초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
자가세척 기능을 갖는 친환경 셀룰로오스 방오 소수성 코팅제 개발

◼ 전체 내용
(연구배경)
⦁ 해양이나 수중에 시공된 구조물은 수중물질의 부유물이나 어패류, 조류, 미생물 등 다양한 물질은 콘크리트 표면에 부착되어 오손(fouling) 및 손상이 야기되기 때문에 주기적인 청소가 요구되고 있으며, 유지관리 비용 또한 증가하고 있음. 또한 콘크리트 및 강재 구조물은 가혹한 해양 환경 조건에 의해서 부식 및 파손 등이 발생하여 내구성이 저하되는 문제가 발생할 수

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
자가세척 기능을 갖는 친환경 셀룰로오스 방오 소수성 코팅제 개발

◼ 전체 내용
(연구배경)
⦁ 해양이나 수중에 시공된 구조물은 수중물질의 부유물이나 어패류, 조류, 미생물 등 다양한 물질은 콘크리트 표면에 부착되어 오손(fouling) 및 손상이 야기되기 때문에 주기적인 청소가 요구되고 있으며, 유지관리 비용 또한 증가하고 있음. 또한 콘크리트 및 강재 구조물은 가혹한 해양 환경 조건에 의해서 부식 및 파손 등이 발생하여 내구성이 저하되는 문제가 발생할 수 있음.
⦁ 해양구조물의 손상을 방지하기 위해 해양환경을 고려한 설계가 반영되고 있으며, 강재 구조물은 도료를 활용하여 부식을 방지하고 있음. 하지만 기존의 도료는 유기주석 성분의 확산 및 용출로 인한 유해성에 대한 문제가 논란이 되고 있으며, 유기 실리콘 오염 배척 코팅제가 상용화 되고 있으나 가격이 비싸 특수 용도에만 국한되어 사용되고 있음.
(연구내용)
⦁ 셀룰로오스 나노피브릴(Cellulose nanofibrils, CNF)은 입자의 크기가 100nm 미만인 셀룰로오스 섬유로, 지구상에서 가장 많은 물질로 알려져 있으며, 우수한 강도뿐만 아니라 가공 방식에 따라 다양한 형태로 가공될 수 있어 제지 생산뿐만 아니라, 다양한 산업에 활용할 수 있는 잠재성이 있는 물질로 평가 받고 있음. 친환경 물질로 제지 및 의학 분야에서 주로 활용되고 있으며, 미국 일본 등에서는 대규모 생산 설비를 구축하여 본격적으로 생산에 나서고 있음.
⦁ CNF는 친수성을 지닌 물질이지만 Alkyl ketene dimer(AKD)를 활용할 경우 소수성으로 개질의 변화가 가능하며, 소수성능은 미세 표면의 특성으로 인해 오염물질 및 수분의 접촉을 최소화하여 콘크리트나 강재의 수명을 향상시킬 수 있는 것으로 평가됨. 따라서, 본 연구에서는 CNF를 AKD 에멀젼에 침지하여 소수성을 나타낼 수 있는 코팅제를 연구하여 해양구조물에 적용할 수 있는 기술을 개발하고자 함. 이에 CNF와 AKD를 혼합하여 소수성 에멀젼을 제조하고 제조된 에멀젼의 소수성능을 분석하여, 방오성능과 내구성능 향상 여부를 평가하고자 함.
(연구필요성)
⦁ 해상풍력발전과 원유 및 가스 개발 등 에너지원의 공급 산업의 확대로 등 세계의 항만 및 해양구조물에 대한 투자는 2000년 38.1억 유로에서 2011년 104.2억 유로로 증가하였으며, 지속적인 증가 추세를 보이고 있음. 해양수산부 자료에 따르면 2013년부터 2017년까지 항만의 자산은 매년 9.7% 증가하였으나, 유지보수 예산은 2.6% 증가하였으며, 유지보수 수요는 늘어나고 있으나 예산은 한정적이기 때문에 유지보수에 어려움이 있음. 이에 따라 해상구조물의 장수명화와 유지보수 문제가 대두되고 있는 가운데, 방청·방오를 위한 고분자 도료 등에 대한 수요가 확대되고 있음.
(연구차별성)
⦁ 최근에는 오염물질 저감을 위해서 이산화티탄과 같은 광촉매 물질을 활용하는 연구가 활발하게 이루어지고 있으며, 실제 상업화하여 제품으로 생산되고 있어 그 활용가치가 높은 것으로 나타남. 이산화티탄의 경우에도 셀룰로오스와 마찬가지로 미세 마이크로/나노 입자로 구성되어 있으며, 특징은 자외선에 노출될 경우 유기오염물질(탄화수소, 오일 등)을 산화 및 분해할 수 있는 반응성 산소종을 생성하므로, 자정작용에 기여하고 심하게 오염된 표면에서 습윤 성질을 회복할 수 있는 장점이 있음. 또한, 이산화티탄과 함께 사용되는 계면활성제의 경우 유기성분이 다양하게 적용되고 있어 해양환경에 적용하기 어려워 본 연구에서 개발하고자 하는 친환경 코팅제와는 차이가 있는 것으로 평가됨.

◼ 1년차
❏ 목표
친환경 셀룰로오스 방오코팅재 최적배합비 개발
❏ 내용
○ 셀룰로오스 나노피브릴을 활용한 방오 코팅제 관련 문헌 조사 및 연구
- 기존 제지, 화장품 분야에서 사용되는 셀룰로오스 코팅제 및 코팅법 등에 대한 기술 고찰
- 셀룰로오스 재료의 특장점 정리 후 배합 기준 및 방법 수립
- 방오 성능 확보를 위한 코팅제와 해양 물질 착생 메커니즘 분석
- 구조물의 방오 성능 확보 방법 정리 및 방오 성능 만족을 위한 최소 성능 기준 마련
○ 셀룰로오스 나노피브릴 방오 코팅제 배합 특성 분석 및 물성시험
- 셀룰로오스 나노피브릴 및 소수성 특성 확보를 위한 AKD 혼합 시험 실시
- 배합된 코팅제 소수성능 시험 실시 후 접촉각 만족 여부 확인
- 코팅제의 화학적, 물리적 성능 평가
- 최적배합비 도출 및 특성 분석
○ 셀룰로오스 나노피브릴 코팅제의 자가세척 및 방오성능 평가
- 배양 실험을 통한 방오성능 확보 여부 검토
○ 셀룰로오스 코팅제의 구조물 적용을 위한 브러쉬 및 스프레이 코팅 기술 개발 및 고찰
- 셀룰로오스 방오 코팅제 코팅제의 브러쉬 및 스프레이 코팅 방법 고찰
- 셀룰로오스 방오 코팅제 코팅제의 브러쉬 및 스프레이 코팅 공법 매뉴얼 도출

◼ 2년차
❏ 목표
친환경 셀룰로오스 방오코팅재 요구성능 확보를 위한 성능평가
❏ 내용
○ 셀룰로오스 나노피브릴 코팅제 도포 콘크리트의 내구성능 평가
- 셀룰로오스 방오 코팅제 도포 후 콘크리트의 동결융해 저항성능 평가
- 셀룰로오스 방오 코팅제 도포 후 콘크리트의 염소 이온 침투 저항성 평가
- 셀룰로오스 방오 코팅제 도포 후 콘크리트의 탄산화 저항성 평가
○ 셀룰로오스 나노피브릴 코팅제 도포 강재의 부식 방지 성능 평가
- 셀룰로오스 방오 코팅제 도포 후 강재의 부식 성능 평가
○ 셀룰로오스 나노피브릴 코팅제 도포후 대상 구조물의 방오 수명 평가
- 셀룰로오스 코팅제 코팅 방법별 코팅 두께 측정
- 셀룰로오스 코팅제 도포 후 해양 노출 시험을 통한 콘크리트와 강재의 코팅 지속 시간 평가
- 장기 노출을 통한 코팅 효과 검증
○ 셀룰로오스 코팅제의 구조물 적용을 위한 UV 및 파우더 코팅 기술 개발 및 고찰
- 셀룰로오스 장오 코팅제 UV 코팅 기술 개발 및 매뉴얼 도출
- 셀룰로오스 방오 코팅제 파우더 코팅 최적 코팅법 제안 및 고찰

□ 연구개발성과
자가세척 기능을 갖는 친환경 셀룰로오스 방오 소수성 코팅제 개발

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
(활용방안)
⦁ 해양구조물의 장수명화 및 유지관리 비용 절감
- 전국의 항만 유지관리비는 1620억원(2020년) 수준이며, 40년 이상 경과 항만시설은 143개, 이중 50년 이상 경과 항만시설은 52개로 항만 구조물의 유지관리 비용에 대한 문제가 대두되고 있음.
- 해양수산부에 따르면 계류시설(부두), 외곽시설(방파제, 호안 등), 임항교통시설, 건축물 등 전체 52개소가 50년 이상 된 것으로 파악하고 있으며, 유지관리에 드는 비용도 2000년대 연평균 1450억 원에서 2010년대에는 1620억 원 수준으로 약 12%가 증가한 것으로 나타났음.
- 해양 수산부는 2020년 말까지 노후 정도, 안전성, 여건변화에 따른 이용수요 등 기술·정책적 요인을 종합적으로 판단해 약 30개의 재생사업 대상 시설물 후보를 선정하여 향후 노후항만 재생계획을 마련할 계획임.
- 이와 관련하여, 콘크리트 및 강재의 내구성능 향상은 현재 보수 및 보강이 예정되어 있는 항만시설물이 향후 재보수 시기를 늦출 수 있을 것으로 판단하며, 본 연구개발을 통해 개발된 코팅제료는 콘크리트뿐만 아니라 강재 시설물에 적용할 경우 시설물의 장수명화를 이룰 것으로 평가됨.
⦁ 정부의 대규모 해상풍력 단지 조성
- 정부가 마련한 제3차 추가경정예산에서 ‘그린뉴딜’ 관련 예산은 4,639억원이 편성되었으며, 이중 해상풍력 부문에는 △해상풍력 인프라 기술 개발 등 160억원 △대규모 해상풍력 단지 개발 지원 35억원 등이 편성되어 최근 친환경 발전에 대한 수요 증가로 인한 대규모 해상풍력 단지 조성이 예고되고 있음.
- 유럽, 중국을 중심으로 19년말 기준 29.1GW의 해상풍력 발전기가 설치되어 있으며 해상풍력의 증가율은 연간 28.7%인 것으로 나타나 세계적으로 해상풍력에 대한 발전 점유율이 향상될 것으로 전망되고 있음.
- 해상풍력은 빠른 성장성으로 재생에너지 중 높은 비중을 차지할 것으로 예상되며 제조업(조선, 기계, 철강)·건설업과 연계성이 크고 고용 유발효과가 커 지역경제 활성화에도 긍정적인 것으로 평가되고 있음.
- 해상풍력발전은 육상과 다르게 조류 및 파랑, 염해에 노출되어 환경적 요인에 의한 성능저하 방지 방안이 마련되어야함. 특히 해양환경에 노출된 풍력 발전 구조물의 수명은 해상 풍력발전의 특성상 육지보다 낮은 것으로 나타나 이에 대한 대비책이 필요함.
- 기존의 해양구조물은 도료 등을 이용하여 장수명화에 대한 목표를 만족시키고 있으나, 도료로 인한 해양오염이 중요한 문제로 대두되고 있어 친환경 도료에 대한 수요가 확대되고 있음.
- 따라서 본 연구에서 개발되는 친환경 셀룰로오스 코팅제의 내구성 및 방오성능이 확보될 경우 해양구조물에 적용하여 구조물 수명 증가 및 유지보수비용 절감이 가능할 것으로 판단됨.

(기대효과)
⦁ 기술적 측면
- 목재의 cellulose nanofibrils은 다공성, 기계적 강도, 반투명성 및 환경적 생분해성으로 생의학 응용분야 및 제지분야에서 활발하게 활용되고 있어 활용성이 높은 물질로 평가되고 있음.
- 일본의 제지 업체인 NIPPON PAPER INDUSTRIES CO., LTD.에서는 성장성 높은 셀룰로오스 나노섬유 개발에 몰두하여 2013년 셀룰로오스 나노섬유 생산을 위한 본격적인 시설로 상용화 공정을 설립하였으며, 이후 2017년에는 TEMPO 촉매 산화법에 의해 화학적으로 처리된 목재 펄프에서 3~4nm의 균일한 섬유폭으로 나노 분산된 섬유를 추출하는 기술을 개발하였음.
- 국내에서도 산림청 국립산림과학원에서 첨단 신소재 원료로 셀룰로오스 나노섬유의 대량생산용 파일럿 설비를 구축하여 상용화를 앞당기고 있으나 해외에 비해 생산 기술에 비해 적용 기술의 확대가 더딘 실정임.
- 건설용 셀룰로오스 섬유 코팅제 개발은 코팅제 뿐만아니라 향후 콘크리트의 충진재로 셀룰로오스 섬유를 활용할 수 있는 것으로 해외에서 보고되고 있으며, 이를 통해 기술의 확대를 앞당길 수 있을 것으로 평가됨.
⦁ 경제적ㆍ산업적 측면
- 휘발성유기화합물(VOCs) 저감 정책으로 도료의 유기용제 사용량을 줄이려는 노력이 강화되고 있는 가운데, 건축용 도료에서는 2017년 건축자재에 대한 사전적합 확인 제도가 도입된 가운데 친환경도료 판매가 빠르게 늘고 있음.
- 공업용 도료에서는 물을 용제로 사용하는 수계 도료, 용제를 쓰지 않는 분체도료/UV도료의 적용 분야가 확대 중이며, 이런 변화들은 도료의 고부가가치화와 R&D와 설비투자 여력을 갖춘 종합 도료사의 경쟁우위 강화를 촉발할 것으로 평가됨.
- 도료 시장에서 원재료의 가격이 급등하고, 경쟁의 심화가 지속되고 있는 가운데서도 도료의 수요는 지속적으로 증가할 것으로 전망되고 있음.
- 건축용 도료시장도 활발하게 증가하고 있는 가운데 고부가가치의 기능성 도료 개발은 산업 전반에 다양하게 활용될 수 있을 것으로 판단되며, 본 연구에서 개발된 친환경 코팅제 역시 기존 도료산업과 더불어 활발하게 이용될 경우 전체 도료 시장 확대와 건설시장에서 해양 구조물용 수요 이외의 건설 분야에서도 수요가 증가 할 것으로 평가됨.

(출처 : 요약문 3p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 요 약 문 ... 3
• 목차 ... 7
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 8
• 가. 연구개발과제의 최종 목표 ... 8
• 나. 연구개발과제의 연차별 목표 ... 12
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 13
• 가. 연구개발과제의 수행과정 및 내용 ... 13
• 나. 연구개발과제 수행 일정 및 주요 결과물 ... 15
• 다. 연구개발과제의 추진전략·방법 및 체계 ... 16
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 17
• 가. 연구수행 결과 ... 17
• 나. 목표 달성 수준 ... 100
• 4. 목표 미달 시 원인분석 ... 106
• 가. 목표 미달 원인(사유) 자체분석 내용 ... 106
• 나. 자체 보완활동 ... 106
• 다. 연구개발 과정의 성실성 ... 106
• 5. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 107
• 6. 연구개발성과 관리 및 활용 계획 ... 108
• 가. 연구개발성과 관리 및 활용 계획 ... 108
• 나. 국내외 시장 동향 ... 108
• 다. 지식재산권, 표준화 및 인증기준 현황 ... 114
• 라. 표준화 전략 ... 115
• 마. 사업화 계획 ... 116
• 바. 연구개발성과의 활용방안 ... 116
• 사. 연구개발성과의 기대효과 ... 119
• 아. 연구성과 총괄 ... 121
• 자. 연구개발성과의 향후 년간 5 (활용보고서 제출기간) 성과활용 목표·계획 ... 122
• 7. 참고 문헌 ... 123
• 끝페이지 ... 126