이온액체(Ion Liquid)는 상온에서 액체상태를 유지할 수 있는 특수한 염류로 차세대 전지의 전해질 소재를 비롯해 다양한 영역에서 실용화를 위한 연구개발(R&D)이 추진되고 있다.
염류는 일반적으로 고체상태로 존재하며 액상의 용융염으로 바꾸기 위해서는 300-400℃ 이상의 고온에서 가열해야 한다.
하지만, 이온액체는 -100℃에서 200℃ 사이에서 액체상태를 유지할 수 있으며 양이온과 음이온을 조합시킴으로써 다양한 융점, 용해도, 물성을 보유한 화합물로 정제할 수 있고 불휘발성, 난연성, 전기화학특성이 뛰어나 고용량·고전압에 대응할 수 있는 LiB(Lithium-ion Battery), 연료전지, 유기태양전지, 캐퍼시터 등의 전해질 소재로 주목받으며 2000년대부터 산관학이 연계한 연구개발이 가속화되고 있다.
연구 영역도 점차 확대되며 전해질 외에도 바이오연료로 사용되는 비식용 셀룰로오스(Cellulose) 용해, 의약품 유통시스템(DDS)용 바이오캡슐 소재, 추출약품 등 의약분야, 전자소재 분야 등에서 매년 새로운 연구결과가 발표되고 있다.
이온액체 수요는 대전방지 목적의 수지첨가제 등 일부를 제외하면 연구개발용 시약에 집중돼 있으며 최근에는 시약용 이외의 수요도 확대됨에 따라 일본기업들이 본격적인 보급기를 앞두고 생산체제를 정비하고 있다.
다만, 본격적인 보급에 앞서 높은 가격이 과제로 지적되고 있으며 양산을 통해 코스트 과제를 극복할 수 있다는 판단 아래 상업생산을 준비하고 있다.
Koei Chemical은 생산·판매량, 신제품 개발능력 등에서 글로벌 1위를 차지하겠다는 목표를 세우고 이온액체를 금속촉매와 함께 차세대 핵심 사업으로 집중 육성하고 있다.
2016년 기존 생산설비를 Chiba 공장에 집약시키고 신규 멀티 생산설비를 도입했으며 연구개발 인력도 중점적으로 투입하고 있다.
Koei Chemical은 2000년 4급 암모늄염 베이스 이온액체의 합성·개발에 착수해 2005년 샘플작업을 본격 개시했으며 현재 500종 이상의 이온액체를 확보하고 자체개발한 반응형 이온액체, 실리콘계 및 불소계 이온액체, 폴리머(Polymer)·올리고머(Oligomer) 타입의 이온화합물을 수요처마다 상이한 요구와 기술에 맞추어 오리지널 브랜드 「KOELIQ」로 판매하고 있다.
테스트에 사용할 수 있는 수십그램 단위에서부터 공업화 스케일인 톤단위에 이르기까지 다양한 형태로 판매하고 있으며 주로 대전방지를 목적으로 한 수지첨가제 분야에서 채용실적을 올리고 있다.
Koei Chemical의 생산제품은 소량으로 높은 효과를 얻을 수 있기 때문에 수지의 본래 기능을 저해하지 않는 것이 장점이다.
이밖에 LiB, EDLC(Electric Double Layer Capacitor), 색소증감형 태양전지 등의 전해질과 알루미늄 도금용제, 셀룰로오스 용해·회수 등 특수 반응용매 분야에서 연구개발에 박차를 가하고 있다.
Kanto Chemical은 국내외 생산기업과 연계해 다품종 소량생산과 양산에 이르기까지 다양한 수요에 대응하고 있다.
시약 종류로만 300종 이상에 달하는 이온액체를 상시 공급할 수 있는 체제를 갖추고 있으며 차세대 LiB의 전해질과 셀룰로오스 용해를 비롯한 에너지·바이오·환경 관련 차세대 기술용 미래소재로서 수요를 개척하고 공급을 강화하고 있다.
2016년 음이온의 하나인 TFSI(Bis Trifluoromethanesulfonyl Imide)의 나트륨·마그네슘·아연 등 금속염과 BETI (Bis Pentafluorophenyl Imide) 화합물 등을 라인업에 추가했다.
이온액체는 다방면에 활용됨에 따라 목적화합물의 특성 뿐만 아니라 목적 성능까지도 품질에 큰 영향을 받기 때문에 고품질 이온액체에 대한 요구가 높아지고 있다.
이에 따라 Kanto Chemical은 앞으로 차세대 전지 등 다양한 분야의 연구개발 수요에 적극 대응하기 위해 고순도·고품질제품 공급을 강화할 계획이다.
최근에는 해외거래가 확대되고 있으며 양산체제를 전제로 하는 소량 시험제조, 합성제품 출시를 포함한 합성 검토와 공급 의뢰도 늘어나고 있다.
시약 생산기업의 강점을 살려 시약 공급 뿐만 아니라 수평전개가 가능하도록 사업범위를 확장하고 있다.
Wako Pure Chemical은 LiB 등 전지관련 용도를 중심으로 이온액체 개발 및 수요 개척을 가속화하고 있다.
약 70종의 이온액체를 공급하고 있으며 수요기업이 목적에 맞추어 최적화된 이온액체를 선택하기 쉽도록 구조식, 점도, 전도율, 응고점, 융점, 전위창 데이터 등 물성 데이터를 제공하고 있다.
기존자료만으로는 측정 조건에 따라 달라지는 수치에 맞출 수 없기 때문에 자체측정한 데이터를 바탕으로 정확한 정보를 전달하고 있다.
최근에는 자체개발한 음이온 아릴설폰산(Allylsulfonic Acid)이 주목받고 있다.
아릴설폰산은 전위창 범위가 5볼트 이상으로 넓어 고전압 전지의 전해액으로 사용할 것으로 기대되고 있다.
전지 전해액 이외에도 윤활제, 셀룰로오스 용해제, 대전방지제, 도전소재 등의 수요 개척에 주력하며 효율적인 생산체제 구축에도 총력을 기울이고 있다.
특히, 주력하고 있는 것은 제조 특허기술을 보유한 이온액체 연속 플로우식 합성시스템(Flow Type Reactor)이다.
플로우식은 패치식에 비해 단기간에 수율을 높여 고순도의 이온액체를 제조할 수 있는 것이 특징이며 현재 Tokyo 공장에서 일일 수십kg을 파일럿 가동하며 양산화를 준비하고 있다.
플로우식 공급시스템이 본격적으로 보급되면 제조코스트를 절약하고 안정공급이 가능한 생산체제를 구축할 것으로 기대된다.
Miyon Yusi는 그동안 축적해온 계면화학 기술을 바탕으로 특이한 기능을 발휘하는 신규 이온액체 개발에 주력하고 있다.
4년 전에는 산학 공동연구를 통해 친수성이 높고 침투압이 우수해 바이오소재에 친화성이 높은 새로운 이온액체를 개발하는데 성공했으며 Hitachi High-Technologies와 함께 전자현미경 전처리제로 공급하고 있다.
또 불휘발성, 난연성은 물론 비열 용량을 대폭으로 향상시킨 개발제품은 저온용 열 매체로 제안하고 있다.
해당제품은 저온안전성이 뛰어날 뿐만 아니라 일반적인 이온액체보다 쉽게 부식되지 않고 생분해가 간편하다는 특징을 살려 범용 글리콜(Glycol) 계열 대신 부동액에 투입할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
이밖에 다양한 특이기능을 보유한 이온액체를 개발하고 있으며 기존 사업영역과는 전혀 다른 분야에서 수요를 개척하고 있다. 효모, 단백질 등 생체 고분자 구조에서 안정화 효과를 발휘하는 이온액체와 윤활성이 뛰어난 잉크용 이온액체 등도 제안하고 있다.
Miyon Yusi는 앞으로도 새로운 발상을 바탕으로 독자적인 차별제품을 강화하고 다양한 기능을 활용해 폭 넓은 분야에서 관련기업들과 협동함으로써 용도별로 적절한 구조·물성을 보유한 이온액체 신제품을 개발하고 상업화할 계획이다. <강윤화 기자>