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2025년 11월 28일 (금) 19:17 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : NCO index 조절을 통한 바이오 폴리올 기반 연질 폴리우레탄 폼의 물성 개선 가능성 평가

영문 : Evaluation of Property Improvement Potential of Bio-Based Flexible Polyurethane Foams via NCO Index Control

과제 팀명

폼연구소

지도교수

김정현 교수님

개발기간

2025년 9월 ~ 2025년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학과 2022340018 박서연(팀장)

서울시립대학교 화학공학과 2022340034 이수경

서울시립대학교 화학공학과 2022340009 김수항

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 본 연구는 연질 폴리우레탄 폼에서 석유계 폴리올(PPG-6000)을 바이오 기반 폴리올(ECOPOL-35)로 부분 대체 가능성을 연구하고 그 과정에서 발생하는 물성 저하를 NCO 전환율 최적화를 통해 개선하는 것을 목적으로 한다.

◇ 바이오 폴리올은 점도, 관능기 분포, 수분 함량 등의 차이로 인해 반응이 지연되어 젤화 반응과 발포 반응 간의 타이밍 불균형이 발생하고, 이는 셀 공동(cavity) 증가, 개폐도 저하, 이력손실 상승 등의 물성 저하로 이어진다.

◇ 본 과제는 이러한 문제를 해결하기 위해 NCO index를 0.95~1.05 범위에서 조절하며, FT-IR 분석, SEM 형태학 관찰, UTM 기반 물성 평가를 통해 전환율–미세구조–기계적 특성 간의 상관관계를 규명하고자 한다.

◇ 이러한 분석을 바탕으로 바이오 폴리올 사용 시 기존 석유계 폴리올 기반 폼과 동등한 성능을 확보하기 위한 최적의 공정 조건 제시를 최종 목표로 한다.

개발 과제의 배경 및 효과

◇ 폴리우레탄 폼(PU)의 산업적 중요성 및 응용 확대

폴리우레탄 폼은 아이소시아네이트와 폴리올의 반응을 기반으로 제조되는 고분자 발포 소재로, 가구, 침구, 자동차 시트, 전자기기 완충재, 건축 단열재 등 다양한 분야에서 핵심 소재로 사용되고 있다. 특히 연질 폴리우레탄 폼은 open-cell 구조를 바탕으로 우수한 성형성, 흡음성 등을 제공하며, 제품의 경량화 및 내구성 향상에 기여한다.

폼의 미세 구조는 기공의 크기, 형태, 개폐도, 공동 발생 여부 및 버팀목 구조 등에 의해 결정되며, 이는 다시 촉매계, 계면활성제, NCO index, 수분 함량(php), 교반 및 발포 조건 등 다양한 제조 파라미터에 의해 정교하게 조절된다. 이러한 설계 자유도 덕분에 PU 폼은 자동차·가전·건축·포장재·의료용품 등 다양한 산업에서 활용된다.

◇ 친환경·저탄소 소재 수요 증가 및 글로벌 정책 변화

전 세계적으로 기후 위기 대응, 탄소중립 실현, 자원 고갈 문제 해결을 위한 산업 구조 전환이 가속화되고 있다. 기업과 국가 차원에서는 친환경 기반의 소재 사용 확대가 필수적 과제가 되었다.

유럽연합의 RE100, CBAM(탄소국경조정제도), 각국의 배출권 거래제 등 글로벌 환경 규제가 강화되면서 기업들은 원료 단계에서의 탄소 배출을 최소화하고, 지속 가능한 공급망을 확보하고자 한다. 이러한 흐름 속에서 친환경·생분해·저탄소 제품에 대한 소비자 선호도도 함께 증가하면서 시장 수요가 빠르게 확대되고 있다.

특히 폴리우레탄 산업은 석유 기반 원료 사용 비중이 높고 생산 과정에서도 상당량의 온실가스를 배출하기 때문에, 석유계 폴리올을 대체할 수 있는 바이오 기반 폴리올, 재활용 폴리올, 탄소 저감형 원료에 대한 산업적 관심은 점점 증가하고 있다. 이에 따라 선진국을 중심으로 친환경 PU 제조 공정 연구가 활발히 진행되고 있으며, 실제 상업 생산 단계에서도 저탄소 폴리올 도입 사례가 증가하고 있다.

◇ 바이오 폴리올 도입의 필요성

기존 연질 PU 폼은 대부분 석유계 폴리올(PPG 계열)을 사용하는데, 이는 화석자원 고갈, 국제 유가 변동성, 대규모 탄소 배출 등의 문제가 존재한다. PU 폼 생산 과정은 전체 PU 제품군 중에서도 약 절반 이상의 탄소 배출을 차지하며, 특히 폴리올 제조 단계의 탄소 배출량이 크기 때문에 친환경 폴리올로의 전환이 필요하다.

바이오 폴리올은 식물성 오일, 옥수수, 캐스터 오일 등 재생 가능한 원료 기반으로 제조되며, 석유계 폴리올 대비 탄소 배출이 최대 30~50%까지 감소될 수 있다. 또한, 지속 가능한 공급망 구축이 가능해 국제 시장에서의 공급 안정성 측면에서도 유리하다. 이러한 장점 때문에 자동차, 가구, 건축 분야에서는 바이오 기반 PU 폼을 활용한 친환경 제품 개발이 활발히 진행되고 있다.

그러나 바이오 폴리올은 점도, 관능기 분포, 반응성, 수분 함량 등에서 석유계 폴리올과 차이가 크기 때문에 제조 공정에서 젤화 반응 및 발포 반응의 불균형, 셀 구조 불안정, 공동 증가 등 품질 저하 문제를 일으킬 수 있다. 따라서 바이오 폴리올의 친환경적 장점을 유지하면서도 기존 석유계 폴리올과 동등한 성능을 확보하기 위해서는 배합비, 반응 조건, NCO index 조절 등 공정 최적화 전략이 필요하다.

◇ 바이오 폴리올 기반 PU 폼의 상업적 적용 확대 가능성

바이오 폴리올은 식물유, 재생 가능한 바이오매스, 잔사유 등을 원료로 제조되며 지속 가능한 생산체계를 구축하는 데 중요한 역할을 한다. 자동차, 침구, 가구, 내장재, 포장재 등 다양한 분야에서는 이미 저탄소·친환경 소재 요구가 강화되고 있으며, 탄소 감축 목표와 맞물려 바이오 기반 PU의 수요는 향후 지속적으로 증가할 것으로 전망된다. 특히 EU CBAM 도입, 글로벌 ESG 평가 강화, 소비자 인식 변화 등은 바이오 기반 소재의 상업적 확산을 촉진하는 요인으로 작용하며, 국내외 기업들은 이러한 변화에 대응하기 위한 소재 전환을 가속화하고 있다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 연질 PU 폼에서 바이오 폴리올(ECOPOL-35)을 일정 비율 이상 도입하였을 때 발생하는 셀 구조 불균일, 이력손실 증가 등의 물성 저하 문제를 정량적으로 규명하고, NCO index 조절을 통해 이러한 문제를 보완함으로써 석유계 폴리올 기반 폼과 동등한 수준의 품질을 확보할 수 있는지를 검증하는 것을 최종 목표로 한다. 이를 통해 바이오 폴리올의 실질적인 대체 가능 범위를 제시하고, 친환경 PU 폼의 상용화를 위한 기초 자료를 마련하고자 한다.

◇ 1차 실험에서는 석유계 폴리올(PPG-6000)과 바이오 폴리올(ECOPOL-35)의 혼합 비율을 변화시키며 연질 PU 폼을 합성하고, 그중 기계적 성능과 형태학적 구조가 급격히 악화되는 조성을 선별한다. FT-IR을 통해 반응 진행 여부를 확인하고, UTM을 이용해 이력손실, 꺼짐 인자, 압축 응력 등을 측정하며, SEM 분석을 통해 기공 크기 분포, 개폐도, 공동 발생 여부 등을 정량화함으로써 바이오 폴리올 도입이 폼의 내부 구조와 물성에 미치는 영향을 체계적으로 분석한다.

◇ 2차 실험에서는 1차 실험에서 선정된 문제 조성을 대상으로 NCO index를 0.95~1.05 범위에서 단계적으로 변화시키며 폼을 재합성한다. 각 index 조건에 대해 SEM 분석을 통해 셀 구조의 균일성, 공동 크기 및 개수 변화를 관찰한다. 동시에 UTM 시험을 통해 이력손실, 꺼짐인자, 압축 응력 등의 기계적 특성을 측정하여 NCO index 변화가 전환율, 미세구조, 물성에 미치는 상관관계를 정량적으로 도출한다.

◇ 이후 수집된 데이터를 바탕으로 바이오 폴리올 함량–NCO index–전환율–형태학–기계적 물성 간의 상관관계를 정리하고, 전환율과 셀 구조가 안정적으로 확보되면서도 이력손실이 낮고 꺼짐인자가 우수한 조건 영역을 도출한다. 이를 통해 바이오 폴리올을 사용한 PU 폼에서 적용 가능한 최적 NCO index 범위와 권장 배합 조건을 제안한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

◇ FT-IR 기반 반응 구조 및 결합 형성 검증 기술

최근 바이오 폴리올을 일정 비율로 혼합한 연질 폴리우레탄 폼 연구에서는 FT-IR 분석을 통해 우레탄 결합이 적절히 형성되었는지 확인하는 것이 기본적인 절차로 활용된다. 특히 NCO 피크의 잔존 여부와 C=O, N–H 신호의 변화를 비교하여, 바이오 폴리올 적용 시 발생할 수 있는 반응 구조의 차이를 검토하는 방식이 널리 사용되고 있다. 이러한 분석은 폼의 제조 안정성과 반응 메커니즘을 이해하는 데 필수적인 기술로 자리잡고 있다.

◇ SEM 기반 미세구조 관찰 및 셀 구조 정량 분석 기술

바이오 폴리올을 혼합할 경우 기공 직경, 공동의 발생, 셀 개방 특성 등이 조성 변화에 따라 달라질 수 있기 때문에, SEM 이미지를 이용한 미세구조 분석이 중요하게 사용된다. 최근 연구들은 단순 관찰을 넘어 기공 직경, 공동 직경, 셀벽 면적비 등 세부 형태학적 요소를 정량적으로 산출하여 기공 구조의 불균일화나 공동의 직경 증가와 같은 특징을 체계적으로 분석한다. 이러한 정량 형태학 분석은 구조적 변화의 원인을 규명하고 조성별 경향을 해석하는 데 유용한 기술이다.

◇ 개폐도 및 통기성 기반 구조 평가 기술

연질 폴리우레탄 폼의 기능성은 셀 개방도와 밀접하게 연관되기 때문에, 최근 연구에서는 ASTM 기반의 개폐도 측정법을 통해 개방 구조의 정도를 수치화하는 분석이 수행된다. 또한 공기 투과성 평가나 파이크노미터 기반 측정 등을 활용하여 개방 실패, 폐쇄 셀 증가와 같은 형태학적 변화를 정량적으로 판단한다. 이러한 방법은 SEM 결과를 보완하면서 폼의 구조적 안정성을 확인하는 데 중요한 역할을 한다.

◇ UTM 기반 복원력 및 에너지 소산 특성 평가 기술

바이오 폴리올 혼합에 따른 셀 구조 변화는 복원력과 압축에도 영향을 미치기 때문에, UTM을 이용한 IFD(25/65), Sag factor, 이력손실 측정이 필수적으로 수행된다. 압축–이완 곡선을 통해 구조적 지지력, 점탄성 손실, 복원 특성을 정량적으로 분석하며, 이는 기공 구조 변화가 기계적 물성으로 어떻게 나타나는지를 해석하는 데 중요한 근거가 된다. 이러한 기계적 성능 평가 기술은 조성에 따른 특성 변화를 명확히 판단할 수 있게 한다.

◇ 형태학–물성 연계 해석 기반의 종합 분석 기술

최근 연구에서는 FT-IR, SEM, 개폐도, UTM 결과를 각각 독립적으로 해석하기보다는, 반응 구조–형태학적 변화–기계적 물성으로 이어지는 흐름을 통합적으로 분석하는 방식이 보편화되고 있다. 즉, 반응 특성 변화가 셀 구조 형성에 어떤 영향을 주고, 이러한 구조적 차이가 다시 이력손실이나 Sag factor와 같은 물성으로 어떻게 연결되는지를 종합적으로 평가한다. 이러한 연계 분석 기술은 바이오 폴리올 적용 시 최적 조성 및 조건을 설정하는 데 핵심적이다.

◇ 촉매 조성 조절을 통한 발포 안정성 확보 기술

바이오 폴리올은 초기 점도 및 반응성 차이로 인해 발포 과정에서 셀 개방 지연이나 공동 형성 증가가 나타날 수 있어, 최근 연구에서는 촉매 조성을 조정하여 젤화와 발포 반응의 균형을 맞추는 기술이 사용된다. 아민계·주석계 촉매의 비율을 조정하여 기포 성장의 속도와 개방 시점을 제어함으로써, 형태학적 불균일성 발생을 최소화하는 접근이 이루어진다. 이는 바이오 폴리올 기반 폼의 구조적 일관성과 안정성을 확보하기 위한 중요한 기술로 활용되고 있다.

특허조사

◇ Method of improving mechanical strength of flexible polyurethane foams made from bio-based polyols

등록번호: US 9,212,250 B2

요약: 바이오 폴리올을 일정 비율 혼합하여 제조한 연질 폴리우레탄 폼의 기계적 강도 저하 문제를 개선하기 위해 방향족 폴리에스터 폴리올을 소량 도입하는 기술을 제시한다. 혼합비와 보조 폴리올의 효과를 정량적으로 제시하며 인장·찢김·압축강도 향상을 목표로 한다. 바이오 폴리올 혼입 시 기계적 물성 저하가 대표적 문제임을 명확히 보여주는 특허로, 이에 대응하기 위한 보조 폴리올 또는 가교 강화 전략이 산업적으로 널리 사용되고 있음을 확인할 수 있다.

◇ Flexible polyurethane foams prepared using modified vegetable oil-based polyols

등록번호: US 8,293,808 B2

요약: 대두유 등 식물유 유래 폴리올을 에폭시화·하이드로포밀화 등으로 기능화하여 반응성과 발포 안정성을 개선한 후, 석유계 폴리올과 혼합해 연질 폴리우레탄 폼을 제조하는 기술이다. 기능화 폴리올 적용을 통해 셀 구조 안정성과 물성 유지가 가능하도록 설계되어 있다. 바이오 폴리올을 단순 혼합하는 방식보다 사전 개질을 통해 반응성을 향상시키는 접근이 유효함을 제시하며, 고함량 혼입에서 나타나는 발포 불안정·구조 붕괴 문제의 원인을 반영한 기술 동향을 보여준다.

◇ High resilience polyurethane foams comprising castor oil

등록번호: US 9,150,684 B2

요약: 캐스터오일 기반 바이오 폴리올을 5 wt% 이상 함유하여 고탄성 연질 폼을 제조하는 조성 및 공정을 제안한다. 인덱스 조절, 촉매 조합, 발포 조건 등을 통해 바이오 폴리올 혼입 상황에서도 내구성을 유지하는 것이 특징이다. 바이오 폴리올을 일정 비율 도입해도 고탄성 특성 유지가 가능함을 보여주며, 혼합비와 공정 변수 조절을 통한 물성 보정 전략이 실제 산업에서 활용되고 있음을 확인할 수 있다.

◇ Viscoelastic polyurethane foams comprising natural oil polyols

공개번호: US 2010/0087561 A1

요약: 식물유 기반 폴리올을 일정 비율 포함한 점탄성 연질 폼을 제조하는 기술로, 바이오 폴리올의 개폐도와 유동성 영향을 보완하기 위해 촉매, 인덱스, 계면활성제의 조건을 조정하는 발포 공정을 제시한다. 바이오 폴리올을 함유한 PU 폼이 물성 설계 관점에서 기능성 폼으로의 확장성이 존재함을 알 수 있다.

◇ Low density polyurethane foam using functionalized castor oil polyols

공개번호: WO 2021/150174 A1

요약: 기능화된 캐스터오일 기반 폴리올을 사용해 저밀도 폴리우레탄 폼을 제조하는 기술로, 셀 균일성과 셀 벽 붕괴 억제를 위한 폴리올 개질 및 발포 조건의 조합이 제안된다. 발포 재현성과 구조 안정성을 동시에 확보하는 것이 주요 내용이다. 바이오 폴리올 고함량에서 발생하는 셀 벽 붕괴와 공동 문제를 해결하기 위한 접근으로 기능화 및 반응성 개선이 중요한 전략임을 보여주며, 발포 안정화 공정의 필요성이 강조된다.

◇ Flexible polyurethane foams based on bio-derived polyester polyols from dimer fatty acids

등록번호: EP 2,417,174 B1

요약: 지방산 기반 바이오 폴리에스터 폴리올을 석유계 폴리올과 혼합하여 연질 폼을 제조하는 기술로, 발포성·셀 구조 안정성·기계적 물성 유지 등을 위한 조성을 제시한다. 바이오 폴리올은 점도 증가 및 반응성 저하를 유발하며, 이에 대응하기 위한 발포 안정성 확보가 산업적 주요 과제임을 확인할 수 있다.

특허전략

◇ 신규성 확보 전략

본 연구는 바이오 폴리올을 일정 비율로 혼합하였을 때 기공 직경, 공동 직경, 셀벽 면적비, 개폐도 등 형태학적 지표들이 단순한 증가나 감소가 아니라 특정 조성에서 동시에 변화하는 구간이 존재한다는 점을 실험적으로 확인하였다. 이러한 변화가 개별 지표의 변동이 아니라 여러 요소가 함께 변화하는 구조적 패턴으로 나타난다는 점을 정량적으로 분석한 것은 기존 연구와 구별되는 부분이다. 또한 바이오 폴리올 혼합비 변화에 따른 형태학적 구조의 변화 양상을 다양한 지표를 통해 통합적으로 해석함으로써, 조성 변화에 따른 구조적 한계를 명확히 제시하였다. 이처럼 형태학적 이상이 집중되는 조성 구간을 규명하고 그 변화 경향을 체계적으로 분석한 점에서 본 연구는 신규성을 가진다.

◇ 진보성 확보 전략

바이오 폴리올 적용 시 발생하는 형태학적 이상과 기계적 물성 저하 문제는 기존 연구에서 반복적으로 보고되었지만, 이를 개선할 수 있는 구체적인 조건과 작동 원리를 제시하는 데에는 한계가 있었다. 본 연구는 NCO Index 조절을 통해 이러한 불균일 반응을 완화할 수 있음을 실험적으로 제시하였다. Index를 적정 범위로 설정할 경우 셀벽 구조가 안정화되고 복원력이 회복되는 등 구조적·기계적 특성이 동시에 개선된다는 사실을 확인하였으며, 이는 바이오 폴리올 기반 폴리우레탄 폼의 구조 안정성과 물성 확보를 위한 실질적 해결 방향을 제시한 것이다. 이러한 개선 메커니즘의 정립은 기존 문헌에서 제시되지 않은 내용으로서 진보성을 가진다.

◇ 권리범위 설계 전략

본 연구의 권리범위는 바이오 폴리올을 포함한 폴리올 시스템과 NCO Index 조절을 통해 연질 폴리우레탄 폼의 구조와 물성을 개선하는 기술에 초점을 맞춘다. 조성 측면에서는 PPG-6000과 ECOPOL 35의 혼합 비율, CG-7070S, 촉매, 발포제, 가교제, 계면활성제 등의 실제 실험 구성요소를 포함한다. 공정 측면에서는 one-shot 방식, 혼합 조건, 발포·경화 조건과 함께 NCO Index 0.950~1.050 범위를 핵심 요소로 설정할 수 있으며, 특히 0.950~0.975 구간에서 물성이 개선된다는 실험 결과를 근거로 한다. 또한 공동 직경, 기공 구조, 개폐도와 같은 형태학적 지표와 이력손실·꺼짐 인자 등 기계적 물성 변화가 NCO Index 조절에 의해 개선된 만큼, 이러한 성능 기준을 포함한 조성·공정·물성 연계형 권리범위를 설계함으로써 기술의 실효적 보호가 가능하다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ NCO 전환율 기반 반응 제어 기술의 고도화

FT-IR을 활용한 전환율 분석과 NCO index 조절을 결합하여, 연질 PU 폼 제조 과정에서 젤화 반응과 발포 반응의 타이밍을 정밀하게 제어할 수 있는 기술적 기반을 마련할 수 있다. 이는 기존 석유계 폴리올에서 상대적으로 안정적으로 유지되던 반응 메커니즘을, 반응성이 낮아 공정 변동성이 큰 바이오 폴리올 시스템에서도 적용 가능하도록 확장할 수 있다.

◇ 셀 구조 균일화 및 형태학적 안정성 확보

바이오 폴리올 도입 시 발생할 수 있는 공동 직경 증가, 기공 크기 불균일, 개폐도 감소 등의 형태학적 문제를 NCO index 최적화를 통해 개선함으로써, 기공 구조의 균일성을 확보할 수 있다. 이는 내부 버팀목(strut) 구조의 강화하고 핵심 물성의 개선이 가능하다. 형태학 기반 품질 확보는 장기적인 내구성, 착좌감 유지력, 압축 복원력 등 실제 제품 성능과 직결되기 때문에 산업적 활용에서 매우 중요한 기술적 성과이다.

◇ 기계적 물성 개선

NCO index 최적화를 통해 기계적 물성을 안정화하면 장기간 사용 시에도 변형이 적은 고품질 폼을 제조할 수 있다. 이는 자동차 좌석재·가구·침구류 등 반복 하중이 가해지는 제품에서 요구되는 내구성과 복원력 기준을 충족하는 데 필수적이다.

◇ 표준화된 평가 체계 구축 가능

FT-IR 전환율 분석, SEM 기반 미세구조 관찰, UTM 기반 기계적 물성 시험 등 다양한 측정 기법을 통합하여 폼 품질을 정량적으로 평가하는 표준화된 측정 체계를 확립할 수 있다. 이는 향후 VOC, 밀도, 흡음성, 열전도율, 압축 영구 변형 등 추가 특성에 대한 평가로 기술을 확대하는 데 기반이 되며, 연구실 단위의 실험 결과를 산업 현장의 품질 기준과 연계할 수 있는 중요한 기술적 자산이 된다.

◇ 친환경 소재 기반 PU 공정 기술 확보

바이오 폴리올과 같은 친환경 소재는 반응성·점도·수분 특성이 석유계 원료와 다르기 때문에 기존 제조 기술을 그대로 적용하기 어렵다. 본 연구는 이러한 소재 특성 차이를 극복하기 위한 새로운 공정 설계 원칙과 최적 조건을 제시함으로써, 향후 다양한 바이오 기반 원료로의 확장 가능성을 높인다. 이는 향후 저탄소·친환경 PU 공정 개발의 핵심 기반 기술로 자리 잡을 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 저탄소·ESG 규제 대응 및 기업 경쟁력 강화

바이오 폴리올을 적용할 경우 LCA 기준 약 30~50% 수준의 탄소 감축 효과가 기대되며, 이는 RE100·CBAM·탄소국경조정세 등 글로벌 탄소 규제 강화에 대응하는 데 중요한 역할을 한다. 기업은 이러한 친환경 원료 전환을 통해 ESG 평가 지표를 개선할 수 있으며, 글로벌 완성차·가구·전자 기업의 공급망 탈탄소화 요구에 부합함으로써 수출 경쟁력을 강화할 수 있다.

◇ 원료 공급 안정성 확보 및 가격 변동성 완화

바이오 폴리올은 식물유·잔사유 등 재생 가능한 기반 자원으로 생산되기 때문에 원유 가격 변동이나 지정학적 리스크에 덜 영향을 받는다. 석유계 폴리올 대비 공급망 안정성이 높아지고 조달 경로가 다변화되며, 장기적으로 원료 수급 리스크를 줄여 기업 운영의 안정성을 높일 수 있다. 이는 국내 PU 산업의 자립도 향상에도 기여할 수 있다.

◇ 친환경 소비 트렌드 반영 및 시장 확대 가능성

자동차, 매트리스, 가구, 패키징 등 주요 시장에서 친환경 소재 선호도가 증가함에 따라 바이오 기반 PU 폼 시장의 성장은 지속될 것으로 예상된다. 소비자는 환경 부담이 적은 친환경 제품을 선호하는 경향이 강하며, 이는 기업의 제품 개발 방향에도 직접적인 영향을 준다. 본 연구에서 확보하는 기술은 이러한 친환경 수요를 충족시킬 수 있다.

◇ 고부가가치 제품 개발 및 소재 산업 경쟁력 강화

전환율–형태학–물성 기반 최적화 기술을 활용하면 기존 대비 성능이 우수한 고부가가치 친환경 PU 제품 개발이 가능해진다. 이는 자동차 NVH 내장재, 고탄성 매트리스, 고내구성 시트재 등 고성능 제품군으로의 확장을 가능하게 하며, 소재 산업 전반의 기술 경쟁력 강화로 이어진다. 또한 친환경 소재 전문 기업과의 협력 확대, 신규 시장 창출 등 다양한 산업 생태계 확대 효과를 기대할 수 있다.

◇ 지속가능한 소재 전환을 통한 사회적 가치 창출

바이오 기반 PU 폼의 상용화는 화석자원 사용량 감소, 온실가스 배출 저감, 재생 가능 자원 활용 확대 등 사회적·환경적 가치 실현에 직접적으로 영향을 준다. 기업과 소비자를 모두 포함한 사회 전반의 친환경 전환 요구에 대응할 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

• 9월: 논문 학습 및 이론 숙지를 통한 바이오 폴리올 기반 폼 탐색 (팀 전원)
• 10월: 바이오 폴리올을 사용한 폴리우레탄 폼 합성 및 물성 측정 (팀 전원)
• 11월: 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)과 만능재료시험기(universal testing machine, UTM)을 통한 폼의 미세구조 분석과 기계적 특성 측정 및 FT-IR(Fourier-transform infrared spectroscopy)을 통한 폼의 NCO 전환율 측정 (팀 전원)
• 12월: 데이터 분석 및 결론 도출 (팀 전원)

설계

Materials

이번 바이오 폴리올을 활용한 폼을 합성하기 위해 다양한 시료들을 활용하였다. 먼저 폴리우레탄 합성에서 가장 중요한 폴리올의 경우, Polyether polyol PPG-6000 (Kumho Petrochemical, Korea, OH value : 28±2, M_w : 6000g/mol, f_av = 3, viscosity : 1200±100 cps at 25℃)과 Castor oil-based bio-polyol (Kumho Petrochemical, Korea, ECOPOL 35, OH value: 44±2, Mw: 3500g/mol, f_av: 2.7, ν: 750±50 cps at 25℃)을 선정 비율에 맞게 혼합하여 사용하였다. 폴리올의 분자량이 너무 작을 경우, 폴리우레탄 폼의 합성에는 용이하나 만들어진 폼의 물성이 떨어지기 때문에, 여러 분자량의 Polyether polyol 중 분자량 6000g/mol을 가진 PPG-6000을 사용했다. 또한 폴리올과 함께, 폴리우레탄 합성에 필수적인 아이소시아네이트의 경우 Methylenediphenyldiisocyanate(이하 MDI)와 Toluenediisocyanate(이하 TDI)가 일정 비율로 섞인 CG-7070S(%NCO:36.8±0.5, ν: max 20 cps at 25 ℃, Kumho Mitsui Chemical)를 사용하였다. 촉매의 경우 젤화 반응을 촉진시키기 위한 DABCO 33LV(Composed of 33% triethylenediamine and 67% dipropylene glycol, Air Products and Chemicals, USA)와 발포 반응을 촉진시키기 위한 DABCO BL-17((78% bis (dimethylaminoethyl)-etherformate dipropylene glycol solution, Air Products and Chemicals, USA)을 활용하였다. 발포제로는 증류수(de-ionized water)를 활용하였다. 추가로 합성한 폴리우레탄 폼의 안정화를 위해, 폴리우레탄 폼의 균일한 기공 구조 형성을 도와주는 L-3002(Momentive, USA)를 사용하였다.

Synthesis

폴리우레탄 폼의 합성은 원샷(one-shot) 방식을 사용하였다. 폴리올 시스템(폴리올, 젤화 및 발포화 촉매, 가교제, 발포제, 계면활성제)을 1차적으로 혼합해준 다음, 아이소시아네이트를 요구 함량만큼 계량 후 2차 혼합으로 반응을 유도해주었다. 1차 실험에서는 Polyether polyol(PPG-6000)과 Castor oil 기반의 bio-polyol(ECOPOL 35)의 혼합 비율을 100:0에서 75:25까지 변화시키며 폼을 합성하였고, 2차 실험에서는 물성이 저하된 조성 구간을 대상으로 NCO index를 0.95에서 1.05 범위 내에서 변화시키며 추가 실험을 수행하였다. 여기서 NCO index는 아이소시아네이트와 폴리올 간의 당량비를 의미한다. 구체적인 폴리우레탄 폼 합성을 위한 원료들의 처방은 아래의 Figure 2에 나타내주었다. 폴리올 시스템의 1차 혼합은 1L 종이컵에다가 처방에 따라 폴리올 시스템 원료들을 투입하고, 교반기를 활용해서 1700rpm의 속도로 10분 동안 교반을 진행하였다. 1차 교반을 마친 후, 1차 교반 동안 미리 계량해 준비해 둔 아이소시아네이트를 종이컵에 추가해주고 6000rpm에서 10초간 2차 교반을 진행하였다. 이렇게 교반을 최종적으로 마친 후, 생성된 혼합물을 알루미늄 주형(200×200×50mm)에 넣고 60℃에서 20분간 반응시킨 후 폴리우레탄 폼을 주형에서 꺼내주었다. 주형틀에서 꺼낸 폼을 바로 분석에 활용하는 것이 아니라, 상대습도 50±10%의 상온에서 72시간 동안 보관한 뒤 물성 분석을 위해 시편 규격에 따라 절단하여 활용하였다.

FT-IR spectroscopy

푸리에 변환 적외선 분광법(FT-IR, PerkinElmer inc.)을 사용하여 이번 폴리우레탄 폼 합성에서 사용한 바이오 폴리올과 합성된 폼의 작용기를 분석한다. FT-IR 투과 스펙트럼은 해상도 4로 설정하여 획득한다.

Morpholohy

폴리우레탄 폼의 표면에 얇은 금 도금 처리를 한 후, 주사전자현미경(SNE3000M, SEC, at 10kv)을 활용해 폴리우레탄 폼의 형태학 분석을 진행하였다. 이미지는 Image-pro plus(Media Cybernetics) 소프트웨어를 사용하여 캡처하고, 샘플 당 3장의 이미지로부터 서로 다른 기공의 종류(open, partial-open, close)에 따른 크기 및 개수와 공동(cavity)의 크기를 측정하였다. open, partial-open, close 기공과 공동의 구조를 나타내주는 사진은 Figure 4를 통해 확인할 수 있다.

Universal Testing Machine(UTM)

폴리우레탄 폼의 물리적 특성을 분석하기 위해서 UTM(LS1, Lloyd Instruments Ltd.)를 사용했으며 ASTM D3574-17 기준에 따라 이력 손실, 꺼짐 인자, 압축 응력, 영구 압축률 등으로 나타내었다. 측정 샘플은 50×50×25mm 규격의 직육면체 형상이었고 측정속도는 50mm/min으로 설정해서 측정을 진행하였다. 이력 손실(Hysteresis loss)은 변형률이 75%일 때까지 압축한 후 원상태로 복원될 때 손실되는 에너지를 나타내는 값이다. 압축 응력(Compression strength)은 변형률이 65%일 때의 반발력을 나타내는 값이며, 꺼짐 인자(Sag factor)는 변형률 65%와 변형률 25%일 때의 반발력의 비로 표현된다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

관련사업비 내역서

내용

완료작품의 평가

본 과제의 평가는 FT-IR 분석(10%), 기계적 특성(45%), 물리적·미세구조 특성(45%)의 세 항목으로 수행했다. 먼저 FT-IR 분석 결과, ECOPOL 35와 PPG 6000 모두에서 약 3300 cm⁻¹ 부근의 -NH 피크와 1740~1750 cm⁻¹ 영역의 C=O 피크가 확인되었고, 이는 폴리올과 아이소시아네이트가 반응해 우레탄 결합이 안정적으로 형성되었음을 확인하였다. 두 시료는 전 영역에서 유사한 스펙트럼을 보이며 기본적인 우레탄 구조가 동일하게 형성되었고, 카보닐 피크 형상의 차이를 통해 ECOPOL 35가 PPG 6000과 상이한 구조적 특성을 지닌다는 점만 확인되었다. 따라서 FT-IR 관점에서 화학 구조 형성은 목표 수준을 충족한 것으로 평가할 수 있다.
기계적 특성은 UTM을 이용해 strain-stress 곡선을 측정하고, 50% 압축변형률에서의 압축응력, 이력손실, 꺼짐인자(SAG factor)를 산출하여 평가했다. 실험 1에서 바이오 폴리올을 단순 대체했을 시에는 일부 조성에서 압축응력의 감소와 이력손실의 증가가 확인되었으나, 실험 2를 통해 NCO Index를 조정함으로써 이력손실이 기존의 다른 바이오 폴리올 조성의 기준에 맞게 값이 감소하고 꺼짐인자가 회복 및 향상되는 경향을 확인했다. 따라서 적절한 NCO Index 최적화를 통해 bio20 wt% 조성에서도 실험 1에서의 다른 바이오 폴리올 조성들과 동등하거나 그 이상의 기계적 성능을 확보할 수 있었다.
물리적 특성은 Mini-SEM을 통해 셀 구조를 관찰하고, pore diameter, cavity diameter, 공동벽 면적비, 개폐도를 정량 분석하여 평가했다. 바이오 폴리올 함량 증가에 따라 전체적으로 기공이 미세화되는 경향을 보였다. 특히 bio20 wt%에서 NCO Index를 조절한 결과로 NCO Index 1.0에서 상대적으로 큰 기공과 공동 크기를 보였으며, NCO Index를 하향·상향 조정한 조건에서는 기공과 공동의 크기가 감소하여 보다 균질한 구조가 형성됨을 확인했다. 공동벽 면적비는 거의 일정한 수준을 유지하면서 NCO Index가 낮은 조건에서 개폐도가 증가함을 보여 오픈 셀 구조가 잘 발달됨도 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 NCO Index 조정을 통해 셀 구조의 안정화 및 공동의 억제가 가능함을 보여주었고, 물리적·미세구조적 관점에서도 실험 1에서의 다른 바이오 폴리올 조성들과 동등하거나 그 이상의 성능을 확보한 것으로 판단된다.
따라서 FT-IR, 기계적 특성, 물리적 특성 세 항목 모두에서 설정한 개발 목표치를 충족하였고, 본 과제의 바이오 폴리올 기반 PU 폼은 기존 석유계 폼의 실질적인 대체 후보로서 충분한 연구 가능성을 확보한 것으로 평가된다.

향후전망

바이오 폴리올을 사용할 때 발생할 수 있는 물성 저하의 문제를 해결하여 폴리우레탄 폼 합성에서 주로 사용되는 석유계 폴리올을 바이오 폴리올로 대체한다면 폴리우레탄 폼 산업은 친환경성과 지속가능성 측면에서 크게 발전할 것으로 전망된다. 바이오 기반 폴리우레탄 시장은 2025년부터 2033년까지 연평균 15.7% 이상의 빠른 성장률을 기록할 것으로 예상되며, 자동차, 건설, 가구 등 다양한 산업에서 수요가 증가하고 있다.

◇ 지속 가능성과 시장 성장

자동차, 가구, 침구, 건축 단열 등 대량 수요 산업에서 스코프3 감축을 본격화하면서 바이오 함량, 저탄소 폼에대한 수요가 분명히 증가하고 있다. 실제 수치는 보고서마다 상이하지만 많은 상업적 보고서에서 바이오 기반 폴리우레탄 시장 규모는 가파르게 성장할 것으로 기대하고 있다. CBAM, EPR(확장생산자책임) 등 정부의 규제와 ESG 경영, 그리고 소비자의 환경 인식에 대한 증가는 바이오 기반 폴리우레탄 산업의 성장을 견인할 것이다.

◇ 기술적 현황 및 산업 적용

바이오 폴리올은 기존 폴리우레탄 제조 라인과 호환성이 높아 단기적으로 산업 적용이 용이하며, 자동차와 가구 분야에서 경량화·친환경성 우위를 제공한다. 제조 비용과 바이오매스 확보, 공정 최적화가 추가적으로 개선되면, 바이오 폴리우레탄은 석유 기반 제품을 본격적으로 대체할 수 있는 전망이 밝다. 옥수수, 대두, 카놀라 등 다양한 원료에 대한 폴리올 개발이 활발하게 이루어지고 있으며, 생산 과정에서의 에너지 사용량 감소 효과도 보고되고 있다.

◇ 전망 및 한계

친환경적 장점과 지속 가능성 측면에서 바이오 폴리올 기반 폴리우레탄은 규제 대응, ESG 경영, 소비자 트렌드 등에 힘입어 앞으로 높은 시장 확대가 이루어질 것으로 기대된다. 발전 속도와 적용 분야 다양성에 따라, 향후 10년간 석유계 폴리올의 대체율이 점진적으로 증가할 전망이다. 또한, 바이오 폴리올은 OH기 종류와 분포·점도·극성 차이 때문에 공정에 있어서 최적화가 필요하다. 또한, 작물, 유래 원료 특성상 가격과 수급 변동성이 존재하기 때문에 물성 균일성, 원료 가격 변동, 대량 생산 시스템 확보는 상업적 확산 전 해결해야 할 과제다.

특허 출원 내용

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