"고분자비빔밥"의 두 판 사이의 차이

2023년 12월 20일 (수) 01:45 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 형상기억 탄성체 성능 최대화를 위한 고분자 사슬 패턴 비교

영문 : Effect of polymer chain pattern on shape memory elastomer performance

과제 팀명

고분자비빔밥

지도교수

김정현 교수님

개발기간

2023년 9월 ~ 2023년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학과 20183400** 이*헌(팀장)

서울시립대학교 화학공학과 20183400** 이*수

서울시립대학교 화학공학과 20183400** 장*선

서울시립대학교 화학공학과 20183400** 최*흔

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 폴리우레탄의 수요증가와 탄소배출 및 환경 문제에 따른 기술 연구 개발의 필요성 증가

◇ 물성이 뛰어나며 친환경적인 PO3G로 유도된 폴리우레탄의 형상기억능력 확인을 통해 기존 폴리우레탄 제품의 대체재로 가용 가능한지 확인

◇ 실험 방법 및 계획 설립

◇ 데이터 분석 · 정리를 통한 최적의 재료 비율 발견 및 형상기억능력 확인, 결론 도출

개발 과제의 배경

◇ 현대에 이르러 고분자 물질은 주변에서 쉽게 볼 수 있는 섬유, 생활용품, 가전제품부터 보다 윤택한 삶을 영위할 수 있는 주거 공간 및 교통 수단등 다양한 분야에 이용 되고 있으며 4D 프린팅, 우주 항공 분야, 의료 분야 등 차세대 기술로서도 각광 받고 있다. 이러한 혁신적인 고분자 중 특히 1937년 개발된 폴리 우레탄은 발전을 거듭하였으며, 우수한 가공성, 경량성, 경제성 등의 장점을 바탕으로 현재 각 산업분야에 광범위하게 사용되고 있다. 폴리우레탄에 대한 수요와 공급은 시간이 지남에 따라 상승하고 있는데, 실제 폴리우레탄 시장 규모 또한 2022년부터 2029년까지 연평균 5.3% 성장하고, 2020년 550억 달러에서 2029년 875억 4000만 달러 이상에 이를 것으로 예상된다.

◇ 크게 성장하는 폴리우레탄 시장에서도 특히 형상기억 폴리우레탄(shape momory polyurethane, SMPU)은 굉장히 다양한 분야에 활용될 수 있는 잠재력이 있다. SMPU는 빛, 열, 자력, 전기, 그리고 습도 등과 같은 외부 자극에 의해 그 형상을 제어할 수 있어, 항공우주 엔지니어링, 생체 의학 장치, 플랙시블 전자장치, 연조직 로봇, 형상 기억 기판, 4D 프린팅 같은 분야들에 활용될 수 있다. 그 중에서도 특히 항공우주 분야에서는 가벼운 무게와 제어가 가능하다는 특징을 통해 전압 제어 힌지와 안테나의 반사경과 같이 펼쳐지는 소자에 활용될 수 있다. 또한, 생물학적 적합성을 활용하여 생체 의학 분야에서는 임플란트 임상소자나 스텐트로 응용한 연구 사례가 존재한다.

◇ 많은 장점을 지닌 폴리우레탄은 우수한 성능과 달리 환경적 문제를 지니고 있는데, 일반적으로 폴리우레탄 제조에 필수적으로 사용되는 폴리올의 경우 석유화학 기반으로 추출되기 때문에, 제조 공정에서 많은 온실가스가 배출된다. 또한 폴리우레탄은 폐기시에도 소각으로 인한 문제가 발생하는데, 특히 최근 중국, 동남아, 호주 지역 등은 폐우레탄폼 소각에 따른 환경 오염 문제가 대두되고 있다. 이 중 냉장고 단열재 제조에 사용되는 우레탄폼은 아시아 지역만 2014년 기준 120만톤에 해당되고, 국내 폴리우레탄 폐기물은 아래의 table 1에서 볼 수 있는 것과 같이 그 발생량이 2018년 기준 36,000여톤에 달하며 전부 소각처리 하고 있다.

◇ 한편, 대한민국은 2050 탄소중립을 선언하였으나, 기후변화 대응 측면에서는 여전히 G20 평균에 못 미친다는 평가를 내린 보고서가 제출됐다. 또한 보고서에 따르면, 한국의 온실가스 배출 수준은 G20 평균의 2배에 육박하는 수치를 기록했으며, 재생에너지 발전 비중은 G20 평균의 5분의 1 수준이었다. 또한 한국의 2030년 탄소 배출량 목표는 “매우 불충분”하며, G20에서 4번쨰로 큰 규모로 화석 연료에 투자 중이다. 세계적으로 온실가스 배출에 대한 관심이 집중되며 목소리가 커지는 와중 국내의 온실가스 배출량은 개선의 여지가 많이 필요한 상황이다.

◇ 국내의 탄소 배출 감량에 대한 요구가 커지는 가운데, 폴리우레탄 생산에 관련해서도 온실가스 감축이 이루어지고 있다. 특히 최근 SK케미칼이 양산에 돌입한 PO3G(Polytrimethylene ehter glycol)는 식물을 원료로 발효해 만든 100% 바이오 기반의 친환경 소재로 기존 석유화학을 대체할 수 있게끔 하였으며 탄소배출을 40% 감축할 것으로 예상된다. PO3G는 폴리우레탄의 제조에 필수적인 폴리올 중 하나로, 최근 많은 연구를 통해 PO3G로 유도된 폴리우레탄의 우수성이 입증 되었으나 제조방식의 열악함으로 인해 그간 기존의 폴리올 PEG 및 PTMEG등의 폴리올의 대체재로써 사용되는데 한계가 있었다. 하지만 최근 SK케미칼의 새로운 제조방법의 개발로 저비용에 양질의 PO3G를 얻을 수 있게 되면서 환경적, 상업적으로 우수한 물질로써 각광받고 있다. 따라서 본 연구 조는 새롭게 개발된 제조방식을 통해 얻어진 PO3G를 이용하여 폴리우레탄 필름을 효과적으로 제조하는것에 1차 목표를 두고 있으며, 다음으로 이를 통해 만들어진 폴리우레탄 탄성체가 기존의 폴리우레탄 필름을 충분히 대체하면서 형상기억능력, 열적, 기계적 특성을 지니고 있는지 분석하는 것이 최종 목표이다. 만일 PO3G로 제조한 폴리우레탄 필름이 우수한 형상기억 능력을 지니고 있다면, 앞으로의 형상기억 폴리우레탄 기반 사업에 큰 패러다임의 변화를 가져올 것으로 기대된다.

개발 과제의 목표 및 내용

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

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용

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 ====개발 과제의 배경====
-내용
+◇ 현대에 이르러 고분자 물질은 주변에서 쉽게 볼 수 있는 섬유, 생활용품, 가전제품부터 보다 윤택한 삶을 영위할 수 있는 주거 공간 및 교통 수단등 다양한 분야에 이용 되고 있으며 4D 프린팅, 우주 항공 분야, 의료 분야 등 차세대 기술로서도 각광 받고 있다. 이러한 혁신적인 고분자 중 특히 1937년 개발된 폴리 우레탄은 발전을 거듭하였으며, 우수한 가공성, 경량성, 경제성 등의 장점을 바탕으로 현재 각 산업분야에 광범위하게 사용되고 있다. 폴리우레탄에 대한 수요와 공급은 시간이 지남에 따라 상승하고 있는데, 실제 폴리우레탄 시장 규모 또한 2022년부터 2029년까지 연평균 5.3% 성장하고, 2020년 550억 달러에서 2029년 875억 4000만 달러 이상에 이를 것으로 예상된다.
+◇ 크게 성장하는 폴리우레탄 시장에서도 특히 형상기억 폴리우레탄(shape momory polyurethane, SMPU)은 굉장히 다양한 분야에 활용될 수 있는 잠재력이 있다. SMPU는 빛, 열, 자력, 전기, 그리고 습도 등과 같은 외부 자극에 의해 그 형상을 제어할 수 있어, 항공우주 엔지니어링, 생체 의학 장치, 플랙시블 전자장치, 연조직 로봇, 형상 기억 기판, 4D 프린팅 같은 분야들에 활용될 수 있다. 그 중에서도 특히 항공우주 분야에서는 가벼운 무게와 제어가 가능하다는 특징을 통해 전압 제어 힌지와 안테나의 반사경과 같이 펼쳐지는 소자에 활용될 수 있다. 또한, 생물학적 적합성을 활용하여 생체 의학 분야에서는 임플란트 임상소자나 스텐트로 응용한 연구 사례가 존재한다.
+ ◇ 많은 장점을 지닌 폴리우레탄은 우수한 성능과 달리 환경적 문제를 지니고 있는데, 일반적으로 폴리우레탄 제조에 필수적으로 사용되는 폴리올의 경우 석유화학 기반으로 추출되기 때문에, 제조 공정에서 많은 온실가스가 배출된다. 또한 폴리우레탄은 폐기시에도 소각으로 인한 문제가 발생하는데, 특히 최근 중국, 동남아, 호주 지역 등은 폐우레탄폼 소각에 따른 환경 오염 문제가 대두되고 있다. 이 중 냉장고 단열재 제조에 사용되는 우레탄폼은 아시아 지역만 2014년 기준 120만톤에 해당되고, 국내 폴리우레탄 폐기물은 아래의 table 1에서 볼 수 있는 것과 같이 그 발생량이 2018년 기준 36,000여톤에 달하며 전부 소각처리 하고 있다.
+◇ 한편, 대한민국은 2050 탄소중립을 선언하였으나, 기후변화 대응 측면에서는 여전히 G20 평균에 못 미친다는 평가를 내린 보고서가 제출됐다. 또한 보고서에 따르면, 한국의 온실가스 배출 수준은 G20 평균의 2배에 육박하는 수치를 기록했으며, 재생에너지 발전 비중은 G20 평균의 5분의 1 수준이었다. 또한 한국의 2030년 탄소 배출량 목표는 “매우 불충분”하며, G20에서 4번쨰로 큰 규모로 화석 연료에 투자 중이다. 세계적으로 온실가스 배출에 대한 관심이 집중되며 목소리가 커지는 와중 국내의 온실가스 배출량은 개선의 여지가 많이 필요한 상황이다.
+◇ 국내의 탄소 배출 감량에 대한 요구가 커지는 가운데, 폴리우레탄 생산에 관련해서도 온실가스 감축이 이루어지고 있다. 특히 최근 SK케미칼이 양산에 돌입한 PO3G(Polytrimethylene ehter glycol)는 식물을 원료로 발효해 만든 100% 바이오 기반의 친환경 소재로 기존 석유화학을 대체할 수 있게끔 하였으며 탄소배출을 40% 감축할 것으로 예상된다. PO3G는 폴리우레탄의 제조에 필수적인 폴리올 중 하나로, 최근 많은 연구를 통해 PO3G로 유도된 폴리우레탄의 우수성이 입증 되었으나 제조방식의 열악함으로 인해 그간 기존의 폴리올 PEG 및 PTMEG등의 폴리올의 대체재로써 사용되는데 한계가 있었다. 하지만 최근 SK케미칼의 새로운 제조방법의 개발로 저비용에 양질의 PO3G를 얻을 수 있게 되면서 환경적, 상업적으로 우수한 물질로써 각광받고 있다. 따라서 본 연구 조는 새롭게 개발된 제조방식을 통해 얻어진 PO3G를 이용하여 폴리우레탄 필름을 효과적으로 제조하는것에 1차 목표를 두고 있으며, 다음으로 이를 통해 만들어진 폴리우레탄 탄성체가 기존의 폴리우레탄 필름을 충분히 대체하면서 형상기억능력, 열적, 기계적 특성을 지니고 있는지 분석하는 것이 최종 목표이다. 만일 PO3G로 제조한 폴리우레탄 필름이 우수한 형상기억 능력을 지니고 있다면, 앞으로의 형상기억 폴리우레탄 기반 사업에 큰 패러다임의 변화를 가져올 것으로 기대된다.
 ====개발 과제의 목표 및 내용====
 내용