천연섬유로 만들어진 자동차 부품

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-12

탄소와 유리섬유가 보강된 합성고분자는 자동차 차체에 사용될 수 있다. 그러나 마, 면, 혹은 나무에서 얻는 천연섬유는 훨씬 많은 잠재성을 가지고 있다. 만약 바이오를 기반으로 하는 직물과 탄소섬유가 결합되면 매우 튼튼하면서 가벼운 부품들을 얻을 수 있다. “경량”은 자동차 엔지니어링에서 매우 많이 사용되는 언어이며 항공우주 부분에서도 매우 중요한 내용이다. 자동차 제조업자들은 섬유 보강 합성고분자의 중요성에 대해 점차 중요성을 증가시키고 있다. 이들 섬유들은 합성고분자 내에 포함되어 부가적인 내구성을 제공해준다. 여러분이 사용하기 위해 선택한 재료는 정확히 응용분야에 따라 달라진다. 따라서 주로 탄소섬유는 포뮬러 1경주용 자동차에 많이 사용된다. 그러나 탄소섬유는 너무 비싸고 제조공정이 어렵다. 이는 탄소섬유 보강 고분자복합재료가 아직 대량생산이 되지 못하는 이유이다. 반면에 유리섬유는 어느 정도 가격 경쟁력은 있지만 비교해볼 때 무게가 무겁다. 그러나 Braunschweig에 있는 프라운호퍼 나무 연구소 Wilhelm-Klauditz-Institut WKI의 나무 섬유 연구 응용센터의 연구원들이 개발한 몇 개의 새로운 연구에 의해 새로운 응용분야가 생길 수 있다. 연구원들은 천연섬유의 사용을 고려하고 있다. 아마, 대마, 면 및 목재에서 유래되는 다양한 재료들은 유리섬유와 같이 경제성이 있으며 또한 유리섬유나 탄소섬유에 비해 가볍다. 다른 장점으로 만약 다 사용한 후에 소각하면 부산물을 생산하지 않고 부가적인 에너지를 생산할 수 있다. 또한, 내구성과 안전성이 탄소섬유에는 미치지 못한다고 할지라도 사용하고자 하는 응용분야에 따라 바이오를 기반으로 하는 직물 섬유들은 탄소섬유와 결합하여 사용하여 우수한 결과물을 얻을 수 있다고 목재 섬유 연구 응용센터의 책임자인 Hans-Josef Endres 박사는 말한다. 섬유는 일반적으로 직물 형태로 고분자 매트릭스 내에 포함된다. “우리는 강한 기계적인 스트레스가 걸리는 부분에는 탄소섬유를 사용하고 다른 부위에는 천연섬유를 사용하였다. 이러한 방법에 의해 우리는 두 섬유를 적절하게 사용하고 상호간의 단점들을 크게 보완할 수 있었다. 결과로 우리는 부품들의 가격 경쟁력을 얻을 수 있었고 내구성이 아주 우수하며 우수한 음향 특성을 가지고 실제적으로 순수한 탄소섬유 보강 복합재료 부품 보다 좋은 친환경 특성을 가진 제품을 얻을 수 있었다”고 Hans-Josef Endres 박사는 말한다. 일반적으로 천연섬유의 표면은 처리되어야 하며 이는 직물 장비를 가지고 쉽게 할 수 있다, 또한 직물에도 적용할 수 있다. 이러한 방법은 섬유 표면의 사이징(sizing)으로 알려져 있다. 직물 생산에서 이 기술은 매우 중요한 반면에 복합재료를 제조하는데 있어서는 공정을 복잡하게 만든다. “이는 재료 엔지니어링이 고려되어야 하는 이유로서 우리는 섬유들의 표면을 최적화하였다”고 Endres는 말한다. 특별하게 처리된 표면 혹은 코팅은 섬유들이 고분자 매트릭스가 최적으로 결합하고 반응할 수 있게 해준다. 이들의 잠재성은 매우 커서 “섬유가 고분자 매트릭스에 적절하게 결합하면 내구성을 50% 이상 향상시킬 수 있다”고 콘크리트 관점을 예로 들어 Endres는 설명한다. 이러한 표면 처리는 유리 및 탄소섬유에 일반적으로 사용하는 것으로 이를 보강재로 사용할 직물에 처리하면 우수한 결과를 얻을 수 있다. 연구원들은 새로운 하이브리드 재료를 만드는 것 이상의 연구를 수행하고 있는데 이들 새로운 재료들을 잘 만들 수 있는 공정 연구와 함께 산업용 규모로 생산할 수 있는 방법도 연구하고 있다. 또한, 연구원들은 하이브리드 재료들의 폐기에 대한 연구도 관심을 가지고 있는데 재활용 입장에서 볼 때 섬유 보강 복합재료는 어려움이 있는 재료로서 탄소섬유를 복합재료에서 추출하는 데에는 비용이 많이 든다. 엔지니어드 된 하이브리드 재료와 함께 과학자들은 이미 이들이 재공정에 사용될 수 있고 개개 구성물들이 새롭게 사용되기 위해 회수될 수 있는지에 대한 연구를 수행하고 있다. 이러한 연구에서 연구원들은 재료의 구성에 따라 물리적, 화학적 및 열적 접근법을 사용하고 있다. 20150106_vehicle.jpg http://www.fraunhofer.de/en/press/research-news/2015/january/vehicle-body-made-from-cotton-hemp-and-wood.html