사이트맵 ×

인터에임
보아스
원일유압
코스모스코리아㈜
사출몰
현대보테코

기술과 솔루션

지매틱
디에스테크
mew
진산피알엠
기사제목
- 도심형 항공 모빌리티(UAM) 등에 적용 가능한 100% 자기강화 복합재료 개발- 기존 연구성과 대비 접착강도, 인장강도 및 충격 저항성 대폭 향상도심형 항공 모빌리티(UAM)와 같은 미래 이동 수단이 현실화되기 위해서는 연료 효율성은 높이면서 탄소 배출을 줄여야 하는데, 이를 위해서는 우수한 물성을 띠면서 재활용도 가능한 새로운 소재 개발이 반드시 필요하다. 자기강화 복합재료(self-reinforced composite, SRC)는 가격이 저렴하고, 경량성이 뛰어날 뿐만 아니라 강화재와 기지재1)가 동일한 성분으로 구성되어 폐기 및 재활용 측면에서 이점이 있다. 이 때문에 항공기 등에 사용되는 탄소 섬유 강화 복합재료(carbon fiber-reinforced composite)를 대체할 차세대 복합재료로 주목받고 있다.한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 전자파솔루션융합연구단 김재우 박사가 한양대학교(총장 이기정) 김성훈 교수, 전북대학교(총장 양오봉) 김성륜 교수와 함께 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 고분자 한 종류만을 사용한 100% 자기강화 복합재료를 개발하는 데 성공했다고 밝혔다.지금까지는 자기강화 복합재료의 제조공정에서 유동성 및 함침성2)을 향상시키기 위해 강화재 혹은 기지재에 화학적으로 다른 성분을 혼합해왔기 때문에 물성과 재활용 가능성 모두 떨어지는 문제가 있었다. 공동연구팀은 4축 압출 공정3)을 통해 폴리프로필렌 매트릭스의 사슬 구조를 조절하여 용융점, 유동성 및 함침성을 제어하는 데 성공했다.1) 기지재(matrix): 혼합비율에 따라 구성 비율이 상대적으로 가장 높은 재료2) 함침성(impregnation): 물질이나 기체 등이 다른 물질로 흡수되거나, 침투되거나, 묻혀서 그 안에 흡수되는 것3) 4축 압출 공정: 금속, 플라스틱, 나일론 등의 원료를 사용하여 3차원 형상의 복잡한 구조물을 만드는 제조공정으로, 3축 압출과 달리 회전축이 추가되어 길이, 너비, 높이와 함께 회전축도 제어할 수 있음.개발된 자기강화 복합재료는 접착강도, 인장강도 및 충격 저항성이 기존 연구 결과 대비 각각 333%, 228%, 2,700% 향상된 최고 수준의 기계적 물성을 달성했다. 소형 드론의 프레임 소재로 해당 재료를 적용했을 때 기존 탄소 섬유 강화 복합재료 대비 52% 가볍고, 비행시간은 27% 증가해 차세대 모빌리티 적용 가능성을 확인했다.한양대학교 장지운 박사 후 과정 연구원(공동 제1저자)은 “연구에 도움을 주신 모든 분들에게 감사드리며, 앞으로도 대한민국의 차세대 모빌리티 전반에 기여할 수 있는 연구를 수행하길 희망한다”고 밝혔으며, 김성훈 지도교수(공동 교신저자)는 “전북대, 한국과학기술연구원, 남전산업과 현대자동차와 함께 교류하여 값진 연구성과를 창출해 기쁘다”며, “자기강화 복합재료는 탄소중립 주도권을 확보하면서 차기 미래 모빌리티 산업을 선도할 수 있는 소재로써 활용 가능하다”고 밝혔다.KIST 김재우 박사(공동 제1저자)는 “이번에 개발한 100% 자기강화 복합재료 엔지니어링 공정은 산업계에 즉시 적용될 수 있는 것으로 공동연구팀과 남전산업 및 현대자동차 등 산업계와 지속적으로 협력해 자기강화 복합재료의 글로벌 경쟁력을 확보하겠다”고 향후 계획을 밝혔다.전북대학교 유기소재섬유공학과 이혜성 박사과정(공동 제1저자)은 “박사과정으로서 자기강화 복합재료 연구를 수행하면서 나온 결과가 좋은 논문으로 결실을 맺어 기쁘고, 이러한 연구들이 학술적 및 산업적으로 다양하게 적용되길 희망한다”며, “연구를 지도해주신 지도교수님과 많은 도움을 주신 다른 저자분들께 감사하다”고 밝혔다. 김성륜 지도교수(공동 교신저자)는 “긴 세월 묵묵히 학업과 연구에 매진하면서 스스로 박사로서 가치를 증명한 이혜성 박사과정에게 박수를 보내고 싶다”면서, “학술적으로는 한국과학기술연구원과 한양대와 인력의 실시간 교류가 가능한 새로운 학술연구 플랫폼에 기초하여 세계적인 연구성과를 창출했다는 것과 산업적으로는 남전산업과 현대자동차와 함께 자기강화 복합재료의 글로벌 리더쉽을 확보했다는 것이 대단히 고무적이다”고 말했다.본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 국가과학기술연구회(NST)의 ‘미래 모빌리티 동작 신뢰성 확보를 위한 고주파/고출력 전자파 솔루션 소재·부품 기술 개발’ 융합연구단 사업(CRC22031-000), 한국연구재단 기초연구사업(2016 R1A6A1A03013422), 중견연구자지원사업(2021R1A 2C11093839), 교육부(장관 이주호)의 3단계 산학연협력 선도대학 육성사업(LINC 3.0)으로 수행되었다. 연구 결과는 화학공학 분야 세계적인 국제학술지 ‘Chemical Engineering Journal’ (IF:16.744, JCR 분야 상위 2.448%) 최신호에 게재되었다. * 논문명: True self-reinforced composites enabled by tuning of molecular structure for lightweight structural materials in future mobility- (제1저자) 전북대학교 이혜성 박사과정- (제1저자) 한양대학교 장지운 박사- (제1저자) 한국과학기술연구원 김재우 책임연구원- (교신저자) 한양대학교 김성훈 교수    - (교신저자) 한국과학기술연구원 김민국 선임연구원- (교신저자) 전북대학교 김성륜 교수(논문 DOI): https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.142996
취재부 2023-06-11
기사제목
- 안트라퀴논 공정 대안으로 저비용·친환경 전기화학적 합성법 이용- 시간당 284kg의 과산화수소 대량 생산이 가능한 탄소 촉매한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 물질구조제어연구센터 김종민 박사, 계산과학연구센터 한상수 박사와 한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형) 이재우 교수 연구팀이 고전류밀도에서도 우수한 성능으로 과산화수소 대량생산이 가능한 고효율 탄소 촉매를 개발했다고 밝혔다.과산화수소는 표백제, 살균제부터 종이 및 펄프 산업, 반도체 산업에서의 웨이퍼 세정제까지 폭넓게 쓰이는 산업적 수요가 큰 물질이다. 그런데, 현재 산업용 과산화수소 합성에 주로 쓰이는 ‘안트라퀴논(Anthraquinone) 공정’은 고가의 팔라듐 촉매를 사용하고, 고농도의 과산화수소를 저장·운송하는 과정에서 큰 비용이 발생한다. 또한, 촉매 반응 과정에서 유기 오염물질이 발생해 환경오염을 일으킨다는 우려도 있다.안트라퀴논 공정의 대안으로는 산소 환원 반응을 통해 친환경적으로 과산화수소를 합성하는 전기화학적 합성법이 제시되는데, 저렴한 탄소계 소재를 촉매로 이용할 수 있을 뿐 아니라 저장 및 운송 단계를 거치지 않고 현장에서 과산화수소 생산이 가능한 장점이 있다. 산소 환원 반응에는 산소와 수소 및 전자가 반응에 참여하기 때문에 전류 밀도가 높을수록 생산성이 향상된다. 하지만 카본 블랙1)과 같은 기존의 상업용 탄소 촉매는 수백 mA/㎠의 고전류밀도에서 낮은 과산화수소 촉매 선택도2)와 활성을 갖기 때문에 대량 생산이 어렵다는 한계가 있었다.KIST-KAIST 연구팀은 500°C, 상압 조건에서 이산화탄소 가스를 흘려주면서 강한 환원제3)인 수소화붕소나트륨(NaBH4)과 반응시켜 붕소가 도핑된 다공성의 탄소 촉매를 합성했다. 실험과 계산과학 방법을 병행하여 개발한 탄소 촉매를 분석한 결과, 탄소 촉매 표면의 붕소(B)와 산소(O)가 같이 결합한 지점에서 과산화수소 생성률이 극대화되는 것을 규명했다. 해당 반응점은 고전류 밀도에서도 매우 높은 과산화수소 생성 효율을 보였다. 개발한 촉매를 실제 유동식 반응기에서 테스트했을 때 한 시간마다 촉매 1kg당 284kg의 과산화수소를 생산이 가능한 최고 수준의 활성을 보였고, 100시간 동안 성능 저하 없이 안정적인 과산화수소 생산이 가능했다.KIST 연구팀은 탄소 소재 촉매의 활성도를 높이기 위해 붕소와 같은 비금속 원소를 도핑하는 방법 외에도 코발트 금속 단원자를 산화 카본 블랙에 담지하여 우수한 전기화학적 과산화수소 생성 특성을 가지는 촉매를 개발했다. 해당 촉매를 전기펜톤산화공정4)의 전극 소재로 활용했을 때 우수한 과산화수소 생성 특성으로 인해 기존 전극보다 훨씬 더 빨리 유기 오염물을 분해하는 것을 확인해 수처리 분야로의 응용 가능성을 보였다. 1) 카본 블랙: 미세한 탄소의 분말, 그을음으로 탄화수소가 열분해 또는 불완전 연소함으로써 생성됨. 2) 촉매 선택도: 촉매 A가 화학반응에서 생성되는 원하는 생성물 B의 양을 크게 증가시키면서 동시에 원하지 않는 생성물 C의 양을 줄일 수 있는 경우, 촉매 A는 높은 선택도를 가진 것으로 간주됨. 3) 자신은 산화되면서 다른 물질을 환원시키는 성질을 가진 물질을 의미함. 이산화탄소는 수소화붕소나트륨과의 환원 반응으로 산소를 잃고 탄소만 남게 됨. 4) 전기펜톤산화공정(electro-Fenton oxidation process): 전기화학반응을 통해 환원극에서 물속 용존 산소를 환원시켜 과산화수소를 실시간으로 공급하면서 철이온과 반응하여 OH 라디컬을 형성해 하폐수안에 유기물질을 산화하여 분해하는 하폐수 처리공정.제1저자인 KIST 최재원 박사후연구원은 “본 연구는 저비용, 고효율의 탄소 기반 촉매 개발과 더불어 계산과학과의 협업을 통해 높은 활성을 갖는 산소 환원 반응의 활성점을 규명하여 향후 고성능의 과산화수소 촉매개발에 대한 방향을 제시했다는 데에 의의가 있다”라고 설명했다. 교신저자인 KIST 김종민 박사는 “물과 산소를 바탕으로 하는 친환경적 과산화수소 합성법의 경우 저렴한 탄소를 전극 소재로 활용하기에 상용화의 가능성이 매우 높으며, 현장 생산 방식의 장점을 갖기 때문에 수처리와 같이 다양한 산업 분야로 응용확장이 가능하다”고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 KIST 기관고유사업, 선행융합연구사업, 선도연구센터지원사업, 미래소재디스커버리사업, 나노및소재기술개발사업을 통해 수행되었으며, 연구결과는 국제과학저널인 ‘Applied Catalysis B: Environmental’ (IF: 24.319, JCR 분야 상위 0.93%)에 3월 2일 및 3월 20일 두 편의 온라인 논문으로 각각 출판되었다.* 논문명: CO2-derived edge-boron-doped hierarchical porous carbon catalysts for highly effective electrochemical H2O2 production - 제1저자: 한국과학기술원 변아영 박사- 제1저자: 한국과학기술연구원 최재원 박사후연구원- 제1저자: 한국과학기술연구원 이홍우 박사후연구원- 교신저자: 한국과학기술연구원 한상수 책임연구원- 교신저자: 한국과학기술연구원 김종민 선임연구원- 교신저자: 한국과학기술원 이재우 교수   https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122557 * 논문명:Penta nitrogen coordinated cobalt single atom catalysts with oxygenated carbon black for electrochemical H2O2 production - 제1저자: 한국과학기술연구원 장웬준 학생연구원- 제1저자: 한국과학기술연구원 최재원 박사후연구원- 제1저자: 한국과학기술연구원 김수연 박사후연구원- 교신저자: 한국과학기술연구원 한상수 책임연구원- 교신저자: 한국과학기술연구원 김종민 선임연구원   https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122712 
취재부 2023-06-11
기사제목
- 리튬이온 이차전지의 상온 및 고온 장수명화를 가능하게 하는 전해질 첨가제 기술   1회 충전에 500km 이상 운행할 수 있는 전기자동차를 실현하기 위해서는 고용량, 고에너지밀도 이차전지 개발이 필수적이다. 이에 높은 가역용량을 가지는 니켈리치 양극과 흑연보다 10배가량 높은 용량을 발현하는 실리콘 음극 물질이 차세대 리튬이온전지의 소재로 주목받고 있다. 하지만 기존 전해질 첨가제 연구는 기존 물질들의 스크리닝 기법을 통하여 시행착오를 거쳐 개발되기 때문에 시간과 비용이 많이 소모되어 신규 전극 소재에 대응하기 어려운 한계점을 보였다. KAIST 생명화학공학과 최남순 연구팀이 고려대 곽상규 교수팀, UNIST 홍성유 교수팀, 현대자동차, 한국화학연구원과 공동연구를 통해, 고용량 실리콘 기반 음극과 니켈리치 양극으로 구성된 리튬이온 이차전지의 상온 및 고온 장수명화를 가능하게 하는 전해질 첨가제 기술을 개발했다고 19일 밝혔다.   생명화학공학과 최남순 교수   연구팀이 개발한 전해질 첨가제는 실리콘 기반 음극과 니켈 리치 양극의 저온, 상온 및 고온에서의 가역성을 증대시켜 배터리 충‧방전 횟수 증가에 따른 급격한 용량 감소 문제를 해결할 수 있는 새로운 기술이다.   그림 1. 고용량 전극 계면을 보호하는 APFS 첨가제의 디자인 모식도   연구팀은 전해질 첨가제 설계 초기 단계부터 타겟으로 하는 양극과 음극에 적합한 작용기를 분자공학적 기법으로 조합하여 첨가제를 디자인하고 합성하는 데 성공하였다. 디자인된 전해질 첨가제는 전자 수용 및 전자 공여 그룹의 전기화학적 반응에 의해 고용량 실리콘 기반 음극 및 니켈 리치 양극 표면에 고체전해질 계면막을 형성해 전지의 상온 및 고온 수명을 획기적으로 끌어올리는 데 성공했다. 개발 기술은 일반적인 실험실 수준이 아닌 기업에서 요구하는 수준의 높은 합재밀도를 가진 실리콘 기반 음극과 니켈 리치 양극을 사용하여 배터리의 저온, 상온 및 고온 장수명을 실현하였다는 점과 저비용으로 극대화된 효율을 낼 수 있는 전해질 첨가제 디자인의 방향성을 제시하였다는 점에서 그 의미가 크다.   그림 2. APFS 전해액 첨가제 도입 유무에 따른 실리콘 기반 음극니켈리치 양극 풀 셀의 화성 충‧방전 미분용량(dQdV) vs. 전압 그래프   이번 논문의 공동 제1 저자인 KAIST 생명화학공학과 문현규 연구원은 “개발된 전해질 첨가제는 내열성과 유연성이 우수한 전극계면 층을 형성하여 전기차 구동 온도 45도에서 실리콘 기반 음극과 니켈 리치 양극으로 구성된 전지의 반복적인 300회 충‧방전 후에도 초기 용량의 72.5%를 발현 가능했으며, 이는 기존에 사용되고 있는 첨가제인 비닐렌 카보네이트(VC), 플루오르에틸렌 카보네이트(FEC) 대비 각각 54%, 38% 향상된 수준이었다. 또한, 실리콘 음극 부피 변화에 따른 전지 열화를 억제하여 희박 전해질 조건에서도 효과가 있었다”라고 말했다.최남순 교수는 “이번 성과는 기존 상용 첨가제들(VC, FEC)의 한계를 극복할 수 있는 전해질 첨가제 기술로, 물질 구조 디자인, 합성 및 계산화학을 통해 연구 시간 및 비용을 줄이고 타겟 양극 및 음극 특성에 적합한 첨가제를 정확하게 개발해 내는 새로운 방향을 제시했다”라고 연구의 의미를 강조했다. 뿐만 아니라 양산 수준의 전극 로딩 조건에서 저온에서부터 고온에 이르기까지 온도 내구성이 뛰어난 전극계면 층을 형성하는 세계 최고 수준의 전해질 첨가제 기술로서 전기차 배터리 등에 활용이 기대된다고 밝혔다.   그림 3. 전해액 첨가제 도입 유무에 따른 SiG-CNCM811 풀 셀 수명성능 그래프.   이번 연구에서 KAIST 최남순 교수와 문현규, 남희범(現 현대자동차 연구원) 연구원은 전해질 시스템 개발과 실험적 원리 규명을 담당하였다. UNIST 홍성유 교수와 김민평, 전민호(現 한국화학연구원 연구원) 연구원은 디자인된 첨가제를 쉽게 얻는 합성법을 개발하였다. 고려대학교 곽상규 교수와 이승민, 김형준 연구원은 계산화학 시뮬레이션을 통해 음극 및 양극에서의 전해질 첨가제의 계면 층 형성 과정을 이론적으로 규명하였다.   그림 4. (상단) VC와 APFS 첨가제가 공분해하여 형성하는 고분자 기반 SEI 성분인 벤젠-에테르 작용기는 SEI의 공간적 유연성 향상에 기여함.   한편 이번 연구는 저명한 국제 학술지 ‘어드밴스트 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 4월 4일 字로 온라인 공개됐다* 논문명: Elastic Interfacial Layer Enabled the High-Temperature Performance of Lithium-Ion Batteries via Utilization of Synthetic Fluorosulfate Additive.   이번 연구 수행은 현대자동차의 지원을 받아 수행됐다.
편집부 2023-04-20
기사제목
- 전고체 전지 열화 거동 규명… Advanced Energy Materials 게재   UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 정성균 교수팀은 황화물계 고체전해질을 기반으로 전고체 전지 양극의 계면 안정성을 위한 유기물 코팅 소재를 개발했다.     황화물계 고체전해질은 액체 전해질처럼 높은 이온전도도와 기계적 변형성 및 낮은 중량 밀도로 인해 전고체 전지 산업 응용 분야에서 특히 유망한 소재이다. 하지만, 황화물계 고체전해질은 양극 계면에서 필요한 반응 이외의 반응이 고질적으로 나타나는 문제점을 가진다. 즉, 절연체의 성질이 나빠지는 열화 반응이나 충방전 과정에서 발생하는 부피 변화로 고체전해질 사이의 기계적 접촉 손실 등의 문제가 발생한다.따라서 전극-전해질 계면의 화학적·물리적 상태를 온전히 유지하는 것은 긴 수명을 가지는 전고체 전지를 구현하는 데 있어 가장 큰 과제 중 하나이다. 이를 해결하기 위해 산화물계 기반의 무기물 코팅 소재가 주로 사용됐다. 하지만, 기존의 산화물계 코팅 소재는 부서지기 쉽고 고온에서 제조해야 한다는 한계점이 존재한다.   유기 코팅층의 존재에 따른 양극 계면에서의 화학적-기계적 계면 열화   연구팀은 황화물 기반 전고체 전지의 화학 및 기계적 열화를 완화하기 위한 연구를 진행했다. 양극-고체전해질의 계면을 인공적으로 보호하기 위해 유기 전해질 첨가제를 코팅 소재로 도입했다. 기존 리튬이온전지에서 액체 전해질의 유기물 첨가제로 사용되던 이플루오로비스(옥살레이토) 인산염을 활용했다. 이를 활용한 양극-고체전해질 계면 층은 기존 산화물계 코팅 층에 비해 상온에서도 코팅층을 형성할 수 있다는 장점을 가지게 된다.또한 연구팀은 유기물 기반의 양극-고체전해질 계면 층이 고전압으로 충전될 때 발생되는 화학적 열화 속도를 늦추며, 낮은 구동 압력에서도 기계적 열화를 완화하는 데 도움을 준다는 것을 확인했다. 이를 통해 계면에서의 황산염 또는 황화염의 생성을 억제하는 등 화학적 안정성을 가지게 된다. 또한 개선된 양극-고체전해질 사이의 물리적 접촉은 전고체 전지가 높은 용량을 구현하는 데 도움을 주며, 장기간으로 구동시킬 수 있도록 안정성을 높여 수명이 긴 전고체 전지 제작의 가능성을 보여줬다.연구팀은 이번 연구를 확장시켜 황화물 기반 전고체 전지의 양극 계면 열화 반응에 대한 심층적인 분석을 진행했다. 이를 통해 화학적·물리적 열화 간의 상관관계와 열화의 발생 원인을 규명했다. 이번 연구는 일반적으로 사용되는 무기 산화물 물질을 넘어 황화물 기반 전고체 전지의 양극 코팅 물질을 설계하는 새로운 전망과 이해를 제시할 것으로 기대된다.   이번 연구를 진행한 연구진의 모습. 앞줄 왼쪽부터 2번째 이상표 연구원, 제1저자 박찬현 연구원, 정성균 교수. 뒷줄 오른쪽부터 3번째 이주호 연구원   정성균 에너지화학공학과 교수는 “이번 연구는 기존 전고체 전지에서 고려되지 않았던 유기물 코팅 소재에 대한 탐색 가능성과 확장성을 제공했다”며, “또한 전고체 전지의 열화 거동에 대한 심층적인 이해를 제공한다”고 전했다.본 연구는 한국연구재단 산업통상자원부 기술 혁신 프로그램, 과학기술정보통신부‧한국연구재단 신진 연구사업, 국가과학기술연구회, 이차전지 전해질 생산 업체인 (주)천보의 지원으로 수행되었으며, 2023년 3월 9일 에너지 소재 분야 권위적 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)’에 게재됐다.* 논문명: Organic-Additive-Derived Cathode Electrolyte Interphase Layer Mitigating Intertwined Chemical and Mechanical Degradation for Sulfide-Based Solid-State Batteries)   문의: 에너지화학공학과 정성균 교수_052-217-3030    
편집부 2023-04-17
기사제목
자료제공: 우진플라임 기술교육원 / 교수 한선근1. 사출 금형 구조1) 금형의 개요재료의 소성(Plasticity), 전연성(Malleability, Ductility), 유동성(Fluidity) 등의 성질을 이용하여 재료를 가공 성형, 제품을 생산하는 도구. 정의를 내리면 “동일형상, 동일 규격의 제품을 대량 생산하기 위한 모체가 되는 틀”이라고 할 수 있다. 우리나라에서는 다이(Die)와 몰드(Mould)를 통칭하는 의미로서 “금형” 또는 “형”이라 하고 중국, 대만, 홍콩, 싱가포르 등 중화 경제권에 속하는 국가에서는 “모구”라 말한다. 또한 영국을 비롯한 독일, 프랑스, 미국 등 서방 선진국에서는 “Special Tooling”이라 한다. (1) 금형의 장점① 대량 생산이 가능하다.② 생산제품, 부품의 치수 정밀도가 높다.③ 제품규격이 동일하여 호환성이 있고 조립 생산이 쉽다. ④ 제품생산 시 금형을 이용하면 특수기술이나 숙련 기술 없이도 제품을 만들 수 있다. ⑤ 제품의 외관이 깨끗하고 모델의 변경이 쉽다.⑥ 신제품의 개발 또는 모델의 변경이 쉽다.⑦ 제품의 생산시간이 단축된다.⑧ 다른 생산 방법보다 종업원 수를 줄일 수 있어 인건비가 절약된다. ⑨ 두께가 얇은 제품의 생산이 가능하고 무게도 줄일 수 있다.(2) 금형의 단점① 금형 가격이 높다.② 성형 사출기 및 부대 장치의 가격이 높다. ③ 성형품의 품질을 빠르게 결정할 수 없다.④ 사출성형 기술이 필요하다.2) 금형의 분류3) 사출성형 금형(Injection mould)열가소성 플라스틱의 성질(경화시키기 위해 용융상태로 가열하였다가 냉각시키더라도 그 구조상 물리적 변화만 생긴다)을 이용하여 실린더 안에서 가열된 재료가 녹게 되면 플랜저가 그 용해된 재료를 노즐을 통하여 고압으로 압입하면 용융 수지는 스프루, 런너, 게이트를 지나서 캐비티 부에 충전되고, 냉각된 금형에 의해서 냉각·고화되므로 성형이 된다. 사출 플랜저가 후퇴하고 금형이 파팅 라인을 따라 열리면 성형품이 금형으로부터 떨어지도록 이젝터 기구를 작동시킨다.4) 사출성형 금형의 분류5) 사출성형 금형의 구성(1) 보통 금형         코어와 캐비티로 구성되어있으며 형체 방향으로 여닫음의 운동만으로 사출품을 얻고 빼낼 수 있도록 구성되어 있는 금형- 2단 금형 (2장 구성 금형, 2매 판 금형, 2단 금형) 표준타입, 스트리퍼 플레이트 타입- 3단 금형 (3장 구성 금형, 3매 판 금형, 3단 금형) 표준타입, 스트리퍼 플레이트 타입(2) 특수금형금형이 형체 방향의 움직임뿐만 아니라, 금형을 구성하는 부품이 형체 방향의 직각 방향으로 움직이면서 금형을 여닫음으로써 사출품을 얻고 빼낼 수 있도록 구성되어있는 금형- 슬라이드 코어 타입- 분할형 타입- 나사 붙이 금형- 기타 등(3) 금형의 기본구조사출 금형의 구조는 금형의 본체인 몰드 베이스에 캐비티와 코어를 만들고, 런너, 게이트, 성형품의 돌출장치, 냉각 채널 등을 만들어 몰드 베이스의 양 끝에 붙어있는 부착판(취부판)을 사출기의 고정 반과 가동 반에 부착하여 성형작업을 한다.(3.1) 2단 금형(3.1.1) 2단 금형 몰드 베이스(Mold Base)① 사용 빈도가 많은 형대의 몰드 베이스는 표준으로 하여 상품화하여 판매하고 있다.코스트 다운, 납기 단축② 게이트 방식에 의해 S(사이드 게이트) 시리즈: 4타입③ 프레이트 수에 의해 2 플레이트 타입: S 타입(3.1.2) 2단 금형의 구조(3.1.3) 2단 금형의 작동순서스푸루, 런너, 게이트가 캐비티와 동일면에 있는 2개의 금형(코어, 캐비티)으로 구성된 금형- 1단계: 가동 측 전진(금형 닫힘) → Nozzle 전진 → Injection(사출) → Cooling(냉각)- 2단계: 가동 측 후진(금형 열림) - 3단계: Ejector rod 전진 → 제품이 Core 면에서 이탈 → 제품 수취 → Gate 절단- 4단계: Ejector rod 후진 → 밀판 후퇴 → 금형 닫힘(3.1.4) 2단 금형의 특징① 구조가 간단하고 자유낙하 성형에 적합② 내구성이 뛰어나며 성형 사이클이 빠르다③ 금형 제작비가 싸다④ 게이트의 형상 및 위치를 비교적 임의로 결정할 수 있다⑤ 다이렉트 게이트 이외는 특별한 공작을 하지 않는 한 게이트 위치는 성형품의 가장자리로 한정된다⑥ 성형 후 게이트의 절단 작업이 필요하다(서브마린 게이트는 제외)< 금형 각 부분의 명칭과 설명 >1) 2단 금형 ① 고정측 취부판(고정측 플레이트, Top Clamping Plate)금형의 고정측 부분을 사출기의 다이 플레이트(Die Plate)의 고정 플레이트(고정반)에 부착하는 플레이트② 로케이트 링(스푸루 부싱 리테이너 링, Lacate ring, Sprue Bushing Retainer Ring)노즐의 위치가 스푸루 부시의 중심에 잘 맞도록 해주는 링③ 고정측 형판(Cavity Retainer Plate)금형의 고정측 부분으로 캐비티를 구성함. 스푸루 부시, 가이드 부시 등이 끼워져 있다④ 가동측 형판(Core Retainer Plate)금형의 가동측 상부 판으로 코어를 구성하고 있고 가이드 핀 등이 설치되어 있다. 고정측 형판과 함께 파팅 라인을 형성함⑤ 받침판(Support Plate)가동측 형판을 받쳐 주는 플레이트⑥ 가동측 취부판(가동측 고정 플레이트, Bottom Clamping Plate)금형의 가동측 부분을 사출기의 다이 플레이트의 이동 플레이트(이동반)에 부착하는 플레이트⑦ 스페이서 블록(Spacer Block)받침판과 하부 취부판 사이에 위치하며, 이젝팅 핀이 움직일 수 있는 공간을 제공해줌⑧ 이젝트 플레이트 - 상(Ejector Plate - Upper)이젝트 핀, 이젝트 리턴 핀, 스푸루 록 핀 등이 끼워질 수 있도록 카운터 보어가 만들어져 있다.⑨ 이젝트 플레이트 - 하(Ejector Plate - Lower)이젝트 핀, 이젝트 리턴 핀, 스푸루 록 핀 등을 받치며, 고정시키는 받침판으로 상부 이젝트 플레이트와 볼트로 체결되어있다.⑩ 스푸루 부시(Sprue Bush)원뿔 모양으로 고정측 취부판에 고정되어 있으며, 여기에 사출기의 노즐이 밀착되어 용융 수지를 주입한다.⑪ 가이드 핀(Guide Pin)주로 가동측 형판에 고정되어 있으며, 고정측 형판과의 정확한 결합이 되도록 가이드해 준다. 상대 금형의 가이드 핀 부시에 결합된다.⑫ 가이드 핀 부시(Guide Pin Bush)주로 고정축 형판에 고정되어 있으며, 이동측 형판과의 정확한 조립이 되도록 가이드 핀이 들어오는 홀을 제공해준다.⑬ 이젝터 핀(Ejector Pin, Knockout Pin)금형이 열리고 나서 제품이 빠지도록 제품을 밀어내는 핀. 이젝터 플레이트들에 부착되며 이들과 함께 움직인다.⑭ 스푸루 록 핀(Sprue Lock Pin, Sprue Puller Pin)성형 후 금형이 열릴 때 스푸루를 부시에서 빠지게 하도록 스푸루를 잡도록 만든 핀.⑮ 리턴 핀(Return Pin)이젝터 핀이 제품을 밀어낸 다음 제자리로 돌아가도록 하는 핀으로 이젝터 플레이트에 부착되어 있다. 금형이 닫힐 때 고정측 형판(캐비티 금형)에 닿아서 뒤로 움직인다.⑯ 캐비티(Cavity)용융 수지가 들어가도록 고정측 형판(금형)에 오목하게 만들어진 빈 공간. 캐비티를 갖는 금형을 캐비티 금형이라 함. (고정측 형판 = 캐비티 금형)⑰ 코어(Core)가동측 형판(금형)에 볼록하게 만들어진 형상. 코어를 갖는 금형을 코어 금형이라 함. (가동측 형판 = 코어 금형) 금형이 닫히면서 캐비티와 코어가 결합되어 제품의 형상을 만들 수 있는 공간을 제공해준다. 이렇게 만들어진 공간을 “캐비티”라 부른다.
편집부 2023-04-16
기사제목
Ⅰ. 서론경제성장, 도시화, 소득증가, 전자상거래 등의 급속한 확산은 가전제품과 전기·전자 제품, 자동차 등 소비재에 대한 수요의 성장을 촉진시켰고, 환경, 에너지, 안전 등과 관련된 엄격한 규제와 표준은 경량화 이슈로부터 금속에서 플라스틱으로의 소재 변환을 포함한 여러 변화를 이끌어냈다. 고분자 소재는 금속이나 세라믹 소재에 비해 내열성, 난연성 등은 떨어지지만 가볍고, 디자인 성형 가공성이 높은 강점으로 인해 생활용품에서 자동차, 전기·전자, 기계, 산업 분야에서 광범위하게 사용되고 있다. 고분자의 장점을 확대하고 결점을 보완하기 위한 방안 중 하나로 고분자에 첨가제를 사용한다. 첨가제는 플라스틱 또는 합성수지의 가공을 용이하게 하고 최종제품의 성능을 개량하기 위해 가공이나 중합 과정에서 첨가되는 물질로, 플라스틱의 취약성을 보완하고 요구 특성을 향상시키기 위해 사용된다. 첨가제에는 가소제, 열안정제, 산화방지제, 자외선안정제, 난연제, 활제, 충격보강제 등이 있으며, 제품의 기능, 용도에 따라 필수 불가결하게 첨가되는 물질들이다. 주재료인 Base Polymer에 제품의 물성을 향상시키거나 안정성 개선, 기능성 부여 혹은 원가절감을 목적으로 적절한 첨가제를 혼합하여 압출하거나(Compounding) 분산시킨 제품이 실용적으로 사용되고 있다. 범용수지, 열 경화 수지, 엔지니어링플라스틱에 대한 수요가 지속적으로 늘고 있다. 엔지니어링플라스틱(EP)의 세계 시장규모는 2018년부터 2023년까지 연평균 성장률(CAGR)은 3.51% 성장을 예측하고 있다. [그림1] 금속보다 다양한 응용이 가능한 경량 고기능 플라스틱에 대한 선호도가 높아짐에 따라 시장 확대가 촉진될 것으로 추정된다.기능성 플라스틱에 대한 전 세계 수요는 꾸준한 성장을 기록하고 있으나, 기능성 플라스틱의 사용이 증가함에 따라 일반 가정과 차량은 화재 위험에 더욱 취약해졌다. 플라스틱은 일단 연소가 되면 소화가 어렵고, 연기나 유독가스가 발생하여 인체 유해성 문제가 발생한다. 따라서 화재가 발생하지 않도록 하는 것이 중요하다. 안전성을 고려한 각종 규제에 적합하고, 친환경적이며 인체에 유해하지 않은 난연제 개발이 필요하다. 자동차부품의 고분자 소재에 대한 난연성 및 방염처리는 지속적으로 개발이 필요한 상황이다. Ⅱ. 난연제(Flame Retardant) 개요 난연제는 가연성을 감소시키거나 연소를 지연시키는 데 사용되는 물질이다. 플라스틱, 직물, 표면 마감, 코팅과 같은 제조된 재료에 첨가되는 다양한 화학물질을 포함한다. 플라스틱은 대부분 탄소, 수소 및 산소로 구성되어 있는 유기물로 가연성을 가지고 있기 때문에 용도에 따른 난연제의 사용이 필요하다. 고분자 소재의 난연 방법에는 소재 디자인 또는 분자구조 설계로 열적 안정성을 갖는 수지의 합성, 기존 고분자의 화학적 개량(반응형 난연제), 난연제의 블렌딩 또는 컴파운딩을 통한 물리적 첨가(첨가형 난연제), 난연제 코팅 또는 페인팅 방법 등이 있다. 이중 할로겐계(브롬계 및 염소계), 인계, 질소계, 무기계 난연제를 블렌딩 또는 컴파운딩 방법으로 혼합하는 것이 열가소성 고분자에 가장 많이 사용된다. 난연제는 사용법에 의해 첨가형과 반응형으로 나뉘고, 구성성분에 따라 유기계와 무기계로 분류된다. [표1] 무기계(첨가형)는 난연제 시장에서 가장 큰 부분을 차지하는데 가격이 싸고 할로겐화 유기화합물과 상승작용을 일으키며 충전제로 사용할 수 있기 때문이다. 유기계(첨가형)는 고분자와 컴파운딩이 쉽다는 장점이 있으며, 반응형은 난연 효과는 뛰어나지만 실제로는 코폴리머로 작용하기 때문에 비용이 많이 들고 제조하는 데 시간이 오래 걸리는 단점이 있다.고분자 소재는 탄소, 산소, 수소를 주성분으로 이루어져 있기 때문에 연소되기 쉬운 것이 많은데 PE, PP, PS 등은 연소할 때 약 10kcal/g의 연소열이 발생한다. 비교적 연소되지 않는 PVC도 4.3kcal/g의 연소열이 발생된다. 연소 현상에는 가연성 성분, 산소, 열에너지가 필요 요소이며, 난연화의 기본은 이를 제거하는 것이다. [표2]Ⅲ. 난연제의 종류난연제는 크게 할로겐계 난연제, 인계 난연제, 무기계 난연제, 난연 상승제 등으로 나누어지며, 각각의 난연 메카니즘이 조금씩 차이가 있어 원하는 난연도를 얻기 위해서는 난연제의 종류와 양을 적절히 선택하여 사용해야 한다.1. 할로겐계 난연제할로겐계 난연제의 주된 난연 메커니즘은 가스상에서 라디칼 트랩 효과에 의한 OH 라디칼의 안정화이다. 연소의 추진역할을 하는 활성 OH와 활성 H가 라디칼 HX에 의해 트랩되어 안정화되는데, HX는 불연성이고 희석효과와 함께 산소를 차단하는 효과가 있다. 할로겐계 난연제는 브롬계와 염소계로 나눌 수 있지만, 브롬계 난연제가 압도적으로 많다. 브롬계 난연제는 난연화 효과가 뛰어나며, 비용 대비 성능 면에서 뛰어난 난연제로 전기기기나 OA기기의 하우징 재료, ABS, PS, PBT, PET, 에폭시 수지 등의 주요 난연제로 사용되고 있다. 소량이 사용되므로 고분자 수지의 물성에 큰 영향을 주지 않는다는 장점이 있다. 현재 환경문제로 큰 압박을 받고 있으나, 난연 특성이 매우 우수하고, 아직까지는 브롬계 난연제는 대체할 만한 난연제가 개발되지 않아 국내/외에서 계속되고 있는 대체제에 대한 연구와는 별도로 브롬계 난연제의 수요가 해마다 늘고 있다. 염소계 난연제는 염소화 파라핀, 염소화폴리에틸렌, 지방족 염소계 난연제 등이 있으며, 염소계 파라핀 및 폴리에틸렌의 경우 가격이 저렴하나 열 안정성에 취약하며, 지방족 난연제의 경우 가격이 다소 비싸다. 브롬계에 비해 난연 효율성이 다소 낮다. 할로겐 난연제의 종류로는 데카브로모디페닐 옥사이드(DBDPO, Decabromodiphenyl oxide), 데카브로모디페닐 에탄(DBDPE, Decabromodiphenyl ethane), 헥사브로모사이클로이도데칸(HBCD, Hexabromocyclododecane), 테트라브로모비스페놀-A(TBBA, Tetra bromo bisphenol-A), 테트라브로모비스테놀 A 비스 2,3-디브로모프로필 에테르(BDDP, Tetra bromobisphenol A Bis 2,3-didromopropyl ether) 등이 있다.2. 인계 난연제인계 난연제는 연소할 때 열분해에 의해 폴리메타인산을 생성하고, 이것이 보호층을 형성하는 경우와 폴리메타인산이 생성될 때의 탈수 작용에 의해 생성되는 탄소 피막이 산소를 차단하여 연소를 막는 경우가 있다. 인계 난연제는 크게 무기계와 유기계로 분류하며, 무기계로는 크게 적인, 암모늄 포스페이트, 암모늄 포리포스페이트 등이 사용된다. 적인은 응축 상에서의 분해를 방해하고 탄화율을 높여 난연 작용을 하며, 주로 나일론 에폭시 수지 등에 사용된다. 암모늄 포스페이트는 셀룰로스, 직물, 종이, 나무 등에 사용된다. 암모늄 폴리포스페이트는 탄화 촉진을 통한 난연 작용으로 폴리엔, 에틸렌-비닐 아세테이트, 우레탄 탄성중합체에 첨가되어 사용하기도 한다. 유기계에는 지방족 유기인 첨가제 및 할로 알킬 포스페이트 등이 있으며, 이때 chloroalkyl 작용기는 난연제가 증발하거나 물에 녹아 씻기는 것을 막아준다. 인계 난연제의 종류로는 암모늄 폴리포스페이트(APP, Ammonium Polyphosphate), CG-P(Red Phousphours), 트리스2-클로로에틸 포르세이트(TCEP, Tris(2-chloroethyl)phosphate), 아이소포로필페닐 다이페닐 포스페이트(IPPP, Isopropylphenyl Diphenyl phosphate), 트리페닐 포스페이트(TPP, Tripheyl phosphate), 트리에틸 포스페이트(TEP, Triethyl phosphate) 등이 있다. 3. 무기계 난연제열에 의해 휘발되지 않으며 분해되어 물, 이산화탄소, 이산화황, 염화수소와 같은 불연성 기체를 방출하게 되며 흡열반응을 한다. 기체상에서는 가연성 기체를 희석시켜 플라스틱 표면을 도포하여 산소의 접근을 방지하고, 동시에 고체상 표면에서 흡열반응으로 플라스틱 냉각 및 열분해 생성물의 생성을 감소시키는 효과가 있다. 무기계 난연제는 종류가 많지만, 주로 플라스틱용으로 생산되는 수산화알루미늄, 산화안티몬(삼산화, 화산화), 수산화마그네슘, 주석산아연, 인제품, 구아니딘, 몰디브덴산염, 지르코늄 등이 무기계 난연제에 포함된다. 이러한 난연제들은 각각 특성이 다르고 첨가하는 양에 따라 많게는 수지 양의 50wt% 이상에서 소량 첨가까지 다양하다. 무기계의 주요 제품은 수산화알루미늄, 안티몬계로 수산화알루미늄은 가격이 싸고 첨가량이 많다. 수산화알루미늄은 무기계 대표적 난연제로 난연제 전체의 30%를 차지하고 있는데, 무독성(할로겐비 함유), 저 발연성으로 가공 기계의 부식성이 적고 전기절연성도 우수하며 가격이 싸기 때문에 현재 가전제품, 자동차, 건축, 전선, 케이블 등 분야에서 난연 충진제로 사용된다. 수산화알루미늄은 분해 온도가 낮아 가공온도가 230℃ 정도로 낮은 고분자 수지에만 사용 가능하며, 다량 사용해야 하는 단점으로 인해 고분자 수지의 물성에 영향을 줄 수 있다. 흡열 분해에 의해 물을 생성하여 난연 효과를 얻고, 생성수에 의한 냉각 작용으로 연소를 방지한다. 분말 입자 사이즈에 따라 다양한 용도로 사용할 수 있다. 난연화 대상 수지로는 UPE, 페놀, 에폭시, 멜라민, 아크릴 등의 열경화성 수지를 비롯해 PVC, PE, PP, EVA 및 합성고무, 라텍스, 제지, 합성섬유 등이 있다. 삼화안티몬은 녹는점이 656℃로 높고, 입자가 미세하여 분산성이 좋다. 할로겐계 난연제의 난연성을 증가시키기 위한 보조제로 이용되기도 하며, 안티몬의 할로겐화물은 연소할 때 기상이 된 할로겐 화합물이 라디칼 반응을 정지시켜 난연 효과를 얻는다. 다양한 응용성과 저가의 가격이 장점이다. 난연 대상은 UPE, 페놀, 에폭시, 폴리우레탄, PVC, PE, PP, PS, ABS 등 각종 범용 합성수지와 고도의 난연 효과가 요구되는 엔지니어링플라스틱까지 광범위하게 사용되며, 투명성을 요구하는 MMA 수지에는 아직 적용되지 않고 있다. 수산화마그네슘은 연기 발생이 적고, 부식성이 낮으며, 높은 온도 안정성이 장점이다. 각종 산화마그네슘의 원료, 중간체로서 사용되고 있고, 배합량 당 난연 효과는 수산화알루미늄보다 우수하다. 분해 온도가 수산화알루미늄보다 약 100℃ 정도 높은 약 330℃에서 분해된다. 특히 적인, 카본블랙 등과 함께 사용하면 난연효과가 상당히 향상된다. 난연대상은 폴리올레핀, 나일론, PVC 등과 일부 합성고무 등에서 사용한다. 현재 가격이 싸고 유독가스 및 연기 발생을 억제하는 등의 특징을 갖고 있어 향후 안정적인 수요가 예상된다. Ⅳ. 난연제 시장 동향난연제의 전 세계 소비량은 연간 225만 톤 이상이다. IHS Consulting의 2017년 시장조사에 따르면, 수산화알루미늄은 38%의 점유율로 가장 큰 단일 난연제이며, 할로겐계 난연제는 일반적으로 상승효과를 위해 산화안티몬과 함께 혼합되어 사용되는 브롬계 및 염소계 제품으로 총 31%를 구성한다. 유기 인 및 기타 난연제(예: 무기 인화합물, 질소 및 아연 기반 난연제)는 나머지를 31%로 구성된다. 지난 10년 동안 기존 할로겐계 난연제를 보다 지속 가능한 비 활로겐계 제품으로 대체하는 추세가 있었다. 난연제의 소비는 지난 4년 동안, 특히 전자 제품에서 크게 증가했으며, 2016년에서 2021년 사이에 매년 3.1%의 연간 성장률로 계속 증가할 것으로 예측하고 있다. 난연제는 주로 플라스틱/수지 산업에서 소비되고, 섬유 및 고무 제품이 나머지 대부분을 차지한다. 아시아는 2016년 50%의 점유율로 가장 많은 양의 난연제를 소비했으며, 중국은 26%로 가장 큰 단일 소비자였다. 세계 난연제 시장의 상위 5개 업체는 2017년 전체 시장 점유율의 48%를 차지하며, 경쟁 우위로 인해 주요 업체는 국제 및 현지 시장에 더 집중하고 있다. 또한 제품 업그레이드를 통한 판매량을 늘리는 데 주력하고 있다. 예로, 2017년 10월 랑세스는 PBT, PA6, PA66를 기반으로 비 할로겐 난연제의 제품군을 확장했다. 다른 주요 회사는 BASF SE, Clariant, ICL, Italmatch Chemicals S.p.A, MPI Chemie B.V., Albemarle, Broadview Technologies, Dover Corporation 및 Thor Group Ltd 등이 있다.우리나라의 경우 난연제 시장은 종류별 시장규모가 작아 대기업은 주로 응용제품인 난연 수지 개발에 관심을 가지고 있으며, 국내 난연제 생산업체들은 중소기업으로 이루어져 있다. 국내 난연제 시장은 글로벌 메이커로부터 제품을 수입하여 공급하고 있는 수입 에이전트들이 시장을 주도하고 있으며, 수십 개의 수입업체가 각각 종류의 제품을 대규모 장치산업의 수요 기업들에게 공급하고 있는 수요자주도 시장구조이다. 글로벌 경쟁력 강화를 위한 대·중소기업 상생 방법 모색이 필요하다. 중소기업의 기술력 향상과 시장 안전성을 위한 Value chain 구조를 만들어야 하며 비경쟁 기업 간의 협력관계 또는 보완적 협력관계를 구축할 필요가 있다.Ⅴ. 난연 기준 및 특성 분석난연화 기술을 통해 난연성이 부여된 수지들의 난연성 측정 방법에는 연소속도 측정(UL94, HB Test), 연소시간 측정(UL94, Vertical Test), 산소지수(Oxygen Index) 측정 등이 있다. 제품에 의한 신체 상해, 인명 및 재산피해를 줄이고, 방지하기 위한 제품의 안전에 관한 표준 개발 및 평가를 진행하는 UL(Underwrite Laboratories Inc.)은 미국 내에서 신뢰성이 높이 평가되고 있으며, 소비자들의 선호가 높기 때문에 생산업자, 판매자, 수입업자 대부분이 요구하고 있다. 난연제 평가등급으로 활용되는 UL94는 전기전자제품 등의 난연성을 평가하는 항목으로 난연성을 시험하는 방법에는 시편을 수평으로 놓고 불을 붙여 측정하는 방법으로 UL94HB(Horizontal Burning Test)와 시편을 수직으로 세워놓고 시험하는 방법인 UL94V(Vertical Buring Test)가 있다. UL94의 난연 등급은 HB
편집부 2023-04-16
기사제목
- 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
기사제목
-‘황금 실’ 아라미드 섬유에 탄소나노튜브를 접목, 전기도 통하는 ‘검은 실’   아라미드 섬유는 무게가 강철의 20% 수준에 불과하지만, 강도는 5배 이상으로 강하고 섭씨 500도에서도 불타지 않아 ‘슈퍼섬유’ 또는 ‘황금실’이라고 불린다. 방탄복, 방화복, 광케이블 보강재, 고성능 타이어, 우주‧항공 소재 등 다양한 분야에서 필수적인 소재로 쓰이는 아라미드 섬유는 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)의 故 윤한식 박사가 1979년부터 국산화를 위해 연구해 1984년 독자적 원천기술을 확보했다.   아라미드 섬유와 탄소나노튜브 복합으로 탄생한 ‘검은 실’   KIST 전북 복합소재기술연구소 기능성복합소재연구센터 김대윤 박사 연구팀은 지난 2월 23일, 아라미드 섬유에 탄소나노튜브를 적용해 가볍고, 강하면서 불에 타지 않을 뿐 아니라 기존의 아라미드 섬유가 갖지 못했던 전기 전도성까지 갖는 새로운 복합섬유를 개발했다고 밝혔다. 새로 개발한 섬유는 탄소나노튜브로 인해 검은색을 띤다.KIST 연구팀은 누에고치에서 아이디어를 얻어 극도로 낮은 분산성을 가지는 아라미드와 탄소나노튜브를 결합하는 데 성공했다. 누에고치는 고농도의 단백질로 고강도의 섬유를 만들어내는데, 이는 액정상1)을 이용하기에 가능한 일이다. 유동성과 규칙성을 모두 가지는 액정상을 이용하면 복합섬유를 제작할 때 아라미드와 탄소나노튜브의 응집을 최소화하면서 동시에 배열을 향상시킬 수 있다. 연구팀은 액정상을 이용해 기존에 상용화된 아라미드 섬유와 같이 높은 비강도2)를 가지며, 비 전기전도도3)가 구리 전선의 약 90% 수준에 이르는 복합섬유를 구현해냈다. 액정상: 물질이 액체와 고체 상태의 중간적인 위치에 있는 상태 비강도: 물질의 강도를 밀도로 나눈 값으로 같은 질량의 물질이 얼마나 강도가 센가를 나타냄. 비 전기전도도: 물질의 전기전도도를 밀도로 나눈 값으로 같은 질량의 물질이 얼마나 전기전도도가 높은지를 나타냄.   ‘검은 실’의 인장 강도(가로축) 및 전기전도도(세로축) 성능 분포 그래프   ‘검은 실’ 개발 핵심 요소 모식도 및 에너지 수송용 전선 응용 예시   이번에 개발한 차세대 아라미드 섬유는 전기 전도성을 가지고 있음에도 불구하고 금속을 전혀 사용하지 않았기 때문에 유연하고, 부식성이 없으며, 구리 전선의 무게 대비 약 30% 수준으로 가볍다. 향후 스마트 밀리터리, 의료용 로봇, 친환경 모빌리티, 항공우주 등 다양한 분야에서 차세대 전선으로 활용될 것으로 기대된다. 김대윤 박사는 “故 윤한식 박사님은 독자 기술로 아라미드 섬유 국산화에 성공하셨지만, 후발주자였기 때문에 시장에 먼저 진출한 美 듀폰사와 오랜 시간에 걸쳐 특허분쟁을 겪었다”라며, “이번에 개발된 기술은 슈퍼섬유 시장의 판도를 바꿀 수 있는 원천기술”이라고 밝혔다.본 연구는 KIST의 K-Lab 프로그램과 NRF의 우수신진연구 프로그램의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 섬유 분야의 저명한 국제학술지인 ‘Advanced Fiber Materials’(IF: 12.924, JCR 1.923%)에 게재되었다.* 논문명: Boost Up the Mechanical and Electrical Property of CNT Fibers by Governing Lyotropic Liquid Crystalline Mesophases with Aramid Polymers for Robust Lightweight Wiring Applications- (제1저자) 한국과학기술연구원 유기현 연수생- (교신저자) 한국과학기술연구원 김대윤 선임연구원※ 논문 주소: https://doi.org/10.1007/s42765-022-00246-4   < 연구진 소개 >김대윤 박사(교신저자)○ 소속: 한국과학기술연구원 복합소재기술연구소 기능성복합소재연구센터○ 전화: 063-219-8184○ e-mail: kdaeyoon@kist.re.kr유기현 학생연구원(제1저자)○ 소속: 한국과학기술연구원 복합소재기술연구소 기능성복합소재연구센터○ 전화: 063-219-8236○ e-mail: ryukihyun@kist.re.kr  
편집부 2023-03-22
기사제목
- 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
기사제목
- 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