태양전지 봉지재용 에틸렌-프로펠렌 공중합체의 결정화 거동에 관한 연구

손영곤(Younggon Son) 한국산학기술학회 2016 한국산학기술학회논문지 Vol.17 No.12

태양 전지에 사용되는 봉지재는 EVA (ethylene vinylacetate copolymer)가 주로 사용되고 있으나, 긴 경화시간 및 경화 시 사용되는 라디칼 개시제에 의한 열변성에 의한 문제점이 해결되지 않고 있다. 본 연구에서는 이 문제를 해결하기 위하여 에틸렌-프로필렌 공중합체를 봉지재로서 타당한가 조사하고자 하였다. 에틸렌/프로필렌 함량이 다른 다섯 종류의 시료를 대상으로 연구하였다. 시료들의 결정화 거동과 결정 구조를 관찰하기 위하여 시차주사열량계와 광각 x-선 회절 분석기를 사용하였다. 에틸렌의 함량이 높을수록 결정화도, 밀도 및 유리전이 온도가 낮아지는 전형적인 결과를 보였다. 그러나 결정들의 용융 온도는 에틸렌 20.1 과 22.2 mol. % 인 경우가 제일 높은 특이한 결과를 보였는데 이는 중합 시 특수 촉매에 의한 블록 공중합체와 같은 구조 때문이었다. 이 때문에 에틸렌 함량이 제일 낮은 종류가 투명도가 높고 내열성이 우수하다는 것을 알 수 있었고 봉지재에 가장 적하는 결론을 내렸다. 또한 결정화 시간을 증가시킬수록 새로운 용융 피크가 생성되는 것을 볼 수 있었는데 이는 어닐링에 의해 새로운 결정 구조가 형성되기 때문인 것을 X선 회절 분석을 통하여 알 수 있었다. We prepared five different ethylene-propylene copolymers (EPCs) for use as the encapsulant of a photovoltaic module. All of the polymers were of commercial grade from ExxonMobile company and had different ethylene/propylene compositions. The crystallization behaviors and crystal structures of the polymers were analyzed by differential scanning calorimetry and wide angle X-ray scattering diffractometry, respectively. We observed the general trend that the degree of crystallization, density and glass transition temperature of the EPCs decreased with increasing ethylene content. However, an unexpected result was also observed: the EPC with the highest ethylene content (22.2 mol. %) showed the highest melting temperature. As a result, the EPC with 22.2 mol. % of ethylene shows the highest light transmittance, due to its having the lowest degree of crystallization and highest thermal creep resistance. This abnormal result is attributed to the blocky structure prepared by ExxonMobile"s special catalyst technology. It was also observed that new additional melting peaks appeared as the crystallization time increased. Using wide angle X-ray scattering diffractometry, it was confirmed that these additional peaks originated from the formation of a new crystal structure caused by annealing.

연료전지 양극판용 PC/흑연 삽입 화합물 복합재료의 유동성, 물리적 성질 및 전기전도도에 관한 연구

비라즈 둔가나(Biraj Dhungana),손영곤(Younggon Son) 한국고분자학회 2019 폴리머 Vol.43 No.2

고분자 전해질 연료전지의 양극판에 적용될 폴리카보네이트(polycarbonate, PC)/흑연 삽입 화합물 복합재료의 유동성, 물성 및 전기전도도에 관하여 연구하였다. 기존 연구와의 차이점은 팽창된 흑연을 사용하는 대신 bisulfate가 삽입된 흑연 삽입 화합물(graphite intercalated compound, GIC)을 고분자와 압출기에서 혼합하면서 동시에 GIC를 열 팽창시켜 복합재료를 제조한 점이다. 기존의 고분자/팽창 흑연과 비교하여 이 연구에서 처음으로 시도한 고분자/GIC의 장점은 유동성에 있다. GIC가 사출과정에서 팽창에 의해 금형에 밀려들어가는 형태의 유동 패턴을 보이고 이로 인해 더 높은 유동성을 보이는 것으로 관찰되었다. The fluidity, physical properties and electrical conductivity of polycarbonate (PC)/ graphite intercalated compound composites were investigated for the application of bipolar plate of electrolyte fuel cells. The intrinsic difference of this study from the previous studies on the polymer/expanded graphite is that the graphite intercalated compound (GIC) with bisulfate was used instead of expanded graphite. GIC was compounded with the PC in the twin screw extruder and injection molded. During the compounding and molding procedure, GIC was expanded and transformed to expanded graphite. The advantage of the polymer/GIC compared to conventional polymer/expanded graphite lies in its higher fluidity. As a precursor of expanded graphite, GIC is finally converted to expanded graphite during extrusion and injection molding. During the filling stage of injection molding process, the PC/GIC was pushed into the mold cavity by the thermal expansion of GIC, resulting in higher fluidity.

PC/SAN 블렌드의 계면장력에 미치는 저분자량 성분의 영향

양동진(Dongjin Yang),손영곤(Younggon Son) 한국고분자학회 2015 폴리머 Vol.39 No.3

PC와 SAN 사이의 계면장력 및 친화도에 미치는 저분자량 성분의 영향을 알아보기 위하여 용매 추출법으로 각 고분자에서 저분자량 성분을 추출하였다. GPC(gel permeation chromatography)로 분자량 분포를 확인한 결과, 각 고분자의 저분자량 성분은 용매 추출법에 의해 효과적으로 제거된 것을 확인하였다. 저분자량 성분이 제거된 고분자를 이용하여 계면장력 및 형태학 분석 결과, 저분자량 성분이 제거된 PC와 SAN은 계면장력이 높아졌고 친화도가 떨어진 것을 확인할 수 있었다. 즉 저분자량 성분이 두 고분자 사이에 상용화제와 같은 역할을 하는 것을 알 수 있었다. 두 고분자 중 SAN의 저분자량 성분이 PC의 저분자량 성분보다 상용화 효과에 더 많이 기여하는 것을 확인하였고, 이로서 PC/ABS 제조 시 저분자량 성분이 많이 포함된 SAN을 사용하는 것이 더 유리하다는 것을 알 수 있었다. Low molecular weight species were extracted from PC and SAN by a solvent extraction method in order to investigate the effect of low molecular weight species on interfacial tension and affinity between PC and SAN. From the analysis of molecular weight distribution by the GPC, it was confirmed that the low molecular weight species were effectively eliminated by the solvent extraction. Interfacial tension measurements and morphological observation were carried out with the PC and SAN of which the low molecular weight species were extracted. Interfacial tension was increased and the infinity was decreased for the extracted PC and SAN pair. This result implied that the low molecular weight species play a role as a compatibilizer between two polymers. Among two polymers, low molecular weight SAN contributes more in the compatibilization. Thus, it is favorable to use SAN containing a larger amount of low molecular weight species in fabrication of PC/ABS blend.

PP/MWCNT 나노복합재료의 물성에 미치는 마스터 배치의 영향에 관한 연구

박주용(Juyong Park),김동학(Dong Hak Kim),손영곤(Younggon Son) 한국고분자학회 2019 폴리머 Vol.43 No.5

Polypropylene/multi-walled carbon nanotube(PP/MWCNT) 나노복합재료를 제조할 때 마스터 배치(MB)의 사용 효과에 대하여 고찰하였다. PP와 MWCNT를 한 번에 압출하여 제조한 나노복합재료와 PP에 고농도의 MWCNT를 혼합하여 MB를 제조한 후 여기에 PP를 혼합하는 두 단계의 압출을 통하여 제조한 나노복합재료를 비교하였다. 두 단계로 압출하는 것이 한 단계의 압출보다 MWCNT의 분산이 우수하고 높은 기계적 강도 및 전기적 특성을 보임을 알 수 있었다. 또한 MB 제조 시 MWCNT와 동일한 양의 PP-g-MA(maleic anhydride grafted PP)를 첨가하여 만든 MB를 사용하면 더욱 우수한 물성을 가진 나노복합재료를 얻을 수 있었다. 이는 극성이 낮은 PP에 극성이 높은 PP-g-MA를 혼합함으로써 MWCNT와의 친화성을 높이기 때문인 것으로 분석되었다. MB 제조 시 사용되는 PP의 점도가 낮을수록 균일한 MWCNT의 분산을 얻을 수 있었고 기계적 물성 및 전기 전도도가 증가하였다. Effect of masterbatch (MB) on the properties of polypropylene/multi-walled carbon nanotube (PP/MWCNT) nanocomposites was studied. Nanocomposites with same compositions but different fabrication protocols were compared. In one-step mixing protocol, PP and MWCNT were compounded at once. In two-step mixing protocol, MB was first prepared from PP and high concentration of MWCNT and followed by subsequent dilution process with additional PP and MB. It was found that two-step protocol using MB enhanced the dispersion of MWCNTs and consequently mechanical and electrical properties were improved. When the MB was fabricated by PP, MWCNT and polypropylene-g-maleic anhydride (PP-g-MA), the properties of resulting nanocomposites were higher than those without PP-g-MA. This is attributed to increased affinity between matrix polymer and MWCNT due to the increased polarity of matrix polymer by incorporation of PP-g-MA. When PP of lower viscosity was used for the MB, the dispersion of MWCNT was much enhanced and the mechanical and electrical properties were also increased.

Effects of MWCNT type and flow type on the electrical conductivity of polycarbonate/MWCNT nanocomposites

Duc Nhat Bui(부이 둑낫),Younggon Son(손영곤) 한국산학기술학회 2018 한국산학기술학회논문지 Vol.19 No.9

MWCNT (다중벽 탄소 나노튜브)의 종류와 유동 형태가 폴리카보네이트 (PC)/MWCNT 나노 복합체의 전기 전도도에 미치는 영향을 관찰하였다. MWCNT의 종류가 바뀌면 사출 성형으로 제조된 PC/MWCNT의 전기 전도도가 크게 변하는 것을 관찰하였다. MWCNT 의 종횡비가 클수록 사출 성형품의 전기 전도도는 낮았고 압축 성형으로 제조한 시료의 전기 전도도는 MWCNT의 종류에 상관없이 비슷하였다. 이 결과는 MWCNT의 변형과 크게 상관있는 것으로 조사되었다. 종횡비가 클수록 외부 응력이 작용할 때 MWCNT의 배향도가 올라가고 MWCNT들의 접촉에 의한 전도성 길 (path)가 끊어져서 전기전도도가 낮아지는 것으로 생각된다. 연신력과 전단 속도가 큰 조건에서 제조된 시료의 전기 전도도가 크게 낮아지는 것을 관찰하였다. 이는 높은 전단력과 연신력에서 MWCNT의 배향이 높아지고 그 결과 MWCNT 들의 접촉이 단절되면서 전기 전도도가 낮아지는 것임을 다양한 실험으로 부터 알 수 있었다. 여러 실험 결과 들을 MWCNT의 배향과 전도길 변화와의 연관성의 관점으로 토의하였다. Effects of multiwall carbon nanotube (MWCNT) type and flow type (shear and elongational flow) on the electrical conductivity of polycarbonate (PC)/ MWCNT nanocomposites were investigated. Two different MWCNTs produced a huge difference in electrical conductivity in an injection molded PC/MWCNT nanocomposite. It was observed that MWCNTs having a higher aspect ratio provide much lower electrical conductivity in injection molded PC/MWCNT nanocomposites while the conductivities of compression molded samples from two different MWCNTs were the same. We found that this is due to a difference in the deformability of the two MWCNTs. As the aspect ratio of the MWCNT increases, the orientation of MWCNT by the external force becomes easier and the conductive path diminishes. Consequently the conductivity of the nanocomposites decreases. Nanocomposite samples prepared at a higher extensional rate and shear rate showed lower electrical conductivity. This is also attributed to the flow induced orientation and reduced conductive path of the MWCNTs. The experimental results were discussed in relation to variation in the tube-tube contact due to the change of the MWCNT orientation.

열가소성 녹말의 유변학 성질, 열적 성질 및 기계적 성질에 관한 연구

부이 둑낫(Duc Nhat Bui),손영곤(Younggon Son) 한국산학기술학회 2018 한국산학기술학회논문지 Vol.19 No.6

녹말에 가소제인 글리세롤을 혼합하여 열가소성 녹말 (thermoplastic starch, TPS)을 제조하였다. 혼합된 글리세롤은 20-35 wt.%의 비율이었고 TPS는 이축 압출기에서 제조하였다. 제조된 TPS의 전단 점도, 열적 성질 및 기계적 강도를 시험하였다. 제조된 TPS는 전단 속도가 증가할수록 점도가 감소하는 전형적인 고분자의 점도 거동을 보였다. 가소제인 글리세롤의 함량이 증가할수록 power index, n은 증가하여 1에 가까운 값을 보였다. 이는 뉴톤성 유체인 글리세롤의 함량이 증가할수록 제조된 TPS의 점도 거동이 뉴톤성 유체에 가까워지기 때문이다. TPS의 열적 거동을 관찰한 결과 녹말과 글리세롤이 한 상(single phase)을 보임을 확인 할 수 있었다. 또한 TPS를 상온에 하루 이상 방치하면 부분적 상용성을 보이는 것으로 관찰되었는데 이는 공기 중의 습기의 작용인 것으로 추정된다. TPS의 기계적인 성질은 가소제의 함량에 크게 의존하는 것을 볼 수 있었는데 가소제의 함량이 증가할수록 인성과 강성 모두 증가하는 것을 관찰하였다. 가소제의 함량이 증가할수록 강성이 증가하는 특이한 현상은 습도와 높은 아밀로즈 함량이 복합적으로 작용하여 생긴 결과임을 DSC 분석을 통해 알 수 있었다. Thermoplastic starch (TPS) was prepared by mixing starch with glycerol as a plasticizer. The glycerol content ranged from 20 to 35 wt. % and TPS was prepared in a twin screw extruder. The shear viscosity, thermal and mechanical properties of the TPS were investigated. The viscosity of TPS exhibited typical shear thinning behavior: decreasing viscosity with increasing shear rate. The power index, n, increased with increasing glycerol content. This is because as the content of glycerol, a Newtonian fluid, increases, the viscosity behavior of the TPS becomes closer to that of a Newtonian fluid. The thermal behavior of TPS showed that starch and glycerol are miscible. In addition, when TPS was aged for more than one day at room temperature, TPS showed a partially miscible phase structure. The moisture absorbed into the TPS was assumed to change the phase behavior. The mechanical properties of TPS were found to be strongly dependent on the content of the plasticizer. Both the toughness and stiffness increased with increasing plasticizer content. DSC showed that this unusual result was due to the combined effect of humidity and the high amylose content in starch.

수열 탄화 공정을 거친 폐 플라스틱 잔여물/재활용 폴리프로필렌 고분자 블렌드에 관한 연구

김남호 ( Namho Kim ),박정연 ( Jeongyoun Park ),이민철 ( Mincheol Lee ),손영곤 ( Younggon Son ) 한국폐기물자원순환학회 2022 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2022 No.0

무수말레인산과 스티렌이 그래프트된 폴리프로필렌 제조 및 이를 상용화제로 사용한 PP/클레이 나노 복합재료에 관한 연구

윤관한(Kwan Han Yoon),엄진화(Jin Hwa Um),김동학(Dong Hak Kim),손영곤(Younggon Son) 한국고분자학회 2017 폴리머 Vol.41 No.6

본 그룹에서는 폴리프로필렌(PP)에 무수말레인산(MA)과 스티렌(St)을 동시에 투입하면 라디칼 개시제에 의한 사슬 절단을 방지할 수 있고 이렇게 제조한 PP-g-MA-St(무수말레산과 스티렌이 그래프트된 폴리프로필렌)을 PP/클레이 나노복합재료에 상용화제로 사용하였을 때 복합재료의 인성과 강성 모두를 증가시킬 수 있음을 밝힌 바 있다. 이 연구에서는 이렇게 제조된 PP-g-MA-St의 결정화 거동을 관찰하였다. 지난 연구에서는 MA의 범위가 다소 높은 범위에서 PP-g-MA-St 제조하였는데 이 연구에서는 PP-g-MA-St 제조 시 MA의 투입량을 줄여 더 높은 인성을 가진 상용화제를 제조하였다. 또한 PP/클레이 복합재료 제조 시 상용화제의 양을 이전의 연구에 비해 대폭 줄여 복합재료를 제조하였고 제조한 복합재료의 충격강도를 상온과 저온에서 측정하였다. 복합재료의 충격강도는 상용화제의 양이 10 phr에서 가장 높은 값을 보였다. 또한 MA의 투입량은 0.5 phr에서 가장 높은 효율을 나타냈다. In our previous study, we investigated the performance of a PP grafted with maleic anhydride (MA) and styrene (PP-g-MA-St) as compatibilizers in PP/clay nanocomposites. We found that the incorporation of styrene prevents molecular weight reduction of the PP main chain upon high loading of a radical initiator for high graft degree of MA. The compatibilizers (PP-g-MA-St) thus obtained show good compatibilizing performance in PP/clay nanocomposites for both stiffness and toughness. In this study, we investigated the crystallization behavior of the PP-g-MA-St. In previous study, we fabricated PP-g-MA-St with high MA loading. PP-g-MA-St with high MA becomes more brittle. In this study, more tough PP-g-MA-St with reduced MA loading was prepared and the compatibilizing effect of the PP-g-MA-St thus prepared was evaluated. Izod impact of PP/clay/PP-g-MA-St nanocomposites was measured at 25 and -10 oC. Izod impact strength was highest at the 10 wt% of compatibilizer (PP-g-MA-St) and 0.5 phr of MA loading.

지방족 폴리케톤/폴리아마이드 6 블렌드에서 성분 고분자 간 반응과 젤화가 블렌드의 물성에 미치는 영향

권홍구(Hong Goo Kwon),황태규(Taegu Hwang),김동학(Dong Hak Kim),손영곤(Younggon Son) 한국고분자학회 2021 폴리머 Vol.45 No.5

지방족 폴리케톤(aliphatic polyketon, PK)/폴리아마이드 6(polyamide, PA) 블렌드의 상용성 및 물성에 관하여 연구하였다. PK/PA 블렌드는 상 분리된 구조를 보이면서 계면접착력과 충격강도가 높았는데 두 고분자 간에 화학반응으로 형성된 PK-PA 공중합체가 반응상용화제와 같은 역할을 하기 때문인 것으로 밝혀졌다. PK와 PA의 혼련 토크 값이 두 성분 고분자에 비해 매우 높았고 FTIR 분석으로 형성된 공중합체의 존재를 확인할 수 있었다. 또한 PA는 PK의 가교 반응을 촉진시키는 것으로 관찰되었다. 다양한 가공 조건에서 제조된 블렌드를 분석한 결과 가교 고분자의 양이 증가함에 따라 블렌드의 충격강도가 급격히 증가함을 관찰하였다. 이상의 결과로부터 PK/PA 블렌드의 물성이 상용화제 없이도 높은 이유는 PK와 PA 사이에 발생하는 화학반응과 PA가 PK의 가교화를 촉진시키는 두 가지 원인에 의한 것임을 알 수 있었다. Compatibility and physical properties of aliphatic polyketon (PK)/polyamide 6 (polyamide, PA) blend were studied. The PK/PA blend showed high interfacial adhesion and impact strength despite the phase-separated morphology. It was observed that PK-PA copolymer formed by the chemical reaction between the two polymers acts as a reactive compatibilizer. The mixing torque for the blends was very high, and the presence of the copolymer was confirmed by FTIR analysis. PA accelerated the crosslinking reaction of PK. The PK/PA blends were prepared under various processing conditions and their impact strength and amount of cross-linked polymer were measured. The impact strength of the blend increased with the amount of the cross-linked polymer. From these results, it was concluded that the reason for the high physical properties of the PK/PA blend is due to the chemical reaction between PK and PA, and the cross-linking reaction of PK promoted by the presence of PA.

아임계 열수 처리 방식에 의한 폐플라스틱 선별 잔재물의 물질자원화 처리 기술

이민철 ( Min Churl Lee ),임정빈 ( Jeong Bin Lim ),임창진 ( Chang Jin Lim ),김진만 ( Jin Man Kim ),손영곤 ( Younggon Son ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2021 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2021 No.-

폐플라스틱은 매년 600~700만 톤 발생하고 있으며, 이들은 지자체 또는 민간이 운영하는 재활용 선별센터로 수집되어 물질로 재활용 선별이 약 60%, 그리고 더 이상 선별할 수 없어 혼합형의 잔재물로 남는 것이 약 40%로 연간 200~300만 톤에 이른다. 혼합형 선별잔재물은 비성형 SRF라는 고형연료화된 소각 연료로, 그동안 열에너지로 회수되는 에너지 재활용 방법으로 처리되어 왔다. 하지만 소각 시 발생하는 배출가스(NOx, SOx, 다이옥신 등) 및 소각에 대한 주민 님비현상으로 처리가 원활하게 이루어지지 않고 있으며, 더욱이 최근에는 코로나 19의 여파로 인한 비대면 산업 분야 활황으로 포장용 플라스틱 쓰레기 발생이 급증하는 등 폐플라스틱 처리 문제는 환경문제, 사회문제로 크게 대두되고 있다. 본 기술은 혼합형 폐플라스틱 선별잔재물에 대하여 아임계 열수반응 기술을 적용함으로써 플라스틱을 포함한 유기물 성분을 분해하여 분말 형태화하여 감용화를 크게 하고, 이들은 물질의 고유 특성을 그대로 유지하므로 단일종으로 선별된 재활용 플라스틱 원료와 일정 비율을 혼합하여 플라스틱 원료 물질로 재활용하는 원리이다. 아임계 열수 기술의 경우 일반 물과는 다르게 유전율과 이온적 특성이 강한 용매 특성을 지녀 유기성 물질을 가수분해, 저분자화를 촉진하는 효과가 있으며, 생성물은 분말 형태(“에코분말”로 명명)로 되어 감용화 효과가 우수하여 평균 60~70%에 이른다. 또한, 열수에 의한 상변화 없는 고체 내 반응이므로 배출가스의 발생이 없고 (CO₂ 발생 소각대비 1% 이내) 물질 회수율이 매우 높고 (회수율 60% 이상) 나머지는 미반응물로서 고형연료화로 재활용되어 추가 폐기물 발생이 없는 청정기술이다. 본 연구에서는 원료 물질 재활용은 재활용 플라스틱 PP와 에코분말을 20~30% 혼합 후 적정하게 상용화제를 첨가하여 팰럿형태로 가공하여 플라스틱의 사출 및 압출 원료 물질로 재활용 물질(“클린 팰럿” EPP-1으로 명명)을 만들고 이는 KSD 3843(1~2종) 규정을 만족하도록 하였다.