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한국화학연구원, 대량의 황폐기물 활용법 찾았다… 황 신소재 개발 성공

작성자 : 편집부 2019-09-16 | 조회 : 1521

- 신축성, 자가치유 등 다기능성 소재 개발… 웨어러블 전자소자․적외선 광학소재 응용 기대

원유 정제과정에서 나오는 대량의 황폐기물이 환경문제로 떠오르고 있는 가운데, 국내 연구진이 황을 기반으로 한 신소재를 개발하는 데 성공했다.

전 세계적으로 연간 황 생산량 6,800만 톤 중 5%(340만 톤)가량*이 폐기물로 축적되고 있으나, 마땅한 처리방법이 없는 상황이다. 국내의 경우 중국에 황폐기물을 수출하고 있지만, 중국의 정유산업 고도화로 인해 수출량이 줄어들 것으로 예상된다.

* 자료출처: 유황의 유효 이용과 미래전망, CMC Research, 2014

이에 전 세계 연구진이 황폐기물 활용 해법으로 황을 기반으로 하는 신소재 개발에 나섰지만, 물성이 떨어지는 탓에 번번이 상용화 문턱을 넘지 못했다.

한국화학연구원 김용석 고기능 고분자연구센터장은 “향후 중국의 정유 산업 고도화로 황 수입이 급감하면 국내에 대량의 황 폐기물이 축적될 가능성이 있다”라면서, “석유화학 부산물인 황을 활용한 고부가가치 화학소재 개발이 시급하다”고 말했다.

이러한 가운데 한국화학연구원 김용석‧김동균 박사 연구팀이 황 기반의 다기능성 고분자 신소재를 개발했다.

한국화학연구원 연구진이 이번에 개발한 황 기반 소재 필름을 들여다보고 있다.

(왼쪽부터 김용석 박사, 이지목 박사과정 학생연구원, 김동균 박사)

이 신소재는 신축성이 뛰어나고, 스스로 원래 상태로 회복하는 자가치유 특성이 있는데 다, 적외선을 투과할 수 있어서 웨어러블 전자소자나 적외선 카메라 렌즈 등에 응용할 수 있을 것으로 기대된다.

이번에 개발한 신소재를 실험한 결과, 필름 형태의 소재 양 끝을 잡고 당길 때 길이가 늘어나는 비율인 연신율이 300%에 달하고, 신소재에 흠집을 내고 자외선을 조사한 지 5분이 지나자 자가 치유되는 것으로 확인됐다.

또한, 한 번 사용한 황 고분자 소재를 버리지 않고 다시 쓸 수도 있다. 잘게 부서진 필름 형태의 소재를 고온에서 강한 압력으로 찍어내는 프레스 공정을 통해 원래 상태로 재활용할 수 있기 때문이다.

이에 대해 한국화학연구원 김동균 박사는 “이 같은 특성을 활용하면 웨어러블 전자소자나 적외선 광학 소재뿐만 아니라, 고부가가치 응용범위를 획기적으로 넓힐 수 있다”고 설명했다.

황 신소재 합성 공정

한국화학연구원 연구진은 황과 파라-디아이오도벤젠에 실리콘 오일을 첨가한 후 가열해 용융된 황과 파라-디아이오도벤젠을 얻었다. 이후 230℃에서 재가열한 후 질소가스를 흘려 넣어 효과적으로 요오드(I2)를 제거했다. 끝으로 처음에 첨가한 실리콘 오일을 제거하고, 황 고분자만 얻어냈다.

한국화학연구원 연구진은 황에 파라-디아이오도벤젠을 첨가하는 방법으로 다기능성 황 기반 고분자 소재를 합성했다. 연구진은 황과 파라-디아이오도벤젠 용융중합(단위분자를 고온에서 녹여(용융) 중합(연결)하는 고분자 합성법) 시, 실리콘 오일을 소량 첨가해 황 함량을 조절했다. 이를 통해 황 고분자의 연신율(신축성)을 150~300%까지 조절하는 것은 물론이고, 자외선을 이용한 자가치유, 적외선 투과, 재가공 특성 등 다양한 기능을 가질 수 있게 됐다.

황 신소재의 신축성·자가치유·재가공 특성

이번에 개발한 황 신소재의 끝을 잡아당겼더니 원래 길이의 3배까지 늘어났으며, 3분 이내 처음 형태로 회복됐다.(왼쪽/신축성 관련 실험)

황 신소재 표면에 흠집을 낸 후 자외선을 조사한 지 5분이 지나자 흠집이 사라졌다.(가운데/ 자가치유 실험)

잘게 잘린 황 신소재 필름을 고온 프레스 공정을 통해 원래 상태로 재가공했다.(오른쪽/ 재가공성 관련 실험)

황 신소재 필름의 적외선 투과 특성

손바닥에 황 신소재 필름(아래)과 폴리이미드 필름(위)을 올려놓고 적외선을 투과하는
실험을 했다. 그 결과 황 신소재 필름(아래)은 적외선이 투과되어 투명하게 보이며,
폴리이미드 필름(위)은 적외선이 투과되지 않아 붉게 보인다.

새로운 용융중합법으로 기존 황 기반 소재의 한계를 극복한 것이다. 지금까지 전 세계적으로 황을 활용한 신소재 개발 시도가 여러 차례 있었으나, 소재에 신축성이 없어 쉽게 부서지는 등 물성이 떨어지는 한계점이 뚜렷했다.

이번 연구결과는 고분자 분야 국제학술지 ‘ACS 매크로 레터스(ACS Macro Letters)’ 8월호 표지논문*으로 게재됐다.

* 논문명: Synthesis of Poly(phenylene polysulfide) Networks from Elemental Sulfur and p‑Diiodobenzene for Stretchable, Healable, and Reprocessable Infrared Optical Applications(원소 황과 파라-디아이오도벤젠으로부터 신축성, 자가치유 및 재가공 특성을 갖는 페닐렌 폴리설파이드 가교 고분자 합성 및 적외선 광학 응용)

또한, 이번 연구는 산업통산자원부의 산업핵심기술개발사업, 한국화학연구원 주요사업의 지원을 받아 수행됐다.