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이온성 액체와 그 응용 전개

  1. 이온성 액체   이온성 액체(이온 액체)는 ‘Ionic Liquids(ILs)’라고도 하며, 용융염(Molten salts)의 일종으로 상온에서 액상의 ‘염’으로 알려져 있다. 이온성 액체의 연구가 오늘날 급격히 확대된 것은 1990년대 초에 상온에서 취급할 수 있는 비클로로알루미네이트계의 상온 용융염이 등장한 것이 계기가 되었다. 이온성 액체는 이온만으로 이루어진 용매로서 물과 유기용매와는 다른 특징을 가지고 있어 ‘제3의 용매’라고도 한다. 또한 대기압에서 매우 낮은 증기압으로 존재하며 거의 휘발하지 않기 때문에 독성을 줄일 수 있어 green solvent라고도 한다. 일반적으로 불휘발성, 높은 열 안정성, 넓은 액체 온도 범위를 가지며 난연성, 높은 이온전도도 등의 폭넓은 특성을 가지고 있다. 또한 양이온과 음이온의 조합에 따라 다양한 특성을 만들어낼 수 있어 designer solvent라고도 한다. 용해력이 매우 우수하여 유기물, 무기물, 고분자를 다양하게 녹일 수 있으며 수소, 이산화탄소, 산소 등을 이용한 반응 및 분리에 유용한 용매로 사용할 수 있다. 이러한 기존 용매와 다른 독특한 특징을 가지며 이차전지, 전해질 커패시터, 염료감응 태양전지, 액추에이터, 바이오 센서, 전기화학 트랜지스터 등의 넓은 분야에 응용 전개가 기대되고 있다.  2. 대표적인 이온성 액체 이온성 액체는 음이온(anion)과 양이온(cation)의 조합으로 이루어지는 화합물이며, 조합에 따라 다수의 이온성 액체를 생각할 수 있다. 대표적인 양이온으로는 디알킬이미다졸륨이나 알킬피리디늄과 같은 방향족 아민계, 테트라알킬암모늄이나 방향족 피롤리디늄 등의 지방족 아민계, 포스포늄계 화합물이 알려져 있다. 대표적인 음이온으로는 Cl-, Br-, I-의 할로겐 음이온이나 BF4-, PF6-, CF3SO3-, (CF3SO2)2N-와 같은 불소 함유 음이온이 보고되어 있다.  3. 구조와 물성  이온성 액체의 물리화학적 성질은 다양한 양이온과 음이온의 구조 변화를 통하여 조절이 가능하기 때문에 이온성 액체를 용이하게 합성할 수 있다. 이온성 액체의 구조와 물성에 대해 많은 보고가 있지만, 기본적인 물성은 그 화학구조에 의존하고 있으며 다음과 같은 경향을 볼 수 있다.    ① 이온성 액체의 밀도는 1.3~1.7 정도이다. 이온성 액체의 분자량이 200이면 농도는 6mol/L 정도이며, 물과 비교해서 상당히 낮은 농도라고 할 수 있다. ② 이온성 액체는 양이온과 음이온으로 구성된 물질이므로 정전적 상호작용에서 예상되듯이 일반적으로 점도가 높다. 비교적 점도가 낮은 이온성 액체 1-ethyl-3-methylimi dazolium bis(trifluoroethyl sulfonyl) amide(Emim-TFSA로 약칭)에서도 28 mPas 정도로서 물보다 30배 정도 높은 점도이다. 또한 음이온 BF4 등의 이온성 액체는 흡수성이 높기 때문에 취급이나 점도의 측정에 주의가 필요하다. ③ 이온성 액체의 녹는점은 음이온 및 양이온의 구조와 밀접하게 관련되어 있다. 대표적인 염인 염화나트륨(NaCl)을 용융시키기 위해서는 800℃ 이상 가열이 필요하다. 그러나 800℃의 액체는 취급하기 어렵고 일반적인 환경에서는 사용할 수 없다. 그러므로 염의 녹는점을 낮추기 위해서는 염의 결정성을 억제하면 된다. 여기에 몇 가지 방법이 있는데 그중 하나가 이온 자체의 정전기적 상호 작용력을 약화시키는 방법이다. 정전기적 상호작용을 약화시키기 위해서는 구성 이온의 전하를 비 편재시키는 것이 가장 직접적인 방법인데, 단순히 이온의 질량을 늘리는 것만으로는 전하의 비 편재화를 달성하기 어렵다. π 공액계의 이온이나 전자 흡인성기를 붙인 음이온의 이용이 매우 효과적이다.  표1에 각종 이온의 조합으로 얻어진 염의 녹는점을 정리하였다. NaCl의 양이온을 Cs+로 치환하는 것만으로도 녹는점은 150℃ 저하한다. 이것은 양이온 반경의 증대에 따른 표면 전하밀도의 저하가 정전 상호 작용력을 약화시키기 때문이다. 양이온을 유기물로 하면 입체장애 등의 효과도 부가할 수 있어, 한층 더 녹는점의 저하를 기대할 수 있다. 예를 들어 tetrapropyl ammoniumchloride의 녹는점은 241℃이다. π 공액 전자궤도를 이용하여 양전하를 분산시키기 위해 1-ethyl-3-methylimidazolium 양이온을 사용하여 chloride염(Emim-Cl)을 만들면 녹는점은 100℃보다 낮아진다. 그다음 Emim을 사용하여 음이온을 바꾸면 녹는점은 더욱더 내려간다. 예를 들어 Emim-Cl, Emim-PF6, Emim-BF4, Emim-TFSA의 녹는점을 표 2에 나타내었다. 각각 음이온 반경이​​ 커짐에 따라 녹는점이 낮아지는 것을 알 수 있다. 간단한 해석으로는 이온반경이​​ 클수록 양이온과 음이온의 쿨롱 상호작용이 작아지므로 점도와 녹는점 모두 작아진다고 할 수 있으나 이온반경만이 점도를 줄이는 요인은 아니다.  ④ 다른 연구에서 이온반경뿐만 아니라 이온의 비대칭성이 녹는점을 낮추는 중요한 요인임을 보고했다. 예를 들어 그림 5에 나타낸 대칭성 음이온 TFSA가 많이 사용됐지만, 비대칭 구조 FTA로 하면 녹는점이나 점도가 급격히 저하되는 것이 보고되어 있어 저점도 이온성 액체의 설계에 방향이 될 것으로 여겨진다.  ⑤ 양이온의 알킬 사슬이 길어짐(분자량이 커짐)에 따라 점성이 높아지고, 녹는점 및 도전율은 낮아진다.   ⑥ 이미다졸륨 양이온의 2번째 프로톤이 알킬기로 치환되면 내환원성이 향상된다.(약 0.3~0.5V 정도)   ⑦ 이미다졸륨 양이온과 지방족 암모늄 양이온의 물성치를 비교하면 일반적으로 이미다졸륨 양이온이 점도, 융점은 낮고, 도전율은 높지만, 내환원성에 대해서는 지방족 암모늄 양이온이 우수하다(0.8V 정도).    더욱이 음이온의 조합에 따라 구조와 물성치 관계는 좀 더 복잡해진다. 이와 같이 이온성 액체의 물성은 이온 분자 크기, 분자 구조, 분자 내 전하분포, 양이온과 음이온 분자 간의 정전적 상호작용 등 다양한 요인에 따라 변화하기 때문에 예측하기 어렵다.    구조와 물성의 상관성에 관한 연구 보고가 늘어나고 있지만, 이들 장점을 모두 망라한 이온성 액체를 설계하는 것이 현재 쉽지는 않다. 따라서 목적에 맞는 이온성 액체의 특징을 살려서 설계하는 연구가 필요하다.   일반적으로 이온성 액체의 합성은 표 3과 같이 크게 3가지(음이온 교환법, 중화법, 산ester법)로 분류된다. 각각 장단점이 있으며, 정제할 필요가 없을 것 같은 중화법과 산ester법에서도 고품질 이온성 액체를 얻기 위해서는 원료나 합성 과정에서 생성될 우려가 있는 미량 불순물(할로겐 이온, 금속이온, 유기물)의 제거가 필요하다고 생각된다. 이와 같은 이온성 액체의 정제 과정을 그림 7에 나타내었다.기본적으로 용매(물이나 유기용매)에 의한 정제가 효과적이지만, 일부 친수성 이온성 액체는 효과적으로 정제가 되지 않아 흡착제에 의존하는 경우도 있다. 이 경우 흡착제에 의한 금속이온의 오염도 있기 때문에 선정에 주의가 필요하다. 4. 이온성 액체의 응용 전개  이온성 액체는 이온만으로 이루어져 있기 때문에 액체 중에 전하를 갖지 않는 중성분자가 없으며, 유기화합물이라도 알코올이나 벤젠 등과 같이 액체 중의 분자가 기체가 되어 표면에서 방출되는 현상인 증발이 일어나지 않는다. 이러한 이온성 액체의 성질은 액체가 고온에서 열분해 온도에 도달할 때까지 유지된다. 따라서, 기존의 유기화합물 액체와 같이 액체 표면으로부터 증발한 가스가 연소를 위해 공급되는 일이 없으므로 불연성, 난연성을 나타내게 된다. 더욱이 액체로서 유동성이 있기 때문에 일반 유기용매와는 달리 전계를 가하면 이온 이동이 일어나 전기가 흐른다는 것이 큰 특징이다.   그러므로 이온성 액체는 이러한 낮은 휘발성, 열적 안정성, 높은 이온전도성, 넓은 전기화학적 안정성, 낮은 증기압 등의 특성을 가지고 여러 산업 분야에서 기존의 유기용매를 대체할 수 있는 안전하고 친환경적인 용매로 검토되고 있다. 4.1 바이오매스 정제(refinery)에 사용 지금까지 바이오매스에서 가장 큰 생산물인 바이오에탄올은 옥수수와 사탕수수 등 전분계 식용 바이오매스에서 생산되고 있었지만 식량 자원이라는 문제에 직면하여, 셀룰로오스로 대표되는 목재 등의 비식용 바이오매스의 이용이 주목받고 있다. 그러나 셀룰로오스는 셀로비오스(글루코오스가 2분자 결합한 분자)가 직쇄상으로 결합한 고분자이며, 그 고분자 사슬들이 수소결합에 의해 결합된 결정구조를 형성하고 있어 가수분해가 쉽게 이루어지지 않는다. 따라서 먼저 결합을 완화하는 전처리 작업이 필요하다.  또한 셀룰로오스계 바이오매스의 경우 셀룰로오스 외에 다당류 헤미셀룰로오스나 리그닌도 복잡하게 얽힌 상태로 고분자 복합체를 형성하고 있다. 셀룰로오스계 바이오매스는 이들 3성분이 약 95%를 차지하고 있기 때문에 리그노셀룰로오스계 바이오매스라고도 한다. 이들 성분은 식물 세포벽을 구성하고 있어 이 화학결합을 전처리하여 완화하는 것이 중요하다.  지금까지 보고되고 있는 바이오매스의 당화 전처리의 대부분은 고온·고압이나 강산, 강염기 등을 사용하여 소비되는 에너지 비용이나 환경 부하에 문제가 지적되어 왔다. 이러한 문제를 해결하는 기술의 하나로 이온성 액체를 이용한 전처리 기술이 주목받고 있다. 이온성 액체가 리그노셀룰로오스계 바이오매스를 용해한다는 많은 보고가 있다. 이온성 액체를 구성하는 이온이 비교적 크고 자유도가 있는 분자 구조를 가지므로 바이오매스 처리에 적합한 다양한 종류의 이온성 액체가 합성되고 시험 되었다. 또한 이온성 액체는 증기압이 거의 없어 열적으로도 안정성이 있기 때문에 현재의 가격으로 초기 투자는 약간 크지만, 반복 사용이 가능하고 공정 전체로는 저비용으로 리그노셀룰로오스계 바이오매스의 정제를 실현할 가능성을 가지고 있다.  이온성 액체를 이용한 바이오매스 처리에 관해서는 주로 이미다졸륨계 이온성 액체를 사용한 보고 예가 많다. 또한 최근에는 글루코오스에서 에탄올로 발효할 때 요구되는 효모에 대한 저독성 이온성 액체인 콜린을 양이온으로 이용한 이온성 액체의 이용도 증가하고 있다. 음이온으로는 높은 글루코오스 당화율과 효모에 대한 낮은 독성을 얻은 아세트산콜린이 주목받고 있다.  아세트산콜린은 이미다졸륨계 이온성 액체에 비하여 원료가 저렴하며, 또한 전처리 후에 바이오매스로부터 이온성 액체를 제거할 때 바이오매스에 부착되는 경우도 적기 때문에 세정수 처리량을 억제할 수 있는 장점도 있다. 리그노셀룰로오스 정제공정 일련의 예를 그림 8에 나타내었다. 이 과정에서 특히 이온성 액체의 재사용 방법과 분리에 의해 얻어진 리그닌 성분의 이용이 중요하다. 셀룰로오스로부터 글루코오스로의 효소 당화 반응이나, 그 후의 에탄올로의 발효 기술에 관해서는 많은 연구가 진행되고 있지만, 그 잔류물로서 최종적으로 회수되는 리그닌 활용에 대해서도 더욱 연구가 필요하다. 리그닌은 그림 9에서 보는 바와 같이 페닐프로판을 기본 골격으로 하여 천연에 풍부하게 존재하는 방향족 자원이며, 분자량이 수만에 이르는 거대 고분자이다. 현재 리그닌은 셀룰로오스 펄프 산업에서 흑액으로 대량 발생하고 있지만, 연료로 주로 사용되기 때문에 화학 자원으로의 이용은 거의 없다. 그러나 향후 바이오에탄올의 생산이 진행됨에 따라 부산물로서 리그닌이 대량으로 얻어질 것이기 때문에 리그닌의 효과적인 활용이 고려되어야 한다.  리그닌의 응용 방법으로는 2가지 방향이 있다. 하나는 리그닌의 원래 구조를 살려 고분자 재료로 사용하는 방법이다. 다른 하나는 어떤 방법으로든 저분자화하여 방향족화합물로서 회수하는 방법이다. 전자의 고분자로써 사용하는 방법으로는, 예를 들면 페놀수지나 에폭시 수지의 원료로 사용하는 방법이 있다. 공항 활주로 아스팔트에는 에폭시 수지가 50% 정도 섞여 있으며, 이러한 용도로 리그닌 유래 에폭시 수지를 사용하는 것이 중국에서 이루어지고 있다. 리그닌 유래의 에폭시 수지를 사용하면 내후성이 향상된다고 한다. 특히 일반적인 유기용매에 녹지 않는 고분자량의 리그닌 반응을 이온성 액체에 용해시키면 가능할 수 있다.  두 번째 저분자화로는 바닐린산, 카테콜이나 퀴논류의 생성이 있다. 리그닌을 저분자화할 때의 문제점은 얻어진 여러 종류의 방향족 혼합물을 어떻게 사용할지이다. 한가지 해결 방법으로 펄프 공장 폐액에서 분리된 토양세균을 이용하여 디카르복실산을 생성하는 것이 제안되었다. 이 디카르복실산을 원료로 한 바이오 base 고분자(폴리아미드, 폴리에스터, 폴리우레탄 등)가 제조되고 있다.  향후 바이오매스 정제를 실현시키기 위해서는 리그닌의 화학 자원으로의 효과적인 사용에 대한 중요성이 더욱 커질 것이다. 이온성 액체 처리에서 회수되는 리그닌은 강산·강염기에 의해 처리된 것과 분자 구조가 다르고 천연에 가까운 상태의 리그닌이 회수되기 때문이다. 따라서 리그닌을 재료로 사용할 때 새로운 응용 예를 찾아낼 수 있을 것이다.바이오매스 처리에 이온성 액체를 이용했을 경우 한가지 문제점은 이온성 액체의 재활용이다. 사용 후의 이온성 액체에는 리그닌 성분이나 당류가 용해되어 용매 추출 등에 의해서도 분리할 수 없는 경우가 많다. 이런 경우에는 이온교환막을 이용하여 이온성 액체와 리그닌 또는 당 성분을 분리할 수 있다(그림 10). 이온성 액체의 크기에 따라 분리속도는 다르지만 대략 30분~60분 정도로 분리가 가능하다. 4.2 리튬 이차전지 전해질에 사용 이온성 액체는 양이온과 음이온 사이의 높은 전기적 인력으로 인해 다른 유기용매에 비하여 보통 높은 점도를 갖는다. 여기서 리튬 이차전지 전해액으로써 리튬 전도성을 갖기 위해서는 반드시 전해액 내에 리튬 염(LiPF6, LiBF4, LiTFSI, LiFSI 등)을 용해시켜야 하며, 추가된 리튬 염은 이온성 액체의 점도를 더 높이게 된다. 주로 이들의 농도는 일반적으로 점도와 전도도를 고려하여 0.1~0.5M 사이로 제어되어야 한다.  일반적 용매들은 염이 없는 상황에서 전도도를 갖지 않지만, 이온성 액체는 용매 자체가 높은 전도도를 갖는다. 그러나 리튬 이차전지의 전해액으로 사용되기 위해서는 높은 리튬이온 전도도만이 의미를 가지는데, 이온성 액체의 리튬 이동도는 보통 30% 미만이다. 리튬 이동도를 높이기 위하여 이온성 액체가 고정되어 있는 고분자 시스템이 제안되었지만, 이는 전체 전해액의 전도도(Li염 + 이온성 액체 전도도)가 낮은 문제점이 있어 실제로 적용되기 어려운 상황이다.  이와 같이 상온 이온성 액체는 높은 전도도를 갖지만, 실제 상용 전지에 사용되는 리튬 염을 포함한 이온성 액체의 리튬 이온전도도는 상용 유기 전해액 전도도의 1/10 미만이다. 낮은 전도도로 인한 높은 고저항을 배제하더라도 이온성 액체의 높은 점도로 고밀도 전극에 적용 시 전극 내 wetting이 저하되어 전지 내 전해질 저항을 높이는 제한 요소로 작용한다.  이러한 이온성 액체가 갖는 원천적 문제들로 인하여 저점도와 고전도도를 갖는 imidazolium 계열의 양이온들이 리튬 이차전지용 전해액의 후보로서 검토가 되어 왔다. 이 물질은 다른 이온성 액체에 비해 전기화학적 안전성이 크게 나쁘지는 않지만, C-2 위치에 있는 수소가 매우 acidic하여 흑연 표면에서 쉽게 분해되는 문제점을 가지며, 이로 인해 1V vs. Li/Li+에서 전해질 반응이 좋지 않은 것으로 알려져 있다. 또한 전기화학적 안전성이 높아지기는 해도 실제 전지에 사용될 정도로 높은 안전성을 지니고 있지 못한다. 이와 같이 imidazolium 계열의 낮은 환원 안전성으로 인하여 흑연이나 리튬 금속 표면에서 좋은 SEI를 형성하지 못하고 계속적인 부반응이 존재한다. 이때 TFSI나 FSI 음이온이 리튬 금속 표면의 SEI 막에서 이온성 액체 내 리튬 금속의 안전성을 향상시킬 수 있다.  음극의 경우, 이온성 액체는 불안정한 환원 전위창으로 인해 기존의 저전압 소재와 구동에서 성능이 좋지 않지만, 높은 전압에서 작동하는 음극 시스템과 조합에서는 우수한 전지 특성을 보였으며, 특히 TiO2, Li4Ti5O12와 같은 전극 소재와 결합했을 경우 우수한 성능을 나타내었다. 일반 전해액은 전기화학적 안전성이 높음에도 불구하고 열 안전성이 낮아 고온(>120℃)에서 심각한 전해액 부반응을 야기한 반면, piperidinium과 pyrrolidinium의 경우 고온에서도 상대적으로 안정적인 전기화학 특성을 보였다.  전지의 주요 음극 소재인 흑연 표면에서 대부분의 이온성 액체는 SEI를 잘 형성하지 못하며, pyrrolidinium 및 piperidinium뿐만 아니라 trimethyl-N-hexylammonium과 같은 선형 4차 암모늄이온들도 흑연층 내로 co-intercalation 되는 문제를 안고 있다. 이를 위해 흑연 표면에 SEI를 유도할 수 있는 EC나 VC와 같은 첨가제를 사용하거나, 또는 FSI와 같은 특수한 염을 가진 경우에는 초기 충·방전 과정 중에 흑연에 우수한 SEI를 형성하여 전해액으로 사용이 가능하게 한다. 이와 같이 이온성 액체가 음극 소재로의 적용 한계를 극복하기 위하여 흑연 전극 대신 비정질 탄소에 적용할 수 있으며, 이 경우에는 graphene 층으로 co-intercalation을 막아 초기 비가역을 제외하고는 우수한 가역성을 보였다. 또한 Si이나 Sn과 같이 저전압 및 고용량 소재의 경우에도 이온성 액체가 작동하는 것을 토대로 SEI의 특성에서 접근해야 할 것으로 판단된다.  양극의 경우, 전해액 안전성을 고려했을 때 상대적으로 음극만큼 심각한 문제를 가지고 있지는 않다. LiCoO2를 비롯하여, Ni/Co/Mn 사이에 다양한 비율을 갖는 NCM 소재에 적용한 많은 사례들이 알려져 있다. Layered 결정구조를 갖는 양극 활물질뿐만 아니라, LiMn2O4, LiNi0.5Mn1.5O4, LiFePO4와 같은 spinel, olivine 구조의 양극 소재에도 작동이 가능한 이온성 액체들을 쉽게 찾을 수 있다. 그러나 이들의 전해질 전기화학적 성능은 음극 표면상의 미세한 전기화학적 부반응으로 인해 완벽한 전해질로써 활용되지는 못했다.  특히 양극 소재의 경우 금속 집전체에서 이온성 액체로 인한 부식 문제에 주목할 필요가 있다. Imidazolium을 제외한 대부분의 양이온은 TFSI나 FSI와 같은 이온들과 결합하는 것이 일반적이며, 이들 음이온은 Al 표면에서 알루미늄 산화피막을 붕괴하고 우수한 알루미늄 불화 피막을 형성하지 못하기 때문에 전기화학적 부식에 취약한 특성을 갖고 있다.  이온성 액체에 bulky 음이온을 결합한 경우에 부식된 Al 이온 용해도가 높지 않아 carbonate 계열에서 TFSI와 FSI 계열 유기 전해액에 적용한 사례보다는 부식에 상대적으로 좀 더 안정적인 것으로 알려져 있다. 그러나 높은 전압과 고온에서 Al 부식을 완벽하게 막아내지 못한다.  그리고 전지 수명이나 고온 노출 등 작동 환경을 고려하면 집전체 부식 문제는 이온성 액체의 실제 적용에 있어 문제점으로 지적될 수 있다. 이온성 액체가 갖는 이러한 문제점을 해결하기 위해 이온성 액체를 그대로 전해액 용매로 사용하기보다는 기존의 전해액에 이온성 액체를 소량 섞거나 일부 치환하는 방법을 통해 많은 연구가 진행됐으며 실제 성능을 고려하면 적용 가능성이 높아 보인다. 이와 같이 이온성 액체를 전지에 적용하기 위해 계속하여 꾸준한 연구가 진행되어 오고 있다. 넓은 화학적 관점에서 이온성 액체는 높은 온도 안전성과 낮은 증기압 특성으로 전지 발화와 같은 안전성 이슈에서 높은 관심을 받고 있다. 또한 기존 전해액 대비하여 상용 전지에 사용하기에는 전도도와 전기화학적 안전성에서 성능이 부족하지만, 다양한 설계를 통해 많은 연구가 이루어지고 있다. 더욱이 고용량 전지 소재, 고분자전해질, 고체 전해질에 이온성 액체에 관한 연구가 많이 진행되고 있다.  4.3 고분자 기반의 이차전지용 고체 전해질에 사용 이온성 액체는 높은 전기용량 값과 이온전도도를 가지고 있어 이차전지, 태양전지, 바이오 센서 및 슈퍼 커패시터(capacitor) 등의 다양한 전기화학 소자에 응용되고 있다. 이온성 액체를 직접 소자에 적용하기에는 상태가 액체이기 때문에 누액의 위험성이 있다. 이러한 단점을 해결하기 위해 이온성 액체에 3차원의 network을 형성하는 고분자를 첨가하여 이온성 액체와 고분자가 갖는 우수한 물성들을 보유한 고체 이온 겔 형태 고분자전해질을 만들 수 있다.  이를 위해서 화학적 가교를 이용한 방법과 물리적 방법이 있으며, 제조된 고분자전해질은 이온성 액체의 높은 전기전도성과 고분자가 지니는 기계적 특성을 유지하면서 열적, 화학적, 전기화학적으로 높은 안정성을 보인다. 그리고 이온성 액체 기반의 고분자전해질을 슈퍼 커패시터에 도입하였을 때, 높은 전기용량과 높은 이온전도도 특성 및 우수한 기계적 특성을 보유한 에너지 저장 소자를 제조할 수 있다. 또한 물성 외에 공정 측면에서도 전기화학 소자의 상업화 및 저비용 소자 제작을 위한 연구가 활발하게 진행 중이다. 4.4 산업공정에 적용 지금까지 녹는점이 높은 본래 이온성 액체의 공업적 응용으로는 알루미늄 금속과 같은 비철금속의 전해 제련이었으나 최근 저융점 이온성 액체는 더욱 다양한 분야로 응용이 검토되고 있다. 이와 같이 이온성 액체가 현재 활발해진 것은 친환경 화학물질이라는 개념의 등장과 시기를 같이 한 것이 하나의 요인으로 생각된다. 발암성이나 지구 온난화 계수가 높아 환경 부하를 가지고 있는 기존의 유기용매를 대신하여 사용함으로써 제조공정에서 그 부담을 줄일 수 있기 때문에 새로운 반응이나 추출용매로서 이온성 액체의 응용 연구가 활발해진 것으로 추측된다.  그러나 반복 사용하기 위해서는 정제의 난점과 비용 문제 등이 있어 아직 이온성 액체를 대량으로 사용하는 산업공정까지 실용화는 이르지 못하고 있다. 공업용 적용의 한 가지 예로 다음과 같은 디알콕시페닐포스핀 PhP(OR)2 합성 공정에 이온성 액체를 응용한 예가 보고되었다.  이 반응의 부산물로 생성되는 염화암모늄염은 디알콕시페닐포스핀 중에 현탁되어 점도가 높아 교반하기 어려운 슬러리를 만들어 반응수율이 저하되었다. 이 때문에 반응에 의해 생성되는 염화수소를 중화하기 위해 사용하고 있는 트리알킬아민을 N-메틸이미다졸 C1im로 변경하여 암모늄염으로서 이온성 액체인 염화 N-메틸이미다졸륨 C1imHCl(녹는점 75℃)이 생성하도록 하였다. 이에 의해 생성물은 상분리된 액상이 되어 쉽게 분리할 수 있었다. 분리된 염화 N-메틸이미다졸륨을 강염기와 반응시켜 N-메틸이미다졸을 유리염기로써 회수하여 재사용한다. 이 방법에 의해 batch로 이루어지던 반응이 연속공정으로 가능해져 생산성을 매우 향상시키는 데 성공하였다. 현재 개발연구가 진행되고 있는 또 다른 공업적 응용으로 금속전석(電析)·도금, 가스 분리의 응용을 들 수 있다. 여기서 거의 실용화에 가깝게 연구개발이 진행되고 있는 알루미늄의 전석·도금을 예로서 살펴보면, 알루미늄의 상온에서의 금속전석은 이온성 액체 중에서도 비교적 초기에 아직 상온 용융염인 무렵부터 알킬암모늄클로로알루민산염의 산성욕(浴)으로 가능함이 확인되었다.   이 계에서 음이온은 클로로알루민산 음이온이다. CatCl과 AlCl3의 몰비가 1:1인 중성욕에서는 AlCl4-이온의 형태로 존재하며, 이 음이온으로부터 알루미늄을 환원 석출시킬 수 없다. 음극에서는 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 등 유기 양이온의 환원이 일어난다. AlCl3가 1:1보다 과잉으로 존재하는 산성욕(浴)에서 음이온은 AlCl4-이온에 AlCl3 분자가 염소 원자를 통해 가교 결합하여 2량체 음이온인 Al2Cl7-의 형태로 존재하며, 이 계의 음극에서 이 음이온의 환원에 의한 금속 알루미늄의 전석으로 양이온의 환원에 의해 소중한 2V의 전위가 일어난다. 이와 같이 상온에서 비교적 평활한 전석이 가능하고, 하지(下地)금속과 합금화가 일어나지 않는 것, 평활성을 향상시키기 위한 첨가제로서 유기계도 포함해 선택의 폭넓은 점이 이온성 액체의 특징이다. 사용하는 이온성 액체가 흡습성으로 가수분해를 받기 쉽다는 점 등의 취급이 어려운 점이 있지만 이온성 액체를 전해질로 이용하여 공업화가 가능한 공정으로서 유망하다고 보인다. 4.5 기능재료로의 응용 이온성 액체의 기능재료의 응용 전개로는 이미 일부 실용화되고 있는 대전방지제, 윤활제 및 액추에이터의 composite 전해질 등을 들 수 있다.  물질은 전자(-)와 양자(+)로 이루어진 원자로 구성되어 보통은 전기적으로 중성의 상태로 유지되고 있다. 두 물질이 서로 접근해 접촉하면 한 물질에서 전자가 튀어나와 다른 쪽 물질로 이동하며, 그 결과 접촉면에서 전하의 편향이 발생한다. 고분자와 같은 절연재료에서는 이 편향이 해소되지 않아 물질이 떨어지면 정전기 방전이 일어난다. 이 정전기는 먼지의 부착이나 정전 파괴, 도장 인쇄 불량, 생산효율 저하, 발화 원인 등 다양한 문제를 일으킨다. 대전방지제는 이 정전기의 축적을 방지하고 도전성을 높이는 재료이다.  대전방지제로는 주로 계면활성제, 무기 필러, 도전성 고분자가 사용되고 있다. 각 대전방지제의 성능 발현 메커니즘을 그림14에 나타내었다. 계면활성제의 경우 수지 표면에 계면활성제가 bleed out하고, 대기 중의 수분을 흡착하여 수분 막을 형성한다. 이 막의 내부에 있는 자유전자에 의해 전하가 중화 및 지연되어 대전 전위가 낮게 억제된다. 단점으로는 습도 의존성과 닦여 나가기 때문에 성능 지속이 어렵다. 무기 필러와 도전성 고분자의 경우는 수지 내에 연속상 또는 network 형성에 의한 도전체 거동으로 대전 전위가 낮게 억제된다. 단점으로서 무기 필러의 경우는 투명성을 손상시켜 외관 불량, 도전성 고분자 경우는 첨가량이 많기 때문에 수지 성능을 유지하기 어려운 문제점이 있다. 이러한 문제에 의해 기존의 대전방지제로는 고성능 요구에 대해 적용의 한계에 부딪힌다.  한편, 대전 방지 성능이 우수한 이온성 액체로 고성능이 요구되는 전자부품에 대해 적용할 수 있다. 이온성 액체는 이온만으로 구성되어 분자성 용매의 첨가 없이 높은 이온전도성을 발휘하는 우수한 전기적 특성을 가지고 있다. 이온성 액체의 대전 방지 성능의 발현은 기존 대전방지제의 메커니즘과는 달라서, 수지와의 상용성 정도를 조정하여 수지 표면 부근에 이온성 액체 농도를 편재시키고 수지 표면에 발생한 전하의 편향을 중화함으로써 성능을 발현한다. 이 메커니즘으로 계면활성제의 단점이었던 대전 방지 성능의 습도 의존성을 개선할 수 있다. 또한 수지와의 상용성을 조정함으로써 투명성을 유지하면서 대전 방지 성능을 발현할 수 있으므로 무기 필러나 도전성 고분자의 단점도 개선할 수 있다. 일반 윤활유는 유기물질의 분자성 액체이며 고온에서는 증발, 인화 위험성이 있다. 또한 점도를 낮추기 위해 분자량을 작게 하면 증기압이 올라가 필요한 액량을 확보할 수 없는 경우가 있다. 이온성 액체는 분자성 액체의 수십 배에 이르는 강한 이온 간 상호작용에 의해 비휘발성, 난연성이 뛰어나 기존 윤활유가 가진 단점을 극복할 가능성이 있다. 또한 액체 온도 영역이 넓고 증기압이 없어 높은 진공, 우주 등 특수 환경하에서의 용도도 기대할 수 있다.  액추에이터(actuator)는 에너지를 주입하여 신축, 굴신(屈伸), 선회 등 단순한 운동을 하는 디바이스이며, 모터나 엔진 등 지속적으로 동력을 발생시키는 것과는 구별된다. 예를 들어 일정한 조건 하에 시트상태 겔 전해질을 제작하고, 양면에 금속을 증착하여 블로킹 전극으로 하며 시트 수직 방향으로 전압을 가하면 시트의 굴곡이 일어나는 경우가 있다. 전압의 극성을 뒤집으면 반대쪽으로 완곡한다. 운동 메카니즘에는 전해질의 양이온, 음이온의 크기나 수율이 관계하고 있다고 하나 완전히 해명되어 있지는 않다. 이 전해질로서 테트라플루오로붕산부틸메틸이미다졸륨 등의 이온성 액체를 사용하여 전압 응답성이 좋은 액츄에이터가 개발되고 있다.   전압 응답성을 향상시키기 위해 이온을 흡수하는 호스트 물질과 복합화시킨 도전성 폴리머를 전극으로 하는 연구가 이루어지고 있다. 이온성 액체가 비휘발성이기 때문에 용매 고갈을 막기 위한 밀봉이 필요하지 않은 것이 장점으로 생각된다. 특수 환경하에서의 작업 로봇 등으로 응용이 기대되며, 그밖에 열유체나 컴프레서 등의 응용도 검토되고 있다. 4.6 기기분석으로의 응용  이온성 액체는 기체 크로마토그래피(LC)의 액상 컬럼용으로 이미 상용화되어 있다. 높은 극성과 내열성을 가지는 것이 특징으로, 광범위한 온도 영역에서 사용가능한 것이 다수 시판되고 있다. 또한 이온성 액체가 비휘발성이고 진공 하에서도 취급할 수 있는 것, 도전성인 것을 이용하여 SEM 관찰에서 절연체 표면에 금속 증착 대신에 이온성 액체를 도포하여 대전을 방지하고 선명한 상이 얻어지는 것을 발견하였다. 또한 식물이나 동물과 같은 생체 시료의 수분을 이온성 액체로 치환하여 건조에 의해 변형되지 않고 시료 상을 얻는 기술도 확립되어 있다.  또한 SEM 내에 이온성 액체를 전해질로 하는 전해 셀을 설치하여 금속전석 등의 전기화학 반응에 따른 형태 관찰, 이온성 액체 중에 시료를 분산시켜 실시하는 TEM 관찰도 전개되고 있어 전자현미경 기술에 큰 획을 그었다. 그밖에 XPS 등과 같이 높은 진공에서 이루어지는 다른 분광법으로의 응용도 검토되고 있다. 그림 19는 인공투석용 중공사막 표면의 SEM 관찰 예이다. 기존 절연재료의 표면구조를 관찰하려면 저가속 전압 관찰법에 의해 charge up을 억제할 필요가 있었다. 그러나 다공질 인공투석용 중공사막과 같이 저가속 전압 관찰에서도 charge up 해버려 SEM 관찰이 어려운 재료도 있으며, 이런 재료에 있어서는 이온성 액체에 침지 처리하는 것이 효과적이다. charge up 없이 표면 형상을 관찰할 수 있고, 본래의 함수 상태에 가까운 형상으로 관찰도 가능하다.   그림 20은 리튬이온 전지용 세퍼레이터의 단면 가공·관찰 예이다. 다공질 형태의 절연재료라도 이온성 액체 중에 침지하여 내부까지 이온성 액체를 침투시킬 수 있다. 이 상태에서 FIB(focused ion beam) 가공을 하면 충전 없이 단면 가공 및 SEM 관찰을 할 수 있다. 리튬 전지용 세퍼레이터의 관찰에서 데미지 없이 FIB 가공과 SEM 관찰을 할 수 있다.4.7 에너지 저장 매체로의 응용 CO2의 분리·회수는 CO2가 환경으로 방출되는 양을 감소하거나 CO2를 자원화하는데 있어서 매우 중요한 기술이다. CO2를 분리·회수하는 기술은 많은 연구기관이나 기업이 개발하며 여러 가지 방법이 제안되고 있다.  일반적으로 사용되는 아민 수용액을 이용한 화학 흡수법은 실온에서 흡수시킨 CO2를 회수하기 위해 120℃ 가까이 가열할 필요가 있어 흡수액 재생에 큰 에너지 비용이 드는 것이 문제였다. 이 문제를 해결할 수 있는 흡수액으로서 기대되고 있는 용매의 하나가 이온성 액체이다. 이온성 액체는 실온에서 액체가 되도록 분자 구조가 고안된 염으로 유기용매와 달리 휘발성이 매우 낮고 난연성 용매이다.  CO2 분리·회수 공정 설계에 중요한 CO2 회수량에 주목하여, CO2와 용매가 화학 반응하지 않는 물리 흡수에서는 CO2와 흡수액의 상호작용(엔탈피 효과)뿐만 아니라 흡수액 용액 구조의 변화(엔트로피 효과)를 고려한 분자설계가 중요하다. 예를 들어 음이온 전하를 비 편재화하고 이온 간 정전기 상호작용을 약화시킨 테트라시아노보레이트염은 기존 이온성 액체에 비해 엔트로피적인 우위를 나타낸다.  그 CO2 물리 흡수량은 기존 이온성 액체 중에서 가장 많아 CO2 회수량이 상용 물리 흡수액보다 뛰어난 것이 확인되었다. 한편, CO2와 용매가 화학 반응하는 화학 흡수에서는 CO2의 분리·회수를 온도 swing으로 실시한다. 그 때문에 CO2와 흡수액이 반응한 착화합물의 열역학적 안정성을 제어하여 CO2 흡수량의 온도의존성을 크게 하는 것이 중요하다. 이와 같이 이온성 액체의 설계기술을 활용하여 기존의 고분자막 보다 CO2 선택률이 높고, CO2 분리속도가 빠른 이온 액체막을 개발하는 것이 가능하다.  5. 맺음말 이온성 액체의 연구개발이 활발해진 지 벌써 4반세기를 지나고 있으며, 그동안 많은 기초연구, 응용 연구가 축적되어 그 특이적인 구조나 물성에 대해 다양한 지식이 쌓아져 왔다. 낮은 증기압, 우수한 열특성, 전기화학적 안정성, 높은 전기용량과 이온전도도를 가지고 여러 다양한 분야에서 활용되고 있으며, 향후 응용에 관한 연구 분야도 비약적으로 확대될 것으로 기대된다.  현재까지는 우수한 물성과 응용 잠재성에도 불구하고 산업적으로는 그 사용량에 있어서 실용화가 다소 더디게 진행되고 있다. 향후 이온성 액체가 큰 시장을 형성하기 위해서는 제조공정에서의 저비용화가 과제가 될 것으로 생각된다.        
편집부 2025-06-17
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MuCell 미세 세포 발포 기술: 경량화 및 지속 가능한 제조를 위한 최적의 솔루션

MuCell 기술은 자동차, 전자, 의료, 스포츠 용품 및 친환경 제조와 같은 산업에 널리 적용되었습니다. 경량화 및 탄소 감소 추세가 확대되면서 지속 가능하고 효율적인 제조에서 주요 돌파구가 되었습니다. 특히 운송 및 자전거 산업에서 MuCell은 플라스틱 사용을 줄이는 동시에 제품 강도와 내구성을 향상시켜 탄소 발자국을 더욱 줄이는 경량화 솔루션을 제공합니다. MuCell 기술 개요 MuCell(Microcellular Injection Molding) 기술은 1980년대에 매사추세츠 공과대학(MIT)의 Nam P. Suh 교수와 그의 연구팀이 개발하여 1990년대에 상용화되었습니다. MuCell 기술의 핵심은 초임계 유체(SCF) 기술을 사용하여 용융 플라스틱에 이산화탄소(CO₂) 또는 질소(N₂)를 주입하여 균일한 미세 세포 구조를 형성하는 것입니다. 이 공정은 재료 소비를 줄이고 제품 무게를 줄이며 제품 성능과 처리 효율성을 모두 개선합니다. MuCell 기술의 개발 역사 1980년대 – 개념 형성 및 초기 연구 MIT 연구진은 용융 폴리머에 물리적 발포제로 CO₂ 또는 N₂를 주입하여 균일한 미세 세포 구조를 형성하는 초임계 유체(SCF) 공정을 개발했습니다. 초기 목표는 치수 안정성, 휨 제어 등의 기계적 특성을 향상시키는 동시에 재료 사용량을 줄이는 것이었습니다. 1990년대 – 산업 응용 및 특허 개발 MIT의 연구 성과는 MuCell 기술의 상용화로 이어졌고, 이 기술을 홍보하고 전용 장비를 개발하는 데 특화된 Trexel, Inc.의 설립으로 이어졌습니다. Trexel은 자동차, 전자, 의료 기기 등의 분야에 MuCell 기술을 적용하기 시작했으며 가스 제어 시스템, 금형 설계, 사출 성형 공정 최적화를 포함한 다수의 특허를 취득했습니다. 2000년대 이후 – 글로벌 확장 및 기술 최적화 기술이 성숙해지면서 MuCell은 유럽과 아시아 시장에서 적용하기 시작하였고. 자동차 경량화(연료 소비 감소)와 지속 가능한 에너지(플라스틱 사용 감소)에 대한 수요에 힘입어 많은 회사가 MuCell 솔루션을 채택했습니다. 다양한 응용 프로그램 요구 사항을 충족하기 위해 MuCell 기술은 다음을 포함하도록 더욱 발전했습니다. - 고정밀 발포 제어 (3C제품 및 정밀가공용)- 하이브리드 발포 기술(강성 및 기계적 강도 향상)- 최근 몇 년  스마트 제조 및 지속 가능성 MuCell 기술은 스마트 제조(예: 산업 4.0)에 통합되어 데이터 모니터링과 자동화를 통해 프로세스 안정성을 향상시켰습니다. MuCell의 개발은 더 이상 플라스틱 사용을 줄이고 부품의 강성을 유지하는 데 국한되지 않습니다. 초경량, 고반발 신발 밑창, 소음 감소, 단열, 차가움 유지 산업 제품, 생체 모방 의료 응용 분야와 같은 새로운 응용 분야가 계속 등장하고 있습니다. 많은 회사에서는 MuCell 기술을 재활용 가능한 플라스틱과 결합하여 지속 가능성을 더욱 개선하고 있습니다. 예를 들어, 바이오매스 기반 또는 재활용 소재를 사용하여 탄소 발자국을 줄이는 것입니다.  신발 밑창의 MuCell 응용 MuCell 성형 공정 전통적인 사출 성형과 비교했을 때 MuCell은 초임계 유체를 주입하는 추가 단계를 추가합니다. 자세한 단계는 다음과 같습니다. 1단계: 플라스틱 용융 – 열가소성 플라스틱(PP, ABS, PC 등)이 사출기 내부에서 용융되어 뜨겁고 점성이 있는 용융물을 형성합니다. 2단계: SCF 주입 – 고압 하에서 소량의 CO₂ 또는 N₂를 배럴에 주입하여 용융물을 가스로 균일하게 포화시킵니다. (최근에는 저압물리발포 기술도 개발되어 친환경적인 제조공업으로의 발전을 이루고 있습니다.) 3단계: 사출 성형 - 가스로 포화된 용융물을 금형에 사출합니다. 압력 강하로 인해 가스가 팽창하여 미세 기포를 형성하여 더 가볍고 균일한 내부 구조가 됩니다. 4단계: 냉각 및 배출 – 냉각 및 응고 후 미세 세포 구조는 안정적으로 유지되어 가볍고 강도가 높은 발포 플라스틱 부품이 생산됩니다. MuCell의 환경 및 에너지 절약 이점 MuCell(미세 세포 사출 성형)은 재료 절감, 에너지 사용량 감소, 생산성 향상, 경량 설계, 재활용 재료 사용을 통해 에너지 소비와 탄소 배출을 크게 줄여 기업의 지속 가능성과 탄소 중립 목표를 충족합니다. 재료 감소 ▶ 플라스틱 제조로 인한 탄소 배출량 감소 기존의 사출 성형에는 대량의 순수 플라스틱이 필요하지만, MuCell은 미세 다공성 발포를 통해 플라스틱 사용량을 10~20% 그이상도  줄일 수 있습니다. 플라스틱 제조로 인한 탄소 배출: 신품 PP, ABS, PC는 생산된 kg당 2.5~6kg의 CO₂를 배출합니다.   MuCell은 원료 사용량을 5~20% 절감하는데, 이는 플라스틱 1톤을 생산할 때 125~1,200kg의 CO₂를 줄이는 효과와 같습니다. 예를 들어, 매년 1,000톤의 플라스틱을 사용하는 공장은 MuCell을 사용함으로써 200톤을 절약할 수 있으며, 250~1,200톤의 CO₂를 줄일 수 있으며, 이는 11,000~55,000그루의 나무를 심는 것과 같은 효과(나무 한 그루당 1년에 약 22kg의 CO₂ 흡수)입니다. 사출 압력 및 기계 전력 사용량 감소 ▶ 성형 중 탄소 배출 감소 전통적인 사출 성형 대 MuCell: 기존 성형에는 고압 금형 충전이 필요합니다. MuCell은 충전 압력을 30%~50% 줄여 사출기 에너지 사용량을 10%~40% 줄입니다. 사출기는 공장 전체 에너지 사용량의 약 60%를 차지합니다. 발전으로 인한 CO₂ 배출량은 평균 약 0.5kg/kWh입니다(에너지원에 따라 다름). 예: 연간 1,000만 kWh의 전력을 사용하는 공장에서 MuCell을 통해 에너지를 20% 절약하면 약 1,000톤의 CO₂를 줄일 수 있습니다. 이는 91,000그루의 나무가 흡수하는 CO₂와 동일합니다. 더 짧은 사이클 타임 ▶ 향상된 생산성, 추가적인 탄소 감소 MuCell은 냉각 및 포장 시간을 15%~50% 단축하여 다음과 같은 효과를 제공합니다.단위 시간당 생산량이 더 높으므로 동일한 에너지 입력으로 더 많은 부품을 생산할 수 있어 부품당 배출량이 줄어듭니다. 기계의 유휴 또는 대기 시간이 줄어들어 에너지 낭비가 최소화됩니다.기계 생산성이 20% 증가한다고 가정하면 동일한 생산량을 20% 더 적은 에너지로 얻을 수 있으며, 그에 따라 CO₂ 배출량도 감소합니다. 제품 무게 감소 ▶ 운송 탄소 발자국 감소 자동차 산업 응용 프로그램 MuCell은 자동차 내부 부품(대시보드, 시트 프레임, 도어 패널 등)의 무게를 10~30%까지 줄일 수 있습니다. 차량 무게가 100kg 감소하면 연료 차량의 CO₂ 배출량이 킬로미터당 약 8~10g 감소합니다. 전기 자동차의 에너지 소비량도 줄어듭니다. 자동차 무게를 5~20% 줄이고 이를 10만 대의 차량에 적용하면 연간 250~1,000톤의 CO₂를 줄일 수 있다. 이는 나무 22,500~90,000그루를 심는 효과와 같다. 전자 및 포장재 플라스틱 하우징과 포장재의 무게를 줄이면 운송 중 연료 소비를 줄이고 온실 가스 배출을 줄이는 데 도움이 됩니다. 자동차 에어덕트 패널 / 자동차 헤드램프 하우징 / AI 로봇 쉘 재활용 플라스틱( PCR) 결합 ▶ 탄소 발자국 더욱 감소 버진(신재) 플라스틱 vs. 재활용 플라스틱 탄소 배출량 비교신재 플라스틱(PP, ABS, PC)은 생산된 kg당 2.5~6kg의 CO₂를 배출합니다.재활용 플라스틱(PCR)은 1kg당 1~2kg의 CO₂를 발생시키는데, 이는 순수 소재보다 50~80% 낮습니다. MuCell이 플라스틱 사용을 30% 줄이고 PCR을 50% 결합하면: 1,000톤의 플라스틱에서 발생하는 배출량은 CO₂ 5,000톤에서 CO₂ 1,500톤으로 70% 감소할 수 있습니다. - 이는 318,000그루의 나무가 1년에 22kg의 CO₂를 흡수하는 것과 같습니다.- MuCell은 또한 다음과 같은 방법으로 재활용 플라스틱의 사용을 향상시킵니다.- 재활용 소재의 강성 손실을 보상하기 위해 기계적 강도를 향상시킵니다.- 사출 온도와 압력을 낮춰 열적 저하를 줄이고 가공성을 개선합니다. MuCell은 신규 플라스틱의 사용을 줄일 뿐만 아니라 재활용 소재의 적용성을 높여 지속 가능한 플라스틱의 잠재력을 확장합니다. MuCell 기술의 전반적인 탄소 감소 이점 영향 카테고리 탄소 감축 효과 플라스틱 사용 줄이기 원자재 10%~20% 절감, 플라스틱 제조 배출 감소낮은 주입 에너지 전기 사용량 10~40% 감소, 공장 배출량 감소생산 효율성 향상 15%-50% 더 짧은 사이클 시간, 운영 배출량 감소가벼운 디자인 10%~30% 더 가벼운 제품, 운송 중 배출되는 양 감소재활용 소재 대 원재료 원자재 생산 배출량 50%~80% 감소낮은 스크랩 및 결함율 플라스틱 폐기물 및 폐기물 배출물 10%~50% 감소 모빌리티 및 자전거 산업에서의 MuCell 기술의 적용 사례 MuCell 기술은 자전거, 전기 스쿠터, 오토바이 및 스포츠 용품 분야에서 폭넓게 적용될 것으로 예상되며, 특히 중량 감소, 강도 향상 및 생산 에너지 소비 감소 에 중점을 두고 탄소 감축과 지속 가능성을 지원할 것입니다. 자전거 산업에서 MuCell의 적용. 목표: 탄소 섬유와 알루미늄 부품에 사용되는 플라스틱 지지 구조의 무게를 줄여 전반적인 에너지 효율성을 개선합니다. 자전거 부품의 MuCell 기술:  자전거 프레임 내부 플라스틱 보강재 → 무게 5~10% 감소 예상자전거 조명 및 e-assist 시스템용 플라스틱 하우징 → 플라스틱 절감률 25%로 추산안장 및 핸들바용 발포 플라스틱 부품 → 강성 추가 시 무게 약 15% 가벼워질 전망에너지 및 탄소 감축 결과: 자전거 한 대당 300~500g의 CO₂를 줄일 것으로 예상됩니다.연간 자전거 생산량 50만대 = CO₂ 15,000~25,000톤 감소, 나무 136만그루 심는 효과  MuCell + 재활용 플라스틱 = 최적의 친환경 제조 솔루션 MuCell 기술을 재활용 플라스틱(PCR)과 결합하면 경량화가 가능할 뿐만 아니라 환경적 이점도 향상되어 탄소 배출량 감소, 원자재 폐기물 감소, 보다 지속 가능한 생산 공정을 달성할 수 있습니다. 이러한 조합은 산업 전반에 걸쳐 최상의 친환경 솔루션을 제공합니다. 주요 이점은 다음과 같습니다. ▶신재 플라스틱 사용 감소  ▶탄소 배출량 감소 ▶지속 가능한 제조 지원     ▶비용 절감 MuCell + 재활용 플라스틱은 무게를 줄이고, 원자재를 절약하고, 탄소 배출량을 크게 낮추고, 에너지 사용을 줄이고, 플라스틱 폐기물을 줄이는 효과가 있습니다. 1톤의 플라스틱을 절약하면 1,250~2,000kg의 CO₂가 감소합니다. 이는 113,000~181,000 그루의 나무를 심는 것과 같습니다.이러한 녹색 제조 기술은 기업이 탄소 중립 목표를 달성하고 지속 가능한 개발로의 전환을 촉진하는 데 도움이 됩니다.재활용 플라스틱과 결합된 MuCell 기술은 지속 가능성, 탄소 감소, 경쟁력 있는 제조를 위한 최적의 전략입니다!  위자료는 FCS 한국총판인 MD코리아에서 기사 소스를 제공해주셨습니다.문의: ㈜엠디코리아 031-365-4788 / hslee@md-korea.com​더 많은기사는 핸들러전문지에서 보실수 있습니다.https://www.ihandler.co.kr   
취재부 2025-05-20
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생체 의료용 Polyolefin 연구개발 동향

  Ⅰ. 서론     의료용 고분자는 질병을 진단, 치료하는 데 사용되고 질병이나 사고로 손실된 부위를 대체하는 목적으로 사용되는 재료이며, 인체 내 면역거부반응 없이 반영구적으로 기능을 유지할 수 있어야 한다. 또한 최종 제품으로 응용성 및 활용성 측면을 고려할 때 구성 성분이 다양하고 물리 화학적 개질이 용이하여 여러 가지 기능을 도입할 수 있는 고분자 소재가 각광을 받고 있다. 고분자가 의료용 재료로 사용됨에 있어, 재료는 생체적합성과 생분 해성, 멸균성, 기계적성질과 성형 가공성 등을 갖추어야 한다.1 폴리올레핀(PO)이란 합성수지의 종류로써, 에틸렌과 프로필렌 같은 올레핀(분자 1개당 1개의 이중결합을 포함하고 있는 탄화수소)을 첨가중합 반응시켜 만드는 유기물질이다. 폴리프로필렌(PP)은 탁월한 특성을 지니고 있어 다양한 제품의 주성분이 된다. 내구성이 뛰어나고 내열성이 있으며 대부분의 화학적 부식에 견딜 수 있다. 또한 독성이 없어 의료기기와 식품 보관과 같은 응용 분야에 특히 유용하며 생체재료에 가장 많이 사용되는 재료 중 하나로서, 대표적으로 주사기 몸체를 만드는 데 주로 사용된다. 산화와 장시간의 자외선 노출에 취약할 수 있지만, 항산화 첨가제로 이 문제를 해결할 수 있다.  폴리에틸렌(PE)은 높은 경도와 소수성을 가지고 있으며, 밀도에 따라 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 구별된다. [그림 1] PE와 비닐아세테이트의 공중합체인 폴리에틸렌비닐 아세테이트(PE VAC)는 FDA 승인을 받은 재료로써 약물 전달용 재료로 사용되고 있다. PE와 PP는 상업적으로 가장 많이 쓰이는 고분자이며, 폴리 메틸 펜텐(PMP), 폴리부텐-1(PB-1), 폴리올레핀 엘라스토머(POE), 폴리올레핀 플라스토머(POP) 등이 있다.2-4 Ⅱ. 본론 PO는 다양한 용도의 제품으로 제작하기 용이하며 낮은 밀도, 손쉬운 재활용성, 다양한 공정성 등 우수한 비용/성능적 가치를 지니고 있다. 의료용 임플란트, 의료기기 및 약재 포장지 등의 생산 시 PO 제품이 적용되며 바이알, 병 및 주사기, 의료용 튜브, 혈액백 및 유체백 등이 PO의 대표적인 사용처이다.5 [그림 2] 1. 의료용 PE  PE는 플라스틱 소재 중에서 가장 원료 가격이 싸고 가공하기 쉬운 소재 중 하나이다. 플라스틱은 여러 종류의 단량체와 그 배합에 따라 다양한 특성을 가질 수 있지만, PE는 매우 간단한 구조를 가진 고분자 소재이며, 많은 방법으로 가공이 가능하다. 일반적으로 상용화되고 있는 PE는 HDPE, LDPE의 두 종류로 분류되지만, 이 외에도 탄성이 뛰어난 EVA, 고강도의 UHMWPE 등이 있다. 각각의 강도나 내화학성 등의 기계적, 화학적 특성은 다르지만, 기본적으로 용기류, 필름, 시트 등에 주로 사용된다. PE는 가공하여 재활용할 수 있는 재료이다. PE 제품을 펠릿 형태로 분해하여 녹인 후 재활용하는 경우가 많지만, 최근 3D 프린팅 기술의 등장으로 인해 Fused Deposition Modeling(FDM) 기술을 사용하여 3D 프린터의 필라멘트로도 사용할 수 있다. PE의 가장 큰 특징은 저렴한 가격과 쉬운 가공 때문에 대량 생산이 가능하다는 점이다. 또한 -20℃까지 견딜 수 있는 내한성을 가지고 있으며, 방수와 보온 등이 우수하다. 반면, PE 제품들은 고온에 취약하며 접착성이 낮다는 단점이 있다.6 1.1 HDPEHDPE는 0.941g/㎤ 이상의 밀도이며, LDPE 보다 강도가 높고 내화학성 및 전기 전도성이 우수하다. 고분자 사슬의 곁가지가 적기 때문에 분자 간 힘과 인장 강도가 강하여 인공 요도, 인공 폐, 인공 후두 및 힙 조인트(hip joint)의 골두를 지지하는 재료로 사용된다.7 하지만 PP보다 강도가 낮으며, UV 내성과 내열성이 열악하며 균열에 취약하다는 단점이 있다.8 [그림 3] 1.2 LDPE  LDPE는 0.910~0.925g/㎠의 밀도이며, LDPE는 우수한 기계적, 화학적 특성을 가지며 독성이 낮고 매우 안정적이어서 의료 일회용품이나 의약품 포장재로 주로 쓰인다.7 특히 LDPE는 열봉합성, 내화학성, 내습성이 좋고 무미, 무취하여 연고나 의료약품 포장으로 자주 사용된다. 하지만 강도가 낮고 고온에 약하여 고온 응용 제품 개발에 제한이 된다. 또한 여러 가지 화학 물질에 대한 내성이 우수하여 방호복, 위생 장갑, 수술용 장갑 등에 사용되고 있다.9,10 1.3 LLDPE  강도와 가공성은 물론 투명성, 환경 적응력이 우수해 각종 사업용 포장재, 식품 포장재, 타포린 코팅 등의 원료로 사용되고 있다. LLDPE는 LDPE와 비슷한 성질을 가지고 있으나, 비닐을 제작하는 데 더 특화된 제품으로 많은 종류의 비닐에 사용된다.7  1.4 EVA  EVA는 에틸렌과 초산 비닐 단량체를 공중합시켜 얻어지는 중합체를 의미하며, 기본적으로 LDPE의 성질을 띠면서 VA의 함량에 따라 기본 성질을 설명할 수 있다. 예를 들어 VA 함량에 따라 결정화도, 투명도, 유연성, 녹는점, 용해도 등이 확연히 달라지기 때문에 다양한 제품을 제작하는데 용이하다. 의료용으로는 일회용 장갑, 피딩백, 깁스 신발 등에 주로 사용된다.7, 11 1.5 UHMWPE  분자량이 매우 높은 PE 수지로써 350만~1,050만g/mol의 분자량을 가지며, 극저온에서도 그대로 유지되는 고충격 강도이며, 아주 강한 충격(응력)을 가해도 금가지 않는다. 용융 점도가 매우 크며 내마모성, 자기 윤활성, 고응력에서의 에너지 흡수량 등 각종 기계적성질이 우수하다. UHMWPE를 이용한 인공 고관절 치환술은 고관절 골괴사, 골성 관절염, 류마토이드 관절염 등 고관절 질환의 기능 향상과 통증 완화에 가장 효과적인 치료법이다.7 2. 의료용 PP 2.1 장점PP는 경제적인 의료용 플라스틱 소재이며, 증기 멸균 의료기기가 필요한 곳에 주로 사용된다. 증기 멸균에 대한 내성 외에도 여러 번 재사용 할 수 있을 만큼 좋은 내구성과 기계적 성능을 가지고 있어 재활용성이 매우 뛰어난 의료용 플라스틱이다.12 전체적인 물성은 PE와 유사하나 투명성, 인장 강도 등에서는 우월하며 다른 고분자에 비해 밀도가 낮아 가볍고 균형 있는 재료이다. 내열성이 좋고 전기 전도성이 낮으며, 독성이 없다. 또한 PE나 다른 고분자와 쉽게 공중합 될 수 있어서 순수한 PP보다 엔지니어링 응용에 굉장히 유리하다.  2.2 단점PP는 충격과 흠집에 취약할 뿐만 아니라 UV에 대한 내성이 떨어지며, 가연성이 높고 산화되기 쉬우며 높은 열팽창 계수를 가지고 있기 때문에 고온에서의 응용에 적합하지 않다는 단점이 있다.  2.3 PP의 사용처PP는 다른 많은 재료에서 찾을 수 없는 독특한 특성을 가지고 있어서 전반적으로 훌륭한 소재라고 평가받으며, 비용 대비 성능이 우수하기 때문에 폴리카보네이트와 폴 스타이렌의 대체재로 널리 사용되고 있다. PP는 의료 산업에서 약물전달시스템, 외과용 기기, 의료용 살균 트레이, 파우치, 주사기, 비커와 피펫, 의료용 마스크, 병원 일회용품 등 광범위하게 사용된다. [그림 4] 또한 PP는 비흡수성 합성 봉합사 재료로 가장 많이 사용되며 의료용 임플란트 및 탈장 교정술에도 쓰인다. UV에 약한 점을 개선한 방사선 내성 고성능 PP(HPP)가 개발되어 의료기기의 발전에 기여하였으나 비용에 대한 문제는 불가피하였다.13–17 3. 의료용 PMP PMP는 1956년 이탈리아 몬테카치나사의 너터에 의해 발명된 폴리올레핀의 하나로써 Transparent Polymer X(TPX)라고도 불린다. TPX는 1965년 영국 ICI사에서 개발된 중합체로 1973년, 미쓰이석유화학공업(주)에 제조 판매권을 전면적으로 양도하여 현재는 세계 유일의 제조 메이커가 되었다. TPX는 내화학성, 내열성 등이 좋고 가공이 용이하여 의료용 제품을 제조하기에 편리하다. 특성은 HDPE와 비슷하지만 투명하고, 알려진 고분자 재료 중 가장 낮은 밀도(0.833g/cc)를 가지고 있고 수분 흡수가 거의 없기 때문에 증기 멸균 능력이 우수하다. 이 수지는 결정성 수지이기는 하지만 무색투명한 수지로서 높은 결정성을 가지고 있으며 광 투과율이 90% 이상이다.  또한 자외선의 투과율도 유리나 다른 수지에 비해 우수하여 자외선을 이용한 혈액 분석 등의 광학분석용 기기에 사용된다. 유리 전이온도는 결정화도에 따라 다르며 78%의 결정화도에서는 14℃이고, 비결정성 고분자에서는 25℃로 폴리 설폰이나 폴리카보네이트에 비해 낮지만, 유리 전이온도 이상에서는 매우 우수한 충격 강도를 가진다.  TPX는 약 240℃의 용융점과 높은 Vicat 때문에 고온 응용 분야에 적합하여 PP나 폴리에스터 등의 수지보다는 고온에서 사용된다. 하지만 모서리 부분의 기계적 강도가 약해서 이곳에서 파괴가 일어나기 쉬우므로 제품 설계상의 모든 모서리 부분을 둥글게 할 필요가 있다. 특히 내산성, 내알칼리성이 우수하여 인공신장 부품, 주사기, 비커, 메스실린더, 안약 캡, 의약품 키트 용기, 수혈 세트, 실험기구 등에 사용되고 있다.18 [표 1] 4. 의료용 PB-1 PB-1은 우수한 기계적, 열적 및 화학적 저항 특성을 갖는 고도의 아이소택틱 열가소성 물질을 생성하는 지글러-나타 유형 촉매를 사용하여 제조된 PO이며, 중합체의 전형적인 특성과 일부 기술적 특성을 조합한 것이다. 또한 PP 및 PE와 같은 다른 PO의 특성을 개질하기 위한 블랜드 요소로 사용되기도 한다. PB-1은 인체 피부에 직접 사용되는 민감성 접착제와 다양한 의료용 접착제들과 혼합하여 사용 가능하다.19 5. 의료용 POE PO는 밀도가 낮을수록 고무와 같은 탄성을 가지므로 초저밀도(밀도 0.885g/㎤ 이하)의 PO를 폴리올레핀 엘라스토머(POE)라고 하고, 그보다 높은 밀도(밀도 0.885~0.915g/㎤)의 PO는 탄성보다는 가소성을 가지기 때문에 폴리올레핀 플라스토머(POP)라고 한다. POE 및 POP는 130℃ 이상의 고온에서 고활성이면서, 에틸렌과 공단량체의 공중 합성이 뛰어난 메탈로센 촉매 기술 및 저밀도 제품을 제어할 수 있는 공정 기술이 바탕이 되어야 제품화할 수 있는 기술 장벽이 매우 높은 제품이다. POE는 주성분이나 화합물 제형의 가치 향상 성분으로서 열가소성 또는 열경화성 적용에 적합하며, 탁월한 탄성, 강도, 저온에서의 연성을 가지고 있으며, 열 안정성과 UV 저항성이 우수하다. 의료분야에서는 의료기기 튜브, 혈액 주머니 등에 사용된다.20–22 6. PO의 장점 및 기술개발 필요성   의료 수요가 급증하면서 정부, 기업과 개인 차원의 비용 관리가 중요한 문젯거리가 되었다. 이에 의료 응용 분야에서의 플라스틱 사용은 계속해서 증가하고 있다. 유리, 금속과 같은 비 플라스틱 재료나 신세대 의료기기가 개발됨에 따른 소재의 업그레이드가 계속해서 이루어지고 있음에도 불구하고 PO는 뛰어난 특성 프로파일과 사용 가치가 결합되어 대체 재료로 점점 더 많이 사용되고 있다. 오늘날 PO는 컨테이너 및 클로저 시스템과 같은 많은 제약 패키징 솔루션의 필수 요소이다. 또한 약물 전달 시스템, 주사기, MDPI 또는 비강 스프레이와 같은 의료기기 및 IOL 구성 요소를 통한 중앙부 및 주변부의 수술과 관련된 기기, 민감한 수술(반월상 연골 파열, 기관 식도 천자 등)을 위한 기기를 조작하는 동안의 보호를 위한 피복과 같은 용도로 널리 사용된다. 규제, 경제 변동 및 고객 민감도가 지속적으로 증가하는 상황에서도 의료 응용 분야에서 플라스틱의 사용은 계속 증가하고 있다.23 PVC는 의료용 튜브의 제조에 널리 사용되는 열가소성 물질이다. 또한 혈액백 및 기타 깨지지 않은 용기의 제조에도 사용된다. PVC 백은 부드럽고 유연하며 소음이 없고 악취 발생을 방지하기 때문에 의료기기 제조에 광범위하게 사용되어 왔다. 하지만 연질 PVC 바탕의 의료용 튜브는 약물이 통과하면서 환경 호르몬인 프탈레이트계 가소제가 용출되어 혈액에 유입된다는 사실이 각종 논문과 보도에 의해 널리 알려지게 되었다.  이에 국내외적으로 연질 PVC를 금지하고, 대체할 수 있는 방안을 모색하는 데 힘쓰고 있으며 또한 극성 약물이 PVC 튜브 내부에 흡착되어 약물 효능이 감소할 뿐만 아니라 약물의 종류별로 흡착도가 달라져 효능이 정확하지 않다는 사실이 널리 알려지게 되었다. 따라서 위의 문제를 해결하기 위한 새로운 소재의 의료용 튜브에 대한 개발이 불가피한 상황을 직면하게 되었다. PO 수지는 탄소 및 수소원자로만 이루어져 있기 때문에 일반적으로 극성인 약물에는 흡착성이 현저하게 떨어질 것이라고 예상하였으며, 특수 촉매 기술을 이용하여 제작된 PO 수지는 가소제를 쓰지 않아도 우수한 유연성 즉, 엘라스토머의 특성을 지닐 수 있다는 것을 근거로 하여 환경 호르몬의 방출이 적고 약물 흡착성이 떨어지는 적합한 PO 수지, POE 등으로 구성된 많은 의료용 튜브의 개발이 계속되어왔다.24 [그림 5-1, 2]  약물별 흡착 사례를 살펴보면, 니트로글리세린의 경우 투입 시 수액 백을 통과하여 도달하는 약물의 43%까지 손실된 사례가 보고된 바 있다. 또한 벤조디아제핀계 약물, 아미오다론, 이소소르비드 질산염, 페노티아진, 티오펜탈 나트륨염, 사이클로스포린 A, 클로메티아졸, 타크로리무스, 히드랄라진 염산염, 인슐린 등의 약물에서 흡착이 발생하였다. 특히 사이클로스포린 A 의 경우 수액 세트에 사용되는 고분자의 소재에 따라 수액 세트에 흡착되어 예상 유효 농도로 환자에게 전달되지 못하는 경우가 발생할 수 있다고 보고된 바 있다. 수액 세트의 수액 튜브에 대한 약물 흡착은 수액 세트를 이용한 약물 주입 시 약물 용량 및 약효와 직결되는 국민 건강 위해 요소 중 하나이다. 현재 수액 세트의 약물 흡착에 대한 임상적 중요성에 대해서는 아직도 논란의 여지가 있으나 주입하는 약물의 용량이 적고, 유속이 느린 경우 약효의 감소에 미치는 영향이 매우 심각할 것이다. PO를 기반으로 제조한 수액 세트를 이용함으로써 안전 관리 및 환경친화적 우수성을 향상시키는 데 도움이 될 것이다.25. 7. 의료용 PO 시장 전망 7.1 의료용 유체 백 시장 동향 의료용 유체 백 시장 규모는 2024년까지 44억 달러(약 5조 3,800억 원)를 넘을 것으로 예상된다. 전 세계적으로 노인 인구가 증가함에 따라 예측 기간동안 의료용 유체 백 수요가 증가할 것이다. UN에 따르면, 노인 인구는 2017년에 9억 6천6백만 명을 차지했으며, 2050년에는 거의 21억에 달할 것으로 예상된다. 나이가 증가하면 식욕을 잃게 되거나 경구 취식이 힘들어지는 상황이 되기 쉬워지므로 비 경구 영양 섭취를 위한 유체 백을 필요로 할 것이다. 또한 전 세계적으로 심장, 신장 및 간 질환, 암, 당뇨병 및 빈혈증과 같은 만성 질환의 유병률은 의료용 유체 백 시장 성장에 큰 영향을 미치는 요인이 될 것이라고 예상된다. 의료 백을 제조하는 데 일반적으로 사용되는 재료는 PVC, PO, TPE, 열가소성 폴리우레탄 (TPU) 등이 있는데, 이 중 TPE는 기존 PVC 백에 비해 이점이 많은 것으로 보고된 바가 있어 6.8%의 강력한 연평균 성장률을 보일 것으로 예상된다. PVC 의료기기 제작 시에 가소제로 쓰이는 디(2-에틸헥실) 프탈레이트(DEHP)는 소각 시 인체와 환경에 악영향을 미치는 발암성 및 독성 물질을 방출하기 때문에 이 두 재료의 동반 사용은 예측 기간동안 PVC 시장 성장을 저해할 것이다. PO 유체 백 시장은 현재 가장 큰 시장 점유율을 차지하고 있으며, 앞으로도 꾸준히 성장할 것으로 예상된다. PO는 열 안정성, 낮은 흡착도 등으로 인해 의료용 유체 백 응용 분야에서 계속적인 연구와 개발을 이어 나가게 될 것이다. 유럽 지역은 의료용 유체 백 시장을 장악하고 있으며 앞으로도 상당한 속도로 성장할 것으로 예상된다. 암, 신장 질환 및 피부 질환과 같은 연령 관련 만성 질환의 발생률 증가와 노인 환자의 거대한 수요의 장이 있기 때문에 이러한 예측이 가능하다.아시아 태평양 지역의 의료용 유체 백 시장은 만성 질환의 확산으로 인해 약 6.9%의 가장 빠른 성장률을 보일 것으로 추정된다. Global Market Insights(GMI)는 신흥국의 의료 시설에서 가처분 소득과 개발이 늘어나면 지역 성장이 촉진될 것이라고 밝혔다. 또한 조산아의 수가 증가하면 조산아들에게 비경구 영양을 제공해야 하므로 예측 기간동안의 정맥 주머니에 대한 수요가 가속화될 것이라고 말했다.26, 277.2 의료용 튜브 시장 동향  의료용 튜브 시장은 2020년에 671억 달러(한화 약 82조 500억 원)에서 2025년 1,037억 달러(한화 약 126조 8,000억 원)로 성장하여 약 9.1%의 연평균 성장률을 기록할 것으로 전망된다. 전 세계적으로 최소 침습 시술은 입원 기간 단축, 빠른 회복 시간 및 저렴한 치료 비용을 포함한 최고의 혜택을 제공하기 때문에 큰 인기를 얻고 있다. 또한 심혈관 질환, 관절염 및 암과 같은 질병의 유병률이 증가함에 따라 질병의 치료가 복잡하고 광범위한 정밀도를 필요로 하기 때문에 최소 침습 시술 절차에 대한 수요가 증가하고 있는 추세이다. 의료용 튜브는 높은 잠재력을 가지고 있고 비용 효율적이기 때문에 병원과 클리닉에서 수요가 크게 증가하고 있다. 의료용 튜브로 사용되는 재료로는 PVC, 실리콘, PO 등으로 구분되는데, PO는 생체적합성이 좋고 내화학성을 갖기 때문에 의료 산업에서 광범위하게 사용된다. 또한 탁월한 기계적 내구성으로 인해 의료용 열 수축 튜브 제조에 널리 쓰이며, 변형 방지, 보강 및 전기 절연 특성에 매우 적합한 재료이다. 의료용 튜브는 용도에 따라 약물 전달 시스템, 카테터, 생물 약제 실험실 장비, 일회용 튜브 등으로 분류되어 사용된다. 카테터 부문은 세계 의료 튜브 시장을 지배하고 있으며 예측 기간동안 동일한 성장을 이어 갈 것으로 예상된다. 의료용 튜브는 혈관조영술, 전기 생리학 절제 및 비뇨기 카테터를 포함한 다양한 절차에서 다양한 카테터에 광범위하게 사용된다. 약물 전달 시스템의 급속한 혁신은 맞춤형 튜브에 대한 수요와 달팽이관 내 및 광열 약물 전달과 같은 혁신적인 기술에 대한 수요를 증가시켜 시장 성장을 더욱 촉진하고 있다. 의료용 튜브 시장은 지역별로 북미, 유럽, 아시아 태평양 지역으로 분류된다. 북미는 의료 튜브 시장을 주도하고 있다. 이 지역은 첨단 의료 인프라, 정부 지원 및 혁신적인 제품 개발을 위한 광범위한 연구 활동을 수행하고 동일한 인수 합병에 참여하고 있는 주요 시장 참여자들의 지원을 받는다. 미국은 의료 지출 증가, 강력한 의료 시설, 선진 기술, 대규모의 환자 수 등으로 인해 지역 시장을 장악하고 있다. 또한 비닐 화합물, TPU, PO 등을 포함하는 의료용 튜브 제조를 위한 다양한 폴리머를 제공한다. 국제 무역국(International Trade Administration)에 따르면, 2015년 미국의 시장 점유율은 약 40%로 1,400억 달러 (한화 약 170조 7,400억 원)에 이른다. 유럽은 의료용 튜브 시장에서 2위를 점유하고 있으며 동일한 성장 추세를 이어갈 것으로 예상된다. 이 지역은 시장 점유율의 약 29.8%를 차지하고 있으며 앞으로 이 점유율은 증가할 것이라고 판단된다. 이는 의료 인프라 확대, 혁신적인 기술개발, 연구 활동 증가, 만성 질환의 유병률 증가, 노인 인구 증가로 인해 이루어진다. 영국, 러시아, 프랑스 및 독일은 의료용 튜브 시장의 주요 국가이다. 그러나 의료용 튜브 제조를 위해 유럽위원회와 회원국 보건 당국이 부과한 엄격한 규제는 시장 성장을 저해하고 있는 요소가 되고 있는 상황이다. 게다가 유럽은 미국의 주요 의료 수출국이며 전체 수출 시장의 약 38%를 차지한다. 아시아 태평양 지역은 노인 인구 증가, 의료 부문 확대, 환자 수 증가, 정부 지원 확대, 건강 및 웰빙에 대한 인식 개선 등으로 인해 세계 의료용 튜브 시장에서 가장 큰 점유율을 차지하고 있다. 이 지역의 주요 업체들은 증가하는 환자 규모에 맞출 수 있는 비용 효율적인 의료용 튜브를 개발하기 위해 적극적으로 노력하고 있으며, 이는 시장 성장을 더욱 촉진시키고 있다. 예를 들어, Tekni-Plex 사는 제약 및 의료기기에 대한 수요 증가에 대응하기 위해 중국에 새로운 제조 공장을 설립했다. 새로운 시설에는 선진 기술이 적용되어 공급 튜브, 카테터 및 연동 펌프 응용 분야를 제조한다.28 7.3 의료용 인공관절 시장 동향의료용 UHMWPE 시장은 양질의 의료 서비스 및 인프라, 수술 절차 및 골관절염과 같은 일부 질병의 성장으로 인해 상당한 성장을 이루어 낼 것이다. UHMWPE는 기계 구성, 전기 공학, 의료 기술 등 다양한 응용 분야로 사용 가능하며, 고연령 인구층이 두터워짐에 따라 의료 산업을 주도하여 세계 의료 등급의 성장을 가속화할 것으로 예상된다.  UHMWPE는 내부식성, 내마모성 및 인장 강도가 우수하고, 밀도가 낮아 가벼우며 마찰계수가 낮다. 이러한 특성으로 인해 의료용 UHMWPE이 광범위하게 사용되고 있으며 무릎, 어깨, 발목 및 작은 관절을 대체할 수 있는 인공관절 등으로 광범위하게 사용되며[그림 8], 대체 수술 분야에서도 전반적인 성장이 이뤄질 것으로 예상된다. Grand View Research의 최근 보고에 따르면, 세계 UHMWPE 시장은 2024년까지 13억 6천만 달러(한화 약 1조 6,600억 원)에 이를 것이며, 15.0%의 연평균 성장률을 보일 것으로 예측하였다.29  UHMWPE 시장은 북미, 라틴 아메리카, 서유럽 및 동유럽, 일본, 일본을 제외한 아시아 태평양(APEJ), 중동 아프리카의 7개 주요 지역으로 분류된다. 특히, 인도, 중국, 및 한국과 같은 국가의 수요가 증가함에 따라 의료용 UHMWPE 시장 전체가 추진되고 있으며 최근 큰 성장을 이루어 냈다. 북미와 서유럽 지역에서는 고급 의료 인프라와 고품질 의료 치료를 선호하는 높은 생활 수준이 UHMWPE 시장을 이끄는 주요 원인이 되었으며, 일본이나 독일의 노인 인구 증가 및 생활 습관의 변화 등이 관절염 환자를 증가시킴으로써 UHMWPE의 소비에 큰 점유율을 차지하였다. 이에 제조업체들은 마모 문제를 줄이고 보다 안전하고 개선된 제품을 제공하기 위한 R&D 활동에 집중하고 있다.30–32 Ⅲ. 결론의료분야에서 주로 사용했던 PVC는 폐기 시 환경오염의 주된 원인이 될 뿐만 아니라 2013년 교토의정서에 따른 탄소세 도입으로 인하여 경제적인 문제도 해결해야 할 과제가 되었다. 이 때문에 재활용이 가능한 의료용 고분자의 개발이 활발하게 진행되고 있는 상황이지만, 폐고분자 처리 과정에서 PO 등의 열가소성 수지 이외의 열경화성수지 및 여러 폐고분자가 혼합되어 발생하기 때문에 효율적인 열분해 공정이 어려운 상황이다.  폐고분자를 선별하여 세척하고 건조하는 방법으로 균질성을 향상시키는 방법이 있지만, 이러한 전처리 비용 때문에 채산성이 떨어지는 단점이 발생하므로 범 공용적인 개발이 필요하다. 따라서 국내의 관련 기업들은 정부와 지자체의 지원을 적극적으로 활용하며 국내 출연 연구기관 및 대학들과의 협력체계 네트워크 구축이 반드시 필요할 것이다.33       
취재부 2025-05-20
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스펀지 같은 탄소나노튜브, 열전소재에 적용해 복잡한 모양 쉽게 만들고 센서용 전력도 생산 가능

- 기존 탄소나노튜브 폼 대비 열전 성능 지수(zT) 5.7배 향상, 21.8K 온도 차이 있으면 센서용 전력 생산 가능- 10,000회 이상 반복 굽힘 시험에서도 안정적인 성능 유지해 웨어러블 센서로 활용성 높음- 자가 전원 센서 등 소형 장치 외에도, 배터리 열 제어·데이터센터 냉각 등 다양한 분야 활용 기대  상온 급속 용매 증발 공정에 의해 제작된 CNT/BST 폼 열전소재  국내 연구진이 온도 차이로 전기를 생산하는 열전 발전기 제작 시, 탄소나노튜브(CNT) 소재를 스펀지처럼 만들어 기존의 단점은 개선하고 장점은 강화한 기술을 개발했다. 자유롭게 형태 변형이 가능해 움직임이 많은 웨어러블 기기 센서의 소규모 전력 공급 용도로 활용이 기대된다. 한국화학연구원(원장 이영국) 한미정, 강영훈 박사팀은 탄소나노튜브, 비스무스–안티몬–텔루라이드(BiSbTe)를 다공성 폼 형태로 결합해 열전 성능을 극대화한 유연 열전 발전기를 개발했다고 발표했다. 연구팀은 2019년부터 탄소나노튜브 기반 열전소재를 꾸준히 연구 중으로, 이번 연구는 그 연장선으로 2025년 1월에 발표된 결과이다. 일반적으로 열전소재는 금속 기반의 무기물로 제작되지만, 연구팀은 유기물인 탄소나노튜브를 활용하여 열전소재를 개발해왔다. 금속 기반 열전소재는 성능이 높은 반면, 유연성이 높지 않다. 반대로 기존 탄소나노튜브 열전소재는 흐물흐물한 특성으로 인해 형태 변형은 쉬우나, 열전 성능이 낮고 기계적 내구성이 부족하다는 한계가 있었다. CNT/BST 폼에 의해 제작된 CNT/BST 폼 열전 발전기 BST 함량 제어에 의한 CNT/BST 폼 열전소재의 기계적 물성 평가 연구팀은 유연한 특성은 유지하되, 낮은 성능 한계를 극복하기 위해 탄소나노튜브를 부피감 있는 구조로 제작하는 독자적 기술을 개발했다.일반적인 기존 유기 열전소재는 액체를 얇게 굳힌 필름 형태로 만든다. 연구팀은 기존과 달리 다양한 모양의 틀에 재료 분말을 채우고 열을 가하면 몇 시간 뒤 스펀지처럼 굳어지는 방식을 사용했다. 동시에 열전소재 물질을 내부 구멍에 균일하게 분포시키는 기술을 적용했다. 이를 통해 소재의 형태를 고정하자, 필름 형태에 비해 기계적 내구성을 높임과 동시에 열전 성능도 극대화할 수 있었다. 불규칙한 구멍의 뼈대는 오리털처럼 열의 이동을 가로막아주고, 열 이동이 느려지면 뜨겁고 차가운 부위별 온도 차이가 유지되어 발전이 잘 되기 때문이다.   CNT/BST 폼 열전발전 모듈의 발전 출력 성능 실험 결과, CNT/BiSbTe 폼의 열전 성능 지수(zT)는 기존 CNT 폼보다 5.7배 향상된 7.8×10-3을 기록했다. 그리고 이번에 개발한 열전 발전기를 유리관에 붙인 후 온수와 냉수를 번갈아 넣는 실험도 했는데, 온도 차이가 21.8도(K, 켈빈) 날 때 15.7마이크로와트(µW)의 전력을 생산하며, 저전력 온도 센서를 작동시킬 수 있음을 보여줬다. 또한 10,000회 이상의 반복 굽힘 테스트에서도 성능 저하가 거의 없는 내구성을 확인했다. 특히 이번 제조 공정은 기존 탄소나노튜브 제작 방식이 3일 이상 소요되는 것과 비교해 단 4시간 만에 고성능 열전소재를 제작할 수 있어 높은 생산성을 갖춘 것이 특징이다. 오른쪽부터 화학연 배은진 연구원(1저자), 강영훈 책임연구원(교신저자), 한미정 책임연구원(교신저자), 박병욱 선임연구원(공동저자)  연구팀은 향후 이 소재의 열전 성능을 더욱 개선하기 위해 도핑 공정을 활용한 연구를 진행할 계획이다. 이를 통해 2030년경에는 상용화가 가능할 것으로 예상된다. 앞으로 탄소나노튜브 내부에 다양한 열 제어 소재를 추가하여, 배터리의 발열 문제 해결, 인공지능 데이터센터 냉각 시스템, 겨울철 온도 유지 장치 등 새로운 응용 분야로 확대할 계획이다. 연구진이 개발한 탄소나노튜브 기반 열전소재, 다양한 모양의 열전소재 제작, 유리관에 부착된 열전 발전기 연구진은 “이번 연구는 기존 열전발전 소재의 한계를 극복하고 유연한 에너지 하베스팅 기술을 발전시키는 중요한 성과”라고 말했고, 화학연 이영국 원장은 “이번 연구는 웨어러블 기기, IoT 센서 등 다양한 분야에서 활용될 수 있는 중요한 기술로, 향후 에너지 자립형 전자기기 개발에 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다.  Carbon Energy 2025년 1월 후면 표지 논문 이미지 이번 논문은 2025년 1월 국제 학술지 ‘탄소 에너지(Carbon Energy(IF: 19.5))’에 후면 표지 논문으로 게재되었다. 화학연 강영훈 박사와 한미정 박사가 교신저자로, 정명훈 박사후연구원과 배은진 연구원이 1저자로 참여했다. 이번 연구는 한국화학연구원 기본사업 및 과학기술정보통신부 한국연구재단 창의소재발견사업의 지원을 받아 수행됐다.      
취재부 2025-05-13
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SBR & BR 고무 시장의 현황과 미래 전망 보고서

   I. 개요 합성고무는 자동차 분야에 관련된 수요가 다수를 차지하고 있어 생산 대수 감소와 EV 보급 확대에 따른 연료호스 등 특정 부품의 수요 상실, 저연비 타이어의 요구 증가 등에 크게 영향을 받고 있다. 또한, 원유 가격 급등이나 원료 기업의 사업 철수 등에 따른 원료 수급의 압박이 계속되는 제품이 많아 미래가 불투명감도 감돌고 있다.  합성고무 제품 시장의 현황과 미래 전망을 파악하여 대응하는 것이 필요하다고 생각되어 합성고무 중 수요가 가장 높은 스타이렌 부타디엔 고무와 부타디엔 고무에 대한 시장의 현황과 미래 전망에 대해 소개하고자 한다1). II. 스타이렌 부타디엔 고무(Styrene butadiene rubber, SBR) 개요 및 정의 스타이렌 부타디엔 고무(이하 SBR)는 천연고무의 대용으로서 개발된 합성고무이며 스티렌과 부타디엔을 주원료로 제조한다. 천연고무와 비교하여 이물질이 적고 제품 품질이 안정적이며, 내노화성, 내마모성이 우수하다.  SBR은 중합 방식에 따라 유화 중합 SBR(Emulsion SBR, E-SBR)과 용액 중합 SBR(Solution SBR, S-SBR)로 나뉜다. E-SBR은 단량체를 계면활성제로 물속에 분산(유화) 시킨 뒤 라디칼 개시제, 촉매, 사슬 연장제 등을 첨가해 중합한다. 유화 중합에 의한 제품에는 중합 후 황산을 더해 응고시킨 고형 제품과 라텍스 제품이 있다. 고형 제품은 자동차 타이어에 가장 많이 사용되며 신발, 공업 용품 등에 적용되고 있다. 라텍스 제품은 ABS 수지 원료, 발포 고무, 제지 코팅 등에 사용된다. S-SBR은 탄소화 수소계 용제 중 유기 리튬에 의한 리빙 음이온 중합에 의해 제조된다. S-SBR은 E-SBR에 비해 세밀한 폴리머 설계가 용이하며, 컨버전의 제약이 적기 때문에 미반응 단량체가 거의 없다는 장점이 있어 고성능화가 가능하다. 다음의 표 1에 후지경제에서 추정한 중합 방식에 따른 SBR의 세계 시장 규모를 나타내었다.  2. 주요 생산 기업 국내에서는 금호석유화학과 LG화학에서 SBR을 생산하고 있으며, 유럽 및 일본 등 다양한 기업에서 SBR을 생산하고 있다. 표 2에 SBR 주요 생산 기업과 제품을 나타내었다. 3. 시장 규모 및 향후 전망 표 3에 “후지경제”에서 추정한 SBR의 세계시장 규모 및 향후 전망에 대해 나타내었으며, 표 3-1과 표 3-2에는 E-SBR과 S-SBR의 세계시장 규모 및 향후 전망에 대해 각각 나타내었다.  2020년에는 신형 코로나바이러스의 감염 확대에 의해 소비가 침체되었으나, 2020년 후반부터2021년에 걸쳐 교환용 타이어가 호조를 보였고 자동차 생산 회복으로 신차용 타이어도 증가했기 때문에 SBR 수요도 회복됐다.  전 세계 타이어 생산은 연간 약21억개로 추정되는데 신차용 타이어는 그 중 약5억개로 나머지는 교체용 타이어이기 때문에SBR 수요는 자동차 생산량 추이에 큰 영향을 받지 않는다.  SBR은E-SBR, S-SBR로 나뉘며 E-SBR은 주로 범용 타이어용으로S-SBR은 저연비 및 고성능 타이어용(실리카 타이어 확대)으로 사용되기 때문에 S-SBR는 미국, 유럽이나 일본, 일부의 아시아 지역 등 시장에서 급속히 성장하고 있으며 향후는 중국이나 러시아 등에서도 확대가 예측된다. 국내 시장에 있어서도 고성능 실리카 타이어의 성장으로S-SBR의 수요는 증가가 예상되고 있지만 원재료 및 물류비 급등, 환율의 영향 등의 불안정 요소에 의해 미래 시장의 전망이 밝지만 않는 상황이 되고 있다. E-SBR은 타이어 외에 신발, 벨트, 호스 등의 폭넓은 용도로 채택되고 있는 반면 새로운 용도 개척은 진행되지 않고 있는 실정으로 타이어 용도에 있어서는 향후 세계적인EV의 보급 확대에 따라S-SBR로의 전환이 진행될 전망이다. 4. 분야·용도별 판매량 및 구성비  표 4에 “후지경제”에서 추정한 SBR의 분야·용도별 판매량 및 구성비에 대해 나타내었다. SBR은 타이어용으로 가장 많이 사용되고 있으며 그림2에 타이어의 내부 구조를 나타내었는데 타이어 중 트래드, 사이드월, 카카스 부분 등에 많이 사용되고 있다.  그림 3에 나타낸 것 같이 타이어의 대표적인 성능인 연비(회전저항), 제동과 마모 성능은 서로 Trade-off 관계에 있어, 이들 성능을 동시에 향상시키기 위해 실리카를 트래드부에 배합한 실리카 배합 타이어가 증가하고 있다. 다량의 실리카를 고무에 고 분산시키기 위한 변성 S-SBR은 개발과 수요가 증가하고 있다. 타이어 다음으로 많이 사용되는 공업 용품에는 컨베이어벨트, 기타 벨트, 호스, 방진고무, 전선 케이블 등이 주로 사용되고 있으며 신발은 내마모성이 요구되는 겉창에 사용되고 있다. ABS 수지나 PS 수지 등의 스티렌계 수지 개질제에 사용되고 있으며 신종 코로나바이러스의 유행에 의해 외부 활동이 어렵고 실내 생활시간 증가에 따른 보상 심리로서 ABS 수지와 PS 수지가 사용되는 가전 수요가 증가함에 따라 수지 개질제 용 판매가 증가했다. 이외에 접착제, 발포체, 바닥재 및 바닥타일, 고무천, 스포츠용품, 고무판, 가시용 고무관 등에 사용되고 있다. 5. 신기술 및 친환경 기술 동향 5-1. 신기술 동향 저연비이면서 내마모성의 실현이 요구되고 있어 각 제조사는 실리카 분산을 극대화할 수 있는 관련 제품 개발을 위해 노력을 진행시키고 있다.  국내에서는 표면 개질된 실리카를 S-SBR에 분산시킨 Wet MB를 개발하고 이를 적용한 고성능 저연비 타이어를 개발하고 있다. 일본에서는 ENEOS가 보유하고 있는 실란 커플링제 기술과 JSR이 가진 S-SBR의 기술을 합쳐 실리카 고 분산을 위한 제품 개발을 하고 있다. E-SBR뿐 아니라 선진 기업들이 앞서 가던 S-SBR도 중국 등이 저가품을 투입하면서 저가 시장에서 가격 승부가 되고 있다. 세계 자동차는 고성능 가솔린차와 EV, FCV 등 동력원과 형태가 다양해지고 자동차와 타이어업체의 타이어에 요구하는 요구도 다양해지고 있기 때문에 차별화된 하이엔드 제품의 개발에 주력해 가는 것과 동시에 세분화한 요구에 대한 대응이 중요해지고 있다. 5-2. 친환경 기술 동향금호석유화학은 미국의 재활용 기업 Agilyx와 공동으로 폐폴리스티렌으로부터 순수한 스티렌을 제조해 S-SBR의 원료로서 이용하는 케미컬 리사이클 기술의 개발을 실시하고 있다.  또 향후 보급이 예측되는 전기차는 내연기관차보다 무겁고 타이어의 내마모성이 중요해 저연비 실리카 타이어의 수요가 증가할 것으로 전망되고 있어 S-SBR과 혼련하는 실리카에 쌀의 왕겨로부터의 추출물을 원료로 하는 바이오 실리카를 채용하고 있어 재생 스티렌과 맞추어 환경 대응형 제품의 전개를 확대시키고 있다. Trinseo는 2021년 3월, S-SBR의 원료에 대해서 순환 원료에 근거하는 스티렌을 BASF로부터 조달한다고 발표했는데 BASF가 제조하는 순환형 스티렌 단량체에는 식물성 기름 등 재생가능한 원료 기반의 스티렌과 가정 폐기물 및 폐타이어 등에서 화학적으로 재활용된 원료 기반의 스티렌 두 가지가 있다. Asahikaei는 싱가포르의 Shell Eastern Petroleum(이하 Shell)이 제조한 폐플라스틱 및 바이오매스 유래 부타디엔을 사용한 S-SBR 생산 및 마케팅을 시작했다. 서스테이너블 부타디엔에 대해서 Shell은 폐플라스틱을 열분해유로 변환해 동사의 나프사 크래커에 피드하는 제법, 또 하나는 바이오 원재료를 동나프사 크래커에 피드하는 제법을 채용하고 있으며 폐플라스틱 유래의 부타디엔을 사용하는 S-SBR의 생산은 세계 최초이다. III. 부타디엔 고무(Butadiene rubber, BR) 1. 개요 및 정의 부타디엔 고무(이하 BR)는 공액 디엔 단량체인 1,3-부타디엔이 부가 중합되어 만들어지는 중합체로 단량체의 결합 방식은 cis-1,4 결합, trans-1,4 결합, vinyl-1,2 결합으로 주쇄를 형성한다. 이 미세 결합 구조는 중합 방법을 선택함으로써 제어할 수 있다.   중합 방법으로는 용액 중합 또는 유화 중합이 있지만, 일반적인 BR은 용액 중합법으로 제조되며 유화 중합법으로 합성되는 BR은 주로 ABS 수지의 원료로 사용되고 있다.  용액 중합법으로 제조되는 BR은 배위음이온 중합으로 합성되는 cis 함량이 90% 이상인 high cis BR과 음이온 중합으로 합성되는 cis 함량이 40% 이하의 low cis BR로 나누어진다.  High cis BR은 금속 화합물에 유기 알루미늄 화합물을 반응시켜 개질한 촉매를 사용한다.  금속 화합물에는 Ti, Co, Ni를 사용한 전이 금속계와 Nd를 사용한 희토류 금속계가 있다. 이들 촉매는 BR의 미세구조에 영향을 미치고, cis 함량은 Ti계가 90~93%, Co계와 Ni계가 96~98%, Nd계가 97~99%가 된다. 시스 함량이 높으면 인장 강도, 내마모성 등의 물성이 우수하다.  Low cis BR은 유기 리튬 화합물을 촉매로 사용하며, 일반적으로 시스 함량은 약 35% 전후로 낮으며 vinyl 함량은 약 10 내지 90%의 범위에서 제어할 수 있고 유기 과산화물 등의 가교제에 대한 반응성은 높다.  High cis BR의 주된 용도는 자동차 타이어이며, 트래드나 사이드월, 비드 필러 등에 폭넓게 사용되고 있다. Low cis BR은 ABS 수지나 PS 수지(HIPS)의 개질제에 주로 사용된다. 다음의 표 5에 BR 종류 및 특성을 요약해서 나타내었으며, 표 6에는 BR 종류별 세계시장 구성비를 나타내었다.  2. 주요 생산 기업 국내에서는 금호석유화학과 LG화학에서 BR을 생산하고 있으며 유럽 및 일본 등 다양한 기업에서 BR을 생산하고 있다. 표 7에 BR 주요 생산 기업과 제품을 나타내었다.  3. 시장 규모 및 향후 전망 표 8에 “후지경제”에서 추정한 BR의 세계시장 규모 및 향후 전망에 대해 나타내었다.  BR은 자동차 타이어용 판매 비율이 높고 타이어 생산과 연동성이 높은 시장으로 2020년에는 신형 코로나바이러스의 감염 확대에 의해 소비가 침체되었으나, 2020년 후반부터 2021년에 걸쳐 교환용 타이어가 호조를 보였고 자동차 생산 회복으로 신차용 타이어도 증가했기 때문에 BR 수요도 회복됐다.  세계 타이어 생산량 중 신차용 타이어는 약 25% 수준이며 나머지 75%는 교환용 타이어이기 때문에 BR의 수요는 자동차 생산 대수에는 크게 영향을 받지 않는다.  4. 분야·용도별 판매량 및 구성비 표 9에 “후지경제”에서 추정한 BR의 분야 · 용도별 판매량 및 구성비에 대해 나타내었다. BR은 동적 발열이 고무 중 천연고무(Natural rubber, NR) 다음으로 작고 연비나 내마모성에 대해 중요한 특성을 갖고 있어 자동차용 타이어에 가장 많이 사용되고 있다. 트래드, 사이드월 등에서 사용되며 주로 high cis BR이 사용된다.  타이어 다음으로는 HIPS의 내충격성을 높이기 위한 개질제로 주로 low cis BR이 많이 사용되고 있으며 2020년과 2021년에는 신종 코로나바이러스의 유행에 의해 외부 활동이 어렵고 실내 생활시간 증가에 따른 보상 심리로서 HIPS가 이용되는 가전의 수요가 높아짐에 따라 판매가 증가했다.  ABS 제조 프로세스에는 mass ABS와 emulsion ABS가 있지만 BR이 개질제로 이용되는 것은 mass ABS뿐이다. Mass ABS는 HIPS의 플랜트로부터의 전용도 가능하기 때문에 향후 mass ABS 생산 증가에 의한 BR의 수요 증가도 기대된다. 공업 용품으로는 컨베이어벨트, 호스, O-링, 개스킷 등에 주로 사용되고 있으며, 신발은 내마모성이 요구되는 겉창에 사용되고 있다. 이 외에 골프공, 스포츠용품, 완구 및 고무마개 등에도 BR이 일부 사용되고 있다. 5. 신기술 및 친환경 기술 동향 5-1. 신기술 동향ENEOS는 연료가스에서 타이어 원료로의 전환을 위한 노력으로 부타디엔의 새로운 제조 기술 개발을 진행 중이다. 일반적으로 부타디엔은 에틸렌 제조 공정으로부터 부산되고 있지만, ENEOS는 제유소나 석화 공장에서 연료로서 사용하고 있는 부탄을 주로 하는 염가의 유분에 주목해 이것을 탈수소화에 의한 부타디엔을 얻는 제조 기술을 개발하고 있으며 개발한 탈수소 촉매는 알루미나 기반 담체에 백금(Pt)과 주석(Sn)을 담지한 것으로 촉매상에 고 분산 시킴으로써 부타디엔의 수율을 20% 이상 달성했으며 생산된 부타디엔을 바탕으로 BR 제조를 추진 중이다. 브리지스톤은 타이어 등에 이용되고 있는 NR의 대체 소재가 될 수 있는 새로운 합성고무인 재료 「High Strength Rubber」(이하, HSR)를 개발했다.  HSR은 부타디엔 등의 합성고무 성분과 에틸렌 등의 수지 성분을 가돌리늄(Gd)를 배합한 브리짓스톤의 독자적인 촉매를 이용해 공중합(분자 레벨로 결합) 시킨 것으로 HSR은 천연고무와 비교해 내균열성에서 5배 이상, 내마모성에서 2.5배 이상, 인장강도에서 1.5배 이상의 높은 내구성과 강도를 달성했다.  성능이 향상된 만큼, 천연고무(NR)의 대체로서 이용했을 경우, 소량의 재료로도 종래대로의 성능을 발휘할 수 있기 때문에 보다 경량으로 만들면서 고강도 내마모성이 높은 차세대 타이어 등의 개발로 이어질 가능성이 있다. 또 촉매 배합을 통해 완성된 소재 특성을 변화시킬 수 있어 타이어뿐만 아니라 다른 분야로의 응용도 기대된다. 5-2. 친환경 기술 동향Zeon은 바이오매스(생물자원)에서 효율적으로 부타디엔을 생성할 수 있는 세계 최초의 신기술을 개발했다. 새로운 인공 대사 경로와 효소로 우수한 부타디엔 생성능을 가진 세포를 창제하는데 성공하였으며, 이화학연구소와 공동 연구로 바이오 매스로부터 효율적으로 부타디엔을 생성하는 기술을 개발한 것 외에 산업기술종합연구소가 바이오 에탄올으로부터 대량 합성한 부타디엔을 사용해 기존과 같은 성능을 가지는 자동차용 타이어의 시제품 제조에 성공했다고 발표했다. Synthos는 Lummus Technology와 공동으로 바이오 에탄올을 원료로 한 부타디엔의 사업화에 추진하여 4만 톤/년 규모의 플랜트를 건설할 예정이며 Nd-BR의 원료로 사용한다고 한다. IV. 결론 SBR과 BR에 대한 시장의 현황과 미래 전망, 신기술 및 친환경 기술 동향에 대해 살펴보면 주 용도인 타이어와 관련되어 시장 및 소재 기술이 변화하고 있음을 보여주고 있다.  세계적인 친환경 정책과 EV 확대에 따라 고성능 저연비 타이어가 확대됨에 따라 SBR과 BR도 맞추어 변화하고 있어 국내에서도 SBR과 BR 원소재에 대한 연구와 타이어 관련 응용 기술에 대한 동반 연구가 병행되어야 급변하는 세계시장에서의 경쟁력 확보가 가능할 것으로 보여진다.    
편집부 2025-03-05
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KIST, 모듈형 로봇 가구 oOoBOT(오봇)으로 국제 로봇디자인 대회 최고상 수상

- 제16회 ICSR, Innovative Prototypes 부문 최종 우승- 초소형 주거공간, 재난 구호, 아동 성장 지원 등 다양한 응용 가능성 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록)은 곽소나 박사 연구팀이 2024년 10월 23일부터 26일까지 덴마크 오덴세에서 개최된 국제 소셜 로봇 학술대회(International Conference on Social Robotics 2024, 이하 ICSR 2024)의 로봇 디자인 대회에서 모듈형 로봇 가구 시스템 oOoBOT(오봇)1)으로 Innovative Prototype 부문 최고상을 수상했다고 밝혔다.1) “oOoBOT(오봇)”의 ‘oOo’는 확장 및 축소가 가능한 모듈형 로봇 가구의 상단 모습을 형상화한 것이다. 소문자 ‘o’는 가구가 축소되었을 때의 형태를, 대문자 ‘O’는 가구가 확장되었을 때의 형태를 나타낸다. 이와 함께, 상황에 따라 형태와 기능이 변하는 모듈형 로봇 가구의 혁신성에 대한 감탄을 표현하는 의미에서 ‘오~’라는 감탄사도 담고 있다.  [그림 1] oOoBOT(오봇)변형(축소와 확장)과 이동을 통해 상황에 적합한 서비스를 제공하는 로봇 가구 올해로 16회를 맞은 ICSR은 소셜 로봇 분야의 저명 학술지인 International Journal of Social Robotics와 연계된 대표적인 국제 학술대회로, 이번 대회에서는 전 세계 주요 연구 기관의 팀들이 참여하여 치열한 경합을 벌였다.  로봇 디자인 대회는 Innovative Ideas, Innovative Prototypes, Innovative Solutions 세 부문으로 나뉘어 진행되었으며, 최종 후보로는 펜실베이니아대학교(University of Pennsylvania), 오리건주립대학교(Oregon State University) 등 전 세계 유수의 연구팀이 이름을 올렸다. 최종 후보로 선정된 팀들은 학회기간동안 발표와 시연을 통해 작품의 혁신성과 실용성을 선보였으며, 심사위원단의 종합 평가를 거쳐 최종 우승팀이 결정됐다.  KIST 연구팀은 Innovative Prototypes 부문에서 최종 우승을 차지하며, 모듈형 로봇 가구 시스템 oOoBOT의 혁신성을 세계적으로 인정받았다.   [그림 2] 용도와 물건 개수에 따라 변형하는 oOoBOT(오봇)oOoBOT은 필요에 따라 테이블, 의자, 카트 등으로 변형하며, 상황에 맞게 가용 공간을 유연하게 조정 oOoBOT은 초소형 주거 환경에서 공간 활용도를 극대화할 수 있도록 설계된 다기능 로봇 가구 시스템으로, 현대 사회에서 점차 증가하고 있는 1인 가구 및 초소형 주거 공간의 요구를 충족하기 위해 개발되었다.  이 시스템은 사용자의 필요와 상황에 따라 테이블, 의자, 수납함, 카트 등으로 변형이 가능하며, 필요에 따라 크기와 형태를 자유롭게 조정할 수 있다. 특히, 사용하지 않을 때는 최소화된 상태로 수납할 수 있어 제한된 공간에서도 효율적인 사용이 가능하다. 이러한 설계는 공간 부족 문제를 해결하는 데 있어 매우 효과적이며, 거주자의 다양한 활동을 지원함으로써 생활의 질을 향상시킨다. [그림 3] 사람 수에 따른 oOoBOT(오봇) 배열사용자 수에 맞추어 테이블의 크기와 의자의 개수를 다르게 배열 oOoBOT은 초소형 주거 공간에 적합한 솔루션일뿐만 아니라 다양한 사용자층에게 맞춤형 서비스를 제공할 수 있는 유연성을 가지고 있다. 젊은 직장인과 학생 등 1인 가구뿐만 아니라 신체적·인지적 지원이 필요한 독거노인에게도 적합하며, 사용자의 요구와 상황에 따라 다양한 역할을 수행할 수 있다. 예를 들어, 독거노인의 경우 의자나 테이블을 보조 장치로 활용하거나 필요한 물건을 손쉽게 이동할 수 있도록 카트 형태로 변형할 수 있다. 이외에도 oOoBOT은 재난 구호 환경에서 그 가능성을 더욱 발휘한다. 임시 주거 시설에서는 침대, 테이블, 수납함 등 다양한 가구로 변형 가능하며, 조립과 설치가 간편해 긴급 상황에서도 신속하게 대응할 수 있다. 또한, 성장기 아동의 신체 발달에 맞춰 높이와 크기를 조정할 수 있어 학습 환경을 최적화하며, 아동의 발달을 효과적으로 지원할 수 있다. 이러한 다기능성과 적응성은 다양한 환경과 상황에서 oOoBOT이 실질적인 도움을 제공할 수 있음을 보여준다. 곽소나 박사는 “oOoBOT은 초소형 주거 문제를 해결할 혁신적 해법으로, 청년과 1인 가구뿐만 아니라 다양한 사용자층에게 새로운 공간 활용 방법을 제공할 수 있다”며, “자원의 효율적 사용과 지속 가능한 설계로 환경친화적인 주거 환경을 구축하는 데 기여하고자 한다”고 밝혔다. 강다현 박사는 “앞으로 재난 구호, 아동 성장 지원 등 다양한 용도로 확대 적용할 수 있도록 추가 연구를 이어갈 계획”이라고 덧붙였다. 본 연구는 산업통상자원부(장관 안덕근)의 로봇산업기술개발사업(2MRE620)의 지원으로 수행됐다.         
편집부 2025-02-07
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반도체·디스플레이 소재인 고성능 폴리이미드, 독성 없이 물로 만든다. 한국화학연구원, 환경 오염과 인체에 유해한 기존 기술을 대체하는 친환경 수계 폴리이미드 제조 기술 세계 최초 개발

- 디스플레이, 반도체, 항공우주 등 첨단 산업에서 폭넓게 활용가능한 친환경 폴리이미드 소재 개발 환경 규제가 강화되고 친환경 소재 수요가 늘어나는 가운데, 국내 연구진이 독성 유기용매 대신 물을 활용한 폴리이미드 제조 기술을 세계 최초로 개발했다. 본 기술의 핵심인 중합이 완료된 수계 폴리이미드 용액 한국화학연구원 원종찬·김윤호·박종민 박사 연구팀은 물을 용매로 사용해 고온 내구성과 높은 강도를 갖춘 폴리이미드를 중합하는 친환경 공정을 성공적으로 구현하였다.  수계 폴리이미드 제조 기술을 개발한 고기능고분자연구센터 연구자들  물을 용매로 하는 폴리이미드 친환경 중합 기술 개발물을 용매로 이용한 폴리이미드 친환경 중합 기술 및 이를 이용한 코팅용액, 필름 제조 및 3D 프린팅 구조화 응용 연구 그림 폴리이미드는 우수한 내열성, 기계적 강도, 화학적 안정성을 지닌 고분자 소재로, 디스플레이, 반도체, 항공우주 등 첨단 산업에서 폭넓게 활용된다. 특히 반도체 및 전자기기 수요 증가로 전 세계 폴리이미드 시장은 연평균 7% 이상의 성장을 기록 중이다. 수계 폴리이미드 용액을 이용한 대면적 필름화 공정 그런데 기존 폴리이미드 중합은 NMP, DMAc, DMF와 같은 독성 유기용매를 필수적으로 사용해 환경 오염과 인체에 유해하다는 문제가 있었다. 더불어, 중합 공정 온도가 350도 이상으로 높아 에너지 소비가 크고 생산 단가가 높은 한계가 있었다. 물에서 중합한 불소계 투명 폴리이미드 및 필름화 기술 개발불소계 투명 폴리이미드 전구체 수계 합성 및 고상 중합을 통한 분자량 증폭 개념도, 투명 폴리이미드 필름 위에 제작된 투명 면상발열체(히터) 발열 특성 결과 이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 물 기반(Water-borne) 중합 공정을 개발했다. 이를 통해 기존 유기용매 공정을 대체하며, 고성능 폴리이미드를 친환경적으로 합성할 수 있는 길을 열었다. 개발된 기술은 기존 대비 공정 온도를 250도 이하로 낮추면서, 기존 유기용매 방식을 적용하여 이미 상용화된 대표적인 폴리이미드 제품*과 동일한 수준의 물성을 확보하였다. * 600°C 이상의 우수한 내열 특성과 330메가파스칼(MPa) 이상의 높은 인장강도 일반적으로 기존의 폴리이미드 소재 제조 공정에는 비점*이 높고 독성이 강한 유기용매**가 사용되지만, 본 기술은 물을 반응 용매로 사용하여 합성 재료의 원가를 10% 이하***로 대폭 절감할 수 있다. 또한 독성 유기용매 처리를 위한 고비용 증류 회수시설이 필요 없다.* 액체 물질의 증기압이 외부 압력과 같아져 끓기 시작하는 온도    ** NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone), DMAc(Dimethylacetamide), DMF(Dimethylformamide)*** 용매 원가 : NMP 20L 약 400불($), 증류수 20L 10불($), 공업용 수돗물 1톤 1불($) 미만 박사랑 석사후연구원(주저자)이 제조한 폴리이미드 또한, 기존 유기용매 기반 공정에서는 350°C 이상의 고온이 필요하지만, 본 기술은 공정 온도를 100°C 이상 낮춘 250°C의 저온 공정을 가능하게 하여 에너지 소비를 전기 용량 기준으로 30% 이상 절감할 수 있는 장점이 있다.    물 환경에서의 폴리이미드 기능화물을 용매로 이용한 폴리이미드 고분자의 기능화 중합 기술 및 이를 이용한 미세 패턴 형성 공정 기술 및 이를 이용한 반도체 디바이스 제작 예시. 본 기술은 기존의 독성 유기용매를 대체하는 친환경 공정을 제시함으로써, 폴리이미드 소재의 상업화 가능성을 더욱 높였다. 실제로 본 기술을 활용하여 배터리 음극 바인더 및 절연 소재로 두 차례 기술 이전을 체결하였다. 연구팀은 배터리 바인더, 절연 코팅, 3D 프린팅 소재 등 다양한 응용 연구를 통해 고부가가치 산업으로 확장해 나갈 계획이다.  원종찬·김윤호 박사는 “이번 연구는 환경과 경제성을 동시에 만족시키는 혁신적인 친환경 공정으로, 폴리이미드 소재뿐만 아니라 고성능 고분자 소재의 장기적 발전과 글로벌 경쟁력 강화를 위해 연구를 이어갈 계획이다.”라고 밝혔다.  이번 연구 결과는 에이씨에스 서스테이너블 케미스트리 & 엔지니어링(ACS Sustainable Chemistry&Engineering, IF : 8.3) 10월호 표지논문과 케미칼 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, IF : 13.4) 7월호에 각각 게재되었다. 또한 한국화학연구원 기본 사업과 과학기술정보통신부의 중견연구자사업, 나노및소재 기술개발사업의 지원을 받아 수행되었다.        
편집부 2025-02-07
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국립낙동강생물자원관, 생분해성 플라스틱 원료를 친환경적으로 생산할 수 있는 미세조류 발견

- 미세조류 이용, 지속 가능한 친환경 플라스틱 원료 생산 가능성 열려 환경부 산하 국립낙동강생물자원관(관장 유호)은 친환경 플라스틱 원료인 PHA*를 생산하는 능력이 우수한 담수 미세조류를 발견했다고 밝혔다.* 폴리하이드록시알칸산(Polyhydroxyalkanoate, PHA): 미생물이 세포 내에 축적하는 고분자 물질 PHA는 물리 화학적 특성이 기존 플라스틱 소재를 대체할 수 있고, 자연에서 미생물에 의해 쉽게 분해되어 친환경 소재로 주목받고 있다. 그러나 현재 세균을 이용한 PHA 생산과정에서 환경오염을 유발하는 배양 폐액 및 세포 부산물의 처리 문제는 해결해야 할 과제로 남아있다. 이를 해결하기 위해, 국립낙동강생물자원관 연구진은 2023년부터 ‘PHA 생산능 담수 미세조류 확보 및 배양기술 개발’ 연구를 수행하여, PHA의 생산능이 뛰어난 클로렐라(Chlorella) 속 담수 미세조류를 확보하였다. 연구진이 확보한 클로렐라(Chlorella) 속 미세조류는 태양광을 이용해 재배할 수 있고, 배양 폐액과 세포 부산물은 각각 농업용 친환경자재와 식품 및 사료 등으로 이용될 수 있다. 이를 이용하면 기존 세균을 이용한 PHA 생산방식의 문제를 해결할 수 있다.   신규 미세조류 KGP1-12의 분류 속 동정과 형태 분석 확보한 미세조류 KGP1-12의 유전자(18S rRNA) 분석 결과, 클로렐라(Chlorella) 속 미세조류들과 99.64~99.40%까지 서열 상동성(좌)이 확인되어 클로렐라(Chlorella) 속으로 동정되었으며, 형태적으로 약 2~3㎛의 지름을 가지지만, PHA를 축적하기 시작하면 6~7㎛로 세포의 지름이 증가하는 것(우)을 확인하였음. 또한, 연구진은 확보한 클로렐라(Chlorella) 속 미세조류의 PHA 함량을 약 4.5% 내외에서 30.8%까지 비약적으로 증대시킬 수 있는 유도 생산방법을 개발하여, 그 결과를 특허로 출원*하였다.* 특허명: 폴리하이드록시알칸산을 고생산하는 신규 클로렐라 KGP1-12 미세조류와 이를 이용한 폴리하이드록시알칸산 유도 생산방법(출원번호: 10-2024-0159649) 클로렐라(Chlorella) 속 미세조류 KGP1-12의 PHA 생산능 분석 ▲ PHA는 고분자 물질로 직접 정량이 불가능하여, 단량체로 분해시킨 후 PHA의 90% 이상을 구성하고 있는 주요단량체인 PHB(Poly 3-hydroxybutyrate)의 함량을 가스 크로마토그라피를 이용해 정량 분석하였음. ▲클로렐라(Chlorella) 속 미세조류 KGP1-12는 일반 배양에서 생체량(세포 건조물) 기준 약 4.5%의 PHB를 생산하였고, 개발한 유도 생산방법*을 적용할 시 30.83%까지 PHB를 함량이 증대되었음.* 유도 생산방법: 배양액 내 인(Phosphorus) 결핍 처리와 복합 유기 탄소원(OCM) 공급 류시현 국립낙동강생물자원관 생물자원연구실장은 “향후 PHA와 같은 친환경 소재를 생산할 수 있는 담수생물의 확보와 이의 실용화를 위한 연구를 통해 환경오염을 방지할 수 있는 기술개발에 매진하겠다”라고 밝혔다.   
편집부 2025-02-07