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탄소섬유를 활용한 구조용 배터리 연구 동향

A Review of Structural Batteries with Carbon Fibers

권동준 ( Dong-jun Kwon ) , 남상용 ( Sang Yong Nam )
  • : 한국공업화학회
  • : 공업화학 32권4호
  • : 연속간행물
  • : 2021년 08월
  • : 361-370(10pages)
공업화학

DOI


목차

1. 서 론
2. Definition of Structural Battery and Its Classification in Terms of Structure and Functionality
3. Issues and Limits in Structural Batteries and the Effort to Overcome
4. Concluding Remarks
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탄소 섬유 강화플라스틱은 가볍지만 우수한 기계적 강도를 가지는 복합재의 한 종류이다. 가벼우면서 우수한 기계적 강도를 가지는 탄소 섬유 강화플라스틱은 산업 전반에 널리 이용되고 있으며, 최근 활발히 연구되고 있는 전기자동차 및 무인기 등의 무게 감소 핵심 대체 부품으로 연구되고 있다. 배터리를 전원으로 사용하는 운송수단 등은 외부 충격에 이차 폭발의 위험이 있기 때문에 배터리를 안전하게 보호할 수 있는 덮개가 필수적인 동시에, 무게를 줄여 주행거리를 늘려야 하는 요구조건을 만족해야 한다. 이러한 요구 조건에 부합하는 재료로 탄소섬유 강화플라스틱이 손꼽히고 있고, 배터리 보호 덮개 및 다양한 대체품으로의 활용이 연구되고 있다. 한편, 우수한 전기적 특성을 가진 탄소섬유를 배터리 구성품으로 활용하는 연구가 배터리 분야에서 진행 중이고, 이에 더 나아가 탄소 섬유가 배터리를 보호하고 배터리 전극 및 집전체 역할까지 동시에 수행하는 구조용 배터리에 대한 연구가 스웨덴과 미국을 중심으로 활발히 연구 중이다. 본 총설에서는 탄소 섬유의 역할에 따른 구조용 배터리의 분류 및 해당 배터리들에서 발생하는 문제점 등을 포괄하는 최근 연구 동향을 요약하고, 구조용 배터리에 대한 전망을 간략히 논의하고자 한다.
Carbon fiber reinforced polymer (CFRP) is one of the composite materials, which has a unique property that is lightweight but strong. The CFRPs are widely used in various industries where their unique characteristics are required. In particular, electric and unmanned aerial vehicles critically need lightweight parts and bodies with sufficient mechanical strengths. Vehicles using the battery as a power source should simultaneously meet two requirements that the battery has to be safely protected. The vehicle should be light of increasing the mileage. The CFRP has considered as the one that satisfies the requirements and is widely used as battery housing and other vehicle parts. On the other hand, in the battery area, carbon fibers are intensively tested as battery components such as electrodes and/or current collectors. Furthermore, using carbon fibers as both structure reinforcements and battery components to build a structural battery is intensively investigated in Sweden and the USA. This mini-review encompasses recent research trends that cover the classification of structural batteries in terms of functionality of carbon fibers and issues and efforts in the battery and discusses the prospect of structural batteries.

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  • : 공학분야  > 화학공학
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32권5호(2021년 10월) 수록논문
최근 권호 논문
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1미세조류 탈지세포잔류물의 미생물 배양 및 바이오에너지 생산으로의 재활용

저자 : 당낫민 ( Nhat Minh Dang ) , 이기세 ( Kisay Lee )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학 32권 5호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 487-496 (10 pages)

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Microalgae is one of the promising biodiesel feedstock with high growth rates compared to those of terrestrial oil crops. Despite its numerous advantages, biodiesel production from microalgae needs to reduce energy demand and material costs further to go to commercialization. During solvent extraction of microalgal lipids, lipid-extracted algae (LEA) cell residue is generated as an organic solid waste, about 80-85% of original algal biomass, and requires an appropriate recycling or economic disposal. The resulting LEA still contains significant amount of carbohydrates, proteins, N, P, and other micronutrients. This review will focus on recent advancement in the utilization of LEA as: (i) utilization as nutrients or carbon sources for microalgae and other organisms, (ii) anaerobic digestion to produce biogas or co-fermentation to produce CH4 and H2, and (iii) conversion to other forms of biofuel through thermochemical degradation processes. Possible mutual benefits in the integration of microalgae cultivation-biodiesel production-resulting LEA with anaerobic digestion and thermochemical conversion are also discussed.

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2악취가스 및 휘발성 유기 화합물 산화를 위한 백금계 촉매의 코팅 방법에 관한 연구

저자 : 신중훈 ( Jung Hun Shin ) , 정민기 ( Min Gie Jung ) , 홍성창 ( Sung Chang Hong )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학 32권 5호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 497-503 (7 pages)

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본 연구에서는 악취가스 및 휘발성 유기 화합물을 산화 제거하기 위한 백금/티타니아를 허니컴 및 메탈폼 담체에 코팅하는 방법을 확인하였다. 다양한 방법 중 파우더 코팅과 나노 코팅에 대한 비교를 수행하였다. SEM/EDX (Scanning Electron Microscopy/Energy Dispersive X-ray spectroscopy) 분석은 허니컴 및 메탈폼의 표면 상태 및 노출된 백금 성분비를 조사하는데 사용되었다. 또한, 촉매 코팅 방법에 따른 톨루엔, 트리메틸아민, 아이소프로필 알코올의 제거 성능을 비교하였다.


In this study, different methods to coat honeycomb and metal foam substrate with platinum/titania for removing odor gases and volatile organic compounds were investigated. Among them, the powder coating and the nano coating were compared. Scanning electron microscopy/energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM/EDX) analysis was used to investigate the surface conditions and exposed platinum composition ratios on honeycomb and metal foam. Also, the catalytic oxidation performance of toluene, trimethylamine and isopropyl alcohol was compared according to the coating method.

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3고분자/베타-사이클로덱스트린 포접 화합물로 이루어진 고분자 혼성체 필름의 물성 및 구조에 미치는 게스트 분자의 영향

저자 : 배준원 ( Joonwon Bae )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학 32권 5호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 504-508 (5 pages)

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본 연구에서는 게스트 분자(guest molecule)의 특성이 고분자/베타-사이클로덱스트린(beta-cyclodextrin) 포접화합물(inclusion compound)로 이루어진 고분자 필름의 구조 및 물성에 미치는 영향에 대해서 고찰하고자 한다. 본 연구에서 사용된 게스트 분자는 미백 효과를 지니는 것으로 알려진 3가지로 하이드로퀴논(hydroquinone, HQ), 알부틴(arbutin, AB), 그리고 트랜액사믹 애시드(tranexamic acid, TA)이다. 먼저, 베타-사이클로덱스트린과 게스트 분자 간의 포접화합물의 성공적인 형성과 이를 포함하는 고분자 필름의 제조여부를 라만(Raman) 분광학으로 확인하였다. 포접화합물을 포함하는 고분자 필름의 구조 및 물성은 엑스선 회절법(X-ray diffraction)과 주사열용량법 및 열중량추적법 같은 열분석법으로 고찰하였다. 그 결과, 트랜액사믹 애시드의 영향이 다른 분자의 영향과 비교하여 상당히 상이하였음을 관찰할 수 있었다. 이러한 경향은 간단한 분자 시뮬레이션 기법으로 재검증하였다. 본 연구는 포접화합물을 형성하는 게스트 분자들의 상이한 영향에 대한 체계적인 접근을 통한 실험적 검증의 사례로 향후 관련 연구에 중요한 정보를 제공할 것으로 기대된다.


In this study, the effect of molecular features of guest molecules on the structure, property, and formation of poly(vinyl alcohol) (PVA)/beta-cyclodextrin (bCD) inclusion compound hybrid films was investigated using three types of guest molecules such as hydroquinone (HQ), arbutin (AB), and tranexamic acid (TA). First, the successful formation of inclusion compounds between bCD and the guest molecules, and polymer/inclusion compound hybrid were proved using Raman spectroscopy. The effect of bCD-based inclusion compounds on the structure and property of PVA matrix composites containing inclusion compounds was also studied using X-ray diffraction (XRD) and thermal analyses such as differential scanning calorimetry (DSC) and thermogravimetric analysis (TGA). It was notable that the effect of TA to the crystalline structure of the PVA was significantly different from that of using other guest molecules including HQ and AB. It was also supported by a simple molecular simulation result. This article will be a good example for demonstrating the effect of molecular characteristics on the inclusion compound formation in polymer films, which can provide important information for relevant future research.

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4키토산이 코팅된 PLGA 나노입자의 제조 및 특성

저자 : 유수경 ( Su-gyeong Yu ) , 나재운 ( Jae-woon Nah ) , 정경원 ( Gyeong-won Jeong )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학 32권 5호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 509-515 (7 pages)

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본 연구는 생체적합성 및 생분해성의 특성을 갖는 PLGA (poly lactic-co-glycolic acid)를 이용하여 이중(w/o/w) emlusion과 유화 용매-증발 기법을 통해 PLGA 나노입자(PNP)를 제조하였고, 이에 키토산을 전하 상호작용을 통해 키토산이 코팅된 PLGA 나노입자(CPNP)를 제조하여 입자의 안정성과 생체이용률을 극대화할 수 있는 경구 투여용 약물 전달체로 사용 가능성을 입증하고자 하였다. CPNP의 화학적 구조는 1H-NMR 및 FT-IR을 통해 분석하였으며, 모든 특성 피크가 나타남으로써 성공적으로 제조되었음을 확인하였다. 또한, CPNP의 입자 크기, 제타 전위 및 형태학적 이미지는 DLS와 TEM을 이용하여 각각 분석하였으며, TGA를 통해 CPNP의 열적 분해 거동을 관찰하였다. 또한, CPNP의 세포 독성은 HEK293 및 L929 세포에서 MTT assay를 수행하여 확인하였고, 모든 농도에서 70% 이상의 세포 생존율을 확인함으로써 독성이 없음을 입증하였다. 이러한 결과를 통해 본 연구에서 개발된 CPNP가 경구용 약물 전달체로써 사용 가능성이 있음을 제안한다.


In this study, poly lactic-co-glycolic acid (PLGA) nanoparticles (PNP) were prepared through double (w/o/w) emlusion and emulsifying solvent-evaporation technique using PLGA, which has biocompatibility and biodegradability. To maximize stability and bioavailability of the particles, chitosan-coated PLGA nanoparticles (CPNP) were prepared by charge interaction between PNP and chitosan. We demonstrated that CPNP can be utilized as a drug carrier of oral administration. The chemical structure of CPNP was analyzed by 1H-NMR and FT-IR, and all characteristic peaks appeared, confirming that it was successfully prepared. In addition, particle size and zeta potential of CPNP were analyzed using dynamic light scattering (DLS) while morphological images were obtained using transmission electron microscope (TEM). Thermal decomposition behavior of CPNP was observed through thermogravimetric analysis (TGA). In addition, the cytotoxicity of CPNP was confirmed by MTT assay at HEK293 and L929 cell lines, and it was proved that there is no toxicity confirmed by the cell viability of above 70% at all concentrations. These results suggest that the CPNP developed in this study may be used as an oral drug delivery carrier.

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5NH3-SCR에서 Sb 첨가에 따른 V/W/TiO2 촉매의 Phosphorous 피독 영향 연구

저자 : 정민기 ( Min Gie Jung ) , 신중훈 ( Jung Hun Shin ) , 이연진 ( Yeon Jin Lee ) , 홍성창 ( Sung Chang Hong )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학 32권 5호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 516-523 (8 pages)

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본 연구는 대기 중 대표적인 미세먼지 2차 유발물질인 질소산화물 제어에 있어 암모니아를 환원제로 사용하는 선택적 촉매 환원법(Selective Catalytic Reduction; SCR)을 이용한 연구를 수행하였다. NH3-SCR 실험은 상용촉매인 V/W/TiO2와 Sb를 첨가한 V/W-Sb/TiO2 촉매를 사용하였으며 phosphorous에 의한 내피독성을 확인하였다. NH3-SCR 실험 결과, Sb의 첨가는 P에 대한 내구성을 갖는 것으로 확인되었다. 또한 이에 대한 원인을 확인하기 위하여 BET, XPS, H2-TPR, NH3-TPD, FT-IR 분석을 통해 물리·화학적 특성을 비교분석하였다. 분석 결과 V/W/TiO2 촉매에 Sb 첨가 시 P가 첨가됨에 따라 SbPO4 결합을 형성하고 VOPO4의 생성을 억제하였으며, P 첨가 전 촉매의 redox 특성을 유지함으로써 P에 대한 내피독성을 확인하였다.


A study using selective catalytic reduction (SCR) was conducted in conjunction with ammonia as a reducing agent for controlling nitrogen oxides, a typical secondary inducer of fine dust in the atmosphere. For NH3-SCR experiments, a commercial catalyst of V/W/TiO2 only and also V/W-Sb/TiO2 catalyst with Sb were used, and phosphorous durability was confirmed. As a result of NH3-SCR experiments, it was confirmed that the addition of Sb to V/W/TiO2 had durability against phosphorous. In addition, the physical and chemical properties were comparatively analyzed through BET, XPS, H2-TPR, NH3-TPD, and FT-IR analysis. From the anaylsis results, when Sb was added to V/W/TiO2 catalyst, P was also added resulting in the formation of SbPO4 and the generation of VOPO4 was suppressed. The phosphorous durability was confirmed by maintaining the redox characteristics of the catalyst before P was added.

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6서로 다른 산을 조절인자로 활용하여 제조한 지르코늄 기반 금속유기골격체의 Diisopropyl Methylphosphonate 흡착 특성

저자 : 장원형 ( Wonhyeong Jang ) , 김홍현 ( Honghyun Kim ) , 정상조 ( Sangjo Jeong )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학 32권 5호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 524-531 (8 pages)

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UiO-66은 높은 흡착능력과 구조적 및 열적 안정성 등으로 여러 현장에 적용 가능한 금속유기골격체(MOF)이다. UiO-66은 제조과정에서 조절인자로 사용되는 산의 종류와 양에 따라 구조적 특성이 변형되고, 화학작용제 흡착 능력을 높일 수 있다고 알려져 있다. 이에 본 연구에서는 다양한 산을 조절인자로 첨가하여 UiO-66을 합성하고, 그 특성을 FT-IR, XRD, 적정장치, 그리고 유사화학작용제 diisopropyl methylphosphonate (DIMP)를 활용한 흡착실험을 통해 분석하였다. 연구 결과 UiO-66의 제조과정에서 염산을 첨가할 시 UiO-66의 Zr-OH 결합과 UiO-66의 유기연결체인 테레프탈산 구조에 일부 손상이 있었다. 특히 이러한 구조 손상은 염산의 농도가 일정 수준 이상으로 높을 때, 그리고 합성시간이 일정 시간 이상으로 길어질 때 발생하였다. 하지만 아세트산과 포름산을 조절인자로 활용하여 제조한 UiO-66은 구조적 손상이 발견되지 않았으며, 염산을 활용하여 제조한 UiO-66에 비하여 결정도, 비표면적, 공극의 부피, 그리고 DIMP 흡착 능력이 모두 높게 나타나 향후 화학작용제 흡착제로서 활용 가능성이 높을 것으로 판단되었다.


Depending on the type and amount of acid used as a modulator in the manufacturing process, the structural properties of UiO-66 can be modified and the adsorbability of chemical warfare agents can be enhanced. In this study, several acids as a modulator were used to synthesize UiO-66. Their properties were analyzed with FT-IR, XRD, titrator, and adsorption isotherms using chemical warfare agent simulant, DIMP. The UiO-66, structurally damaged by hydrochloric acid as a modulator, showed lower crystallinity and DIMP adsorption capacity and also smaller specific surface area and volume of voids compared to those of UiO-66, which was manufactured using acetic acid, and formic acid as a modulator. Additionally, UiO-66 which was synthesized by adding formic acid and hydrochloric acid as a modulator, showed the highest DIMP adsorption capacity and is likely to be used as an adsorbent for chemical warfare agent in the future.

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7물과 극성 비양자성 용매 혼합 계를 이용한 4-도데카노일옥시벤젠술폰산 나트륨의 효율적인 합성 및 표백활성화제로의 응용

저자 : 곽상운 ( Sang-woon Kwak ) , 차경온 ( Kyung-on Cha ) , 정국인 ( Kook-in Jeong ) , 김영호 ( Young-ho Kim )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학 32권 5호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 532-540 (9 pages)

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4-도데카노일옥시벤젠술폰산나트륨(sodium dodecanoyl-4-oxybenzenesulfonate; DOBS) 염은 저온에서도 효과적인 표백력과 살균력을 나타내는 물질이다. 본 연구에서는 물(W)-극성 비양자성 용매 계를 사용하는 알칼리 조건하에서 dodecanoyl chloride와 sodium 4-hydroxybenzene sulfonate로부터 DOBS의 온화하고 효율적인 합성방법을 조사하였다. 먼저 물만을 용매로 사용하고 온도 또는 시간을 변화시키며 반응한 결과, 수율은 30 ℃와 1 h 이상의 반응 조건에서 대부분 약 5% 정도로 낮게 나타났다. 효율적인 용매 계를 발견하기 위하여 극성 비양자성 용매의 종류를 변화시키며 물과 혼합하여 제조한 다양한 용매계에서 수율에 미치는 영향을 평가하였다. 수율은 아세톤(acetone; AC)과 물을 혼합한 용매 계에서 가장 우수하였으며, 온화한 반응조건(30 ℃, 1 h 및 상압)의 반응에서 약 82%의 높은 값을 나타냈다. 제조한 DOBS는 높은 표백력 및 살균력을 보여 표백활성화제로서 활용이 가능함을 확인하였다.


Sodium dodecanoyl-4-oxybenzenesulfonate (DOBS) salt is a substance that exhibits effective bleaching and antimicrobial abilities at low temperatures. A mild and efficient synthesis method of DOBS starting from dodecanoyl chloride and sodium 4-hydroxybenzene sulfonate was investigated under alkaline conditions using a water (W)-polar aprotic solvent system. First, the reaction was carried out using only water as a solvent system with the variables of temperature and time. The yield was found to be as low as about 5% in most cases under the reaction conditions of more than 30 °C and 1 h. In order to develop an efficient solvent system, the effect on the yield of DOBS was evaluated in various solvent systems which were prepared by changing the type of polar aprotic solvents while mixing them with the water. A solvent system in which acetone (AC) and water were mixed showed the best yield and about 82 % under mild reaction conditions (30 °C, 1 h and atmospheric pressure) was obtained. The prepared DOBS showed good bleaching and antimicrobial activities indicating that it could be used an excellent bleach activator.

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8가용화제를 활용한 세라마이드 고함량의 수화 액정형 베시클 개발

저자 : 박민선 ( Min Seon Park ) , 진병석 ( Byung Suk Jin )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학 32권 5호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 541-546 (6 pages)

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세라마이드와 인지질, 콜레스테롤 등과의 상호적 자가회합이 가능한 최적의 조성을 구성하여 세라마이드 고함량의 수화 액정형 베시클을 제조하였다. 혼합조성을 달리하여 다양한 베시클을 제조한 결과, 에지 액티베이터인 sodium deoxycholate (SDOC)와 가용화제인 PEG-60 hydrogenated castor oil (HCO 60)을 혼합하여 베시클을 만들었을 때, 가장 작은 나노 사이즈의 입자가 만들어지고, 베시클 분산액은 약산성이면서 가장 안정한 상태를 유지하였다. 또한 편광현미경과 열분석을 통해 SDOC와 HCO 60의 첨가가 세라마이드 등 지질 성분의 결정성 억제에 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 베시클 분산액은 8주 동안의 고온의 장기 보관에서도 외관 및 점도의 변화없이 안정성이 그대로 유지되었다.


Hydrated liquid crystalline vesicles containing a high content of ceramide were prepared by constituting an optimal composition in which ceramides can be mutually self-associated with phospholipid and cholesterol. From the result of manufacturing various vesicles with different component composition, when the edge activator sodium deoxycholate (SDOC) and the solubilizer PEG-60 hydrogenated castor oil (HCO 60) were mixed to form vesicles, the smallest nano-sized particles were produced and the vesicle dispersion solution was weakly acidic and maintained the most stable state. In addition, it was confirmed through polarized light microscopy and thermal analysis that the addition of SDOC and HCO 60 had an effect on the inhibition of crystallinity of lipid components such as ceramide. The stability of the vesicle dispersion solution was maintained without change in appearance and viscosity even after long-term storage at high temperature for eight weeks.

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9Pd/ZSM-5 촉매와 저온 플라즈마를 이용한 사과와 키위의 상온 저장 안정성 향상

저자 : 김승건 ( Seung-geon Kim ) , 이호원 ( Ho-won Lee ) , 목영선 ( Young Sun Mok ) , 유승민 ( Seungmin Ryu ) , 전형원 ( Hyeongwon Jeon ) , 김성봉 ( Seong Bong Kim )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학 32권 5호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 547-555 (9 pages)

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본 연구에서는 촉매-플라즈마 반응기를 농산물(사과, 키위) 저장고에 적용하여 저장 중 발생되는 에틸렌을 제거하고자 하였다. 1 ㎥ 유닛 컨테이너 2개를 제작하여 에틸렌을 처리하지 않는 대조군과 발생하는 에틸렌을 촉매와 플라즈마에 의해 처리하는 실험군으로 구분하여 상온에서의 장기 저장성을 비교하였다. 또한 실험군에는 곰팡이 등의 세균 증식을 억제하기 위하여 소량의 오존을 주입하였다. 상온에서 사과와 키위를 각각 50 day와 57 day 동안 저장하여 에틸렌 농도 변화, 경도, 당도, 산도, 및 손실율을 비교하였다. 저장기간 동안의 에틸렌 농도 변화는 대조군이 실험군에 비해 높게 나타나 실험군에서 에틸렌이 효과적으로 제거되는 것으로 나타났다. 저장 후의 경도, 당도 및 당산비는 저장 전에 비해 좋게 나타났으며, 특히 키위가 사과에 비해 높게 향상하였다. 또한 저장 종료 후, 대조군에서 사과와 키위의 손실율은 각각 10%와 54.1%로 나타났으나, 실험군에서의 손실율은 각각 6%와 34.8%로 나타났다. 따라서 실험군의 저장성이 대조군에 비해 좋게 나타났다.


A catalyst-plasma reactor was applied to the storage of agricultural products, e.g., apple and kiwi, to remove the ethylene generated during the storage. Two 1-㎥ unit containers were prepared, and the long-term storage stability of the control group at room temperature was compared with that of the experimental group of which the produced ethylene was treated by the catalyst-plasma reactor. In case of the experimental group, a small amount of ozone was injected to the unit container to suppress the growth of microorganisms such as mold. The apples and kiwis were stored at room temperature for 50 and 57 days, respectively, and the changes in ethylene concentration, hardness, sugar content, acidity, and loss rate were compared. The ethylene concentration during the storage for the control group was higher than that for the experimental group, indicating that the ethylene was effectively removed. Hardness, sugar content, and sugar acid ratio after the storage were better than before the storage, and in particular, the storage stability of kiwifruit was improved significantly. In addition, after the storage, the loss rates of apples and kiwis in the control group were 10 and 54.1%, respectively, but the loss rates in the experimental group were 6 and 34.8%, respectively. Therefore, the storage stability of the experimental group was a lot better than that of the control group.

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10산화철 나노입자를 함유한 초상자성 마이크로니들에 관한 연구

저자 : 이승준 ( Seung-jun Lee )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학 32권 5호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 556-561 (6 pages)

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최근 산화철 나노입자는 외부의 자기장에 반응하는 자성의 특성과 생체적합성이 뛰어나 약물전달시스템(drug delivery system, DDS)에 관한 많은 연구의 소재로 사용되어져 왔다. 본 연구에서는 마이크로니들(microneedles, MNs)의 매트릭스 물질로 HA (hyaluronic acid)와 CMC (carboxy methyl cellulose)를 이용하여 SIONs (superparamagnetic iron oxide nanoparticles)이 함유된 HA-SMNs (hyaluronic acid-superparamagnetic microneedles)와 CMC-SMNs (carboxy methyl cellulose-superparamagnetic microneedles)를 제조하였으며, SEM (scanning electron microscopic), SQUD-VSM (superconducting quantum interference device-vibrating sample magnetometer), FMMD (frequency mixing magnetic detection), 고분자 및 바이오 멤브레인을 이용하여 SMNs의 다양한 특성을 조사하였다. SQUID-VSM 측정 결과 SIONs이 포함된 HA-SMNs와 CMC-SMNs에서 초상자성의 특성이 나타났으며, FMMD 측정에서는 SIONs 농도가 증가함에 따라 신호 강도에 변화가 확인되었다. 또한 SMNs의 바이오 막을 통한 HA-SMNs와 CMC-SMNs의 투과도 분석에서는 각각 평균 92.5%와 98.5%의 피부 투과율이 조사되었다. 이러한 결과를 통해 SMNs 제형은 경피약물전달시스템(transdermal drug delivery system, TDDS) 및 MR(magnetic mesonance) molecular imaging 분야의 전달소재로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.


Recently, iron oxide nanoparticles have been used as the subject of many studies on drug delivery system (DDS) due to their excellent magnetic properties and biocompatibility in response to external magnetic fields. In this study, hyaluronic acid-superparamagnetic microneedles (HA-SMNs) and carboxy methyl cellulose-superparamagnetic microneedles (CMC-SMNs) containing superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SIONs) were prepared with HA and CMC as a matrix materials of MNs (microneedles). Various properties of SMNs were then investigated with scanning electron microscopy (SEM), superconducting quantum interference device-vibrating sample magnetometer (SQUD-VSM), frequency mixing magnetic detection (FMMD), and polymer/bio membrane. The SQUID-VSM measurements showed superparamagnetism of HA-SMNs and CMC-SMNs containing SIONs. The FMMD results demonstrated that the signal intensity changed significantly as the concentration of SIONs increased. In addition, SMNs exhibited the average skin permeability intensities on the bio membrane for HA-SMNs and CMC-SMNs were 92.5 and 98.5%, respectively. These results suggested that SMNs could be utilized as deliver materials for a TDDS and MR molecular imaging.

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1탄소섬유를 활용한 구조용 배터리 연구 동향

저자 : 권동준 ( Dong-jun Kwon ) , 남상용 ( Sang Yong Nam )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학 32권 4호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 361-370 (10 pages)

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탄소 섬유 강화플라스틱은 가볍지만 우수한 기계적 강도를 가지는 복합재의 한 종류이다. 가벼우면서 우수한 기계적 강도를 가지는 탄소 섬유 강화플라스틱은 산업 전반에 널리 이용되고 있으며, 최근 활발히 연구되고 있는 전기자동차 및 무인기 등의 무게 감소 핵심 대체 부품으로 연구되고 있다. 배터리를 전원으로 사용하는 운송수단 등은 외부 충격에 이차 폭발의 위험이 있기 때문에 배터리를 안전하게 보호할 수 있는 덮개가 필수적인 동시에, 무게를 줄여 주행거리를 늘려야 하는 요구조건을 만족해야 한다. 이러한 요구 조건에 부합하는 재료로 탄소섬유 강화플라스틱이 손꼽히고 있고, 배터리 보호 덮개 및 다양한 대체품으로의 활용이 연구되고 있다. 한편, 우수한 전기적 특성을 가진 탄소섬유를 배터리 구성품으로 활용하는 연구가 배터리 분야에서 진행 중이고, 이에 더 나아가 탄소 섬유가 배터리를 보호하고 배터리 전극 및 집전체 역할까지 동시에 수행하는 구조용 배터리에 대한 연구가 스웨덴과 미국을 중심으로 활발히 연구 중이다. 본 총설에서는 탄소 섬유의 역할에 따른 구조용 배터리의 분류 및 해당 배터리들에서 발생하는 문제점 등을 포괄하는 최근 연구 동향을 요약하고, 구조용 배터리에 대한 전망을 간략히 논의하고자 한다.

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2박테리아 부착억제 고분자 기반 고체 표면의 항균 코팅 연구 동향

저자 : 고상원 ( Sangwon Ko ) , 이재영 ( Jae-young Lee ) , 박덕신 ( Duckshin Park )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학 32권 4호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 371-378 (8 pages)

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고체 표면의 박테리아 부착억제를 목적으로 고분자를 이용한 친수성 표면 개질 연구가 주목을 받고 있다. 부착억제 기능은 세포독성이 아닌 작용으로 바이오필름 형성의 초기단계 방지를 목적으로 하며 친수성 또는 이온성 고분자가 도입된 고체 표면은 단백질, 박테리아 등 생물 개체의 부착방지에 효과적이다. 이는 표면에서의 친수층 형성으로 인한 표면 장벽 형성, 고분자 사슬에 의한 반발력과 삼투압성 응력 작용, 그리고 이온성 고분자와 세포 표면의 정전기적 상호작용에 기인한다. 부착억제를 위한 고분자의 표면 도입은 주로 표면 기능기와의 결합을 이용한 접합 방식과 자연 모방 접착 기능기를 활용한 침적 방식으로 이루어지고 있다. 본 총설에서는 표면 도입 시 부착억제 기능을 보이는 대표적인 고분자의 종류, 코팅방법, 및 항균 특성을 소개하고 향후 공공시설, 산업 등으로의 대면적 응용을 위한 고려 사항들을 다루고자 한다.

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33D 프린팅을 이용한 마이크로니들 제작의 최신 연구 동향

저자 : 추상민 ( Sangmin Choo ) , 정재환 ( Jae Hwan Jung )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학 32권 4호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 379-384 (6 pages)

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마이크로니들은 약물전달 및 진단에 사용되는 미세바늘로 일반 주사와 달리 길이가 짧아 효과적으로 약물을 전달하는 한편 고통과 감염위험은 최소화시킬 수 있는 도구이다. 기존의 마이크로니들은 MEMS 기술을 기반으로 정밀하게 나노미터 수준으로 제작되었으나 장비와 유지비가 비싸고 공정이 복잡하여, 최근에는 3D 프린팅을 이용해 경제적이고 간단하며 신속하게 마이크로니들을 제작하는 연구가 진행 중이다. 3D 프린팅 기술은 프로토타입의 제작이 간단하고 수정 보완이 용이하기 때문에 마이크로니들 의약품 및 화장품의 상용화에 유리하다. 이에 본 총설은 SLA, 2PP, DLP, CLIP, FDM 3D 프린팅 기술에 대해 소개하고, 이를 이용한 마이크로니들 제작 연구동향에 대해 소개하고자 한다. 또한 현재 마이크로니들 기술의 한계점과 앞으로 해결해야 할 부분에 대해서 논해보고자 한다.

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4비귀금속계 금속을 이용한 일산화질소 산화 촉매 연구

저자 : 신중훈 ( Junghun Shin ) , 홍성창 ( Sungchang Hong )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학 32권 4호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 385-392 (8 pages)

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본 연구에서는 Co/CeO2 촉매 제조 시 코발트의 첨가 함량 및 세리아의 소성온도에 따른 물리·화학적 특성 및 일산화질소 산화 성능을 비교하였다. Co/CeO2 촉매의 구조적 특성은 XRD, BET 분석을 통하여 확인하였으며, 코발트 표면밀도에 따른 표면 결정 상태를 제안하였다. 또한, Raman, XPS 분석을 통하여 촉매의 산화가 및 산소 결합 상태를 확인하였으며, 일산화질소 산화 성능과의 관계를 제안하였다. H2-TPR 분석을 통하여 촉매의 특성 변화에 따른 산소전달특성을 확인하였으며, 일산화질소 산화를 위한 촉매의 활성점(Co3+)을 제안하였다.

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5CO2/N2 분리를 위한 Pebax 혼합막에서 Zeolitic Imidazolate Framework-7의 영향

저자 : 윤숭석 ( Soong Seok Yoon ) , 홍세령 ( Se Ryeong Hong )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학 32권 4호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 393-402 (10 pages)

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본 연구는 대표적 poly(ether-b-amide)인 Pebax-1657과 Pebax-2533에 합성된 zeolitic imidazolate framework-7 (ZIF-7)을 넣어 혼합막을 제조하고, 단일기체 N2, CO2에 대한 투과 성질을 조사하였다. 기체투과 결과에서, N2의 경우 Pebax-1657/ZIF-7 혼합막과 Pebax-2533/ZIF-7 혼합막 모두 ZIF-7 혼입에 따라 투과도가 감소하는 비슷한 현상을 보였지만, CO2 투과도의 경우는 고분자에 종류에 따라 조금 다른 경향을 보였다. Pebax-1657/ZIF-7 혼합막의 경우는 ZIF-7의 0~3 wt% 함량 범위에서 CO2 투과도가 감소하다가 그 이후 함량에서 투과도가 증가하였고, Pebax-2533/ZIF-7 혼합막의 경우는 ZIF-7의 0~5 wt% 함량 범위에서 CO2 투과도 증가 없이 감소하였다. CO2/N2 선택도의 경우 두 혼합막 모두 ZIF-7의 함량이 많아짐에 따라 증가하는 경향을 보였으며, 특히 Pebax-2533/ZIF-7 5 wt%은 다른 혼합막들에 비해 가장 좋은 투과 성능을 보였다. 이는 ZIF-7이 Pebax-1657보다 Pebax-2533에 더 좋은 호환성을 보이며 CO2에 대한 선택적인 특성이 잘 나타났기 때문으로 생각된다.

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6고성능 평면 슈퍼커패시터를 위한 얇고 유연한 폴리아닐린 전극 제작

저자 : 손선규 ( Seon Gyu Son ) , 김서진 ( Seo Jin Kim ) , 신준호 ( Junho Shin ) , 류태공 ( Taegon Ryu ) , 정재민 ( Jae-min Jeong ) , 최봉길 ( Bong Gill Choi )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학 32권 4호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 403-408 (6 pages)

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본 논문에서는 얇고 유연한 평면 슈퍼 커패시터(PSC)를 스크린 인쇄된 탄소 전극에 폴리아닐린(PANI)을 코팅하여 제작하였습니다. 스크린 프린팅 방법을 사용하여 유연한 폴리에틸렌 테레프탈레이트에 탄소 잉크를 코팅한 후 희석 중합 법을 사용하여 탄소 표면에 PANI 박막을 코팅하였습니다. 서로 맞물린 구조의 얇은 유연한 PANI 전극을 폴리머겔 전해질로 조립하여 평면 모양의 슈퍼 커패시터(PSC) 장치를 만들었습니다. 상기 제조된 PANI/PSC는 매우 얇고 유연 하였으며, 10 mV/s에서 409 μF/cm2의 높은 면적 정전용량을 나타내었습니다. 이 값은 500 mV/s에서 원래 값의 46%로 유지되었습니다. 유연한 PANI/PSC는 180°의 구부러진 상태와 100번째의 반복적인 피로도 테스트에서도 82%의 높은 정전 용량 유지를 보여주었습니다.

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7전기화학적 산화를 위한 삼원 전이 금속 코팅 불용성 산화 전극 제조에 관한 연구

저자 : 박종혁 ( Jong-hyeok Park ) , 최장욱 ( Jang-uk Choi ) , 박진수 ( Jin-soo Park )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학 32권 4호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 409-416 (8 pages)

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불용성 산화 전극은 전기화학적 수처리 공정에 있어 가장 핵심적인 소재이며, 이를 이용하여 난분해성 유기물질을 분해하는 방법으로 많은 연구가 진행되어 왔다. 이러한 불용성 산화 전극 제조에 있어 금속 기판 표면에 코팅하는 금속 촉매의 종류, 코팅 방식, 소결 방법 등의 다양한 제조 변수가 불용성 산화 전극의 성능 및 내구성에 영향을 미친다. 본 연구에서는 Ir-Ru-Ta 삼원 금속 코팅을 활용하여 동일한 전 처리 및 소결 조건에서 코팅 방법에 따라 불용성 산화 전극을 제조하고 이의 성능과 내구성을 연구하였다. 코팅 방식은 브러쉬 및 스프레이 코팅법을 활용하였으며, 그 결과 최적화된 스프레이 코팅 조건에서 동일한 촉매 잉크양으로 더 많은 금속을 Ti 기판 표면에 코팅이 가능하여 촉매 잉크 저감이 가능한 것을 확인하였다. 또한, 전극 표면의 갈라짐 현상 및 삼원 금속의 균일한 도포에 의해 스프레이 코팅법으로 제조한 Spray_2.0_3.0 전극이 가장 높은 전기화학적 활성 비표면적을 보여주었으며, 4-chlorophenol의 분해 성능이 타 전극에 비해 우수한 것으로 나타났다. 하지만, 불용성 산화전극의 내구성은 전극의 코팅방법에 따라 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.

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8유기 단열재의 화재위험성 등급 평가

저자 : 유지선 ( Ji Sun You ) , 전남 ( Nam Jeon ) , 정영진 ( Yeong-jin Chung )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학 32권 4호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 417-422 (6 pages)

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본 연구에서는 유기 단열재인 poly isocyanurate foam (PIR), poly urethane foam (PUR), phenol foam (PF)을 선정하여 ISO 5660-1의 기준에 따라 콘칼로리미터(cone calorimeter)를 이용하여 측정하였다. 화재위험성 평가를 표준화하기 위하여 기준물질(PMMA)을 사용하여 Chung's equations-III와 Chung's equation-IV에 의한 화재위험성을 등급화하여 평가하였다. Chung's equations-II의 화재성능지수-II 값은 PF가 14.77 s2/kW로 화재성능지수-II가 가장 높았고, PUR이 0.08 s2/kW로 화재성능지수-II가 가장 낮았다. 화재성장지수-II 값은 PF가 0.01 kW/s2로 화재성장지수-II가 가장 낮았고, PUR 이 1.14 kW/s2로 화재성장지수-II가 가장 높았다. Chung's equations-III의 화재성능지수-III에서 PUR이 0.11로 화재성능 지수-III가 가장 낮게 나타났고, PF가 20.23으로 화재성능지수-III가 가장 높았다. FGI-III에서는 PUR이 14.25로 화재성장지수-III가 가장 높게 나타났고, PF가 0.13으로 가장 안전한 물질로 판단하였다. 그리고 Chung's equation-IV의 화재위험성지수-IV는 PUR (130.03) >> PIR (19.13) > PMMA (1.00) > PF (0.01)의 순서로 나타났다. 따라서 PF가 화재위험성이 가장 낮고, PUR이 가장 높은 것으로 판단하였다.

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9화재 발생 시 목재 수종의 화재위험성 등급 평가

저자 : 진의 ( Eui Jin ) , 정영진 ( Yeong-jin Chung )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학 32권 4호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 423-430 (8 pages)

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본 연구는 건자재용 목재의 화재위험성 및 화재위험성 등급을 평가하기 위하여 Chung's equations-III, -IV에 의한 화재성능지수-III (FPI-III), 화재성장지수-III (FGI-III), 화재위험성지수-IV (FRI-IV)를 중심으로 조사하였다. 시험편은 적삼목, 전나무, 물푸레나무, 단풍나무를 사용하였다. 화재 특성은 시험편에 대하여 콘칼로리미터(ISO 5660-1) 장비를 이용하여 조사하였다. 연소반응 후 측정된 FPI-III는 polymethylmetacrylate (PMMA) 기준으로 0.86∼12.77로 나타났다. FGI-III는 PMMA를 기준으로 0.63∼5.26으로 나타났다. 화재위험성 등급 지수인 FRI-IV에 의한 화재 등급은 0.05∼6.12였으며 적삼목이 단풍나무와 비교하여 122.4배 높았다. FRI-IV에 의한 화재위험성 등급은 단풍나무, 물푸레나무, 전나무, PMMA, 적삼목 순서로 증가하였다. 모든 시편의 CO 피크농도는 103∼162 ppm으로 측정되었으며 미국직업안전위생관리국(occupational safety and health administration)의 허용기준(permissible exposure limits)인 50 ppm보다 2.1∼3.2배 높게 나타났다. 적삼목과 같이 체적밀도가 작고 휘발성 유기물질을 다량 함유한 소재는 FPI-III가 낮고 FGI-III가 높으므로 화재위험성 등급이 높은 것으로 나타났다.

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10ZIF-8@GO를 함유한 PEBAX-PEI 복합막의 기체투과 특성

저자 : 이은선 ( Eun Sun Yi ) , 홍세령 ( Se Ryeong Hong )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학 32권 4호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 431-441 (11 pages)

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본 연구에서는 PEBAX에 GO과 ZIF-8@GO의 함량을 달리하여 PEBAX/GO-PEI 복합막과 PEBAX/ZIF-8@GO-PEI 복합막을 제조하고, N2와 CO2의 투과 특성을 연구하였다. 전체적으로 PEBAX/GO-PEI 복합막의 N2와 CO2 투과도는 GO 함량이 증가할수록 감소하였고, CO2/N2 선택도는 약간 증가하였다. PEBAX/ZIF-8@GO-PEI 복합막에서도 N2의 투과도는 감소하였으나 CO2는 ZIF-8@GO 1 wt%까지 증가하였고, 그 이후의 함량에서는 감소하였다. CO2/N2 선택도는 ZIF-8@GO 1 wt%에서 92.3으로 가장 높은 선택도를 보였는데 이는 PEBAX와의 호환성을 향상시켜 고르게 분산되면서 다공성의 ZIF-8의 효과와 함께 CO2에 친화성이 좋은 GO, ZIF-8의 효과를 가장 크게 받았기 때문으로 생각된다. 또한 PEBAX/ZIF-8@GO-PEI 복합막은 ZIF-8@GO 5 wt%를 제외하고 PEBAX-PEI와 PEBAX/GO-PEI 복합막보다 CO2 투과도와 CO2/N2 선택도가 모두 향상되면서 Robeson upper bound에 근접하는 결과를 얻었다.

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