Nagai Research Group

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Professor Kazukiyo Nagai

이상한 나라의 플라스틱 : 막의 세계

저희들은, (1) 온실가스인 이산화탄소(CO2)의 분리 및 회수, 그린에너지인 수소 (H2) 의 정제, 석유 가스 분리, 천연가스 처리를 위한 가스 분리 막, (2) 콘택트렌즈, 인공폐를 위한 가스 투과막, (3) 유기 EL, 태양전지, 플렉시블 디스플레이 및 포장용 고차 단성 막 등, 차세대 고분자 기능 막을 위한 신소재의 개발을 연구하고 있습니다.

이산화탄소 분리 및 수소 정제용 막

막은 두개의 상 사이에서 물질의 이동을 제어하는 역할과, 가스와 기체, 이온, 생체물질을 분리하는 등의 특정 기능을 발현합니다. 막 분리 기술은 저온에서의 등온조작, 첨가제 불필요, 낮은 에너지소비, 다른 분리나 반응프로세스와의 통합이 쉬운 점 등의 이유로 종래의 방법과 비교하여 많은 장점이 있습니다. 최근 이 기술은 공기 분리, 질소가스 정제, 천연가스 분리, 연소 배기가스 정제, 탈수 및 휘발성 유기화합물의 회수 등 여러 방면에서 발전되고 있습니다. 특히 그린에너지인 수소를 생성하는 기술과 지구온난화의 원인이 되는 CO2를 삭감하기 위한 기술은 전세계에서 주목을 받고 있습니다. 하지만 고압 CO2는 유리상태의 고분자를 가소화시키기 때문에, 막의 분리성능을 저하시킵니다.

때문에 천연가스 정제 (CO2/CH4 분리), 화력발전소가 배출하는 CO2 삭감 (CO2/공기 분리), 및 연료전지와 석유정제를 위한 수소 정제 (CO2/H2) 등의 기체분리에 있어서는 고분자막의 가소화에 의한 악영향이 나타나고 있습니다. 실제로, 막의 특성은 고분자의 화학구조 및 미세구조에 크게 의존합니다. 따라서, 막 재료로서 분자설계한 신규 고분자의 합성은, 새로운 막의 재료의 개발에 공헌하는 것 뿐만 아니라, 막의 기술에 있어서 중요한 발전과 직결됩니다. (자료 1 참조). 저희의 목표는 지구온난화의 대책으로서, 온실효과가스 (특히 CO2) 의 고분자 분리 막을 만드는 것입니다.

자료 1 쌀을 재료로 사용한 고분자 막

프린티드 플렉시블 일렉트로닉 디바이스용 막

유기발광다이오드 (LEDs) 와 태양전지, 배터리, 디스플레이 분야의 플렉시블화를 실현하기 위해 현재 플라스틱 기판의 사용이 검토되고 있습니다. 하지만 유리기판과 비교하여 플라스틱 기판은 수증기와 산소에 대한 차단성이 떨어진다는 문제점이 있습니다. 예를 들어, 유기 LEDs 의 사용에 있어서는 수증기 투과도(WVTR)가 10-6 g m-2 day-1미만의 기판이 요구됩니다(자료 2 참조).

이 투과도는 현재 사용되고 있는 산업용 기술의 분석 한계보다 훨씬 낮은 수치입니다. 때문에, 유기-무기 다층 플렉시블 필름과 같은 10-4 g m-2 day-1미만의 WVTR을 만족하는 고차단성 필름의 투과성을 결정하는 것은 매우 어렵다고 알려져 있습니다. 지금까지, 다양한 고차단성 분석 방법이 제안되어왔고, 현재에도 새로운 기술들이 개발되고 있습니다. 저희의 목적은 기능성 고차단성 필름의 개발과 그 차단 특성의 측정 방법의 확립입니다.

자료 2 요구되는 수증기 및 산소 차단 특성

플라스틱 쓰레기의 절감을 위한 친환경 플라스틱

2016년 1 월 1 일 국제연합에 의해 발효된 "지속 가능한 개발을 위한 2030 어젠다"에서 규정 된 "지속 가능한 개발 목표 Sustainable Development Goals (SDGs)"에 근거하여 저탄소사회, 자연공생사회 등 지속 가능한 사회 만들기가 진행되고 있습니다. 일본에서는 2000 년에 "용기 포장 리사이클 법"이 전부 시행되었습니다. 그리고 대량 소비에서 3R (리 듀스 · 리 유스 · 리사이클)에 의한 순환형사회로의 전환이 일상 생활에 있어서 까지도 이루어져, 쓰레기 절감 효과가 나타나고 있습니다.

한편, 일회용 플라스틱 용기 포장 등이 하나의 원인으로서 여겨지는 해양에 유출 된 플라스틱 쓰레기는, 경관뿐만 아니라 해양 생물에도 영향을 주고 있는 것으로 밝혀졌다. 특히, "마이크로화된 플라스틱 해양 쓰레기 (마이크로 플라스틱) '의 잘못된 섭취에 의한 해양 생물의 생태계에 미치는 영향 등의 새로운 국제적인 과제도 눈에 띄어오고 있습니다. 지상에서는, 타이어, 섬유, 페인트의 마모 등에 의해 발생한 마이크로 플라스틱의 영향에 대해서도 논의가 시작되고 있습니다.

환경 문제와 자원의 유효 이용 등의 대책이 국제적으로 어려워지는 가운데, 특히 여러 루트에서 대량으로 유통하고 일회용으로 염두 되는 포장 재료에 대해서는 회수 루트 등의 물류도 포함한 라이프 사이클 전체에서 자원 순환을 생각해야 하는 시대가 되었습니다. 또한, 현재 포장 재료의 바코드 인쇄로 의한 품질 및 물류 관리를, IoT (Internet of Things) 및 AI (Artificial Intelligence)의 도입으로 보다 효율적으로 고도의 관리를 하고, 「식품 로스 (푸드 로스) 」의 감소로까지 이어지는 움직임도 나오고 있습니다. 또한 용기 포장의 고기능화로서, 전자 분야의 유기 EL 용도의 투명 플라스틱 필름은, 현재는 가격이 너무 비싸서 식품이나 의약품 등의 포장 재료에 사용할 수 없지만, "투명하고 내용물이 보이는 안심 "이 요구되는 용도에 미래의 응용 전개가 기대되고 있습니다.

소재에 관심을 돌리면, 바이오 매스 플라스틱의 이용이 소비자에게 어필 될 수 있게 되었으며, 식물 유래의 원료로부터 합성 된 폴리에틸렌 (PE)이나 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET)가 Bio PE, Bio PET로서 보급되었습니다. (인기를 끌고 있습니다.) 생분해 성을 갖는 폴리 유산의 이용도 적극적으로 이루어지게 되고 있습니다. 온실효과 가스의 배출량 감소와 재활용에 미치는 영향 등의 지구 환경에 있어서의 (대한) 다양한 관점에서, 세계적으로 바이오 매스 플라스틱의 수요가 증가 할 것으로 보여지고 있습니다.

우리들의 목표는, 플라스틱 쓰레기 절감을 위해, 친환경 플라스틱을 창제하는 것입니다.

연락처

나가이 카즈키요
Nagai Kazukiyo
메이지대학교 이공학부 응용화학과
카나가와현 카와사키시 타마구 히가시미타 1-1-1
E-mail: nagai@meiji.ac.jp

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