장재언2조
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : MD 시뮬레이션을 이용한 그래핀 첨가 천연고무의 기계적 강도 측정
영문 : Mechanical strength evaluation of graphene-added natural rubber using MD simulation
과제 팀명
장재언 2조
지도교수
장재언 교수님
개발기간
2022년 9월 ~ 2022년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 화학공학과 20173400** 임*현(팀장)
서울시립대학교 화학공학과 20173400** 김*형
서울시립대학교 화학공학과 20173400** 신*현
서울시립대학교 화학공학과 20173400** 이*환
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
- LAMMPS을 이용한 Molecular Dynamics Simulation을 통해 그래핀이 천연 고무의 강화재로 작용했을 때의 열물리학적 특성을 파악한다.
- 천연고무의 강화재로서 그래핀과 그래핀 옥사이드를 사용했을 때의 물성값을 비교한다.
- 그래핀의 첨가 함량에 따른 물성값을 분석하고, 천연고무의 기계적 물성을 높이는 최적의 조건을 찾는다.
개발 과제의 배경
- 고무는 차량 공학, 항공 우주 탐사, 생물 의학 응용 프로그램 등의 다양한 분야에서 사용되는데, 일반적으로 강화재를 쓰지 않은 고무는 기계적 특성이 좋지 않다. 따라서 카본 블랙, 실리카, 그래핀과 같은 충전재를 사용하여 고무의 modulus, tensile strength를 조정함으로써 기계적 특성을 높일 수 있다. 첨단 기술의 급속한 발전으로 높은 기계적 성능과 기능을 갖춘 고무 제품이 필요해졌고, 이를 위해 고무를 보강하기 위한 나노 물질을 찾는 것이 중요하다.
- 카본 블랙은 지난 수십 년간 고무 복합체의 충전재로서 광범위하게 적용되어왔지만, 원료를 원유에서 추출한다는 점에서 에너지 보존과 환경 보호에 있어 문제점이 있다. 따라서 카본 블랙의 대체재로서 석유 자원에 의존하지 않는 실리카가 등장했지만, 나쁜 공정성과 높은 에너지 소비 등의 문제로 적용이 제한되고 있다. 따라서 고무 적용 분야에서 차세대 충전재로서 유망한 신소재의 발굴이 시급한 실정이다.
- 그래핀(Graphene)은 sp2 혼성 탄소 원자가 벌집 모양의 격자 안에 들어 있는 하나의 원자로 구성된 평면 구조로, 기계적 성능, 전자 이동성, 열전도성 및 가스 불투과성이 매우 높다. 이러한 특성을 고무에 적용할 수 있다면, 생성된 고무 나노 복합체는 일부 기능성뿐만 아니라 크게 개선된 기계적 특성을 보여줄 것이다. 이와 같이 그래핀은 고무를 보강하기 위한 이상적인 다기능 나노 필러로 간주된다.
- 전기적, 열적, 기계적 특성이 우수한 그래핀은 최근 고무 복합체의 필러로 엄청난 주목을 받고 있지만, 순수 그래핀의 대량 생산이 까다롭고 비용이 많이 드는 문제, 대부분의 고분자 Matrix에서 용해도가 낮은 문제 등이 있다. 이에 그래핀의 전구체인 산화 그래핀(Graphene Oxide)이 관심을 끌고 있는데 저렴한 가격, 대량 생산이 쉬우면서도 풍부한 산소 기반의 기능성 그룹과 높은 기계적 특성을 가지고 있어 효율적인 보강제로서 입증되었다.
개발 과제의 목표 및 내용
- 천연고무의 강화재로서 그래핀을 첨가했을 때 Tensile strength, Modulus 등의 기계적 특성이 향상되는 것을 Molecular Dynamics Simulation을 통해 확인한다.
- 그래핀의 함량에 따른 천연고무의 기계적 특성을 높일 수 있는 최적의 조건을 찾는다.
- 그래핀의 대량생산 문제를 극복할 강화재로서 그래핀 옥사이드를 첨가했을 때의 기계적 특성을 그래핀을 첨가했을 때와 비교하여 물리적 특성에 결함이 생기지 않는지 확인한다.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
무 제품을 다루는 많은 산업 분야에서는 지속적으로 높은 성능을 요구하는데, 타이어 산업에서 표준 트레드 제형에 그래핀 천연고무 마스터 배치를 추가하면 최종 타이어의 내마모성, 인장 강도 및 열전도율이 크게 개선되는 것으로 나타났다.
- 특허조사 및 특허 전략 분석
- GRAPHENE OXIDE, AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME : 산화 그래핀 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 용액을 사용하지 않고 낮은 온도에서 물리적인 방법에 의하여 산화 그래핀을 제조할 수 있다. 이를 통해 후속 처리 없이 전기적인 활성을 갖고, 산소/탄소 조성 조절을 통해 산화 그래핀의 밴드갭 에너지의 크기를 조절하는 방법을 제공할 수 있다.
- RUBBER FORMULATIONS INCLUDING GRAPHENIC CARBON PARTICLES : 그래핀 탄소 입자를 포함하는 고무 배합물에 관한 것으로, 타이어 트레드 배합물의 성능 특성 향상을 위해 상당량의 실리카를 첨가하는 것이 바람직 하나, 첨가될 수 있는 상한 값이 전하량의 축적을 적절히 감소시키기 위해 첨가되는 상대적으로 많은 양의 카본블랙에 의해 제한되는 문제를 극복하고 다양한 응용품에 이용될 수 있다.
- 분석 준비 : 천연고무 복합재 기술의 니즈와 강화재로서 그래핀을 적용한 기술의 시장 동향을 파악한다. 그리고 논문 검색을 통한 기술의 정보를 수집함으로써 기술의 방향을 설정한다.
- 정량 분석 : 관련된 기술의 연도별, 국가별 세부 기술별로 분류하고, 주요 특허출원인을 분석하며 특허 포트폴리오를 분석한다.
- 심층 분석 : 선행 기술 조사 추진에 대한 판단을 통해 산업 경향과 기술 방향의 변화를 파악하여 시장성을 분석하고 유망기술과 공백 기술을 도출한다.
- 특허 창출 및 전략 수립 : 유망기술과 공백 기술에 기반한 신규 특허를 창출하고, 특허분석 기반 천연고무의 강화재로서 그래핀을 사용하는 전략을 수립한다. 또한 확보된 기술 경쟁력으로 다양한 분야와의 협업을 통해 특허를 활용한다.
- 기술 로드맵
- 핵심기술
- 천연 고무 (cis-1,4-polyisoprene)에 그래핀과 산화 그래핀을 첨가한 혼합물의 물성을 측정하였다. 천연 고무에 가로 길이 24.61Å, 세로 길이 25.58 Å의 그래핀과 그래핀 옥사이드의 첨가 wt%를 다르게 하며 md simulation을 통해 이에 대한 bulk, shear, young's modulus를 측정하였다. 이를 통해 최적의 performance와 cost를 보여주는 첨가 그래핀 wt% data를 얻었다.
- 향후 전망
- 산화 그래핀을 첨가한 천연고무의 기계적 강도 향상 정도가 기존 그래핀을 첨가한 고무보다 높음에 따라서 타이어나 공학용 재료 등 큰 기계적 강도를 요구하는 고무 제품에서 산화 그래핀이 이용될 것으로 보인다. 또한 산화 그래핀은 일반 그래핀보다 대량생산이 용이하기 때문에 산화 그래핀 첨가 천연고무의 가격 경쟁력 또한 우수하다고 할 수 있다. - 본 연구와 같은 고분자와 그래핀을 이용한 기계적 물성 평가를 진행할 때 md 시뮬레이션을 이용한 평가가 용이하게 쓰일 수 있다.
시장상황에 대한 분석
- 경쟁제품 조사 비교
실험적으로 Graphene-rubber의 물성을 측정한 기존 연구 결과가 있지만, 다양한 wt%에 따른 물성을 비교한 연구나 Graphene-oxide를 활용한 연구는 미비하다. 다양한 wt%에 따른 물성 data와 최적화 비율에 대해 기업들에 솔루션을 제공한다면 이 연구의 경쟁력 확보가 가능할 것으로 보인다.
- 마케팅 전략 제시
천연 고무와 그래핀 첨가 고무를 취급하는 기업에 다양한 wt%에 따른 기계적 물성 data와 함께 최적화 솔루션을 제시한다.
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
- 그래핀 옥사이드는 그래핀 소재가 대량생산이 까다로운 문제를 극복하기 위해 주목받고 있는 소재로, 천연고무의 강화재로서 그래핀 못지않은 우수한 특성을 지닌다는 것을 확인한다면 높은 기계적 성능의 고무 복합체를 대량생산하며 건축 및 건설, 항공우주, 자동차, 전자, 에너지 저장 및 발전을 포함한 다양한 응용 분야에도 활용할 수 있을 것이다.
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
- 그래핀 복합재 세계시장 규모는 2022년부터 2027년까지 연평균 37.5% 성장하여 약 1억 1,353만 달러에 이를 것으로 예상될 정도로, 다양한 산업에서의 그래핀 복합재 수요 증가로 인해 급속한 성장이 이루어지고 있다. 따라서 천연고무에 그래핀을 추가하여 기계적 성능을 최적화하는 기술이 도입된다면 자동차 및 에너지 저장 등의 다양한 산업의 수요를 충족시키며 향상된 Modulus 및 강도가 폴리머의 성장을 이끌어낼 수 있을 것이다.
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
구성원 및 추진체계
설계
설계사양
제품의 요구사항
최적화된 모델이 기계적 강도가 필요한 분야에서 제대로 이용될 수 있도록 해야 한다. 일반적인 천연고무보다 bulk modulus, shear modulus, young’s modulus가 50% 이상 높도록 기준을 세웠다.
설계 사양
- graphene 첨가 천연고무 : 기존 제품보다 50% 이상 높은 강도를 가지도록 목표를 잡는다.
- graphene oxide 첨가 천연고무 : 기존 제품보다 70% 이상 높은 강도를 가지도록 목표를 잡는다.
개념설계안
md simulation을 통한 그래핀 첨가 천연고무의 모델링과 기계적 강도 평가가 제대로 될 수 있도록 프로그램을 설정한다. 현재 재료 시뮬레이션 분야에서 검증된 플랫폼인 material square의 서비스를 이용하였다.
이론적 계산 및 시뮬레이션
material square 플랫폼에서 이용할 수 있는 LAMMPS의 elastic properties 모듈을 이용해 bulk modulus, shear modulus, young’s modulus를 측정하였다.
상세설계 내용
- 그래핀과 산화 그래핀을 첨가한 천연고무의 기계적 강도를 Md simulation을 통해 측정한다. Md simulation 프로그램으로는 컴퓨터 시뮬레이션 플랫폼인 Material Square에서 제공하는 LAMMPS를 사용하였다.
- 천연고무 (cis-1,4-polyisoprene)과 그래핀의 분자 구조를 모델링하였다. 그래핀의 가로 길이는 24.61 Å이며 세로 길이는 25.58 Å이다. 산화 그래핀은 기존 논문을 참고하여 그래핀 구조에 carboxyl group, hydroxyl group, epoxy group 작용기를 붙여 모델링 하였다. 가로, 세로, 높이 각 80Å인 셀을 설정하고 그래핀과 산화 그래핀, cis-1,4-polyisoprene 분자를 투입하였다.
- 완성한 모델은 thermalization 과정을 통해 기계적 강도를 측정할 조건에서 안정된 구조가 되도록 하였다. 온도는 300K, 밀도는 천연 고무의 일반적인 밀도인 0.95g/cm3에서 그래핀이 차지하는 부피를 고려하여 값을 조정하여 설정하였다.
- Thermalization이 끝난 모델을 LAMMPS의 elastic properties 모듈을 통해서 bulk modulus, shear modulus, young’s modulus를 측정하였다. Compliance tensor를 방향별로 계산하고 voigt model을 통해 모든 tensor 방향에서의 평균 modulus 값이 도출된다.
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
포스터
관련사업비 내역서
(단위:천원)
완료작품의 평가
향후계획
다양한 크기의 Graphene, Graphene-oxide를 첨가하여 simulation 한다. 이를 통해 다양한 물성을 지닌 Graphene-rubber data를 확보하고, 최적의 첨가 Graphene wt%를 찾아 필요로 하는 기업에 제공한다.
특허 출원 내용
Graphene, Graphene oxide 첨가 Natural rubber(cis-1,4-polyisoprene) 첨가 비율에 관한 최적화 분석
참고 문헌
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