‘1㎏당 200원’ 황 폐기물로 적외선 투과 렌즈 소재 만든다

화학연-충남대-한양대, 고강성·고투과 적외선 렌즈용 소재 개발

고강성·고투과 역가황 고분자 소재 합성 과정(공동연구팀 제공)

(대전ㆍ충남=뉴스1) 김태진 기자 = 국내 연구진이 1㎏당 200원짜리 값싼 황 폐기물로 고부가가치 '적외선 투과 고분자 렌즈' 신소재를 개발했다.

이 신소재는 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.

한국화학연구원(KRICT)은 김동균 박사가 충남대 이경진 박사, 한양대 위정재 교수 공동연구팀을 구성해 다양한 적외선 광학 분야에 응용될 수 있는 높은 강성의 적외선 투과 역가황 고분자 소재를 개발했다고 12일 밝혔다.

적외선 투과 광학 소재는 눈에 보이지 않는 적외선을 통과시키는 소재로, 코로나19로 인한 발열을 체크할 수 있는 열화상 카메라 렌즈나 인체감지 적외선 조명 센서 시스템 등 다양한 분야에 활용되고 있다.

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 경우 황의 비중을 높이면 투과도가 상승하지만 유연한 물성으로 인해 강도가 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 하나 당 황 고분자 사슬 여러 개가 묶였다면 ‘TVB 가교제’는 가교제끼리 스스로 단단하게 연결되고 유연한 성질의 황 고분자 사슬이 그 주위에 연결돼 미세 상분리 구조의 역가황 고분자 소재를 합성할 수 있었다.

개발된 황 함량 80%의 고분자 신소재는 테스트 결과 1.1㎜ 두께의 필름으로 제조 시 기존에 보고된 황 함유 고분자 소재와 유사하거나 조금 더 높은 수준의 우수한 적외선 투과도를 나타냈다.

또 무려 80°C가량 향상된 92.6°C 수준으로 유리 전이온도가 매우 높아 상온에서 안경 렌즈와 유사한 수준인 2GPa(기가파스칼)가량의 우수한 기계적 강성을 보였다.

이 신소재를 몰드에 넣어 고온에서 압축 성형하면 깨끗한 필름을 얻을 수 있으며, 사용 중 부서진 소재도 동일 공정을 통해 원래의 상태로 되돌려 재활용할 수 있다.

이 기술은 광학 소재·부품 관련 기업과의 적극적인 협업을 통해 경제성 있는 적외선 광학용 역가황 고분자 실용화를 위한 핵심기술을 선점할 수 있을 것으로 전망된다.

이영국 한국화학연구원 원장은 “값싼 황 폐기물로부터 고부가가치 고 황 함유량 고분자 소재를 합성하는 플랫폼 기술을 개발했다”며 “이미징 기술뿐만 아니라 전기·전자, 에너지 등 응용 분야에 폭넓게 활용될 수 있길 기대한다"고 말했다.

한국화학연구원 기본사업, 과학기술정보통신부 미래기술연구실 사업, 산업통상자원부 소재부품기술개발사업, 소재융합혁신 기술개발사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구의 결과는 과학기술 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 옵티컬 머티리얼스’ 3월호 표지논문으로 게재됐다.

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