초록 ▼

1. 연구개발목표
1) 최종목표
- 나노 셀룰로오스의 친환경 공정기술 개발 : 셀룰로오스의 나노 결정화 및 나노 섬유화 기술 확보, 나노 셀룰로오스의 소수화 기술 확보, 목표치 : 농도 20-50g/L, Aspect ratio 50 이상
- 지속가능원료 기반 폴리에스테르계 엘라스토머 (탄성체) 및 나노 탄성 복합체 개발 : 엘라스토머 전환율 60 % 이상, 기계적 특성 (가소성) 5 MPa (응력) 및 500% (변형률) 이상, 엘라스토머 (경화성) 기계적 특성 1 MPa (응력) 및 100% (변형률) 이상, 폴리

1. 연구개발목표
1) 최종목표
- 나노 셀룰로오스의 친환경 공정기술 개발 : 셀룰로오스의 나노 결정화 및 나노 섬유화 기술 확보, 나노 셀룰로오스의 소수화 기술 확보, 목표치 : 농도 20-50g/L, Aspect ratio 50 이상
- 지속가능원료 기반 폴리에스테르계 엘라스토머 (탄성체) 및 나노 탄성 복합체 개발 : 엘라스토머 전환율 60 % 이상, 기계적 특성 (가소성) 5 MPa (응력) 및 500% (변형률) 이상, 엘라스토머 (경화성) 기계적 특성 1 MPa (응력) 및 100% (변형률) 이상, 폴리에스테르계 엘라스토머와 나노셀룰로오스 복합체 기계적 특성 20% (응력 및 변형률) 이상 향상
- 지속가능원료 기반 폴리우레탄계 엘라스토머 (탄성체) 및 나노 탄성 복합체 개발 : 엘라스토머 전환율 80 % 이상, 엘라스토머 (경화성) 기계적 특성 2 MPa (응력) 및 300% (변형률) 이상, 폴리우레탄계 엘라스토머와 나노셀룰로오스 복합체 기계적 특성 100% (응력 및 변형률) 이상 향상
- 헤테로 고리형 바이오 단량체를 이용한 고강도 열가소성 엘라스토머 합성. 전환수율 80 % 이상, 인장강도 50 MPa 이상, 신장율 500% 이상. 열가소성을 활용한 재활용성 연구.
- 나노 키틴의 친환경 생산 및 건조 기술 개발: 나노 키틴의 직경 및 길이 제어, Aspect ratio 10 이상. 건조 기술을 개량하여 농도를 500 g/L 이상을 만드는 방법 개발
- 생물전환공정을 이용하여 미활용 바이오매스로부터 탄성소재 제작을 위한 바이오 단량체, 바이오 가소제, 생적합 색소 소재 개발 (각 1건)
2) 연차별 기술개발수준(TRL) 현황
3) 2019년도 목표(5년차)
- 나노 셀룰로오스의 친환경 제조 공정기술 개발 1) 친환경 전처리를 통한 Acid-free 셀룰로오스 나노 결정체 제조 수율 향상, 표면개질을 통한 고기능성 부여 : 수율 45% 이상, (+) 혹은 (-) charge 도입, 소수성 도입. 2) PS의 graft된 셀룰로오스 나노 섬유와 SBC의 복합화를 통한 나노 탄성 복합체 개발 : 탄성계수 50% 이상 증가
- 지속가능원료 기반 폴리에스테르계 엘라스토머 (탄성체) 및 나노 탄성 복합체 개발. 1) 부틸고무/PLA 그래프트 공중합체를 이용한 열가소성 엘라스토머 전환율 : 90% 이상. 2) 부틸고무/PLA 그래프트 공중합체를 이용한 열가소성 엘라스토머 기계적 특성 : 5 MPa 이상 (응력) 및 500% (변형률) 이상. 3) 부틸고무/PLA 그래프트 공중합체를 이용한 열가소성 엘라스토머 기계적 특성 : 탄성계수 50%이상 증가. 4) 열적 특성 강화를 위한 열가소성 다중가지 폴리에스테르계 엘라스토머 공중합체 전환율 : 90% 이상. 5) 열적 특성 강화를 위한 열가소성 다중가지 폴리에스테르계 엘라스토머 공중합체 열분해 온도 : 30 ℃이상 증가. 6) 지속가능 원료기반 PVC 가소제 전환율 : 90% 이상. 7) 지속가능 원료기반 PVC 가소제에 의한 기계적 특성 : 200% (변형률) 이상. 8) 다중가지 폴리에스테르계 엘라스토머의 모폴로지 연구
- FDCA와 Isosorbide와 같은 헤테로 고리형 바이오 단량체를 이용한 고강도 열가소성 엘라스토머 합성. 단량체로부터 전환수율 80 % 이상을 달성하고 인장강도 50 MPa 이상, 신장율 500% 이상.
- 생산된 열가소성 바이오 엘라스토머의 열가공법 개발. 특히 3D 프린팅 기술을 활용하여 바이오메디칼 용도로 사용될 수 있는 바이오 엘라스토머 성형 기술개발.
- 해양수산 폐기물로부터 천연 보강소재인 키틴 나노섬유를 추출하는 기술 및 건조하는 기술 개발.
- 나노 키틴의 직경 및 길이 제어, Aspect ratio 10 이상. 건조 기술을 개량하여 농도를 500 g/L 이상을 만드는 방법 개발. 표면 처리 방법을 개발하여 친수성 및 소수성을 갖게 하는 기술 개발.
- 미활용 바이오매스 기반 탄성소재 생물전환공정 개발 1) 미활용 바이오매스 유래 방향족 화합물을 이용하여 주요 전구체인 protocatechuic acid (PCA) 생산시스템 개발 2) PCA 기반 신규 단량체, 가소제, 생적합 색소 등을 만들 수 있는 생합성경로 개발 3) 미활용 바이오매스에서 One-step 생물전환 할 수 있는 미생물 개발 4) 미활용 바이오 매스 유래 슈가 기반 단량체 생산 균주 개발

2. 연구개발 필요성
1) 지속가능원료 기반 탄성 폴리우레탄/폴리에스테르 복합소재는 기존의 석유화학 기반 필수소재를 대체할 수 있는 자동차 및 전자산업 분야에서의 국가 경쟁력을 좌우하는 환경친화적인 핵심 필수소재임
- 석유화학 기반 화학제품은 원료의 수급, 환경오염, 원료의 고갈 등의 문제점을 갖고 있어, 향후 단기적으로는 화학제품의 원료 물질의 대체 및 용도 다각화와 장기적으로 지속 성장가능한 탄수화물 시대를 대비하기 위해 친환경 제조 공정을 개발하는 것은 필수적인 것임
- 자동차 및 전자제품의 핵심 부품 소재로 사용되는 석유기반 탄성 복합소재를 대체할 수 있는 지속가능자원 기반 폴리에스테르 엘라스토머 및 폴리우레탄 엘라스토머 소재를 시급히 개발할 필요가 있음

2) 화학(연) 지속가능 원료 활용 원천기술 기확보 및 이를 활용한 고부가화 필요
- 폴리우레탄/폴리에스테르 엘라스토머의 물성 향상용 핵심첨가제로 사용가능한 셀룰로오스 기반의 나노 셀룰로오스 제조는 일부 대학 및 펄프제지 관련 회사에서 연구개발을 진행하고 있으나 이들을 활용하여 고분자 복합소재화 하기 위해서는 나노 셀룰로오스 표면에 소수화 관능기로 개질을 수행하여야 하는 바 기술적 한계를 극복하지 못함
- 한국화학연구원 산업바이오화학연구팀에서는 3년의 연구개발을 통하여 고농도 셀룰로오스 나노 크리스탈의 친환경 공정 확립 (세계 최고수준), TEMPO-산화 나노 피브릴 제조 (세계 최고 동등 수준) 등의 원천기술 (세계 최초기술)을 보유하고 있음
- 화학(연) 보유 나노 셀룰로오스 제조 기술, 이들의 표면개질 기술 및 폴리우레탄 우레아 복합소재화 원천기술을 기반으로 고부가 엘라스토머 제조 공정을 확립하여 자동차 및 전자산업의 핵심 부품소재로 적용함으로써 기술력을 향상하고 선진국의 기술예속화에서 탈피하여야 함
- 폐자원의 고부가화가 가능한 자원순환형 바이오플라스틱 제조기술의 개발을 통해 플라스틱 전·후방 기업의 산업원천기술 확보에 기여

3. 연구개발 주요내용
1) 나노 셀룰로오스의 친환경 제조 공정기술 개발
- 친환경 전처리를 통한 Acid-free 셀룰로오스 나노 결정체 제조 수율 향상, 표면개질을 통한 고기능성 부여
- PS의 graft된 셀룰로오스 나노 섬유와 SBC의 복합화를 통한 나노탄성복합체 개발
2) 지속가능한 원료유래 다양한 형태 및 목적을 가지는 폴리에스테르계 엘라스토머
(탄성체) 및 나노 탄성 복합체 개발
- 상용 고무와 PLA를 이용한 그래프트 공중합체를 이용한 열가소성 엘라스토머 제조 공정기술개발
- 열적 특성 강화를 위한 열가소성 다중가지 폴리에스테르계 탄성공중합체 제조
- 지속가능 원료기반 PVC 가소제 제조
3) 사이클릭 에스테르유래 폴리우레탄계 탄성체를 이용한 점착시스템 개발
4) 지속가능한 원료유래 헤테로 고리형 단량체를 기반으으로 하여 열가소성 엘라스토머 및 나노 복합체 개발
- 식물성 성분으로부터 유래한 FDCA (퓨란계단량체) 및 isosorbide와 같은 헤테로 고리형 단량체를 이용하여 고강도 열가소성 엘라스토머를 합성함.
- 헤테로 고리형 단량체 중합 전환율 80%이상
- 나노셀룰로오스 및 나노키틴은 고강도 천연 나노섬유를 활용하여 엘라스토머의 강도를 보강함.
5) 나노 키틴의 친환경 생산 및 건조 기술 개발
- 다양한 기능을 가질 수 있도록 나노 키틴의 직경 및 길이 제어하여, 나노 키틴 소재의 라이브러리 구축.
- 키틴 나노소재의 표면 제어 기술: 소수성/친수성/표면전하/기능기 등을 도입할 수 있는 제어 기술
- 나노 키틴 고농도화를 위한 건조 기술 및 재분산 기술 개발
6) 의료용 소재 개발을 위한 열가소성 엘라스토머 3D 프린팅 가공 기술 개발
- 3D 프린팅시 일반적으로 계면 접착 불량으로 물성이 떨어짐.
- 엘라스토머 분자 설계로 계면 접착력 증대
- 사출 제품의 기계적 물성에 70% 이상을 가질 수 있는 3D 프린팅 가공기술 개발.
7) 미활용 바이오매스 기반 탄성소재 생물전환공정 개발
- 미활용 바이오매스의 선별 및 분해경로 탐색 및 도입
- 미활용 바이오매스 분해 미생물 탐색 및 유전자 탐색/도입
- 미활용 바이오매스 유래 방향족 화합물을 이용하여 핵심 전구체인 PCA 생산하는 대사경로를 도입
- PCA 기반 신규 탄성 소재 단량체, 가소제, 색소 등을 생합성할 수 있는 대사경로 탐색 및 도입
- 미활용 바이오매스 유래 방향족 화합물을 이용하여 one-step으로 탄성소재 단량체, 가소제, 색소 등을 생합성 할 수 있는 균주 개발 및 반응 최적화
- 미활용 바이오매스 유래 슈가를 이용하여 탄성 소재 생산하는 균주 개발 및 반응 최적화

4. 수탁사업과의 차별성 및 연계성
1) (환경부 글로벌탑) 동식물유 폐자원 유래 화학원료의 고부가화
- (차별성) 본 과제는 동식물유 폐자원을 활용하여 중합용 모노머를 제조하는 기술로 실증플랜트를 구축하는 과제임
- (연계성) 본 과제에서 발생하는 지방산 및 다이머산 유도체는 엘라스토머 복합소재 제조시 원료로 사용하거나 첨가제로 사용할 수 있음
2) (산자부 산업원천) 바이오기반 고무배합 첨가제 및 부틸고무 제품 생산기술 개발
- (차별성) (폐)식물유를 활용하여 부틸고무에 첨가되는 석유기반의 윤활유 및 공정유를 대체하는 기술개발 과제임
- (연계성) 부틸고무의 이중결합의 개질을 통해 탄성체로 사용할 수 있음

5. 연구개발 추진계획
1) 셀룰로오스 직접개질에 의한 탄성 소재 개발
- 셀룰로오스 백본 (backlbone) 구조의 개질을 위한 화학반응 조사 및 평가
- 개질을 위한 화학반응 셀룰로오스 적용 및 평가
2) 헤테로고리형 단량체를 이용한 고강도 열가소성 엘라스토머 소재 개발
- 바이오매스 유래 헤테로 고리형 단량체 이용 엘라스토머 합성 기술
- 천연 나노섬유 보강을 통한 기계적 물성 극대화 기술
3) 열가소성 엘라스토머 보강을 위한 나노 키틴 제조 기술
- 해양 바이오매스로부터 키틴을 추출하는 기술
- 기질과의 접착력 증대를 위한 나노 키틴 표면 제어 기술
- 키틴 나노섬유 고농도화를 위한 건조 기술 개발
4) 고강도 열가소성 소재의 3D 프린팅 기술개발
- 개면 접착력 향상을 위한 분자 설계 및 조성 최적화
- 사출물의 70% 이상에 준하는 기계적 물성을 유지하는 소재기술 개발
5) 미활용 바이오매스 기반 탄성소재 생물전환공정 개발
- 탄성소재 생산을 위한 미활용 바이오매스 조사 및 평가
- 미활용 바이오매스내 주요 성분 분석을 통한 탄성소재 생물전환전략 수립
- 탄성소재의 고효율 생산을 위한 최적 생합성 경로 설계 및 평가
- 미활용 바이오매스 성분의 고효율 전환을 위한 균주 개량 및 평가
- 미활용 바이오매스 활용 one step 생물전환공정 개발

6. 개방형 연구개발 계획
1) 학-연 위탁연구 : 셀룰로오스 직접개질에 의한 탄성 소재 개발
2) 산-연 공동연구
3) 연-연 융합연구

7. 기대성과
1) (정성성과)
- 친환경 전처리를 통한 Acid-free 셀룰로오스 나노 결정체 제조 수율 향상, 표면개질을 통한 고기능성 부여
- PS의 graft된 셀룰로오스 나노섬유와 SBC의 복합화를 통한 나노탄성복합체 개발
- 상용 고무와 PLA를 이용한 그래프트 공중합체를 이용한 열가소성 엘라스토머 제조 공정기술개발
- 열적 특성 강화를 위한 열가소성 다중가지 탄성체 공중합체 제조
- 지속가능 원료기반 PVC 가소제 제조
- 사이클릭 에스테르유래 폴리우레탄계 탄성체를 이용한 점착시스템 개발
- 국내 미활용 바이오매스의 고부가화 재자원화 생물전환 원천기술 확보
- 석유 유래 플라스틱 소재를 대체하는 바이오플라스틱 소재를 개발하여 환경오염문제 해결에 기여
- 자원순환형 바이오플라스틱 제조기술 개발은 통한 미활용 자원의 환경 문제 해결 및 바이오플라스틱 산업 경쟁력 강화
2) (정량성과)
- SCI 급 논문 3건 및 특허 출원 2건
-“헤테로고리형 단량체 기반 열가소성 엘라스토머 개발 ”관련 논문
-“나노 키틴 소재 가공 기술 개발”관련 논문
- 특허출원 “헤테로고리형 단량체 기반 열가소성 엘라스토머” 관련
- 특허출원 “나노 키틴 소재 가공 기술”관련
- 미활용 바이오매스 기반 탄성소재 생물전환기술 개발관련 논문
3) 타 연구사업 연계전략 및 추진계획
- 산업부 바이오플라스틱개발사업 비예타프로그램(4년, 270억) ‘20년 상반기 신청을 목표로 원천기술 개발

(출처 : 요약서 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 2019년 주요사업 연구계획 요약서 ... 2
• 2019년 주요사업 연구계획서 ... 7
• 1. 연구개발 개요 ... 8
• 가. 개발기술의 개요 ... 8
• 나. World First/Best 기술 정도 ... 12
• 2. 연구개발의 필요성 ... 14
• 가. 기술개발 이슈 및 선행기술의 한계점 ... 14
• 나. 관련 기술분야 연구개발 실적 ... 14
• 다. 연구개발 필요성 ... 17
• 3. 국내외 연구개발 현황 ... 19
• 가. 국내외 기술개발 동향 및 전망(Paper, Patent) ... 19
• 다. 기존 유사 연구사업 대비 차별성(Project) ... 23
• 4. 연구개발 목표 및 내용 ... 27
• 가. 연구개발의 최종목표 ... 27
• 나. 연차별 연구개발 목표 ... 28
• 다. 주요 연구내용 ... 31
• 5. 연구개발 추진전략 및 체계 ... 32
• 가. 연구개발 추진전략 ... 32
• 나. 연구개발 추진체계 ... 34
• 6. 기대성과 ... 34
• 가. 과학기술적 측면 ... 34
• 나. 경제적 측면 ... 35
• 다. 사회적 측면 ... 36
• 7. 활용방안 ... 37
• 가. 핵심 IP 확보 및 상용화 전략 ... 37
• 나. 타 연구사업 연계 전략 ... 37
• 8. 연구평가의 착안점 및 척도 ... 39
• 가. 평가 착안점 ... 39
• 나. 연차별 연구개발목표 ... 40
• 끝페이지 ... 41