값싼 황 폐기물로 적외선 투과 렌즈 소재 만든다

화학연 김동균 박사, 한양대 위정재 교수, 충남대 이경진 교수 공동 연구팀

어드밴드스 옵티컬 머티리얼즈 2023년 3월호 표지논문에 선정된 화학연의 역가황 고분자 소재 연구 결과. /화학연

국내 연구진이 1㎏에 200원 정도에 불과한 황 폐기물로 고부가가치 적외선 투과 렌즈 소재를 만드는 데 성공했다. 황 폐기물은 원유 정제과정에서 대량으로 발생하는 부산물이어서 실제 상용화로 이어지면 많은 부가가치를 창출할 수 있을 것으로 보인다.

한국화학연구원은 김동균 박사와 한양대학교 위정재 교수, 충남대학교 이경진 교수 공동 연구팀이 적외선 광학 분야에 응용될 수 있는 높은 강성의 적외선 투과 역가황 고분자 소재를 개발했다고 12일 밝혔다. 역가황 반응은 많은 양의 유기 고분자 사슬에 적은 양의 황을 섞어 고무 소재를 만드는 일반적인 방법과는 반대로 많은 양의 황에 적은 양의 유기물을 섞는 방법을 말한다.

적외선 투과 광학 소재는 눈에 보이지 않는 적외선을 통과시키는 소재로, 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 셀렌화 아연(ZnSe), 저마늄(Ge), 칼코게나이드 유리 등의 ‘무기물 기반’ 소재다. 원재료가 비싸고 소재를 렌즈로 가공하기도 어려워서 적외선 투과 렌즈가 장착된 장비는 대부분 고가다.

연구팀은 값싼 황 폐기물을 이용해 적외선 투과 렌즈 소재를 만드는 방법을 찾았다. 전세계적으로 원유 정제과정에서 연간 7000만t 가량의 황 부산물이 발생하지만, 마땅한 처리 방법이 아직까지 없다. 국내에서는 황 폐기물 대부분을 중국에 수출하고 있다.

전 세계 연구진이 황 폐기물을 활용한 다양한 역가황 고분자 신소재 개발에 나서고 있지만, 황이 다량으로 포함된 소재는 온도가 조금만 높아져도 말랑말랑해지는 특성 탓에 쉽지가 않았다. 연구팀은 황에 ‘TVB 가교제’를 첨가하는 방식으로 신소재를 만드는 데 성공했다. TVB 가교제는 서로 다른 선형 고분자 사슬 사이를 연결하는 화학 결합반응을 유도하는 물질로 그물과 같은 망상 구조를 형성한다.

역가황 고분자 합성에 사용된 TVB 가교제는 황과의 반응을 통해 선형 황 고분자 사슬의 가교역할을 할 뿐만 아니라 스스로 가교됨으로써, 나노스케일에서 상대적으로 황 함량이 높은 영역과 TVB 가교제 함량이 높은 영역으로 미세 상분리된 구조를 유도할 수 있다. 황 함량이 높은 영역은 높은 적외선 투과도에 기여하고, 자가 가교된 TVB 함량이 높은 영역은 열·기계적 물성 향상에 기여함으로써, 적외선 열화상 이미징용 렌즈 소재로 활용될 수 있다. /화학연

이렇게 만든 황 함량 80%의 고분자 신소재를 테스트한 결과, 1.1㎜ 두께의 필름으로 제조 시 기존 황 함유 고분자 소재와 비슷한 수준의 적외선 투과도를 보였다. 기존 황 함유 고분자 소재의 문제였던 강성도 해결했다. 개발된 신소재를 몰드에 넣어 고온에서 압축 성형하게 되면 깨끗한 필름을 얻을 수 있었다.

이영국 화학연 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”고 말했다.

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

참고자료

Advanced Optical Materials, DOI : https://doi.org/10.1002/adom.202202432

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