POE란 무엇일까?

차세대 태양전지 소재로 각광받으면서 쓰임이 중요해진 POE라는 소재가 있습니다. 친환경 에너지 생산 및 소비를 위해서라면 반드시 필요한 이 소재는 석유화학으로 만든 재료인데요. 폴리올레핀 엘라스토머(Polyolefin Elastomer)는 무엇인지, 어떻게 만들어지며 어디에 쓰이는지 알려드리겠습니다.

 

 

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폴리올레핀 엘라스토머

   

폴리올레핀 엘라스토머(POE)는 폴리에틸렌 중 매우 낮은 밀도의 폴리에틸렌인 VLDPE(Very Low Density Polyethylene)의 일종으로 메탈로센 촉매^*를 사용한 에틸렌과 옥텐, 혹은 에틸렌과 부텐의 공중합체입니다. 

여기서 옥텐, 부텐을 알파 올레핀(α-olefin)이라고 부르는데요. 짧은 가지의 1-부텐(1-butene)부터 긴 가지의 1-옥텐(1-octene)을 에틸렌과 공중합 하여 POE를 제작할 수 있습니다. 물론 중간 길이의 1-헥센(1-hexene)도 알파 올레핀에 속합니다. 

이렇게 만들어지는 POE는 밀도가 낮고 탄성이 좋아서, 깨지기 쉬운 폴리프로필렌(PP)와 섞어 충격 보강제로 활용합니다.

*메탈로센 촉매: 두 개의 사이클로펜타디엔(C₅H₆)(Cyclopentadiene, 고리 내에 공역 이중결합이 있는 오원환 탄화수소) 사이에 금속(M)이 끼어 있는 구조의 촉매. 올레핀의 중합을 가능하게 하며 촉매의 성능에 따라 고분자의 분자구조를 조절할 수 있음. 

 

 

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폴리에틸렌 분류하기

  

POE에 대해 조금 더 자세히 알아볼까요? 

먼저 폴리에틸렌을 밀도에 따라 분류해야 합니다. 밀도가 0.850에서 0.910까지인 폴리에틸렌을 매우 낮은 밀도의 폴리에틸렌이라는 VLDPE(Very Low Density Polyethylene)라고 합니다. 그리고 0.910에서 0.925의 밀도를 가진 폴리에틸렌을 저밀도 폴리에틸렌은 LDPE(Low Density Polyethylene), 0.925에서 0.940까지의 밀도를 중간 밀도 폴리에틸렌인 MDPE(Medium-density polyethylene) 라고 하죠. 이 이상의 밀도를 가진 폴리에틸렌은 고밀도 폴리에틸렌인 HDPE(High Density Polyethylene)가 됩니다.

POE는 이 중 VLDPE에 속하는데요. 메탈로센 촉매의 사용량에 따라 밀도 0.885이하는 POE로, 이상은 POP(Polyolefin Plastomer, 폴리올레핀 플라스토머)로 나뉩니다. 

이렇게 나눠진 POE는 다시 단량체^*를 기준으로 에틸렌 베이스(Ethylene Base), 프로필렌 베이스(Propylene Base), EPDM(Ethylene-propylene diene monomer, 에틸렌-프로필렌 다이엔 모노머)로 나뉘게 되죠.

*단량체: 고분자를 구성하는 기본 분자 개체로 다른 단량체 분자와 반응하여 중합을 통해 더 큰 중합체 사슬이나 3차원 네트워크를 형성할 수 있는 분자

 

 

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POE 생산에 사용되는 촉매

   

원래 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌과 같은 ‘폴리올레핀’을 만드는 촉매는 지글러-나타 촉매였는데요. 독일의 칼 지글러와 줄리오 나타가 개발해 1963년 노벨화학상을 받기도 했습니다. 

이후 1980년 독일 함부르크 대학에서 메탈로센 촉매가 폴리올레핀을 만들 수 있다는 것이 우연히 발견되어 연구에 돌입했죠. 화학 기업 다우케미칼은 CGC(Constrained Geometry Complex) 형태의 새로운 촉매를 개발해 새로운 형태의 폴리올레핀을 합성했습니다. 폴리올레핀 중에서도 POE는 메탈로센 촉매로만 생산 가능하기 때문에 POE 생산량이 늘면 CGC 사용 또한 늘게 되었죠. 

놀라운 점은 POE를 만드는 메탈로센 촉매가 우리나라에서도 개발되었다는 것인데요. 아주대학교 이분열 교수는 국내 한 화학사와 함께 새로운 메탈로센 촉매를 개발했습니다. 기존의 촉매에서 실리콘 브릿지 대신 벤젠 고리를 넣어 만든 촉매였죠. 다우케미칼은 해당 촉매가 특허를 침해했다며 분쟁 소송을 걸었지만 패배했고, 이분열 교수는 이후에도 황이 함유된 리간드 등 POE를 만드는 다양한 촉매를 개발했습니다.  

 

 

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POE는 어디에 쓰이는가? 

   

많은 기업들은 왜 메탈로센 촉매 개발과 더불어 POE 생산에 힘쓰는 것일까요? 이유는 바로 POE의 쓰임에 있습니다. 

앞서 POE는 PP와 섞어 충격 보강재로 사용된다고 말씀 드렸는데요. 좀 더 자세히 설명 드리자면, 자동차의 내외장재나 전선, 신발 등에 사용됩니다. 또한 케이블이나 호스에도 사용되며 다층 필름의 접합층에 사용되죠. 

여기서 말하는 다층 필름의 접합층은 바로 ‘태양광 전지’의 봉지재를 말합니다. 태양 전지가 호수나 바다와 같은 고온 다습한 지역에 설치되기 위해서는 태양 전지를 보호하면서 앞, 뒷면의 유리와 잘 접착할 수 있는 소재가 반드시 필요한데요. 바로 이 소재가 POE입니다. 친환경 에너지의 수요가 증가함에 따라 POE 소재 역시 쓰임이 중요해지고 있는거죠.

 

한화토탈에너지스도 POE 생산을 위해 많은 투자를 하고 있습니다. 관계사인 한화케미칼, 프랑스 회사인 토탈에너지스와 공동 프로젝트로 POE 시험 생산 공장 설비를 완공한 것인데요. 태양광 봉지재 등 제품 설계, 최적화 및 상업 공정 설계를 위한 공정 데이터 확보에 활용할 예정입니다. 지속 가능한 경쟁력 확보를 위해 고부가 제품 POE 생산에 힘쓸 한화토탈에너지스의 모습, 기대 부탁 드립니다~

(글: 촉매연구팀 김영습 프로)

 

 

 

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