| 2차년도 |
‘3차원 미세망상구조 세라믹스’ 제조공정 개발 및 소재 구현- 광학 3차원 리소그래피를 통한 주기적 3차원 미세망상구조 템플릿 제조- 용액 또는 저온 에칭 가능한 3차원 미세망상구조 템플릿 탐색 및 선정- 반도체공정(ALD, RIE) 기반 2종 이상 세라믹 물질전환 공정 개발- 공정변수 설계를 통한 3차원 미세망상구조 정밀제어 (기공 크기: <2.5㎛)- 자가지지(freestanding) 멤브레인화 공정 개발 (막 두께: >25㎛)
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1) 3차원 미세망상구조 템플릿을 제조하기 위한 광학 3차원 나노패터닝 연구· 25㎛ 이상의 투명하고 두꺼운 MEMS용 포토레지스트 탐색 및 선정· 공정기술 탐색 및 선정 (proximity field nanopatterning 또는 UV LED lithography)· 광학 시뮬레이션을 통한 구조 설계 및 대면적 노광 시스템 셋업 (면적: >1in2)· 최적 공정 조건(노광시간, 베이킹 온도 및 시간, 현상시간 등) 확립· 자가지지 멤브레인화 공정 개발2) 3차원 미세망상구조의 세라믹 소재화를 위한 물질전환공정 연구· ALD용 전구체 탐색 및 선정· 고분자 템플릿 친수성 표면처리 공정 개발· 2종 이상의 세라믹 증착 조건 확립· ALD cycle 변화를 통한 박막 증착 두께 정밀 제어· RIE(reactive ion etching) 또는 열처리 등 템플릿 제거 공정 개발 및 최적화
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| 연구성과 |
기술적 기대성과 |
- 현재, 초미세먼지 차단용 창호 기술은 방사 기술로 제조된 고분자 나노섬유 방진망에 전적으로 의존하고 있으나, 고분자는 열적·기계적·화학적으로 매우 취약하여 외부 환경변화에 민감하고 내구성에 문제가 있다. 또한, 방사 공정을 통해 제조된 나노섬유 방진망은 미세기공의 정밀제어가 불가능하고 기공이 정렬되지 못한 무작위한 3차원 망상구조를 갖기 때문에 최대 필터효율이 제한되고 광학적으로 불투명하다. 본 연구를 통해 개발될 ‘주기적 3차원 미세망사구조 기반의 세라믹 방진막’은 기존 나노섬유 방진망의 성능한계를 대부분 뛰어넘을 수 있다.
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| 사회 경제적 파급효과 |
○ 경제적,산업적 측면 - 현재 나노다공체 기반 응용산업 시장규모는 연간 약 6조원에 달하는데, 이에 특화된 소재 합성/가공 기술 개발 시 최소 5%의 시장점유율만 달성해도 수천 억 이상의 경제적 효과를 기대할 수 있다. 특히, 공기청정기 시장의 경우 이미 국내 시장만 3조원에 달하는 거대 규모로 성장하였는데 HEPA필터 및 방진망 등 건축 부자재 시장까지 포함하면 최소 수 십 조원에 달하는 시장이 미세먼지 차단 및 정화 기술과 밀접한 관련이 있다. 따라서 HEPA필터를 대체할만한 고기능성 신소재 개발 시 경제적？산업적 효과는 막대할 것으로 사료된다. - 본 최종 성과품의 직접적 적용 시장으로는 건축자재용 방진망, 판유리 시장 등이 있다. 국내 판유리 시장의 경우 규모가 대략 4000억원 이상으로 추산되고 있지만, 판유리 공정/소재 기술이 기술적으로 노후화되었을 뿐만 아니라 최근 저가의 중국, 동남아시아 및 중동산 판유리의 대량 공급으로 국산 점유율이 떨어져 위기를 맞고 있다. 따라서, 본 최종 성과품과 같은 신개념 고기능성 창호 자재 및 첨단 제조공정의 개발은 국내 기술력을 기반으로 한 방진망 및 판유리 시장 점유율 확대를 이룩함과 더불어, 더 나아가 세계 시장 신규 진입을 가능케 할 수 있다. - 본 최종 성과품의 간접적 적용 시장으로는 분야로는 UTG(Ultra Thin Glass), 이차전지용 분리막 등으로 들 수 있다. UTG 시장은 폴더블폰의 급속한 발전과 더불어 현재 1900억원 규모에서 2023년 7800억원으로 고성장이 전망되지만, 국내에 기술력을 지닌 중소기업체가 10개 미만에 불과하다. 이차전지용 분리막시장은 2020년 기준 4조2000억 이상의 시장을 형성하고 있으나, 국산화율 30% 이하로 일본, 중국산 제품의 의존도가 매우 높은 상황이다. 본 최종 성과품과 같은 3차원 미세망상구조 세라믹스가 성공적으로 개발될 경우 상기의 고부가가치 산업에 해당되는 소재부품의 기술국산화가 가능하여 해외의존도를 크게 낮추고 막대한 경제적 이익을 가져올 것으로 기대된다. - 결론적으로, TRL 5단계를 목표로 하는 본 기반연구가 성공적으로 수행될 시, 관련 산업체(LG 하우시스, 코스모앤컴퍼니, 3M, 코오롱, 유티아이, 도우인시스, 켐트로닉스, 뉴파워프라즈마 등)에 확보한 원천특허를 기술이전하거나, 교내외 창업지원프로그램(TIPS프로그램 등)을 활용하여 직접 기술사업화할 수 있을 것으로 기대된다. ○ 사회적 측면 - 본 연구에서 핵심적으로 다루는 광학 3D 리소그래피 기술의 경우 건축 자재 등 적절한 응용 분야가 제시될 시 특수목적 산업 특화 제조기술로써 신규 시장 창출 및 직·간접적 인력고용 향상이 가능하고, 4차산업혁명 관련 분야인 3D 프린팅과 매우 밀접하여 기술 국산화를 통한 해외의존도 감소 및 국내 전문인력 양성에 크게 기여할 수 있다. 또한, 본 연구의 최종성과물로써 구현될 초미세먼지 차단용 신개념 창호 자재는 최근 대두되는 실내 공기오염과 관련한 건강문제를 원천적으로 해결할 수 있는 잠재적 가능성이 있어 국민 건강보건 증진에 크게 기여할 수 있다.
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| 활용방안 |
○ 본 연구는 종료 시 TRL5단계를 목표로 한다. 최종성과물은 ‘3차원 미세망상구조화된 세라믹 원천소재’로써, 연구가 종료된 이후 중소기업청 과제 및 산업자원통상부의 이어달리기사업 등 후속 연계 사업을 통해 건축 및 창호 업체와 협업하여 기술 상용화를 이룩할 수 있다. 주요 대상 업체로는 LG하우시스, 현대L&C, 대상테크롤, 고구려시스템, 성광유니텍, 네오스텍, 텍스토머, 월드크린에어리어, 유비라커산업, 오투클린 등이 있다.○ 본 연구의 최종성과품은 미세먼지 필터효율을 95% 이상으로 목표하기에 창호 자재로 활용 시 실내에 유입되는 미세먼지는 거의 발생하지 않을 것으로 예상된다. 외부 표면에서 차단/포집된 미세먼지의 제거가 주기적으로 필요할 수 있는데, 개발된 3차원 미세망상구조 세라믹스는 표면 나노구조로 인해 초소수성 특성을 가지므로 건축물의 바깥쪽에서 간단히 물을 분무하여 차단/포집된 미세먼지를 손쉽게 제거할 수 있다. 또한, 기존의 공기청정기술 또는 플라즈마 분해/처리 기술과 연동되어 차단/포집된 미세먼지를 완벽히 제거할 수도 있다. 후속 연계사업을 통해 광촉매 성능을 갖는 물질로 3차원 미세망상구조 세라믹스를 구현한다면, 태양빛에 의해 자연적으로 미세먼지가 분해되는 자가세정형 창호 자재의 개발도 가능할 것으로 기대된다. ○ 이외에도 후속 연계기초연구가 병행된다면 방사 공정으로 제조된 기존 고분자 기반 나노섬유 소재의 한계점에 노출된 응용처들의 경우 대부분 ‘3차원 미세망상구조화된 세라믹 소재’로 대체하면 개선할 수 있다. 즉, 공정 최적화를 통해 HEPA필터 또는 분리막 등에 적합한 물성/성능을 갖도록 변형하면 이차전지 및 공기청정기를 포함한 각종 응용산업에 핵심 소재부품으로 요긴하게 활용될 가능성이 있다.
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