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  • 기사등록 2021-07-30 16:36:42
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▲ 2019년 7월 일본 수출규제 발표 이후 2년이 지난 이 시점에 국내 연구진이 일본기업에서 독과점하고 있는 고내열 투명 고분자 핵심소재 개발에 성공했다. (사진) 기존보다 2배 이상 잘 늘어나는 환형올레핀 고분자 소재를 개발한 연구팀. 우로부터 한국화학연구원 김용석 고기능고분자연구센터장, 김은채 학생연구원, 박성민 선임연구원



[기계신문] 한국화학연구원 고기능고분자연구센터 김용석·박성민 박사 연구팀이 기존보다 늘어나는 성질이 2배 이상 향상된 환형올레핀 기반의 고내열 투명 고분자 소재를 개발했다.


환형올레핀 고분자 소재는 디스플레이, 5G 및 IoT 미래 정보전자 재료의 핵심소재 중 하나로, 산업적 중요성과 다양한 응용 확장 가능성을 가지고 있다. 하지만 대부분의 상용화된 환형올레핀계 고분자 소재는 엄격한 기술보안 하에 일본기업에 의해 개발되었고, 국내 수요는 일본 수입에 의존하고 있어, 자체적인 기술 개발이 절실한 상황이었다.


현재 환형올레핀계 고분자 글로벌 시장의 크기는 1조원 이상의 가치로 추정되며 연평균 3%의 성장률을 가진 유망한 고분자소재 분야이다. 또한 향후 정보전자 분야뿐만 아니라 의료기기, 패키징 시장 등에서도 응용이 확대될 것으로 전망된다.


이번 기술 개발로 소재 분야 관련 국내 기업과의 적극적인 협업을 통해 국내 개발이 가속화될 것으로 전망된다.



▲ 기존 개발된 환형올레핀 고분자보다 2배 이상 잘 늘어나는 고분자 소재로 제작된 필름



환형올레핀 고분자 소재는 노보넨 계열 단량체로 제조되는 고분자 플라스틱의 일종이다. 다른 고분자 소재 대비 수분을 덜 흡수하고, 유전율이 매우 낮아 디스플레이용 기판 및 5G 기판 등의 미래정보 전자 소재로도 활용이 가능하다는 장점이 있다. 또한 기계적 강도, 투명도와 내열성 등의 물성이 우수한 소재이다.


하지만 필름화 공정이 어렵고 신축성이 부족한 점은 환형올레핀 고분자 소재의 응용확대를 위해 극복해야 하는 문제이다. 특히, 휘거나 접을 수 있는 정보·전자재료로 활용하기 위해서는 연신율 개선 기술이 필수적이다. 일본에서도 개발을 위해 공을 들이고 있는 핵심 기술이기도 하다.


이에 연구팀은 노보넨 계열 단량체에 새로운 촉매시스템을 적용하여 성공적으로 환형올레핀 고분자 소재를 중합하였다.


환형올레핀 고분자에 포함된 단량체 함량에 따라 소재 가공온도에 영향을 주는 고분자 유리전이온도를 92℃부터 192℃까지 자유롭게 조절하였다. 또한 용매에 녹이거나 가열하는 공정을 통해 손쉽게 필름을 제조할 수 있었다.



▲ 탄화수소 사슬 길이와 단량체 조성 제어로 우수한 연신성을 갖는 고내열 투명 환형올레핀 고분자. 단량체 가지사슬의 내부가소화 효과를 통한 고분자 사슬 운동성 증가 및 구조 배향 도움을 통한 연신성 증가를 포항가속기연구소의 광각 X-선 산란을 통해 규명했다.



또한 연신율을 ’4~245%‘ 범위까지 제어해 기존 대비 최고 2배 이상 늘어나는 물성을 확보하여 쉽게 부러지는 종래의 노보넨계 환형올레핀 고분자 소재의 단점을 극복하였다. 이는 포항가속기 연구소의 광각 X-선 산란(WAXS) 분석을 통해 연신율 증가를 구조적으로 규명하였다.


한국화학연구원 이미혜 원장은 “이번 성과가 환형올레핀 고분자 개발의 핵심기술을 확보하고 소재에 대한 원천적인 이해도를 높여, 일본 소재에 대한 의존을 줄이고 관련 소재·부품·장비 산업 경쟁력 향상을 가져올 수 있을 것으로 기대한다”고 전했다.



▲ Macromolecules 7월 표지논문 이미지



한편, 한국화학연구원 주요사업 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 고분자 분야의 국제학술지 매크로몰레큘즈 (Macromolecules) 7월호 표지논문으로 게재됐다.


기계신문, 기계산업 뉴스채널

오상미 기자 osm@mtnews.net

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