탄소 섬유가 보편화됨에 따라, 어떻게 재활용될 것인가?

Carbon Fiber is a lightweight and durable material that has become common across the automotive, wind generation, aerospace, and robotics industries. This advanced composite material provides strength and can be molded to fit nearly any application. As such, it’s become a very popular option. Notably, it’s this popularity that has caused some issues regarding how to deal with the carbon fiber waste from products once discarded. Here’s everything you need to know.

탄소 섬유 강화 폴리머 (CFRPs)

탄소 섬유는 다양한 패턴으로 배열되고 매트릭스 수지로 코팅되어 탄소 섬유 강화 폴리머를 만들 수 있습니다. 이 소재는 뛰어난 강도 대비 중량비를 가지고 있어 오늘날 가장 첨단 장비, 제조 및 에너지 생산 공정의 핵심 부품이 되었습니다.

탄소 섬유 폐기

탄소 섬유가 포함된 제품이 폐기물로 전환되면, 이 오래 지속되고 여전히 가치 있는 소재를 추출해야 합니다. 탄소 섬유 조각의 복잡한 구조와 경화된 에폭시를 재형성할 수 없는 점은 폐기물 관리에 심각한 문제를 야기합니다. 따라서 최근 몇 년 동안 여러 새로운 재활용 방법이 등장했습니다.

전통적인 재활용 방법

안타깝게도 가장 많이 사용되는 전통적인 재활용 방법 중 다수는 효과가 없거나 완성하는 데 막대한 에너지를 필요로 하여 비용 이점을 없애버립니다. 화학 물질을 사용해 에폭시를 풀고 섬유를 제거하는 방법은 비효율적이며, 위험한 화학 물질 형태의 환경 폐기물을 많이 발생시킵니다.

다른 방법은 탄소 섬유 폴리머를 극한의 고열에 노출시켜 분리를 시도합니다. 이 방법은 에너지 소모가 크고 위험합니다. 또한, 두 방법 모두 회수된 탄소 섬유 스트랜드의 인장 강도를 최대 85%까지 감소시켜 대부분의 적용 분야에서 사용이 불가능하게 만듭니다.

전기유압 파편화

현재 폴리머에서 탄소 섬유 스트랜드를 회수하는 가장 진보된 방법은 전기유압 파편화 방식을 사용하는 것입니다. 이 방법은 고전압 방전을 물 풀에 전달합니다. 탄소 섬유는 고전압 펄스가 플라즈마를 생성하면서 물 풀 안에 놓이게 됩니다. 플라즈마 파동은 마이크로초 단위의 펄스로 작동하여 충격파를 통해 물질을 분리합니다.

이 방식은 열과 화학 물질에 의존하는 다른 방법보다 훨씬 효율적이고 효과적입니다. 또한 전통적인 재활용 방법에 비해 약 1/3 수준의 에너지만 사용하며 접착제와 수지를 효과적으로 제거할 수 있습니다. 그러나 탄소 섬유의 인장 강도가 저하되는 등 몇 가지 단점이 존재합니다.

더 나은 옵션 필요

전기유압 파편화 방법은 화학 공정에 비해 큰 도약이지만 여전히 한계가 있습니다. 더 나은 솔루션은 섬유 강도를 유지하여 내구성을 감소시키지 않고 여러 번 재사용할 수 있도록 해야 합니다. 이상적으로는 스트랜드에서 모든 수지와 접착제 잔류물을 제거해야 합니다. 다행히도 와세다 대학의 혁신적인 연구팀이 새로운 공정을 도입했으며, 이는 탄소 섬유 재활용에 혁명을 일으켜 환경 위험 없이 더 많은 적용 분야에서 이 소재를 사용할 수 있게 할 것입니다.

탄소 섬유 재활용을 위한 직접 방전 전기 펄스 연구

와세다 대학 엔지니어들은 탄소 섬유 폴리머 재활용을 위한 보다 효율적이고 저비용의 재활용 방법을 소개했습니다. ‘직접 방전’이라고 불리는 이 접근법은 과학 저널에 게재된 논문에서 자세히 설명되었습니다. 해당 논문¹에서 팀은 탄소 섬유 재활용을 위한 새로운 접근법을 소개하고 이를 전기유압 파편화 방법과 비교 테스트했습니다.

직접 방전 전기 펄스

직접 방전 전기 펄스 방법은 물 풀에 전류를 가할 필요가 없습니다. 대신 줄 열 가열과 증기 팽창을 활용하여 재료를 내부에서 외부로 분리합니다. 이 방법은 재료 가장자리를 따라 플라즈마를 생성하고, 열 스트레스로 인해 팽창력이 발생하여 섬유를 에폭시로부터 분리합니다.

출처 – 과학 보고서

탄소 섬유 재활용을 위한 직접 방전 전기 펄스 테스트

새로운 방법의 효과를 입증하기 위해 여러 테스트가 수행되었습니다. 테스트에서는 두 가지 탄소 섬유 재활용 방법을 상세히 비교했습니다. 구체적으로 엔지니어들은 탄소 섬유 스트랜드의 길이, 인장 강도, 제거되지 않은 수지 잔류량 및 전체 열화를 포함한 주요 지표를 모니터링했습니다. 또한 팀은 두 방법의 에너지 요구량을 비교하여 각각의 역량을 완전히 이해하려고 했습니다.

CFRP 라미네이트

연구원은 CFRP 라미네이트를 제작하여 테스트 단계에 착수했습니다. 이 라미네이트는 일반적인 항공기 부품을 모델링하도록 설계되어 실제 상황에서 효율성을 검증하기에 이상적이었습니다. 라미네이트는 두께가 8mm에 불과했으며 일반적인 탄소 섬유 평직 레이어를 사용했습니다. 소재는 45도 각도로 교차 배향된 연속적인 층으로 구성되어 있어 뛰어난 탄성 및 내구성을 제공합니다.

직접 방전 방법

직접 방전 방법을 테스트하기 위해 팀은 길이가 100mm와 30mm인 두 개의 CF 샘플을 제작했습니다. 엔지니어들은 전류 흐름이 안정적으로 유지되도록 고무 코팅 클램프를 사용해 샘플을 절연했습니다. 이후 전체 장치를 수돗물에 담고 펄스를 샘플에 직접 적용했습니다.

구체적으로 엔지니어들은 10kV의 충전 전압과 80µF의 전용량을 사용해 과정을 테스트했습니다. 이 데이터는 다수의 센서와 고속 비디오 카메라를 통해 수집되었습니다. 이후 엔지니어들은 X-레이 단층 촬영과 전기장 시뮬레이션을 활용해 남은 잔류물을 추적했습니다.

전기유압 파편화 방법

전기유압 파편화 방법을 테스트하기 위해 팀은 20mm 정사각형 샘플을 제작했습니다. 작은 샘플 덕분에 엔지니어들은 소형 테스트 용기를 사용할 수 있었으며 변화 추적이 용이했습니다. 샘플은 물에 담겼으며, 직접 방전 방법과 달리 탄소 섬유 폴리머에 직접 전류를 가하는 것이 아니라 물에 전류를 적용했습니다.

섬유 측정

실험이 끝난 후 연구원들은 각 테스트에서 탄소 섬유 100개 스트랜드를 수집했습니다. HiROX RX-100 광학 현미경을 사용해 길이를 비교했으며, 이후 TM4000 Plus 주사 전자 현미경으로 구조적 완전성을 스캔했습니다. 또한 팀은 다양한 온도에서 스트랜드 무게를 측정해 열화를 추적했으며, SHIMADZU EZ-SX를 이용한 단일 섬유 인장 강도 테스트도 수행했습니다.

탄소 섬유 재활용 테스트 결과

연구 결과, 직접 방전이 전기유압 파편화 방법에 비해 CF 회수에 더 효과적임이 밝혀졌습니다. 연구진은 새로운 접근법이 더 긴 섬유와 높은 강도를 회수할 수 있음을 확인했습니다. 또한 긴 스트랜드를 완전히 분리하고 잔류물을 제거하는 데 성공했습니다. 인상적으로, 이 회수 방법은 인장 강도의 81%를 유지했습니다.

직접 방전이 더 효율적이다.

직접 방전 방법은 전반적으로 더 효율적인 것으로 나타났습니다. 전기 펄스를 적용했을 때 팀은 첫 번째 펄스부터 즉각적인 변화를 추적했습니다. 이러한 효과는 수지의 일부가 분해되어 플라즈마가 되고, 내부 충격파를 생성해 스트랜드를 분리했기 때문에 빠르게 발생했습니다.

전기유압 파편화 방법

흥미롭게도 연구진은 전기유압 파편화 방법이 재료에 영향을 미치기 위해 최소 100회 충전이 필요하다는 것을 발견했습니다. 따라서 전기유압 파편화 재활용 프로세스의 운영 비용은 직접 방전 옵션보다 훨씬 높습니다. 또한 직접 방전 과정에 비해 CF 스트랜드에 남은 수지가 더 많았습니다.

이점

이 연구는 다양한 이점을 제공합니다. 첫째, 탄소 섬유와 폴리머의 활용 범위를 넓히는 문을 엽니다. 이러한 경량 소재는 보다 효율적인 제조 방법이 등장함에 따라 차량에 더 많이 적용될 것입니다. 따라서 이 귀중한 소재를 효율적으로 회수하는 것이 중요합니다.

효율적

직접 방전 재활용 접근법이 전기유압 파편화 옵션보다 더 효율적인 이유는 여러 가지가 있습니다. 첫째, 줄 열 가열이 마이크로초 안에 발생하여 거의 즉각적인 분리를 제공합니다. 팀은 직접 방전 방법이 에너지 효율을 최소 10배 향상시켰음을 발견했습니다.

효과적

이 연구의 또 다른 큰 장점은 더 효과적이라는 점입니다. 탄소 스트랜드를 잔류물에서 정확히 분리할 수 있는 능력은 게임 체인저입니다. 이 방법은 파편화를 줄이면서 인장 강도 80% 이상을 유지합니다.

환경 친화적

환경 영향을 고려할 때, 직접 방전 접근법은 모든 위험을 감소시킵니다. 유해 화학 물질이나 대량의 열이 필요하지 않습니다. 따라서 보관 및 적용 요구사항이 최소화되어 이 방법을 더 많은 지역에 적용할 수 있습니다.

연구원

탄소 섬유 재활용 연구는 와세다 대학에서 수행되었습니다. 창의 과학 및 공학부의 토코로 치하루 교수님이 연구를 이끌었으며, 사토 케이타, 이누츠카 마나부, 코이타 타케토시가 연구에 참여했습니다. 이제 팀은 직접 방전 방법을 더욱 향상시키는 방안을 모색하기 위해 노력을 확대할 예정입니다.

탄소 섬유 재활용으로 혜택을 받을 수 있는 기업

여러 기업이 이 연구에서 도출된 결과를 활용할 제품과 포지셔닝을 가지고 있습니다. 탄소 섬유는 다양한 소재를 대체할 수 있으며, 가격이 낮아지고 제조 역량이 향상됨에 따라 큰 수혜자를 만들 것입니다. 다음은 이 연구의 혜택을 충분히 누릴 수 있는 기업 중 하나입니다.

Clearway Energy Inc.

Clearway Energy Inc. (CWEN ) (CWEN )는 선도적인 재생 가능 기술 및 인프라 제공업체입니다. 이 회사는 뉴저지에 본사를 두고 전 세계 고객에게 풍력, 태양광 및 열에너지 솔루션을 제공합니다. 특히, Clerway는 가장 신뢰받는 재생 에너지 제공업체 중 하나이며 현재 미국 전역에서 350개 이상의 청정 에너지 제품을 운영하고 있습니다.

투자자들은 Clearway가 안정성과 투명성 및 혁신에 대한 헌신 덕분에 매력적인 선택이라고 평가합니다. Clearway Energy Inc.가 재활용 탄소 섬유를 제품에 통합한다면 상당한 비용 절감 효과를 기대할 수 있습니다. 이러한 절감 효과는 소비자에게 전달되어 재생 에너지 채택을 촉진하고 Clearway Energy의 ROI를 상승시킬 것입니다.

탄소 섬유 재활용은 많은 산업의 핵심이다

탄소 섬유 재활용 연구 결과를 살펴보면, 새로운 방법이 더 저렴하고 널리 이용 가능한 탄소 섬유의 문을 열어줄 것임을 쉽게 알 수 있습니다. 앞으로 차량 부품 중 무게가 파운드 단위였던 것들이 온스 수준으로 가벼워지면서도 강도를 유지할 수 있게 될 것입니다. 이러한 모든 요인과 그 외 많은 가능성은 보다 효율적인 탄소 섬유 재활용을 위해 노력하는 혁신적인 연구자들 덕분에 실현됩니다.

지속 가능성 프로젝트에 대해 더 알아보세요 지금.

연구 참고문헌:

^{1. Tokoro, C., Sato, K., Inutsuka, M. et al. 직접 방전 전기 펄스를 이용한 탄소 섬유 강화 폴리머에서 탄소 섬유의 효율적인 회수. Sci Rep 14, 29762 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-76955-0}