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생기원, 초경량 전기차 배터리 하우징, 알루미늄 합금으로 만든다

- ㈜대주코레스에 마찰교반용접 기술 지원해 양산 성공- 재규어 社의 전기차 ‘I-pace’ 16만 대에 탑재, 750억 원 수출 달성전기차의 연비 향상을 위해 알루미늄 합금, 탄소섬유복합재 등의 경량소재 적용이 늘고 있다. 특히 알루미늄 합금은 강철의 3분의 1 수준으로 가볍고, 탄소섬유복합재보다 가공하기 쉬우며 가격도 저렴하다. 하지만 ARC용접*과 같은 일반적인 용접 방식을 쓸 경우, 용접부의 강도가 떨어지고 변형이 심해 대형 조립부품 제작에 적용하기 어렵다.* 용접봉과 소재 사이에 순간적으로 전압을 걸어 발생되는 고열로 용접하는 방식마찰교반용접으로 제작한 전기차용 배터리 하우징 제품한국생산기술연구원(원장 이성일, 이하 생기원)이 알루미늄 부품제조 전문기업 ㈜대주코레스에 알루미늄 합금 용접에 적합한 마찰교반용접 기법을 적용해 ‘초경량 전기차용 배터리 하우징(Battery-housing)’ 제조에 성공했다.배터리 하우징은 배터리 모듈을 상자 모양으로 감싸 외부 충격으로부터 보호하는 2m×2.3m 크기의 대형 조립부품으로, 알루미늄 합금 소재로 제작해낸 것은 이번이 세계 처음이다. 배터리 하우징에 기존의 철강 대신 알루미늄 합금 소재를 적용하면 무게를 300㎏에서 100㎏ 수준까지 줄일 수 있어 경량화에 유리하다. 생기원 탄소경량소재응용그룹 이광진 수석연구원 팀이 기술 지원한 ‘마찰교반용접’은 소재에 별도의 열을 가하지 않고 소재와 전용 툴(Tool)과의 마찰열만을 이용해 접촉 부위의 금속을 유동(流動)화시켜 접합하는 새로운 용접 기법이다.작업 도중 금속가스와 같은 유해물질이 발생하지 않아 친환경적이며, 기존 용접 방식에서 생기기 쉬운 기공이나 균열 등의 문제도 없다. 또한, 非 용접부위 대비 접합강도가 90% 수준으로, 80% 정도인 기존 용접 기법보다 신뢰성도 높다. 이번 성과는 생기원과 기업 간 역할 분담과 협업을 통해 이뤄냈다. ㈜대주코레스는 배터리 하우징 생산공정을 구축하고 제품의 전반적인 설계와 알루미늄 압출재 공급 역할을 수행했다. 생기원은 ㈜대주코레스가 어려움을 겪었던 마찰교반용접 결과의 해석·평가를 지원하고, 전용 툴의 회전속도와 삽입 깊이, 이동속도 등을 최적화해 최종적으로 마찰교반용접 기법을 공정에 적용시켰다. 아울러 용접으로 인해 저하되었던 접합부의 기계적 특성을 회복하고 인장·충격·피로 강도를 동시에 만족시킬 수 있는 ‘후열처리’ 공정을 개선해 변형 발생 폭을 2㎜ 이내로 최소화했다.㈜대주코레스가 구축한 전기차용 배터리 하우징 양산 설비㈜대주코레스는 여러 개의 알루미늄 합금 판재를 맞대기 방식으로 접합하는 배터리 하우징 하단부에 마찰교반용접 공정을 적용, 대규모 양산에 성공했다. 양산된 제품은 LG화학의 폴란드 공장에 수출되어 영국 재규어(Jaguar) 社의 대표 전기차 ‘I-pace’에 탑재된다. 현재까지 차량 16만 대에 들어가는 제품생산 계약이 체결됐고, 관련 매출은 750억 원 규모이다.이광진 수석연구원(右)이 ㈜대주코레스 직원과 함께 알루미늄 합금으로 제작한 전기차용 배터리 하우징 제품을 살펴보고 있다.이광진 수석연구원은 “양산된 제품이 실제 전기차에 적용돼 검증됨으로써 향후 수요가 지속적으로 증가할 것”이라고 전망하며, “2020년까지 배터리 하우징의 측면부인 필렛(Fillet) 부위까지 기술 적용을 확대해 제품 완성도를 높일 계획”이라고 밝혔다.한편 용접기술 시장규모는 2020년 713억 달러, 전기차 시장규모는 139억 달러에 달할 것으로 예상된다.
이용우 2019-04-22
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UNIST, 현대차와 미래세대 자율주행차 스타일 잡는다

- 정연우 교수팀, 산학협력 과제 선정… “i 세대 생활 반영할 것”- iF 디자인 어워드 2019 본상 등 모빌리티 분야서 종횡무진 활약미래세대를 위한 자율주행 자동차의 디자인 프로젝트가 시작된다. 현대자동차그룹이 내놓은 산학협력 과제 중 유일하게 외장 디자인 스타일링을 다루는 내용인데, 이를 UNIST(총장 정무영)이 주도하게 됐다.UNIST 디자인 및 인간공학부의 정연우 교수팀은 현대자동차그룹에서 선정한 산학협력과제에 선정됐다. 주제는 ‘i 세대를 위한 자율주행 자동차의 외관 스타일링’으로 4월부터 7개월간 진행할 예정이다.i 세대의 특징을 파악하기 위해 수집한 해시태그 예시 i 세대의 특징 중 ‘실제 경험’을 중시하는 부분을 반영한 디자인 콘셉트 예시i 세대는 1995년부터 2012년 사이에 태어나 스마트폰과 소셜미디어에 친숙한 미래세대를 일컫는다. 정연우 교수팀은 이들 세대의 생활양식과 소비문화를 반영한 자동차 외관 디자인을 계획하고 있다. 소셜미디어에 주로 활용하는 해시태그를 모아 분석하고, 이 세대들을 설명하는 주요 단어와 어울리는 자율주행 콘셉트를 살피면서 디자인 작업을 진행할 예정이다.현대차그룹의 산학협력은 주제별로 하나의 학교만 선정되는데, 외장 디자인 분야에서 예술대학이 아닌 과학기술원 UNIST가 뽑혀 눈길을 끈다. 정연우 교수는 “국내 완성차 기업이 과학기술원과 함께 진행하는 첫 외장 디자인 스타일링 사례이기도 하다”며, “그동안 축적된 UNIST의 디자인 역량과 자동차를 비롯한 각종 운송수단(mobility) 디자인에 특화된 연구실의 경험이 과제 선정에 도움을 줬을 것”이라고 분석했다.체이스체어의 콘셉트 그림체이스체어의 사용법_당겨서 접고 이동과 보관이 용이한 형태실제로 정연우 교수팀은 독일 ‘iF 디자인 어워드 2019’에서 ‘체이스클레어(ChaiseClaire)’라는 신개념 운송수단으로 본상을 받기도 했다. 체이스클레어는 무겁고, 힘들게 바퀴를 밀어야 하는 휠체어를 혁신적으로 개선한 새로운 운송수단이다. 그래핀과 고탄성 매쉬 소재를 이용해 무게를 줄이고, 전력으로 구동을 돕는 인휠 모터를 장착해 힘이 약한 사람도 쉽게 이용할 수 있다.정연우 교수는 “휠체어는 환자나 노인처럼 거동이 불편한 사람만 이용한다는 고정관념에서 벗어난 차별화된 시도”라며, “일반인도 한번 타보고 싶다는 생각이 들 만큼 매력적이라 ‘새로운 1인 운송수단(personal mobility)’으로 쓰일 수 있을 것”이라고 설명했다.체이스클레어는 2021년 출시를 목표로 양산화도 추진 중이다. 이를 위해 실제 사용될 작동방식, 인체공학적 형태, 조립 구조를 고려한 설계까지 진행하고 있다. 바퀴 내부에 장착될 모터는 사용자가 힘을 적게 들이도록 돕는다. 또 휠체어를 사용하는 사람들의 동작을 시뮬레이션해 안정된 무게중심도 연구했다.정 교수는 “국제 디자인 대회에 출품되는 디자인 대부분이 콘셉트에 그치는 반면, 체이스클레어는 상용화까지 염두에 두고 디자인 작업을 진행했다”며, “드론 돔(Drone Dome)이라는 회사와 함께 양산까지 추진할 예정이며, 올해 말경에는 시제품을 볼 수 있을 것”이라고 밝혔다.한편 정 교수팀은 2018년부터 현재 경기도에서 운행되고 있는 국내 최초의 자율주행 버스인 ‘제로 셔틀(Zero Shuttle)’의 디자인으로도 유명하다. 또 2017년에는 만도와 함께 개발했던 모듈형 사륜 전기 자전거, 8개 국가연구기관이 공동연구하는 차세대 운송수단 하이퍼루프 디자인으로 다수의 디자인상을 받았고, 2016년에는 엘지전자와 개발했던 로봇 유모차 ‘베이비킹(Babyking)’으로 스파크 디자인 어워드 대상을 수상한 바 있다. 2015년에는 신개념 수상동력정을 개발했다. 최근에는 전기차 토털 서비스 솔루션 전문업체인 ‘이빛컴퍼니’와 손잡고 오래된 자동차를 전기자동차로 개조하는 과정에서 디자인 개발 부분을 지원하기로 협약했다.자료문의대외협력팀: 장준용 팀장, 박태진 담당 (052)217-1232디자인 및 인간공학부: 정연우 교수 (052)217-2712
취재부 2019-04-22
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생분해성 비닐봉투 ‘잘 찢어지는’ 문제해결 한국화학연구원, 바이오플라스틱기반 100%생분해성 비닐봉지

- 목재‧게 껍질 추출 보강재 첨가… 기존 생분해성 비닐봉투 대비 인장강도 2배 향상바이오플라스틱 비닐봉투(셀룰로오스 및 키토산 보강)와 그 분해 실험(왼쪽)이번에 개발한 셀룰로오스‧키토산 나노섬유 첨가 바이오플라스틱 비닐봉투(오른쪽)연구진은 자체적으로 땅속에 새로 개발한 생분해성 고강도 비닐봉투를 매설한 후 썩어서 없어지는데 걸리는 기간을 실험했다. 그 결과 완전히 분해되는데 총 6개월이 소요됐다. 국내 연구진이 생분해성 비닐봉투의 ‘잘 찢어지는’ 문제를 해결하고, 100% 생분해되는 친환경 비닐봉투 시제품을 개발하는 데 성공했다. 기존 생분해성 비닐봉투와 비교해 인장강도가 2배나 높아 시중에서 쓰이는 석유계 비닐봉투를 대체할 수 있을 것으로 기대된다. 한국화학연구원 오동엽‧황성연‧박제영 박사는 바이오플라스틱(PBS)* 기반 생분해성 고강도 비닐봉투를 개발했다. 이 생분해성 고강도 비닐봉투는 자체 간이실험 결과 땅속에서 6개월 이내 100% 분해되는 것으로 확인됐다. * 바이오플라스틱(PBS‧Polybutylene succinate): 대표적인 생분해성 바이오플라스틱으로, 바이오매스(사탕수수, 옥수수, 나무, 볏짚 등으로 생성된 식물자원) 기반 단량체(단위분자)와 석유 부산물 기반 단량체를 중합해 제조한 고분자. 또한, 기존 생분해성 비닐봉투는 물론이고 석유계 비닐봉투보다도 더 강하고 질겼다. 그동안 바이오플라스틱은 생분해되지만, 인장강도(비닐봉투의 튼튼한 정도)가 약해 쉽게 찢어지는 문제가 있었다.  하지만 한국화학연구원 연구진은 목재펄프와 게 껍질에서 추출한 보강재를 첨가해 인장강도가 약한 바이오플라스틱의 한계를 극복했다. 50L 반응기에서 비닐봉투와 빨대 시제품을 생산하는 데 성공한 터라, 상용화 가능성도 높다. 이번에 개발된 생분해성 고강도 비닐봉투의 핵심은 목재펄프와 게 껍질에서 추출한 물질로 만든 나노섬유* 수용액이다. * 나노섬유: 직경이 나노미터 수준으로 매우 가는 초극세사. 연구진은 먼저 목재펄프와 게 껍질에서 각각 셀룰로오스*와 키토산*을 추출해 화학처리 한 후, 고압 조건에서 박리(잘게 쪼개는 과정)했다. 다음에는 이 과정에서 얻은 나노섬유가 분산된 수용액을 바이오플라스틱(PBS) 제조 시 첨가해 기계적 물성을 극대화했다. * 셀룰로오스: 목재, 식물을 구성하는 주요 성분으로 지구상에서 가장 풍부한 자연산물.* 키토산: 게, 새우, 곤충, 버섯을 구성하는 주요 성분으로 지구상에서 두 번째로 풍부한 자연산물이며, 항균성을 가지고 있음. 그 결과 100% 생분해되는 것은 물론이고, 바이오플라스틱의 약점으로 꼽히는 인장강도도 크게 개선됐다. 일반적으로 쓰이는 석유계 플라스틱인 폴리프로필렌(PP)과 폴리에틸렌(PE)의 인장강도가 40MPa(메가파스칼) 이상인 데 반해, 기존 바이오플라스틱 비닐봉투의 인장강도는 대체적으로 35MPa 이하여서 찢어질 위험이 높았다.  하지만 연구진이 개발한 생분해성 고강도 비닐봉투의 인장강도는 65~70MPa를 기록했다. 이는 질긴 플라스틱의 대명사인 나일론과 유사한 수준이다. 나일론은 낙하산과 안전벨트 소재로 쓰인다. 또한, 별도의 항균처리 없이 자체적으로 식품 부패를 방지하는 항균 능력도 갖췄다. 이 같은 효과는 키토산 덕분이다. 키토산은 천연 항균제로 박테리아를 살균하는 능력이 있다. 이번에 개발한 바이오플라스틱 필름과 대조군인 폴리프로필렌(PP)과 폴리에틸렌(PE) 필름에 대장균을 노출시킨 후 48시간 경과 시, 바이오플라스틱 필름의 대장균은 90%가 사멸한 반면, PP와 PE 필름의 대장균은 거의 죽지 않았다. 이번 연구결과는 총 3편의 국외 SCI 학술지에 소개됐고, 대표적으로 소재 분야 저널 ‘카보하이드레이트 폴리머(Carbohydrate Polymers, IF:5.158)’ 2월호에 ‘Five different chitin nanomaterials from identical source with different advantageous functions and performances’라는 논문으로 게재됐다. 또한, 국내 특허도 2건 등록했다. 한국화학연구원 황성연 바이오화학연구센터장은 “가까운 미래에 대형 마트에서 쓰는 비닐봉투, 과일을 포장하는 비닐롤백, 커피음료의 빨대를 우리가 개발한 친환경 소재로 바꾸고 싶다”라고 말했다. 이번 연구를 주도한 오동엽 박사는“우리가 개발한 소재가 최근 불거진 국내 플라스틱 쓰레기 문제를 해결하는 데 기여했으면 좋겠다”고 밝혔다.한편, 이번 성과는 한국화학연구원‧울산광역시 기술협력 사업으로 이뤄졌다. 
이용우 2019-04-22
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생분해성 폴리머의 현황과 전망 2

생분해성 폴리머의 중요한 응용 분야는 지구 환경을 청결하게 유지하기 위해 현재 사용 중인 비 분해성 플라스틱을 대체하기 위한 플라스틱 산업에 있다. 플라스틱 폐기물 공정에서의 첫 번째 선택은 재사용하는 것이다 
이용우 2019-04-10
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우리 생활에 없어서는 안될 유용한 플라스틱 제품을 만드는 사출성형기 이야기 9

전기회로의 「ON」 「OFF」 조작을 하는 것으로는 스위치와 차단기가 있다. 스위치는 통상 부하(負荷)전류를 ON·OFF 할 수 있지만, 전선이 단락(短絡)되었을 때(고장)에 흐르는 큰 전류(단락 전류)는 「ON」 「OFF」 시킬 수 없다. 이렇게 큰 전류를 차단하는 것이 차단기이며, 차단기는 강력한 접점 개폐 기구와 차단할 때에 발생하는 아크 에너지를 신속하게 흡수하는 소호(arc extinguish)장치를 갖추고 있다. 
이용우 2019-04-10
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한국화학연구원, 신개념 페로브스카이트 박막기술 ‘DHA’ 개발

- 페로브스카이트 태양전지 상용화 새 해결책 제시… 고효율‧안정성‧대면적 기술 ‘네이처’ 게재 한국화학연구원 연구진이 페로브스카이트 태양전지 상용화를 위한 신개념 페로브스카이트 박막기술 DHA(Double-layered Halide Architecture; 이중 층 할로겐화물) 개발에 성공했다. 이를 통해 페로브스카이트에서 빛을 받아 발생한 정공(+)을 전극으로 이동시키는 정공수송 층으로 사용하는 ‘전도성 상용 고분자’의 활용을 극대화했다. 이번 연구성과는 과학분야 최고 권위지인 ‘네이처(IF=41.577)’에 3월 28일 자(현지 기준)로 게재됐다.Newport Co.에서 발행한 DHA가 도입된 P3HT 기반의 페로브스카이트 태양전지 성능 인증서 한국화학연구원 화학소재연구본부 서장원 박사팀은 차세대 태양전지로 주목받는 페로브스카이트 태양전지*의 고효율화 기술을 선도하고 있는 가운데, 2017년 10월 NREL 차트에 22.7%*의 인증 효율을 등재했다. 이번 논문에서는 상용화에 전환점이 될 기술을 적용하여 고효율, 고안정성, 대면적 모듈화를 동시에 달성할 수 있는 획기적 연구결과를 발표했다.* 페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지와 비교해 제조가 쉬운데 다 제작원가는 평균 5배 저렴하여 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 최근 정부가 발표한 ‘재생에너지 3020 이행계획안’에도 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 기술로 소개됐다.* 미국공인인증기관 Newport Co에서 인증을 받았으며, 2017년 10월 NREL(National Renewable Energy Laboratory; 미국신재생에너지연구소)에서 당시 최고효율로 기록됐다. 페로브스카이트 태양전지 상용화를 위해서 해결해야 할 난제가 있었다. 기존 정공수송 소재*는 가격이 비싸고 높은 전도도 확보를 위한 첨가제*가 필요한데 다, 안정성도 취약했다. 또한, 대면적 인쇄 코팅을 하려면 소재의 대량생산과 일정하고 균일한 성능 확보도 동시에 요구되는데 기존 정공수송 소재로는 한계가 있었다. * 일반적으로 많이 쓰이는 정공수송 소재는 PTAA와 Spiro-OMeTAD 고분자가 있다. 정공은 양전하를 가지는 입자로 전류를 운반하는 역할을 한다.* 일반적으로 친수성 첨가제(Li-TFSI, tert-butyl pyridine 등)를 소량 도핑한다.정공 수송 소재의 가격 비교 일반적으로 사용되는 전도성 유기 물질은 PTAA, spiro-OMeTAD 등이 있다. (위표 참조) 이번 연구에서 활용한 상용 전도성 고분자는 P3HT(poly(3-hexylthiophene)) 이다. P3HT 고분자는 기존에 사용되던 PTAA와 spiro-OMeTAD에 비해 소자 제작에 필요한 소재 가격이 약 4~5배 저렴하다.  연구진은 이러한 조건을 모두 만족시키는 정공수송 소재로 ‘전도성 상용 고분자’ P3HT*에 주목했다. 이미 유기 태양전지와 유기 트랜지스터에서 활용되고 있어 페로브스카이트 태양전지에도 활용하고자 했으나 16%(단위 소자 기준) 수준의 낮은 전력변환효율이 걸림돌이었다.* P3HT: poly(3-hexylthiophene)의 약자로, 고분자 정공수송 물질이다.      이를 해결하기 위해 한국화학연구원 연구진은 태양광을 흡수하는 3차원 결정구조를 갖는 페로브스카이트 할로겐화물 박막 표면에 신규 할로겐화물 박막을 형성시켜 DHA(Double-layered Halide Architecture; 이중 층 할로겐화물)라는 새로운 구조의 박막기술을 개발했다. 빛에 의해 활성화되는 광활성 층인 페로브스카이트 박막 표면과 P3HT 사이에 HTAB*분자를 도입해 DHA를 만든 것이다. * HTAB: Hexyl Trimethyl Ammonium Bromide(헥실 트리메틸 암모니움 브로마이드) 분자 구체적으로 P3HT와 페로브스카이트를 강하게 결합시키기 위해 P3HT의 알킬체인과 같은 크기의 알킬체인이 필요했다. 이를 위해 연구진은 페로브스카이트 박막계면에 HTAB을 도포해 반더발스인력*을 유도했다. HTAB의 알킬체인과 P3HT의 알킬체인을 지퍼처럼 맞물리게 한 것이다. * 반더발스인력: 유기화합물에서 액체와 고체 등의 분자들이 서로 끌어당기는 전기력 그 결과, 새로 형성된 할로겐화물 박막에 의해 페로브스카이트 계면의 물리적‧전기적 특성이 향상되고, P3HT의 자기조립(Self-assembly)을 바탕으로 정공수송 효과가 극적으로 높아졌다.또한, 기존 정공수송 소재는 정공수송 능력 향상을 위해 친수성 첨가제가 필수적으로 쓰였는데, 이는 페로브스카이트 태양전지의 안정성에 치명적 문제를 일으켰다. 페로브스카이트가 수분에 취약한 탓에 태양전지의 안정성에 악영향을 미친 것이다. 이번 연구에선 첨가제 없이 자기조립이 유도된 P3HT 고분자의 특성을 활용해, 이 같은 문제를 해결했다. 페로브스카이트 태양전지 상용화에 필요한 장기안정성과 대면적화 모듈 적용에서도 우수한 결과를 보였다. 페로브스카이트 태양전지를 상대습도 85%에서 1,000시간 이상 보관했을 때, 초기효율 대비 80%의 성능을 유지했다. 지금까지 수분에 취약한 페로브스카이트의 특성은 상용화의 걸림돌이었다. 하지만 DHA 기술이 적용된 페로브스카이트 태양전지에선 높은 수분 안정성을 보였다.  또한, 실제 태양전지가 쓰이는 조건에서 1,300시간 이상 구동했을 때, 초기효율 대비 95% 이상의 성능을 유지해 장기 구동 안정성도 확보했다. 이처럼 높은 수분 안정성과 장기 구동 안정성은 실제 태양전지가 구동되는 외부환경에서도 장시간 고효율을 유지할 수 있다는 것을 의미한다. 이번 연구는 태양전지 상용화에 필수조건인 대면적화의 가능성도 보여줬다. 0.1㎠ 크기(단위 소자)에서 확인한 기술을 25㎠ 크기(대면적 모듈)에 동일하게 적용한 결과, 25㎠ 대면적 모듈 기준으로 세계 수준*의 고효율인 16%를 기록했다.* 페로브스카이트 태양전지 모듈의 세계 최고효율: 17.2% (Microquanta, 모듈 크기: 17㎠)(a)비교군과 DHA가 도입된 P3HT 기반의 페로브스카이트 태양전지의 수분 안정성 평가, (b)구동 안정성 평가,(c)25㎠(5cmx5cm) 페로브스카이트 모듈 사진,(d)스핀코팅 및 바코팅 기법으로 P3HT를 적층한 페로브스카이트 모듈의 전류 밀도-전압 곡선  이번 연구를 이끈 한국화학연구원 서장원 박사는 “전도성 상용 고분자를 활용해 페로브스카이트 태양전지의 고효율과 고안정성을 확보한 신개념 페로브스카이트 박막기술 개발에 성공함으로써, 앞으로 다양한 전도성 고분자의 활용도가 높아졌다”면서, “이에 따른 페로브스카이트 태양전지 소자의 성능 향상도 기대된다. 앞으로 최적화된 공정을 통해 고효율 대면적 모듈 개발도 가능하기에 상용화에 더 가까워졌다”고 말했다. 공동교신저자로 참여한 노준홍 교수(한국화학연구원 겸임연구원, 고려대 건축사회환경공학부 부교수)는 “페로브스카이트 태양전지는 효율과 안정성 측면의 가능성이 이미 확인됐으나 어떠한 기술로 이를 구현할 수 있는지가 상용화의 관건이었다”면서, “이번 연구결과는 단순히 기존 기술 개선의 연장선상에 있는 효율, 내구성 향상 기술개발이 아닌 상용화에 근접한 새로운 기술을 통해 이를 구현했다는데 큰 의의가 있다”고 밝혔다. 이 같은 연구성과는 ‘Efficient, stable and scalable perovskite solar cells using poly(3-hexylthiophene)(P3HT를 이용한 효율적‧안정적‧대면적 페로브스카이트 태양전지)’로 네이처 3월 28일 자에 게재됐다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 글로벌 프론티어 사업(멀티스케일에너지시스템연구단), 산업통상자원부 한국에너지기술평가원 신재생에너지 핵심기술 개발사업, 한국화학연구원 주요사업 등의 지원을 받아 수행됐다. 또한, 포항방사광가속기의 UNIST-PAL 빔라인(울산과학기술원, 신태주 교수, 공저자)에서 스침각 X선 회절기법을 활용했다.
취재부 2019-04-10
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한화연, 첨단 소재의 보강재로 쓰이는 아라미드 나노섬유 대량생산 기술 개발

- 엘라스토머-보강재에 적용하여 세계 최고 기계적 강도 경신한국화학연구원 울산 바이오화학연구센터 박제영, 오동엽, 황성연 박사팀은 첨단 소재의 보강재로 쓰이는 아라미드 나노섬유*를 대량생산할 수 있는 기술을 개발하고, 이를 엘라스토머** 소재에 적용해 탁월한 보강 성능을 확인했다. * 아라미드 나노섬유(ANF; Aramid nanofiber): 미국 미시간 대학의 N. A. Kotov 교수팀이 케블라를 수산화칼륨 및 극성비양성자성 용매(DMSO; dimethyl sulfoxide)에 1주일간 용해시키면 아라미드 나노섬유가 제조된다는 연구를 2011년에 처음으로 보고한 이후에, 많은 연구자들이 이 신소재의 특성에 관한 연구가 경쟁적으로 이루어지고 있음(※ 나노섬유 : 직경이 나노미터인 초극세사. 섬유의 직경이 작아지면 작아질수록 표면적이 넓어져 적은 양으로도 큰 특성을 나타낼 수 있음) ** 엘라스토머: 외력을 가하여 잡아당기면 늘어나고, 외력을 제거하면 본래의 길이로 돌아가는 성질을 지닌 고분자(고분자란, 같은 종류의 분자 개체가 반복적으로 많은 수가 연결되어 이루어진 크기가 큰 분자를 말한다)본 성과는 미국화학회에서 발간하는 고분자 분야 최고 권위지 매크로몰레큘즈(Macromolecules)*에 게재됐다.* 논문제목: Nonstop Monomer-to-Aramid Nanofiber Synthesis with Remarkable Reinforcement Ability(공동 1저자: 구준모 박사, 김호준 연구원), IF=5.914 (링크: dx.doi.org/10.1021/acs.macromol.8b02391)아라미드 섬유는 듀폰사에서 ‘케블라*’라는 이름으로 제조하고 있는 방탄 섬유로, 강도, 탄성, 진동흡수력이 뛰어나 타이어, 방탄복, 진동흡수장치(스피커) 등에 많이 쓰이고 있다.* 케블라(Kevlar): 미국 듀폰社가 개발한 파라계 방향족 폴라아미드(아라미드) 섬유로 코오롱社와의 ‘케블라’ 소송으로 대중에 널리 알려진 소재. 아라미드 나노섬유 제조 공정 비교 (vs. 케블라)연구팀이 개발한 공정으로 제조한 아라미드 나노섬유의 주사전자 현미경 (SEM) 이 섬유를 나노화한 ‘아라미드 나노섬유’는 탁월한 보강 성능을 가진 것으로 2011년 학계에 처음 보고되어 전 세계적으로 연구가 많이 이루어지고 있다. 기존에 아라미드 나노섬유를 만들기 위해서는, 아라미드 방탄 섬유를 먼저 만든 후 이것을 나노화하는 두 가지 단계를 거쳤다. 아라미드 방탄 섬유를 만들기 위해서는 아라미드 구조를 가진 고분자를 합성한 후 황산에 녹이고, 이를 다시 노즐에 통과시켜 물에 또 침전시킨 후 섬유를 뽑아내는 과정을 거쳐야 한다. 이를 다시 나노 단위로 깎아 아라미드 나노섬유를 만드는 데 180시간*이 걸린다. 연구팀은 기존 두 단계 중 한 단계를 생략하고, 보조 용매를 도입하는 방법으로 제조 공정 시간을 기존 대비 12배나 단축하는 신기술을 개발했다. * 연구팀이 개발한 공정은 기존에 180시간이 걸리던 케블라 공정 대비하여 12배 단축된 15시간 만에 제조가 가능함.연구팀은 아라미드 분자 구조가 한 방향으로 정렬되어있다는 점에 주목해 아라미드 물질로부터 아라미드 나노섬유를 바로 만들었다. 아라미드 단량체로부터 고분자를 대량 중합하고, 별도의 정제과정 없이 보조 용매와 염기 물질을 추가하는 단순한 제조법이다.기존 기술로는 아라미드 나노섬유를 일주일 동안 밀리그램 수준으로 만들었는데 본 기술을 적용하면 반나절 만에 대량생산할 수 있기 때문에 상용화하기 쉽다. 또한, 아라미드 방탄 섬유로부터 나노화하는 기술이 아니기 때문에 듀폰사 등의 특정 기업에서 대부분 가지고 있는 아라미드 섬유 제조 기술 특허권에서 자유롭다.연구팀은 개발한 나노섬유를 탄성이 있는 첨단 소재 ‘엘라스토머’의 보강재로 세계에서 처음 적용하여, 미량 함량으로도 세계 최고의 기계적 강도를 내는 것을 확인했다. 열가소성* 폴리우레탄 소재에 400ppm**만 첨가하여도 인장인성***이 1.5배 증가하였고, 인장강도가 84MPa**** 수준으로 세계 최고 기계적 강도를 경신하였다. 화학(연) 오동엽 박사는 “아라미드 나노섬유의 방향족 그룹과 열가소성 폴리우레탄 소재의 방향족 그룹이 물리적 결합을 형성하면서 놀라운 보강 효과가 나타났다”고 말했다.* 열가소성: 열을 가하면 부드럽게 되어 다른 모양으로 바꿀 수 있는 성질** PPM(Parts Per Million): 100만분율. 어떤 양이 전체의 100만분의 몇을 차지하는가를 나타낼 때 사용함. 예를 들어 물 1kg(1,000,000mg) 중에 소금 1mg이 들어있을 경우 1ppm이라고 칭함*** 인장인성(Tensile toughness): 재료를 양쪽으로 변형시켰을 때 생기는 저항으로 파단없이 물체가 잘 늘어나면서 에너지를 흡수하는 성질**** 기존 문헌에 보고된 세계 최고 강도의 열가소성 폴리우레탄 복합체의 인장강도는 61MPa 연구책임자 박제영 박사는 “그동안 구조 보강재로서의 가능성은 있었으나 단점으로 지적되었던 아라미드 나노섬유의 오랜 제조시간을 반나절로 획기적으로 단축하여 대량생산 및 상업화의 교두보를 마련했다. 또한, 나노복합체로서 본 연구가 보여준 경이로운 보강 효과뿐 아니라 다양한 첨단 산업 소재 분야로의 확장이 기대된다”고 말했다.본 연구는 한국화학연구원 주요사업의 지원을 받아 수행되었다.아라미드 나노섬유 용액 및 틴들 효과*를 보여주는 사진* 틴들 효과(Tyndall effect): 가시광선의 파장과 비슷한 미립자가 분산되어 있을 때 빛을 비추면 산란되어 빛의 통로가 생기는 현상으로 나노섬유가 용액에 존재함을 간접적으로 증명함아라미드 나노섬유로 보강된 엘라스토머의 강도 효과아라미드 나노섬유가 포함된 엘라스토머 나노복합체는 기존 대비하여 1.5배 향상된 기계적 강도 특성을 보임연구진 사진  좌: 박제영 박사, 중: 황성연 박사, 우: 오동엽 박사
취재부 2019-04-04
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생분해성 폴리머의 현황과 전망 1

Ⅰ. 서론1-4 생분해성 폴리머에 대한 메디컬 및 약물전달 분야와 친환경 분야 응용에 대한 관심이 지난 30여 년간 지속적으로 증대되어 왔고, 앞으로 더욱더 사회적 요구가 커질 것으로 전망된다. 특히 플라스틱 폐기물에 의한 생태계 교란문제 인식과 이에 대한 대응 필요성이 전 세계적으로 확산되고 있다. 본 보고서에서는 [참고문헌 1]을 근간으로 하여 생분해성 천연폴리머와 합성폴리머에 대한 고찰과 함께, 특히 합성폴리머인 폴리에스터 계열 폴리머 특성을 좀 더 세밀하게 소개하고자 한다.  일반적으로 대부분의 폴리머 분해는 폴리머 분자의 근간 사슬이나 옆가지 사슬에서 절단이 시작되며, 이는 열에 의한 활성화, 산화, 광분해, 방사선 분해 또는 가수분해에 의해 분해가 일어나면서 가속화 된다. 일부 폴리머는 폴리머 주변에 세포나 또는 미생물이 있는 환경에서 분해가 일어난다. 이러한 환경은 흙, 해양, 강과 하천 또는 사람이나 동물 체내에서도 효소에 의해 또는 가수분해로 일어나게 된다.  생분해성 바이오 폴리머와 이들의 유도체는 다양하며 흔하고, 흥미로운 특성을 가지며 다양한 용도로 그 중요성이 증가하고 있다. 이들을 화학 구조에 따라 8가지 주요 부류로 나눌 수 있다; (1) ribonucleic acids와 deoxyribonucleic acids와 같은 핵산, (2) 단백질, 폴리아미노산과 같은 폴리아미노산, (3) 셀룰로오스, 전분과 같은 폴리사카라이드, (4) poly(hydroxyalkanoic acids)와 poly(malic acid) 같은 organic polyoxoesters, (5) polythioesters, (6) polyphosphate인 inorganic polyesters, (7) 천연고무 같은 polyisoprenoids, 그리고 (8) 리그닌 또는 humic acids와 같은 polyphenols.  바이오 폴리머는 생물 유기체에서 생성되며 세포 건조물의 대부분을 차지한다. 엄격한 의미로, 이들 폴리머는 가수분해 또는 산화분해를 위해서는 미생물의 효소를 필요로 한다. 이러한 정의는 생분해성 고분자이며 많이 활용되는 폴리락타이드 계열에는 해당이 되지 않는다. 왜냐하면 폴리락타이드는 수분만 존재한다면 가수분해 효소 도움 없이도 상온과 중성 pH에서도 상대적으로 빠르게 분해되기 때문이다. 이는 우리가 흔히 폴리락타이드는 생분해성이라고 부를 때 혼동이 온다.  폴리락타이드, 특히 폴리글리콜라이드는 체내에서 쉽게 가수분해 되어서 단량체와 올리고머로 되어 수분을 함유한 매체에 쉽게 녹는다. 결과적으로, 폴리머 전체 무게가 없어지게 되며 남은 부분이 없게 된다. 일반적으로, 체내에서 일정 시간이 지남에 따라 폴리머의 무게 감소가 일어나는 폴리머를 분해 방식과 관계없이 흡수성, 재흡수성, 또는 생체흡수성 폴리머, 생분해성 폴리머로 같이 부른다. 다시 말해 효소와 비효소 가수분해 모두와 관계된 것이다.  이러한 혼동을 피하기 위해, 일부 사람들은 “생분해성”은 플라스틱 폐기물로부터 지구환경 보호를 목적으로 개발된 친환경 폴리머 같은 것에만 사용해야 된다고 주장하며, 한편 사람 체내에 이식을 위한 의료목적으로 적용한 폴리머는 “생분해성”이라고 부르지 말고  ‘재흡수성’ 또는  ‘흡수성’으로 불러야 된다고 주장한다.  그러나 본 논문에서는 이러한 혼동의 명명에도 불구하고 “생분해성”을 사용한다. 왜냐하면, 생체재료 분야에서는 이러한 명명이 넓게 사용되어 왔으며, 비효소 가수분해로 체내에 흡수되는 것에 대한 것도 포함한다. 다시 말해 “생분해성”이라는 단어는 이 보고서에서는 넓은 의미로 폴리머가 체내에 삽입된 후에는 궁극적으로 없어지는 것을 뜻하는 것이다. [그림 1]은 폴리머의 재흡수에 대한 다양한 기전을 보여주고 있다. 이들 생분해 폴리머는 현재 2개 주요 응용분야가 있다. 하나는 바이오메디컬 폴리머로 환자를 위한 의료에 활용과, 다른 하나는 지구환경을 청결하게 하기 위한 친환경 폴리머로 활용하는 것이다. 현재 이용 가능한 생분해성 폴리머의 대부분은 이 두 가지 목적 중 하나로, 또는 두 가지 목적으로 다 사용되고 있다. 그러나 일부는 [그림 2]에서 보여주는 바와 같이 두 가지 목적으로도 응용할 수 있다.   생분해성 폴리머는 근원을 기반으로 하여 분류할 수 있다. [표 1]에 폴리머의 근원에 따라 분류된 생분해성 폴리머를 열거하였다. 이 보고서의 목적은 이미 산업화 되었거나 의료 및 친환경 응용을 위해 개발 중인 대표적인 생분해성 폴리머에 대한 간추린 개관을 보여주는 것이다.Ⅱ. 생체재료4-8 다양한 폴리머가 예방의학, 임상조사, 그리고 질환의 외과적 치료를 포함하는 의료용으로 사용되고 있다. 이와 같이 의료목적으로 사용되는 폴리머들 중 우리 몸의 살아있는 세포와 직접 접촉에 사용될 때, 이 특정그룹의 폴리머를 “고분자 생체재료”라고 부른다. 의료분야에서 고분자 생체재료의 전형적인 응용은 일회용 제품으로 주사기, 혈액 백, 카데터가 있으며, 수술 시 사용되는 봉합사, 접착제 및 실란트 등이 있고, 생체조직 대체용 보철로 백내장용 안 렌즈, 치과 임플란트 및 가슴 보형물, 그리고 임시 또는 영구적 인공기관으로 인공신장, 인공심장, 그리고 인공혈관이 있으며 이들은 오랜 기간 사용되어 오고 있다.  이들 생체재료는 상업용 제품 관점에서 보면 같은 화학구조를 가진 폴리머 일지라도 비 의료분야에 사용되는 재료와는 많이 다르다. 예를 들어 고분자 생체재료로는 정부의 엄격한 규제 허락을 받지 않고서는 생산할 수도 없고 판매할 수도 없다. 예로서 대구경 혈관 대용으로 사용된 혈관은 폴리에스터인, PET로 만들어져 있다. 이를 의료용으로 생산하고 판매하기 위해서는 정부의 규제에 합당하는 모든 시험항목과 제조 공정을 이행한 자료에 대한 허락을 받아야만 된다. 일반적으로 정부의 허락을 받기 위한 최소조건은 재료의 비독성, 소독, 효능성, 생체 친화성과 관련된 시험규제 항목평가에 합격이 되어야 된다.  최근에 생분해성 의료용 고분자는 많은 주목을 받고 있으며 그 이유는 2가지로 요약할 수 있다. 인공재료가 체내에 삽입되었을 때에 이물질 거부반응이 크게 안 일어나는 생체친화성 재료를 개발하는 것은 어렵다. 이와 반대로, 생분해성 폴리머는 생체 내에서 오랜 기간 머무르지 않으며, 이물질을 남기지 않고 없어지기 때문에 우수한 생체친화성을 요구하지 않는다. 생분해성 폴리머가 많은 주목을 받는 또 다른 이유는 장기간 임플란트로 체내에서 이물질로서 오래 남기를 누구도 원하지 않기 때문이다.  생분해성 폴리머가 의료분야 응용에 매우 유망한 것으로 보이나, 이러한 폴리머는 임상적용에서 현재 크게 각광 받지 못하고 있다. 이는 분해 부산물의 독성 문제가 있을 수 있기 때문이다. 생체재료의 독성원인은 대부분이 저분자량 화합물이 생체재료로부터 흘러나와 환자의 체내로 들어가기 때문이다. 이들은 중합이 안 되고 남아있는 단량체, 소독해도 제거되지 않은 에틸렌 옥사이드, 산화방지용 첨가제 및 안료, 그리고 남아있는 중합 개시제의 일부 및 촉매 등과 같은 것이다.  또한 생분해 폴리머는 항상 저분자량 화합물을 분해 결과물로 외부 환경에 방출한다. 만약 이들이 세포표면과 상호작용하거나 세포내부로 들어간다면, 이들 이물질은 세포의 정상상태를 교란시킬 수 있다. 순수한 폴리에틸렌과 실리콘은 독성이 없지만 생체 친화성은 아니다. 왜냐하면 이들을 체내에 이식하면 혈전이 형성되며 이들 표면 위에 콜라겐 섬유조직이 형성된다.  생분해성과 비 생분해성 폴리머 사이에 독성 용어의 큰 차이는 생분해성 폴리머는 필연적으로 저분자량 화합물을 만들며 살아있는 세포에 부작용을 초래한다. 생분해성 폴리머의 의료 산업적 응용은 [표 2]에서 보여주고 있다. [표 3]에는 의료산업에 현재 사용 중이거나 조사 중인 대표적인 합성 생분해성 폴리머를 나타냈다.  의료산업에서 생분해성 폴리머를 가장 많이, 그리고 오랫동안 사용한 분야는 봉합사이며, 동물의 내장에서 얻어진 콜라겐 섬유가 오랫동안 사용되어왔다. 합성 생분해성 폴리머를 봉합사로 사용한 것은 미국에서 1970년대에 시작되었다. 이러한 목적으로 사용되는 상업적 폴리머는 polyglycolide가 대표적이며, glycolide-L-lactide(90:10)와 함께 가장 많은 양이 사용된다.  또 하나의 응용분야는 부러진 뼈를 고정시키기 위한 정형외과와 치과용 제품으로, 금속으로 만들어진 plates, pins, screws를 대체하는 것이다. 금속제품은 수술 후 뼈가 접합된 일정기간이 지나면 이를 제거하기 위해 재수술을 해야 하지만 생분해성 폴리머 제품은 뼈가 접합될 때까지 강도를 유지하다 그 후에는 분해되어 체외로 배출되기 때문에 재수술을 할 필요가 없는 장점을 가진다. 또한 최근에는 이들 재료를 재생의학용으로 세포를 부착·성장시키기 위한 스캐폴드로 많은 연구가 진행 중이다.Ⅲ. 약물 전달 시스템4-8 체내에 약물을 좀 더 효율적으로 질환 부근에 전달시키기 위한 새로운 복용기술로, 약물전달 시스템(DDS)이 1960대에 미국에서 시작되었다. DDS의 목적은 약물을 질환부위에 원하는 기간 지속적으로 전달하며 건강한 부위에는 영향을 주지 않는 것으로, 외부자극에 의한 약물제어 방출, 피부나 점막을 통한 약물의 단순전달 방법이 포함된다. 폴리머는 이러한 새로운 제약기술에 매우 효과적이다.  만약 약물이 주사와 같이 비경구로 투입된다면, 약물 운반체로 사용되는 폴리머는 가급적 체내에 흡수되어야 한다. 약물이 전달된 후에는 폴리머가 더 이상 필요하지 않기 때문이다. 그러므로 생분해성 폴리머가 폭넓게 사용되고 있으며, 특히 체내에 주사 또는 임플란트로 서방성 약물용으로 투입 시에 사용된다. 이러한 목적으로, 체내흡수성 나노스피어, 마이크로스피어, 비드, 실린더, 그리고 디스크 형태를 생분해성 폴리머를 사용하여 제조한다.   약물 운반체로 가장 많이 사용되는 형태는 마이크로스피어이며, 여기에 약물을 봉입시켜 약물이 물리적 확산을 통해 방출되게 하는 것이며, 이어서 마이크로스피어 재료는 흡수된다. 이와 같은 마이크로스피어는 PLGA를 사용하여 용매증발 법으로 만들 수 있다. 자연에서 생성된 생분해성 폴리머 또한 지속성 약물 전달체로 사용된다. 만약 약물이 수용성이라면, 폴리머가 생분해성이 될 필요는 없다. 왜냐하면 이 폴리머는 소변이나 변과 함께 체외로 방출된다.  [그림 3]은 생분해성 고분자에서 친수성기의 증가에 따른 단백질모델 약물 BSA의 지속적인 방출거동을 보여주고 있으며, 친수기 증가에 따라 방출이 증가됨을 보여주고 있다.Ⅳ. 재생의학5-8 재생의학은 과학, 공학 및 의학 등 여러 분야의 전문지식을 기초로 하는 학문으로 인체의 손상된 조직이나 장기를 치유하거나 대체하여 정상적인 기능을 복원하는데 그 목적이 있다.  재생의학의 발전과정은 초기의 조직공학(tissue engineering) 연구로부터 시작되었다고 해도 과언이 아닌 만큼 그 개념과 목적은 조직공학과 유사하다. 현재의 조직공학 연구는 30여 년 전 초보적인 세포 배양기술과 폴리머를 사용하여 장기제작을 시도하며 시작되었다.  초기의 재생의학은 인간의 조직과 장기를 대체할 수 있는 치료법의 개발이 가능할 것으로 주목을 받았으나 조직의 형성에 필요한 지식과 기술의 부족으로 새로운 치료법의 개발과 응용에 한계가 있었다. 그러나 최근 관련분야 외에 기계공학, 컴퓨터공학, 빅데이터, 인공지능을 비롯한 첨단 기술발전과 접목으로 혁신적인 결과들이 발표되고 있다.  재생의학의 핵심요소는 세포, 생체재료와 생리활성 물질로 이들을 종합적으로 어떻게 최적화시켜 조직을 재생하게 만드는 것이 관건이 된다. 조직의 손상된 부위가 너무 커서 전통적인 약물치료로 복원을 할 수 없을 때에는 특정세포를 스캐폴드에 부착·성장·분화시키기 위해 성장인자 함께 이식하여 조직이 형성 된 후에는 스캐폴드는 분해되어 없어지며 생성된 조직만 남아 기능을 한다는 개념이다.  이미 언급한 바와 같이 병든 조직이나 기관은 인공장기나 기관 이식으로 대체하나 이들 모두 문제가 있다. 임상적으로 사용되는 인공장기의 생체적합성은 체내 이물질 반응을 방지하기에는 만족스럽지도 못하며 기능도 만족스럽지 못하다. 이와는 대조적으로, 이식된 기관은 생체기능은 우수하나 면역거부반응으로 인한 부작용 때문에 환자는 면역억제제를 복용해야만 된다. 물론 기관이식의 주요 문제는 기관 기여자가 수요자에 비하여 절대적으로 부족한 현상이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 제시된 치료법이 초기의 조직공학이었다.  생분해성 폴리머는 세포 부착·성장과 분화를 위한 스캐폴드로 필요할 뿐만 아니라 성장인자와 같은 생리활성 물질을 조직재생 부위에서 지속적으로 방출시키기 위해 필요하다. 일반적으로, 스캐폴드는 다공성체로 만들어지며 많은 세포가 침투되어 성장 분화할 수 있도록 만든다. 만드는 방법은 생분해성 폴리머를 기반으로 한 3D 프린팅, 화이버 스피닝, 상 분리, 주사 겔, 염 추출법 등 다양한 방법들이 개발되었다.  3D 프린터를 이용하여 다공성 지지체를 만드는 모식도는 [그림 4]와 같다. 최근에는 또한 외부자극인 pH, 온도, 물리적 자극, 전기, 음파, 화학적 변화와 생물학적 자극에 반응하는 생분해성 폴리머를 이용한 조직공학, 약물전달, 메디컬 디바이스, 면역 엔지니어링 등에 활용하기 위한 연구가 진행되고 있으며 [그림 5]는 이에 대한 개념 모식도를 보여준다.  
편집부 2019-03-11