버려지는 탄소섬유, 태양광 설비로 재탄생

버려지는 탄소섬유, 태양광 설비로 탈바꿈한 한국생산기술연구원은 한양대학교 연구팀과 함께 상품성이 떨어지거나 폐처리 예정인 저품질 탄소섬유를 재활용해 저렴하면서도.www.sedaily.com

탄소섬유를 활용한 해상부력체 모형을 가지고 있는 생기원 김광석 박사. 사진제공=한국생산기술연구원

한국 생산 기술 연구원은 한양 대학교 연구 팀과 함께 상품성이 떨어지거나 폐처리 예정의 품질이 낮은 탄소 섬유를 재활용하고 저렴하고 내구성이 높은 해상 태양광 부력체를 만들 수 있는 기술을 개발했다고 13일 밝혔다.태양광 발전은 태양광을 이용하고 전기를 생산하기 때문에 연료비가 안 들고 대기 오염도 발생시키지 않기 때문에 대표적인 신재생 에너지원으로 꼽힌다.그러나 한국의 경우 유휴 평지가 적고, 주로 산지에 설치하러 산림 자원과 경관을 훼손시킨다는 문제점이 제기되어 왔다.그 대안으로 수상에 잘 뜨는 스티로폼 등의 부력체를 활용하여 발전 시설을 수면 위로 설치하는 해상 태양광 발전이 최근 각광을 받고 있다.해상 태양광 발전은 환경 훼손이 적은 수온의 냉각 효과 덕분에 육상 시설보다 발전 효율이 뛰어나고 삼면이 바다인 우리 나라의 특성상 유휴 수면이 많은 공간 확보에 유리한 때문이다.반면 심한 파도와 바람, 부식을 일으키는 염수 등 가혹한 해상 환경에 의해서 부력체의 유지 관리에 많은 비용이 들어 발포 부력체에서 미세 플라스틱이 배출되는 단점도 있다.생기원 탄소 경량 소재 응용 연구 그룹 김·그아은속 박사와 한양대 최· 준 명 교수가 이끄는 공동 연구 팀은 해상 부력 단체 새로운 소재로 “탄소 섬유 복합”에 주목하는 폐기되거나 헐값에 팔리는 품질이 낮은 탄소 섬유를 재활용할 수 업 사이클(Upcycling)기술 개발에 나섰다.탄소 섬유 표면 탄소 원자는 육각형으로 배열된 그래파이트(Graphite)구조로 구성되어 있으며 안정적인 반면 복합 소재 제조시에 탄소 섬유와 플라스틱 수지 간의 접착 강도를 높이기 위해서 별도의 탄소 섬유 표면 처리 공정을 거쳐야 한다.이 과정에서 염산, 황산 등의 강산류를 약물로 사용하기 때문에 독성 부산물이 발생하는 탄소 섬유에 잔존하는 약물이 접착 취약층을 만들고 기계적 물성을 저하시키는 단점이 있었다.연구 팀은 탄소 나노 튜브와 금속 입자 복합화 실험 도중 탄소 섬유 표면을 카메라 플래시처럼 짧지만 순간적으로 높은 빛 에너지에 노출시킬 경우 탄소 섬유와 플라스틱 수지 간 표면 결합력이 극대화하는 사실을 우연히 발견했다.이 빛 에너지는 주로 인쇄 전자 기술에서 사용하던 펄스(Pulse)형태의 에너지원인 탄소 섬유에 적용하면 빠르고 간단한 과정만으로 효과적인 기능화가 가능하게 된 표면 결합력을 향상시킨다.연구 팀은 원리를 규명하기 위해서 분자 동력학 시뮬레이션을 활용하며 빛에 노출된 탄소 섬유 표면에 산소를 포함한 작용기가 만들어지고 나노 스케일 영역에서 서로 맞물려서 결합을 강화하는 효과인 물리·화학적 인터 로킹 효과(Interlocking Effect)이 유발되는 것을 확인했다.이 방식으로 표면 처리된 품질이 낮은 탄소 섬유는 기계적 특성과 내구성이 크게 향상됐고 상용 A급 탄소 섬유 대비 약 95%의 성능을 보였다.연구 팀은 이런 발견을 바탕으로 해상 부력체 시제품 제작에 착수하면서 바닷물 수조에서 간이 실증을 완료하고 현재 전북 새만금 방조제 내해에서 현장 실증을 추진하고 있다.제작된 해상 부력체 시제품은 해수 유입을 원천 차단하는 데 최적화된 상·하부 구조로 구성되어 있어 탄소 섬유 복합재의 외피로 내부 충전재인 비닐을 완전히 둘러싸고 미세 플라스틱 배출을 억제하는 외부 충격에도 안전하도록 설계·제작했다.특히 A급 탄소 섬유를 활용한 해상 부력체 대비 20%이상 싸게 만들 수 있는, 내후성·내염 수성 등의 특성도 모두 만족했다.실증 단계에서는 9개 해상 부력 단체가 1세트로 구성되며 450W급 이상의 태양광 패널 27개를 지지하지만 이 구조물은 높이 2m의 파도를 견디며 실제 해상 환경에서 20년간 사용할 수 있는 안정성도 갖추고 있다.생기원의 김·그아은속 박사는 “품질이 낮은 탄소 섬유를 활용한 해상 부력 단체는 사용 기간이 끝난 뒤에도 같은 기술로 품질을 높이는 재이용 가능하다”로서 “향후 탄소 섬유 표면 처리를 대용량으로 진행할 수 있는 장비 개발 및 실용화에 주력할 방침”이라고 밝혔다.이번 성과는 11월 생명·물리·환경 분야의 국제 저널”사이언스”에 게재되고 있다.출처:서울 경제 박·히융 기자

버려지는 탄소섬유, 태양광 설비로 탈바꿈한 한국생산기술연구원은 한양대학교 연구팀과 함께 상품성이 떨어지거나 폐처리 예정인 저품질 탄소섬유를 재활용해 저렴하면서도.www.sedaily.com

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