이온액체는 양이온과 음이온으로만 구성된 화합물로 물과 유기용매를 잇는 3번째 액체이다.
염류이면서 상온에서는 액체라는 점과 불연성‧불휘발성 특성을 살려 대전방지제에 투입되고 있으며 셀룰로스(Cellulose) 용해, LiB(리튬이온전지)를 포함한 2차전지 전해액, 의약품 추출용매 등 다양한 분야에서 실용화를 위한 연구개발(R&D)이 진행되고 있다.
염류는 일반적으로 상온에서 고체이기 때문에 액체 형태의 용융염으로 만들려면 섭씨 300도 이상으로 가열해야 하지만 이온액체는 영하 100도에서 영상 200도로 넓은 온도 영역에서 액체 상태를 유지하며 400도의 고온에서도 물성을 안정적으로 유지하는 특징이 있다.
치환할 이온의 조합에 따라 다양한 융점‧용해도를 보유한 화합물로 자유롭게 설계할 수 있으며 용도 다양화에 따라 수요가 증가해 이온액체 생산기업들은 양산체제 준비를 서두르고 있다.
배터리 전해질 소재에 대전방지제 실용화
이온액체는 1990년대부터 일본기업들이 연구를 진행하고 있으며 불연성, 불휘발성, 고온 안정성, 도전성 특성을 살려 LiB를 중심으로 일반기기용 2차전지 전해질 소재로 각광받고 있다.
배터리의 안정성을 크게 높여 파열·발화를 막는 전해질로 기대를 모으고 있으며 산관학 연계형 연구가 진행되고 있다.
대표적으로 수지필름용 대전방지제가 실용화돼 소량만 첨가해도 대전방지 효과가 발생하고 수지 본연의 투명성, 강도 특성을 유지할 수 있는 것으로 알려졌다.
셀룰로스 용해 용도도 수요가 기대된다.
이온액체가 식물섬유에 침투해 견고한 수소 결합을 풀고 셀룰로스만 효율적으로 분해하는 용해법은 고온, 고압에서 알칼리 처리하는 기존 용해법에 비해 에너지 부하가 압도적으로 적기 때문이다.
사용한 이온액체는 정제해 재활용할 수 있어 친환경 순환 제조공정 구축이 가능하며, 이온액체에 녹아든 셀룰로스에서 필름이나 섬유를 재생하는 기술을 개발하고 있다.
이온액체의 피부 침투성을 높이는 특성을 이용해 의약품이나 화장품용 개발도 진행되고 있으며 유효성분을 이온액체에 녹여 넣은 부착제 등이 개발되고 있다.
코에이케미칼, 셀룰로스 용해 용도 개발
코에이케미칼(Koei Chemical)은 2000년대 초부터 4급 암모니아(Ammonia) 염화 기술을 바탕으로 이온액체 합성·개발에 착수해 2005년 경쟁기업보다 빠르게 공급을 시작했으며 코릭(KOELIQ) 브랜드 종류가 500가지를 넘고 있다.
아민(Amine)과 피리딘 합성 기술로 다양한 양이온 소재를 강점 삼아 반응기를 가진 이온액체와 실리콘계, 불소계, 폴리머‧올리고머 타입 등 자체 개발제품을 포함한 이온액체를 공급하고 있다.
대전방지용 수지 첨가제는 소량 첨가로 효과를 발휘하고 수지 본래의 특성을 손상하지 않기 때문에 채용실적이 많은 것으로 알려졌다. 수지에 따라 생산제품 커스터마이즈가 가능하고 전자소재용 필름 용도의 도전성 발현에 힘쓰고 있으며 새로운 고기능화 실현을 추진하고 있다.
새롭게 셀룰로스 용해 용도도 개발하고 있다.
셀룰로스 용해 용도는 독자적인 기술로 재생할 때 중합도 유지 성능이 뛰어나며 실온 용해도가 25%에 달해 조기 실용화를 목표로 삼고 있다.
치바(Chiba) 공장은 2022년 가을 신규 4계열 멀티라인 가동을 시작했고, 2023년 여름에는 100-300리터 수준의 반응기를 가지는 소량 시제품 생산설비를 증설할 계획이다.
생산성 향상과 동시에 고부가가치제품의 킬로그램 단위 주문에도 신속하게 대응할 수 있는 공급체제를 정비함으로써 광범위한 요구에 대응할 방침이다.
코에이케미칼은 연구개발형 화학기업으로 연구개발 인원과 분석·물성 평가 기기를 포함한 설비를 확대하고 있으며, 대학 등 외부기관과의 공동연구도 적극적으로 추진하고 있다.
칸토화학, 전해액 중심으로 채용실적 다수
칸토화학(Kanto Chemical)은 2000년 이후 이온액체 연구개발에 착수했고 독자적인 노하우를 살려 개발을 추진하고 있으며, 적극적인 라인업 확충을 통해 자체 개발제품과 해외제품까지 총 350종을 상시 공급할 수 있는 체제를 갖추고 있다.
또 시험 연구용 고품질‧소량‧다품종 공급에 대응할 수 있을 뿐만 아니라 원료 공급이나 양산화를 전제로 한 합성 처방·프로세스 개발을 검토하는 등 위탁 합성에도 힘쓰고 있으며, 수요기업과의 폭넓은 관계 구축을 위해 생산라인을 증설할 계획이다.
이온액체는 2차전지용 전해액 외에도 대전방지제, 윤활제, 셀룰로스 용해제, 가스흡착제, 의약품, 재생의료 등 다양한 분야 응용을 기대하고 있다. 셀룰로스 용해제나 가스 흡수제 분야는 세계적으로 주목받고 있으며 지속가능성을 위해 응용 사례를 더욱 확산시킬 방침이다.
칸토화학은 FSI(Bis(fluorosulfonyl)Imide)나 TFSI(Bis(trifluoromethanesulfonyl)Imide)를 음이온으로 이용한 이온액체를 중심으로 LiB 전해액 분야에 참여해 많은 채용실적을 쌓고 있다.
앞으로 확대될 응용 용도에 대응해 시약을 공급할 뿐만 아니라 지금까지 길러온 독자 기술을 살려 이온액체 용도 개발에도 주력할 방침이다.
칸토화학은 사회공헌을 위해 차세대 2차전지의 전해액이나 신규 분야 개발을 강화하고 있으며, 특히 저탄소·지속가능 사회 실현에 힘쓰고 있다.
DKS, 독자적 구조 바탕으로 신규 용도 확대
DKS(Dai-ichi Kogyo Seiyaku)는 독자적 구조의 이온액체 일렉셀 시리즈의 용도 확대를 추진하고 있다.
이온 전도성이 높은 저점도이며 소량 첨가로도 높은 대전방지 성능을 발휘해 디스플레이 등 정전기 대책 용도로 채용이 증가하고 있다. 전자 디바이스나 반도체 공정 테이프 등으로 용도를 확대하고 있으며 성장이 기대되는 차세대 LiB 및 특수매체 용도도 개발하고 있다.
일렉셀 시리즈는 독자적인 음이온 구조인 FSI 음이온을 가지고 있다.
일렉셀 AS 시리즈는 FSI 음이온 기술과 양이온의 설계 기술을 조합해 저점도, 저융점 특성이 있으며 이온액체 중 이온 전도성이 특히 높은 것으로 알려졌다. 소량 첨가로 성능을 발휘하는 것이 중요한 전자소재 분야에서 대전방지 성능이 높고 수지의 특성을 손상하지 않는 장점이 주목받아 다양한 수지로 적용이 확대되고 있다.
PC, 태블릿, 스마트폰 등 디스플레이용으로 많이 채용되고 있으며 새롭게 전자 디바이스에 이어 반도체 공정 테이프 용도로도 공급을 확대하고 있다.
수요기업의 요구에 맞추어 FSI 음이온 이외의 이온액체 개발도 검토하고 있다.
일렉셀 IL 시리즈는 이온 전도성이 높을 뿐만 아니라 기존 유기 용매에 비해 배터리 안전성 향상 효과가 뛰어나 수요기업의 평가가 진행되고 있으며 LiB 전해액용 수요 확대를 기대하고 있다.
연구개발이 활발한 산화물계 반고체전지를 목표로 하고 있으며 보다 높은 에너지 밀도나 안전성이 요구되는 모바일 기기와 자동차 용도 채용을 추진하고 있다.
이밖에 신규 용매 등 특수매체 제안에도 힘쓰고 있다.
일본유화, 용도에 맞춘 독자제품 개발에 충실
일본유화(Nippon Nyukazai)는 대전방지제, 초친수화제, 유화중합용 반응성 계면활성제, 셀룰로스 용해제 개발을 진행하고 있다.
환경보전에 기여한다는 점을 강조하고 있으며 이온액체를 계면활성제, 글리콜에테르(Glycol Ether), 아민에 이은 주력 사업으로 육성할 방침이다.
초친수화제인 아미노 이온 RE 시리즈는 모노머나 반응성 유화제로 소량 사용하면 수지나 도막에 초친수성을 부여해 에너지 절약이 가능하다. 흐림·오염 방지 기능이 있는 페인트, 필름, 친수 코팅제 등에 투입되며 최근 방범 카메라의 흐림·오염 방지 필름 수요가 늘어나고 있다.
대전방지제인 아미노 이온 AS 시리즈는 소량 첨가로 내수성이 우수한 대전‧흐림 방지 기능을 발휘하며 바이오매스 수지에도 적용할 수 있다. 할로겐(Halogen) 프리제품으로 환경보전에 기여하며 기존 불소계에 비해 공급가격이 낮아 수요가 늘어나고 있다.
AS 시리즈는 대전방지제 외에도 무기 필러와 병용하면 수지 도막에 높은 도전성을 부여하는 기능이 있어 도전조제로도 활용되고 있다.
일본유화는 이온액체 공급에 그치지 않고 여러 대학이나 관련기업과 제휴해 셀룰로스 용해 프로세스 전용 이온액체 연구개발에도 힘쓰고 있다. 다양한 용도에 맞추어 물성이 다른 이온액체를 개발하고 있으며 아미노 이온 CD10(1-Ethyl-3-Methylimidazole)은 실제 생산을 개시하는 등 양산체제를 갖추고 있다. (L)
