[기계신문] 한국과학기술연구원(KIST) RAMP융합연구단 정용채 단장 연구팀이 일정 수준 이상의 온도와 압력 조건에서 발현되는 초임계 상태의 물을 이용해 수십 분 내에 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 소재를 99% 이상 재활용하는 기술을 개발했다.
CFRP는 우수한 성질로 인해 항공·우주, 자동차, 선박, 스포츠용품 등 산업 전반에 걸쳐 다양하게 활용됐다. 앞으로도 그 수요가 훨씬 늘어날 것으로 예상되는 만큼, CFRP의 폐기 방법에 관한 관심도 늘고 있다.
썩지 않기 때문에 유럽의 경우 매립방식은 법으로 금지하며, 고온 소각방식 역시 회수되는 물질의 물성 저하 및 열처리로 인한 독성물질 배출로 환경오염의 문제점을 지니고 있다.
연구팀에 따르면, 초임계 상태의 물은 높은 극성, 확산성 그리고 밀도를 가져 CFRP에 함침된 에폭시만을 선택적으로 제거함으로써 재활용된 탄소섬유를 얻을 수 있다.
연구팀은 별도의 촉매제, 산화제, 유기용매 등을 사용하지 않고 물만을 이용해 고효율의 재활용 시스템을 완성했다. 또한 글라이신(Glycine)을 초임계 상태의 물에 첨가하면 CFRP를 질소 원자가 도핑된 재활용 탄소섬유로 업사이클링할 수 있다는 사실도 알아냈다.
이렇게 업사이클링된 탄소섬유는 기존 재활용 탄소섬유보다 우수한 전기적 전도성을 가진다. 수십 분 내에 단일 재활용 공정만으로 CFRP의 재활용과 업사이클링을 동시에 처리해 재활용 섬유의 구조와 물성을 제어한 사례는 이번이 처음이다.
지금까지는 재활용된 CFRP 섬유의 성질이 불균일하다는 제약으로 인해 그 활용처가 주로 복합소재의 충진제에 국한됐다.
이와 비교해 연구팀이 만들어낸 업사이클링 탄소섬유는 E-모빌리티 배터리의 전극재로 적용했을 때 코인셀 평가에서 흑연 대비 동등 혹은 그 이상의 성능을 나타냈다.
KIST 정용채 단장은 “전 세계적으로 탄소복합소재(CFRP)의 폐기물량이 증가하고 있는 상황에서 이를 친환경적으로 업사이클링하는 기술을 개발했다”면서 “탄소배출량을 획기적으로 저감시키는 것은 물론 E-모빌리티의 배터리 전극재로 전환하는 자원 선순환 구조까지 제시한 의미 있는 연구성과”라고 설명했다.
과학기술정보통신부 지원으로 KIST 융합연구단사업 (CRC23011-000)과 나노 및 소재기술개발사업 (2021M3H4A1A0304129)으로 수행된 이번 연구결과는 국제학술지 ‘카본(CARBON)’ 최신호에 게재되었다.
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