탄소섬유 강화 열가역성 플라스틱 개발
~ 양산차의 차체 경량화가 가능 ~
NEDO 프로젝트에 의해 도쿄대학, 도레이, 미쯔비시 레
이용, 토요보, 다카기세이코 등의 그룹은 가열하면 성형하Chem. Comm. 2003, 15, 1932-1933; Macromol. Rapid
Comm. 2005, 26, 226-231; Polymer 2004, 45, 6261-6266).
위의 연구는 고분자가 무질서에서 질서로 변화하는 과정 에서 분자사슬은 먼저 비규칙적인 구조를 형성하고 후에 점차 규칙적인 배열순서를 가진 구조로 발전함을 설명하였 으며, 실험결과에서 고분자 초기의 결정형성에서 미리 예 측한 순서상(phase) 형성법을 지지하고 있다.
(KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』 , 2013년 9월 16일)
태양 전지에서 백금을 대신할 3D 그래핀
가장 전망이 있는 태양 전지 종류들 중의 하나는 몇 가지 단점들을 가진다. 미시건공대(Michigan Technological
University)의 과학자가 그것들 중의 하나를 극복해냈을
지도 모른다.염료-감응형 태양 전지는 얇고 유연하며, 만들기 쉽고 태 양빛을 전지로 바꾸는데 매우 훌륭하다. 그러나, 한 가지 성 분이 지구에서 가장 비싼 금속들 중 하나인 백금이다. 적은 양만 필요하지만, 1온스에
1500달러 하는 그 은빛 금속의
가격은 여전히 상당하다. 재료과학 및 공학Charles and Caroll McArthur 교수인 Yun Hang Hu가 효율성을 감소
시키지 않으면서 태양 전지에서 백금을 대체할 수 있는 새 로운, 값싼 물질을 개발했다: 3D 그래핀(graphene).
보통 그래핀은 탄소 단지 한 분자 정도의 두께의 유명한
2차원 형태이다. Hu와 그의 팀은 벌집과 같은 구조를 가진
독특한
3D 버전을 합성하기 위한 새로운 접근법을 발명했
다. 그렇게 하기 위해서, 그들은 탄산 리튬(Li2
CO
3)과 그
벌집 그래핀을 형성하는 화학 반응에서 산화 리튬과 일산 화탄소를 섞었다. 그 탄산리튬은 그래핀인 판모양을 이루 는 것과 서로에게서 그것들을 분리하는 것을 도와서, 흔한 흑연을 형성하는 것을 막았다. 더 나아가, 탄산 리튬 입자들 은 산에 의해서3D 벌집 구조를 이룬 그래핀으로부터 쉽게
제거할 수 있다.이 연구자들은
3D 벌집모양 그래핀이 훌륭한 전도성과
높은 촉매 활성을 가진 것을 알아내서, 에너지 저장과 전환 을 위해서 그것을 사용할 가능성을 높였다. 그래서 그들은 염료-감응형 태양 전지에 있는 백금 상대 전극을3D 벌집
모양 그래핀으로 만들어진 것으로 대체했다. 그 다음에 그 들은 그 태양전지를 햇빛에 놓고 그 출력을 측정했다. 3D 그래핀 상대 전극을 가진 전지는 태양 에너지의7.8퍼센트
를 전지로 전환시켰는데, 이는 비싼 백금을 사용하는 전통 적인 태양 전지의 효율성(8퍼센트)에 거의 가까웠다. 이3D 벌집모양 그래핀을 합성하는 것은 비싸지도 않고 어렵
지도 않아서, 그것을 상대 전극으로 만드는 것은 특별히 문 제되지 않았다고Hu가 말했다.
이 연구는 미국화학회 석유연구기금(American Chemical
Society Petroleum Research Fund (PRF-51799-ND10))과
국립과학재단(National Science Foundation (NSF-CBET-0931587))의 지원을 받았다
(KISTI 미리안, 2013년 8월 23일)
기 쉽게 되는 열가역성 수지를 이용한 아주 새로운“탄소섬 유 강화 열가역성 플라스틱(CFRTP)”의 개발에 성공하였 다. 기존
CFRP로는 곤란하였던 고속 성형가공 및 높은 범
용성을 가진 접합을 수행할 수 있기 때문에 양산차에 사용 할 수 있는 있으며, 차체의 경량화(현행 대비30% 정도) 및
에너지 소비 저감 등의 효과가 기대된다.높은 강도와 상당히 가벼운 특성을 가진 탄소섬유는 세 계 생산량의
70% 이상을 일본계 기업이 독점하고 있는 선
진 소재이지만, 에폭시 수지 등 열경화성 수지와 일체화한 탄소섬유 강화 열경화성 플라스틱(CFRP)은 설계가 어렵 다는 점, 금속과 같은 균질 재료가 아니라는 점, 성형 가공 시간이 길며 고가인 점 등의 과제를 가지고 있다. 이번에 개 발한 탄소섬유 강화 열가역성 플라스틱(CFRTP)은 열경 화성 수지 대신에 열가역성 수지를 이용함으로써CFRP가
가지고 있는 과제를 극복하였다. 기술개발 결과는 다음과 같다.(1) 역가공성 CFRTP 중간기재 개발
등방성
CFRTP 중간기재는 폴리프로필렌 수지(PP) 중
에 불연속의 탄소섬유가 균일, 등방으로 분산된 재료이다.
SMC(sheet molding compound) 및 GMT(Glass-mat reinforced thermoplastics)
등 종래의 복합재료 기재와 비교하여 상당히 우수한 강도 특성을 가지고 있으며, 단위 중량당 강성, 강도(비강성, 비강도)가 우수하며, 성형품은 연속섬유를 이용한 항공기용CFRP에 필적하는 경량화 효
과를 실현할 수 있었다. 일방향성CFRTP 중간기재로서
독자적인 표면 처리기술 및 수지 개질기술에 의해 탄소섬유에
PP를 고도로 함침시킨 프리프 레그 테이프의 개발에
성공하였다. 매트릭스 수지가 폴리아미드 수지인 경우 더
욱 높은 물성을 얻을 수 있었다.
(2) 역가공성 CFRTP 성형기술의 개발 영업
자동차용 이차구조 부재용으로 등방성
CFRTP 기재를
사용하여 금형 점유 시간이 짧고 성형 후 재료의 편차를 작 게 할 수 있는 고속 스탬핑(stamping) 성형기술의 개발에 성공하였다. 자동차용 일차구조 부재로는 강도, 강성이 우 수한 바구니형 단면 구조를 가진 중공의 폐단면 구조체를 이용하는 것이 효과적이기 때문에 일방향성 기재를 사용한 고속 내압 성형기술을 개발하였다. 고속 내압 성형기술은 심리스(seamless) 중공단면 구조체를 성형하는 방법이 지만, 지금까지 열가역성 복합재료의 기술이 확립되어 있 지 않기 때문에 시중에서 판매된 성형 가공품은 전혀 없지 만, 이번에 개발한 기술은 저압에서의 양호한 형상 부형성 을 가지고 있어 높은 역학특성을 발현하는 고도의 블레이 드 설계기술과 그 성형기술을 확립한 것이다.(3) 역가공성 CFRTP 접합기술의 개발
CFRTP 중간 기재의 범용 구조 재료화를 달성하기 위해
서는 접합기술도 중요하다. 기존 금속 용접기술과 비슷한 속도와 접합강도를 가진 접합기술의 개발을 목표로 열가역 성 수지에 특징적인 접합기술인 융착법을 검토하였다. 그 결과 열판융착, 진동융착, 초음파융착 등 접합면을 중첩시 켜 가열 가압하는 방법을 개발하였다. 또한 접합부를 일체 화함으로써 섬유 함유율이 증가하고 섬유끼리의 얽힘에 의 한 고인성화를 달성함으로써 접합부의 강도를 높이는데 성 공하였다.(4) 역가공성 CFRTP 재활용 기술의 개발 영업
탄소섬유는 고에너지를 이용하여 제조하는 재료이기 때 문에 가능한 한 높은 수준에서의 재활용이 요구된다. 본 연 구에서 개발한CFRTP 재료는 매트릭스 수지가 물질 재활
용이 가능한 열가역성 수지이기 때문에 고도의 재활용이 가능하여 환경부하 및 비용을 크게 저감시킬 수 있어 이 재 료의 보급이 가속될 가능성을 제시하였다. 개발된 재료의 기재구조로부터 부품성형, 이차가공을 거쳐 완성차의 조 립, 사용에서 폐기까지 생산 프로세스로부터의 전과정에서폐자재 및 불량품의 순환을 고려함으로써 폐쇄 재활용을 달성할 수 있다는 것을 나타내었다.
이번에 개발한 재료 및 가공방법은 부재별 요구 특성에 맞는 개별적인 최적화가 필요하기 때문에 재료 및 성형에 관한 데이터베이스의 구축 및 충실화를 도모하고 신뢰성 향상 및 안전성을 고려한 구조설계, 평가방법의 확립 등을 목표로 하고 있다.
(KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』 , 2013년 9월 9일)
태양전지의 성능을 향상시키는 이온 전도성 폴리머
스 웨 덴 왕 립 공 과 대 학
(KTH Royal Institute of Technology)의 연구진은 더 에너지 효율적이고 더 오래
지속되는 염료 감응성 태양전지를 만들 수 있는 새로운 방 법을 개발했다.광합성에 영감을 얻어서 만들어진 염료 감응성 태양전지 는 저렴한 광발전에 유망하고, 촉매와 결합될 때 식물과 같 이 수소와 산소를 생성시킬 수 있다. 이 연구는 더 효율적이 고 더 오래 지속되는 염료 감응성 태양전지를 만들 수 있게 할 것이다.
이번 연구팀은 염료 감응성 태양전지의 전압 및 전류를 증가시키고 전극 간의 저항을 낮출 수 있는 새로운 준-액상
(quasi-liquid), 폴리머 기반의 전해질을 개발하는데 성공
했다. 이 연구는 염료 감음성 태양전지 속의 산화된 전해질 의 움직임을 증가시킬 수 있는 장점을 가지고 있다.이 연구는 저널
Physical Chemistry Chemical Physics
에 게재되었다. 이번 연구진은 태양전지의 코발트 산화-환 원 전해질에 이온 전도성 폴리머를 첨가시킴으로써 산화된전해질의 이동이 매우 향상된다는 것을 증명했다. 이 빠른
전달은
20%까지 태양전지의 효율을 증가시킨다.
염료 감응성 태양전지는 광자를 흡수하고 투명한 반도체 의 전도대 속에 전자를 주입하는 형태로 작동된다. 이런 양 극은 다공성 판으로 이루어지고, 가시광선을 흡수하는 염 료에 민감한 티타늄 이산화물 층으로 구성된다. 반도체 속 의 전자들은 양극을 통해서 외부 회로로 확산된다.
전해질에서, 코발트 복합물은 촉매로서 이용되는데, 이 것 은 양 극 과 음 극 간 의 전 기 적 연 속 성
(electrical continuity)을 제공한다. 염료가 전자를 방출하고 티타늄
이산화물로 산화될 때, 전해질은 이런 결핍을 보충하기 위 해서 전자를 공급한다. 이것은 염료 분자들을 재설정하고, 그들이 원래 상태로 돌아가는 것을 감소시킨다. 결과적으 로, 전해질은 산화되고 전자 결핍 상태가 되며 잃어버린 전 자를 회복하기 위해서 음극을 향해서 이동한다. 회로를 통 해서 이동하는 전자들은 그들이 음극에 도달할 때 코발트 복합물의 산화된 형태로 재결합된다.가장 효율적인 태양전지의 경우에, 이온 수송은 아세토 니트릴(acetonitrile), 낮은 점성, 휘발성 유기 용매에 의 존한다. 그러나 안정적이고 상업적으로 실행 가능한 태양전지 를 만들기 위해서, 낮은 휘발성 용매인
methoxypropionitrile
이 대신 사용된다. methoxypropionitrile가 더 안정적이 지만, 아세토니트릴보다 더 점성을 가지게 되고, 이것은 이 온의 흐름을 지연시키는 문제를 발생시킨다.이번 연구팀은 새로운 준-액상, 폴리머 기반의 전해질
(3-methoxy propionitrile 용매 속에 Co3+/Co2+ 산화-
환원 매개체를 포함)을 이용해서 점성 문제를 해결했다. 동 시에, 전해질에 이온-전도성 폴리머를 첨가하는 것은 낮은 휘발성을 유지시켜 준다. 이것은 음극에 도달하기 위해서 코발트 복합물의 산화된 형태를 가질 수 있게 하는데, 이것 은 더 빠르게 환원되게 한다.이런 전달이 느려질 때 더 많은 코발트 복합물이 음극의 전극 대신에 반도체 양극 속에 전자와 반응하게 하는데, 이 것은 빠른 재결합 손실을 초래한다. 따라서 이런 전달을 가 속화시키는 것은 매우 중요하다. 또한 코발트를 가속화시키 는 것은 저항을 낮추고 태양전지의 전압과 전류를 증가시킨 다. 이 연구결과는 저널
Physical Chemistry Chemical
Physics에“Quasi-liquid polymer-based cobalt redox mediator electrolyte for dye-sensitized solar cells”
라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1039/C3CP52869C).
(KISTI 미리안, 2013년 9월 6일)
빛과 열로 형상을 기억하는 바이오필름 세계 첫 개발
JST가 실시하는 과제달성형 기초연구의 일환으로 호쿠
리쿠첨단과학기술대학원대학 매터리얼사이언스연구과의 연구팀은 식물세포에 포함된 계피산류(폴리페놀의 일종) 를 이용하여 빛과 열로 다중 형상을 기억하는 바이오필름 을 개발하였다.바이오 플라스틱은 광합성에 의해 고정된 탄소를 포함한 재료로 이산화탄소를 장기간 고정할 수 있기 때문에 저탄 소 사회 구축에 유효하다고 알려져 있지만, 대부분은 단순 한 구조의 폴리에스테르로 기능적인 면에서 문제가 있다.
때문에 용도가 한정되어 주로 사용하고 버리는 저가격대의 분야에서 사용되어 왔으며 공업제품 등으로는 널리 이용되 지 않는다.
본 연구팀은 광합성 미생물로부터 고등식물까지 다양한 식물세포에 포함된 계피산류의 광 기능성에 주목하여 이것 과 지방산을 조합시켜 성형가공이 가능하고 고무물성을 갖 는 고분자를 세계에서 처음으로 개발하였다.
식물 등 생체에 포함된 분자를 이용하여 얻어지는 바이 오 플라스틱은 재료 중에 이산화탄소를 고정함으로써 이산 화탄소 농도를 삭감하여 저탄소사회 구축에 효과적이라고 알려져 있다. 그러나 바이오 플라스틱의 대부분은 단순한 구조를 가진 고분자로 이루어져 있어 기능성 면에서는 문 제가 있다. 때문에 제한된 용도로만 사용되고 있으며 공업 제품 등으로는 널리 사용되지 않는다. 예를 들면, 폴리유산 은 대표적인 바이오 폴리에스테르이지만 그것을 구성하는 고분자 중에는 벤젠고리, 광반응성 관능기, π공역계 구조 등 광기능성을 나타내는 부위가 없기 때문에 범용 플라스 틱으로서의 검토가 이루어지고 있다. 그러나 일반적으로 생체공학적인 생산공정은 비용이 소요되기 때문에 폴리유 산은 폴리에틸렌, 염화비닐, 폴리프로필렌 등 기존의 범용 플라스틱과의 경쟁에서 뒤지고 있는 상황이다.
연구팀은 폴리페놀의 일종인 강직한 구조를 가진 계피산 에 주목하고 그 중에서도 보리 등 단자엽류에 많이 포함되 어 있는 계피산류로부터 고기능성의 바이오 폴리에스테르 를 개발하였다. 본 프로젝트는 계피산류의 광반응을 이용 하여 고성능 및 고기능 슈퍼 엔지니어링 플라스틱을 개발하 는 것을 목적으로 추진하였다. 이번에
(1) 4-히드록시 계피
산과 숙신산(succinic acid)으로 이루어진 모노머의 합성 에 성공하고 이 모노머와 각종 글리콜(바이오분자로부터 생산 가능)과의 에스테르 교환 중합법을 개발하고 이산화 게르마늄의 촉매작용에 의해 바이오 에스테르를 얻을 수 있 었다. 그리고(2) 이 바이오 폴리에스테르의 필름이 광 메카
닉 효과를 나타내고, 조사광의 강도, 방향, 파장 등을 변화 시켜 다양한 형상으로 변화시키고 그 형상을 기억할 수 있 었다. (3) 또한 열에 의한 형상기억 효과도 나타내기 때문에 광 메카닉 효과와 조합하여 다른 종류의 형성을 기억하는 형상기억 필름으로서 이용 가능하다는 것을 알았다.파라쿠마르산을 메틸화한 후 숙신산과 반응시키면 에스 테르화합물을 얻을 수 있다. 이것을 모노머로서 사용하여 각종 글리콜과 혼합하여 이산화게르마늄 촉매의 존재 하에 서 천천히 가열하여
200도, 45kPa의 진공에서 10시간 혼
합하고, 계속220도, 10kPa에서 70시간 혼합한다.
그러 면 점성이 높은 물질이 되며, 자연 냉각시키면 수지상의 고 체를 얻을 수 있다. 이 때 장시간 혼합하면 고무상의 물질로변화하여 성형가공이 곤란해지기 때문에 주의가 필요하다.
얻어진 수지를 핫프레스법(200도, 2MPa의 압력으로
30
초 동안 프레스)으로 필름형태로 가공(0.5mm 두께)한다.고분기 고분자의 경우 일반적으로 고분자 사슬간 뒤얽힘 이 일어나지 않기 때문에 그 성형은 어렵다고 알려져 있다.
한편 망목형태의 고분자는 고무와 같이 형상기억 효과를 나타내지만 핫프레스 등의 성형가공은 곤란하다. 그래서 본 연구에서는 무용매 중에서 고분기 고분자를 합성함으로 써 분기사슬이 얽힌 형태의 고분기 고분자를 얻었다. 이것 에 의해 핫프레스에 의한 성형가공이 가능하고 형상기억 효과를 나타내는 폴리에스테르의 합성에 성공하였다.
구체적으로는 글리콜을 에스테르 모노머에 보다 약간 과 잉 첨가함으로써 폴리에스테르의 말단 수산기화와 그 말단 의 이중결합에의 부가반응을 이용하여
10% 이상의 높은
분기도를 가진 폴리에스테르를 합성하였다. 또한 완전한그물모양의 사슬이 아니더라도 형상 보전율
Rf와 형상 회
복률Rr 모두 90% 이상의 높은 값을 나타내었다.
필름에 고압 수은등에 의한 자외선 조사를 수행하면 조 사측을 凹면으로 하여 굴곡하는 빛 메카닉 효과를 나타내 었다. 이 변형 스피드는 글리콜의 탄소수에 의존하여 변화 되었다. 이 변형 후의 형상은 기억되고 이 형상을 초기 형상 으로서 온도에 의한 형상기억 효과를 나타낸다는 것을 알 았다. 그리고 저압 수은등에 의한 보다 단파장의 자외선 조 사에 의해 원래의 평범한 필름으로 돌아간다는 것을 알았 다. 또한 빛의 조사강도, 방향을 변화시킴으로써 종래 광 메 카닉 소재보다 복잡한 형상을 제어할 수 있다는 것을 알았 다. 즉, 다양한 형상을 복수의 자극으로 기억할 수 있는 다 중 형상기억 필름이 된다는 것을 알았다.
