일본산업뉴스요약

Start Up Innovation / Science
모래로 견고한 고기능 소재 만들어
NEDO, 규소를 제어/ 석유를 대체할 가능성

규소(실리콘) 화합물의 정밀한 제어를 통해 고기능 소재를 만드는 연구가 추진되고 있다. 규소 화합물을 이용할 경우, 탄소 화합물로 만든 플라스틱 수지와 합성섬유 등보다 내열성 및 강도 등에 우수한 고기능 소재를 만들어낼 가능성이 있다. 석유를 대신해 어디에서나 흔히 볼 수 있는 모래로 다양한 고기능 소재를 만드는 시대가 올 수도 있다.

“기존의 규소 화합물을 재료에 섞는 것만으로도 소재의 내열성 및 강도가 높아진다. 그것을 정밀하게 제어한다면 더욱 고기능의 소재를 만들 수 있을 것이다”. 신에너지∙산업기술종합개발기구(NEDO)가 추진하는 프로젝트 ‘유기 규소 기술개발’의 리더를 맡고 있는 사토(佐藤) 상업기술종합연구소 촉매화학융합연구 센터장은 이렇게 설명한다.

규소 화합물은 지금도 널리 이용되고 있다. 자동차 타이어의 성능을 높이기 위해 배합하고 있는 이산화규소(Sillica)는 규소 화합물의 일종이다. 규소 화합물로 만든 실리콘 수지는 열에 강한 봉지재와 전기를 절연하는 피복재 등에 사용된다.

-- 구조 조작 자유롭게 --
하지만 기존의 규소 화합물은 구조를 정밀하게 제어할 수는 없었다. 물을 주입해 분해하는 기존의 제조법에서는 규소와 산소 등의 원자가 불규칙하게 연결되어 있다.

이번 프로젝트에서 원자가 규칙적으로 나열된 화합물을 만들기 위해 가장 먼저 연구한 것이 기본 구성 단위인 오르토규산을 단독으로 추출하는 것. 연구팀은 알코올 합성에서 그 힌트를 얻었다. 오르토규산은 규산에 산소와 수소로 이루어진 수산기(Hydroxyl group)가 4개 붙어 만들어진 것이다. 탄소에 수산기가 연결된 알코올을 물을 사용하지 않고 만드는 반응을 응용할 수 있을 것으로 생각한 것이다.

연구팀은 알코올의 반응에 이용되는 팔라듐과 탄소의 촉매에 소량의 백금을 더해 96%의 효율로 오르토규산은 만들 수 있게 되었다. 실험에 참가한 이가라시(五十嵐) 산업종합연구소 주임연구원은 “4년에 걸쳐 여러 가지 촉매를 시험해보거나 용매를 바꾸는 등을 시도한 끝에 성공할 수 있었다”라고 말한다.

만들어 본 결과 오르토규산은 안정된 구조를 가지고 있다는 사실도 알 수 있었다. 만들기 전에는 오르토규산은 불안정하고 즉시 다른 물질과 반응해 변하는 것으로 여겨져 왔다. 이 뿐만 아니라 연구팀은 제조법을 한 층 더 개선해 원료를 산(酸)에 혼합하는 것만으로 오르토규산을 저렴하게 만들 수 있는 방법도 개발했다.

오르토산을 만들 수 있게 되면서 규소와 산소가 원형으로 연결된 분자와 바구니와 같은 입체적 구조의 분자 등 원하는 대로 만들 수 있게 되었다. 오르토규산은 유리의 기본 구조로, 분자 1개 정도의 두께이지만 표면에 상처가 잘 생기지 않아 휘어질 수 있는 유리 등의 개발로 이어질 수 있다.

또한 연구팀은 규소 화합물과 유기물이 사슬처럼 연결된 고분자를 원하는 순서로 연결하는 기술도 개발했다. 연결하고 싶은 종류의 재료를 순서대로 용기에 투입하면 투입된 순서로 분자가 연결된다. 연결하는 분자의 종류 및 순서를 바꿔 내열성과 높은 강도 등 다양한 기능을 가진 규소 화합물을 만들 수 있게 되는 것이다.

-- 내열 섬유 제조 --
이처럼 사슬 모양으로 연결된 규소 화합물을 만들 수 있게 됨에 따라 석유 대신 모래를 원료로 한 합성 섬유와 비닐봉투 등에 사용되고 있는 플라스틱을 대체할 수 있는 소재 등도 만들 수 있게 된다. 산업종합연구소에서는 이미 규소로 섬유를 만드는 실험에 성공했다. 예전에 산업종합연구소는 규소를 사용해 섭씨 900도의 높은 온도에 견디는 섬유를 개발한 적도 있어, 이와 같은 고기능 섬유를 낮은 비용으로 제조할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

원소의 주기표에서 보면 탄소의 바로 밑에 위치해있는 규소는 탄소와 비슷한 성질을 가지고 있다. 또한 지구 표면에 존재하는 원소 가운데 약 30%를 차지, 0.1% 전후의 탄소보다 훨씬 많다. 어디든 볼 수 있는 모래의 주성분으로 석유와 같이 지리적으로 편재되어 있지도 않다.

탄소를 주체로 하는 석유는 플라스틱과 합성섬유 등 다양한 소재를 만들 수 있어 거대한 시장이 형성되어 있는 것에 반해 현재 규소에 관련된 산업 규모는 작다. 분자의 구조 등을 제어해 고기능 소재를 만들 수 있게 된다면 시장은 비약적으로 확대될 가능성이 있다.

“기존의 규소 산업뿐만 아니라 다양한 분야의 기업으로부터 공동 연구 제의가 들어오고 있다”라고 사토 센터장은 말한다. 앞으로 모래로 만든 옷을 입고 규소 수지로 만든 일용품을 사용하는 시대가 올지도 모른다.

 -- 끝 --