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제목 자동차 경량화를 위한 무기 복합 소재 개발
학회명 한국자원리싸이클링학회 등록일 2012-08-23
이메일 kirr@kirr.or.kr 조회수 8389

자동차 경량화를 위한 무기 복합 소재 개발

한국자원리싸이클링학회
안 지 환

1. 서론

 기존 중대형차 위주의 자동차 시장은 연료가격 상승 및 세계적 경기침체로 인해 경소형차 위주로 재편되고 있으며, 연료의 효율을 높이기 위해 개발된 하이브리드와 전기자동차의 출연으로 인해 다양화 되고 있다. 또한 경량화를 통한 연료효율 향상을 위해 플라스틱의 사용량이 증가하고 있다. 특히 Poly Propylene (PP)은 비중이 낮고, 내열 및 내화학 특성이 우수할 뿐만 아니라 수분에 대한 흡수성이 낮아 後 변형이 적으며, 무엇보다 성형 시 흐름성이 우수하고 재활용이 용이한 장점이 있어 2010년 25에서 2015년 45로 사용량이 증가할 것으로 예상된다. 전 세계적 경기침체로 인해 자동차 생산량은 2007년 이후 조금씩 감소하고 있지만, 신흥 브릭스 국가 (중국, 인도, 중남미 등)에서의 판매 증가와 소형 및 경차위주로의 시장개편, 하이브리드 및 전기자동차의 판매증가로 인해 성장이 예상된다. 이러한 시장조건에서 경량화를 통한 연료효율 향상을 위해 비철금속, 플라스틱, 탄소섬유 등의 사용이 확대되고 있으며 동시에 경량화와 강성확보 두 가지를 만족시킬 수 있는 새로운 소재개발이 가속화 되고 있다. 구체적으로, 자동차용 대체소재는 연비향상을 위해 경량으로 만들어져야 하며 충격 성능 및 마감특성 등의 우수한 기계적 성능을 가져야 함은 물론 환경문제를 고려해 높은 재활용성을 가져야 한다. 따라서 이들 조건을 만족시키는데 유리한 무기복합소재가 향후 많이 활용될 것으로 기대된다.


2. 본론
플라스틱은 다른 소재에 비해 가격이 저렴하고 사용이 편리해서 일상에서 친숙하게 사용되고 있지만 심각한 환경오염 문제를 일으킨다. 이에 사용 후 발생하는 플라스틱 폐기물의 감량 및 재활용 필요성이 중요해지고 있다. 국내에서는 매년 약 440만톤의 폐플라스틱이 배출되지만 이들 중 2006년 기준 약 160만톤만 재활용되며 이는 다른 선진국에 비해 낮은 수치이다. 구체적으로 국내 플라스틱 재활용량은 2002년 48만 2056톤에서, 2006년 158만 1581톤으로 급증했다. 2006년에는 산업용 폐플라스틱 280만 톤 중 90만 톤, 생활용은 160만 톤 중 70 만 톤가량이 재활용된 것으로 나타났다. 한국은 일본에 비해 재활용 대상품목이 매우 제한적이어서 데이터에 집계되지 않은 부분까지 포함하면 실제로는 재활용률이 일본과 비슷한 수준인 70에 달할 것으로 추정되지만, 중저급 원료나 일부 재활용 제품을 생산하는 수준에 그치고 있어, R&D 강화 및 선진기술 도입을 통해 신규용도의 개발 및 고부가가치 무기복합소재 개발로의 재활용에 관한 연구가 필요하다. 
자동차에 사용되고 있는 플라스틱 종류는 Poly Propylene(PP),  Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS), Poly ethylene(PE), Poly Amide (PA), Poly Vinly Chloride(PVC), Poly Carbonate (PC) 등이 있다. 이들 중 Poly Propylene (PP)은 비중이 낮고, 내열 및 내화학 특성이 우수할 뿐만 아니라 수분에 대한 흡수성이 낮아 後 변형이 적으며, 무엇보다 성형 시 흐름성이 우수하고 재활용이 용이한 장점을 가지고 있다. 하지만 PP는 저온 내충격성이 떨어지기 때문에 탄산칼슘, 탈크, 유리섬유, 점토질 등과 같은 충진재를 도입하여 굴곡 탄성률이나 경도, 열팽창률 등의 강도보강이 필요하며 이에관한 연구가 세계적으로 진행되고 있다.
비금속 원료 광물은 고기능성이 요구되는 자동차 Tire 용, Carbon black 첨가제, 특수도료용, 특수 제지용 filler로 제조 판매 가능하며, 미분말의 표면처리기술을 통한 다양한 고기능 슬러리 상품도 개발 가능하다. 또한 각종산업에서 미분말의 형상을 침상형, 구형, 판상형 등으로 형상 제어한 고부가가치 제품을 요구하고 있어 사용량은 더욱더 증가할 것으로 보인다.
아라고나이트형 침강성탄산칼슘 (Precipitated Calcium Carbonate, PCC)과 같은 무기 광물은 침상형 입자로써 점토질을 이용한 나노복합체가 갖는 한계점을 극복하는데 유리한 것으로 이미 알려졌다. 일예로, 아라고나이트형 침강성 탄산칼슘은 40~80 nm의 직경을 가진 균일한 모양과 크기의 입자로 마이크로미터 크기를 갖는 동일량의 다른 입자에 비해 충격강도를 더욱더 향상시킬 수 있어 자동차용 경량화 소재를 개발하는데 유리할 것으로 판단된다. 
 PP/PCC 복합체 상용화를 위해서는 대량으로 균일한 크기를 갖는 아라고나이트형 침강성 탄산칼슘 (PCC) 생산의 국산화와 이를 이용한 PP-복합체 제조기술이 요구된다. 점토질 입자가 분산이 잘 되지 않음에도 불구하고 많은 연구가 이루어 진 것은 생산량이 뛰어났기 때문이며, 따라서 복합체의 나노 입자로 filler로 사용하기 위해서는 침상형 아라고나이트 탄산칼슘을 저렴하게 대량생산하는 기술의 개발이 중요하다. 또한 효과적인 물성향상을 위해 아라고나이트형 PCC를 고분자 레진에 고르게 분산시키는 기술이 필요하다. 이를 위해 벨기에의 Solvay사가 PCC를 stearic acid로 입자 표면을 코팅하여 WinnofilⓇ라는 브랜드로 판매하고 있으며, 이는 비금속 원료광물 산업이 고부가가치화를 통해 첨단소재 개발에 적용되는 것을 단적으로 보여주는 예이다.


3. 결론
고기능 경량 소재 개발을 위한 무기복합소재 개발은 미래 자동차소재산업 뿐만 아니라 항공소재 산업, 스포츠 용품산업, 도료 산업을 선도하기 위해 꼭 필요한 기술이며 그 파급효과가 매울 클 것으로 판단된다. 이에 따라 목적에 맞는 다양한 복합소재개발을 위한 비금속 원료 광물 개발이 요구되고 있다.

<무기복합소재 경량화 기술 개발>


적용전략제품

1) 자동차/항공 산업 : 자동차/항공용 기존 플라스틱 보강재인 glass fiber, talc를 대체한 다양한 경량화 부품개발
- 내장 부품 : Instrument panel, console
- 외장 부품 : 범퍼, 휠커버, 뒷문

2) 플라스틱 전기자동차

3) 기타 스포츠 용품(Wilson사), 도료 용품, 유무기 하이브리드 코팅제 (촉매, 광학재료, 자성재료, 의료용 재료, 센서) 등에 이르기까지 응용가능성이 매우 넓어 향후 실용화를 위한 연구가 필요하다.

 

4. 참고문헌

 1) 화학소재정보은행, “심층보고서 플라스틱 재활용 기술동향”, 2010, pp. 1-15
 2) J. Hopewell, R. Dvorak and E. Kosior, "Plastics recycling: challenges and opportunities", Phil. Trans. R. Soc. B, 364, 2009, pp. 2115-2126
 3) S. M. Al-Salem, P. Lettieri, J. Baeyens, "Recycling and recovery routes of plastic solid waste (PSW): A review", Waste Management, 29, 2009, pp. 2625-2643
 4) P. Supaphol, W. Harnsiri, J. Junkasem, "Effects of Calcium Carbonate and Its Purity on Crystallization and Melting Behavior, Mechanical Properties, and Processability of Syndiotactic Polypropylene", J Appl Polym Sci, 92, 2004, pp. 201-212

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