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2023년 12월 20일 (수) 01:50 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 저비용으로 양질의 PO3G를 얻을 수 있게 되면서 환경적, 상업적으로 우수한 물질로써 각광받고 있다. PO3G가 사용된 폴리우레탄 필름이 우수한 형상기억 능력 및 열적, 기계적 특성을 지니고 있다면 향후 폴리우레탄 기반 사업에 큰 패러다임의 변화를 가져올 것으로 기대된다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 형상 기억 폴리우레탄 (SMPU) 엘라스토머는 스마트 재료의 한 종류로, 온도나 외부 환경 조건에 따라 모양이 바뀔 수 있는 특성을 가지고 있다. 이러한 특성은 산업적으로 범용성이 넓게 활용될 수 있기에, 형상기억 효과 (SME)를 향상시키고 보다 적합한 물성을 가진 SMPU를 합성하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이러한 SMPU는 이소시아네이트와 폴리올 및 가교제가 반응하여 합성되는데, 이때 이소시아네이트와 폴리올이 우레탄 결합을 형성하게 된다. 이처럼 우레탄 결합을 형성하는 이소시아네이트와 폴리올에는 여러 물질들이 연구대상으로 선정되었고 그러한 물질들의 종류에 따라 각각 다른 물성을 보이는 것으로 확인되었다. 본 연구는 새롭게 개발된 제조방식을 통해 얻어진 PO3G를 이용한 폴리우레탄 필름의 특성을 파악하고 해당 필름이 기존의 폴리우레탄을 대체할 수 있을 것인지에 대해 검증해보는 것이 궁극적인 목표라고 할 수 있다.

◇ 본 연구에서 주목하는 폴리올인 PO3G는 낮은 점도 및 녹는점으로 인해 우수한 공정 효율성이 장점이다. 게다가 100% Bio-based 친환경 소재이기 때문에 기존 화학유래 물질 대비 Environmental footprint를 감소시킬 수 있다는 점 역시 장점으로 가지고 있다. 이러한 장점을 기반으로 하는 소재이기 때문에 PO3G를 이용하여 SMPU를 합성하는데 성공하고 이에 대한 형상기억성능을 측정하여 분석할 수 있다면 그것만으로도 기존의 SMPU 분야에 기여할 수 있는 바가 적지 않을 것으로 예상된다.

◇ 우수한 물성의 SMPU는 elongation, tensile stress와 같은 기계적 물성과 recovery ratio 등의 형상기억 능력이 뛰어나야 하고, 더 나아가 산업 목적에 따라 내열성, 인체 적합성을 추가적으로 요구한다. 이를 만족하기 위해서는 폴리우레탄(PU)을 구성하는 재료 선정이 중요하다고 볼 수 있다. 따라서 본 연구는 우레탄 결합을 형성하는 물질 중 하나인 폴리올에 집중하여 진행될 것이다. 대상이 되는 폴리올을 선정하는 부분에 있어서 앞서 언급한 궁극적인 목표에 맞도록 SK케미칼의 PO3G를 직접 이용할 수 있었다면 가장 효과적이었겠으나 여건상의 문제로 PO3G와 유사한 형태의 폴리올인 PEG와 PTMEG를 혼합하여 사용해봄으로써 PO3G를 사용했을 때의 경향을 추측해보는 방식으로 진행되었다.

◇ 해당 폴리올들이 사용된 선행연구들을 참고하여 적절한 방법으로 SMPU를 제조한 뒤 DMA로 SME를 확인하고 UTM으로 기계적 물성을 비교하며, DSC로 열적 특성을 분석하여 형상기억 능력이 어떻게 나타나는지에 대해 알아보고자 한다. 또한, 성능 향상의 원인은 FTIR, UV-Vis, XRD, AFM을 통해 구성을 분석하여 확인할 것이다. 결론적으로 본 연구는 각 폴리올에 따라 합성된 SMPU에서 어떠한 물성이 나타나는지 측정할 것이며 최종적으로 이를 비교하고 분석할 것이다.

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 목표 및 내용====
-◇ 형상 기억 폴리우레탄 (SMPU) 엘라스토머는 스마트 재료의 한 종류로, 온도나 외부 환경 조건에 따라 모양이 바뀔 수 있는 특성을 가지고 있다. 이러한 특성은 산업적으로 범용성이 넓게 활용될 수 있기에, 형상기억 효과 (SME)를 향상시키고 보다 적합한 물성을 가진 SMPU를 합성하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 SMPU는 이소시아네이트와 폴리올 및 가교제가 반응하여 합성되는데, 이때 이소시아네이트와 폴리올이 우레탄 결합을 형성하게 된다. 이처럼 우레탄 결합을 형성하는 이소시아네이트와 폴리올에는 여러 물질들이 연구대상으로 선정되었고 그러한 물질들의 종류에 따라 각각 다른 물성을 보이는 것으로 확인되었다. 본 연구에서는 기존에 활발히 이용된 PEG와 PTMEG뿐만 아니라 PO3G라는 폴리올까지 활용하여 SMPU 합성을 진행할 예정이다. 더불어 합성된 SMPU의 물성을 측정하여 비교하고 적합한 물성을 지닌 SMPU를 선정하는 것이 이번 개발 과제의 목표이다.
+◇ 형상 기억 폴리우레탄 (SMPU) 엘라스토머는 스마트 재료의 한 종류로, 온도나 외부 환경 조건에 따라 모양이 바뀔 수 있는 특성을 가지고 있다. 이러한 특성은 산업적으로 범용성이 넓게 활용될 수 있기에, 형상기억 효과 (SME)를 향상시키고 보다 적합한 물성을 가진 SMPU를 합성하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이러한 SMPU는 이소시아네이트와 폴리올 및 가교제가 반응하여 합성되는데, 이때 이소시아네이트와 폴리올이 우레탄 결합을 형성하게 된다. 이처럼 우레탄 결합을 형성하는 이소시아네이트와 폴리올에는 여러 물질들이 연구대상으로 선정되었고 그러한 물질들의 종류에 따라 각각 다른 물성을 보이는 것으로 확인되었다. 본 연구는 새롭게 개발된 제조방식을 통해 얻어진 PO3G를 이용한 폴리우레탄 필름의 특성을 파악하고 해당 필름이 기존의 폴리우레탄을 대체할 수 있을 것인지에 대해 검증해보는 것이 궁극적인 목표라고 할 수 있다.
 ◇ 본 연구에서 주목하는 폴리올인 PO3G는 낮은 점도 및 녹는점으로 인해 우수한 공정 효율성이 장점이다. 게다가 100% Bio-based 친환경 소재이기 때문에 기존 화학유래 물질 대비 Environmental footprint를 감소시킬 수 있다는 점 역시 장점으로 가지고 있다. 이러한 장점을 기반으로 하는 소재이기 때문에 PO3G를 이용하여 SMPU를 합성하는데 성공하고 이에 대한 형상기억성능을 측정하여 분석할 수 있다면 그것만으로도 기존의 SMPU 분야에 기여할 수 있는 바가 적지 않을 것으로 예상된다.
-◇ 우수한 물성의 SMPU는 elongation, tensile stress와 같은 기계적 물성과 recovery ratio 등의 형상기억 능력이 뛰어나야 하고, 더 나아가 산업 목적에 따라 내열성, 인체 적합성을 추가적으로 요구한다. 이를 만족하기 위해서는 폴리우레탄(PU)을 구성하는 재료 선정이 중요하다고 볼 수 있다. 따라서 본 연구는 우레탄 결합을 형성하는 물질 중 하나인 폴리올에 집중하여 진행될 것이다. 대상이 되는 폴리올은 앞서 개발 과제의 목표에서 언급했듯이 PEG, PTMEG에 더불어 PO3G가 될 것이며 이들은 구조적으로 상당히 유사하지만 각 폴리머의 반복단위에서 탄소원자(C)의 개수가 다르다는 차이점이 있다. 이러한 차이가 합성된 SMPU의 형상기억성능과 물성에 영향을 미칠 것으로 보인다.
+◇ 우수한 물성의 SMPU는 elongation, tensile stress와 같은 기계적 물성과 recovery ratio 등의 형상기억 능력이 뛰어나야 하고, 더 나아가 산업 목적에 따라 내열성, 인체 적합성을 추가적으로 요구한다. 이를 만족하기 위해서는 폴리우레탄(PU)을 구성하는 재료 선정이 중요하다고 볼 수 있다. 따라서 본 연구는 우레탄 결합을 형성하는 물질 중 하나인 폴리올에 집중하여 진행될 것이다. 대상이 되는 폴리올을 선정하는 부분에 있어서 앞서 언급한 궁극적인 목표에 맞도록 SK케미칼의 PO3G를 직접 이용할 수 있었다면 가장 효과적이었겠으나 여건상의 문제로 PO3G와 유사한 형태의 폴리올인 PEG와 PTMEG를 혼합하여 사용해봄으로써 PO3G를 사용했을 때의 경향을 추측해보는 방식으로 진행되었다.
 ◇ 해당 폴리올들이 사용된 선행연구들을 참고하여 적절한 방법으로 SMPU를 제조한 뒤 DMA로 SME를 확인하고 UTM으로 기계적 물성을 비교하며, DSC로 열적 특성을 분석하여 형상기억 능력이 어떻게 나타나는지에 대해 알아보고자 한다. 또한, 성능 향상의 원인은 FTIR, UV-Vis, XRD, AFM을 통해 구성을 분석하여 확인할 것이다. 결론적으로 본 연구는 각 폴리올에 따라 합성된 SMPU에서 어떠한 물성이 나타나는지 측정할 것이며 최종적으로 이를 비교하고 분석할 것이다.