고객 성공 사례
안정화된 폴리아크릴로니트릴(PAN) 섬유의 화재 테스트
앞으로 카본 랩팩토리 작센에서는 산소 지수 분석기( NETZSCH TAURUS LOI 901 )를 사용하여 열 안정화된 PAN 섬유(프리옥스 섬유라고도 함)를 분석하고 셀룰로스 또는 리그닌 기반 전구체와 같은 지속 가능한 대안을 연구할 계획입니다."라고 말했습니다
탄소 섬유 및 가공 기술 연구 분야의 켐니츠 공과대학교 경량 구조 및 고분자 기술학과 연구원인 클라우디아 보그트 박사의 고객 성공 사례입니다. 그녀는 NETZSCH TAURUS LOI 901 산소 지수 분석기를 사용하여 Preox 섬유의 미래 응용 분야에 대한 조사에 대해 보고합니다. 프리옥스 섬유에 대한 조사는 현재 박스베르크에 설립 중인 연구 센터인 카본 랩팩토리 작센에서 공정 모니터링의 필수적인 부분이 되고 있습니다. 섬유 샘플을 위한 새로운 샘플 홀더는 NETZSCH TAURUS 응용 실험실과의 성공적인 협업을 통해 개발되었습니다.
“NETZSCH 는 우수한 고객 서비스를 제공합니다. 제한 산소 지수 계측기( LOI 901)에 적합한 시료 홀더를 찾던 중 액세서리에 섬유 시료 홀더가 포함되어 있지 않다는 것을 알게 되었습니다. 문의 후 곧바로 NETZSCH 에서 Preox 섬유 소재를 기반으로 한 맞춤형 샘플 홀더를 개발할 수 있는 초기 아이디어를 받았습니다.”
켐니츠 공과대학교 소개
켐니츠 공과대학교 (그림 1)는 강력한 지역, 국가 및 국제적 네트워크를 갖춘 국제적인 대학입니다. 약 90개국에서 온 8,600여 명의 학생과 2,300여 명의 교직원 및 행정 직원이 근무하고 있습니다. 따라서 작센주에서 세 번째로 큰 대학입니다(2024년 기준).
켐니츠 공과대학교는 외국인 학생 비율 면에서 전국 주립대학 중 상위권을 차지하고 있습니다. 최근 연구에 따르면 2025년 유럽 문화 수도인 켐니츠는 독일에서 가장 살기 좋은 10대 대도시 중 하나로 선정되었으며, 뛰어난 삶의 질을 자랑합니다. 또한 켐니츠에는 대학( large )이 있기 때문에 우수한 자격을 갖춘 직원의 비율이 매우 높습니다. 켐니츠 공과대학교는 도시의 지적 중심지이자 미래 가치 창출 과정과 지속 가능한 개발을 위한 국제적으로 주목받는 연구 장소로 발전했습니다.
카본 랩팩토리 작센 소개
독일 니더작센주 박스베르크에 위치한 "카본랩팩토리 작센"(CLFS)은 파일럿 라인 규모의 탄소 섬유 연구 및 개발을 위한 핵심 프로젝트입니다. 이 새로운 연구 시설은 예를 들어 셀룰로오스나 리그닌을 사용하여 폴리 아크릴로니트릴과 같은 석유화학 전구체 대신 지속 가능한 대안을 사용하는 데 중점을 두고 있습니다. 탄소 섬유는 다단계 열 공정을 통해 생산됩니다. CLFS는 또한 원자재부터 완제품까지 전체 가치 사슬을 고려하며 특히 공정의 지속가능성에 중점을 두고 있습니다.
CLFS 연구의 중심 단계는 탄소 섬유의 제조와 가공으로, 현장에서도 사용할 수 있는 섬유 기계의 도움을 받습니다. 폴리 아크릴로 니트릴, 셀룰로오스 또는 리그닌과 같은 전구체의 안정화 및 후속 탄화는 파일럿 규모의 탄화 플랜트에서 수행됩니다. 이 플랜트는 고품질 탄소 섬유를 생산하기 위한 필수 공정 단계를 수행하는 데 사용됩니다. 전구체 재료는 먼저 150°C에서 300°C 사이의 온도에서 특수 안정화 용광로에서 열처리됩니다. 그런 다음 보호 가스 분위기에서 최대 1200°C의 저온 용광로와 최대 2200°C의 고온 용광로에서 두 단계에 걸쳐 탄화가 이루어집니다. 공정 파라미터를 미세 조정하여 탄소 섬유의 제조 특성을 제어하고 최적화할 수 있습니다.
재활용 및 업사이클링
또 다른 미래지향적 연구 분야는 자원 효율성을 높이고 환경에 미치는 영향을 최소화하기 위한 재활용 및 업사이클링 전략을 포함한 재활용 가능한 재료와 제품 개발입니다. 생산 폐기물에서 소재를 회수하는 등 폐쇄 루프 소재 사이클을 만드는 것이 목표입니다.
어퍼 루사티아에 켐니츠 공과대학의 분교로 설립될 CLFS(그림 3)는 탈석탄으로 인한 구조적 변화로 심각한 영향을 받고 있는 지역의 지속 가능한 변화에 크게 기여할 것입니다. 프라운호퍼 응용 고분자 연구소(프라운호퍼 IAP) 및 브란덴부르크 공과대학교 콧부스-센프텐베르크(BTU)와의 협력은 새로운 유형의 탄소 섬유로 혁신적인 경량 제품을 개발할 수 있는 효율적인 연구 인프라를 구축할 것입니다. IAP는 셀룰로오스와 같은 지속 가능한 전구체를 생산하고 실험실 규모에서 이를 전환하는 데 중점을 두고 있습니다.
특히 박스버그에서 진행되는 연구의 초점은 기술의 산업적 확장성입니다. 파일럿 플랜트 규모는 개발된 공정과 소재를 산업 응용 분야로 쉽게 이전할 수 있게 해줄 것입니다. 이를 위해서는 개발된 솔루션이 경제적으로 실행 가능하고 지속 가능한지 확인하기 위해 연구 기관과 산업 파트너 간의 긴밀한 협력이 필요합니다.
앞서 설명한 접근 방식과 기회를 통해 '카본 랩팩토리 작센'은 지속 가능한 탄소 섬유의 유럽 개발에서 선도적인 역할을 담당하고 있습니다. 전체 가치 사슬을 포함하고 생태학적 혁신을 목표로 하는 총체적인 접근 방식을 통해 CLFS는 탄소 섬유가 고성능일 뿐만 아니라 환경 친화적인 미래를 만드는 데 기여하고 있습니다. 따라서 유럽의 기후 목표와 온실가스 중립적 미래에 중요한 기여를 하고 있습니다.
클라우디아, 본인 소개와 연구 및 응용 분야를 소개해 주세요.
제 이름은 클라우디아 보그트입니다. 저는 화학 박사 학위를 받았으며 2023년 8월부터 켐니츠 공과대학교 경량 구조 및 고분자 가공학과 (SLK)에서 탄소 섬유 및 가공 기술 연구 분야에서 연구 조교로 일하고 있습니다.
현재 Carbon LabFactory Saxony의 실험실 계획에 참여하고 있으며, 향후 탄소 섬유, 중간 단계(Preox 섬유) 또는 최종 제품(예: 복합재, 섬유 직물)의 화학 분석에 관한 문제를 주로 담당하게 될 것입니다. LOI를 이용한 난연성 테스트부터 열 분석(예: STA, TMA), 인장 시험을 이용한 표면 특성 측정에 이르기까지 다양한 분석 장비를 보유하고 있습니다. 우리 팀은 긴밀하게 협력하며 함께 일합니다.
NETZSCH 와의 협업은 언제부터 진행되었나요?
SLK 교수진은 수년 동안 NETZSCH 와 협력해 왔습니다. 이들은 폴리머 분야의 문제를 해결하기 위해 일상적으로 열 분석 기기(TGA, DSC)를 사용합니다.
NETZSCH 을 선택한 이유는 무엇인가요? 고객 지원 및 서비스도 경험하셨나요?
NETZSCH 은 다양한 기기와 함께 우수한 고객 서비스도 제공합니다. 산소 제한 지수 기기에 적합한 시료 홀더를 찾던 중 액세서리에는 섬유 시료 홀더가 포함되어 있지 않다는 것을 알게 되었습니다. 처음 문의한 후 즉시 샘플 재료를 기반으로 맞춤형 샘플 홀더를 개발해 주겠다는 제안을 받았습니다. 아주 짧은 시간 내에 NETZSCH 개발 연구소로부터 이 샘플 홀더에 대한 초기 아이디어를 받았습니다.
NETZSCH LOI 901
화재 테스트를 위한 영업 및 응용 솔루션 부문 스테판 스트릭만, NETZSCH, 보고합니다:
"화재 테스트 및 열전도도 계측기 전문업체인 NETZSCH TAURUS는 고정밀 계측기 제조를 전문으로 합니다. 여기에는 ISO 4589-2 및 ASTM D 2863에 따라 산소 지수(LOI = 제한 산소 지수)를 측정하여 재료의 연소 거동을 평가하는 데 사용되는 LOI 901 이 포함됩니다. 켐니츠 공과대학교에서 특수 소재인 프리옥스 섬유(그림 5)에 대한 특정 화재 거동 테스트를 수행할 수 있게 해달라는 요청을 해왔습니다. 이 시편의 고유한 특성을 수용하기 위해 특수 시편 홀더를 개발하여 테스트에 사용했습니다. 이 테스트의 방법론, 설정 및 결과를 문서화하여 상온에서 Preox 섬유의 화재 거동에 대한 귀중한 데이터를 제공하는 것이 목표였습니다."
프리옥스 섬유는 미세하고 필라멘트가 많은 특성으로 인해 화재 거동 테스트에서 특히 까다롭습니다. 테스트 중 시료의 무결성을 보장하기 위해 특수 시료 홀더를 신중하게 설계하고 제작했습니다.
이 맞춤형 시편 홀더는 프리옥스 섬유를 안전하게 고정하여 성공적인 테스트를 위해 화재 거동을 정확하고 안정적으로 측정할 수 있도록 합니다.
결과
테스트 중에는 최적의 테스트 조건을 보장하기 위해 주변 온도를 23 ± 2°C로 세심하게 제어하고 유지했습니다. 일반적으로 테스트의 초기 산소 농도는 유사한 소재에 대한 광범위한 경험을 바탕으로 선택됩니다. 당시에는 프리옥스 섬유에 대한 경험이 거의 없었기 때문에 관련 문헌을 참고한 결과 이 소재의 LOI가 45%를 초과하는 매우 높은 수준이라는 사실을 알게 되었습니다.
안전을 위해 산소 농도 40%에서 테스트를 시작했습니다. 이 수준에서는 프리옥스 섬유의 점화가 관찰되지 않았습니다. 그런 다음 산소 농도를 서서히 높이면서 각 단계를 주의 깊게 모니터링했습니다. 산소 농도가 40%에서 45% 사이에서는 눈에 보이는 불꽃은 없었지만, 샘플이 녹았다가 사라지는 등 열 분해의 징후가 나타나 연소 없이 상당한 전환이 이루어졌음을 나타냅니다.
첫 번째 지속적인 연소는 약 60%의 산소 농도에서 발생했습니다. 이 수준에서 프리옥스 섬유는 균일하게 점화되고 연소되어 다른 기존 소재에 비해 점화에 필요한 산소 요구량이 더 높다는 것을 확인했습니다. 최종 산소 지수를 결정하기 위한 추가 테스트가 진행 중입니다. 이 초기 결과는 저산소 환경에서 연소에 대한 저항성을 강조하는 높은 LOI 값의 이점에 대한 보고와 일치합니다.
클라우디아, 구체적인 애플리케이션에 대해 자세히 알려주세요. 이 결과가 연구, 품질 관리, 개발 및 생산을 개선하는 데 어떻게 도움이 되나요?
이미 언급했듯이 탄소 섬유 생산은 다단계 열 공정입니다. 전구체 물질을 열적으로 안정화시키는 첫 번째 단계는 폴리 아크릴로니트릴의 경우 특히 중요합니다. 이 전처리가 없으면 폴리 아크릴로니트릴 섬유는 높은 열 응력 하에서 품질이 저하되기 쉽습니다. 따라서 PAN 섬유를 Preox 섬유로 전환하는 복잡한 구조 변환은 PAN에서 탄소 섬유를 생산하기 위한 전제 조건입니다. 이 열 안정화 공정은 여러 가지 영향 요인(예: 가열 속도, 온도 프로파일)에 의해 제어될 수 있습니다. LOI(그림 7)는 Preox 섬유의 안정화 정도를 확인하는 데 사용됩니다. 검사한 프리옥스 섬유의 LOI가 높을수록 사용된 공정 파라미터가 더 유망하다는 것을 의미합니다. 이 접근 방식을 사용하면 진행 중인 연구 캠페인 중에 공정 파라미터를 빠르게 조정할 수 있습니다. 또한 탄소 섬유의 중간 단계에 대한 지속적인 품질 관리 역할도 합니다.
클라우디아 님, 이 획기적인 연구에 대한 통찰력을 제공해 주셔서 대단히 감사합니다. 곧 카본 랩팩토리 작센에서 더 많은 소식과 연구 결과를 전해드릴 수 있기를 기대합니다.
NETZSCH 정보 LOI 901
플라스틱은 특히 자동차, 항공우주, 전자 및 건설 산업에서 금속, 세라믹 또는 천연 소재와 같은 다른 소재에 비해 더 가볍고, 더 다양하며, 부식에 강하고, 요구 사항에 따라 전기 전도성 또는 절연성이 있으며, 비용 효율적이기 때문에 특별한 이점을 가지고 있습니다.
사용되는 폴리머의 화재 거동은 부품과 어셈블리의 안전성과 적용 가능성을 평가하는 데 중요한 역할을 합니다. 플라스틱 부품이 발화하면 연소 시 유독성 가스가 대량으로 방출되고 화재가 빠르게 확산되어 사람과 환경에 위험하고 생명을 위협하는 상황이 발생할 수 있습니다.
LOI 901 은 공인된 ISO 4589-2 및 ASTM D2863 표준에 따라 폴리머의 연소 거동을 측정하는 매우 정밀한 기기입니다. 이 기기에는 특수 연소실이 장착되어 있으며 제어된 산소 분위기를 사용하여 산소 지수, 플라스틱의 가연성, 연소 시간 및 연소 거리를 측정합니다.
