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KIST, 몽골과학아카데미와 MOU 체결

- KIST, 몽골과학아카데미와 MOU 연장 체결로 상호보완적 연구 협력 강화- 몽골 과학기술계 공무원과 연구자 초청 역량 강화 프로그램 개최   한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 2022년 6월 10일(금)부터 16일(목)까지 7일간, KIST 본원 및 강릉분원에서 몽골 교육과학부 공무원과 연구소 소장급 총 13명을 초청하여 ‘몽골 과학기술 역량 강화 프로그램(2022 Mongolia S&T Capacity Building Program)’을 개최하고, 몽골과학아카데미(MAS, 원장 Regdel Duger)와의 협력 협정을 연장 체결했다.     이번 초청 연수프로그램은 KIST의 설립 및 한국의 발전 경험을 공유하고 몽골에 적용할 수 있는 실천계획을 수립하는데 목표를 두고 있다. KIST는 지난 2015년부터 개발도상국 과학기술부처 공무원 및 연구자를 초청하여 과학기술 역량 강화 프로그램을 운영해왔다. 이를 통해 개발도상국의 과학기술 혁신 역량을 함양하여 지속 가능한 목표(SDGs)를 달성하는데 기여하는 한편, KIST의 연구 협력 네트워크를 확대·강화하고 있다. KIST와 MAS는 2001년도에 체결한 협력 협정을 연장 체결하여 KIST 연구 경험과 몽골의 천연자원을 결합한 상호보완적 연구 협력을 강화할 예정이다. KIST 윤석진 원장은 “지난 2002년부터 MAS와 공동으로 한몽과학기술협력센터를 운영하여, 활발한 연구 협력을 추진했다. 앞으로도 천연물 분야 등 과학기술 협력과 더불어 대한민국의 과학기술 분야 발전의 경험을 공유하겠다”라고 밝혔다.이번 협력 협정 체결을 위하여 방한한 Regdel Duger(뚜게르 렉델) MAS 원장은 “몽골의 풍부한 천연자원과 한국의 연구역량을 결합하여 상호보완적인 연구 협력을 강화하는 것이 이번 협력 협정체결의 취지” 라고 설명하면서 향후 협력 성과에 대한 기대를 밝혔다.    
편집부 2022-08-11
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투명 에너지 절감 스마트 필름 기술 동향

1. 서론전 세계적으로 에너지의 효율적인 관리 기술을 통한 부가가치 창출에 관한 관심이 급증하고 있으며 열 손실을 최소화하는 기술에 관한 관심이 높아지고 있다. 건축물 구조에서 에너지 손실이 가장 많은 유리창은 하절기의 온도상승, 동절기의 에너지 손실과 유해 자외선 유입을 차단하는 기능이 충분히 발휘되어야 하는 등의 에너지 절감 효과가 필요하다. 이런 에너지 절감 필름은 친환경 정책 지향 산업이라 할 수 있으며, 에너지 절감 스마트 필름은 외부에서 유입되는 빛의 투과도를 조절하여 소비자에게 사생활 보호, 쾌적한 환경을 제공할 수 있는 수동/능동 제어 기술로 간편한 조작과 저전력으로 다양한 고급 편의 기능을 부여할 수 있어 미래형 기술로 주목을 받고 있다. 기존 스마트 윈도우 기술은 높은 제조 단가와 무거운 무게, 곡면 시공의 한계 등 단점들이 있기 때문에 아직 상용화가 확대되지 못하고 있다. 또한, 중소 중견기업에서 기술개발에 투자하기 어렵다는 점이 여전히 넘어야 할 산으로 남아있는 실정이다.특히, 기존 투명전극 소재로 상용화에 성공한 ITO(Indium Tin Oxide)의 경우, 금속 기반의 소재로 유연 전자제품 적용에 적합하지 않으며, 이러한 기술적 문제점들을 해결하기 위해 유리가 아닌 PET와 같은 유연 필름 기재를 이용하고 우수한 내구성을 갖춘 스마트 필름 개발이 요구되고 있다. 이와 더불어 식물 생장에 요구되는 가시광선 영역의 투과도를 선택적으로 제어하거나 군수 분야의 특수목적용으로 IR 스텔스 기능을 부여한다면 세계 스마트 필름 시장에서 대중화를 선도하고 기술적인 측면에서 우위를 확보할 수 있다. 유연한 투명 에너지 절감 스마트 필름 기술개발에는 고분자 기반의 유연 소재 원천기술 확보, 전파장 영역의 투과/차단 특성 제어 기술 등이 필수적인 중요기술로서 요구된다.최근 저탄소 녹색성장 계획이나 제로 에너지 빌딩 정책과 함께 정부에서도 에너지를 효율적으로 관리하기 위한 주요 제도 및 대책을 실행하고 있으며, 고효율 건물 보급 및 확산을 위해 ‘건축물 에너지효율등급 인증제도’, ‘건축물 에너지절약 계획서 검토’, ‘친 환경주택 성능 평가 제도’ 등 정부 차원에서 스마트 윈도우 설치를 권장하고 있다. 또한, VOC 규제에 대응하기 위해서는 친환경 수계 기반의 소재 합성공정을 기반 기술로 하여 투명전극 및 적외선 차단 특성 등 여러 가지 기능성을 부여하고 모든 공정을 수계 습식공정으로 적용하는 연구가 활발하다(그림 1). 수분산 형태의 공액 고분자 소재는 간편한 습식공정으로 대면적 코팅 필름 제조가 가능하고 Dip, Flow, Spray 방식의 코팅으로 다양한 3D 굴곡 및 유연 기재에 적용이 가능하다. 특히, 가시광선 영역의 빛을 투과하는 특성을 극대화하여 유연 스마트 필름의 투명전극 소재, 농업용 열 차단 필름, 특수목적용 IR 스텔스 필름 등으로 활용이 기대된다. 이러한 응용 제품들은 냉난방비를 절약하여 에너지 절감 효과를 가지기 때문에 요즘 이슈화 되고 있는 환경 문제 등에 대해 대응하기 적절하다.2. 공액 고분자 나노입자 소재2.1. 투명전극 소재능동형 스마트 필름에서 투명전극 소재는 필수적으로 요구되는 핵심 소재로서 기존 시장에서는 현재까지 ITO가 대부분 제품에 적용되고 있다. 최근 폴더블 디스플레이 또는 롤러블 전자제품이 각광을 받기 시작함에 따라 ITO를 대체할 수 있는 새로운 투명전극 소재가 요구되는 상황이다. 2018년 이후로 세계 투명전도체 전체 시장은 점차 증가하지만 이에 반해 ITO 단독 시장 규모는 점차 감소하는 경향을 보인다(그림 2). 따라서 ITO 대체 유연 투명전극 소재 개발이 절실히 필요하며 제조 단가, 공정성, 유연성 등을 고려하였을 때, 전도성 고분자 소재가 차세대 투명전극 소재로 기대된다. 2010년 전, 후로 전도성 고분자 소재에 관한 많은 연구가 진행되었지만, 독일 Heraeus 기업의 독점을 통한 소재 공급으로 국내에서는 전도성 고분자 기반 투명전극 소재 상용화에 성공한 기업은 전무한 상황이다. 몇몇 국내 기업에서 대전 방지 특성을 갖는 전도성 고분자 제품을 출시하였으나, 기술에 대한 차별화가 아닌 단가 경쟁으로 미래 신사업 분야 창출이나 국산화 기술력 확보는 힘든 상황이다. 현재 ITO 대비 가시광선 영역에서의 낮은 투과도와 전기전도도가 이슈로 남아있는 상황이지만 전도성 고분자 소재가 갖는 기본적인 전기적 특성 외에 적외선 영역의 흡수 특성 등 차별점을 부각시켜 적합한 분야에 적용한다면 충분한 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 예상된다.2.2. 열 차단 소재모든 물체는 절대 0도 이상에서 열을 발산하는데 에너지 절감을 위해서는 빛의 전 영역 파장 범위에 대해 목적에 따라 투과/차단 특성을 제어하는 것이 필요하다(그림 3). 특히, 식물 생장이나 관측자의 시인성과 같이 투명성이 요구되는 분야에서는 가시광선 영역의 투과도를 극대화시키고 자외선이나 근적외선 영역의 빛은 선택적으로 차단하여 열 차단 효율을 향상시키는 것이 중요하다. 기존의 열 차단 소재는 CTO(Cesium Tungsten Oxide), ATO(Antimony Tin Oxide)와 같이 Oxide 계열의 소재가 주로 사용되었으며 Low-E 윈도우의 경우, Ag와 같은 금속 소재의 증착을 통해 다층 구조로 제조되고 있는 상황이다. CTO의 경우, 소재 자체의 원천 특허를 해외 기업에서 보유하고 있고 광학용으로 적용 시 헤이즈(haze)와 같은 시인성 저하 문제가 있으며 MEK 또는 알코올과 같은 유기 용매를 기반으로 제조되기 때문에 환경적인 측면에서도 이슈가 존재하는 상황이다. 따라서 이러한 광학적인 부분에 대한 개선과 친환경 부분의 문제점을 해결할 수 있으면서 동시에 제조 단가를 절감할 수 있는 새로운 열 차단 소재 개발이 필요한 상황이다.3. 기술개발 현황3.1. 스마트 필름 개발 동향스마트 필름은 채광 및 조명 제어, 김 서림 방지 등의 기능을 갖춘 소재 기반의 복합 제어 기술을 응용하여 자동차, 건축, 농업 분야 등에서 전력 사용량 및 에너지 절감 효과를 가져오는 실질적인 기술이다. 스마트 필름의 개발 이전에 유리 기판을 사용하는 스마트 윈도우가 개발되었으나 굴곡 면과 같은 다양한 형태의 기재나 플렉서블한 형태의 제품 수요가 증가하며 PET, PC 필름과 같은 투명 유연 기재를 기반으로 한 스마트 필름 제품으로 개발 방향이 전환되고 있는 추세이며, 경제 산업적인 측면에서도 높은 부가가치가 예상된다. 투명전극 필름을 전극으로 이용한 플렉서블 스마트 필름은 여름철에는 외부로부터 들어오는 태양에너지를 줄이고 겨울철에는 외부로 방출되는 내부의 에너지를 감소시킴으로써 냉난방 에너지를 줄일 수 있다.능동형 스마트 윈도우 기술을 좀 더 자세히 설명하면 다음과 같다(표 1).3.1.1. PDLC 사생활 보호필름 PDLC(Polymer Dispersed Liquid Crystal)란, 마이크론 크기의 액정 입자(droplets)들이 고분자 매트릭스 내에 고르게 분산되어 있는 구조를 지닌 고분자 분산 액정 복합체가 투명전극에 형성된 전기장에 의해 입자들이 규칙적으로 배향되고 굴절률의 일치를 유도하여 투과율을 조절하는 기술이다. 응답속도는 빠른 대신 전력 소모가 크다는 단점이 있다. PDLC는 에너지 효율 및 사생활 보호 기능, 별도 스크린이 필요 없는 영상 송출용 광고판 역할 등 관련 제품 수요가 늘어남에 따라 관련 기술에 관한 관심이 꾸준히 증가하고 있다. 일반적으로 PDLC는 고분자 매트릭스와 액정, 기판, 투명전극으로 구성된다. 투명전극으로는 ITO(Indium Tin Oxide)가 널리 사용되고 있으나, 수요 급증에 따른 가격 상승과 높은 제조 비용, 그리고 유연하지 못한 성질 등으로 인해 그 사용에 한계가 있다. 이런 단점을 갖는 ITO를 대체하기 위해 새로운 소재를 도입하고자 하는 연구가 꾸준히 보고되고 있으며, 최근 유기 전극 소재를 사용하기 위한 연구들이 활발히 진행되고 있다(그림 4). 대표적인 예로는 PDLC 셀의 투명전극 소재로, 전도성 고분자인 PEDOT:PSS를 사용하였으며 가시광선 영역에서의 높은 투과도와 낮은 전기적 저항을 띄는 특성으로 인해 빠른 응답속도와 뛰어난 투과율 변화를 갖춘 PDLC 셀을 제작하고 있다. 특히, 투명전극 소재인 전도성 고분자의 용액 공정이 가능한 특징으로 인해 대면적 및 In-line 공정으로 PDLC 셀의 제작이 가능함을 입증하였고, ITO 대비 반복적인 굽힘에 대한 저항 변화율이 낮아 스마트 필름으로의 응용 가능성을 넓혀주었다.현재 PDLC 기술을 응용한 제품 개발을 활발히 진행하고 있는 국외 기업으로는 미국의 윈도우 필름 전문기업인 ‘레이노’가 있으며, PDLC 스마트 필름뿐만 아니라 단열 기능을 갖춘 필름 제품도 생산하고 있다.국내 기업으로는 ‘디아이(주)’가 무결점 PDLC를 생산하여 스마트 윈도우 필름, 프로젝션 스크린, 자동차 선루프 등에 응용하고 있다. ‘스마트 필름 PDLC 그룹(주)’에서는 스마트 윈도우 필름용 외에도 스마트 사물함, 스마트 자동문 등 다양한 상용 제품으로의 응용 개발을 진행하고 있다.3.1.2. 전기변색 스마트 필름Electro chromic device(ECD)는 전극 물질에 전기화학적으로 산화 또는 환원반응을 일으킬 때 가역적으로 색 변화가 일어나는 현상을 기반으로 제작된 전자 소자이다. ECD의 응용 분야로는 에너지 절감형 스마트 윈도우, 정보 표시 디스플레이, 스마트 선글라스 등이 있다. 산화 및 환원반응에 의한 색 변화를 수반하는 물질은 금속 소재, 고분자 소재, 단분자 소재 등이 연구되고 있으며 각 소재를 기판상에 균일하게 코팅하여 적층 구조를 형성시켜 ECD를 제작하게 된다. 기본적인 ECD의 구성은 기판, 투명전극 소재, 산화 변색 물질, 전해질, 환원 변색 물질, 투명전극 소재, 기판의 총 5층의 구조로 이루어져 있다(그림 5). 많은 연구개발의 경우를 살펴보면, 제조과정은 유리 기판 소재 한쪽 면에 투명전극을 증착한 후에 각각의 상/하판에 산화 변색 물질과 환원 변색 물질 박막을 도포하는 공정으로 이루어진다. 산화/환원되는 물질의 종류에 따라 다양한 색을 구현할 수 있으며, 산화/환원반응이 동시에 이루어지기 때문에 양쪽 전극 모두를 사용함으로써 복합구조의 색을 구현할 수도 있다.특히, ECD 관련 최근 연구 동향을 살펴보면, 플렉서블한 기재 및 웨어러블 특성의 소자 등 다양한 형태의 기재를 기반으로 한 제품 개발이 이루어지고 있다. 대표적인 전기변색 물질 중 금속 소재인 텅스텐 옥사이드(WOx)의 경우 플렉서블한 ITO 필름 기재상에 Sol-gel 코팅 또는 스퍼터링 증착을 통해 박막을 형성하는 시스템을 사용한다. 다른 예로는 전기변색 특성을 띠는 전도성 고분자 용액을 플렉서블한 기재상에 코팅하여 전기변색 소자를 제작하는 시스템이 활발히 연구되고 있다. 대표적인 예로는 환원 변색 소재인 PEDOT:PSS가 있으며, 투명전극과 전기변색 역할을 하나의 층에서 동시에 수행함으로 계면에서 전력 소모가 감소하기 때문에 저전력으로 원활한 구동이 가능하다는 장점이 있다. 이러한 전기변색 기술과 전기변색용 소재 개발 연구를 기반으로 최근 가장 주목받고 있는 응용 분야는 건축(주거용, 상업용 빌딩) 및 수송(자동차, 비행기, 선박 등) 부문이 있으며, 그 외에도 투과도 조절이 가능한 웨어러블 제품이 있다(그림 6). 그러나 현재까지 대부분의 전기변색 제품들은 유리 기재 기반의 제품으로 개발되고 있으며, 필름형 제품은 연구 단계인 실정이다(그림 7). 현재 전기변색 기술을 응용한 제품 개발을 활발히 진행하고 있는 국외 기업으로는 미국의 Gentex 사가 있으며, 자동차용 미러 시장의 우위를 선점하고 있다. Sageglass 사를 중심으로 전기변색 스마트 윈도우 시장의 규모가 확장되고 있으며, 실제 대형 건물의 창호를 디자인함으로써 상용화에 도달한 수준의 기술임을 입증하였다. 국내 기업으로는 ‘립하이(LeapHigh)’가 있으며, 반도체 박막증착 기술 전문 기업으로써 기존 자동차용 미러 제품의 구조적인 한계를 극복하고 경쟁 기업인 미국 Gentex 사의 높은 가격대의 단점을 보완하여 Eyewear, Automotive, Architecture 용 전기변색 제품을 생산하고 있다.이처럼 전기변색 기술은 지속적으로 응용 분야를 개척해 나가며 최근 들어 에너지 위기, 새로운 디스플레이의 개발, 안전에 대한 사회적 수요에 의해 새롭게 조명을 받고 있다. 따라서 자동차 및 건축물 창호, 모바일 전자 소자용 전기변색 기술의 발전은 낙관적이라고 전망할 수 있다.3.2. IR 차단 필름 개발 동향3.2.1. 열 차단 필름열 차단 필름이란, 태양 빛 에너지 중 열원인 IR을 반사, 흡수 등을 이용하여 내부로 투과되는 에너지를 감소시켜 온도를 저감하는 기술이다. 현재 시장에서는 실내 온도상승을 줄이고 쾌적한 실내 온도로 낮추기 위해 중공 이산화바나듐을 이용하고 이 입자 표면에 표면개질제를 사용해 두꺼운 코팅층을 형성해 경제성 및 열과 적외선 차단 효율을 높인 기술을 적용하고 있다. 적용 분야에는 일반적으로, 농업용 비닐에 코팅되어 열 차단 기능성이 있는 비닐하우스 설계를 들 수 있다. 또한 유리가 존재하는 모든 건축물에 적용될 수 있다. 건축물에 적용될 경우 실내로 유입되는 가시광선을 최대로 허용해 하절기에는 실내로 유입되는 태양열을 감소시키고 동절기에는 실내의 열을 실내로 재 반사시켜 냉난방 효율을 증대시킬 수 있다.특히 이러한 기능은 지구 온난화에 의해 증가된 온도에 의한 피해를 줄이고 에너지의 절감을 통해 현재 전 세계적으로 행해지는 온실가스 감축 및 에너지 소비 합리화 정책과 맞물려 필요성이 대두되고 있다.현재 지구 온난화로 평균 기온의 상승과 태양광 장파장 투과량 증가로 인해 세계 곳곳에서 발생하는 농작 및 경작지의 사막화가 진행되고 있다. 이러한 사막화가 진행되는 경작지에는 온실가스를 줄이는 기술적 조치 등이 방법으로 제시되고 있다. 현재 우리나라에서는 에너지 소비 합리화를 위해 제로 에너지 빌딩을 목표로 에너지 소비량을 감소시키고 있다. 특히 공공기관의 건축물과 일정 층 이상의 건물에는 단열성능 등을 강화하여 passive 형태로서 냉, 난방에 사용되는 에너지를 줄이고자 한다. 이러한 방향에 필요한 기술로는 사막화가 진행되는 경작지에 제공될 수 있는 온도 저감이 가능한 농업용 필름과 제로 에너지 빌딩을 위한 passive 에너지 절감 필름의 기술 등을 제시할 수 있다(그림 8, 9). 두 가지 모두 공통으로 태양 빛에 의해 과도하게 증가하는 온도의 영향에서 벗어나고자 제시된 기술로서, 각각의 기술에는 목적에 따라 차단하는 태양광의 범위와 강도가 달라 이를 미세하게 조절해야 할 필요가 있다.이 중 농업용 필름은 작물의 광합성을 위한 가시광선은 투과하고 온도의 증가 원인인 NIR, MIR 및 FIR은 차단이 필요하다. 그러나 현재 기술로는 투명하게 가시광선만을 투과하고 NIR, MIR 및 FIR을 전부 차단하여 온도를 저감하는 기술은 전무하다. 이러한 이유로 대다수 작물의 생육 온도인 35℃를 넘겨 폐사하는 사례가 증가하고 있다. 따라서 이런 문제점을 극복하기 위해, 생육에 필요한 가시광선을 80% 이상 투과하고, 온도 절감을 위한 IR 차단율이 높고, 기존의 일반 농업용 필름과 비교하여 온도 절감과 에너지 절감률이 높은 투명한 필름 기술을 개발하는 것이 필요하다(그림 10).현재 이러한 기술을 적용하기 위한 국내 기술 수준 및 동향을 살펴보면, 염료 착색에 의한 필름 기술개발이 선행되어 판매되고 있으며, 평가 대상 기술 제품과 같은 열 차단 기능이 있는 물질을 필름 혹은 유리 위에 분무 형태나 도포하는 형식의 열 차단 제품을 제조하는 업체가 몇몇 존재하지만, 단열재를 포함한 단열 비닐을 제조하는 업체는 전무하다.• ㈜K&P nano유리 또는 필름 위에 ITO(Indium Tin Oxide), ATO(Sn, Sb가 첨가된 P형 반도체 구조의 물질), CTO(W, Sb, Sn, Cs가 첨가된 P형 반도체 구조의 물질) 화합물을 코팅하는 소재로 생활용품의 IR 차단용으로 생산한다.• ㈜미지나노텍ITO, ATO, CTO, 나노물질(Au, Ag, Pt, W 등), 나노 세라믹(TiO2, 음이온, 황토 등) 등의 입자를 생산, 판매한다. 열 차단 소재로 ITO, ATO, CTO powder 및 solution이 있으며, 유리 또는 필름 위에 화합물을 코팅하는 방법으로 제품을 생산한다. 이러한 기술들의 단점을 극복하기 위해 국내 대학 및 연구기관에서 다양한 연구들을 진행 중이다.• 한양대학교 김동립 교수 연구팀Silicone elastomer에 silica aerogel microparticles을 분산시켜 투명한 상태에서 온도 절감이 가능한 메타물질을 보고하였다.3.2.2. IR 스텔스 필름스텔스 기술이란, 탐지 센서인 레이더나 적외선 탐지 장비 등으로부터 생존을 보장하기 위해 신호의 크기를 차단 또는 축소하는 기술을 의미한다. 스텔스 기술을 적용하면, 적에게 노출되지 않고, 노출된 경우라도 탐지된 신호가 축소 또는 왜곡되어 적의 상황 판단을 어렵게 만들기 때문에 아군의 생존확률을 증대시킬 수 있다. 국내에서는 적외선 메타물질 흡수체를 응용하여 고성능 센서, 파장 선택적 열 방출기, 열화상 이미지 센서, 적외선 스텔스에 대한 연구를 수행하고 있다. 특히 연세대학교 조형희 교수팀과 한재원 교수팀이 적외선 메타물질 흡수체를 이용하여 적외선 대기흡수 창으로 열에너지를 방사하는 연구를 수행하였다. 한재원 교수팀은 이론적으로 적외선 스텔스 기술에 사용하기 위해 금속 절연체 금속 구조를 갖는 이중대역 메타물질 흡수체를 제안하였다. 해당 분야에서 공액 고분자 기반의 IR 차폐 소재가 적용된다면 가시광 영역에서 투명하고 인체 혹은 물체에서 발산하는 IR을 차폐하여 은폐 기술로 적용이 가능하다(그림 11). 타 소재와 대비하여, 근적외선 차단뿐 아니라 Mid-IR 영역까지 우수한 차폐 능력을 나타내고 우수한 가시광선 영역 투과율 확보가 가능하여 투명성을 요구하는 새로운 분야에 활용이 가능하다. 뿐만 아니라 친환경 수분산 용액공정과 간편한 습식공정으로 제조가 가능하며, 다양한 기재에 적용이 가능하다.• 연세대학교 한재원 교수팀레이저 광을 완전히 흡수하는 표면을 제작해 미사일을 유도하는 산란광 발생을 억제하는 메타물질을 제조하였다. 물체에서 방출되는 적외선 분광을 선택적으로 조절해 검출기에 탐지되는 신호도 대폭 줄일 수 있다.• 연세대학교 조형희 교수팀나노 디스크 모양의 금속-절연체-금속 구조를 가지는 적외선 메타물질 흡수체를 이용하여 적외선 대기 흡수창인 5∼8μm 대역에서 파장 선택적으로 흡수 및 방사하도록 설계 및 제작하였다.• 한국기계연구원 나노공정연구실적외선 메타물질 흡수체를 적용하여 고성능 분자 센서 및 적외선 열화상 카메라에 적용되는 비냉각 마이크로 볼로미터(Microbolometer)의 성능을 향상시킨 결과를 보고하였다.4. 시장 전망2019년 Fortune Business Insight 조사에 따르면, 세계 스마트 윈도우 시장 전체 규모는 2023년 기준 56억$에 달하는 것으로 보고되었으며, 이 중에서도 ECD와 PDLC가 차지하는 비율은 전체 50% 이상이다(그림 12, 13). 이처럼 스마트 윈도우 디스플레이에 대한 과학적, 기술적 관심이 증가함에 따라 적용 가능한 소재에 관한 연구의 중요성도 크게 확대되고 있는 실정이다.세계 농업용 필름 시장이 2016년 91.3억$에서 2021년 125.1억$로, 연평균 6.5%로 성장 중이다(그림 14). 현재 세계 시장 중 아시아 시장이 수요가 가장 높으며, 시장은 10조 원($7.8억) 이상으로 매년 약 7.18% 성장 중이다. 우리나라 시장은 농업용 필름이 2017년 7,300만$이며, 2022년에는 9,840만 달러에 이를 것으로 전망된다. 또한, 온실용 필름은 2017년 5,460만$에서 2022년에는 7,260만$에 이를 것으로 전망된다.세계 윈도우 필름 시장은 2018년 15.9억$ 규모로 이후 연평균 4.7%의 성장률 나타낸다. 2022년에는 19.1억$의 시장 규모를 형성할 것으로 전망되며, 윈도우 필름 시장은 녹색 건물과 제로 에너지 빌딩에서의 사용이 급증하면서 건설 부문의 소비가 증가할 것으로 예상된다(그림 15). 특히 국내 시장은 정부의 지속적인 저탄소 정책 추진으로 공공기관(학교 등) 중심으로 건축용 윈도우 필름 적용이 확대될 전망이다. 또한, 민간 분야에서도 에너지 절감을 위해 점진적으로 구매 규모가 늘어날 것으로 예상된다. 국내 윈도우 필름 시장은 2017년 기준 983억 원 규모로 연평균 35.0%의 성장률을 보이며, 2021년에는 3,265억 원의 시장 규모를 형성할 것으로 예상된다.5. 결론현재 시장에서 지배적으로 통용되는 핵심 소재들은 거의 대부분 독일, 일본 등의 해외 기업 제품으로 세계적인 경쟁력을 갖는 소재 원천 합성 기술을 확보하는 것이 중요하다. 기존 소재를 대체하기 위해서 새로운 소재에 대한 검증을 위해 신뢰성 평가와 여러 제품 분야의 적용 평가 기회가 마련이 되어야 하기 때문에 끊임없는 연구개발과 지속 가능한 투자와 노력이 필요하다.특히, 에너지 절감을 위한 투명 스마트 필름 기술 분야에서 가시광선 영역의 투과도 제어 기술과 동시에 자외선, 적외선 영역에서의 선택적인 투과/차단 특성 제어가 필수적으로 요구된다. 전기변색 스마트 필름의 경우, 저 전력으로 구동할 수 있으며, 최종적으로 유연한 필름 형태로 디바이스를 제조하여 Roll-to-Roll 대면적 공정 적용이 가능하다면 우수한 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 예상된다.최근 급변하는 환경 이슈에 대한 수요 기술 및 시장에 대응하기 위해서는 메가트렌드에 적합한 소재 원천 합성 기술을 확보해야 하며, 핵심 소재를 다양한 분야에 접목하여 새로운 패러다임을 제시할 수 있어야 한다. 선도적인 역할을 수행할 수 있도록 수요 기술에 대한 정확한 이해와 소재 합성 기술 이외의 디바이스 적용 시 가공 기술, 신뢰성, 경제성 등 다양한 분야에서 노력이 중요하다.
편집부 2022-07-26
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㈜우진플라임 사출성형기 “다단 사출로 성형하라”

자료제공: 우진플라임 기술교육원 / 교수 한선근1. 성형기술의 중요성위 그림에서 보는 것처럼 사출성형 기술은 여러 가지 광범위한 지식과 기술이 모여 사출성형 기술이라는 하나의 기술이 완성되는 종합적인 기술의 집약체이다. 그리고 이와 같은 기술의 집약체를 통해 성형품이라는 결과물로 도출된다. 따라서 어느 한 과정에서 발생하는 문제점은 품질에 영향을 줄 수 있다. 따라서 모든 성형 기술자는 성형기술의 기본적인 부분을 이해하고 성형을 하여야 한다. 2. 성형조건의 5대 요소위 표의 요인은 상호에게 영향을 주어 모든 조건을 임의로 설정하는 것은 곤란하다.3. 사출 속도사출 속도는 수지의 유압 속도를 조정한다. 사출 속도 조정을 통해 성형품 표면의 불량 현상(젯팅, 플로우 마크, 웰드라인) 등을 해결할 수 있다.4. 사출 압력(Injection Pressure)스크류 선단의 수지에 작용하는 최대 압력을 말한다. 유압식의 경우 스크류 전체에 작용하는 유압의 힘(사출력)을 스크류 단면적에서 뺀 이론치로 표시된다. 스크류 직경을 바꾸는 것은 직접 사출 압력을 바꾸는 것이 되므로 스크류 직경을 가늘게 하여 사출 압력을 높게 하는 경우 사출 용량, 사출률, 가소성 능력의 감소를 고려해야 한다.5. 이론 사출량과 실 사출량사출성형을 하기 전 이론 사출량과 실 사출량을 알고 있으면 편리하다. 계량량을 예측할 수 있고 가상의 성형조건을 설정할 수 있다. 이론 사출량과 실 사출량 수식과 수지별 상수는 사출기 선정의 이론 사출 용량을 구하는 공식은 아래 표와 같이 구할 수 있다.1) 다단 사출이란?압력, 속도, 위치를 2단계 이상으로 조건을 설정하여 수지를 금형에 밀어 넣는 것을 뜻한다. 압력, 속도, 위치가 2단계 이상이면 다단 사출이라 할 수 있다.2) 위와 같이 조건을 나누어 설정하게 되면, 불량이 나타나는 구간을 나누어서 불량을 해결할 수 있다. 제품에서 문제점이 되는 Point가 몇 군데인지 파악하여 단계가 최소 2~최고 10단계까지도 설정할 수 있으며, 불량이 있는 구간을 나눈 후 구간의 속도와 압력을 조정하여 불량을 해결할 수 있다.(사출 단계 및 화면의 구성은 각 성형기의 모델과 제조사에 따라 다를 수 있음)3) 다단 사출 구간 설정 방법사출(충진)의 단계에서 제품의 두께, 형상, 수지의 종류에 따라 다르지만 95~98% 정도를 성형시킨다. 사출 구간에서 100% 성형하는 것은 바람직하지 않다. 이러면 경우에 따라 오버 패킹, 잔류응력 등으로 휨, 뒤틀림, 백화 등의 불량이 발생할 수 있다.① 1단 사출 : 게이트 전(캐비티 내 수지의 충진성을 위해 중고속으로 사출)계량을 완료하고 게이트 앞쪽까지 사출을 진행하는 것으로 속도와 압력은 50% 이상으로 설정을 하는 것이 좋다. 스프루와 런너에서 나올 수 있는 불량이 없기에 빠르고 조금 높은 압력을 사용하여도 무방하다.② 2단 사출 : 게이트 후(젯팅, 게이크 마크 방지를 위해 저속으로 사출)2차의 위치는 게이트를 지나서 조금 사출될 정도의 거리를 찾는다.2차 사출은 대부분 저속으로 사출을 하여야 되기 때문에 정밀도 높은 제품은 1차와 2차의 위치를 최소로 하는 것이 좋으며 일반적인 제품은 1차와 2차의 위치의 범위를 넓게 하는 것이 양산 시 재현성에 문제가 없다.③ 3단 사출 : 성형품 80~90%(웰드. 플로우 마크, 방지를 위해 중고속으로 사출)사출 단계는 제품을 80~90% 정도를 사출한다. 이는 규정된 것은 없으며 성형품의 모양, 불량 등 다양한 요인에 따라 변할 수 있으므로 제품의 형상과 불량을 잘 파악하고 사출을 진행하여야 한다.④ 4단 사출 : 성형품 95~98%(Gas 몰림으로 인한 탄화 방지를 위해 저속으로 사출)사출 단계를 4단으로 늘리고 성형품의 95~98% 정도 사출한다. 이때 사출되는 거리가 보압 절환점(V/P 절환점)이 된다. 성형품의 두께, 형상에 따라 4차에 사출되는 거리는 달라질 수 있으며 과패킹, 잔류응력 방지를 위해 사출로 100% 성형하지 않는 것이 중요하다.(미세하거나 매우 얇은 성형품 또는 사출기 압력이 부족한 경우는 100% 성형하기도 함) 이와 같은 방법으로 다단 사출을 진행하여 각각의 위치를 찾게 되면 불량이 나타나는 구간의 속도와 압력을 조정하여 불량을 해결할 수 있다.아래 그림은 사출(충진) 구간의 사출 속도를 위치별로 표시한 것이다.⑤ 보압 설정하기수지가 용융 상태에서 냉각되면서 수축이 발생하게 되는데 이 수축량을 보상하기 위해 압력이 필요한데 이걸 보압이라 한다.보압은 속도로 제어하는 구간(사출, 충진)에서 압력으로 제어하는 구간(보압)이다.보압도 3차까지 설정을 하는데, 1차 보압은 저압으로 설정 스킨층 형성(Burr에 대한 대책) 2차 보압은 1차 보압 보다 압력은 높게(수축, 치수 해결) 설정한다. 3차 보압은 2차 보압 보다 낮게 설정하여 게이트 Seal까지 압력 유지, 뒤틀림, 과패킹, 잔류응력 방지를 위해 저압으로 설정한다.
편집부 2022-06-12
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전기자동차용 리튬이온 전지 시스템과 안정성 확보 기술 동향

Ⅰ. 서론2021년 말 대한민국의 전기차와 수소차 등 친환경 차량 등록 대수가 100만 대를 돌파한 가운데 대중교통 수단인 버스도 빠른 속도로 전기차로 진화하고 있다. 2025년까지 전기자동차는 113만 대(승용, 버스, 화물 등 누적)를 보급하고, 충전 기반시설(인프라)은 4.5 만기(급속충전기 1.5만기, 완속 충전기 3만기, 누적)를 확충할 예정이다. 다음 그림 1은 서울, 부산, 대전 전기버스의 운행 예를 뉴스 기사로부터 인용한 것이다. • “서울·부산은 전기버스 도시”이다. 2021년 서울을 달리는 전기버스는 총 392대이고, 부산시는 연말까지 전기버스 운행 대수를 263대로 늘릴 예정이다. 전기버스는 주행 시 질소산화물(NOx) 등 오염물질과 이산화탄소 등 온실가스가 발생하지 않는다. 기존 압축천연가스(CNG) 버스가 연간 1대당 이산화탄소 약 80.9t, 질소산화물 66㎏을 배출하는 점을 고려하면, 한 단계 업그레이드된 ‘그린 모빌리티’ 수단이다. 1대당 연간 약 1,260만 원의 연료비를 절감하는 효과도 있다고 한다.• 서울~인천을 오가는 2층 전기버스 2021년 4월부터 2층 전기버스를 인천시 연수구와 서울 삼성역을 연결하는 광역버스 노선을 운행 중이다. 최대 70명이 탈 수 있는 2층 전지버스는 384kWh의 대용량 배터리를 적용해 환경부 인증 기준으로 1회 충전 시 최대 447km를 운행할 수 있다.• ‘무선 충전 버스 대전 시내 누벼’2021년 10월부터 대전에서는 무선 충전 방식의 전기버스(올레브)가 운행을 시작했다. 올레브는 온라인 전기자동차(On-Line Electronic Vehicle)의 약칭이다. 올레브는 1시간에 150㎾를 충전해 150㎞를 주행할 수 있다. 대덕 특구 순환노선에서는 버스 기사가 쉬는 시간인 20분 동안 50㎾를 충전해 23.5㎞를 달린다고 한다. 마을버스 성격인 올레브는 KAIST~대덕 특구 출연연~도시철도역 등을 순환 운행한다. 전기자동차가 승용차 상용화를 시작으로 전기버스도 본격적인 상용화 시대가 도래한 것으로 보인다. 이에 따라 리튬이온 전지 시장도 본격적으로 상승세를 맞이할 것으로 보인다. 본 리튬이온 전지의 심층 보고서에서는 리튬이온 전지 및 관련 소재산업의 전반적 현황 및 미래기술 동향으로부터 리튬이온 전지 관련 종사자의 시장 선점 노력을 소개하고자 한다. 리튬이온 전지의 시장과 소재(1편~2편), 리튬이온 전지의 제조와 성능향상(3편~4편)으로 나누어 전체 4편의 리뷰로 리튬이온 전지의 시장동향과 요구사양, 셀 제조기술과 성능향상, 소재 로드맵, 전지의 에너지형과 파워형 설계 디자인(핸들러 2022년 2월호 테크&솔루션 p129~142 참조), 그리고 전지 시스템의 안정화를 위한 전지팩 기술 로드맵에 관한 전반적 내용을 소개하고자 한다. 4편은 전기자동차용 리튬이온 전지 시스템과 안정성 확보를 위한 전지팩 로드맵을 주제로 전기 자동차용 전지 시스템과 구동 연계, 리튬이온 전지 모듈 및 팩의 주요 개발내용을 조사하였다. 자세하게는 전기 자동차용 전지 시스템과 구동 연계, EV용 전지팩의 적용 사례와 실제 리튬이온 전지 성능 스펙을 예시하여 현재 전지 성능과 특성을 알아보았다. 또한, 전지의 지속 가능한 성능 발전을 위하여 전지 모듈과 팩 제조를 위한 기술 로드맵을 중심으로 리튬이온 전지 시장의 지속 성장과 전지 시스템의 안정화 관점에서 조사하였다.Ⅱ. 리튬이온 전지의 열관리 특성표 1에 18650 원통 셀을 이용한 리튬이온 전지의 열관리 특성을 나타내었다. 리튬이온 전지는 (1) 저온에서 전극 활물질 활성도와 리튬이온 확산계수가 낮아짐으로써 전지 성능이 급격하게 저하하며, 극한 상황에서는 전해질의 동결로 인하여 가동이 불가능해질 수 있다. 또한, 리튬의 석출(플레이팅, plating)로 인해 충전용량이 상당히 저하될 수 있고, 덴드라이트(dendrite) 성장으로 분리막이 관통되면 내부 회로의 단락(short circuit)이 발생하여 큰 발열로 전이될 수 있다. 실제 저온에서 영향 평가한 실험에서는 외부온도가 상온에서 -20℃로 변화할 때, 동일한 방전 조건에서 에너지가 27% 정도 감소함을 보였다. 리튬이온 전지가 (2) 고온에 노출될 때 저온에서와 유사하게 용량 감소(capacity fade)와 전력 손실이 발생한다. Sony 18650 셀을 이용하여 상온에서부터 55℃까지 온도를 변화하며 충·방전 사이클에 따른 용량 변화를 분석한 실험에서는 500회 충·방전 시 상온에서 22.5%, 55℃에서는 70.56% 용량 감소를 보고하였다. 최근 다른 보고에 의하면, 전기 자동차용 리튬이온 전지는 영하의 온도에서 성능이 급격히 떨어진다. 전지의 최적 성능을 유지할 수 있는 25℃를 기준으로 전지 온도가 -20℃와 45℃일 때, 전기 자동차의 주행거리는 각각 33%와 1.8% 감소하였다. 고온 환경에서 전지 사용 시 연쇄 발열 반응으로 인해 발생하는 열 폭주(thermal runaway) 현상은 발화 및 폭발과 같은 심각한 사고를 유발할 수 있다. 각형 리튬이온 전지를 이용한 열 폭주 거동 실험에서는 최대 온도가 870℃에 도달하는 것으로 보고되었다. 리튬이온 전지 사용 가능 온도는 0~60℃이지만, 최적의 성능을 위해서는 15~40℃ 사이에서의 가동이 권장된다. 따라서 온도에 따른 성능 감소와 심각한 사고를 예방하기 위해서는 리튬이온 전지가 적절한 온도 범위 내에서 반드시 가동 및 보관되어야 하고, 이를 위해 리튬이온 전지팩 시스템의 적절한 열관리 시스템이 추가되어야 한다. Ⅲ. 전기 자동차 구동과 전지 시스템1. 리튬이온 전지 형태 및 점유 현황리튬이온 전지의 가장 작은 단위는 셀이다. 전기를 충·방전하며 에너지를 효율적으로 관리할 수 있는 리튬 이차 전지는 형상별로 원통형, 각형, 파우치형의 각 용기에 양극과 음극, 전해액과 분리막이 겹겹이 쌓여있는 구조로 그림 2와 같이 되어있다. 셀의 형태에 따른 장단점, 그리고 전지 제조(사)와 전기 자동차 브랜드는 표 2와 같다. 파우치형은 생산성이 다소 낮지만 에너지 밀도가 높고 열관리가 쉬운 장점을 가지고 있으며, LG화학, SK이노베이션이 생산하고 GM, 현대기아차, 닛산, 르노 등이 사용하고 있다. 전체 리튬이온 전지에서 파우치형 전지의 점유율은 2012년에 23.6%에서 2020년에 51.8%를 차지하여 증가 추세이다. 원통형은 LG화학, 파나소닉이 생산하며 자동차에서는 테슬라만이 채용하고 있다. 에너지 밀도가 떨어지는 단점 때문에 2012년에 약 40%에서 2020년에 약 20%로 감소하였다. 2. 전기 자동차 구동 전기 자동차에는 기존 자동차의 가장 중요한 부품인 엔진과 변속기가 없다. 대신, 전기 자동차 구동은 구동 모터와 감속기에 의해 동력을 발생시킨다. 전기는 전지 시스템에 의해 제공되고 전지 온 보드 차저, 통합전력제어 장치로 구성된다. 이들은 모두 전지의 전력으로 모터를 구동한다. (그림 3 참고)• 구동 모터 구동 모터는 전기 에너지를 운동 에너지로 전환하여 바퀴를 굴린다. 모터를 구동 장치로 사용하며 얻는 장점은 다양하다. 일단, 주행 중에 발생하는 소음과 진동이 매우 적다. 전기 자동차의 파워트레인은 연소 엔진보다 크기가 작아 공간 활용성을 높이는 데 매우 유리하다. 구동 모터는 발전기로도 활약한다. 내리막길 등 탄력 주행 시 발생하는 운동 에너지를 전기 에너지로 전환해 전지에 저장할 수 있다. 주행 중 속도를 줄일 때도 마찬가지로 감속하는 운동 에너지를 이용하여 전기 에너지를 만들어 낸다. 이는 회생제동 시스템이라고 한다. 현재 일부 전기 자동차에는 회생제동을 단계별로 조절할 수 있는 장치가 마련되어 있다. • 감속기 감속기는 모터의 특성에 맞춰 동력을 바퀴에 더 효율적으로 전달하기 위해 고안된 일종의 변속기이다. 모터는 분당 회전수(RPM)가 내연기관 엔진보다 훨씬 높다. 회전수를 상황에 맞게 바꾸는 변속이 아닌, 회전수를 하향 감속해야 한다. 감속기는 모터의 회전수를 필요한 수준으로 낮춰 전기 자동차가 더 높은 회전력(토크)을 얻을 수 있도록 한다. (내연기관의 변속기 역할)3. 리튬이온 전지 시스템전기 자동차용 전지 시스템은 (1) 에너지원인 전지 셀, (2) 전지 셀을 외부의 충격과 진동으로부터 보호하는 기계적 구조물, (3) 전지 셀의 작동 시에 발행하는 열을 배출하고 외부의 영향을 차단하여 전지 셀을 열적 위험으로부터 보호하는 열관리 시스템, (4) 전지의 충전과 방전을 제어하고 전지를 보호하는 전지 관리 시스템(battery management system, BMS) 등으로 이루어진다.• 전지(팩) 전지는 전기 에너지를 저장하는 부품으로, 내연기관차의 연료탱크와 연료에 해당한다. 전기 자동차의 주행거리는 보통 전지용량이 클수록 주행거리도 늘어난다. 그러나 전지용량을 키우는 일은 그리 간단하지 않다. 전지가 차지하는 부피와 무게 때문이다. 큰 전지를 얹으면 실내 공간 및 짐 공간이 줄어들고, 에너지 효율이 떨어진다. 따라서 전기 자동차의 주행거리를 효율적으로 늘리기 위해서는 전지 에너지 밀도를 높여야 한다. 크기가 작고 가벼우면서 전기 에너지를 최대한 효율적으로 저장해야 한다. 주행가능 거리가 길수록 충전 횟수가 줄어들어서 전기 자동차 생활은 한층 더 편리해진다. 최근 출시된 전기 자동차는 전지 기술 발전에 따라 에너지 밀도가 크게 높아졌다. 덕분에 1회 충전 주행거리도 초기 전기 자동차보다 크게 늘었다. 기아자동차 쏘울 부스터 EV의 경우 64kWh 용량의 리튬이온 전지를 탑재해 최대 386km를 달릴 수 있다(국내 인증 기준). 전지 수명도 크게 개선되었다. 전기 자동차의 리튬이온 전지는 충전 패턴에 따라 수명이 달라지는데, 일상적인 사용 조건이라면 폐차할 때까지 전지 내구성에 대한 걱정은 필요 없다. 통상적으로 전지 전력을 100% 방전될 때까지 주행하고 다시 충전하는 경우라면 1,000회, 전지 전력 50%를 사용하고 다시 충전하는 경우라면 5,000회, 전력 20%를 사용하고 다시 충전하는 경우라면 8,000회까지 전지 사용이 가능하다. 따라서 쏘울 부스터 전기 자동차를 하루에 약 77km(전력 20% 사용 시)를 운행한다고 가정하면 8,000일(약 22년) 동안 전지 교체 걱정 없이 차량을 사용할 수 있다는 계산이다.• 전지 관리 시스템(Battery Management System, BMS)전지 관리 시스템(이하 BMS)은 이런 수많은 전지(셀)를 하나의 전지처럼 사용할 수 있도록 관리한다. 전기 자동차 전지는 수십에서 수천 개에 이르는 셀로 이뤄져 있는데, 각 셀 상태가 비슷해야 전지 내구성과 성능이 최적 컨디션을 유지할 수 있다.BMS는 전지와 일체형으로 설계되는 경우가 많으며, 통합 전력 제어장치(EPCU)에 포함되기도 한다. 셀 충전 및 방전 상태를 감시하고, 전지에 이상이 감지될 경우 릴레이(특정 조건에서 다른 회로를 개폐하는 장치)를 통해 자동으로 전지 전원을 잇거나 끊기도 한다. • 전지 히팅 시스템 전지는 낮은 온도에서 충전량이 감소하며 충전 속도가 느려진다. 전지 히팅 시스템은 전지를 최적 온도로 유지시켜 동절기 성능 저하를 예방하고 주행거리를 확보하는 장치이다. 또한 충전 시에도 적정 온도를 유지해 충전 효율성을 높인다. • 온 보드 차저(On Board Charger, OBC)전지에 충전을 하는 장치이다. 온 보드 차저는 완속 충전을 하거나, 휴대용 충전기로 가정용 플러그에 꽂아서 충전할 경우, 차량에 입력된 교류 전원(AC)을 직류 전원(DC)으로 변환하는 장치이다. 참고로 급속 충전은 직류를 이용한다. • 통합 전력 제어장치(Electric Power Control Unit, EPCU) 통합 전력 제어장치는 차량 내 전력을 제어하는 장치를 통합하여 효율성을 높여주는 역할을 하며 인버터, LDC, VCU로 구성되어 있고 각각의 역할은 다음과 같다. - 인버터(Inverter): 인버터는 전지의 직류 전원(DC)을 교류 전원(AC)으로 변환하여 모터의 속도를 제어하는 장치이다. 내연기관 변속기와 같은 역할로 가속과 감속 명령을 담당하므로 전기 자동차의 운전성을 높이는 데 있어서 매우 중요한 역할을 한다. - LDC(Low voltage DC-DC Converter): LDC는 전기 자동차의 고전압 전지 전압을 저전압(12V)으로 변환해 전장 시스템에 전력을 공급하는 장치이다. 고전압 전지는 높은 전압을 사용하지만, 자동차의 전장 시스템은 낮은 전압을 사용하기 때문에 이를 변환하는 장치가 반드시 필요하다. - VCU(Vehicle Control Unit): VCU는 EPCU에서 가장 중요한 부품 중 하나이다. 차량 내 전력 제어기를 총괄하는 컨트롤 타워에 해당한다. 모터 제어, 회생제동 제어, 공조 부하 제어, 전장 부하 전원공급 제어 등 차량의 전력 제어와 관련된 대부분을 관장하고 제어한다. 4. 전기 자동차의 리튬이온 전지용량 예 최근 주목받고 있는 전기 자동차의 전지용량, 모터 출력, 주행거리를 그림 4에 정리하였다. 쉐보레 볼트는 전지용량은 60kWh이고, 주행거리는 383km이다. BMW i3의 전지용량은 33.2kWh이고, 주행거리는 300km이다.국내에서는 현대차 아이오닉, 기아차 SOUL 등이 양산되고 있고, 하이브리드를 고수하던 일본도 전기 자동차 개발에 박차를 가하고 있다. 고성능 전기 자동차로 주목받고 있는 테슬라 모델-S 제원은 다른 제조사에 비해 가격보다는 성능에 초점을 맞춘 것을 알 수 있다. 현대기아차와 테슬라는 아이오닉5와 모델Y 등 73~75 ㎾h 용량의 전지를 장착해 한번 충전으로 450~511㎞ 이상 주행이 가능한 전기 자동차를 2021년 초에 선보였다. (핸들러 2022년 2월호 테크&솔루션 p130 표 1 참조)5. 국내 제조사 리튬이온 전지 제품 사양 예 소형, 중형, 대형 용량(26~200Ah)의 리튬이온 전지 제품 사양을 표 3~표 6에 나타내었다. 제품 사양으로 공칭전압, 에너지 밀도(비용량), 내부저항, 규격, 중량 등을 확인할 수 있다. 제품 사양을 통하여 충·방전 시간, 온도 환경을 확인할 수 있으며, 셀 크기, 사이클 수명 등도 확인할 수 있다.Ⅳ. 리튬이온 전지 모듈 및 팩영국자동차협회는 2021년 1월 리튬이온 전지 보고서를 발간하였다. 리튬이온 전지 소재개발과 전지팩 제조 관련하여 기술적 지표와 함께 중장기적으로 달성할 기술 로드맵(2020년~2035년)을 발표하였다. 주로 전지의 셀, 모듈과 팩 제조기술 지표와 로드맵을 소개하였다.1. 리튬이온 전지 셀과 팩 기술지표 (에너지 중심 및 원가 민감형) 셀은 전지의 가장 작은 단위이고, 모듈(Module)은 셀을 외부 충격, 진동, 열 등으로부터 보호하기 위해 하우징에 넣은 전지 집합체이다. 팩(Pack)은 전기자동차에 장착되는 전지 시스템의 최종 형태이고, 제어기, 냉각시스템 등 각종 제어 및 보호 시스템을 전지 모듈과 통합하여 완성된다. 블룸버그 통계에 따르면, 그림 5와 같이 2013년부터 2020년까지 리튬이온 전지(셀) 가격은 668$/kWh에서 137$/kWh로 급격하게 감소하였으나, 자동차용 전지로 사용하기에는 여전히 고가이다. 한편 영국자동차협회가 발표한 성능지표 및 원가를 살펴보면, 시장의 경쟁 환경에서 전지 산업이 달성할 기술지표는 표 7과 같다. 리튬이온 전지 팩의 비용량을 보면 2020년, 185Wh/kg에서 2035년에 275Wh/kg으로 비약적으로 증가할 것으로 예상하고 있다. 충전 시간을 보면 2020년 약 45분에서 2035년 15분으로 단축되고 있다. 영국자동차협회는 2020년 팩의 OEM 가격은 셀 가격 85$/kWh에 패킹가격 40$/kWh을 더하여 125$/kWh로 제시하였다. 블룸버그 통계치는 셀 가격 102$/kWh에 패킹 단가 35$/kWh을 더하여 137$/kWh로 12$/kWh 정도 단가가 더 높다. 패킹 단가는 비슷하지만 셀 가격이 17$/kWh 더 높게 나타나, 셀 단가는 더 낮아질 수 있는 여지를 보인다. 또한, 팩 단가를 2020년 125$/kWh에서 2035년에는 65$/kWh로 낮추는 지표를 제시하고 있다. 이는 리튬이온 전지용 셀 소재 및 제조공정의 단가를 혁신적으로 더 낮추어야 한다는 결론이다. 대안으로는 혁신적으로 비용량이 높은 양극재를 개발하고, 소재와 공정에 대한 글로벌 표준을 제안하고 규모의 경제와 함께 소재와 셀의 재활용 등을 준비할 때이다.표 7에서 과도방전전력밀도(Transient Discharge Power Density(W/kg))는 셀이 끌어낼 수 있는 최대 전력을 나타낸다. 전이방전은 <10초 25℃ 및 50% SoC로 정의된다. 충전율(C-rate)은 전지 팩 충전과 방전 속도의 척도이다. 2035년의 4C rating은 전지팩이 15분 안에 완전히 충전되는 것을 기대한다. 에너지 밀도는 셀과 팩 모두 적용되며 체적 및 중량으로 측정된다. 원가는 셀 및 팩의 OEM 구입 가격을 나타낸다. 참고로 에너지 및 전력 밀도의 셀 대 팩의 추정 비율은 다음과 같다. 2020년에 65%(예: 1100W/kg(셀) × 65% = 715W/kg(팩)), 2025년 70%, 2030년 75%, 2035년에 80%이다.2. 리튬이온 전지(모듈 및 팩) 로드맵 (출처: 영국자동차협회) 영국자동차협회에서 발간한 리튬이온 전지 보고서에는 셀과 팩에 대한 로드맵에 대하여 리튬이온 전지의 셀 디자인, 전기분배 시스템, 열, 기계적, 팩 통합, 수명 사이클 및 모듈 및 팩의 수명 주기 등에 대한 로드맵으로 그림 6과 같이 세분하였다. 리튬이온 전지팩을 안전하게 사용하기 위해서는 셀 제조 이후에도 전지 시스템 운영을 위한 배전 및 열관리, 보호 관리 등이 부가되고 있음을 알 수 있다.전기 화학반응에 의한 전지 발열의 요인에는 분극 현상에 의한 반응열, 저항에 의한 Joule 열, 그리고 엔트로피 열 등이 있다. 여기에서는 발생 열의 처리 혹은 극한 환경에서 전지 시스템 내부의 열 물성(비열, 전도도, 밀도 등)과 작동조건(충·방전 속도, 외부온도 등)의 영향을 효과적으로 대처하는 기술들이 필요한 것으로 보인다. 3. 모듈 및 팩 로드맵(그림 6): 기술 분야별 개요 및 주요 개발내용 • 셀 형식 및 설계규모의 경제를 지원하기 위해 점점 더 표준화되면서 다양한 차량 요구사항을 충족하도록 특화될 것이다.- 대량 제조를 위한 통합 셀 형식 모듈- 새로운 셀 형식 및 특성(예: 탭리스, 현장 계측, 열 유량 및 접합 개선 등) • 전지 관리 시스템(Battery Management System: BMS, 하드웨어 및 소프트웨어 포함)전지 셀 및 모듈의 전력 손실을 최소화하면서 지능적으로 분배되도록 한다. 이는 향상된 전지 관리 시스템, 버스 바(예, 공통 전극) 및 커넥터를 통해 달성할 수 있다. - 400V 및 800V 아키텍처의 광범위한 채택, 새로운 1200V 아키텍처- 과거 데이터를 이용한 BMS 업그레이드, 물리학 기반 SoH 및 SoC 셀 추적이 가능한 BMS, 자가 업데이트 알고리즘, 현장 데이터를 사용하는 AI 지원 BMS- 원격측정 지원 BMS 아키텍처, 차량 오프라인 업데이트 및 실시간 모니터링- 차세대 컨택터/커넥터(예: 솔리드 스테이트)- 원가 및 중량 감소 버스 바, 전도도가 향상된 정형 다중 재료 버스 바• 열(열 전파를 포함한 냉각, 가열 및 열 재료) 관리 시스템 전지 팩의 상태를 유지하는 데 매우 중요하다. 열을 관리하고 저온 및 고온의 영향을 완화할 수 있도록 향상된 능동 냉각 또는 가열 시스템으로 전지 셀을 가열 및 냉각할 수 있다.- 능동적 열관리(통합된 비용 효과적 시스템), 대량용 수중 냉각- 다중 재료 냉각 플레이트, 고전력 셀을 위한 새로운 열 제거 재료 및 수동 냉각 방법- 추운 기후에서 에너지 사용 절약 방법, 추운 기후에서 전지 온도를 유지하기 위한 열에너지 저장- 기존 열 인터페이스/접합 재료 최적화, 열 재료의 합리화 및 통합 - 화재 전파 감지, 예방 및 억제하는 방법/격리하는 방법• 기계적(예 구조) 요소모듈 및 팩의 무결점에 기여하는 하우징 및 접합 기술이 포함된다. 전지 케이스와 구조체는 무게를 줄일 수 있는 중요한 요소이다. 반면 새로운 접합 공정은 셀 간의 견고한 접촉을 보장해야 한다.- 경량 전지 캐리어, 경량 다중 재료 팩 구조(폴리머 포함)- 대량 셀/모듈 접합 기술, 새로운 전기 연결• 팩 통합 및 제조에너지 저장 및 관리를 차량에 통합하는 새로운 방법을 모색한다. 더 넓은 차량에 에너지 저장장치를 내장하고 열관리 시스템을 통합하는 것이 중요한 핵심이다.- CTP(cell-to-pack) 전지(예: 모듈 삭제), CTC(cell-to-chassis) 전지, 구조형 전지(예: 차체 구조의 일부)- 팩을 전체 차량 열관리에 통합 - 실시간 인라인 테스트 및 검증, 대량 시장을 위한 가속 테스트 및 검증• 모듈 및 팩 수명 주기전지 모듈 및 팩의 탄소 집약도(에너지 소모 정도), 환경 영향, 자원 소비 및 재활용 가능성이 포함된다. 이러한 요소를 개선해야 만 전기 자동차가 진정으로 지속 가능한 솔루션이 될 수 있다.- 셀과 모듈에 헬스 패스포트 통합(예: RFID), 회복력을 갖는 전지 모듈 및 팩, 고장 감소- 모듈 및 팩 조립의 CO2 배출 감소, 에너지 효율적인 생산, net-zero CO2 생산 시스템- 수명 종료 관리 및 유연한 이차 수명 사용을 지원하는 팩 설계, LCA 중심형 모듈/팩 밸류 체인 - 분해를 고려한 설계, 재료 회수 기술(예: 기계적 분해, 가공), 모듈 및 팩에 대해 순환 경제 확립4. 열(열 전파를 포함한 냉각, 가열 및 열 재료)온도에 따른 성능 감소와 심각한 사고를 예방하기 위해서는 리튬이온 전지가 적절한 온도 범위 내에서 반드시 가동 및 보관되어야 하고, 이를 위해 적절한 열관리 기기 또는 시스템이 필요하다. 4.1. 능동 냉각 전략강제 공기 또는 수동 냉각은 저 방전율 전지 팩에 적합하지만, 고전력 응용이나 고속 충전에는 충분하지 않다. 고에너지 및 고전력 전지 팩의 경우 냉각 플레이트를 사용하는 물/글리콜 냉각수 시스템으로 전환하는 추세이다. 가장 두드러진 열 문제는 (열 방출을 통해 상당량의 에너지를 낭비하는) 150kW 이상의 급속 충전 시 발생할 것으로 예상된다. 잠재적인 전략은 전지 사전 냉각, 추가 냉각 파이프 및 팬 또는 냉각수요 최소화를 위한 충전전력 감소이다. 장기적으로 모터스포츠 분야에 사용되는 수중 냉각 개념이 자동차 부문에 활용될 수 있을 것이다. 수중(또는 침지) 냉각은 셀과 버스 바(공통 전극)를 직접 냉각하는 유체 냉각 액체로 구성된다. 이를 통해 버스 바 두께와 무게를 줄이고 셀을 균일하게 냉각시킬 수 있다. 그러나 냉각 루프 무게 및 복잡성과 유체 재료 원가 때문에 이 접근 방식은 고성능 차량에 더 적합하다. 4.2. 수동 냉각 활성화수동 냉각은 전지를 최적 온도로 유지하기 위해 히트 싱크, 히트 스프레더, 히트 파이프 또는 열 인터페이스 재료에 의존하는 에너지 효율적인 솔루션이다. 향상된 금속 매트릭스 복합 재료는 알루미늄 및 구리 냉각 플레이트와 비교하여 향상된 열전도율을 제공할 수 있다. 고 방전율 전지 팩이 시장에 진입함에 따라, 열을 즉시 방출할 수 있는 새로운 냉각 플레이트 재료가 필요하다. 위성 및 항공 우주 부문의 냉각 기술이 응용될 수 있지만, 자동차 부문에 적합하려면 공정 개선이 필요하다. 4.3. 전지 가열추운 기후에서 작동하는 전지는 상당한 열화를 겪고, 특히 BEV 버스와 같은 응용의 경우 HVAC 시스템의 추가 요구사항을 통해 상당한 스트레스를 받는다. 또한 전지 팩을 최적 온도로 가열하는 데 사용되는 에너지는 전지 자체에서 발생하므로 열 관리 시스템 에너지 사용량을 줄이는 것이 우선이다. 4.4. 열, 접착 및 접합 재료 합리화전지 모듈 및 팩에는 온도 및 구조적 무결성을 유지하기 위해 많은 열, 접착 및 밀봉 재료가 포함되어 있다. 접착 및 열관리 특성을 제공할 수 있는 다기능 재료는 전지 팩 내부의 습식 공정량을 줄이는 데 중요할 것이다. 이러한 새로운 수지와 재료는 수명 종료 규정을 준수하기 위해 재활용이 가능해야 한다. 4.5. 열 폭주 감지 및 방지리튬이온 전지 및 기타 전지 화학물질의 화재 위험을 이해하는 것은 차량 내의 안전한 사용과 제조, 보관 및 운송을 위해 필수적이다. 열 폭주는 압력 증가, 가스 및 미립자 배출, 화재 또는 최악의 경우 폭발을 유발한다. 빠른 속도로 실행할 수 있는 향상된 테스트 및 검증을 통해 예방 및 억제 전략을 개발할 수 있다. 열 폭주를 저지하거나 확산할 수 있는 새로운 재료 및 설계 기능에 관한 추가적 연구가 필요하다. 5. 모듈 및 팩의 수명 주기 및 수명 종료5.1 수명 전체에 걸친 추적 및 모니터링신뢰할 수 있는 데이터를 보장하기 위해, 무선 주파수 식별(RFID)은 BMS가 보유한 상태 데이터를 보완하는 하나의 방법이다. BMS에는 일정 수준의 중복이 있지만, RFID는 생산 및 생산지에 대한 추가 데이터를 보유할 수 있다. 5.2 이차 수명을 가능하게 하는 전지 팩 설계일정 기간 사용한 전기자동차용 전지의 재활용은 매력적인 옵션이 될 것이다. 주택, 그리드 밸런싱 및 상업 건물용 전기저장 장치 등에 전기 자동차용 전지의 재활용 방안은 매우 의미가 있을 것이다. 지속적으로 새로운 셀을 만드는 것보다 셀을 재사용하는 것이 환경적인 면에서 매우 매력적인 대안이 될 수 있다. 전지 팩의 기계식 설계를 단순화하면 재사용 가능한 모듈과 셀을 쉽게 추출할 수 있다. 이를 통해 재처리 비용을 줄이고 채택 가능성을 높일 수 있다. 마지막으로 전압, 전류 및 전지 상태를 정확하게 기록하고 시간 경과에 따라 성능을 수집할 수 있는 표준화되고 투명하고 충실도가 높은 BMS 데이터도 필요할 것이다. 5.3 전지 셀 추출 실현전기 자동차용 전지가 이차 수명용으로 성공적으로 상용화되는지 여부에 관계없이 전지는 결국 재활용해야 한다. 전지 팩은 일반적으로 사용 단계에 맞게 설계된다. 실란트, 접착제 및 기계적 구조는 주행가능 거리, 성능 및 안전성을 극대화하도록 맞춤화된다. 전지를 효과적으로 재활용하려면, 구조가 단순한 전지 팩을 설계하고, 재활용 불가능한 접착제와 실란트를 제거하며 간단한 자동화 공구(인간 노동이 아닌)를 사용하여 전지 팩의 기계적 분해를 가능하게 하는 것이 최우선 과제이다. 전기 화학반응에 의한 전지 발열의 요인에는 분극 현상에 의한 반응열, 저항에 의한 Joule 열, 그리고 엔트로피 열 등이 있다. 여기에서는 발생 열의 처리 혹은 극한 환경에서 전지 시스템 내부의 열 물성(비열, 전도도, 밀도 등)과 작동조건(충·방전 속도, 외부온도 등)의 영향을 효과적으로 대처하는 기술들이 필요하다. 리튬이온 전지팩을 안전하게 사용하기 위해서는 셀 제조 이후에도 전지 시스템 운영을 위한 배전 및 열관리, 보호 관리 등이 필수적으로 부가되어 전지의 안전성을 관리하여야 한다. 영국자동차협회에서 발간한 리튬이온 전지 보고서는 셀과 팩에 대한 로드맵에 대하여 리튬이온 전지의 셀 디자인, 전기분배 시스템, 열, 기계적, 팩 통합, 수명 사이클 및 모듈 및 팩의 수명 주기 등에 대한 로드맵으로 세분하여 기술 로드맵을 참고하면 관련 전지 관리기술에 도움이 되기를 기대한다.리튬이온 전지의 본격적인 대중화를 위해서는 전지팩 제조단가를 현재의 125$/kWh에서 2035년 1/2 이하 수준인 65$/kWh으로 낮추어야 한다. 이에 대한 대안으로 첫째, 비용량이 높은 양극 및 음극 소재 개발이 필요하다. 둘째는 현 리튬이온 전지 제조공정의 단순화 및 자동화를 위한 제조공정 혁신이다, 마지막으로, 사용 후 성능이 다소 낮아진 전지팩의 2차 활용과 관련 소재의 재활용이다. 이는 제조산업의 친환경 정책과도 잘 맞는 부분이다.정부는 2021년 7월, 2030 이차 전지 산업(K-Battery) 발전전략을 발표하였다. 리튬이온 전지 관련 기업들뿐만 아니라 산학연관 협력에 의한 기술개발의 장을 마련하고 있으며, 전지 산업 밸류체인 형성을 위하여 노력하고 있다. 한 분야에 명성과 신뢰를 쌓기는 어려워도 잃는 것은 한순간이다. 그동안 공들여 쌓은 리튬이온 전지의 국제적 선두자리를 잃지 않도록 모두 힘을 합하여 리튬이차전지 산업의 한계를 극복하고, 지속 성장하기를 바라는 마음이다. 주1) 리튬이온 이차 전지가 정식 명칭이지만, 본 원고에서는 리튬이온 전지(Lithum ion Battery: LIB)로 표기하였다.주2) 본 심층 보고서의 내용은 리뷰 자의 주관적 의견이고, 관련 회사의 공식 입장과 다를 수 있다.
편집 2022-06-12
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KIST-KOITA. 혁신기업 성장을 위해 역량 모은다

- 21일(목), 한국과학기술연구원-한국산업기술진흥협회 업무협약 체결- 기업의 혁신성장을 촉진한 기업 혁신성장 협의체 구성   한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 한국산업기술진흥협회(KOITA, 회장 구자균)와 4월 21일(목) KIST 서울 본원에서 혁신기업을 위한 업무협력 협약을 체결했다고 밝혔다.   KIST는 21일(목) 서울 성북구 KIST 본원에서 KOITA와 함께 양 기관 간의 혁신기업 성장을 위한 업무협약을 체결했다. (좌측) 마창환 KOITA 상임부회장과 (우측) 윤석진 KIST 원장이 협약서에 서명한 후, 기념촬영을 하고 있다.   두 기관은 이번 협약을 통해 혁신기업의 기술수명주기(EPKB)1) 분석을 통한 전략적 기술지원과 함께 인력·기술·인프라 등의 정보 교류로 혁신성장을 지원할 예정이다. 이와 함께 KIST의 축적된 우수한 연구역량을 활용하여 기업의 기술 애로 해결을 위한 채널을 확대하고 공동교육 프로그램 운영 등 산업계 기술혁신을 위해 노력한다고 밝혔다.또한 이번 협약식의 후속 사항으로, 두 기관은 「KIST-KOITA 기업 혁신성장 협의체」를 구성하고 기업의 혁신성장 촉진 사업을 기획, 운영하고 KOITA 회원사 대상 기술상담회 및 유망기술 설명회를 개최할 예정이다. 지속적인 사업추진을 위해 양 기관은 본부장급 이상 3명, 총 6명으로 구성된 협의회를 분기별 개최하는 안에 합의했다. KIST 윤석진 원장은 “KOITA와의 이번 협약을 통해 KIST의 우수한 기술을 산업계에 확산시키고, 산기협과 전략적 관계를 통해 산업계의 기술성장을 위해 지속적인 협력을 하겠다고”고 밝혔다.    
편집부 2022-05-11
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한국 유학생, 뉴질랜드서 해초 이용 혁신적 친환경 건축 소재 개발

- 해조류를 바이오 필러로 사용한 바이오 복합 벽 패널을 개발- 내화·습기 조절 기능이 있으며, 탄소 배출을 줄이는 혁신적이면서 저렴한 재료   뉴질랜드 캔터베리 대학교(University of Canterbury)에서 산업 디자인을 전공하고 있는 박민홍(앤디 박)씨가 해초를 이용한 혁신 건축 자재를 새롭게 개발해 뉴질랜드에서 주목받고 있다고 주한뉴질랜드대사관, 뉴질랜드교육진흥청(Education New Zealand)이 4월 8일 밝혔다.     박 씨는 학부 마지막 해 제품 디자인 프로젝트의 하나로 해조류를 바이오 필러로 사용한 바이오 복합 벽 패널을 개발했다. 이 친환경 보드는 내화·습기 조절 기능이 있으며, 건축 분야의 탄소 배출을 줄이는 데 도움이 될 혁신적이면서 저렴한 재료로 인정받았다.박 씨는 “현재 뉴질랜드에서 건축 산업은 전체 탄소 배출량의 20%를 차지한다. 건설 업계는 탄소 배출을 줄이면서도 더 많은 주택을 지어야 하는 도전에 직면해 있어 거의 모든 집에 석고 보드가 사용되는 점을 고려할 때 해초 보드는 탄소 배출을 줄이는 친환경적 대안이 될 수 있을 것”이라고 말했다.박 씨는 여러 번의 테스트를 거쳐 해초와 석고 간 최적의 혼합 비율을 파악했고, 초기 연구에서 해초 보드는 일반적인 석고 보드보다 습기를 더 잘 흡수해 집 단열과 습기 제거에 도움이 된다는 점도 알게 됐다. 특히 용광로 테스트에서는 해초 보드가 금방 녹아 없어질 것으로 예상됐으나, 1시간이 지나도 온전한 모습을 유지했다.해조류는 천연 난연제인 붕소를 함유해 발화 위험을 줄이고, 난연성을 높이며, 화재 시 소화 작용을 촉진하는 것으로 밝혀졌다. 또 해초가 시멘트와 결합되면 콘크리트 강도가 증가하며, 해조류와 그 주성분인 알지네이트도 열 안정성이 높으면서 열전도율이 낮아 화재 발생 시 보드가 분해되는 데 더 오래 걸리게 한다.     박 씨는 “해초는 수분을 흡수하고, 방출하는 능력도 인정받고 있으며 재활용할 수 없는 요소가 없어 기존 수동 방화 재료보다 더 친환경적인 대안”이라며, “해초 보드는 재활용해 비료로 사용할 수도 있다”고 말했다.완성된 해초 보드 제품은 사용한 해초의 종류에 따라 녹색, 적색 또는 갈색으로 색상이 달라질 수 있으며, 표면은 대리석처럼 광택을 갖고 있다. 박 씨의 연구, 설계 및 테스트는 아직 초기 단계에 있지만, 학생들의 혁신적 연구 프로젝트를 지원하는 캔터베리 대학교 혁신 점프스타트(UC Innovation Jumpstart)에서 가장 큰 상업적 잠재력을 인정받으며 2만 달러의 상금을 획득했다.해초는 하루에 0.5m씩 빠르게 자라며, 연간 약 1억7,300만 미터톤의 탄소를 격리할 수 있는 것으로 알려진다. 박 씨의 해초 보드는 해초를 이용한 혁신적이면서 새로운 건축 자재로써 환경 보호와 친환경 라이프에 관심이 큰 뉴질랜드에서 탄소 배출을 줄일 제품의 모범 사례로 자리 잡고 있다.   뉴질랜드 교육진흥청 본청 기사: https://newlook.enz.govt.nz/category/innovation/st...   출처: 주한뉴질랜드대사관  
편집부 2022-05-02
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나노 셀룰로오스의 응용분야와 최근 동향

1. 서론수억 년 전부터 지구상에 존재하고 있는 목재는 예로부터 인간의 생활에 녹아 들어가 너무 익숙해져 있었기 때문에 고기능 소재로서 잠재성은 생각되지 못했다. 그러나 21세기 들어 나노 Technology의 기술 발전과 함께 목재 구조를 현재의 눈으로 다시 조명하면서 첨단소재로서 가능성이 확인되었다. 가까운 중국, 일본을 비롯하여 풍부한 목재 자원 보유국들(북유럽 및 북미 국가 등)이 셀룰로오스 나노 섬유(CNF, Cellulose nano fiber)에 대한 세계기술 표준화의 우위에 서고자, 특허 출원, 제조 공정, 응용 분야 개발에 활발하게 경쟁하며 움직이고 있다. 국내의 경우 국립산림과학원, 울산과학기술원과 같은 연구기관에서 공정연구와 응용 분야 개발을 하고 있으며, 제지업체와 일부 벤처기업에서 양산화 공정과 제품개발을 진행하고 있다.나노 셀룰로오스가 나노 탄소(CNT, 그래핀) 등과 함께 나노 Technology의 중요한 미래 산업 소재로써 부각됨에 따라 기술 현황, 응용 분야 및 시장 전망을 정리해 보았다.2. 셀룰로오스 나노섬유(CNF, cellulose nano fiber)셀룰로오스는 식물 세포벽의 주성분이며 식물의 형태를 유지하는 역할을 한다. 나무, 섬유, 박테리아 등과 같이 생물이 기반인 물질로부터 얻을 수 있는 천연 고분자 물질이다. 셀룰로오스는 원재료로부터 화학적, 기계적, 생물학적으로 단독 또는 혼합방법으로 분해하면 단계적으로 크게는 마이크로피브릴 셀룰로오스(MFC)와 미세하게는 CNF를 제조할 수 있다. 그림 2에 원재료인 나무에서 CNF를 얻는 과정에 대한 단계별 모식도를 나타내었다.나무는 그 70%가 셀룰로오스류로 구성되고, 셀룰로오스들이 얽혀 다발이 되어 강한 세포조직을 만들고 있다. 셀룰로오스는 주로 종이의 원료인 펄프로 사용되어 왔다. 셀룰로오스는 나무 한 그루에서 하루에 약 10g씩 생산되며, 전 세계적으로 매년 약 1조 톤 이상이 생산되는 것으로 추정된다. 그림 3에 셀룰로오스의 구조를 나타내었다.셀룰로오스는 1개 탄소 원자와 4개의 탄소 원자가 b-glycoside 결합에 의해 연결된 anhydro glucose 단위의 천연 선형 고분자이다. 식물 세포벽에 약 36개의 개별 셀룰로오스 분자 사슬이 수소 결합에 의해 서로 연결되어 나노 셀룰로오스라고 하는 더 큰 단위를 형성한다. 이들의 직경은 5~50㎚이고 길이가 수 미크론(㎛)이며, 비결정성과 결정성 영역으로 나누어진다. 일반적으로 나노 셀룰로오스는 높은 기계적 강도, 강성, 넓은 표면적, 낮은 열팽창, 광학 투명성, 재생성, 생분해성의 특성을 가진다. CNF는 보통 36개의 셀룰로오스 사슬로 구성되어 있는 소섬유이며, 직경은 약 5∼20㎚ 범위이고 길이는 약 500∼2000㎚의 범위이다. CNF는 100% 셀룰로오스로 구성되어 있으며, 비결정과 결정영역을 포함하고 있다.고순도의 목분(木粉)이나 식물섬유를 고압 호모게지나이징(homogenizing) 및 리파이닝(refining) 방법에 의해서 CNF를 제조할 수 있다. 가능한 응용 분야는 바이오 나노 복합재료, 자동차 부품, 건축 소재, 다공성 소재, 종이와 기능성 필름, 기능성 첨가제, 코팅/페인트/접착제의 첨가제, 안료와 잉크 첨가제 등이 있다.3. 셀룰로오스 나노 결정(CNC, cellulose nano crystal)나노 셀룰로오스를 복합재료의 강화제로 사용하기 위해서는 셀룰로오스의 결정영역을 분리해야 한다. 대표적인 화학 처리 중의 하나로, 산(acid)이 셀룰로오스의 비결정(amorphous)영역을 제거하기 위해 사용된다.CNC는 산 가수분해 방법에 의해서 제조할 수 있는데, 비결정영역은 글루코오스로 가수분해되고 결정영역은 각각 분리되어 작은 크기의 막대 모양 나노 셀룰로오스를 형성하게 된다. CNC의 직경은 약 2∼20㎚, 길이는 50∼500㎚의 범위로 존재한다.CNC는 결정화도(crystallinity)가 CNF보다 높기 때문에 침상구조를 나타낸다. 응용 분야로는 뼈와 치아의 대체 의공학용 복합소재, 복합재료, 복합필름, 제약 및 약물전달제, 음식과 화장품 첨가제 등이 있다.나노 셀룰로오스의 구조와 특성은 제조 공정의 처리조건에 따라 영향을 받지만, 그 외에도 원료인 식물의 종류, 수령, 생육 당시 기후를 포함한 생장·토양 환경이 CNC와 CNF의 제조를 위한 원료의 구조 및 화학조성에 큰 영향을 미친다.CNC는 셀룰로오스 나노 위스커(cellulose nano whisker) 또는 막대형 셀룰로오스 미세결정(rod-like cellulose micro crystal)으로도 불린다. CNC는 천연 셀룰로오스의 강한 산 가수분해에 의해 생성되며, 유래 및 가수분해 조건에 따라 다른 형태를 띠게 된다. CNC의 형태와 크기는 현미경 관찰 및 광 산란 기법으로 측정할 수 있으며, 보통 직경 5~30㎚, 길이 100~500㎚(식물 유래) 또는 100㎚~수㎛(피막 식물 및 조류 셀룰로오스 유래)가 된다.4. CNF의 특성CNF는 경량, 고강도, 고탄성률, 낮은 선팽창률 등의 특징 외에 셀룰로오스 자체의 특징인 재생 가능한 자원, 생분해성, 생체적합성, 내 유기 용제성 등을 가지고 있다. CNF를 마이크로피브릴과 비교하면, 비표면적이 약 1,000배로 흡착성이 매우 향상되며, 나노 size이므로 기체 등의 유체와 접했을 때 압력손실이 상당히 작고, 섬유 직경이 가시광의 파장보다 짧기 때문에 빛을 난반사하지 않는다. 또한 섬유 고분자가 일렬로 배열되어 전기적, 역학적, 열적 물성이 우수하다. 더욱이 식물로부터 추출하기 때문에 거의 무진장한 지속형 자원이라고 할 수 있다. 표 1에 CNF의 주요 특성을 나타내었다.CNF의 용도 중 하나는 복합수지에 첨가하여 수지 재료를 강화하는 것이다. 표 2에 CNF와 다른 섬유 재료를 비교하였다. 유리섬유는 가격, 제조 등 온실가스 배출의 관점에서 다른 섬유 재료보다 유리하지만, 불연성이며 열적 복구가 어려워 재활용성에 문제가 있다. 탄소섬유, 아라미드 섬유는 표면 평활성에 문제가 있다. 한편 CNF는 다른 섬유 재료에 비해 재활용성이 높고 표면 평활성도 양호하기 때문에 보강용 섬유로서 높은 가능성을 가지고 있다.5. CNC의 특성결정화도가 높은 CNC를 복합재료에 첨가하면 재료의 강성과 강도가 늘어나므로 재료의 응력 저항을 3배 증가시켜 고성능 강화재료로 만든다. 또한 침투성, 유연성, 강도, 광학 특성을 변경시켜 종이와 같은 재료의 표면을 바꾼다. 그 밖에도 인장강도, 강성, 표면 평활성, 부피를 개선하여 새로운 용도의 용지 또는 도료 및 고강도 재료에 적합하다. CNC는 의약품의 불활성 충전제로도 사용된다.CNC는 수산기(-OH)가 풍부하고 비표면적이 크며, 높은 종횡비와 결정성, 그리고 우수한 기계적 특성과 열적 안정성을 갖는 등 고분자의 강화제로 유용하게 사용할 수 있는 다양한 특성을 가지고 있다.CNF와 CNC의 표면에 존재하는 -OH기는 친수성 고분자의 -OH와 수소결합을 하거나, 비극성 고분자와 물리적 결합을 형성할 수 있는 작용기로서 반응 공간을 제공하여, CNC와 고분자 사이의 3차원적 network 구조를 형성하여 나노 복합재료의 연신 저항을 향상시키고 강도를 강화하는 효과와 배리어 특성을 크게 향상할 수 있다.또한 복합재료에서 강화재와 고분자 matrix 계면에서의 상호작용 및 결합력은 강화재의 비표면적에 따라 증가될 수 있다. 나노 물질인 CNC의 비표면적 경우 100㎡/g 이상으로 추정되며, 이 비표면적에 의해 고분자 사슬의 mobility를 효과적으로 감소시켜 기계적 열적 특성을 향상시킨다. CNC의 높은 결정성은 그림 3에 나타난 바와 같이 셀룰로오스의 기본 화학구조에 기초하고 있으며, 각 글루코오스 단량체가 셀룰로오스 분자 사슬에서 광범위하게 수소결합을 할 수 있는 3개의 수산기를 가지고 있어 매우 견고한 셀룰로오스의 다발(결정구조)을 형성한다. CNC의 결정구조에서 사슬 간의 수소결합은 일반적인 유기용매나 물이 쉽게 침투할 수 없으나, 셀룰로오스 나노섬유의 비결정영역에서는 셀룰로오스 사슬이 견고하지 않고 서로 떨어져 있기 때문에, 물과 같은 다른 분자들과의 상호작용이 가능하다. CNC의 표면은 수산기에 의해 친수성을 나타내지만, 결정영역은 물 분자와 결합력이 CNC 표면과는 다르기 때문에 복합재료에서 물의 흡수를 감소시킨다.이러한 특성에 따라 다른 친환경 바이오 원료인 PLA, TPS, PHA에 비하여 높은 결정화도로 우수한 가스 배리어성을 가지며, 결정구조에 의한 경도도 상당히 증가시킬 수 있다. CNC의 결정영역에서 셀룰로오스 사슬 간 수소결합은 복합재에서 향상된 경도 및 강도 부여에 큰 역할을 하며, 최대 145GPa의 탄성률과 150GPa의 높은 young률을 갖는 것으로 보고되었다. 이러한 CNC의 물리적 특성은 수소결합에 의한 셀룰로오스 분자 사슬의 규칙적인 배열에 의한 결과에 따른 것이다. 더욱이 CNC의 높은 결정구조는 셀룰로오스 분자 사슬이 수소결합에 의한 안정화를 통해 규칙적이고 높은 밀도로 배열되어 있기 때문에, 열 안정성에도 영향을 미친다. 셀룰로오스의 3차원적 결정구조 형성은 결정구조 내 분자 사슬 간 수소결합이 고온에서 쉽게 분해되지 않기 때문에 용융을 방지하여 열적 안정성이 높다. 고분자 matrix에 CNC를 첨가할 경우 CNC의 분해가 일어나는 200℃ 미만까지는 고분자 물질의 열팽창 감소와 빠른 열 방출에 도움을 줄 수 있다.6. CNF의 제조 방법CNF를 나노 size까지 미세하게 분리할 때 이상적으로는 마이크로피브릴(셀룰로오스 분자의 수~수십 가닥 다발)을 손상 없이 그대로 빼내는 것이 바람직하다. 그러나 마이크로피브릴은 헤미셀룰로오스(hemicellulose)나 리그닌(lignin) 등의 다른 세포벽 성분과 함께 복잡한 다층 구조를 가진 섬유 벽을 형성하고 있기 때문에, CNF를 분리하기 위해서는 우선 셀룰로오스를 정제 처리(화학적 또는 효소적 전처리)한 다음 기계장치 등을 이용해 해섬처리 해야 한다. 표 3에 다양한 해섬처리 방법(CNF의 제조법)을 나타내었다. 해섬처리는 크게 나누어 기계적(물리적) 및 화학적 처리의 2종류가 있다. 그 밖에 초산균 등의 박테리아를 이용해 생물적으로 셀룰로오스를 합성하는 생물적 합성 방법도 있다.CNF는 일반적으로 기계적 처리에 의해 제조된다. 하지만 나노 셀룰로오스 원료인 목재 또는 비목재 바이오매스는 셀룰로오스 외에 헤미셀룰로오스와 리그닌과 같은 물질이 서로 단단하게 결합한 구조로 되어 있기 때문에, 이 구조들을 효율적으로 파쇄하기 위해 다양한 전처리 방법들이 제안되었다. 소규모 단위에서 가장 많이 사용되는 장비는 그라인더(grinder)이다. 그라인더는 빠른 속도로 회전으로 원심력과 숫돌(grinding stone)에 의한 전단력과 마찰력이 작용하여 해섬하게 된다.하지만 기계적 처리만으로는 대량 생산이 어렵고 에너지가 많이 소모되는 문제가 있다. 이를 보완하기 위하여 기계적 처리를 하기 전에 산 또는 효소로 셀룰로오스 섬유를 가수분해하거나, TEMPO 촉매 산화법(TEMPO-mediated oxidation) 또는 카르복실메틸화(carboxymethylation)를 사용해서 섬유의 피브릴화를 촉진시키는 전처리를 하기도 한다. 이 방법들을 연계하여 사용한다면 기계적 처리에 사용되는 에너지를 크게 줄일 수 있다.7. CNC의 제조 방법셀룰로오스는 결정과 비결정영역으로 구성되어 있다. CNF에 산(acid)을 가하게 되면 하이드로늄 이온(H3O+)은 촘촘한 결정영역보다 상대적으로 분자가 덜 규칙적으로 배열된 비결정영역에 침입하기 쉽다. 비결정영역의 셀룰로오스 사슬 사이에 들어간 H3O+는 글리코시드 결합(glycosidic bond)의 가수분해를 촉진한다. 따라서 시간이 흐를수록 비결정영역은 점차 제거되어 결정영역만 남게 된다. 이때 남은 결정영역이 CNC가 된다.지금까지 CNC를 만들기 위해 염산, 황산, 인산, 질산 등 다양한 강산들이 사용되었지만, 그중에서 황산이 보편적으로 사용된다. 이는 황산으로 만들어진 나노 결정이 다른 강산으로 만들어진 나노 결정에 비해 서로 응집하지 않고 물속에서 분산이 잘되기 때문이다. CNF에 황산을 가하면 CNC 표면에 있는 -OH기의 일부가 황산과 ester화 반응하여 음전하를 띠는 sulfate ester group(-SO3-)으로 바뀌게 된다. 따라서 CNC의 표면은 음이온층이 형성되고 각각의 입자들이 서로 반발하여 물속에서 분산이 잘되고 안정한 상태로 존재할 수 있다. CNC의 구조와 물성은 원료물질의 종류에 따라 결정되지만, 산 가수분해 과정에서 쓰이는 산 농도, 가수분해 온도, 시간에 따라서도 크게 바뀔 수 있다. 산의 농도가 너무 높거나 오랫동안 가열하면 셀룰로오스가 완전히 단당류 형태로 분해되며, 산의 농도가 너무 낮거나 짧은 시간 동안만 가수분해하게 되면 비결정영역이 모두 제거되지 못하고 섬유들끼리 서로 응집하는 현상이 발생한다.가수분해가 끝난 현탁액에는 물에 녹아있는 분자들과 산이 존재하기 때문에 필터와 원심분리기를 사용하여 여러 번 세척하며, 이 과정은 보통 pH가 중성이 될 때까지 계속해야 한다. CNC가 완전히 분산되어 있지 않은 경우, 초음파분쇄기 혹은 호모게나이저를 통하여 완전히 분산된 현탁액을 만든다. 분산된 현탁액은 박테리아에 의한 오염을 막기 위해 클로로포름을 몇 방울 넣고 냉장고에 보관한다. 산 가수분해 외에도 셀룰라아제(endoglucanases, exoglucanases, cellobiohydrolases)를 이용해서 CNC를 얻을 수 있다. 셀룰라아제는 특이하게 셀룰로오스의 비결정질 영역을 가수분해할 수 있기 때문에, 산 가수분해보다 CNC를 덜 부식시켜 높은 수율의 나노 결정을 얻을 수 있으며, 더욱이 환경친화적이다. 또한 이온성 액체(ionic liquid)를 통해서도 나노 결정을 얻을 수 있다고 보고되고 있다.8. CNF/CNC의 일반 응용 및 적용 분야8.1 종이 관련 용도8.1.1 지력(紙力) 증강제현재 나노 셀룰로오스의 용도로 가장 많이 사용되는 것은 종이에 첨가하는 것이다. 종이에 강도를 부여하기 위해 첨가되는 지력 증강제로, 종이의 흡수성을 조절하여 잉크 번짐을 방지하는 사이즈제로 사용되고 있다. 특히 골판지에서는 강도 향상에 의한 박막화로 골판지를 경량화하거나 골판지 표면의 잉크 부착성을 좋게 하여 인쇄 디자인성을 좋게 하고 있다. 일본에서는 화장실 클리너 시트(화장지)에 나노 셀룰로오스를 첨가하여 기존의 제품보다 찢어지지 않는 내인성(耐靭性)을 향상시킨 제품이 발매되고 있다. 사용한 후 화장실에 흘려보낼 경우 기존 제품과 같이 물에 녹는 성질은 유지된다.8.1.2 스피커 진동판에 적용 특수 종이 분야에서도 CNF가 사용되고 있다. 가장 제품화 예가 많은 것은 종이 또는 플라스틱으로 만들어진 스피커의 진동판에 CNF를 첨가하여 기계적 강도를 올리는 것으로, 지력(紙力) 증강제의 용도와 유사하다. 이전부터 고사양 스피커의 진동판에 CNF를 사용해왔지만, 최근 일반 오디오 기기까지 확대되고 있으며, 진동판의 강도를 향상시킴으로써 중저음을 중심으로 한 고음질화를 도모하고 있다.8.1.3 종이 기저귀 등에 항균성 부여나노 셀룰로오스는 비표면적이 크고 표면에 많은 관능기를 가지고 있다. 특히 종횡비가 큰 TEMPO CNF(TOCNF)는 특히 비표면적이 크고, 표면에 카르복실나트륨염(-COONa)이 고밀도로 존재하며, 수용액 중에 분산되어 있기 때문에 금속 나노입자의 담지체로서 최적이고 높은 촉매활성이 기대된다. 금속 나노입자는 비표면적이 매우 크고, 양자 size 효과에 의해 일반 크기의 금속보다 활성이 높은 것으로 알려져 있다. 양자 size 효과는 나노입자의 직경을 수 ㎚~20㎚로 했을 때 전자가 그 영역에 갇혀 전자의 상태밀도가 분산되고, 전자운동의 자유도가 극단적으로 제한되어 나노입자의 운동에너지가 증가하는 것이다. 고활성 금속 나노촉매는 매우 불안정하기 때문에 담체에 고정시켜야 하는데, 고분자 수지로 고정할 경우 금속 나노촉매가 수지에 의해 덮여 버려 촉매활성 능력이 저하된다. 한편 분산성이 높은 TOCNF 표면의 카르복실기를 접점으로 금속이온과 교환반응하여 적은 중량으로 대량의 금속 나노촉매를 고정화할 수 있다. 게다가 고정화된 금속 나노촉매를 기점으로 결정을 성장시키면 금속 나노입자를 그 자리에서 합성할 수 있어 나노 셀룰로오스의 결정 표면에 보다 많은 금속 나노촉매를 분산하여 담지하는 것이 가능하다.은 이온은 항균성이 있기 때문에 분뇨를 분해하여 악취물질을 생산하는 미생물의 증식을 억제할 수 있다. TOCNF에 나노화된 은 이온을 담지하면 기존의 담체에 비해 단위 무게당 은 이온의 양이 많고, 활성이 높은 탈취 시트를 만들 수 있다. 나노화된 은 이온인지 확실하지는 않지만, 은 이온을 TOCNF에 담지한 탈취 시트가 성인용 기저귀와 팬티 라이너에 사용되고 있다. 또한 물의 전기분해에 촉매 작용하는 TiO2를 나노화하여 나노 셀룰로오스 위에 담지함으로써 태양광과 물을 사용하여 수소를 생산하기 위한 연구도 진행되고 있다.8.1.4 종이 base의 고강도 소재 Vulcanized fiberCNF를 사용한 종이 base의 고강도 소재가 vulcanized fiber이다. 종이를 약품 처리하여 셀룰로오스를 나노 수준까지 해섬하고, 그것을 견고하게 묶은 시트, 롤 형태의 CNF 고형물이다. 강인성, 절연성, 생분해성, 가공 용이성을 가져 표면 처리, 도장이나 접착이 가능한 특징을 가진다. 공업용 소재로 전기절연 재료나 연마 디스크 재료 및 일반 소비재로 트렁크, 악기 케이스, 배달 상자, 검도 방어구 등의 상품이 시판되고 있다.8.2 플라스틱, 고무, 도료에 첨가8.2.1 CNF를 첨가한 플라스틱 복합재료고강도, 경량으로 생분해성이 있으며 재생 가능한 특성을 가지는 CNF를 플라스틱에 섞어 복합재료를 만들기 위한 연구가 많은 곳에서 진행되고 있으며, 다양한 종류의 샘플이 나오고 있다. 일본의 경우 경량·고강도 복합재료를 자동차, 가전, 주택용 부품에 사용하기 위한 연구개발을 하고 있으며, 2019년에는 이 부품을 적용한 콘셉트카가 도쿄 모터쇼에 출품되어 주목받았다. 2020년 4월 기준 샘플 또는 시제품으로 출시된 복합재료는 다음과 같다.이와 같이 주요 플라스틱과 복합재료가 가능했지만, 그 물성 데이터나 가격 정보는 거의 공개되지 않았다. CNF를 혼합하여 성능을 향상시키더라도 가격이 맞지 않다면 실용화는 어려울 것이다. 특히 고강도화를 목표로 하는 경우, 이미 실용화가 되고 있는 탄소섬유나 유리섬유 강화 플라스틱과 경쟁이 되기 때문에 CNF 가격에 따라 실용화의 가능성이 정해질 것이다.상품화된 예로서, CNF를 함유한 수지를 런닝 슈즈의 미드솔(midsole)로 사용, 기존 대비 55%를 경량화하고 내구성을 유지하였으며, 탁구 라켓의 합판에 CNF를 함침 처리하여 나무의 반발력을 향상, 또한 CNF와 펄프 섬유를 고 배합시킨 시트상 성형체를 사용한 라켓으로 고반발력 및 낮은 진동 특성을 구비하였다.8.2.2 식품 포장 필름·용기로의 적용목재에서 추출된 셀룰로오스는 물에 녹지 않으며, 절반 정도가 결정구조를 하고 있다. 셀룰로오스 섬유를 해섬하여 얻은 CNF 단섬유는 수중에서 균일하게 분산하지만, 농도가 높아지면 단섬유가 자기 조직화하며 스스로 배향하는 특성이 있다. 이러한 특성에 의해 TEMPO 산화 CNF나 인산 ester화 CNF로 만든 필름은 단섬유가 결정구조로 적층된 치밀한 구조를 하고 있어 높은 가스 배리어성을 나타낸다. 또한 섬유 직경이 작고 가시광을 산란하지 않기 때문에 필름은 투명하다. 이러한 필름 특성에 의해 식품 포장용 필름으로 여러 곳에서 연구개발이 진행되고 있다. 한편, CNF는 친수성이기 때문에 높은 습도 조건에서는 가스 배리어성이 저하되어 버리므로, 나노 클레이(clay)나 운모 등의 층상 무기 입자와 복합화하거나, 물에 내성이 있는 다른 소재와 적층화하여 산소 배리어성을 유지하는 연구가 진행되고 있다. CNF와 층상 무기 입자로 이루어진 필름은 투명하고 산소를 통과시키지 않기 때문에 식품이나 의약품용 고기능 포장재료로서 용도가 기대된다.8.3 화장품 재료로의 용도CNF의 특성에 의하면 화장품, 의약 외품 및 세제에서 증점제, 분산 안정제, 유화제로써 사용될 것으로 예상되지만, 아직까지 적용된 제품이 많지 않다. 그 이유로 가격 상승 대비 효과가 미미한 수준이라는 의견이다. 향후 가격대가 비교적 높은 화장품 용도로의 적용이 먼저 기대되며, 사용될 경우 셀룰로오스, 결정 셀룰로오스, 셀룰로오스 gum의 형태로서 각 성분의 내용과 배합 목적은 아래의 표 4와 같다.CNF는 셀룰로오스나 셀룰로오스 gum에 비해 thixotropy성이 높을 것이다. 게다가 CNF 중에서도 TEMPO 산화 CNF는 섬유 직경이 미세하고 균일하여 수분산체(gel)가 투명하고 thixotropy성이 높기 때문에 gel임에도 불구하고 스프레이가 가능하다. 현재 CNF 및 CNC가 포함되어 있다고 발표된 화장품은 아직 없으며, 한편 카르복실메틸화 CNF(CM화 CNF)는 카르복실메틸 셀룰로오스와 동일한 것으로 취급되어 성분명은 셀룰로오스 gum으로 표시된다. 8.4 식품(첨가물) 분야로의 용도 박테리아 유래 CNF 이외의 CNF를 사용하는 경우, 식품 첨가물로써 이용이 가능하다. 식품 첨가물은 식품의 제조 과정 또는 가공·보존의 목적으로 사용되는 것으로 현재 일본에서 식품 첨가물로 사용되는 셀룰로오스는 아래의 표와 같은 9종이다.8.5 건설·토목 분야로의 용도CNF의 건설·토목 분야에 적용한 예로서 콘크리트, 생(生)콘크리트 압송용 선행제, 석고의 3가지가 있다. 첫 번째 효과로 콘크리트에서 응고하기 전에 콘크리트 제형의 재료 분리 및 bleeding을 방지하는 것이다. Bleeding은 콘크리트 타설 후 무거운 골재나 시멘트는 침하하고 가벼운 물이나 미세물질(불순물)이 표면에 떠오르는 현상으로, CNF를 2% 정도 첨가하면 재료의 분리나 bleeding을 막는다고 한다. 이는 응고 전의 분산체 중에서 CNF가 network 구조를 만들고 점도가 상승하여 분산성이 유지되기 때문으로 추정된다. 두 번째 효과는 시공 후의 강도 향상으로, CNF와 CNC가 검토되고 있으며, CNC를 1% 정도 첨가하여 콘크리트의 보강 효과를 얻을 수 있었다는 보고가 있다. 미국에서는 CNC를 첨가한 콘크리트로 다리가 시공되고 있다. 세 번째 효과는 유동성 개선으로, 공장에서 콘크리트 믹서 차량에 의해 운반된 레미콘은 펌프를 사용하여 시공장소로 흘러 들어가며, 펌프로 압송하기 위해서는 콘크리트에 유동성이 필요하다. 콘크리트에 물의 첨가량을 늘리면 유동성은 높아지지만 재료 분리나 bleeding이 일어나기 쉬워지는데, 여기에 CNF를 첨가하면 thixotropy성이 부여되어 압송 시에만 콘크리트의 유동성을 올릴 수 있다. 이와 같은 원리로 생콘크리트 압송용 선행제가 상품화되어 있다. 그 외에도 CNF는 시멘트의 수화반응을 촉진하는 효과와 황산염에 의한 콘크리트의 열화현상, 즉 황산나트륨 수용액이 콘크리트에 접하면 나트륨이온이나 황산이온이 점차 콘크리트에 침투하여 콘크리트를 팽창 파괴하는 현상을 막는 효과도 있다고 한다.9. CNF/CNC 첨단기술 분야로의 실용화 및 기술 예9.1 가스 분리막에 적용결정화도가 높은 나노 셀룰로오스를 적층하면 치밀한 막을 만들 수 있지만, 단지 이것만으로 막의 미세 기공을 제어할 수는 없다. 3차원 다공질 재료인 유기 금속 구조체(MOF: Metal Organic Framework)와 나노 셀룰로오스를 결합하여 선택성이 높은 가스 분리막을 개발한 예를 소개하고자 한다.MOF는 미세 기공 구조, 비표면적을 임의로 설계할 수 있기 때문에 MOF와 합성 고분자의 복합 막을 가스 분리막으로써 사용하는 연구가 진행되어 왔으나, 합성 고분자는 비극성, MOF는 고극성이기 때문에 두 종류 막의 계면에서 가스 누출이 일어나 실용적인 가스 분리 성능을 얻을 수 없었다. TEMPO 산화 CNF는 표면에 카르복실나트륨염(-COONa)이 고밀도로 집적된 구조를 가지고 있으므로, 이 카르복실기에 MOF의 일종인 ZIF-90의 중심 금속인 아연(Zn)을 이온 교환으로 도입하여 이미다졸 리간드로 연결하여 결정 성장시키면 큐브 형태의 나노 다공체 MOF를 그 자리에서 합성할 수 있다. 이 복합체를 여과지 위에 제막한 결과, 이산화탄소(CO2) 분자는 통과시키고 메탄(CH4) 분자는 통과하지 않는 선택적인 가스 분리 특성을 나타내었다. 덧붙여 CO2의 분자경은 0.33×0.46㎚, CH4의 분자경은 0.38×0.38㎚로 알려져 있다. 이 가스 분리막은 높은 가스 배리어성을 갖는 나노 셀룰로오스 막에 MOF로 나노 size의 기공을 뚫은 구조이다. 또한 MOF의 결정핵을 나노 셀룰로오스에서 합성한 것과, MOF와 나노 셀룰로오스 모두 극성이 높은 재료이기 때문에 궁합이 잘 맞아 계면에서 가스 누출이 크게 억제된 것으로 추정된다.9.2 리튬이온 전지(LiB)의 Separator에 적용리튬이온 전지는 리튬이온이 양극과 음극 사이를 이동하여 충·방전을 하는 충전식 전지로 에너지 밀도가 높아 고전압을 얻을 수 있어서 휴대폰, 노트북, 하이브리드 자동차, 전기 자동차, 기타 산업 용도에 널리 사용되고 있다. 양극, 음극 및 전해질 재료는 제조업체에 따라 다르지만, 일반적으로 양극에는 리튬 전이금속화합물, 음극에는 흑연, 전해질에는 유기용매와 리튬염이 사용되고 있다. 양극과 음극 사이에는 separator 막에 의해 물리적으로 분리되어 전지가 고온이 될 경우 리튬이온의 흐름을 멈추는 기능을 가지고 있다. 이 separator 재료로서 CNF를 사용하는 연구가 진행되고 있다. 양극에 스피넬(spinel) 구조의 망간산 리튬(LiMn2O4)을 사용한 리튬이온 전지는 가격이 싼 반면, 열화가 빠른 단점이 있다.원인 중 하나는 양극에서 망간 이온의 용출과 음극에서 산화 망간으로의 산화가 일어나기 때문이다. 이에 따라 리튬이온은 쉽게 투과시키는 반면, 망간 이온은 투과할 수 없는 separator 개발이 이루어지고 있다. CNF는 표면에 다수의 관능기를 가지고 있어 화학적 가공이 용이하며 미세 기공의 제어도 가능하다. 따라서 CNF를 사용한 separator 연구가 시작되었고, 용출된 망간 이온은 CNF 막의 표면에 포착되어 음극 쪽으로 침투하지 않는 것이 확인되었다.9.3 바이오 센서(Bio sensor)에 적용CNF 하이드로겔(hydrogel)은 다양한 물질을 3차원으로 조립할 수 있다. 하이드로겔과 CNT, 폴리아닐린, 은 나노 입자 등의 도전성이 있는 재료를 복합화하여 바이오 센서, 바이오 액츄에이터(actuator), 나노 발전 디바이스 등을 만드는 연구가 진행되고 있다. 여기서 하이드로겔을 사용한 바이오 센서의 연구 예를 살펴보자. 과산화수소는 많은 산업계에서 사용되면서 그 유해성이 보고되고 있어 정확하고 신속하게 측정할 필요가 있다. 박테리아 나노 셀룰로오스를 황산으로 분해한 위스커와 다층 카본나노튜브(MWCNT)의 복합필름을 만들고 여기에 마이크로퍼옥시다아제-11(MP-11) 효소를 결합시켜 과산화수소의 농도를 정확하게 측정하는 센서를 제작했다. MWCNT에 박테리아 나노 셀룰로오스를 첨가하면 효소가 결합하기 쉬워지기 때문에 이 센서에서는 0.1~250㎛ 범위에서 과산화수소를 측정할 수 있어 기존의 센서보다 검출 하한 농도가 낮아진다.다음으로 CNF 하이드로겔에 아크릴산, 아크릴아미드, 염화나트륨을 복합화한 센서에 대해 살펴보면, 이 gel은 당기면 전기저항이 변하므로 신장(伸長) 센서로 사용할 수 있다. 이것을 장갑이나 몸에 장착하여 인간의 몸의 움직임을 전기신호로서 검출할 수 있는 것이 확인되었다. 그 밖에도 하이드로겔과 도전성 재료를 조합한 새로운 전자 디바이스의 연구가 활발히 이루어지고 있다.9.4 국내 연구기관의 개발 동향국립산림과학원과 울산과학기술원 등은 단독 또는 공동으로 다음과 같은 연구를 진행하고 있다. • LiB 용 CNF 양극 집전체 연구: CNF/CNT/양극활물질의 일체화 연구• LiB 용 CNF 음극 집전체 연구: CNF/CNT/음극활물질의 일체화 연구• 전지 소재 일체화에 의한 종이 전지 제조 기술 개발• CNF를 이용한 인공골과 지형제 제조 및 특성 평가• 전기방사를 이용한 PLA/CNC 복합매트 연구• HPC/TEMPO-산화 처리된 CNF 적용 복합필름 기계 열특성 연구• 약물 전달 시스템 적용을 위한 CNCs 강화 PVA 기반 Hydrogel10. 국내외 CNF/CNC 제조업체 동향10.1 국내 제조업체 동향10.2 일본 제조업체 동향10.3 중국 제조업체 동향10.4 기타 해외 제조업체 동향11. CNF 세계 시장 규모2020년 CNF 세계 생산량은 샘플 공급을 포함해 57톤에 이르며, 2021년은 57~60톤, 출하금액은 53억 7,500만 엔으로 전망된다(야노경제연구소 추정). 현재 CNF는 기능성 첨가제나 수지 강화재로서 주로 사용되며, 최종 제품으로 사용량 그 자체가 크지 않고, 시장에서 널리 전개되고 있는 메이저 제품의 사용이 없기 때문에 CNF를 사용한 제품의 판매량은 제한적이다. 용도별 적용 상황을 보면, 기능성 첨가제 용도는 투명성이나 증점 효과, 분산 안정성, 유화 안정성, thixotropy성 등 다른 재료에는 없는 CNF만이 가능한 특성이 채용 기업으로부터 평가되고 있어 CNF를 선택하는 이유는 비교적 명확하다. 그리고 소량 첨가로도 높은 효과를 얻을 수 있기 때문에 기존 제품과의 가격 차에도 불구하고 채용 예는 꾸준히 늘고 있다. 하지만 아직까지 유리섬유나 무기 필러 등에 비해 가격이 높아 채용이 확대되지 않는 요인의 하나가 되고 있다또 다른 시장 전망치로, 글로벌인포메이션은 나노 셀룰로오스 시장 규모는 2021년 3억 4,600만 달러에서 CAGR 22.7%로 성장하여, 2026년에는 9억 6,300만 달러에 이를 것으로 전망했다. 환경문제에 관한 관심의 증가와 최종 제품개발에서의 지속 가능성을 요구하는 시장의 움직임이 시장 수요를 높일 것으로 보고 있다. 더욱이 자원 한계가 증가함에 따라 바이오 기반 제품에 대한 수요로 전환되고 있으며 나노 셀룰로오스 시장에서의 중요한 견인차 역할을 하고 있다.한편 나노 셀룰로오스 재료가 사람의 건강과 환경에 미치는 영향을 정밀하게 조사하기 위해 나노 셀룰로오스 기반 제품의 상업화를 위해서는 규제 당국의 승인을 받아야 한다. 캐나다와 일본에서는 규제 정책이 재구축되었으나, 일련의 정책이 전세계에서 답습되기까지는 아직 갈 길이 멀다. EU 법률은 특히 나노 셀룰로오스 기반 재료에 대한 해석이 다양하며 향후 몇 년간 그 규제가 변경될 가능성도 있다. 유럽 여러​​국가의 현재 법률과 관련된 불확실성은 새로운 재료의 개발에 제약이 될 수도 있을 것 같다.12. 맺음말CNF는 식물 유래의 친환경 소재로서 탄소 감소를 위해서 매우 중요한 재료이며, 높은 재활용성을 가지고 순환형 사회의 실현에 기대가 되는 재료이다. 제조에 소요되는 에너지 비용에 따른 높은 가격으로 인해 아직 산업계 응용 분야에 활발한 적용은 되고 있지 않으며, 또한 양산설비의 규모가 소비 예측을 따라갈 정도로 구축되어 있지 않다.하지만 발굴된 새로운 소재로서 꾸준한 공정개발과 적용제품 개발을 위한 기초 및 응용연구가 관련 국가에서 경쟁적으로 이루어지고 있고, 더욱이 나노 technology의 발달에 편승하여 새로운 소재가 계속 등장할 것으로 기대된다.
편집부 2022-04-13
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사출 성형품에 나타날 수 있는 트러블의 종류와 해결 방법

자료제공: 우진플라임 기술교육원 / 교수 한선근※ 2020년 10월부터 2021년 1월호까지 연재되었던 자료 이후 빠진 부분이 있어서 이어서 게재합니다. < 성형품에 나타날 수 있는 불량의 종류 >사출성형품에 나타날 수 있는 불량의 수는 점차 늘어나고 있으며, 새로운 수지의 출현으로 현장에서는 더욱더 생산에 어려움이 발생하고 있습니다. 아울러 불량의 원인 파악이 힘들어지고 있어 정보의 공유가 필요할 것 같습니다. 불량의 명칭, 즉 원인이 다양한 인자에 의하여 발생하기에 정보의 수집이 다양한 방법으로 필요할 것 같습니다.15) Diesel Effect(탄흔)수지의 흐름이 캐비티의 끝단이나 중간에 Gas나 Air가 모이는 부분에서 고압과 고속에 의하여 발생 또는 원재료의 첨가제에 의하여서도 발생 16) Glossy spots(광택 불량, 반짝이)성형품의 광택도가 높거나 낮은 것을 말하는 것으로 성형품의 부식 면이 부분적으로 광택의 차이가 다른 것을 광택 불량이라고 합니다.17) Color Streak(색줄)제품의 외관에 다른 줄이 나타나는 것입니다.18) Demolding Problem(취출 불량)성형품의 표면에 Ejector pin 자국이 나타나거나 구멍이 발생하여 성형품에 손상이 가해지는 것이 눈으로 보이는 것을 말합니다.
취재부 2022-04-06