폼연구소

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)

• 전 세계적인 기술현황

내용

• 특허조사 및 특허 전략 분석

내용

• 기술 로드맵

내용

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

내용

• 마케팅 전략 제시

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

내용

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

관련사업비 내역서

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용