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[역사 속 화학사전] 코끼리를 살렸던 신소재

현대인의 일상은 플라스틱으로 가득 차 있지만, 이 놀라운 재료가 탄생한 지는 불과 160여 년밖에 되지 않았습니다. 19세기 중반 당구공의 재료인 상아를 구하기 위해 코끼리가 멸종 위기에 처하자, 이를 대체할 물질을 찾던 노력이 플라스틱 탄생의 시초가 되었습니다. 1907년 베이클랜드가 최초의 완전 합성 플라스틱인 베이클라이트를 개발하며 인류는 자연물에 의존하지 않는 대량 생산 시대를 열었습니다. 가열과 성형이 자유로운 이 소재는 전기와 자동차 산업의 폭발적인 성장을 이끌며 현대 사회의 근간을 마련했습니다. 한국화학연구원은 플라스틱으로 인한 생태계 파괴를 막기 위해 바닷속에서 분해되면서도 강도가 높은 소재나 미세 플라스틱 걱정이 없는 해양 생분해성 마이크로비즈를 개발하고 있습니다. 특히 폐플라스틱을 단순히 재사용하는 차원을 넘어, 낮은 온도에서 화학적으로 분해해 순수한 원료 단계로 되돌리는 기술은 자원 순환의 혁신을 보여줍니다. 이러한 노력은 플라스틱이 자연과 공존하며 인류에게 지속적인 편의를 제공할 수 있는 새로운 길을 열어주고 있습니다. 플라스틱의 진화는 이제 AI와 반도체, 로봇 등 첨단 산업을 이끄는 핵심 소재로 그 영역을 넓히고 있습니다. 독성 용매 대신 물을 사용하는 친환경 공정으로 제작된 고성능 폴리이미드는 차세대 반도체의 절연 보호 소재로 주목받고 있으며, 빛에 반응하여 스스로 움직이는 액정 탄성체 기반의 인공근육은 전선 없는 로봇 시대를 현실로 만들고 있습니다. 이처럼 지능형 플라스틱으로 거듭난 소재는 단순한 포장재의 역할을 넘어 인류의 미래 기술을 움직이는 핵심 동력이 될 것입니다.

한국화학연구원

화학
지구환경과학
융합
공학·기술

첨단 화학소재 개발의 선봉장, 한국화학연구원

현대 과학의 중심에는 118개의 원소를 조합하여 인류의 삶을 혁신하는 화학 기술이 자리하고 있습니다. 특히 한국화학연구원은 반도체 집적화의 한계를 극복하기 위해 원자층 증착 기술(ALD)을 선보이고 있습니다. 니켈이나 루테늄 전구체와 같은 핵심 소재를 합성하여 반도체 배선을 원자 수준에서 제어함으로써, 과거에는 불가능했던 초소형·고성능 반도체 구현을 현실화하고 있습니다. 이는 단순한 제조를 넘어 소재의 물성을 자유자재로 조절하는 새로운 차원의 공정 기술로 평가받습니다. 디스플레이와 전자회로 분야에서도 소재 국산화와 기술 혁신이 가속화되고 있습니다. 일본의 수출 규제에 대응하여 폴리이미드와 같은 핵심 부품 소재를 성공적으로 국산화한 사례는 한국 화학 산업의 저력을 보여줍니다. 또한 기존의 플라스틱 성형에 머물렀던 3D 프린팅 기술은 이제 고전도성 금속 나노입자를 활용해 전자회로를 직접 인쇄하는 수준까지 발전했습니다. 이러한 유연한 디스플레이 기술과 인쇄형 전자 소자는 기기를 접거나 구부릴 수 있는 차세대 웨어러블 시대를 앞당기는 핵심 동력이 되고 있습니다. 지속 가능한 미래를 위한 에너지 소재 연구는 태양광 발전의 패러다임을 바꾸고 있습니다. 차세대 태양전지로 주목받는 페로브스카이트 기술은 세계 최고의 효율과 안정성을 확보하며 상용화에 박차를 가하고 있습니다. 얇은 필름 형태로 제작되어 창문에 부착할 수 있는 이 기술은 도심 속 에너지 생산을 가능케 합니다. 더불어 불소계 고분자 증착 기술을 통해 외부 오염과 습기로부터 패널을 완벽하게 보호함으로써, 에너지 전환 효율을 높이는 동시에 태양광 장치의 수명을 획기적으로 연장하는 성과를 거두고 있습니다. 수소 경제와 차세대 배터리 분야 역시 화학 기술의 정수가 담긴 영역입니다. 머리카락보다 얇은 두께의 이오노머 막은 수소 생산과 전력 생산을 잇는 핵심 소재로, 청정에너지 순환의 중추적인 역할을 수행합니다. 또한 열과 전기를 상호 변환하는 열전 소재는 체온만으로 전기를 생산하는 등 에너지 활용의 범위를 넓히고 있습니다. 안전성을 극대화한 전고체 전지와 고에너지 밀도의 리튬 공기 전지 연구는 현대인의 일상에서 떼어놓을 수 없는 모바일 기기와 전기차의 성능을 한 단계 끌어올리고 있습니다. 지구 환경을 보호하기 위한 친환경 소재 개발은 인류의 생존과 직결된 중요한 과제입니다. 석유 기반 플라스틱을 대체하는 생분해성 바이오 플라스틱은 환경호르몬 걱정 없이 자연으로 돌아가는 선순환 구조를 만듭니다. 이와 함께 온도나 외부 자극에 반응하는 스마트 필름 기술은 유통 과정의 안정성을 확보하고 보안 기술로 활용되는 등 생활 밀착형 혁신을 이끌어내고 있습니다. 화학 기술은 단순히 물질을 만드는 것을 넘어 인류와 지구가 공존할 수 있는 더 나은 내일을 설계하는 열쇠가 되고 있습니다.

한국화학연구원

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[생기원 R&D] 플렉시블 디스플레이 적용 가능한 '고강도 투명 유연 광학 필름' 개발

차세대 디스플레이인 플렉시블 디스플레이 구현을 위해 고강도 투명 유연 광학 필름 개발이 핵심 과제로 떠오르고 있습니다. 현재 폴더블 스마트폰에는 울트라 씬 글래스(UTG)와 고강도 투명 유연 광학 필름이 주로 사용되지만, 사용자들이 겪는 가장 큰 불편함 중 하나는 화면이 접히는 부위에서 발생하는 주름 현상입니다. 이는 소재 자체가 요구되는 성능 임계치에 완전히 도달하지 못했거나 제품의 내부 구조가 최적화되지 않았기 때문에 발생하는 문제입니다. 과거에는 상상 속의 기술로만 여겨졌던 유연한 화면이 현실화되면서, 이를 완벽하게 구현하기 위한 소재 공학적 접근과 기판 필름의 혁신이 필수적인 상황입니다. 엔지니어링 플라스틱의 일종인 폴리이미드는 기계적 강도가 매우 뛰어나지만, 내부 사슬들이 응집체를 형성하는 과정에서 황변 현상이 발생하는 고유한 한계가 존재합니다. 이러한 특성을 극복하고자 연구팀은 입체적으로 거대한 화학 구조를 분자 사슬에 삽입하여 가시광선 영역에서의 투과도를 높이는 기술을 적용하였습니다. 특히 CF3와 같은 불소 함유 그룹을 활용해 물리적 강도는 유지하면서도 빛의 투과를 방해하는 요소를 제거하는 데 성공했습니다. 이는 광학적 선명도와 내구성을 동시에 요구하는 최신 기기의 요구 조건을 충족시키는 중요한 성과로 평가받고 있습니다. 개발된 신소재는 20만 번 이상의 반복적인 굴곡 테스트 후에도 표면 손상이 없는 뛰어난 신뢰성을 입증하여 학계의 큰 주목을 받았습니다. 이는 기존 평면 제품 대비 취약했던 폴더블 기기의 표면 경도 문제를 해결할 실마리를 제공하며, 향후 스트레처블 및 웨어러블 디스플레이로의 확장을 가능케 합니다. 궁극적으로는 디스플레이 핵심 소재의 국산화와 내재화를 통해 국가 경쟁력을 강화하고 세계 시장을 선점하는 것이 목표입니다. 단순히 부품 개발에 그치지 않고 미래 산업의 기반이 되는 원천 기술을 확보하여 기술 자립도를 높이는 연구를 지속할 계획입니다.

한국생산기술연구원

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[IP소개 3] 차세대 유연 디스플레이에 적용 가능한 자기치유 표면 보고 코팅 소재

디스플레이 기술은 평면에서 곡면, 폴더블을 거쳐 롤러블과 스트레처블 단계로 진화하고 있습니다. 이러한 변화 속에서 가장 중요한 과제 중 하나는 디스플레이 표면을 초기 상태 그대로 유지하는 것입니다. 기존에는 고릴라 글래스와 같은 딱딱한 하드 코팅 소재를 주로 사용해 스크래치를 방지해 왔으나, 폴더블이나 롤러블처럼 반복적인 굽힘이 발생하는 기기에서는 하드 코팅이 탄성 한계를 벗어나 손상될 위험이 큽니다. 따라서 유연성을 확보하면서도 스스로 손상을 복구할 수 있는 자기 치유 코팅 소재의 필요성이 대두되고 있습니다. 디스플레이 손상은 크게 눌림에 의한 형태 변형인 '덴트'와 표면이 찢어지는 '스크래치'로 나뉩니다. 폴리우레탄과 같은 탄성 소재는 덴트 회복에는 효과적이지만, 탄성 한계를 넘어서는 스크래치까지 스스로 복구하기에는 역부족입니다. 이를 해결하기 위해 기존 폴리우레탄 제조 공정에 특수 개발한 첨가제를 도입하는 연구가 진행 중입니다. 이 기술은 기계적 강도와 자기 치유 성능이 반비례하는 고질적인 트레이드오프 문제를 극복하여, 표면의 단단함을 유지하면서도 스크래치를 완벽하게 복원하는 것을 목표로 합니다. 연구의 구체적인 성과로 폴리이미드와 이미드 유도체를 활용한 소재가 있습니다. 폴리이미드는 전하 이동 복합체 성질을 통해 매우 높은 기계적 강도를 제공하며, 이를 소량 첨가한 폴리우레탄은 기존 상용 제품과 달리 스크래치를 완벽하게 치유합니다. 또한 현재 폴더블 스마트폰의 강화 유리를 보호하는 필름은 경도가 낮고 자기 치유 능력이 없다는 단점이 있습니다. 새롭게 개발된 이미드 기반 소재는 기존 필름 수준의 표면 경도를 유지하면서도 발생한 스크래치를 단시간에 복구할 수 있어 차세대 플렉서블 디스플레이의 핵심 소재로 기대를 모으고 있습니다. 환경 규제에 대응하는 지속 가능한 기술 개발도 활발합니다. 즈비터 이온 기반의 고분자를 소량 첨가한 소재는 외부의 습도 환경을 이용해 자기 치유 성능을 극대화하며, 자동차 표면이나 전광판처럼 물과 접촉이 잦은 환경에서 탁월한 효율을 보입니다. 또한 석유 기반 원료를 대체하기 위해 옥수수에서 유래한 이소소르비드를 활용한 연구도 성공을 거두었습니다. 이는 95%에 달하는 높은 치유 효율을 기록하며, 친환경적이면서도 강력한 성능을 동시에 확보할 수 있음을 입증한 중요한 사례로 평가받습니다. 자기 치유 소재 기술은 디스플레이를 넘어 건축, 에너지, 의료 등 여러 산업 분야에 널리 활용될 잠재력을 지니고 있습니다. 연구팀이 개발한 잠재성 우레아 물질은 기존 소재의 고질적인 문제였던 보관 안정성을 획기적으로 개선하여 산업적 실용성을 증명했습니다. 앞으로 글로벌 자기 치유 시장이 비약적으로 성장함에 따라, 이러한 원천 기술은 다양한 차세대 제품군에 적용되어 우리 생활의 편의성을 한 단계 높여줄 것으로 기대됩니다. 특히 고가의 자동차 내외장재 등에 도입될 경우 초기 품질을 영구적으로 유지하는 데 기여할 것입니다.

한국생산기술연구원

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