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1kg에 200원짜리 값싼 황 폐기물로
고부가가치 적외선 투과 렌즈 소재를 만든다

화학소재연구본부

미세상분리 구조의 역가황 고분자 소재 기술을 개발한 한국화학연구원 연구팀 (좌)김동균 책임연구원, (우)황재혁 학생연구원

대한민국 원유정제 기술이 세계 5위권에 드는 가운데, 국내 연구진이 원유 정제과정에서 대량으로 발생하는 부산물인 값싼 황 폐기물을 활용하여 고부가가치 적외선 투과 고분자 렌즈 신소재를 개발하는데 성공했다.

화학연 김동균 박사, 한양대학교 위정재 교수, 충남대학교 이경진 교수 공동 연구팀은 최근 발표된 연구에서 다양한 적외선 광학 분야에 응용될 수 있는 높은 강성의 적외선 투과 역가황 고분자 소재를 개발했다.

연구팀이 개발한 고강성·고투과 역가황 고분자 소재는 향후 후속 연구 및 상업화 연구를 통해 자율주행 나이트비전, 스마트 가전·센서 시스템, 의료·진단용 열감지 카메라, 군수용 야간 감시 카메라 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

적외선 투과 광학 소재는 눈에 보이지 않는 적외선을 통과시키는 소재로써, 코로나 19로 인한 발열을 체크할 수 있는 열화상 카메라 렌즈나 인체감지 적외선 조명 센서 시스템 등 다양한 분야에 활용되고 있다.

현재 적외선 투과 광학 소재의 제조에 사용되는 소재들은 모두 셀렌화 아연(ZnSe), 저마늄(Ge), 칼코게나이드 유리 등의 ‘무기물 기반’ 소재로써, 주요 원재료가 비싸고 소재를 렌즈로 가공하기도 어려워 적외선 투과 렌즈가 장착된 장비는 대부분 상당한 고가의 제품이다.

한편, 전세계적으로 원유 정제과정에서 연간 7천만 톤 가량의 황 부산물이 발생하지만, 황산, 비료, 화약 등으로 활용 후의 잔여 황 폐기물에 대한 마땅한 처리 방법이 없는 상황이다. 국내의 경우, 황 폐기물 대부분을 중국에 수출하지만, 중국 정유산업 발달로 중국 내 황 폐기물 발생량이 점점 증가하여, 이마저도 무한한 해결책은 될 수 없다.

따라서 전 세계 연구진이 황 폐기물을 활용한 다양한 역가황 고분자 신소재 개발에 나섰으나, 황이 다량 포함된 소재들은 온도가 조금만 높아져도 말랑말랑해지는 특유의 물성 탓에 번번이 상용화 문턱을 넘지 못했다. 특히, 높은 적외선 투과 특성을 갖는 역가황 고분자 소재의 경우도, 황의 비중을 높이면 ①투과도가 상승하지만, 유연한 물성으로 인해 ②강도가 낮아지는 ‘상충관계’를 극복하지 못해 광학 부품에 적용하기 어려운 단점이 있다.

이에 공동 연구팀은 황에 ‘TVB 가교제’를 첨가하는 방식으로, 나노 스케일에서 상대적으로 황 함량이 높은 영역과 TVB 가교제 함량이 높은 영역으로 미세 상분리된 구조의 ‘역가황 고분자 신소재’를 합성했다.

기존의 가교제는 가교제끼리 스스로 단단하게 연결되지 못하고 가교제 하나당 황 고분자 사슬 여러 개가 묶였다면, ‘TVB 가교제’는 가교제끼리 스스로 단단하게 연결되고 유연한 성질의 황 고분자 사슬이 그 주위에 연결되어, 미세 상분리 구조의 역가황 고분자 소재를 합성할 수 있었다.

개발된 황 함량 80%의 고분자 신소재를 테스트한 결과, 1.1mm 두께의 필름으로 제조 시 기존에 보고된 황 함유 고분자 소재와 ①유사하거나 조금 더 높은 수준의 우수한 적외선 투과도를 보인다. 그리고 ②무려 80°C 가량 향상된 92.6°C 수준으로 유리 전이온도가 매우 높아, 상온에서 안경 렌즈와 유사한 수준인 2기가파스칼(GPa) 가량의 우수한 기계적 강성를 보였다.

또한, 개발된 신소재를 몰드에 넣어 고온에서 압축 성형하게 되면 깨끗한 필름을 얻을 수 있으며, 사용 중 부서진 소재도 동일 공정을 통해 원래의 상태로 되돌려 재활용할 수 있다. 이번 기술 개발로, 광학 소재·부품 관련 기업과의 적극적인 협업을 통해 경제성 있는 적외선 광학용 역가황 고분자 실용화를 위한 핵심기술을 선점할 수 있을 것으로 전망된다.

화학연 이영국 원장은 “이번 연구를 통해 개발한 기술은 값싼 황 폐기물로부터 고부가가치 고 황 함유량 고분자 소재를 합성하는 플랫폼 기술로, 이미징 기술뿐만 아니라 전기·전자, 에너지 등 응용분야에도 폭넓게 활용될 수 있기를 기대한다.”라고 말했다.

(좌) 어드밴스드 옵티컬 머티리얼즈 표지논문 선정 / (우) TVB 기반 역가황 고분자와 기존 역가황 고분자의 기계적 물성 차이

이번 연구결과는 과학기술 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 옵티컬 머티리얼즈(Advanced Optical Materials)’ 3월호 표지논문으로 게재됐다.

또한 이번 연구는 한국화학연구원 기본사업, 과학기술정보통신부 미래기술연구실 사업, 산업통상자원부 소재부품기술개발사업, 소재융합혁신 기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.