천연섬유강화 플라스틱 - 바이오복합재료(上) 이성운 기자입력 2017-05-31 17:19:27

최근 전 세계적으로 환경에 대한 관심이 증가함에 따라, 재활용과 분해가 어려운 석유 기반 소재에 대한 새로운 시각이 생겨나고 있다. 또한 기술의 발달로 친환경 신소재가 기존의 소재를 충분히 대체할 수 있게 되면서, 소재시장에서 친환경 신소재는 각광받고 있다. 이에 본지는 금오공과대학교 조동환 교수의 ‘천연섬유강화플라스틱-바이오복합재료’ 보고서를 소개함으로써 천연섬유강화 플라스틱을 살펴보고자 한다.

※ 자료 : 화학소재정보은행(www.matcenter.org)
※ 필자 : 금오공과대학교 조동환 교수

 

Ⅰ. 바이오복합재료

 

1. 바이오복합재료 이해
천연섬유 강화 플라스틱은 보강재로 천연섬유(NFRP)를 사용하고 매트릭스(Matrix) 수지로는 생분해성 고분자 또는 비생분해성 고분자수지로 구성된 복합소재를 일컫는다.
자연계에서 대량으로 얻어지는 바이오매스(Biomass)에 기반한 천연섬유가 지니고 있는 생분해능 때문에 바이오섬유(Biofiber)라고도 부르는 친환경 보강섬유와 함께 NFRP에 적용된 고분자수지의 종류에 따라 일부 생분해성 또는 완전한 생분해성을 가져 바이오복합재료(Biocomposites)라고도 일컫는다. 또한 친환경 천연섬유로 이루어져 그린복합재료(Green Composites)라고도 부른다.
본 보고서에서는 천연섬유강화 플라스틱에 대해 국제적으로 가장 보편적으로 사용되고 있는 ‘바이오복합재료’로 통일해 기술한다.

 

▲바스프社에서 제작한 천연섬유로 이루어진 자동차용 루프 프레임

 

바이오복합재료는 학계와 연구소에서 학술적 차원에서 전문적인 연구가 다양하게 진행되고 있으나, 주로 유럽과 미국을 중심으로 연구개발 결과들이 보고되고 있다. 국내에서는 일부 대학연구실에서 연구가 지속적으로 진행되고 있으나, 연구 인프라 관점에서 선진국에 비해서 미흡한 실정이다.
산업계 연구개발 측면이나 산업적 응용 관점에서도 선진국에 비해 바이오복합재료에 대한 우리나라의 관심과 투자는 매우 미미한 편이다. 친환경 경량 소재에 큰 관심을 가지고 집중 투자하고 있는 선진국에서는 바이오복합재료를 자동차 중심으로 수송 장비의 내외장용 부품소재, 전자부품용 소재, 건축 내장용 소재, 포장용 소재분야 등에서 이미 활용하고 있거나, 성능향상 및 새로운 응용분야로의 확대를 위한 연구개발을 활발하게 진행하고 있다.

 

▲바이오복합재료로 제작된 BMW i3 도어 패널

 

복합재료 개발에 현대 과학과 기술이 접목되고, 특히 환경에 대한 규제와 사회적 관심이 더욱 높아지면서 바이오복합재료는 2000년대 초부터 미국, 유럽, 일본 등 여러 선진국에서 많은 관심을 가지고 투자하고 있는 분야이다.

산업용 천연섬유를 주로 재배해 생산하고 있는 국가에서는 바이오복합재료에 대한 연구개발이 더욱 활성화되고 있으며, 최근 중국에서도 바이오복합재료에 대한 많은 연구결과를 보고하고 있다.


2. 바이오복합재료의 필요성
21세기에 들어와 환경문제에 대한 사회적 관심이 더욱 높아지고, 그에 대한 환경법규들이 강화되면서 새로운 친환경 소재의 개발에 대한 요구가 증가하고 있다.
현재 널리 사용되고 있는 섬유강화 고분자복합재료, 특히 이 분 야에서 상당 부분을 차지하고 있는 유리섬유/폴리프로필렌 및 유리섬유/불포화폴리에스터 복합재료 등은 환경에 대한 내성이 높아 자연환경에 폐기되었을 경우, 거의 영구적으로 분해되지 않기 때문에 그 폐기물은 세계 각국에서 환경오염이나 재활용 측면에서 해결해야 할 문제로 제기되고 있다.

이러한 요구에 맞추어 여러 선진국의 산업체들은 점점 고갈되어가고 있는 석유 기반의 소재 공급원을 천연소재 및 농작물 자원 기반의 친환경 소재로 대체하려는 노력을 기울이고 있다. 특히 자동차 제조 분야에서는 유가상승과 강화되는 환경규제에 따라 부품 소재의 친환경화를 꾀하고 있다.

더불어 현대사회에서 환경문제는 많은 이슈화가 되고 있다. 이에 따라 산업계에서는 친환경과 함께 경량화라는 이슈가 강조되고 있다. 이러한 이슈는 부품소재인 경우 더욱 강조되며, 자동차 및 수송용 부품소재, 에너지 산업용 부품소재, 건축용 부품소재, 포장용 부품소재 등 다양한 산업 분야는 물론, 생활용 소재와도 밀접한 관계가 있다.
석유 자원에 산업의 근간을 두고 있는 많은 산업체의 친환경소재관련 연구개발부서에서는 새로운 친환경소재를 찾기 위한 많은 노력을 기울이고 있다. 특히 자동차 부품소재 분야에 서는 점차적으로 강화되는 환경규제에 부응하면서 연료효율성 향상, 비용절감, 이산화탄소 저감, 구매력 증대 등 다목적 차원에서 내외장재의 친환경화와 경량화를 꾀하고 있다.

이러한 목적에 가장 부합되는 친환경소재로서 천연섬유를 적용한 바이오복합재료가 하나의 대안이 될 수 있다. 부품소재의 경량화는 자동차의 연비절감 효과와 밀접한 관계가 있다. 천연섬유의 밀도가 유리섬유의 약 1/2 정도로 낮기 때문에 고분자수지와 천연섬유와의 적절한 선택과 배합, 압축, 압출 및 사출 성형공정의 최적화를 통해 제조된 바이오복합재료는 기존의 자동차 내외장 부품소재의 중량을 낮출 수 있다.

아울러 자동차 부품소재 등 여러 산업분야에서 바이오복합재료의 사용량이 크게 증가하면서, 결과적으로 천연섬유 재배가 늘어나고 자동차에서 배출되는 이산화탄소는 물론, 대기 중 이산화탄소를 천연섬유의 재배·성장 과정을 통해 자연에서 다시 환원할 수 있다.

 

▲ 천연섬유와 바이오복합재료의 자연순환형 Life Cycle

 

전통적으로 오랜 역사 동안 인류문명에 기여해왔던 천연섬유가 이제는 나날이 변해가고 있는 현대문명 그리고 산업기술과 접목하기 위해 변신하고 있다.
그 중 선봉에 있는 부품소재 분야가 자동차용 부품 소재와 건축용 소재분야이며, 점진적으로 전자부품과 포장재, 산업용소재, 파렛트소재, 생활소재 등으로 확대되고 있다.
이에 대한 공통 키워드는 바이오복합재료이다. 외국 선진국의 자동차제조 산업분야에서는 심각해지는 화석연료의 감소, 점점 강화되는 환경규제와 국제사회의 요구에 따라, 그 동안 부품소재의 친환경화와 경량화를 통한 연비절감을 위해 바이오복합재료에 대한 많은 연구개발을 추진해 왔으며, 플라스틱 보강재로서 천연섬유를 적용하고 이미 실용화한 수준에 이르고 있다.
국내에서는 현재 몇몇 대학에서 천연섬유를 이용한 바이오복합재료에 대한 활발한 연구를 통해 요소기술을 축적하고 있으나, 선진국 수준에 비해서는 산업기반이 매우 취약한 실정이다. 그러므로 다양한 산업분야에서 사용되고 있는 각종 플라스틱 및 섬유강화 플라스틱(FRP)을 대체할 만한 물성뿐 아니라 응용성과 경제성 등을 갖춘 친환경 천연 순환자원인 천연섬유를 활용한 바이오복합재료에 대한 연구개발의 필요성은 아무리 강조해도 지나치지 않다.

 

3. 천연섬유 활용의 필요성
천연섬유는 기원전 수천 년부터 인류문명에 도입되어 지금까지 사용되고 있으며, 전통적으로 세계 여러 나라에서 의복, 천, 장식품, 농업, 생활용품, 가옥구조물 등에 유용하게 쓰여 왔다. 이제 천연섬유는 화석연료의 고갈, 산업기술의 발전, 환경에 대한 인식의 변화, 환경규제 그리고 다양한 생활양식의 변화에 힘입어 20세기 후반 소재개발에 새로운 개념으로 적용되면서 인류문명에 기여하고 있다.
산업용 천연섬유가 부품소재 보강용 섬유로서 재평가되면서 천연섬유 생산국 위주로 이루어졌던 바이오복합재료에 대한 연구개발이 1990년대 후반부터 더욱 확산되어 유럽 선진국을 비롯한 미국, 일본에서 큰 관심을 가지고 본격적인 연구개발이 활발히 전개되기 시작했다.
천연섬유는 여러 가지 장점 때문에 바이오복합재료 분야에서 매우 유용하게 활용되고 있다. 천연섬유는 자연에서 완전한 생분해가 가능하며, 비중이 약 1.1~1.5 정도로 현재 산업용으로 널리 사용되고 있는 유리섬유의 약 50~60% 정도밖에 되지 않는다.

이에 기존에 사용되고 있는 유리섬유강화 플라스틱(GFRP)에 적용했을 때, 제품의 경량화와 함께 친환경화를 추구할 수 있다.

 

▲천연섬유 제작에 사용되는 양마(Kenaf)

 

비중이 낮다는 것은 동일 중량의 제품을 제조할 경우 저렴한 천연섬유를 더 많이 제품에 적용할 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 장점을 활용하고 있는 대표적인 산업분야가 자동차 내장부품 분야이다.
더욱이 천연섬유는 경작과 성장과정에서 대기에 존재하는 많은 양의 이산화탄소를 흡수하고 산소를 배출하기 때문에 지구온난화를 억제하고 지구청정화에 기여한다. 예로 대표적인 천연섬유 중 하나인 양마(Kenaf)의 식물 경작지 1헥타르는 재배 주기 동안 약 30~40톤의 이산화탄소를 흡수할 수 있다고 알려져 있다.
천연섬유는 유리섬유나 합성섬유와 달리, 재활용이 가능하고, 소각 시에도 대기의 이산화탄소 농도를 증가시키지 않는다. 또한 대량의 천연섬유를 경작하는 과정에서 지구온난화의 주범인 이산화탄소의 감소에 기여할 수 있다.
아울러 식물성 천연섬유는 1년에 여러 번 다모작이 가능하므로 생산성이 매우 높으며, 재배 국가의 풍부한 노동력과 함께 생산단가도 매우 낮다. 산업용 천연섬유의 가격은 그 종류와 등급에 따라 다소 차이가 있지만, 통상적으로 유리섬유에 비해 저렴하다.

아울러 천연섬유는 인체에 해가 없으며, 사용 중 피부와 접촉 시 가려움을 야기하지 않는다. 또한 천연섬유가 포함된 플라스틱을 절단하거나 절삭할 때 기계의 마모를 줄여주기도 한다. 특히 식물성 천연섬유는 셀룰로스 성분을 기반으로 하는 다공성 셀(Cell) 구조를 지니고 있으므로 방음, 보온이 요구되는 건축 내장소재로 그 활용가치가 높다.

 

Ⅱ. 천연섬유 보강재와 고분자 매트릭스

 

1-1. 천연섬유 보강재
천연섬유는 크게 식물성 섬유와 동물성 섬유로 분류된다. 식물성 섬유는 줄기, 잎, 열매, 씨앗 등으로부터 섬유를 얻을 수 있는 식물 또는 작물이 생산 주체가 되며, 동물성 섬유는 누에실크(Worm Silk)와 거미실크(Spider Silk), 양모(Wool)와 같이 동물이 그 생산 주체가 된다. 동물성 섬유의 경우 탄성률과 기계적 특성이 우수해 응용분야 및 그 잠재성이 매우 클 것으로 기대되고 있다.

그러나 동물성 천연섬유는 식물성 천연섬유에 비해 생산량이 적어 섬유 수급에 어려움이 있고 가격경쟁력도 떨어지므로 대부분의 산업용 천연섬유로는 주로 식물성 천연섬유를 사용하고 있다.

 

▲여러 가지 식물성 천연섬유의 화학조성

 

1-2. 천연섬유의 수득 및 화학조성
일반적으 로 천연섬유 는 재배식물로부터 일정 길이로 절단된 후, 일련의 Retting → Fiber Extraction → Washing → Drying 단계를 거쳐 얻어진다. 여기서 Retting은 줄기섬유 식물을 물속이나 미생물 환경 또는 화학용액 내에 오랜 시간 동안 담가두어 줄기로부터 천연섬유를 추출할 수 있도록 하는 공정이다.

또한 해머를 이용하는 기계적인 Retting 방법도 있다. 줄기나 잎으로부터 얻는 천연섬유는 일반적으로 기계장치를 사용하기도 한다. 식물의 줄기나 잎으로 얻어지는 천연섬유는 원식물을 롤러 사이에 넣어 으깨거나 무딘 칼이 장착된 회전 Wheel로 반복적으로 때려 섬유를 얻을 수 있는 Decotication 방법을 사용하기도 하며, 수작업으로 직접 식물의 표피로부터 일련의 공정을 거처 섬유를 얻기도 한다.

 

▲천연섬유 제작에 사용되는 아마(Flax)

 

셀룰로오스계 천연섬유라고도 일컫는 식물성 천연섬유는 셀룰로오스(Cellulose)와 헤미셀룰로오스(Hemicellulose), 리그닌(Lignin), 펙틴(Pectin), 왁스(Wax) 그리고 수분으로 이루어져 있다.

또한 섬유표면에는 추출공정이나 보관, 운송 중 발생한 일부 불순물도 포함하고 있다. 이들의 화학조성비는 천연섬유의 종류는 물론, 품종, 기후, 출처 및 수확시기에 따라 다를 수 있다.

셀룰로오스는 수산기를 가지고 있어 수소결합에 의한 분자간력을 유지하고 있으며, 친수성이므로 섬유는 본질적으로 구조상에 약 8~12% 가량의 물분자 즉 수분을 포함하고 있다. 결정성인 셀룰로오스는 섬유의 물성과 셀의 안정성을 유지시키는데 크게 기여한다.

헤미셀룰로오스는 약하게 가교된 상태로 존재하며 섬유의 물성에 크게 기여는 하지 않으나, 친수성을 띠고 있고, 알칼리에 용해된다. 리그닌은 페놀계 화합물로 셀벽 사이의 구조를 형성하며, 셀들을 Cementing하는 역할을 한다.

 

▲ 식물성 천연섬유의 분류

 

2. 고분자 매트릭스
바이오복합재료의 매트릭스 수지로는 근본적으로 우리가 플라스틱 제조에 보편적으로 사용할 수 있는 거의 대부분의 열경화성 고분자수지와 약 230°C 이하의 상대적으로 낮은 온도에서 성형가공이 가능한 열가소성 고분자수지의 사용이 가능하다.

보강섬유로 사용하는 천연섬유는 궁극적으로는 자연에서 생분해가 가능하므로 바이오복합재료의 생분해능이 부분적인가 또는 전체적인가는 고분자 매트릭스 수지의 생분해성에 의존한다.

일반적으로 사용되는 합성고분자수지의 대부분은 생분해가 가능하기 않기 때문에 이 경우 부분적인 생분해능을 지닌 바이오복합재료에 해당한다. 반면 PLA(Poly Lactic Acid), PBS(Poly But ylene Succi nate), Polye ster Amide, Starch나 Soy 기반 고분자와 같은 생분해성 고분자수지를 매트릭스로 적용할 경우 바이오복합재료는 궁극적으로 오랜 시간이 경과한 후 생분해가 가능하다.

이러한 생분해성 고분자수지를 활용한 바이오복합재료에 대한 연구개발은 최근에 크게 증가하고 있다.

 

▲ 바이오복합재료에 사용되는 고분자 매트릭스 수지의 분류

 

전통적으로 섬유강화 플라스틱의 매트릭스수지로 사용되어 왔던 불포화폴리에스터수지, 에폭시수지, 페놀수지, 비닐에스터수지 등의 열경화성 고분자수지 역시 바이오복합재료에 적용할 수 있다. 빠른 성형가공성, 산업적 응용성, 공정비용 등을 고려할 때 폴리프로필렌(PP)은 바이오복합재료에 사용하는 열가소성 고분자수지 중 가장 대표적인 수지다.

PP는 기존의 FRP에서 유리섬유와 함께 널리 사용되고 있는 열가소성 수지이므로, 유리섬유 대체목적으로 사용하는 천연섬유의 파트너수지로 가장 적절하기 때문이다.

불포화폴리에스터수지는 열경화성 고분자수지 중 가장 저렴하고 수지젖음성, 제조성, 물성, 응용성 등이 좋아 바이오복합재료 제조에 널리 사용된다.

 

이성운 기자
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