친환경 저독성 난연 소재,

탄소중립·화재 인명피해 최소화 기여

▲ (左부터) 창원대학교 신소재연구센터 센터장 송정일 교수, 연구교수 프라바카 박사, 연구교수 이동우 박사

대표적인 온실가스 중 하나인 이산화탄소의 배출량 증가로 인해 온실효과가 가속화되고 있으며, 그에 따라 탄소중립(Carbon Neutral)에 대한 요구가 갈수록 커지고 있다. 탄소중립이란 배출된 이산화탄소를 다시 흡수함으로써 전체 공정에서 배출된 탄소의 양을 최소화한다는 개념이다. 기술발전에 따라 전세계에서 탄소배출량이 급격히 증가하고 있어 이를 줄이기 위한 다양한 정책이 국가별로 시행되고 있으나 여전히 부족한 실정이다.

국내외에서는 해마다 대형화재가 발생하고 있으며, 이로 인해 많은 인명피해가 발생하고 있다. 인명피해의 원인은 화재의 발생 그 자체에서 기인하기도 하지만 통계에 따르면, 화재 시 발생하는 유독가스에 의한 2차 피해의 영향도 상당히 크다. 과거에는 화재 시 유독성 가스를 대량으로 발생시키는 할로겐계 난연제가 주로 사용됐으나 최근에는 할로겐계 난연제의 단점을 보완한 인계 난연제가 소재 분야에서 널리 사용되고 있다.

세계 평균온도는 20세기의 평균온도인 14℃보다 0.7℃ 이상 상승했으며, 이러한 현상이 지속된다면 다양한 생물의 대량멸종을 일으키고 지구는 인간이 점점 살기 어려운 환경으로 변화할 것이다. 또한 상승한 기온은 대기를 건조하게 변화시키므로 화재의 위험성도 더불어 증가한다. 따라서 탄소중립 효과가 우수한 천연소재와 저독성의 난연제를 널리 사용함으로써 이러한 환경문제를 해소하는 것이 시급하다.

▲ 친환경 복합재료 시장 규모 및 관련 논문 출판 동향

■ 천연섬유 기반 친환경 난연 복합재료 필요

천연섬유는 성장 과정에서 대기중의 탄소를 흡수하기 때문에 대표적인 탄소중립 소재 중 하나이며, 일부 품종은 그 강도가 유리섬유에 근접하기 때문에 유리섬유 복합재료를 대체하기 위한 차세대 소재로써 각광받고 있다. 여기에 자연으로부터 유래한 소재를 이용해 천연섬유를 난연화하고, 이를 보강재로써 사용한 복합재료를 제조한다면 유리섬유 복합재료에 준하는 강도와 난연성, 탄소중립을 동시에 달성할 수 있다.

현재 친환경 복합재료 시장은 미국과 유럽을 중심으로 꾸준히 확대되고 있으며 관련 논문의 출판 건수도 급격하게 증가하고 있으나, 천연섬유의 특성을 개선하는데 많은 어려움이 있어 강도와 난연성을 동시에 만족하는 연구성과는 여전히 부족하다. 따라서 이를 극복할 수 있는 우수한 기술만 개발된다면 기존의 합성섬유 기반 소재를 대체해 널리 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

천연섬유는 합성섬유와 달리 표면이 친수성(hydrophilic)이기 때문에 기존의 합성섬유에 사용되던 난연제는 적합하지 않으며, 난연화에 성공한다 하더라도 습기나 비 등에 의해 쉽게 무효화 되기 때문에 발수 특성까지 지녀야 한다. 현재 천연섬유를 이용해 고강도의 복합재료를 제조함으로써 기존의 유리섬유 복합재료를 대체하거나 천연섬유가 가지는 경량성, 내진동성, 단열, 흡음 등의 기능성을 활용하기 위한 연구가 많이 이루어지고 있다.

그러나 화재예방을 위한 천연섬유의 난연화에 대한 연구는 부족한 실정이며, 부족한 난연성으로 인해 난연성이 요구되는 토목, 건축, 자동차 등의 산업 분야에서 응용이 크게 제한된다.

창원대학교 신소재연구센터는 천연섬유의 표면처리를 통해 고분자 수지와의 계면접착 강도를 향상시키기 위한 연구를 꾸준히 수행해 왔다. 섬유 표면에 대한 물리적, 화학적 처리를 통해 표면 거칠기를 증가시키고 화학적 구조를 변경하면 고분자 수지와의 결합력이 향상되며, 이는 복합재료의 강도 향상으로 이어지게 된다.

창원대학교 신소재연구센터는 2018년부터는 대학중점연구소에 선정돼 정부의 지원을 바탕으로 자연으로부터 얻을 수 있는 소재를 이용한 친환경 고난연 소재의 개발해 매진해 왔다.

건축·車 등 활용 가능 화재예방 천연 섬유 난연화 필요

친수성 개선 및 난연성·강도 향상, 차세대 소재 주목

■ 천연소재 난연·발수처리 기술, 난연성능↑

신소재연구센터에서는 최근 자연으로부터 얻을 수 있는 천연소재만을 이용해 개발한 액상 난연제를 바탕으로 대량의 천연섬유 난연처리 기술을 개발했다. 기존의 분말형 난연제의 경우 대량의 섬유에 대한 균일한 표면처리가 어려웠으나, 액상형으로 개발하면서 난연처리 효율이 크게 향상됐다.

또한 난연처리된 섬유가 야외에서 사용되더라도 비에 젖어 성능저하가 발생하지 않도록 친환경 소재 기반의 발수코팅 기술을 개발했다. 개발된 기술을 면, 마 등의 천연섬유에 적용할 경우, 토치를 이용해 1000℃ 이상 고온의 화염을 1분 이상 가했을 때 화염이 전파되지 않고 자가소화 됐으며, 주요 화재 확산의 원인 중 하나인 담배꽁초에 대해서도 매우 우수한 난연성을 보였다.

난연 및 발수처리 기술을 동시에 적용할 경우 천연섬유 표면의 소수성으로 인해 표면에 물방울도 맺히지 않아 비오는 환경에서도 오랫동안 난연성능을 유지할 수 있다. 표면처리된 천연섬유는 그 자체를 활용하거나 복합재료의 보강재로써 사용하는 것이 가능하며, 현재는 천연섬유의 난연성과 내마모성을 더욱 향상시키는 등 상용화를 위한 기술을 개발하고 있다.

신소재연구센터는 현재 천연섬유 및 복합재료의 난연화 연구 이외에도 전분 기반의 친환경적인 열가소성 수지 개발, 하루에 수십톤씩 발생하는 커피찌꺼기의 재활용 연구, 천연섬유를 회복제의 운반체로 하는 자가회복(self-reinforced) 복합재료 개발, 기지재와 보강재가 동일한 상(phase)으로 된 자기강화(self-reinforced) 복합재료 등 다양한 연구개발을 진행하고 있으며, 지역 기업과의 협력 및 공동연구도 꾸준히 수행하고 있다.

▲ 표면처리된 천연섬유를 이용한 화염전파 시험 및 접촉각 측정

■ 천연섬유 복합재료, 고강도 분야 확대 기대

친환경 소재는 크게 생분해성 고분자 수지와 여기에 천연섬유와 같은 친환경적인 보강재를 첨가해 제조한 복합재료로 구분할 수 있다. 옥수수전분에서 유래한 생분해성 고분자 수지인 PLA(Poly Lactic Acid)는 일회용품, 3D프린터용 필라멘트 등 이미 다양한 분야에서 널리 활용되고 있으며, 이와 경쟁하기 위해 분해속도가 더욱 빠르거나, 물성이 더욱 우수한 새로운 친환경 수지가 국내외에서 지속적으로 개발되고 있다.

최근 몇 년간은 고분자 수지가 복합재료에 비해 낮은 물성을 가지는 단점을 극복하기 위해 내부에 나노셀룰로오스를 첨가함으로써 강도를 향상시키기 위한 연구가 많이 이뤄져 왔다. 천연섬유가 보강된 복합재료는 주로 자동차 내장재, 건축 내외장재 등 고분자 수지에 비해서는 비교적 높은 강도가 요구되는 분야에 사용되고 있으나 자동차 프레임과 같이 고강도가 요구되는 분야에는 사용될 수 없다. 그러나 천연섬유 복합재료의 강도를 향상시킬 수 있는 기술이 지속적으로 개발되면서 점점 유리섬유 복합재료 수준의 고강도가 요구되는 분야로 시장이 확대될 것으로 예상된다.

▲ 친환경 복합재료의 개발 동향 및 신소재연구센터(AMRC)의 개발 품목

■ 천연섬유 재배↑·강도 및 성형공정 개선

천연섬유는 내부의 다공성 구조인 루멘(lumen)으로 인해 유리섬유에 비해 다양한 장점을 가지고 있기 때문에 이를 활용하기 위한 많은 연구가 이뤄지고 있다. 그러나 천연섬유는 자연에서 스스로 자라기 때문에 계절이나 기후, 성장환경에 따라 물성이 달라지며, 이는 균일한 품질의 제품을 만드는데 걸림돌이 되고 있다.

또한 지속적인 친환경소재 시장 확대에 따라 천연섬유의 가격이 급등하고 있으며, 그에따라 천연섬유 복합재료의 성능대비 가격경쟁력이 점차 약화되고 있으며, 비교적 저렴한 고강도의 고분자 수지와 경쟁하고 있는 실정이다.

또한 고온에서 성형된 천연섬유 복합재료는 지속적으로 휘발성 유기화합물(VOCs)을 방출하는 것으로 알려져 있으며, 이는 자동차 내부 인테리거, 건축 내장재 등 밀폐된 공간에서의 활용을 제한하기 때문에 주요 문제점으로 보고되고 있다. 이러한 문제를 극복하기 위해서는 천연섬유를 포함한 친환경 소재 시장이 점차 확대되면서 천연섬유의 재배량이 크게 증가해야 하며, 유리섬유 복합재료에 준하는 강도를 달성하는 것이 필요하다.

마지막으로 천연섬유가 유기화학물을 방출하지 않도록 저온 성형공정이 개발된다면 천연섬유 복합재료는 탄소중립을 통해 환경문제에 기여함과 동시에 기존의 합성섬유 기반 복합재료를 대체할 수 있는 차세대 소재가 될 수 있을 것으로 기대된다.