[특집] 탄소섬유강화 복합소재의 친환경 재활용 기술

탄소섬유강화 복합소재의 친환경 재활용 기술

Eco-friendly Recycling of Carbon Fiber Reinforced Plastics

유아영ㆍ고문주 | Ayeong Yu, Munju Goh Department of Chemical Enginering, Konkuk University,

120, Neungdong-ro, Gwangjin-gu, Seoul 05029, Korea E-mail: [email protected]

유아영

2015-2019 인제대학교 의생명화학과 (학사) 2020-현재 건국대학교 화학공학과 (석사)

고문주

2001 건국대학교 섬유공학과 (공학사) 2005 Tsukuba Univ. 이공학연구과 (석사) 2009 Kyoto Univ. 고분자화학과(공학박사) 2009-2010 Kyoto Univ. 고분자화학과, Post-Doc.

2010-2011 Kyoto Univ. 고분자화학과, 조교수 2012-2019 KIST 선임연구원 / 책임연구원 2019-현재 건국대학교 화학공학과 조교수 그림 1. CFRP가 사용되는 다양한 산업분야.

1. 서론

탄소섬유강화복합소재(carbon fiber reinforced plastic, CFRP)는 탄소섬유를 이용하여 제조한 복합재료로 서 섬유강화복합소재(fiber-reinforced plastic, FRP)의 한 종류이며 가벼우면서도 높은 내구성 및 기계적 특 성을 지녀, 가장 주목받는 신소재 중 하나로서 그 사용 분야가 점차 확대되고 있다(그림 1).

최근, 지구온난화에 의한 기후변화 문제가 대두됨에 따라 자동차 분야에 있어서 연비나 이산화탄소 배출량 을 규제하려는 움직임이 커지고 있다. EU의 경우 2012년부터 이산화탄소의 평균 배출량을 120 g/km 이하로 규제하고 있으며, 일본의 경우 2015년부터 16.8 km/L 이상의 연비를 갖도록 규제하고 있다(그림 2). 또한, 우리나라의 경우에도 2015년부터 연비 17 km/L 이상, 이산화탄소 배출량 140 g/km 이하 등의 규제를 시작하

그림 2. (좌) EU의 새로운 폐기물 지침과² (우) 한국의 자원순환 기본법.³

그림 3. Pyrolysis를 통한 CFRP 재활용 방법.

고 있다. 이러한 움직임에 발맞추어, 자동차의 연비를 높이 고 이산화탄소 배출을 줄이기 위해 차체 경량화가 필수적이 되고 있다.

이에 따라 여러 자동차 제조사에서 2020년까지 차체 무 게의 20 ~ 30%를 감량하고자 하고 있다. 현재 일반 승용차 의 차체에 사용되는 재료의 약 75%가 철강, 특수강, 알루미늄 등의 금속 소재로 이루어져 있는데, 이를 점차 CFRP로 대 체함으로써 차체를 경량화하면서도 기계적 강도 등은 유지 하려는 개발이 진행되고 있다. CFRP의 경우 알루미늄 대비 약 30%, 철강 대비 약 50%의 경량화 효과를 얻을 수 있으 므로 차체를 크게 경량화하여 연비를 향상시키고 이산화탄소 배출량을 감소시킬 수 있는 친환경 소재로서 주목받고 있다.

탄소섬유 시장은 매년 20% 내외로 성장 중에 있으며, 2020년의 세계시장 규모는 약 5조 원, 사용량은 약 14만 톤 에 이를 것으로 예상된다. 또한 CFRP시장은 탄소 섬유 시 장의 약 10배 규모로서, 2015년 기준 약 9만 톤의 사용량과 42조 원의 규모까지 성장할 것으로 예측되고 있다. 또한 현 재 주로 사용되는 자동차, 항공기 이외에도 의료기기, 건축 재료, 산업용 케이블, 전자 제품 등의 신규 용도가 지속적으 로 창출될 것으로 보여 시장의 성장세는 더 가파르게 증가 될 것으로 예상된다.

CFRP의 제조에 사용되는 기지재(matrix) 고분자 수지로 서는 polyetheretherketone(PEEK)와 같은 열가소성 수지 나 불포화 폴리에스테르, 페놀 수지, 에폭시 수지 등의 열경 화성 수지가 주로 사용된다. 그 중에서도 에폭시 수지는 점 도가 낮고 탄소섬유와의 상용성이 좋으며 내열성이나 기계 적 특성 역시 우수하기 때문에 가장 널리 사용되고 있다. 그 러나 건식 공정을 통해 간단하게 기지재와 탄소섬유를 분리 하여 재활용할 수 있는 열가소성 수지와 달리, 열경화성 수 지의 경우 한번 경화하고 나면 기지재와 탄소섬유를 분리해 내기 매우 어렵다는 단점이 있다.¹ 따라서 열경화성 수지를 사용한 CFRP는 수명이 다한 뒤 산업폐기물로 취급되어, 주 로 매립 형태로 처리되고 있다. 이러한 형태의 처리는 탄소 섬유의 재활용이 불가능하고, 매립에 막대한 비용이 소요되 며, 지구환경에도 많은 부담을 주게 된다는 문제점이 있다.

이러한 환경 및 경제적 이유로 인해, CFRP로부터 기지재 를 분해함으로써 탄소섬유를 회수하여 재활용하려는 기술 의 중요성이 확대되고 있다. 예를 들어 EU는 2008년 발표 한 “The New Waste Framework Directive”에서 CFRP폐기 물의 매립을 금지하고 재활용하도록 하며, 환경 오염에 있 어서 폐기물 생산자의 책임 범위를 확대하고 있다.² 이에 따 라 국내 업체들이 유럽에 진출할 경우, 이러한 규제에 대응 하기 위해 재활용 기술을 확보할 필요가 있다. 하지만 현재 95% 이상 재활용 기술을 보유 중인 유럽이나 일본의 업체 들과 달리, 국내 업체의 재활용 기술 보유 수준은 약 60%

정도로 평가되고 있어 산업계의 부담이 커지고 있는 실정이다.

2. 본론

현재까지 발표된 방법들은 크게 열분해와 화학적 분해로 나눌 수 있다. 열분해 방법은 쉬운 공정을 이용한 재활용 방 법으로 최근 상업화의 주류를 이루고 있다. 그러나, 에폭시 수지를 고온으로 태워 분해 시킨 뒤, 탄소섬유만을 회수하 는 방법으로 분해 공정의 친환경성을 확보하지 못한 단점이 존재한다. 또한, 에폭시 수지를 회수할 수 없어 재활용율이 저하되는 단점이 존재한다. 본 기술지에서는 열분해 방법의 단점을 보완한 다양한 최신의 연구결과를 소개한다.

2.1. 열분해 방법

질소나 공기 분위기에서 CFRP를 열분해(pyrolysis) 하

그림 6. 아세톤과 과산화수소를 이용한 CFRP의 분해.⁹

그림 5. 인산칼륨과 벤질알코올을 이용한 에폭시 수지 분해 반응.⁸ 그림 4. 유동상식 소각 분해법의 공정도.⁵

는 방법은 다른 부재료가 필요 없고, 공정이 간단하기 때문 에 높은 경제성을 지녀, 현재는 양산 단계에 있어서 가장 널 리 사용되는 방법이다(그림 3).⁴ 이러한 열분해 방법은 분 해된 기지재의 일부를 원료로 재활용하려는 연구가 일부 진 행되고는 있지만, 아직까지는 열분해로 인해 기지재로부터 발생하는 폐기물, 특히 다량의 이산화탄소와 다이옥신으로 인해 발생하는 환경 문제가 지적되고 있다. 또한 고온 조건 으로 인한 탄소섬유 표면의 변성이 발생하거나, 탄소섬유 표면에 폐기물이 흡착되거나 하는 현상이 발생하여, 회수된 탄소섬유의 물성이 크게 저하하는 단점이 있다.

2.2. 유동상식 소각 분해법

유동상식 소각 분해법(fluidized bed)은 이산화규소를 450 ℃이상으로 가열하여 유체화시킨 뒤, 그 안에서 CFRP 를 탄소섬유와 기지재로 분리하여 탄소섬유만을 선택적으 로 회수하는 방법이다(그림 4).^5,6 기존의 열분해 방법보다 환경오염 물질을 적게 배출하고, 높은 순도의 탄소섬유 및 기지재를 회수할 수 있다는 장점이 있지만, 이 방법을 사용 하기 위해서는 CFRP를 2.5 cm 길이 이하로 잘게 분쇄하여 야 하고, 이에 따라 회수된 탄소섬유의 길이 역시 필연적으 로 짧을 수밖에 없기 때문에, 탄소섬유의 재활용 가능 분야 가 제한적으로 될 수밖에 없다는 단점이 있다.⁷

2.3. 에스터 결합의 Alcoholysis 반응을 이용한 화학적 분해방법

2014년 Shibata 등은 200 ℃에서 10시간 동안 인산칼륨 과 벤질알코올을 이용하여 CFRP로부터 약 27%의 인장 강 도 저하를 나타내는 탄소섬유를 회수할 수 있음을 발표하였 다(그림 5).⁸ 이 방법의 경우, 1기압에서 에폭시 수지를 분 해할 수 있고, 독성이 낮은 인산칼륨과 벤질알코올을 이용 한다는 장점이 있지만, 에스테르 교환 반응을 통한 분해가 일어나기 때문에, 산무수물 경화제를 이용한 CFRP이외에 는 분해할 수 없고 회수된 탄소섬유의 물성 저하 역시 크다 는 단점이 있다.

2.4 과산화수소를 이용한 화학적 분해방법

2012년 Li 등은 아세톤과 과산화수소가 반응하여 발생하 는 triacetone triperoxide를 이용하여 CFRP의 에폭시 수지를 분해하고 약 5 ~ 13%의 인장 강도 저하를 나타내는 탄소섬 유를 분리할 수 있음을 발표하였다(그림 6).⁹ 특히 CFRP를

그림 7. 물을 이용한 CFRP의 재활용 방법.¹⁰

분해하기 전에 초산으로 팽윤시킴으로써 분해 공정 시간을 크게 단축시킬 수 있다는 결과를 보고하였다. 이 방법의 경우 1기압, 80 ~ 120 ℃의 온화한 조건으로 분해 공정을 진행할 수 있다는 장점이 있으나, 반응제로 작용하는 triacetone triperoxide가 화학적으로 민감하여 다루기 어렵다는 단점 이 있다.

2.5 물을 이용한 화학적 분해방법

최근 건국대학교에서는 물을 이용한 CFRP 의 친환경적 재활용 기술을 보고하였다(그림 7).¹⁰ 이 방법의 경우 상기 질산이나 triacetone triperoxide 과 같이 높은 반응성으로 인해 다루기 어려운 화합물이 아닌, 상대적으로 취급이 용이한 무기염과 물을 사용하여 공정 환경을 크게 개선하였다.¹⁰ 또 한 60 ~ 100 ℃, 상압(ambient pressure)의 온화한 조건으 로 분해 공정을 진행할 수 있으며, 공정 시간 역시 2 ∼ 4 시 간 내외로 짧아 높은 경제성을 확보할 수 있었다. 회수된 탄 소섬유의 기계적 강도 저하는 약 5% 이하로, 기존의 분해 방법들과 비교했을 때 낮거나 비슷한 수준을 나타낼 수 있 다. 특히 CFRP 의 분쇄가 필요 없고 분해 공정 조건이 온화 하기 때문에, CFRP 내부에 함침된 탄소섬유의 본래 형태를 거의 그대로 유지하면서 회수할 수 있다는 장점이 있어, 단 순한 재활용이 아니라 repair 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 회수된 탄소섬유를 열가소성 수지 복합소 재로 활용할 수 있으며, 에폭시 수지의 분해물을 이용하여 발포 폴리우레탄을 제조하여 CFRP 의 재활용율을 극대화 하는데 성공하였다.

3. 결론

자원 고갈의 위기 및 지구 온난화 문제가 global agenda

로 부각되고 있으며 전 세계적으로 이를 해결하기 위한 대 책이 강구되고 있다. 예를 들어 2007년 12월 인도네시아 발 리에서 이루어진 제13차 기후변화협약 당사국회의에서 채 택된 발리 로드맵에 따르면 2050년까지 전 세계의 온실가 스 배출량을 2000년 대비 50% 삭감하고, 각국의 구체적인 배출량 및 감축상황을 보고해야 하는 실정이다.

이러한 환경 관련 전 세계적 인식 강화는 자동차나 항공 분야에 큰 영향을 끼치게 될 것이 자명하다. 특히 재료에 있 어서 경량화에 유리한 CFRP는 미래 환경 기술 시장으로 급 부상하여 거대 블루오션 시장으로 확대될 전망이다.

그러나 CFRP가 본격적으로 산업 분야에서 기존의 금속 재료를 대체하기 위해서는 높은 제조비용과 폐기물 처리비 용이라는 단점을 반드시 개선해야 한다. 예를 들어 2013년 Kim 등은 차체의 일부를 CFRP로 만드는 데 드는 비용과 이 렇게 만들어진 자동차의 연비 및 이산화탄소 배출량을 고려 한 전과정 평가(life cycle assessment, LCA) 결과, 아직까 지 차체의 일부 재료로 CFRP를 사용하여도 에너지 소비 측 면에서 예상보다 크게 개선되지 않고, 이는 CFRP제조에 소 비되는 에너지가 철강 대비 4배가량 높고 재활용 비율이 거의 존재하지 않는 것이 주된 이유임을 보고 하고 있다(그림 8).¹²

따라서 이러한 단점을 개선하기 위한 CFRP의 효율적 재 활용 방법 개발은 필수적이라 할 수 있으며, 만약 효율적인 재활용 방법이 개발되게 된다면 빠르게 시장이 형성될 것으 로 전망된다. 또한 단순히 CFRP재활용 시장이 형성되는 것 뿐만이 아니라, 이로 인한 CFRP사용의 증가로 탄소섬유 시 장 전체가 더욱 급속하게 성장할 가능성이 충분하다. 예를 들어 비교적 고도의 물성을 요구하지 않는 건축용 보강재나 자동차 또는 항공기의 내장재 등에 탄소섬유를 사용하는 것 은 지금까지는 탄소섬유의 비싼 가격으로 인해 쉽게 생각하 기 어려웠으나, 만약 수명이 다한 CFRP로부터 저가의 탄소

그림 8. 자동차 재료 변경의 전 과정 평가 결과. Normalized primary energy가 1.0 이상일 경우 재료 변경이 에너지 상 유리하고, 1.0 이하이면 기존의 철강 재료를 사용하는 것이 유리하다.¹²

섬유를 재생산할 수 있게 된다면, 이러한 분야에도 보다 쉽 게 탄소섬유를 사용할 수 있게 되어, 탄소섬유의 사용 분야 가 극적으로 확대될 수 있으리라 예상된다.

참고문헌

1. Y. Liu, L. Meng, Y. Huang, and J. Du, J. Appl. Polym. Sci., 95, 1912 (2004).

2. “DIRECTIVE 2008/98/EC OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL”, article 4, 322 (2008).

3. 자원순환기본법 (2020. 5. 26 법률 제 17326호)

4. L. O. Meyer, K. Schulte, and E. Grove-Nielsen, J. Compos.

Mater., 43, 1121 (2009).

5. S. J. Pickering, Composite: Part A, 37, 1206 (2006).

6. E. Lester, S. Kingman, K. H. Wong, C. Rudd, S. Pickering, and N. Hilal, Mater. Res. Bull., 39, 1549 (2004).

7. R. Piñero-Hernanz, C. Dodds, J. Hyde, J. García-Serna, M.

Poliakoff, E. Lester, M. J. Cocero, S. Kingman, S. Pickering, and K. H. Wong, Composite: Part A, 39, 454 (2008).

8. K. Shibata, and M. Nakagawa, Hitachi chemical Technical Report, 56, 6 (2004).

9. J. Li, P. Xu, Y. Zhu, J. Ding, L. Xue, and Y. Wang, Green Chem., 14, 3260 (2012).

10. D. H. Kim, M. Lee, and M. Goh, ACS Sustain. Chem. Eng., 8, 2433 (2020).

11. M. Lee, D. H. Kim, J. Park, N. You, and M. Goh, Waste Manage., 118, 190 (2020).

12. H. C. Kim, and T. J. Wallington, Environ. Sci .Technol., 47, 6089 (2013).