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- 식물 유래 물질인 탄닌산을 이용한 바이오 에폭시 기반 무독성 난연 복합소재- 물만 이용하여 수십 분 내에 99% 친환경 재활용 가능불에 잘 타지 않는 난연성 탄소섬유 복합소재가 개발됐다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 직무대행 윤석진) 구조용복합소재연구센터 정용채 센터장 연구팀은 식물로부터 유래한 탄닌산(Tannin Acid)1)을 이용하여 난연성 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)2)을 개발하고, 이를 친환경적으로 재활용하는 방안도 제시했다고 밝혔다.강철보다 1/4 정도로 가볍고 10배나 강한 탄소섬유를 이용한 복합재료인 탄소섬유강화플라스틱(CFRP, Carbon fiber reinforced plastics)는 항공우주, 자동차, 선박, 스포츠용품 등 산업 전반에 걸쳐 다양하게 활용되고 있다. 콘크리트가 철근과 시멘트로 이루어진 것과 비슷하게, CFRP는 탄소섬유와 에폭시 수지로 이루어져 있다. CFRP는 기계적 강도를 위해 탄소섬유와 수지 사이의 결합력이 강해야 할 뿐 아니라 건축자재 등 일상생활에 밀접한 분야에 사용되기 때문에 화재와 관련한 안정성 또한 필요하다. 이를 위해 몇몇 첨가제가 함께 합성되기도 한다.열에 취약한 CFRP는 그동안 화재 안전성을 위해 할로겐3) 난연제를 사용해 왔다. 하지만 불에 태워 재활용(고온 소각)하는 CFRP에 연소 시 독성물질이 발생하는 할로겐 물질을 사용하는 것은 적절치 못해 세계적으로 금지되었다. 이에 따라 독성이 없고 안전한 소재를 통해 난연성을 확보하는 것이 필수 과제였다.KIST 정용채 센터장은 식물에서 얻을 수 있는 친환경 물질인 탄닌산을 이용하여 기계적 강도와 난연성을 증진시키고자 하였다. 탄닌산은 탄소섬유와 강하게 접착되는 성질이 있다. 그뿐만 아니라 탄닌산은 불에 탈 때 숯으로 변하는데, 이 숯은 외부의 산소를 차단하는 벽(Char)이 되어 불이 확산되는 것을 막는다. KIST 연구진은 탄닌산으로 에폭시 수지를 제작하고, 탄소섬유와 복합화하여 튼튼하고 불에 타지 않는 CFRP를 개발할 수 있었다. 탄닌산으로 제작한 에폭시 수지는 열에 취약하던 기존과는 달리 난연성이 있으므로 별도의 첨가제가 필요하지 않아 불에 태워 CFRP를 재활용할 때 발생하던 독성물질이 더는 발생하지 않게 되었다. 또한, 불에 태우면 탄소섬유의 성능이 저하되어 완전한 재활용을 할 수 없었는데 연구진은 새로운 재활용 방법을 제시했다.일정 수준 이상의 온도와 압력을 갖는 ‘초임계4)’ 상태의 물에 CFRP를 녹이면 탄소섬유의 성능 저하 없이 99% 이상을 회수할 수 있었다. 또한, 에폭시 수지가 녹으면서 전자재료로 사용될 수 있는 ‘카본 닷5)’이라는 물질이 생성됨을 확인하였는데, 에폭시 수지를 태워버리고 불완전한 탄소섬유만 재활용하던 고온 소각법과는 달리 복합소재의 구성 요소 모두를 재활용할 수 있게 되었다.KIST 정용채 센터장은 “기존 탄소섬유강화플라스틱의 취약한 난연성, 기계적 강도, 그리고 재활용 특성 향상과 응용범위가 확대된 복합소재를 제조하였고, 그 소재의 응용범위를 제시했다는 데 의의가 있다”라고 말하며, “향후 보다 향상된 물성확보를 위해서 구조를 검토하고 응용범위를 확대할 예정이다”라고 밝혔다.1) 탄닌산(Tannin Acid): 자연계에 풍부하게 존재하는 물질로 폴리페놀의 일종이며, 주로 식물에 의해 합성된다.2) 탄소섬유강화플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastics): 탄소섬유를 강화재로 하는 고강도ㆍ고탄성의 경량 구조재로 주목을 받는 첨단 복합 재료이다.3) 할로겐: 주기율표의 17족에 속하는 원소들로, 플루오르, 염소, 브로민(브롬), 아이오딘(요오드) 등이 있다.4) 초임계 유체: 임계점 이상의 온도와 압력에 놓인 물질 상태를 일컫는다. 기체의 확산성과 액체의 용해성이 있다. 초임계 유체로 자주 사용하는 물질은 물과 이산화탄소이며, 초임계 상태에 있는 물은 금조차 녹일 수 있다.5) 카본 닷(Carbon Dot): 카본 닷 또는 탄소 양자점은 주 원소가 탄소로 구성되어 있으며, 무기계 양자점과 유사하게 형광(photoluminescence) 및 반도체적 특성을 나타낸다는 점에서 바이오 이미징, 센서, 발광다이오드(light emitting diode, LED) 조명, 유기 태양 전지, 광촉매 등의 분야에서 최근 많은 응용되고 있다.본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업으로 수행되었으며, 연구결과는 재료과학 및 복합소재 분야 1위 국제저널인 ‘Composite Part B: Engineering’(JCR 분야 상위 2.0%) 최신호에 게재되었다.* (논문명) Recyclable, Flame-Retardant and Smoke-Suppressing Tannic Acid-Based Carbon-Fiber-Reinforced Plastic- (제1저자) 한국과학기술연구원 김영오 연구원- (교신저자) 한국과학기술연구원 정용채 책임연구원
취재부 2020-07-05
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- 그래핀이 원자 이동 막아 전극 및 광활성층 분해 억제… Nano Letters 논문 게재효율이 높고 가격이 저렴해 차세대 태양전지로 주목받는 ‘페로브스카이트 태양전지’의 안정성을 크게 높일 전극이 개발됐다. 투명하고 유연하며 전기 전도도가 높은 그래핀(Graphene)이 삽입돼 기존에 쓰이던 금속전극이 분해되는 현상을 막아준 덕분이다.박혜성 교수 연구팀은 ‘그래핀 중간층을 삽입한 고성능 금속 기반 유연 투명전극’을 개발했다. 페로브스카이트 태양전지에 적용할 경우 '금속-유도 분해현상'을 억제해 전지의 수명을 늘릴 수 있다.UNIST(총장 이용훈) 에너지 및 화학공학부의 박혜성 교수팀은 ‘그래핀 중간층을 삽입한 고성능 금속 기반 유연 투명전극’을 개발했다. 불침투성(Impermeability)이 뛰어난 그래핀을 이용해 금속전극 기반 페로브스카이트 태양전지의 고질적인 문제로 지목되던 ‘금속–유도 분해 현상’을 억제해 안정성을 크게 끌어 올렸다. 또 그래핀의 우수한 전기 전도도 및 기계적 내구성을 이용해 페로브스카이트 태양전지의 효율과 기계적 안정성도 큰 폭으로 높였다.빛 에너지를 전기 에너지로 만들거나(태양전지), 전기 에너지를 빛 에너지로 바꾸는(디스플레이 소자) ‘광전 소자’에는 투명하고 전자를 잘 이동시키는 전극이 들어간다. 지금까지는 금속산화물 기반 전극(ITO)을 사용했는데, 딱딱하고 쉽게 부서지는 성질이 있어 웨어러블 디바이스에 적용하기 힘들었다. 특히 이 전극을 페로브스카이트 태양전지에 적용할 경우 페로브스카이트(광활성 층)에 포함된 할로겐 원소가 금속산화물 쪽으로 이동해 금속전극과 광활성 층이 동시에 분해되는 문제가 있다.개발된 금속 기반 하이브리드 투명전극의 투명성과 유연성 박혜성 교수팀은 이 문제를 그래핀 층을 삽입하는 방법으로 해결했다. 그래핀은 전기 전도도가 높아 전자를 잘 통과시키지만, 원자가 이동하지 못하게 막는 ‘불 침투성’이 있다. 그래핀을 금속 투명전극과 페로브스카이트 광활성 층 사이에 중간층으로 삽입하면, 전자(전하)는 잘 흐르지만 할로겐 원소는 이동하지 못하게 되는 것이다. 게다가 그래핀 자체가 투명하고 유연해 광전소자용 전극으로 활용하기도 적절하다.금속 기반 하이브리드 투명전극을 이용한 페로브스카이트 태양전지의 안정성연구팀은 그래핀 중간층이 삽입된 ‘금속–그래핀 하이브리드 유연 투명전극’을 페로브스카이트 태양전지에 적용했다. 이렇게 만들어진 페로브스카이트 태양전지는 16.4%의 광전변환 효율을 기록했고, 1,000시간이 지나도 초기 효율의 97.5% 이상을 유지했다. 또 5,000번의 굽힘 시험 후에도 초기 효율의 94%를 유지하는 등 우수한 기계적 내구성을 보여 차세대 웨어러블(Wearable) 소자에 응용 가능함을 보였다.개발된 전극을 적용한 페로브스카이트 태양전지 구조와 그 성능제1저자인 정규정 UNIST 에너지공학과 석·박통합과정 연구원은 “그래핀 중간층을 삽입해 할로겐 원소와 금속 원소의 이동을 효과적으로 억제했다”며, “그래핀의 다양한 특성을 활용해 고유연성과 고 안정성을 갖춘 고성능 금속 투명전극 기반 페로브스카이트 태양전지를 제작할 수 있었다”고 설명했다.박혜성 교수는 “이번에 개발한 ‘그래핀 중간층 삽입’ 방법은 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성 등을 크게 향상시켰다”며, “향후 태양전지뿐 아니라 LED, 스마트 센서 등 페로브스카이트 기반의 다양한 차세대 유연 광전 소자 개발에도 크게 도움이 될 것”이라고 기대했다.이번 연구는 저명한 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 5월 13일 자로 온라인 출판됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부와 한국연구재단, 한국동서발전의 지원을 통해 이뤄졌다.
편집부 2020-07-01
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- 수생 생태계의 플라스틱 연쇄 오염 고리 차단의 실마리 제공국내 연구진이 유전자 형질전환을 통해 플라스틱 분해효소를 발현하여, 페트병을 분해하는 식물성 플랑크톤을 개발하였다. 향후 수생 생태계의 플라스틱 연쇄 오염 및 생물 농축 차단에 큰 기여를 할 것으로 기대된다. 플라스틱 분해 플랑크톤 개발 기술 활용 모식도미세플라스틱 오염이 먹이사슬에 따라 생물 농축되는 과정에서 플라스틱 분해 플랑크톤이 순환 고리를 끊는 역할을 수행할 수 있을 것으로 기대한국생명공학연구원(원장 김장성, 이하 생명연) 세포공장연구센터 이용재, 김희식 박사팀(교신저자: 이용재/김희식 박사, 제1저자: 김지원/박수빈 석박사통합과정생)이 수행한 이번 연구는 과학기술정보통신부와 생명연이 추진하는 아이디어 기반 융합 사업의 지원으로 수행되었고, 미생물 분야의 국제학술지 마이크로바이얼 셀 팩토리즈(Microbial Cell Factories, IF 4.669) 4월 28일 자(한국시각 4월 29일) 온라인판에 게재되었다. * 논문명: Functional expression of polyethylene terephthalate-degrading enzyme(PETase) in green microalgae 어패류 등의 수생 생명체는 미세플라스틱을 먹이로 오인하여 섭취하는 경향이 있어, 중금속이나 방사능과 같이 먹이사슬을 통해 플라스틱 생물 농축이 일어날 우려가 있다. 식물성 플랑크톤은 수생 생태계에서 1차 생산자로서 빛으로부터 포도당과 같은 영양분을 합성하여 전체 먹이사슬에 공급하는 역할을 담당한다.따라서, 플라스틱을 분해하는 식물성 플랑크톤은 미세플라스틱에 의한 수생 생태계의 연쇄 오염을 원천적으로 예방하고 먹이사슬을 통한 플라스틱 생물 농축을 차단할 수 있다.2016년 해외연구팀에 의해 페트병을 분해하는 효소가 세균으로부터 발견되었지만, 아직까지 식물성 플랑크톤인 녹색 미세조류에 적용한 사례가 없었다. 본 연구팀은 ‘Chlamydomonas reinhardtii’라는 가장 대표적인 녹색 미세조류에, PET 분해효소(PETase)의 아미노산 서열을 이용하여 식물플랑크톤에 적합하도록 유전자를 합성하여, 페트병을 분해하는 식물성 플랑크톤 ‘CC-124_PETase’를 개발했다.(a) 플라스틱 분해 플랑크톤의 PET 분해 실험 방법, 상단의 방법으로 (b) 2주, (c) 3주, (d) 4주간 실험한 후 HPLC 분석을 수행한 결과. 녹색 실선은 일반 플랑크톤을 이용하였을 때, 붉은 실선은 플라스틱 분해 플랑크톤을 이용하였을 때의 결과임. BHET는 PET의 분해 중간 산물이고, TPA는 PET의 최종 분해 산물임.그림 2 (a) 하단의 실험방법을 통해 플라스틱 분해 과정을 전자현미경으로 2만 배 확대하여 관찰한 결과. (a) 일반 플랑크톤을 이용하여 4주간 분해한 결과. 플라스틱 분해 플랑크톤을 이용하여 (b) 2주, (c) 4주간 분해한 결과. 빨간색 상자는 분해되는 과정에서 표면에 발생하는 hole과 dent를 확대한 것임.연구팀은 플라스틱 분해 식물성 플랑크톤을 개발하여 시판되고 있는 음료수 페트병을 인체에 무해한 단량체들(TPA*, EG**)로 완전히 분해하는 것을 확인하였으며, 전자현미경을 통해 페트병이 분해되는 과정을 관찰하는 데 성공했다.* 테레프탈산(terephthalic acid), ** 에틸렌글라이콜(ethylene glycol)연구책임자인 김희식 박사는 “동 연구성과는 세계 최초로 플라스틱을 분해하는 녹색 미세조류를 개발한 것”이라며, “이 기술은 플라스틱에 의한 환경오염을 해결할 수 있는 새로운 패러다임을 제시한 결과”라고 밝혔다. 또한, “먹이사슬을 통한 미세플라스틱의 생물 농축을 원천적으로 차단할 수 있는 기술의 실마리를 제공함으로써 추가적인 연구를 통해 자연복원, 수산양식 등 다양한 분야에 널리 활용될 수 있을 것”이라고 전망했다.
취재부 2020-06-17
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- 해수자원화 연구개발, 환동해권 해양 신산업 창출 위한 기관 간 상호협력 추진 계획UNIST의 해수전지 기술이 울릉도와 독도의 해양환경 연구에 활용될 길이 열렸다.UNIST 해수자원화기술연구센터(센터장 김영식)은 지난 5월 22일 울릉도에서 경상북도, 한국해양과학기술원(KIOST) 울릉도독도해양연구기지와 업무협약을 체결했다. 이번 업무협약은 울릉도‧독도의 해수자원화 연구개발 및 활용 활성화를 위해 추진됐다.세 기관은 앞으로 울릉도‧독도 해수자원화 및 활용 활성화를 통해 환동해권 해양 신산업 창출에 협력해나가기로 했다. 이를 위해 연구 장비 및 시설 공동활용, 인적‧정보‧학술 교류 등 활발한 상호협력이 이뤄질 예정이다.해수 전지 부이에 불이 들어온 모습; 해수 전지가 장착된 부이는 태양전지를 통해 충전돼, 전력을 활용할 수 있다.협력은 UNIST의 해수 전지 기술을 중심으로 이뤄진다. 해수 전지는 해수자원화기술연구센터가 정부와 울산시의 도움을 받아 개발한 원천기술로, 바닷물 속 나트륨 이온을 이용해 전기를 충·방전하는 장치다. 바닷물을 이용하는 만큼 해양환경에서의 적용방안이 무궁무진하며, 현재 해양특화 전지, 에너지 독립형 어망용 GPS 부이, 해수 담수화 장치 등의 개발이 이뤄지고 있다.울릉도와 독도 지역은 국내에서 맑은 날이 가장 적은 지역 중 하나이며, 특히 겨울철 일조량이 적다. 그 때문에 태양전지로 구동되는 해양 기상관측 부이의 경우, 겨울철 운영에 어려움을 겪고 있다. 이들 해상관측 부이에 해수 전지기술이 적용되면, 태양전지로부터 충전된 전력을 저장‧활용할 수 있어 해상관측 부이의 안정적 운영이 가능할 것으로 기대된다.연구진은 이에 더해 표층 해류관측을 위한 GPS 부이 활용, 외해 수중 가두리 양식장의 실시간 해양환경 측정, 실시간 울릉도‧독도 수중 경관 모니터링 등 다양한 분야에 더 폭넓은 적용도 가능할 것으로 보고 있다.협약식 참석자들이 기념사진을 촬영했다.김영식 에너지 및 화학공학부 교수는 “이번 협약은 해수 전지를 적용한 스마트 부이의 연구개발 및 현장 실증에 큰 힘이 될 것”이라며, “다양한 해양환경 연구에 해수 전지가 도움이 될 수 있길 바란다”고 전했다.김남일 경상북도 환동해지역본부장은 “울릉도‧독도 해역의 해수자원화 연구 활성화 및 현장 적용을 통해 과학으로 독도를 지키는 것은 물론, 환동해권 해양 신산업 창출에 박차를 가하겠다”고 밝혔다.한편 울릉도독도해양연구기지는 경상북도와 울릉군이 독도 해양영토주권 수호 및 울릉권역 해양자원 개발연구거점 확보를 위해 2013년 울릉도에 설치한 연구소다. 2014년부터 KIOST가 위탁운영을 맡아 울릉도‧독도 해역의 실시간 해양관측 부이, 표층 가두리 양식시설 등을 운영하고 있으며, 2021년 취항을 목표로 다목적 독도(울릉도) 소형 전용 조사선 건조를 추진 중이다.
편집부 2020-06-17
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II. 모니터링 시스템의 활용에 필요한 기본지식2. 플라스틱 재료 (Plastic Material)사출성형에 사용하는 플라스틱(Plastics) 재료는 고분자(Polymer)와 첨가제(Additives)의 혼합이다. Polymer는 그리스어로, ‘Poly’는 ‘많음’을, ‘Meros(mer)’는 ‘부분’을 뜻하며, 증류탑에서 생성된 단량체(Monomer)를 중합공정을 거쳐 고분자(Polymer)로 만든다.• 플라스틱은 고분자(Polymer)와 첨가제(Additives)의 혼합이다.• 플라스틱은 가공(Processing) 중에 사슬분해(Chain Degradation)가 일어날 수 있다.고분자(Polymer)는 동일한 탄소 뼈대를 가질 수 있지만, 결합형태나 결합된 원소에 따라 상당히 다른 특성을 가질 수 있다. 아울러 산소(O), 질소(N), 염소(Cl), 브롬(Br), 그리고 불소(F)가 포함된 고분자는 건조에 조심해야 한다. 고분자는 단량체가 결합하여 만드는 사슬(Chain)의 길이(Length)에 따라서 분자량(Molecular Weight)이 결정되며, 분자량이 높을수록 유동에 저항하는 정도가 높아지고, 물성이 좋아진다. 이러한 유동에 저항하는 정도를 점도(Viscosity)라고 하며, 산업현장에서는 MFI 또는 MFR을 이용하여 유동성이 높고 낮음을 구분하기도 한다. * MFI(Melt Flow Index)는 10분 동안 흘러내린 재료의 중량을 이야기함.2.1 플라스틱(Plastics)의 분류고분자는 재연화(Re-softened) 될 수 있는 유무에 따라서 열가소성(Thermoplastic)과 열경화성(Thermoset)수지로 분류할 수 있으며, 다음 분류표(그림 39)와 같이 사용하는 용도 또는 목적에 따라 분류하기도 한다.열가소성(Thermoplastics)은 반결정성(Semi-crystalline)과 비결정성(Amorphous) 수지로 분류되기도 하며, 산업현장에서 사용되는 반결정성(Semi-crystalline)과 비결정성(Amorphous) 수지의 종류는 다음과 같다.2.2 반결정성(Semi-crystalline)과 비결정성(Armophous) 수지의 특성 비교 2.2.1 용융과정(Melting Process)비결정성(Amorphous)과 반결정성(Semi-crystalline) 수지는 내부에 단단한 결정구조의 유무와 이에 따른 녹는 메커니즘의 차이로 구분되기도 한다. 비결정성 수지는 버터와 같이 녹는 점(Melting Point)을 정할 수 없는 매우 넓은 온도 범위에서 서서히 녹으며, 반결정성 수지는 녹는 점(Tm)에서 갑작스러운 상변화를 일으킨다.Tg는 유리 전이온도(Glass Transition Temperature)이며, 가열 중에 이 온도를 지나면 폴리머(Polymer)가 급격하게 고체(Solid)상태에서 고무(Rubbery) 상태로 변화한다.Tm은 녹는 온도(Melting Temperature)로써, 가열 중에 이 온도를 지나면 반결정성 폴리머(Polymer)만 급격하게 고무(Rubbery) 상태에서 결정이 없는 상태로 변화한다. 이때 투명하게 변화하고 유동성이 급격히 향상된다.2.2.2 냉각/수축 과정(Cooling/Shrinkage Process)비결정성(Amorphous)과 반결정성(Semi-crystalline) 수지는 냉각과정에서 결정 형성 유무에 의하여, 수축률의 차이를 보이며, [그림 41] 우측의 그림(P-V-T 선도)에서 보는 바와 같이 반결정성 수지는 비결정성에 비하여 큰 체적수축(△V)을 발생시킨다. P-V-T 선도에서의 기울기는 냉각속도에 의하여 결정됨으로, 비결정성 및 반결정성 수지에 있어서 냉각속도에 영향을 주는 인자(냉각 회로설계, 냉각수 유속, 냉각수 온도, 수지 온도)들을 제어하는 것이 중요하다.• 반결정성(Semi-crystalline) 수지의 경우, 냉각속도는 훨씬 더 중요한 인자이며, 초기 설계 단계에서부터 세심한 주의가 필요하다.(*결정화도는 냉각속도에 반비례한다.) • 부품의 치수(Dimension)는 반결정성(Semi-crystalline) 수지인 경우에 냉각속도의 영향이 크다.• 부품의 치수(Dimension)는 비결정성(Amorphous) 수지인 경우에 냉각속도에 영향을 받지만, 압력의 변화에 더욱 민감하다.2.3 플라스틱에 사용되는 첨가제(Additives)아래는 일반적으로 플라스틱에 사용되는 첨가제를 사용 목적에 따라 분류한 것이다.• 플라스틱은 중합체(Polymer)와 첨가제(Additives)의 혼합이다.• 첨가제는 재료의 변동성(Variability)을 증가시킨다.• 재료의 변동성(Variability)은 점도(Viscosity)의 변화와 함께 나타난다.2.4 플라스틱의 점도(Viscosity)유체의 흐름에서 저항의 크기를 나타내는 양을 점도(Viscosity)라고 한다. 즉 끈적거림의 정도를 표시하는 것으로서 유체가 유동하고 있을 때, 인접하는 유체 층간에 작용하는 단위 넓이 당의 전단력(shear Stress)은 그 위치의 속도 구배(Gradient)에 비례하며, 이 비례 정수를 점도(Viscosity)라고 한다.점도가 일정하지 않고 위의 [그림 42]에서와같이 전단율(Shear-Rate)이 변화할 때에 점도도 변화하는 유체를 비뉴턴 유동(Non-Newtonian Flow)이라 말한다. 이는 사출 공정 중에 점도가 유로(Flow Path)와 관계된 사출기와 금형의 기하학적 구조에 따라 변화된다는 것을 의미한다.사출기나 유압 센서에서 충진(Filling) 공정의 압력 곡선의 아래 면적(Area)은 재료의 점도와 밀접한 관계가 있으며, 이를 유효 점도(Effective Viscosity)라고 한다. 이를 모니터링(Monitoring)하여 실시간으로 재료의 변화를 감시하고 생산관리를 수행하는 데에 사용 가능하다.• 플라스틱은 비뉴턴 유동(Non-Newtonian Flow)을 한다.• 점도(Viscosity)의 변화가 사출성형 공정에서 발생하는 문제점들의 근원(Root)이다.• 공정의 변동성(Variability)은 점도(Viscosity)의 변화와 직접적으로 관계한다.2.5 플라스틱의 압축성(Compressibility)플라스틱은 유체상태에서 압력이 증가함에 따라 체적(Volume)이 감소하며, 이를 압축성(Compressibility)이라고 한다.• 비결정성(Amorphous) 수지의 경우, 100bar당 최대 1/2%• 반결정성(Semi-crystalline) 수지의 경우, 100bar당 최대 3/4%• 결정성(Crystalline) 수지의 경우, 100bar당 최대 1%이것은 전체 치수가 재료 특성에 따라서 100bar당 1/2%에서 1%까지 변화할 수 있다는 것을 의미한다. 그러나 아래와 같이 치수에 영향을 미치는 다른 요인이 있으므로 유의하여야 한다. • 수지 배향성(유동과 유동 직각 방향의 서로 다른 수축률)• 결정성(Crystalline) 수지의 결정화도(Crystallinity)• 유리섬유와 같은 긴 충진물(Filler)• 금형 캐비티(Cavity) 내의 압력을 제어하는 것이 성형품의 치수 변화와 변형을 최소화하는 열쇠이다.2.6 결정성(Crystalline) 수지의 결정화도(Crystallinity)결정성 또는 반결정성 수지의 결정화도(Degree of Crystallinity)는 냉각속도에 크게 영향을 받는다. 그러므로 성형조건이나 금형 냉각조건에 대한 최적화와 관리가 절대적으로 필요하다.냉각속도가 빠르면, 결정화도가 적어지며, 반대로 냉각속도가 느리면 결정화도가 커지게 된다. 다음은 결정화도에 다른 물성의 변화를 보여준다. (표 4)2.7 플라스틱의 분해(Degradation)2.7.1 고분자 사슬 분해(Polymer Chain Degradation)고분자 사슬은 강하지만, 부적절한 성형(processing)에 의해서 고분자의 사슬(Chain)이 끊어질 수 있다. 이는 성형품의 성능 저하로 이어지고, 점도(Viscosity)가 낮아져 흐름성(flowability)이 좋아지게 된다. 부적절한 성형에는 다음과 같은 경우가 있다.• 과도한 열(Heat)• 건조나 용융과정 중 고온 상태에서의 과도한 체류 시간(Time)• 계량이나 사출 중에 받는 과도한 전단력(Shear Force)• 화학물질(예: 물)에 의한 사슬 분해(끊김)• 흡습성(Hygroscopic) 수지의 경우에 적절한 건조는 분해를 방지하기 위하여 필수적이다.2.7.2 첨가제의 분해(Additives Degradation)첨가제는 고분자에 비하여 사슬(Chain)의 크기가 매우 작으므로, 성형 중에 쉽게 분해되거나 휘발하여, 다음과 같은 결과를 유발할 수 있다.• 금형의 벤트(Vent)나 캐비티 표면에 휘발성 물질이 잔류 → 표면 문제 발생• 기계적 물성의 변화• 유동성 저하(점도가 높아짐)• 첨가제의 함량(% Content) 변화가 신재(Virgin)와 분쇄재(Regrind) 간의 가장 주요한 차이점이다.2.8 수분(Moisture)과 플라스틱수분은 비정상적인 성형조건(과도한 열, 체류 시간, 전단력 …) 하에서 플라스틱이 분해되기 쉽게 만들며, 특히 수분흡수가 쉬운 재료(Hygroscopic)일 때 매우 주의하여 건조 공정을 모니터링 해야 한다.수분을 함유하는 방식에 따라 플라스틱을 분류할 수 있으며, 수분이 폴리머의 외부에서 응축하는 소수성(Hydrophobic), 수분을 흡수하는 흡습성(Hygroscopic)으로 분류하며, 흡습성은 수분이 단순히 내부에 침투하는 친수성(Hydrophillic)과 열과 함께 수분이 폴리머의 체인을 분해하는 가수분해성(Hydrolyzable)로 나눌 수 있다. 가수분해성(Hydrolyzable) 플라스틱을 재료로 성형하는 경우에는 건조기의 조건과 유지관리(Maintenance)에 보다 중점을 두어야 한다. 외관상으로는 문제가 없어 납품 처리된 제품이 물성 저하로 인하여 사용/작동 중에 문제가 발생할 가능성이 있기 때문이다. 건조기의 관리/모니터링 인자(Factors)는 유속(CFM), 온도, 체류 시간, 그리고 이슬점(Dew Point)이 있으며, 기타 요인으로는 펠릿의 크기와 관리상태 등이 있다.★ 사출기 모니터링 시스템의 필요성 – 재료관리 측면 사출성형에서 재료의 관리는 공정 최적화의 기본이 된다. 균일한 재료가 공급되지 못하면, 공정상의 모든 변수가 변하게 되며, 결국 균일한 제품을 생산할 수 없게 된다.(그림 47)은 사출기에서 용융된 재료가 동일한 점도를 가지고 있는 지를 관리하는 방법으로 유효 점도(Effective Viscosity)를 모니터링(Monitoring) 하는 예제이다. 동일한 Grade의 재료일지라도 생산 로드(Lot)가 변화하면 내압이 변화하는 모습을 보여준다.재료의 수분 관리를 위하여, 수동으로 일정 시간 간격을 두고 수분 측정기나 이슬점 측정기를 이용하여 수행할 수 있다. 수동적(Manual)인 관리는 사람에 의하여 데이터의 누락, 관리 포인트의 상이, 측정 조건의 불일치 등이 발생하여 효율성과 정확성이 떨어짐으로 습도 센서를 이용하여 자동적(Automatic)인 관리와 감시 체계를 확립하는 것이 필요하다.
편집부 2020-06-06
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- 콜드체인(저온유통) 안심 스티커 제조기술 라운드 테이블 서울 양재 aT센터서 열려- 기업들의 높은 관심 속 국내외 유통·제조기업 30여 개 사 참가한국화학연구원(원장 이미혜)은 지난 5월 19일(화), 서울 양재 aT센터 세계로룸에서 기술 도입 희망기업을 대상으로 ‘콜드체인 안심 스티커 제조기술 라운드 테이블’을 개최했다.‘콜드체인(저온유통) 안심 스티커’는 냉장·냉동 식료품 변질 여부를 알려주는 스티커로, 10℃ 이상의 상온에 노출되면 투명해지는 나노섬유 필름을 이용한 것이다.이번 기술설명회는 한국화학연구원 바이오화학연구센터 연구진이 개발한 안심 스티커 제조기술이 지난 4월 초 언론에 보도된 이후, 기업들이 높은 관심을 보여 개최하게 됐으며, 국내외 유통 및 제조기업 30여 개사가 참가했다.이번 기술설명회는 연구진의 기술소개와 질의응답과 기업별 기술상담으로 나눠 진행됐다.우선, 한국화학연구원 바이오화학연구센터 황성연 센터장이 콜드체인 안심 스티커 제조기술에 관해 설명하고, 참여기업들의 질문에 답하는 시간을 가졌으며, 이어서 제조기업과 유통기업으로 나눠 기업별 기술상담이 진행됐다.한국화학연구원 바이오화학연구센터 오동엽·박제영·최세진 박사팀은 지난 4월 7일 냉장으로 배송받은 식료품의 변질 여부를 확인할 수 있는 스티커를 개발했다고 밝혔다.콜드체인 안심 스티커는 10℃ 이상의 상온에 노출되면 투명해지는 나노섬유 필름이 핵심으로, 나노섬유 필름과 일반 필름 두 겹으로 이뤄져 있다. 나노섬유 필름은 저온 상태에서 안정된 형태로 빛을 산란시켜 불투명하다. 하지만 상온에 일정 시간 동안 노출되면 나노섬유 구조가 붕괴되면서 빛이 투과해 투명해진다.이 같은 원리를 이용해 스티커 앞면의 나노섬유 필름이 상온에 노출되어 투명해지면 뒷면의 일반 필름 이미지가 나타나는 것이다. 이를 통해 식료품의 변질 여부를 알 수 있다. 이 스티커는 식료품뿐만 아니라 고가의 의약품 저온유통에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 스티커 자체가 얇고 유연한 데다 기존 TPU 생산공정의 변경 없이 생산할 수 있고, 용도별 다품종 소량생산이 가능해 예상 제작 비용이 개당 10~50원*대로 저렴하기 때문이다.* 회사별 구매량 및 사용공정 설비에 따라 단가 변동 가능성 있음.한편 화학연구원의 안심 스티커는 구부림, 화물 적재, 훼손에 정상적으로 작동이 된다. 이는 안심 스티커 원료 자체가 화학연이 보유한 자가치유 폴리우레탄 소재로, 물류 이동 시 스크래치 및 절단과 같은 외부요인에 손상을 스스로 감지하고 회복하여 원 상태의 매끈한 표면을 유지할 뿐만 아니라 절단 이전의 기계적 강도를 유지할 수 있는 기능을 가지는 지능형 소재이기 때문이다.문의: 연구전략본부 기술사업화실 이영석 실장(042-860-7995, 010-8803-1841)연구전략본부 기술사업화실 최경선 선임연구원(042-860-7076, 010-7942-7164)
이용우 2020-06-02