김영준 박사, 고문주 박사 총 2팀

‘이달의 KIST인상’ 수상

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 11월 29일(수) KIST 서울 본원에서 우수한 연구업적을 달성한 총 2팀의 연구자들이 ‘이달의 KIST인상‘을 수상했다고 밝혔다.  KIST 바이오닉스연구단 김영준 박사팀은 성형외과 및 치과 수술 시 사전에 가상의 3차원 수술 시뮬레이션을 통해 최적의 수술방법을 모색하고 반영할 수 있는 기술을 개발했다. 김영준 박사팀은 3차원 가상 시뮬레이션을 통해 수술 가이드를 계획하고 3차원 분석을 통해 수술에 필요한 최적화된 수술도구를 3차원 프린팅 기법으로 제작할 수 있는 턱과 안면(악안면)의 ‘3차원 수술 계획 소프트웨어’ 기술을 개발했다. 본 기술은 향후 의료진들의 수술 성공률을 높이고 수술 절차를 획기적으로 개선할 수 있을 것으로 기대되며, 성형외과 및 치과분야 글로벌 제품으로 개발을 위해 관련기술 3건을 ㈜지티지웰니스, ㈜ARC코리아, ㈜에이팀벤처스에 각각 기술 이전했다.  KIST 전북분원 탄소융합소재연구센터 고문주 박사팀은 항공·우주, 자동차, 선박, 스포츠 용품 등 산업 전반에 걸쳐 다양하게 활용되고 탄소섬유복합소재(CFRP)의 가장 저렴하고, 친환경성을 확보한 재활용 기술을 개발했다. 탄소섬유복합소재(CFRP)는 강철보다 1/4 가볍고, 10배 강한 탄소섬유를 이용한 복합재료이다. 본 기술은 사용된 폐 탄소섬유복합소재에 물과 저렴한 첨가제만 넣고 낮은 온도와 압력에서 적은 에너지만으로 95% 이상의 탄소섬유를 회수할 수 있는 기술이며, 탄소섬유복합소재 뿐 아니라 분해시킨 에폭시 수지까지도 재활용 할 수 있는 완성된 재활용 기술이다. 이 기술은 향후 CFRP의 재활용뿐만 아니라 도료, 전자부품 기판 등 다양한 산업분야에 응용가능할 것으로 기대되며, 관련기술을 ㈜카텍에이치에 기술 이전했다.

고문주 박사 김영민 박사

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KIST, 물을 이용한 친환경・경제적화학적

방식의 CFRP 재활용 기술 개발
CFRP 재활용 기술 상용화로 글로벌 탄소섬유소재 시장 진출 기대

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 11월 23일(목) 오후 14시 세종대학교 컨벤션홀에서 개최된 2017년 제2차 공공기술 이전 로드쇼에서 (주)카텍에이치(대표이사 정진호)와 ‘탄소섬유복합소재’(CFRP)* 재활용 기술’에 대한 기술이전 및 연구협력을 위한 선급기술료 총 15억 원 규모(경상기술료 3% 별도)의 기술이전 조인식을 가졌다.
* 탄소섬유강화플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastics) : 흑연 섬유로 만든 기재(基材)에 에폭시 수지나 불소 수지 등을 적층하여 가압한 것을 가열 고화하여 만든 알루미늄보다 가볍고, 쇠보다 강한 소재.

 

기존의 CFRP는 폐기하기 위해 매립하거나 고온소각방식을 사용했으나, CFRP는 썩지않고 독성물질을 방출하여 심각한 환경오염을 초래했다. KIST 전북분원 탄소융합소재연구센터 고문주 박사(책임연구원)팀이 개발한 재활용 기술은 버려지는 CFRP를 친환경·저비용으로 탄소섬유복합소재를 회수할 수 있는 재활용 기술로서, 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원을 통해 KIST 기관고유사업으로 수행된 연구결과이다.  이번 기술 이전된 KIST의 CFRP 재활용 기술은 폐기용 CFRP에 물을 반응 용매로 하여 저렴한 첨가제를 사용한 화학적 방법으로 100℃, 상압의 저에너지가 소요되는 혁신적 기술이다. 이 기술로 재활용할 경우 95% 이상의 탄소섬유 회수율을 보이며, 회수된 탄소섬유의 물성도 우수한 성능을 나타내어 친환경적・경제적 기술이라고 할 수 있다. 또한 이번 기술은 CFRP를 구성하고 있는 탄소섬유 뿐 아니라, 분해시킨 에폭시 수지까지도 재활용 할 수 있는 완성된 재활용 방법을 구현했다는 데 의미가 있다. 이번 기술이전을 통해 향후 CFRP의 재활용 뿐 아니라 에폭시 수지를 사용하는 도료, 전자부품의 기판 등 다양한 산업분야에 응용이 가능할 것으로 전망된다.

에폭시 기재의 열경화성 복합재료를 수처리 기반으로 하는 친환경 저가 고효율 리사이클 기술로서, 필러물질의 분리 재생 및 분해된 유기물까지 재생 할 수 있는 리사이클 방법을 제공한다.

KIST 이병권 원장은 “전 세계적으로 친환경적 탄소섬유복합소재 재활용에 대한 관심이 증대되는 가운데, 이번 기술이전은 국내는 물론 글로벌 CFRP 재활용 시장에 고부가가치를 창출할 것으로 기대된다.”라고 밝혔다. 또한, ㈜카텍에이치 정진호 대표는 “이번 CFRP 재활용 기술이전을 바탕으로 대규모 시장인 중국, 미국, 유럽 등 글로벌 CFRP 재활용 시장 개척을 추진하겠다.”고 밝혔다.

 

CFRP는 강철보다 1/4가볍고 10배나 강한 탄소섬유를 이용한 복합재료로 항공・우주, 자동차, 선박, 스포츠 용품 등 산업 전반에 걸쳐 다양하게 활용되고 있으며, 세계 시장은 2020년 42조로 급성장이 예상되는 첨단 소재로서 국가과학기술전략회의가 2016년 발표한 9대 국가전략 프로젝트 경량소재 분야에 포함된 미래 유망사업이다.

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탄소섬유를 이용한 기능성 탄소나노소재 제조 및 응용 기술 개발
재활용의 차원을 넘어 고부가가치 물질로 전환, 다양한 분야에 응용 기대

 

탄소 기반 나노 구조체는 단일 소재만으로도 태양전지, 발광다이오드(LED), 바이오 이미징, 광촉매, 센서 등 다양한 분야에 활용 가능하다는 장점이 있어 산업 현장 및 학계에서 각광받고 있는 소재이다. 이와 더불어, 탄소 구조체 내에 이종 원소를 도입함으로써 광학적 특성 및 촉매 특성을 향상 시킬 수 있다는 연구 결과가 잇달아 발표됨으로써 관심도는 점점 더 증가하는 추세이다. 최근 국내 연구진이 수명이 다한 탄소섬유를 이용하여 고기능성 탄소나노소재로 재활용하는 기술을 개발했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전북분원 복합소재기술연구소(분원장 김준경) 양자응용복합소재연구센터 배수강 박사, 탄소융합소재연구센터 이성호 박사 공동 연구팀은  폴리아크릴로나이트릴(PAN, Polyacrylonitrile)이라고 불리는 고분자 물질로 제작된 탄소섬유를 이용하여 고 결정성과 더불어 균일한 크기 분포도를 가지는 질소가 도핑된 그래핀 양자점을 효율적으로 합성할 수 있는 기술을 개발했다.

<그림 1>배수강 박사, 이성호 박사 공동 연구팀은 PAN 계열 탄소섬유를 이용하여 용액공정을 통해 4 nm 정도의 크기 및 3층 이하의 두께를 가지는 고품질의 그래핀 양자점을 합성 하였다.

 

연구팀은 PAN계열 고분자 섬유를 기반으로 하는 탄소섬유를 산(Acid) 용액에서 적정 온도로 가열하여 합성하는 하향식 접근법을 이용하여 균일한 크기 분포도를 가지는 수 nm 크기의 탄소 구조체를 합성하였다. 해당 공정은 저분자 유기 전구체를 가열하는 방식의 상향식 접근법으로 합성된 탄소 구조체에 비해 높은 결정성을 가지는 장점이 있고, 추가적인 후처리 공정 없이 결정성 저해 없는 이종 원소인 질소를 함유한 탄소 구조체를 합성할 수 있다. 또한, 경제적인 측면에서 수명이 다한 PAN 탄소섬유 및 복합소재를 사용할 수 있어 원료물질의 비용부담이 전혀 없는 그래핀 양자점 합성방법이다. 현재 탄소섬유 복합소재를 생산하고 사용하는 산업체에서 재활용 및 폐 복합소재 처리 방안이 큰 이슈인 상황에서, 본 연구는 리싸이클(recycle) 개념을 넘는 기존 물질보다 부가가치가 높은 물질로 전환하는 업싸이클(upcycle) 기술을 제시한다는 측면에서 그 의의가 크다고 할 수 있다. 후지 경제에 따르면 2030년 PAN계 탄소섬유복합재료 시장은 약 40조 8000억 원으로 2015년 대비 관련시장이 4배 가량 급속 성장할 전망이다.

<그림 2>해당 탄소 양자점의 광학적 특성을 보여주는 결과이다. 원소재인 PAN 섬유의 열처리 온도에 따라 합성된 그래핀 양자점의 질소 및 산소 원자의 성분비에 차이가 생기며, 이로 인해 상이한 발광 특성을 보이게 된다.

제조된 그래핀 양자점의 광·전기적 응용 분야의 적용 가능성을 제시하기 위해 전도성 고분자를 이용하였다.  특히, 유기 태양전지 소자의 정공 전달층에 소량 첨가하는 연구를 진행하였고, 최대 14.5%의 광전변환효율 향상이 가능함을 보임으로써 다양한 응용 분야에 적용 가능함을 시사했다. 

배수강 박사는 “추가적인 후처리 공정 없이 이종 원소를 효과적으로 도입함으로써 특성 향상 및 경제성을 크게 높인 것이 장점”이라 말하며, “향후, 탄소나노소재를 함유한 복합소재 분야 발전에 다양하게 응용될 것”이라고 밝혔다.

<그림3>그래핀 양자점이 함유된 정공 수송층을 이용하여 제작된 유기태양전지의 특성은 태양전지소자의 광 에너지 전환 효율(power conversion efficiency: PEC)은 최대 14.5% 이상 증가 하였다.

이번 연구로 학계에서는 그래핀 등 탄소 구조체의 특성 향상과 더불어, 폐 탄소섬유 및 복합소재를 이용한 다양한 기능성 소재로의 응용 및 재활용에 대한 발판을 마련한 것으로 평가하고 있다. 연구진은 이번 연구를 바탕으로 하여 고 결정성 탄소나노소재의 물성에 관련된 기초연구와 유/무기 복합 소재 제작, 그 특성에 대한 연구를 진행하고 있다. 본 연구는  미래창조과학부의 지원으로 KIST 기관고유사업, 글로벌프론티어사업 및 산업통상자원부의 산업핵심기술개발사업을 통해 수행되었으며, 에너지 재료 분야의 권위지인 나노에너지(Nano Energy, Impact Factor: 11.553) 4월호에 게재되었다.

 

* (논문명) ‘Multi-functional nitrogen self-doped graphene quantum dots for boosting the photovoltaic performance of BHJ solar cells’
  - (공동1저자) 문병준 연구원, 장다원 박사과정
  - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 복합소재기술연구소 배수강 박사
                        한국과학기술연구원 복합소재기술연구소 이성호 박사

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- 기존 매립, 고온 소각법과 달리 물을 이용한 친환경・경제적 화학적 방식 적용
- 상용화 파일롯플랜트 시연 및 기술이전 설명회 개최

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 탄소융합소재연구센터 고문주 박사팀은 탄소섬유복합소재*(CFRP)에서 물을 이용하여 고가의 탄소섬유를 회수하는 기술 개발에 성공했다. 이에 KIST 전북분원에서는 8월 25일(목) 14:00에 탄소섬유 관련기업들을 대상으로 기술이전 설명회를 개최한다. 


  * 탄소섬유강화플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastics)

    흑연 섬유로 만든 기재(基材)에 에폭시 수지나 불소 수지 등을 함침한 것을 적층하고, 약간 가압한 것을 가열 고화

    하여 만든다. 알루미늄보다 가볍고, 쇠보다 강한 것이 얻어진다. 우주 개발(특히 인공 위성)을 비롯하여 넓은 용도에

    사용되고 있다.

   CFRP는 강철보다 1/4가볍고 10배나 강한 탄소섬유를 이용한 복합재료로 항공・우주, 자동차, 선박, 스포츠 용품 등 산업 전반에 걸쳐 다양하게 활용되고 있으며, 2015년 세계 시장은 21조, 2020년 42조로 급성장이 예상되는 첨단 소재로서 국가과학기술전략회의가 10일 발표한 9대 국가전략 프로젝트  경량소재 분야에 포함된 미래 유망사업이다.

   이러한 CFRP는 고가의 소재이나 사용 후 폐기 및 재활용 기술은 현재까지 미비했다. 기존에는 매립이나 고온소각방식을 많이 사용하고 있으나  썩지 않는 환경적 문제로 유럽에서 매립방식은 법으로 금지되어 있으며, 고온소각방식 역시 회수되는 물질의 물성 저하 및 열처리로 인한 독성물질 배출로 환경오염의 문제점을 지니고있다.

 

   이번에 KIST가 개발한 재활용 기술은 물을 반응 용매로 하여 저렴한 첨가제를 사용한 화학적 방법으로 100℃, 10기압의 저에너지가 소요되는 혁신적 기술이다. 이 기술로 재활용할 경우 95% 이상의 탄소섬유 회수율을 보이며 회수된 탄소섬유의 물성도 우수한 강점을 가진 친환경적・경제적 기술이다. KIST는 관련 기술의 국내 탄소섬유 산업현장에서의 빠른 적용을 위하여  연간 1톤을 처리할 수 있는 규모의 파일롯 플랜트를 제작·운영하여 뛰어난 양산성 및 경제성을 보이는 것을 확인했다. 기존 고온소각법 대비 초기투자비가 1/10 수준이며, 20년간 장비의 유지보수비가 1/40 수준으로 경제성이 아주 뛰어나다. 또한 5톤 반응기 기준 연간 250톤의 CFRP를 재활용 할 수 있어 뛰어난 양산성을 확보하고 있다. 또한, 물과 저렴한 첨가제만을 사용하며, 적은 에너지를 사용하기 때문에 1,500원 내외의 비용으로 CFRP 1kg을 재활용 할 수 있는, 세계에서 가장 저렴한 재활용 방법을 실현하고 있다. 기존의 고온소각법이 CFRP를 구성하는 에폭시 수지를 태워 탄소섬유만을 재활용 하는 반쪽짜리 방법인데 반해, 고문주 박사팀이 개발한 기술은  CFRP를 구성하고 있는 탄소섬유 뿐 아니라, 분해시킨 에폭시 수지까지도 재활용 할 수 있는 완성된 재활용 방법을 구현한다는 데 의미가 있다. 이 기술은 기본적으로 에폭시 수지를 분해 할 수 있는 기술로 향후 CFRP의 재활용 뿐 아니라 에폭시 수지를 사용하는 도료, 전자부품의 기판 등 다양한 산업분야에 응용이 가능할 것으로 전망된다.

 고문주 박사는 “고가의 탄소섬유가 잘 활용되지 않고 버려지고 있는데 문제의식을 느껴 연구를 시작하였으며, 뛰어난 경제성 및 친환경성을 가진 재활용 방법으로, 즉시 산업화가 가능하므로 국내 탄소 산업계에 이전되어 활용되기를 바란다. 향후 이를 바탕으로 중국, 미국, 유럽 등 복합소재시장이 규모가 큰 해외시장에도 진출할 계획이라고” 밝혔다.

이번 기술설명회에서는 1톤 규모의 파일롯 플랜트 처리공정 시연 및 기술 설명, 기술이전 계약 절차 등을 소개할 예정이며, 동 기술의 사업화를 원하는 기업들에게 기술을 이전할 계획이다.

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