[산업계동향] 신기술ㆍ신제품 개발 소식

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726…NICE, 제29권 제6호, 2011

후가공에의한멸균세탁대응소재내가수분해성 폴리에스테르 기본 기술 확립

도레이(주)는 나노 테크놀로지에 의한 섬유 개질 기술

“나노모디”를 이용한 신제품으로 멸균 세탁에 대응할 수 있는 내가수분해성이 뛰어난 후가공 기본 기술을 확립했 다. 이 기술에 의해 멸균 세탁의 고압 수증기 처리시 직물 강도 저하를 크게 줄일 수 있다. 도레이는 이 기술을 살균 세탁이 필수인 제복용 소재를 대상으로 양산 기술을 확립

하여2012년부터 본격 생산 개시를 목표로 한다. 이번에

확립한 기본 기술은 후가공에 의한 개질이며, 원사 개질과 같이 특수 폴리머를 필요로 하지 않고, 폴리에스테르 그 자 체를 개질하는 범용적인 후가공 기술인 것이 특징이다. 기 존에 제복 시장에서는 일회용이 중심이었지만, 본 가공 기 술을 이용함으로써 멸균 세탁에 대응할 수 있어 반복적인 이용이 가능해지기 때문에 지구 환경을 생각하고, 수요가 확대되는 렌탈용 제복용도에도 대응이 가능하다. 폴리에스 테르는 일반 의류 용도에서는 매우 안정적인 소재이지만, 고온 다습한 환경 하에 장시간 방치하면 폴리에스테르를 구성하는 폴리머 체인의 활성 말단에 의해 가수분해가 일 어나기 때문에, 경시적으로 강도 저하가 발생하는 특성이 있다. 이 때문에 제복 용도에서는 멸균 세탁과 같이 autoclave의 고압 수증기 환경 하에서 반복해 멸균 처리 하여 사용하는 것은 불가능했다. “나노모디”기술은 기능 성 약품의 적절한 설계와 가공시의 온도·습도·농도·압 력 등 여러가지 조건의 제어에 의해, 기능성 약품을 섬유의 내부까지 침투시켜, 섬유를 구성하는 폴리머 체인의 분자

레벨 반응에 의해 균일하게 개질하는 기술이다. 이것에 의 해, 소재를 구성하는 섬유의 표면적의 크기로 효과를 발휘 하는 기존의 후가공과는 달리, 직물이나 뜨개질 등 소재 전 체 용적의 크기에 의해서 효과를 기대할 수 있는 기능에 대 하여, 고도의 기능을 발휘할 수 있어, 폴리머 개질에 의해 섬유 그 자체 물성의 대폭적인 향상이나, 완전히 새로운 기 능의 부여를 자유롭게 제어할 수 있게 된다. 또, 섬유 내부 의 개질 정도를 다단계로 제어해, 섬유의 외층과 내층에서 경사적으로 다른 특성을 부여 할 수 있는 등 다양한 응용 전 개를 기대할 수 있다.

(KISTI 미리안 글로벌동향브리핑, 2011년10월24일)

중국, 석탄으로부터 메탄을 얻는 플랜트 기술력 확보

중국과학원 대련화학물리연구소 에너지청정 국가실험 실에서 독립적으로 완성한5,000m²/일 석탄의 천연가스 메탄화(Coal gas methanation technology) 공업실험 장치가 중국 하남Yima 기화공장 개스화(Gas source)조 건아래에서 연속1,000시간을 초과하여 운행할 수 있게 되 었다. 이는 중국이 석탄 청정 이용영역에서 또 하나의 새로 운 기술 확보를 한 것이다. 석탄 천연가스가 다른 석탄의 화 학공학 공정과 비교할 때 공정과정이 짧고 물소비가 적고 에너지 효율이 높은 등 장점이 있으므로 이는 중국 석탄 전 환의 우선적 공정과정 중 하나였다. 특히, 중국에서 물자원

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NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 29, No. 6, 2011…727 이 상대적으로 부족하고 석탄 자원이 매우 풍부한 중국 서

부 석탄 생산 지역에선 기술의 장점과 널리 보급하는 의미 가 있어 더욱 필요한 기술이다. 메탄화 기술은 석탄 천연가 스 항목에서의 중요 핵심기술이다. 하지만 긴 시간동안 메 탄 합성기술과 메탄화 촉매 합성 기술은 모두 선진 국가의 기술 수준에 미치지 못하고 있었다. 이전에 중국 석탄 천연 가스의 공정 경로는 공기 분리에서부터 마지막인 환경보호 부분까지 메탄화 공정화 기술력이 확보하지 못한 이유는 모 두 중국산 기술과 장비들을 사용하였다. 중국의 메탄화 기 술 및 촉매가 아직 대규모 공업화의 운영 경험이 없으므로 중국 석탄 천연가스 항목은 어쩔수 없이 국외 기술, 전체적 인 기술공정과 촉매를 높은 가격으로 도입할 수 밖에 없었 다. 중국 대련화학물리연구소에서5년의 과학적인 연구개 발을 통하여 독립적이고 혁신적이며 내고온 수열 안정성을 지닌 완전한 메탄화 촉매를 성공적으로 개발하였고 실험실

에서8,000시간의 수명 실험을 완성하였다. 이를 기초로

하여 에너지 청정국가실험실 에너지 환경공정 연구그룹에 서 집대성하여 합성기체 완전 메탄화 공업실험장치를 설계 하였고 하남Yima 기화공장 공업 개스화(gas source) 조

건에서1,000시간의 연속적 안정 운행을 성공적으로 완성

하였다. 이 장치의 성공 운행은 중국의 다음 공업적인 응용 및 보급을 위하여 견고한 기초를 마련하였고 또한 석탄천연 가스 분야의 빠르고 건설적인 발전을 주도할 것이다.

두 개의 화학적 특성을 가진 야누스 나노입자

특별한 종류의 나노입자는 새로운 약물 전달 시스템, 태 양전지, 산업용 촉매, 비디오 디스플레이와 같은 다양한 분 야에 적용될 수 있도록 두 개의 독특한 화학적 특성을 가질 수 있다. 그래서 이런 입자들을 두 개의 얼굴을 가진 로마의 신 중 하나인 야누스를 본따서 야누스 나노입자(Janus nanoparticle)라고 부른다. 그러나 몇 나노미터(약물 치 료에 사용되는 각각의 단백질의 크기) 이하로 야누스 입자 의 크기가 작아질 때, 그들의 입자 표면 특성을 정확하게 확 인할 수 없기 때문에 이런 효과를 저해시켰다. 이런 불확실 성은 다양한 분야에 이런 입자의 효율성을 평가하고 그들 의 제조 방법을 향상시키는데 어려움을 겪게 했다. 밴더빌

트 대학(Vanderbilt university)의 연구진은 매우 작은 야 누스 나노입자의 화학적 성질을 정확하고 빠르게 확인할 수 있는 방법을 처음 개발해서 이런 문제점을 해결할 수 있 었다. 저널Angewandte Chemi에 게재된 이 연구결과로 매우 작은 야누스 나노입자의 개발과 적용을 늦추는 주요 장애물을 해결했다. 밴더빌트 대학의 조교수인David Cliffel과McLean이 이끄는 이번 연구진은 수천 개의 각 각의 입자들을 동시에 인식하도록IM-MS(ion mobility- mass spectrometer)이라고 불리는 최신 장치를 이용했 다. 연구진은 두 개의 서로 다른 화학적 복합물을 가진2 나

노미터~ 4 나노미터 정도의 금 나노입자의 표면을 코팅했

다. 그 후에 연구진은4 개의 금 원자 클러스터 속의 나노입 자들을 부수었고IM-MS를 통해서 이런 조각들을 조사했 다. 두 개의 코팅으로 분자들은 클러스터 속에 여전히 부착 되어 있었다. 그래서 생성된 패턴을 분석함으로써, 연구진 은 두 개의 표면 화합물이 완벽하게 분리된 원래의 나노입 자인지, 무작위로 혼합된 것인지, 중간 수준의 분리를 가진 것 인지를 구별할 수 있었다.

신뢰성있는대면적단일층그래핀전사기술개발

화학기상증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition) 을 통해 성장된 대면적의 단일층 그래핀을 임의의 기판으로 전사하는 것은 대부분의 응용 기술 개발을 위해 가장 중요한 난관이라 할 수 있다. 지난2009년PMMA 위에 다시 한번 PMMA를 코팅함으로써, 전사된 그래핀의 특성이 향상됐음 을 입증했다. 하지만 전사된 그래핀은 그 고유의 면저항30 ohm/square 와는 차이가 있으며, 또한 평평한 기판에만 전사가 가능한 한계가 있다. 미국University of Texas at Austin의Rodney S. Ruoff 교수가 이끄는 연구진은 화학 기상증착법을 통해 구리 기판 위에 성장된 단일층 그래핀을

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다른 기판에 전사(transfer)할 수 있는 다양한 방법을 개발 했다. 연구 결과는 2011년 9월 6일자 ACS Nano지에

“Transfer of CVD-Grown Monolayer Graphene onto Arbitrary Substrates”란 제목으로 게재됐다. 연구진은 그 래핀 전사를 위해 사용되는 PMMA를 먼저 코팅하고, PDMS를 양쪽 모서리에 올려서 구리 기판을 부식액으로 제 거한 후 들어올릴 수 있도록 했다. 그림과 같이 우물(well) 구 조의 기판 위에 그래핀을 전사하는 것은 평평한 기판이나 구 멍이 관통된 기판보다 어렵다. 이는 우물 구조 안에 용액에 남을 수 있기 때문이다. 즉, 전사 이전에 그래핀/PMMA를 건 조시킬 필요가 있는데, 그래핀은 너무 얇기 때문에 쉽게 주름 이 형성되고 또한 파괴되기 쉽다. 따라서PDMS를 추가적으 로 활용함으로써 샘플을 훨씬 자유롭게 운반하고 건조시키 며, 마지막으로 전사가 가능하다. 그래핀/PMMA/PDMS는 구리 기판을 제거한 후, 전사하고자 하는 기판 위에 올리고 열처리함으로써 기판과의 접촉을 향상시킬 수 있다. 이후 PDMS를 쉽게 제거할 수 있고, 마지막으로 아르곤과 수소 가스의 주입과 함께350도에서2시간 열처리함으로써 PMMA를 깨끗하게 기화시키는데 성공했다. 그림을 살펴보 면, 300 nm, 2 µm 깊이와2.7~7.2 µm 직경을 갖는 우물 구 조에 성공적으로 그래핀을 전사했음을 알 수 있다. 주사전자 현미경 이미지를 보면 우물 위에 떠있는 그래핀은 주름이 거 의 없이 평평한 구조를 지니고 있다. 그래핀/PMMA과 기판 사이에 완전한 접촉을 유도하기 위해서는150도에서12시 간 이상 장시간 열처리가 필요함을 입증했다.

탄소나노튜브로 만들어진 나노케이블

라이스 대학(Rice University)의 연구진은 이중벽 탄소 나노튜브로 케이블을 만들었고 이 케이블을 표준 선간 전압 에서 형광 백열전구에 전원을 공급하는데 적용했다. 탄소나 노튜브로 만들어진 케이블은 금속 와이어에서 볼 수 있는 전 기 전도성을 가질 수 있고 다양한 산업 분야에서 유용하게 적용될 수 있을 것이라고 이번 연구진이 말했다. 이 연구는 Nature 저널Scientific Reports에 이번 주에 게재되었다.

매우 높은 전도성을 가진 나노튜브 기반의 케이블은 기존의

금속보다6분의1 정도의 무게를 가졌다고 라이스 대학의

재료과학과 교수인Enrique Barrera가 말했다. 연구진은 항공기와 자동차와 같은 무게가 매우 중요한 요소인 몇 가지 분야에 이것이 폭넓게 사용될 수 있을 것이라고 말했다. 이 연구로 개발된 케이블은 나노튜브로 만들어졌고 전도성을 잃는 일 없이 서로 붙들어 맬 수 있었다. 케이블의 전도성을 증가시키기 위해서, 연구진은 요오드를 도핑했고 케이블은 안정한 상태로 남아 있었다. 전도성 대 무게 비율(비전도율) 은 구리와 은을 포함하는 금속을 뛰어 넘었고 가장 높은 비 전도율을 가진 나트륨에 이어 두 번째 높은 수치이다. 연구 진은 나노케이블을 통해서 전원을 공급하는 데모 장치를 만 들었고 이것으로 기존에 사용되던 백열전구의 구리 와이어 를 대체했다. 이 케이블은7.1×10-³Ω.m에서2×10-⁶

Ω.m 사이의 저항을 가졌다. 연구진은 일련의 기술로 제조

된 다양한 나노튜브 섬유와 금속의 저항을 이번 케이블의 저 항과 비교했다. 이런 섬유는 산소가 없는Cu(1.68×10-⁸ Ω.m)의 경우보다 저항값이2에서3배 더 높았다.