[논문]자연순환형 바이오복합재료

조동환; 김현중

자연순환형 바이오복합재료
Naturally Cyclable Biocomposites 원문보기

Elastomers and composites = 엘라스토머 및 콤포지트, v.44 no.1, 2009년, pp.13 - 21

조동환 (금오공과대학교 고분자공학과) , 김현중 (서울대학교 농업생명과학대학 산림과학부 환경재료과학)

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문제 정의

본 논고에서는 지속가능한 천연자원인 천연섬유를 사용한 자연순환형 바이오복합재료의 필요성, 특성, 연구내용, 제조방법, 응용분야에 대하여 설명한다. 또한 바이오복합재료를 구성하고 있는 천연섬유에 대한 이해를 돕고자 천연섬유의 종류와 장단점에 대하여 간단히 기술한다.
특성과 성능 보완 및 가격 절충을 고려하여, 혼합형 고분자수지를 사용하거나 혼합형 섬유를 적용한 하이브리드 바이오복합재료도 좋은 대안이기도 하다. 또한 천연섬유와 열가소성 수지의 경우 압출/사출공정 개선을 통한 성능향상을 꾀하고 있으며, 액체 상태의 열경화성 수지의 장점을 살려 보다 다양한 성형공정 기술을 적용하여 고성능 바이오복합재료를 개발하기 위한 노력을 기울이고 있다.
본 논고에서는 지속가능한 천연자원인 천연섬유를 사용한 자연순환형 바이오복합재료의 필요성, 특성, 연구내용, 제조방법, 응용분야에 대하여 설명한다.

제안 방법

바이오복합재료의 굴곡, 인장, 충격 특성과 같은 기계적 특성, 열안정성, 열변형 온도, 내구성, 수분흡수성 그리고 이러한 성질과 천연섬유-수지의 계면접착 특성과의 연관성도 탐구되었다. 각종 천연섬유-고분자수지 계면접착 특성 개선을 위하여 바이오복합재료 성형 전에 천연섬유는 알칼리, 물, 실란화합물, 전자빔을 이용하여 다양한 조건에서 처리되었으며, 표면처리 또는 표면개질이 바이오복합재료의 여러 특성에 미치는 영향을 연구하였다.
^{19,20,23,24,31-41} 연구에 사용된 식물성 천연섬유로는 케나프, 쥬트, 헤네켄, 코이어, 볏짚, 목분 등이 그리고 동물성 천연섬유는 실크, 폐실크, 폐양모 등이 있다. 연구목적에 따라 천연섬유의 선택은 매트릭스를 구성하는 열가소성 수지, 열경화성 수지 그리고 생분해성 수지에 맞춰 이루어졌으며, 이때 섬유의 형태, 길이, 가격, 공급성, 가공/성형성, 특성 등을 종합적으로 고려하였다. 바이오복합재료 제조에 사용된 열가소성 고분자수지로는 국내 ∙ 외에서 유리 섬유복합재료에 가장 널리 사용되고 있는 폴리프로필렌이 주요 대상이 되었으며, 리사이클링 차원에서 재활용플라스틱을 사용하기도 하였다.

성능/효과

6,10 식물성 천연섬유는 일 년에 여러 번 다모작이 가능하므로 생산성이 매우 높으며, 재배 국가의 풍부한 노동력과 함께 생산 단가도 매우 낮다. 천연섬유의 가격은 그 종류와 등급에 따라 다소 차이가 있지만, 유리섬유의 약 1/3-1/4 정도로 상당히 저렴하다.
앞에서 언급한 바와 같이, 천연섬유와 고분자수지에 대한 계면결합력이 좋지 않기 때문에, 천연섬유의 표면개질 유·무에 따른 계면특성에 대한 연구가 선행될 수 있다. 둘째, 가장 널리 보고되고 있는 특성은 바이오복합재료의 기계적 특성에 대한 것이다. 이는 기계적 특성이 복합재료의 성능 및 응용과 밀접한 관계를 갖기 때문이다.
기계적 특성에는 굴곡과 인장특성, 동역학적 열특성, 충격저항성, 파단거동 등이 주로 연구된다. 셋째, 천연섬유의 열적 제한성 때문에 바이오복합재료의 열적 특성 변화에 대한 관심도 높다. 대부분의 천연섬유는 약 200 ℃ 이상의 성형온도에 민감하므로 사용되는 고분자수지 선택에 제한을 받을 수 있으나 천연섬유의 첨가는 바이오복합재료의 열적 특성을 향상시키는데 기여할 수 있다.

후속연구

22-30 첫째, 바이오복합재료를 구성하고 있는 천연섬유에 대한 기본특성 조사가 반드시 필요하다. 앞에서 언급한 바와 같이, 천연섬유와 고분자수지에 대한 계면결합력이 좋지 않기 때문에, 천연섬유의 표면개질 유·무에 따른 계면특성에 대한 연구가 선행될 수 있다.
물론 제품의 응용분야와 목적에 따라 다른 천연섬유도 유용하게 사용되고 있다. 동물성 섬유의 경우 식물성 천연섬유에 비해 원료섬유의 공급에 어려움이 있고, 상대적으로 가격도 비싸므로, 적용에 제한을 받고 있으나, 우수한 기계적 특성 등 여러 장점을 지니고 있어 향후 응용 잠재성이 클 것으로 기대된다. Figure 3은 대표적인 식물성 천연섬유에 대한 명명, 특성, 응용분야 그리고 경작식물을 간략하게 소개한 것이다.
그 중 자동차부품소재 및 건축용 소재에 약 60% 정도가 사용되고 있으며, 선박부품, 전자부품, 생활용품 그리고 항공부품 소재 분야까지 광범위하게 응용되고 있다. 따라서 유리섬유를 본고에서 소개하고 있는 천연섬유로 어느 정도 대체할 수 있다면, 이는 천연자원의 재활용, 석유자원 의존성 감소, 지구온난화 대응과 지구촌 청정화, 부품소재의 경량화를 통한 에너지효율성 향상 등에 직접 또는 간접적으로 기여할 것으로 기대된다.
바이오복합재료에 대한 연구개발 더욱 확대되고 그 기술수준이 더욱 높아진다면, 현재 우리나라에서 일부 자동차 내장 부품 및 건축 내장재에 국한되어 있는 천연섬유 응용분야를 향후 자동차 외장부품 및 건축 외장재 그리고 Figure 6에서 보여주는 전자부품, 포장재, 스포츠/레저, 선박/항공 분야까지도 그 영역을 넓힐 수 있을 것으로 기대할 수 있다. 지금까지 천연섬유의 활용이 자동차 부품소재에 가장 두드러진 진전이 있어왔음을 비추어볼 때, 요즘 각광을 받고 있는 친환경 하이브리드 자동차의 부품소재로서 바이오복합재료의 적용이 가시화된다면 친환경에너지뿐만 아니라 친환경소재까지 겸비한 자동차 개발에도 기여할 수 있을 것으로 예상된다.
바이오복합재료의 성형/가공을 위한 기술로는 압축성형, 압축/사출성형 방법이 적용되었으며, 향후 바이오복합재료의 고성능화와 응용분야의 확산을 위해서 수지이송성형(RTM), 인발성형(pultrusion), 필라멘트 와인딩(filament winding) 성형과 같은 공정연구도 필요하다. 제조된 바이오복합재료를 구성하고 있는 물질에 대한 이해를 위해서는 천연섬유와 고분자소재에 대한 다각적인 기초조사가 동반되었다.
앞에서 언급한 바와 같이, 천연섬유와 고분자수지에 대한 계면결합력이 좋지 않기 때문에, 천연섬유의 표면개질 유·무에 따른 계면특성에 대한 연구가 선행될 수 있다.
바이오복합재료에 대한 연구개발 더욱 확대되고 그 기술수준이 더욱 높아진다면, 현재 우리나라에서 일부 자동차 내장 부품 및 건축 내장재에 국한되어 있는 천연섬유 응용분야를 향후 자동차 외장부품 및 건축 외장재 그리고 Figure 6에서 보여주는 전자부품, 포장재, 스포츠/레저, 선박/항공 분야까지도 그 영역을 넓힐 수 있을 것으로 기대할 수 있다. 지금까지 천연섬유의 활용이 자동차 부품소재에 가장 두드러진 진전이 있어왔음을 비추어볼 때, 요즘 각광을 받고 있는 친환경 하이브리드 자동차의 부품소재로서 바이오복합재료의 적용이 가시화된다면 친환경에너지뿐만 아니라 친환경소재까지 겸비한 자동차 개발에도 기여할 수 있을 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고분자시대의 삶의 질은 무엇과 비례한다고 주장하는가?	현재 우리는 플라스틱이 없는 세상은 상상할 수 없는 환경에 살고 있으며, 플라스틱은 인류문명의 요소요소에서 광범위하게 사용되고 있다. 따라서 혹자는 지금 우리는 석기시대, 청동기시대, 철기시대를 지나 고분자시대(Polymer Age)에 살고 있으며, 그 삶의 질은 고분자물질의 사용량과 비례한다고 주장하기도 한다.1 고분자 수지만으로 만들어진 플라스틱의 특성과 성능을 보다 향상시키기 위해 등장한 섬유강화 플라스틱 즉, FRP(Fiber-Reinforced Plastics) 또는 섬유강화 고분자복합재료는 지난 반세기이상 동안 선박, 자동차, 스포츠/레저, 건축, 토목, 생활용품 분야뿐만 아니라 항공우주 및 국방소재 등 첨단 분야에 이르기까지 널리 사용되어 왔다.
	고분자복합재료에 사용되는 강화섬유의 문제점은 무엇인가?	섬유강화 고분자복합재료에 사용되는 강화섬유의 대부분은 유리섬유, 합성섬유 또는 탄소섬유로 이루어져 있다.5 그러나 이들 섬유는 자연친화적이 아니어서 폐기되었을 경우, 거의 영구적으로 분해되지 않기 때문에 그 폐기물은 여러 나라에서 환경오염을 초래하는 원인 중의 하나가 되고 있다. 그러므로 환경에 대한 시대적 요구와 함께 선진국의 많은 산업체들은 점점 고갈되어가고 있는 석유를 바탕으로 하는 소재를 자연계에서 값싸고 풍부하게 얻을 수 있는 천연자원을 바탕으로 하는 친환경 소재로 대체하려고 힘쓰고 있다.
	고분자 수지만으로 만들어진 플라스틱의 특성과 성능을 보다 향상시키기 위해 등장한 것은 무엇인가?	따라서 혹자는 지금 우리는 석기시대, 청동기시대, 철기시대를 지나 고분자시대(Polymer Age)에 살고 있으며, 그 삶의 질은 고분자물질의 사용량과 비례한다고 주장하기도 한다.1 고분자 수지만으로 만들어진 플라스틱의 특성과 성능을 보다 향상시키기 위해 등장한 섬유강화 플라스틱 즉, FRP(Fiber-Reinforced Plastics) 또는 섬유강화 고분자복합재료는 지난 반세기이상 동안 선박, 자동차, 스포츠/레저, 건축, 토목, 생활용품 분야뿐만 아니라 항공우주 및 국방소재 등 첨단 분야에 이르기까지 널리 사용되어 왔다.1-4

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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