꿈의 차세대 촉매 ‘메탈로센’ [우리가 몰랐던 과학 이야기] (74)

고부가 화학제품을 만드는 데 차세대 촉매로 주목받고 있는 ‘메탈로센’(Metallocene)은 폴리프로필렌(PP), 폴리에스테르(PE)와 같은 가장 가벼운 플라스틱에 속하며 투명성도 매우 우수한 폴리올레핀을 생성하는 촉매인데요. 그 중에서도 ‘메탈로센 하이브리드 촉매 시스템’은 한화케미칼이 2017년 국가기술표준원으로부터 인증을 획득한 신기술입니다. 이 시스템은 과연 어떤 기술이며, 이를 이용해 어떤 화학제품을 만들 수 있는지 알아보도록 하겠습니다.

◆차세대 촉매, 메탈로센이란?

출처=위키피디아

촉매(Catalyst)란 화학반응이 수월하게 일어나도록 도와주는 물질인데요. 메탈로센 촉매는 2종 이상의 촉매를 함께 적용해 화학제품의 강도와 가공성을 획기적으로 높입니다.

메탈로센의 최초 형태는 ‘페로센’(Ferrocene)이었습니다. 페로센은 금속 주위에 두 개의 Cp(cyclopentadienyl·사이클로펜타다이엔일) 고리와 철 중심에 존재하는 간단한 착물(1개 또는 그 이상의 원자나 이온을 중심으로 몇 개의 다른 원자, 이온, 분자 또는 원자단 등이 방향성을 갖고 입체적으로 배위해 하나의 원자집단을 이루고 있는 것)인데요. 여기서 배위란 중심원자 또는 이온 주위에 여러 개의 분자, 이온 등이 배열하는 것을 가리킵니다.

화학식에서 가운데 ‘M’이 오면 메탈로센, 철(Fe)이 오면 페로센입니다.

출처=Nanografi Nano Tech

1957년 브레슬로(Breslow)는 ‘Cp2TiCL2’가 활성은 낮지만 에틸렌의 종합 촉매로 적용할 수 있다는 사실을 밝혔으며, 76년 카민스키(Kaminsky)와 신(Sinn)은 조촉매(촉매의 활성화에 필요한 성분) 물질인 MAO(Methyl Aluminoxane)를 공촉매(촉매의 활성을 높이거나 촉매에 의해 일어나는 반응을 규제 또는 변화시키기 위해 첨가하는 성분)로 한 높은 활성을 나타내는 합성법을 개발합니다.

그리고 90년대부터 PE와 PP 등 폴리올레핀의 전반적인 영역에 메탈로센 촉매가 사용되고 있습니다.

◆메탈로센 촉매의 특징

폴리올레핀의 원료. 출처=위키피디아

메탈로센 촉매는 고분자의 구조가 정밀하게 제어된 새로운 물성을 가지는 올레핀(천연 가스나 원유 정제 과정에서 생산되는 불포화 탄화수소)의 중합(한 종류의 단위 물질이 그 배수의 분자량을 갖는 물질로 이행하는 화학 변화)을 할 수 있게 하는데요.

촉매는 고분자의 분자량과 이의 분포 등 구조를 결정하고, 이는 분자 구조의 충격 및 인장(잡아당기는 힘에 견딜 수 있는 최대한의 응력) 강도, 투명도 등 가공성을 결정합니다.

따라서 촉매 기술에 따라 고분자의 구조를 더욱 정교하게 조절할 수 있는데요.

메탈로센 촉매의 구조에 따라 중합 특성을 원하는 방향으로 유도해 고분자를 합성할 수 있습니다. 이를 통해 기존의 중합 기술로는 생산하기 어려웠던 새로운 고분자 소재를 얼마든지 탄생시킬 수 있게 됐습니다.

◆신기술 ‘메탈로센 하이브리드 촉매 시스템’

한화케미칼이 개발한 메탈로센 하이브리드 촉매 시스템은 기존 촉매의 물성을 한 단계 개선한 기술로, 기존 중합 기술의 한계로 제조할 수 없었던 새로운 고분자 소재를 생산할 수 있게 했는데요.

이 기술을 이용하면 고온과 고압, 강한 자극의 상황에서도 50년간 쓸 수 있는 높은 강도의 고성능 제품을 만들 수 있으며, 제품의 용도에 따라 맞춤식 제작도 할 수 있습니다.

차세대 촉매 신기술을 통해 우리가 흔히 이용하는 비닐부터 운동화, 자동차용 범퍼, 전선 케이블까지 기존 제품의 질을 향상시키고 신소재 상품까지 개발할 수 있는데요.

앞으로 더욱 다양한 분야에서 활약할 한화케미칼의 메탈로센 하이브리드 촉매 시스템을 지켜봐 주길 바랍니다.

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*이 기고는 한화케미칼과 세계일보의 제휴로 작성되었습니다.

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