세계적으로 지구 온난화에 관심을 가지고 탄소 배출을 줄이기 위한 노력을 기울이고 있습니다. 이에 따라 자동차를 만들 때 사용되는 재료와 관련해서도 친환경 소재로 관심이 모이고 있습니다. 자동차는 성능을 향상시킨 섬유강화 플라스틱이 쓰이고 있는데요. 섬유강화 플라스틱은 대부분 유리섬유나 합성섬유, 탄소섬유로 만들어집니다.
이에 친환경 소재인 천연섬유를 적용한 바이오복합재료가 연구·개발(R&D)되고 있습니다. 오늘은 바이오복합재료가 무엇이고, 환경에는 어떤 영향을 미치는지 알아보겠습니다.
◆바이오복합재료란?
바이오복합재료(NFRP·Natural Fibre-Reinforced Polymer Composites)는 보강재로 천연섬유를 이용하고 매트릭스 수지로는 생분해성 고분자 또는 비생분해성 고분자 수지로 구성됩니다. 환경에 대한 규제와 사회적 관심이 높아지면서 2000년대 초부터 미국과 유럽, 일본 등에서 관심을 가지고 연구·개발되기 시작했습니다.
주로 천연섬유로 구성되는 NFRP는 자동차 부품의 친환경화, 경량화와 함께 더 큰 활성화를 맞고 있으며, 현재 자동차를 중심으로 전자부품과 건축 내장용, 포장 소재 등으로 확대되고 있습니다.
◆천연섬유 종류
천연섬유 종류는 많지만 NFRP 보강재로는 그 중에서도 생산량이 많아 공급이 안정적이고, 가격 및 공정성 등도 고려되어야 합니다.
대표적으로는 대기 중 이산화탄소 저감 효과가 가장 크다고 알려진 케나프(kenaf) 즉 양마를 비롯하여 황마(jute)와 아마(flax), 대마(hemp), 저마(ramie) 등 식물의 줄기로부터 얻는 섬유가 있습니다.
또한 선인장과 파인애플 잎, 바나나, 야자나무 씨와 열매로부터 얻어지는 코이어(coir) 섬유, 케이폭(kapok·판자과의 낙엽 교목) 섬유, 대나무 섬유 등이 있습니다. 양모나 누에 실크와 같은 동물성 섬유는 상대적으로 가격이 비싼 탓에 식물성 천연섬유가 주로 활용되고 있습니다.
◆천연섬유 특징
식물성 천연섬유는 유리섬유 대비 약 1/3 이상 가격이 저렴하고 자연에서 완전히 생분해될 수 있는 특징을 지니고 있는데요. 이 때문에 자동차의 친환경 경량화와 함께 제조비용을 낮출 수 있다는 장점이 있습니다.
천연섬유는 생산 과정에서 대기 중에 존재하는 많은 양의 이산화탄소를 흡수하고 산소를 배출하는 소재입니다. 앞에서 언급한 케나프 섬유는 1헥타르 면적으로 재배한 주기 동안 30-40t의 이산화탄소를 흡수합니다. 유리섬유나 합성섬유와 달리 재활용할 수 있고, 소각 시에도 이산화탄소 농도를 높이지 않아 지구 온난화를 막는 친환경 소재입니다.
◆천연섬유의 단점
천연섬유는 복합재료로서 많은 장점을 지니고 있지만 실제 제품에 적용했을 때 문제점으로 작용할 수 있는 부분이 있는데요. 먼저 물과 친한 성질 즉 친수성 탓에 고분자 수지와 천연섬유 사이의 접착력이 좋지 않아 천연섬유의 표면 개선이 필요합니다. 또한 천연섬유는 약 200도 이상의 성형온도에 민감하므로, 열적 안정성 확보를 위한 연구가 필요합니다.
2009년 영국 워익대(Warwick Univerwity) 연구팀은 재활용 플라스틱병과 탄소섬유, 아마, 당근을 기반으로 한 NFRP로 만든 경주용 ‘F3’ 자동차를 선보였습니다. 당근과 뿌리 채소로 만든 특수 스티어링 휠, 아마 섬유와 대두콩 오일로 만든 의자, 식물유를 기반으로 한 윤활제, 초콜릿과 채소기름으로 만든 바이오 오일로 주행할 수 있는 바이오 디젤 엔진 등 주요 부품을 만들어 친환경 NFRP의 가능성을 보여준 바 있습니다.
지구 온난화와 플라스틱 쓰레기에 대한 문제로 친환경적인 새로운 플라스틱 소재에 대한 R&D는 지속적으로 이뤄지고 있습니다.
한화솔루션도 바이오 베이스 합성 폴리머(중합체) 연구를 통해 자동차뿐만 아니라 전자제품 소재, 포장재 등으로 사용할 수 있는 엔지니어링 플라스틱을 개발하고 있습니다. 생산부터 분해까지 환경을 생각한 소재 연구를 위해 노력하는 한화솔루션에 많은 관심 부탁합니다.
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