	한국생산기술연구원 보 도 자 료
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* 관련문의 한국생산기술연구원 탄소경량소재응용연구그룹 김광석 박사 (063-210-3713 / ore21@kitech.re.kr) 한국생산기술연구원 정책홍보실 이한영글 선임행정원 (041-589-8039 / left0723@kitech.re.kr)

버려지는 탄소섬유, 태양광 설비로 재탄생한다.

- 생기원, 저품질 탄소섬유 재활용해 해상태양광 부력체 제조기술 개발

- 가격 20% 낮추면서 내구성 확보, 새만금 태양광 발전단지 적용 기대

□ 한국생산기술연구원(원장 이낙규, 이하 생기원)이 한양대학교 연구팀과 함께 상품성이 떨어지거나 폐처리 예정인 저품질 탄소섬유를 재활용해 저렴하면서도 내구성 높은 해상태양광 부력체(이하 ‘해상부력체’)를 제조할 수 있는 기술을 개발했다.

□ 태양광 발전은 햇빛을 이용해 전기를 생산하기 때문에 연료비가 들지 않고 대기오염도 발생시키지 않아 대표적인 신재생 에너지원으로 꼽힌다.

ㅇ 하지만 우리나라의 경우 유휴 평지가 적어 주로 산지에 설치하기 때문에 산림자원과 경관을 훼손시킨다는 문제점이 제기돼 왔다.

□ 그 대안으로 물 위에 잘 뜨는 스티로폼 등의 부력체를 활용해 발전 시설을 해수면 위에 설치하는 해상태양광 발전이 최근 각광받고 있다.

ㅇ 해상태양광 발전은 환경훼손이 적고 수온의 냉각 효과 덕분에 육상시설보다 발전효율도 뛰어나며, 삼면이 바다인 우리나라 특성상 유휴 수면이 많아 공간 확보에도 유리하기 때문이다.

ㅇ 반면 거센 파도와 바람, 부식을 일으키는 염수 등 가혹한 해상 환경으로 인해 부력체 유지보수에 많은 비용이 들고, 스티로폼 부력체로부터 미세플라스틱이 배출되는 단점도 있다.

□ 생기원 탄소경량소재응용연구그룹 김광석 박사와 한양대학교 최준명 교수가 이끄는 공동 연구팀은 해상부력체 신소재로 ‘탄소섬유복합재*’에 주목하고, 폐기되거나 싼값에 팔리는 저품질 탄소섬유를 재활용할 수 있는 업사이클링(Upcycling) 기술 개발에 나섰다.

* 탄소섬유는 단독 사용되지 않고, 세라믹·금속·플라스틱수지 등에 첨가시킨 복합소재로 사용

ㅇ 탄소섬유 표면은 탄소원자가 육각 형태로 배열된 그라파이트(Graphite) 구조로 이루어져 있어 안정적인 반면, 복합소재 제조 시 탄소섬유와 플라스틱 수지 간 접착강도를 높이기 위해 별도의 탄소섬유 표면처리 공정을 거쳐야 한다.

ㅇ 이 과정에서 염산, 황산 등의 강산류를 약액으로 사용하기 때문에 독성 부산물이 발생하고, 탄소섬유에 잔존하는 약액이 접착 취약층을 만들어 기계적 물성을 저하시키는 단점이 있었다.

□ 연구팀은 탄소나노튜브와 금속 입자의 복합화 실험 도중 탄소섬유 표면을 카메라 플래시처럼 짧지만 순간적으로 높은 빛에너지에 노출시킬 경우 탄소섬유와 플라스틱 수지 간 표면 결합력이 극대화되는 사실을 우연히 발견했다.

ㅇ 이 빛에너지는 주로 인쇄전자 기술에서 사용하던 펄스(Pulse) 형태의 에너지원으로, 탄소섬유에 적용하면 빠르고 간단한 공정만으로 효과적인 기능화가 가능해 표면 결합력을 향상시켜준다.

ㅇ 연구팀은 원리를 규명하기 위해 분자동역학 시뮬레이션을 활용, 빛에 노출된 탄소섬유 표면에 산소를 포함하는 작용기가 만들어져 나노스케일 영역에서 물리·화학적 인터로킹 효과(Interlocking Effect)*가 유발되는 것을 확인했다.

* 서로 맞물려 결합을 강화하는 효과

ㅇ 이 방식으로 표면처리 된 저품질 탄소섬유는 기계적 특성과 내구성이 크게 향상돼 상용 A급 탄소섬유 대비 약 95%의 성능을 보여줬다.

□ 연구팀은 이러한 발견을 토대로 해상부력체 시제품 제작에 착수, 해수 수조에서 간이 실증을 완료하고 현재 전라북도 새만금방조제 내해에서 현장 실증을 추진하고 있다.

ㅇ 제작된 해상부력체 시제품은 해수 유입을 원천 차단하는 데 최적화된 상ㆍ하부 구조로 이뤄져 있으며, 탄소섬유복합재 외피로 내부채움재인 발포플라스틱을 완전히 둘러싸 미세플라스틱 배출을 억제하고 외부 충격에도 안전할 수 있도록 설계·제작했다.

ㅇ 특히 A급 탄소섬유를 활용한 해상부력체 대비 20% 이상 저렴하게 제조할 수 있으며, 내후성*·내염수성 등의 특성도 모두 만족했다.

* 각종 기후에 견디는 성질

ㅇ 실증 단계에서는 9개의 해상부력체가 1세트로 구성돼 450W급 이상의 태양광패널 27개를 지지하고 있는데, 이 구조물은 2m 높이의 파도를 견디고 실제 해상환경에서 20년간 쓸 수 있는 안정성도 갖췄다.

□ 김광석 박사는 “저품질 탄소섬유를 활용한 해상부력체는 사용기간이 끝난 후에도 동일한 기술로 품질을 높여 재사용 가능하다.”면서, “향후 탄소섬유 표면처리를 대용량으로 진행할 수 있는 장비 개발 및 실용화에 주력할 방침”이라고 밝혔다.

ㅇ 이번 성과는 생기원 기관고유사업과 전라북도 혁신성장R&D+사업의 지원을 받아 수행되었으며, ’22년 11월 생명·물리·환경 분야의 국제 저널 ‘아이사이언스(iScience, IF 6.107)’에 게재된 바 있다.

[첨부1] 자료사진 2장

참고1		자료사진

[사진1] 탄소섬유를 활용한 해상부력체 모형을 들고 있는 생기원 김광석 박사

[사진2] 실제 크기의 해상부력체 시제품의 수조 내 간이실증 모습