 임종우 교수논문 DOI: https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.02.016 < 연구진 소개 >배준호 학생연구원(제 저자)○ 소속: 첨단소재기술연구본부 소프트융합소재연구센터 ○ 전화: 010-3058-1545○ e-mail: junho917@kist.re.kr임종우 교수(공동교신저자)○ 소속: 서울대학교 화학부 부교수○ 전화: 02-880-2236○ e-mail: jwlim@snu.ac.kr정승준 책임연구원(교신저자)○ 소속: 첨단소재기술연구본부 소프트융합소재연구센터○ 전화: 010-9046-3557○ e-mail: seungjun@kist.re.kr

편집부 2023-04-05

전기 통하는 차세대 아라미드 섬유 개발 KIST, 슈퍼섬유 시장의 게임체인저 개발

편집부 2023-03-22

KIST, 빛으로 수돗물 속 미세플라스틱 잡아낸다

- 전기‧광 집게 현상, 표면증강라만 산란을 통해 초미세 플라스틱 빠르게 검지- 안전한 수자원 확보 기술로 적용 기대 최근 우리나라 주요 강의 미세플라스틱 농도가 세계에서 가장 높다는 연구 결과가 발표되었다. 생활 속에서 간단히 마시는 티백 제품에도, 마시는 물에도 미세플라스틱이 검출되었다는 뉴스를 쉽게 접할 수 있다. 미세플라스틱은 우리 생활 속 플라스틱이 폐기 후 생태계로 유입되어 물리적·화학적으로 쪼개져 마이크로~나노 크기로 존재하는 플라스틱으로 우리의 건강과 환경 전반에 미치는 영향이 매우 크다. 하지만 미세플라스틱, 그중에서도 100㎚ 이하의 초미세 플라스틱은 그 크기가 매우 작고 농도도 매우 낮기 때문에 검지에 한계가 있다. 나노 크기의 플라스틱 입자를 검지하기 위해서는 플라스틱 시료를 농축하는 전처리 과정에 수 시간~수일에 걸친 시간과 많은 비용이 소요되기 때문이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 뇌융합기술연구단 유용상 박사 연구팀은 초미세 나노 플라스틱을 나노 사이즈의 금, 은 입자와 함께 전기-광 집게를 이용해 짧은 시간 내 시료를 농축시키고, 빛을 이용한 실시간 검지 시스템을 개발했다고 밝혔다. 전기-광 집게 현상 및 표면증강라만 현상을 이용한 나노 플라스틱 라만 광 검지 메커니즘과 이에 따른 축적 시간 감소 및 광신호 증폭오른쪽 위: 이에 따른 축적 시간 감소 모식도(파란색: 기존, 빨간색: 본 연구)오른쪽 아래: 이에 따른 광신호 증폭 모식도(파란색: 기존, 빨간색: 본 연구) 연구진은 절연막을 사이에 두고 양면이 금속으로 된 대면적 3층 수직 배열의 전극에 전기를 공급하고, 동시에 분자의 진동수에 따른 입사광과 산란광의 에너지 차이를 분석하는 라만 광 검지 방식을 채택했다. 이 과정에서 나노 사이즈의 금, 은 입자인 플라즈모닉 나노입자를 활용해 시료를 농축했으며, 그 결과 미세플라스틱 검지를 위해 필요한 농축, 검지 시간을 수 초로 줄일 수 있었다. 실제 실험에서 10μg/L 농도의 30㎚ 크기 폴리스티렌 입자를 검지하는 데 성공해 초저농도 실시간 나노 플라스틱의 광 검지 성능을 확인했다. 한편, 연구진은 유전영동(Dielectrophoresis) 현상1)을 이용해 시료에서 입자를 쉽게 분리해냈다. 이를 통해 기존에 나노 플라스틱 분석을 위해 채집(collection), 분류(separation), 분석(analysis)까지 하루 이상이 걸리던 전 과정을 하나의 플랫폼 안에서 실시간으로 1초 단위로 분리 및 검지 가능한 원천기술을 확보할 수 있었다. 불균일한 전기장 내에서 유전체 입자들이 이동하는 현상으로 인가하는 전기신호의 주파수에 따라 선택적으로 다른 물성의 입자를 농축시킬 수 있다. 본 연구를 수행한 KIST 정의태 연구원과 유의상 박사(이상 공동 주저자)는 “미세플라스틱의 실시간 초고감도 검지가 가능해졌다는데 이번 연구성과의 의의가 있으며, 향후 연구 결과를 확장해 실제 여러 수자원의 미세플라스틱 농도를 측정하고 안전한 수자원 확보 기술로의 활용을 기대하고 있다”고 말했다.본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)지원을 받아 KIST 주요 사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 국제 학술지인 「ACS Nano」 (IF : 18.027) 최신호에 표지논문으로 게재되었다. ACS Nano 전면 표지 선정 * 논문명: Real-time Underwater Nanoplastic Detection Beyond Diffusion Limit and Low Raman Scattering Cross-section via Electro-photonic Tweezers - (제1저자) 한국과학기술연구원 정의태 학생연구원- (제1저자) 한국과학기술연구원 유의상 박사후연구원- (교신저자) 한국과학기술연구원 유용상 책임연구원 < 연구진 소개 >정의태 전문원(제1저자)○ 소속: 한국과학기술연구원 마이크로나노팹센터 전문원○ 전화: 010-6424-8549○ e-mail: et0836@kist.re.kr 유의상 박사후연구원(제1저자)○ 소속: 한국과학기술연구원 뇌과학창의연구단 박사후연구원○ 전화: 010-4305-8483○ e-mail: yues1130@kist.re.kr 유용상 박사(교신저자)○ 소속: 한국과학기술연구원 뇌과학연구소 뇌융합기술연구단 책임연구원○ 전화: 010-2852-4857○ e-mail: ysryu82@kist.re.kr

편집부 2023-03-22

KIST, 태양전지 저가화에 필수적인 용액공정, 초박막, 고안정성을 갖춘 무기 박막 태양전지 개발

- 가격 경쟁력 확보를 통해 실리콘 태양전지 대체 효과 기대 우리나라 탄소중립 시나리오에 따르면, 우리나라는 탄소중립을 위해 2050년까지 전력의 90%를 태양광으로 대체하는 것을 목표로 하고 있다. 현재 태양광 발전에서 큰 비중을 차지하고 있는 실리콘 태양전지는 비용, 효율 측면에서 가장 경쟁력 있는 기술로 여겨지지만, 국토의 70% 이상이 산지이면서 태풍과 같은 자연재해가 자주 발생하는 우리나라의 지리적 특성상 태양광 발전시설의 지속 가능성에 대한 물음표는 여전히 남아 있다. 이에 대한 대안으로 건물 일체형 태양전지(Building Integrated Photovoltaic, 이하 BIPV)기술에 대한 관심이 커지고 있다.한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 청정신기술연구본부 민병권 본부장 연구팀은 BIPV에 사용되는 고안정성 무기 박막 태양전지의 가격 경쟁력을 확보하는 공정을 개발해 기술이전까지 완료했다고 밝혔다. 다양한 태양전지 기술 가운데 CIGS 무기 박막 태양전지는 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 셀레늄(Se)의 네 원소로 구성되는데, 광 흡수 계수가 매우 커서 얇은 박막으로도 높은 변환효율을 낼 수 있는 특징을 갖고 있다. 하지만 이를 BIPV에 실제로 적용하기 위해서는 가격 경쟁력과 양산성 확보가 중요한 상황이었다. 이를 위해 연구팀은 기존의 진공 공정 대신 용액코팅법을 활용해 설비에 소요되는 비용을 절감하는 한편, 광 흡수층의 두께를 기존 대비 1/5 수준으로 줄여 고가 희귀원소인 인듐(In) 및 갈륨(Ga) 사용량을 저감해 생산성을 개선했다. 인쇄공정 기반 대면적 용액코팅. 바 코팅 기반 대면적 용액코팅법의 실물 사진 특히 후면 계면 제어는 CIGS 초박막 태양전지의 효율을 개선하는 핵심적인 요소인데, 비정질 TiO2층을 활용하여 CIGS 초박막 태양전지의 후면 계면을 양산화에 매우 적합한 방식으로 제어할 수 있는 기술을 개발했다. 이 경우 기존의 부도체 산화물(Al2O3, SiO2, HfO2)을 적용했을 때와는 달리 나노구조 패터닝 없이도 전하를 원활하게 전달할 수 있었으며, 전기적 결함도 제거할 수 있었다. 다시 말해 기존의 기술과 비교해 더 얇고 간편하고 저렴한 비용으로 대면적 소자의 효율을 개선할 수 있다는 것이다. 용액공정 CIGS 초박막 태양전지 용액공정 CIGS 초박막 태양전지 단면 모식도 연구팀은 CIGS 박막태양전지의 용액코팅 공정의 원천기술 개발을 위해 지난 10여 년간 꾸준히 연구를 수행해왔다. 기존의 판이 돌아가며 용액을 코팅하는 스핀 방식이 아닌 대면적화에 훨씬 유리한 페인트칠을 하듯이 바르는 바 코팅 기술을 확보했으며, 단위 셀 효율은 16% 이상을 달성하고 있다. 이 기술은 지난해 11월 태양전지 전문 중소기업에 기술이전 되었으며, KIST와 기업이 함께 미래 태양전지 시장을 개척하기 위한 공동연구도 진행 중이다.KIST 민병권 본부장은 “인쇄 태양전지 기술은 아직 상용화에 성공하지 못한 도전적인 분야이지만, 실험실 수준에서는 이미 세계 최고 기술을 확보하고 있기 때문에 기업과 긴밀한 협업을 진행한다면, 머지않은 미래에 세상을 놀라게 할 새로운 태양전지를 시장에 내놓을 수 있을 것”이라고 말했다.본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 및 농림축산식품부(장관 정황근) 농촌진흥청(청장 조재호)의 재원으로 농림식품기술기획평가원과 재단법인 스마트팜연구개발사업단(단장 조성인)의 스마트팜다부처패키지혁신기술개발사업의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 에너지 분야 권위지인 「Advanced Energy Materials」 (IF : 29.698, JCR 분야 상위 2.46%) 최신호에 게재되었다.* 논문명: Amorphous TiO2 Passivating Contacts for Cu(In,Ga)(S,Se)2 Ultra-Thin Solar Cells: Defect-State-Mediated Hole Conduction - (제1저자) 한국과학기술연구원 박기순 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 민병권 본부장 - (교신저자) 국민대학교 도영락 교수 < 연구자 소개 >민병권 본부장(교신저자)○ 소속: 한국과학기술연구원 청정신기술연구본부○ 전화: 02-958-5853 / 010-4789-8416○ e-mail: bkmin@kist.re.kr

편집부 2023-03-09

스마트폰‧노트북 배터리 성능 향상하는 리튬이온배터리 전극 설계 세계 최초 개발

- 기계연, 고성능･고신뢰성 리튬이온배터리 요철 형태 전극 개발 - 전기차･전자기기 배터리 성능 및 수명향상 기대 스마트폰, 노트북 등 전자기기나 전기자동차 등에 활용되는 배터리의 성능과 안정성을 크게 높이는 배터리 전극 설계･공정기술이 세계 최초로 개발됐다. 과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 박상진, 이하 기계연) 나노역학장비연구실 현승민 책임연구원, 성균관대학교(총장 유지범, 이하 성균관대) 이후정 교수 공동연구팀은 리튬이온배터리의 신뢰성과 성능을 높이는 새로운 배터리 전극(음극) 구조를 개발하고, 관련 연구성과를 유수의 저널인 Advanced Functional Materials(IF: 19.924)*에 발표했다.* 게재명: Design Strategies toward High-Performance Hybrid Carbon Bilayer Anode for Improved Ion Transport and Reaction Stability (게재일: 2022.11.10) 요철 형태로 제작된 이중 층 구조의 전극(음극) 기계연과 성균관대 공동연구팀은 리튬이온배터리의 전극이 두꺼워도 고성능･고신뢰성을 유지하는 디자인 및 공정기술 개발을 위해 음극을 이중 층으로 구성하고, 이온 전도성과 전기 전도성이 향상된 작은 소재가 용량이 큰 소재 사이사이에 존재할 수 있는 요철 형태로 설계했다.일반적으로 리튬이온배터리의 전극은 슬러리*를 전극 전체에 골고루 배치할 수 있도록 코팅하여 건조하는 방식으로 제작된다. 이에, 슬러리의 균일도가 배터리의 성능을 좌우하며, 전극이 두꺼워질수록 에너지 밀도와 균일도가 낮아져, 고출력 환경에서 성능을 유지하기 어려웠다.* 슬러리: 고체와 액체의 혼합물. 전지가 방전할 때 화학적으로 반응해 전기에너지를 생산하는 활물질, 전극의 구조적 안정화를 위한 첨가물인 바인더, 전자 전도성 향상을 위한 첨가물인 도전재 등을 혼합한 물질. 반면, 이번에 개발된 배터리의 음극 구조는 전극이 두꺼워져도 전극 전체가 높은 에너지 밀도를 유지하면서 균일한 반응 안정성을 가질 수 있어, 성능과 수명향상에 크게 도움이 된다. 파우치 형태의 이중 층 음극 배터리 기계연 현승민 책임연구원은 “기존의 리튬이온배터리 소재와 공정을 활용하면서도 새 디자인 설계를 적용해 배터리의 성능과 수명을 향상시키는 효율적인 방법”이라며, “상용 스마트폰, 노트북과 같은 전자기기는 물론 고출력 환경에서도 높은 에너지 밀도가 요구되는 전기자동차 및 소프트 로봇에 적용할 수 있도록 노력하겠다”고 밝혔다.한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원 ‘나노 및 소재 기술개발사업’ 및 기계연 기본사업 ‘나노기반 옴니텍스(Omni-TEX) 제조 기술 개발’ 과제의 지원을 받아 수행됐다. 문의: 한국기계연구원 나노융합장비연구부 나노역학장비연구실 현승민 책임연구원042-868-7981 / 010-4854-2949 / hyun@kimm.re.kr

편집부 2023-03-08

KIST, 연료전지의 경제성, 안정성 두 마리 토끼 다 잡는다.

- 루테늄 칼고게나이드를 새로운 소재로 제안해 경제성 확보- 나노튜브의 높은 표면 곡률로 유도된 장력이 촉매의 안정성도 확보 연료전지는 수소와 산소의 산화·환원 반응을 통해 화학에너지를 전기에너지로 변환한다. 이 과정에서 반응을 촉진하기 위해 촉매가 활용되는데, 주로 산소 환원 반응을 촉진하는 촉매가 전체 연료전지의 효율 및 가격을 결정한다. 현재 대부분의 연료전지는 백금(Pt) 촉매를 주로 사용하지만, 높은 가격과 반응 중 촉매가 용출되거나 응집되는 등의 낮은 내구성 문제가 존재했다. 따라서, 더 낮은 비용으로 더 높은 안정성이 있는 새로운 연료전지 촉매 개발이 필요한 상황이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀은 초미세 나노튜브 신소재를 도입해 우수한 산소 환원 반응 성능과 높은 안정성을 가진 금속 칼고게나이드 나노튜브를 합성했다고 밝혔다. 이를 수소연료전지의 촉매로 적용하면 높은 효율과 안정성을 발휘할 수 있어 고가의 백금을 대체할 것으로 기대된다. 루테늄 칼코게나이드 나노튜브의 산소 환원 반응 촉매거동을 보여주는 논문 표지 이미지 칼코겐은 주기율표상 제16족에 속하는 원소로 산소족 원소로 불린다. 이 칼고겐 원소가 전이 금속 원자와 결합하면 금속 칼코게나이드라고 불리는 2차원 시트 구조의 반도체 물질이 되는데, 이들은 다양한 형태로 존재하며 각기 다른 전기적, 광학적, 촉매적 활성을 나타낸다. 그중에서도 금속성을 띠는 1T 상 물질은 우수한 전기전도성 및 촉매 성능을 나타내지만, 안정성이 낮아 공기 노출, 전기화학 반응 등에 의해 촉매 활성을 잃는 한계가 존재한다. 연구진은 준안정상1)의 ‘루테늄 칼코게나이드’를 새로운 소재로 제안하는 한편, 촉매의 내구성을 향상시키기 위해 이를 초미세 직경을 갖는 나노튜브 형태로 만드는 데 성공했다. 이 구조는 높은 표면 곡률을 갖기 때문에 커다란 장력이 유도되어 연료전지 구동 중에도 장력에 의해 촉매의 원자 배열이 안정하게 존재했으며, 그 결과 촉매도 안정화될 수 있었다. 열역학적으로 최소 에너지 상태로 존재하는 대부분의 물질과 달리 중간 에너지 상태로 존재하는 상 루테늄 칼코게나이드 초미세 나노튜브의 합성과정 및 투과전자현미경 사진, EDS 원소 맵핑 이미지 (좌) 다양한 조성의 루테늄 칼코게나이드의 단위 면적당 및 단위 질량당 산소 환원 반응 성능. (우) 1T 나노튜브, 1T 나노시트, 2H 나노시트의 성능 및 내구성 비교 레이더 그래프 성능 평가에서 루테늄 칼코게나이드 나노튜브를 산소 환원 반응 촉매로 활용하였을 때 기존에 사용되는 백금 촉매(64.5 Ag-1)보다 우수한 수소연료전지 성능(67.4 Ag-1)과 10배 이상 높은 내구성을 나타냈다. 또한 이러한 결과가 나노튜브 구조체의 장력이 안정성에 미치는 영향 때문임을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 규명하였으며, 다양한 나노구조체에 충분한 곡률이 유도되면 기존 물질의 전자구조가 달라져 촉매의 안정성 향상을 이끌 수 있음을 성공적으로 제시하였다. KIST 유성종 박사는 “나노튜브 구조체를 이용한다면 기존 0차원 나노입자 또는 2차원 나노시트의 구조로는 어려웠던 다양한 준안정상의 활용이 가능해질 것이다”라며, “지금까지 내구성이 낮아 활용에 제한적이었던 다양한 소재를 수소연료전지를 비롯한 친환경에너지 기술에 적용할 수 있을 것으로 기대하며, 수소경제 안착과 탄소 중립 기술 개발을 위해 힘쓰겠다”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 KIST 주요사업과 기후변화대응기술개발사업, 나노 및 소재 기술개발사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘Advanced Energy Materials’ (IF : 29.698, JCR 분야 상위 2.61%) 최신 호에 게재되었다.* 논문명: Nanotubular Geometry for Stabilizing Metastable 1T-Phase Ru Dichalcogenides - (제1저자) 한국과학기술연구원 김명근 박사후연구원 - (제1저자) 한국과학기술연구원 김승훈 박사후연구원(現, ㈜빈센) - (교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 책임연구원 < 연구진 소개 >유성종 박사(교신저자)○ 성명: 유성종○ 소속: 한국과학기술연구원 청정신기술연구본부 수소·연료전지 연구센터 ○ 전화: 02-958-5260○ e-mail: ysj@kist.ke.kr김명근 박사(제1저자) ○ 성명: 김명근○ 소속: 한국과학기술연구원 청정신기술연구본부 수소·연료전지 연구센터 ○ 전화: 02-958-6828○ e-mail: mgkim@kist.re.kr김승훈 박사(제1저자)○ 성명: 김 승 훈○ 소속: 한국과학기술연구원 청정신기술연구본부 수소·연료전지 연구센터(現 빈센)○ 전화: 02-958-6828○ e-mail: s.kim@kist.re.kr

편집부 2023-03-06

사출성형기 주변기계 활용에 대하여

개요 주변기계란? 사출성형기를 이용하여 제품을 생산하는 과정에서 하나의 완벽한 성형품을 생산하는 데 필요한 기기 및 서비스를 총칭하는 개념입니다.목적사출성형의 3요소(사출성형기, 금형, 재료)로는 안정된 제품과 고품질의 제품 확보가 어려워 주변기계를 이용하여 지속적인 고품질의 제품을 양산하기 위한 목적을 가지고 있습니다.주변기계의 종류1. 금형 온도 자동 조절기이 글은 금형 온도를 조절하여 제품에 나타날 수 있는 불량과 치수 안정성에 대하여 알아본 결과를 공유합니다.본 실험은 금형 상·하 측 온도를 30도부터 80도까지 10도씩 올려가면서 제품에 나타나는 현상을 파악해봄으로 금형 온도의 중요성을 알아보려고 하였습니다.본 실험을 통해 금형 온도를 적절히 조절함으로 치수 안정성과 제품 표면에 나타날 수 있는 불량을 줄일 수 있다는 결론을 얻었습니다.금형 온도란?- 수지가 닿은 금형의 CAVITY 벽면의 온도를 말하는 것입니다.• 금형 온도 조절의 목적① CYCLE TIME 단축② 성형품의 개선③ 성형품의 표면 상태개선④ 성형품의 강도 저하방지⑤ 성형품의 변형방지와 치수 정밀도 유지• 금형 온도 조절기의 효과금형 온도가 계속 유지되기 때문에 웰드, FLOW MARK, 휨, 광택도 등 외관상 품질이 안정적으로 관리됩니다.• 온도 조절 장치의 종류- HEATER를 이용한 온도제어 방식HEATER를 금형 속에 체결하여 국부적으로 가열하는 방식으로 열을 공급하는 방식으로, 열을 내릴 수 있는 기능이 없기에 연속으로 사출성형 작업 시 금형의 온도가 설정된 온도보다 올라갈 수 있다는 단점이 있습니다.- 매체 제어 방식물, OIL 등의 액체를 매체로 열을 가해 금형의 온도를 관리하는 방식으로, 물을 이용하면 온수기, OIL을 이용하여 금형 온도를 관리하는 방식은 온유기라고 하며, 현재 제일 많이 사용하는 방식은 온수기이며, 가압 방식을 이용하면 물의 온도를 150도 이상 올릴 수 있는 장점이 있습니다.

취재부 2023-02-27

핫멜트(Hotmelt)형 접착제의 최근 동향

Ⅰ. 서론개체를 접합시키는 소재는 용도별로 접착제, 점착제, 실란트 등 세 분야로 나눌 수 있다. 접착제는 적어도 두 개 이상의 표면을 강하고 영구적으로 접합시키는 물질을 말하고, 점착제는 적어도 두 개 이상의 표면을 다시 떼어낼 수 있는 정도의 접착력으로 접합시키는 물질이다. 실란트는 적어도 두 개 이상의 표면을 접합시킬 수 있는 물질로 표면 사이의 공간을 채움으로써 배리어(barrier) 혹은 보호 코팅의 역할을 하는 물질이다.대부분 접착제는 합성수지를 원료로 하며, 용제가 휘발하여 고화되는 용제형 접착제, 저분자량 화합물의 중합을 이용하는 반응형 접착제, 고분자 고체에 열을 가해 접착력을 가지도록 하는 핫멜트형 접착제(HMA) 등으로 제조된다.최근 세계적으로 접착제의 연구개발은 고기능화와 친환경적 두 방향으로 요약될 수 있다. 고기능화의 경우 특수기능성, 응용 범위 확대, 성능 강화, 가공공정 개선, 사용 편리성을 토대로 진행 중이며, 환경 친화의 경우 수계, 수분산성, 수용성, 광경화, 핫멜트, 천연 접착제 위주의 연구개발이 진행되고 있다.본 심층보고서에서는 핫멜트 접착제에 집중해보고자 한다. 핫멜트 접착제는 물이나 용제를 사용하지 않고 100% 열가소성수지(Thermoplastic resin)를 사용하여, 상온에서 고체상 물질을 접착 시 열을 이용해 액상으로 만들어 사용하는 ‘열 용융형 접착제’를 의미한다. 액상으로 녹은 상태에서 피착제에 도포된 후 빠르게 굳으면서 접착력을 발휘하는데, 다른 접착제에 비해 건조과정이 필요 없어 접착 속도가 빠른 특징을 지니고 있다.최근 인체에 무해한 친환경 소재로, 최근 이를 활용한 다양한 친환경 제품이 개발되고 있으며 위생, 가구, 포장재 제품 외에도 의료, 전자, 자동차, 항공우주 용도에 많이 사용되고 있다. 핫멜트 접착제는 간편한 도포, 저렴한 비용, 긴 사용 기간, 그리고 낮은 휘발성 유기화합물(VOC) 함량으로 인해 많은 기업이 선택하고 있다.핫멜트 접착제는 1960년대에 DuPont 社가 에틸렌-초산비닐수지(EVA)를 최초로 개발함에 따라 공정 자동화를 통한 높은 생산성과 환경친화적 특징, 광범위한 적용 가능성, 재접착 가능성 등의 장점으로 기존의 용제형 접착제에 비해 성장률이 높았다.핫멜트 접착제는 기본 중합체(Base polymer), 점착제용 수지(Tackifying resins), 왁스(Wax)를 주원료로 하여 만든다. 점착제용 수지는 실제 접착력을 부여하는 핵심 소재로 산업별 특성과 사용 용도에 맞춰 종류를 결정하는 것이 중요하다. 왁스와 기본 중합체는 점착제용 수지의 물성을 조절하여 각 사용조건에 맞는 최적의 접착력을 발휘할 수 있도록 돕는다. 기본 중합체는 접착제에 강성을 부여해 기본 뼈대를 이루는 중요한 원료이며, 낮은 분자량을 갖는 점착제용 수지보다 상대적으로 높은 분자량을 가지고 있어서 제품의 물성과 점도를 조절하는 역할을 한다. 또한, 제품 생산 시 높은 온도에서 제품이 녹아 내리거나 변질하지 않도록 도와준다. 기본 중합체의 종류와 사용량에 따라 전혀 다른 제품을 얻을 수 있기에 사용자가 좀 더 편리하게 접착제를 사용할 수 있도록 돕는 중요한 역할을 가진 원료이다. 표 3에 핫멜트 접착제의 주요 조성 및 구성 성분을 나타내었다.핫멜트 접착제는 구성 성분의 종류에 따라서 분류될 수 있는데, 대표적인 것으로는 에틸렌-초산비닐계, 폴리올레핀계, 스티렌블록공중합체계, 폴리아마이드계, 폴리에스테르계, 우레탄계(반응성 핫멜트) 등이 있으며, 각각의 특징에 따라 이용 분야도 다르다.- 에틸렌 비닐아세테이트 공중합체(Ethylene Vinyl Acetate) 계열: 대표적인 핫멜트 접착제로 가장 많이 사용되는 수지이다. EVA 접착제는 중합도와 초산비닐 함유량에 따라 성질이 달라지는데, 초산비닐 함량이 높을수록 탄성과 유연성이 높아진다. 초산비닐 함량이 22~40% 정도의 고함량 제품은 주로 태양전지의 시트 제작용, 포장 및 목공용 접착제 원료로 사용되고, 저함량 제품은 VA 함량이 3~20% 정도로, 필름(비닐)이나 스펀지, 신발 밑창, 장난감 소재로 많이 사용된다. - 폴리아마이드(PA) 계열: 열, 오일, 가소제 및 용제에 대한 내성이 뛰어나며, 매우 강하고 유연하다. 이런 특성으로 인해 접합하기 힘든 기재에 많이 사용되며 내열성과 내화학성이 우수해 자동차 및 항공우주 용도가 많다.- 폴리에스테르 계열: 내열성, 내약품성, 열안정성, 비공성 표면과의 접착력, 내유성 등이 우수한 특징을 가지고 있다. 특히 폴리에스테르계는 부직포나 직물 등에 대한 접착력이 우수하고, 우수한 내열성으로 가전제품 및 자동차용 부품 제조에 많이 사용된다. - 폴리우레탄(PU) 계열: 업계에서 가장 오래된 핫멜트 중 하나로, 열 안정성이 탁월하다. 탄성, 내열성, 내후성이 뛰어나 고무 및 섬유 목제, 플라스틱 접착용으로 사용되며, 특히 강력한 접착 접합 기능 때문에 자동차, 건축자재에 많이 사용된다.Ⅱ. 국내외 핫멜트 동향2.1 세계 시장핫멜트 접착제는 다른 접착제에 비해 플라스틱, 세라믹, 유리, 종이, 고무, 목재, 금속 등을 순식간에 접착하기 때문에 포장, 건축, 전자기기, 섬유, 자동차 등의 분야에서 널리 사용된다. 핫멜트 접착제는 자동차 시트커버와 카펫 조립에도 사용되고 있어 자동차 업계의 수요가 커지고 있으며, 완전하게 조립된 라미네이트 가공의 가구 수요가 증가하고 있어, 핫멜트 시장이 점점 확대될 것으로 보인다. 식품·음료 분야에서도 휘발성 유기화합물(VOC)을 포함하지 않아 악취나 식품의 품질에 악영향을 미칠 가능성이 없어, 커스터마이즈된 제품 수요가 증가하고 있다. 폴리우레탄계(Polyurethane) 기술의 등장으로 고내열성, UV 보호, 우수한 결합력을 갖춘 제품이 출시되어 시장성장에 긍정적인 영향을 미치고 있다.또한 유럽과 북미의 노동시장의 위기로 인해, 접착제 취급 및 적용을 자동화하는 방향으로 Market Trends가 변화하고 있다. 이러한 변화로 인해, 접착제 취급의 자동화와 애플리케이션 성능 요구사항이 증가함에 따라 핫멜트 시장은 점점 발전할 것으로 보인다.세계의 핫멜트 접착제 시장규모는 매출 기준 2019년 8,404백만 달러에서 2026년에는 12,497백만 달러로 연평균 5.8% 성장할 것으로 예상된다(그림 2). 핫멜트 소재 종류별 출하량을 살펴보면, 에틸렌초산비닐계가 가장 많고, 폴리올레핀계, 고무 베이스, 폴리우레탄계 순으로 많이 출하될 것으로 예측된다(그림 3).핫멜트 접착제 시장은 포장 제품, 기저귀 등 위생용품, 가구, 신발, 섬유, 자동차, 건축, 제본 등으로 분류되고 있다. 용도 분야에 따른 핫멜트 접착제 시장은 2019년 패키징 분야가 33.4%가 가장 크고 부직포, 자동차 분야 순서이다. 2026년까지 연평균 예상 매출액 증가 기준으로 살펴보면, Packaging 분야 6.2%, Non-wovens 4.9%, Furniture 6.2%, Automotive 6.1%, Graphics & Book binding 5.1%, Construction 5.3%, Other(Medical, electronics and footwear applications) 5.9% 성장할 것으로 예상된다(그림 4). 핫멜트 접착제 시장의 높은 성장률을 이끄는 주요 요인은 자동차 및 포장 산업의 수요 증가와 유성 접착제에 대한 환경문제이다.자동차용도 분야에서 높은 성장률을 보이는데, 이는 차량 설계에 대한 소비자의 선호도가 변화하고 있기 때문이다. 일반적으로 자동차의 여러 부품을 접합할 때, 높은 성능과 강도를 제공하는 기계적 패스너 또는 용접을 사용했었는데, 최근에는 경량 금속, 플라스틱, 비철금속 및 코팅 강철을 사용하는 새롭고 정교하고 경량화된 차량 설계 개발이 이루어지고 있다. 새로운 조립 방법이 요구되면서 자동차부품 접합에 핫멜트 사용이 증가하고 있다.중국은 세계에서 두 번째로 큰 포장 산업을 보유하고 있다. 냉동식품, 스낵 식품 등과 같은 식품 부문에서 맞춤형 포장의 증가, 포장 소비재에 대한 수요 증가로 인해 예측기간 동안 일관된 성장을 보일 것으로 예상된다. 또 핫멜트 접착제 시장에서 확인된 주요 트렌드 중 하나는 신흥국 소비자의 소비 증가이다. 인도, 중국, 인도네시아와 같은 국가는 최근 급속한 경제 성장을 이룩했다. 이로 인해 의류, 신발 및 전자제품 등 다양한 제품에 대한 수요가 증가했고, 나아가 고기능화, 환경친화적 제품이 개발되면서 핫멜트 접착제의 소비량이 늘어나고 있다.2.2 주요 기업 현황글로벌 핫멜트 접착제 시장에서 주요 활동하는 업체로는 Henkel&Co., KGaA, Jowat SE, Sika AG, 3M Company, Bostik Inc., Avery Dennison Corporation, H.B.Fuller Company, Arkema Group, Westlake Chemical Corporation, Beardow & Adams (Adhesives) Limited. 및 DowDuPont Inc. 등이 있다.상위 5개 경쟁사는 Henkel 23.1%, Bostik 18.5%, H.B.Fuller 15.3%, Sika 12.1%, 3M 10.0%로, 전체 시장점유율의 79%를 차지하고, 나머지 시장점유율은 다수의 기업이 보유하고 있다(그림 5). Global Top 5 기업 Hotmelt Adhesives 현황을 살펴보면 다음과 같다.2.2.1 Henkel Henkel 사는 자동차, 금속 등 일반 산업부터 전자 산업, 각종 소비재나 건축용, 라벨, 신사업과 통합 솔루션 등 각종 기기에 적합한 접착제 솔루션을 모두 확보한 유일한 기업이다. 핫멜트 접착제 라인으로는 TECHNOMELT® 제품이 있다.- TECHNOMELT MELTACE 703: 조립라인의 깔창/바닥 접착제 적합한 변성 고무 핫멜트 접착제- TECHNOMELT AS 779F: 빠르게 고정하며 폼을 형성하여 간격을 충진하도록 설계된 열가소성 핫멜트 접착제- TECHNOMELT PA 2344: 일반 조립 분야에 사용되며, 특히 열수축성 제품 및 무처리 폴리에틸렌에 적합한 폴리아마이드 열가소성 핫멜트 접착제- TECHNOMELT PA 2322: 주로 열 수축성 제품에 사용되는 폴리아마이드 핫멜트 접착제- TECHNOMELT AS 820: 내열성과 내산성을 지닌 핫멜트 고체 접착제로, 자동차 배터리에 주로 사용되며, 구리 쪽에 도포될 경우 납 축적을 방지- TECHNOMELT AS 7149: 다양한 표면에 우수한 접착력을 보여주는 핫멜트 접착제2.2.2 BostikBostik 사는 특히 핫멜트 및 수계 접착제 위주로 생산하고 있다. 최근 Prochimir와 Fixatti 인수를 통해, 펠릿, 분말, 필름을 특징으로 하는 고성능 열접착 특수 핫멜트 접착제의 새로운 라인을 출시하였다. 핫멜트 접착제로는 Thermogrip® 라인 제품이 있다.2.2.3 H.B.FullerH.B.Fuller 사는 접착제/실란트 분야 3대 메이저 접착제 회사 중 하나로, 우리 생활 제품에 많이 사용되는 접착제를 제조한다. 접착제 라인 중 Swift®therm 브랜드는 EVA 기반 핫멜트 접착제로, 최종 포장, 서적 생산, 골판지 상자 제조, 용기 라벨링과 같은 많은 접합 응용 분야에 사용된다. Advantra®, Clean Melt® 포장용 접착제는 H.B.Fuller의 독점적인 청정 접착제 기술로 개발된 고성능 부가가치 핫멜트 제품군으로, 포장 제품 제조업체를 염두에 두고 개발되었다.2.2.4 SikaSika 사는 공정 단순화를 통한 전반적 비용 절감에 중점을 둔 접착솔루션으로 시장을 개척하고 있다. SikaMelt® 접착제는 폴리우레탄, 폴리올레핀(반응성 성분 포함) 또는 열가소성 고무를 기반으로 하는 화학구조를 가진 광범위한 핫멜트 제품으로, 금속, 목재, 종이, 플라스틱 및 복합 재료를 결합하는데 이상적이다.2.2.5 3M3M은 접착되는 재료에 따라 사용되는 핫멜트 접착제를 다양하게 제시해 준다. 실제 산업에서 사용되는 각각의 재질들은 표면 에너지가 서로 달라, 재질에 대한 이해를 기반으로 사용할 접착제를 선택하는 것이 중요하다. 특히 3M의 스프레이형 핫멜트 접착제는 뿌려주기만 하면, 가구 쿠션, 바닥 패드, 사무실 패널 등 다양한 용도로 가능하다.2.2.6 ArkemaArkema 사의 접착솔루션 부문인 Bostik은 핫멜트 접착제 메이커 Edge Adhesives Texas(Fort Worth)를 인수하여 미국의 고성능 접착제 사업을 강화했다. Edge Adhesives Texas는 주거용 건물에 사용되는 혁신적인 접착제 솔루션의 선도적인 개발 및 제조업체로, 창, 문 및 지붕 등에 간편하게 적용할 수 있는 주택 건설용의 핫멜트 점착테이프 맞춤형 전문업체이다.2.2.7 BASF핫멜트 접착제 시장의 제품 개발 추세는 주로 자동차 및 건설 응용 분야에 사용되는 포장 및 테이프의 라벨을 포함하는 특수 응용 분야용 접착제의 필요성에 의해 주도된다. 2019년 6월 BASF 사는 독일에 새로운 시설을 개설하여 UV 아크릴 핫멜트 폴리머 생산량을 늘렸다. 휘발성 유기 화합물(VOC) 배출 및 냄새 수준을 최소화하는 것 외에도 BASF의 acResin®은 내구성 제품의 라벨 응용 분야에 사용되는 솔벤트 기반 접착제와 비교할 때 가격 경쟁력이 있을 뿐만 아니라 지속 가능한 것으로 입증되었다.2.3 국내 동향2.3.1 DL케미칼DL그룹의 석유화학 자회사인 DL케미칼(전 대림산업 석유화학사업부)이 친환경 핫멜트 접착제 및 소재인 무정형 폴리-알파-올레핀(APAO, 인체에 무해한 친환경 접착 소재) 생산을 위해 미국 렉스택과 합작법인을 설립했다. 디렉스폴리머는 여수산업단지 내에 연 4만 톤 규모의 생산시설을 갖출 예정이며, 2023년 상반기 상업 생산을 목표로 하고 있다. DL케미칼은 자체적인 글로벌 네트워크를 활용하여 아시아, 유럽 등 글로벌 시장으로 사업을 확장해 나갈 계획이다.2.3.2 유진폴리테크㈜유진폴리테크는 친환경 수성(水性) 인쇄용지로 만든 핫멜트 벽지를 생산 판매한다. 이 벽지는 구김이 적을 뿐 아니라 구겨졌다 해도 다림질만 하면 원래 상태로 돌아오기 때문에 매우 효율적이다. 핫멜트 벽지는 벽지 뒷면에 접착제를 발라 풀 없이 간편하게 사용하는 친환경 벽지로, 벽지를 벽에 대고 다리미로 적당한 열을 가해 순간적으로 붙게 만드는 구조이다.2.3.3 오공㈜오공은 1963년 최초의 국산 접착제를 생산해 시판한 이래, 전자, 자동차, 건축, 가구, 포장, 목재 등 다양한 산업에 사용되는 고품질 접착제 개발에 힘쓰고 있다. 포장용 핫멜트, 자동차용 핫멜트, 필터용 핫멜트 연구개발에 힘쓰고 있다. 일반 골판지 포장 제품부터 코팅 처리된 난접착 포장용, 고내열 포장용 등의 특수용도 제품까지 다양한 포장 재질, 작업속도, 작업온도별로 최적화된 제품을 제공하고 있다. 자동차용 핫멜트는 배터리, 전조등, 후미등, 바닥, 도어, 천장의 내장재 등에 사용되며, 필터용 핫멜트는 산업용 공조기, 가정용 에어컨, 공기 청정기 등에 사용되는 필터에 사용된다.Ⅲ. 화학소재정보은행 점·접착제 데이터국내외 화학소재의 물성 및 기술정보를 구축하고 있는 화학소재정보은행(CMiB)은 상용제품 위주로 물성 정보를 추출하여 소재 데이터베이스를 구축하고 있다(www.matcenter.org). 현재까지 수집된 상용소재 정밀화학소재 데이터는 제조사 301개 사, 소재 제품 20,526 Grade, 물성 정보 107,616건(2022년 1/4분기 기준)이고, 그중 점·접착 데이터는 제조사 61개 사, 소재 제품 4,511 Grade가 수집되었다. 화학소재 정보은행에 수집된 Hot Melt Adhesive는 총 43건이다.Ⅳ. 결론접착제는 최근 수년 동안 산업적으로 그 용도의 범위가 점차 확대되고 있다. 전자제품이 슬림화되고 경량화와 여러 기능이 복합화가 이루어지면서 접착제의 활용성이 크게 주목받고 있다.접착제는 이제 일상 생활용품부터 전기·전자, 자동차, 의료 산업이 등에 사용되는 정밀화학 산업으로 미래 성장 산업으로 기대되고 있다. 접착제 시장이 빠르게 변화하고 있는 이때, 고기능, 고부가가치 산업으로 발전시키기 위해서는 당장 이익에 안주하기보다 품질과 성능 향상을 통한 적극적인 참여와 기술 개발 노력이 필요한 시점이다.친환경을 위해 휘발성 용제를 사용하지 않는 핫멜트형, 광경화형, 수계 점·접착 소재의 연구가 계속해서 이루어지고 있다. 핫멜트는 용제를 쓰지 않는다는 장점이 있다. 환경의 오염이나 작업장의 공해를 현저히 낮추는 효과가 있는 것이다. 반면 단순히 열로 녹여서 붙이는 공정이므로 완제품을 사용하는 중에 열에 의해서 다시 떨어지는 불안정성이 있는 것도 사실이다. 따라서 용융온도와 사용온도의 조화를 잘 고려하여 조성설계를 하여야 한다. 이를 근본적으로 방지하는 방법으로 습기 경화형 수지를 써서 공기 중의 수분으로 가교 구조를 형성시킴으로써 재용융을 차단하기도 한다. 이같이 핫멜트 분야에는 미개척의 기술영역이 많이 남아 있다. 친환경 관심이 높아지고 있는 만큼, 앞으로 다양한 핫멜트 접착제의 발전이 기대된다.

취재부 2023-02-27