순환 경제 관점에서 폐탄소섬유 자재의 재탄생을 위한 길

우리의 기억 속에서 탄소섬유는 항상 고급 기술과 뛰어난 성능과 연결되어 왔습니다. 보잉 항공기의 날개에서부터 F1 레이스카의 차체, 최고급 스포츠카와 고급 자전거에 이르기까지, 그 '깃털처럼 가볍고 강철처럼 견고한' 특성 덕분에 탄소섬유는 현대 산업의 '검은 황금'으로 불려 왔습니다.

하지만 여전히 거의 논의되지 않는 질문이 있다. 바로 이러한 첨단 소재들이 제품 사용을 마치거나 폐기되면서 대량의 부산물이 발생할 때, 버려진 탄소섬유는 궁극적으로 어디로 가는가? 이들은 매립지에 쌓여 환경 부담이 되기만 할 것인가?
오늘은 폐기된 탄소섬유의 '사후 삶'을 밝혀보고, 그것이 어떻게 놀라운 '재활용의 여정'을 시작하는지 살펴보자.

"탄소 폐기물"은 정확히 어디서 발생하는가?

폐기되는 탄소섬유 자재의 발생은 생산에서 폐기에 이르는 전 생애 주기 전반에 걸쳐 이루어지며, 단순히 '마모' 때문만은 아니다. 발생 원천에 따라 이 자재들은 주로 세 가지 범주로 나뉜다:

생산 단계에서의 "고유 폐기물":

탄소섬유의 생산 과정은 매우 정밀하고 복잡하며, 각 단계에서 폐기물이 발생할 수 있다.
(1) 전구체 필라멘트 제조 공정에서 극도로 엄격한 공정 요구 조건으로 인해 지름이 일정하지 않거나 강도가 부족한 필라멘트는 바로 '폐기 필라멘트'로 폐기됩니다.
(2) 프레프리그 생산 과정에서는 탄소섬유를 절단하고 수지와 접착하는 과정에서 발생하는 잔여물과 완전히 경화되지 않은 블랭크가 일반적인 폐기물로 간주됩니다.
(3) 최종 복합재 성형 단계에서도 몰드 잔여물이나 기포가 과도하게 포함된 부적합 제품들이 생산 종료 시점에서 '탄소 폐기물'이 됩니다.
이러한 폐기물은 높은 순도를 가지며 비교적 높은 재활용 가치를 지닙니다.

가공 공정 종료 시 발생하는 공정 폐기물

탄소섬유 복합재를 특정 제품으로 가공할 때 새로운 폐기물이 발생한다. 예로는 자동차 부품 절단 시 나오는 부스러기, 항공우주 부품 샌딩 과정에서 발생하는 탄소섬유 먼지, 스포츠 용품 조립 공정에서 폐기된 반제품 등이 있다. 이러한 '공정 폐기물'은 주로 부스러기나 분말 형태로 존재한다. 형태는 조각나 있지만 전체적인 양은 상당하다. 과거에는 많은 기업들이 이 폐기물을 소각 또는 매립용 쓰레기로 처리했다. 그러나 오늘날 이 폐기물은 재활용을 위한 매우 귀중한 자원이 되었다.

사용 종료 폐기물

이것은 가장 이해하기 쉬운 폐자재의 출처입니다. 풍력 터빈 블레이드는 일반적으로 20~25년의 설계 수명을 가지고 있습니다. 항공우주 부품들은 엄격한 사용 수명 제한을 갖습니다. 자동차 차체, 자전거 프레임 및 스노보드와 같은 제품들도 장기간 사용 후 폐기됩니다. 이러한 최종 사용 제품 대부분은 비교적 완전한 구조를 가진 탄소섬유 강화 플라스틱 복합재이지만, 이들을 분리하는 데에는 상당한 어려움이 따릅니다. 이들은 현재 재활용 노력에서 중요한 초점이자 주요 장애물로 작용하고 있습니다. 초기 세대 제품들이 카본 파이버 제품 점차 수명 종료 단계에 도달함에 따라, 이러한 폐기물의 양은 급속히 증가하고 있습니다.

매립을 그만두고 탄소 폐기물의 재탄생을 시작하세요

탄소섬유의 핵심 가치는 폐기물이 되었을 때에도 유지되는 뛰어난 기계적 특성에 있습니다. 다양한 재활용 기술을 통해 탄소섬유는 여러 산업 분야에서 다시 태어날 수 있으며, '자원-제품-폐기물-재활용 자원'이라는 폐쇄형 순환을 실현할 수 있습니다.
구조적 보강
폐기된 탄소섬유 재료를 잘게 절단하거나 분말 형태로 분쇄하는 것은 가장 직접적인 재활용 방법 중 하나이다. 이러한 '탄소 입자'들은 플라스틱, 콘크리트, 아스팔트 등의 기초 재료에 혼합되어 보강 충전재로 사용될 수 있으며, 재료의 강도, 마모 저항성 및 노화 저항성을 즉시 향상시킨다. 예를 들어, 탄소섬유 분말을 보강한 플라스틱은 맨홀 뚜껑 및 가드레일과 같은 도시 시설물 제조에 활용할 수 있으며, 이는 하중 지지 능력을 크게 향상시킨다. 도로 포장에 사용되는 탄소섬유 혼합 아스팔트는 표면 균열을 줄이고 수명을 연장시킨다. 건축 패널에 잘게 자른 탄소섬유를 적용하더라도 무게는 더 가볍고 강도는 더욱 향상된다.

기능성 소재

탄소섬유는 본래 뛰어난 열 절연성과 전기 전도성을 지니고 있어 재활용 후에도 기능성 소재 분야에서 매우 높은 가치를 지닙니다. 특수 처리된 폐 탄소섬유는 고온에 견디는 절연 펠트로 가공되어 산업용 퍼니스 및 야금 설비의 단열층으로 사용할 수 있습니다. 기존의 절연 재료와 비교했을 때, 더 가벼운 무게와 우수한 열 성능을 제공합니다. 이 소재로 제작한 흡음재는 건축물 방음 공사 및 자동차 내장재에 적용되어 소음 오염을 효과적으로 줄일 수 있습니다. 또한 전도성 측면에서도 높은 가치를 발휘하는데, 전도성 직물로 가공 시 정전기 방지 바닥재 및 전자기 차폐 부품에 사용되어 전자 장치가 간섭받는 것을 방지할 수 있습니다.

재활용 구조 부품

고순도 폐탄소섬유의 경우, 고온 열분해 및 용매 회수와 같은 기술을 사용하여 무결한 장섬유를 분리하고 새로운 프리프레그를 생산할 수 있다. 이러한 재활용 프리프레그는 원료 대비 약간 낮은 강도를 보이지만, 비하중 지지 구조 부품에 대한 요구사항을 충족한다. 적용 사례로는 자동차 내장 패널, 계기판 클러스터, 드론 프레임 및 소형 선체 등이 있다. 이 방법은 생산 비용을 절감할 뿐 아니라 원료 탄소섬유에 대한 의존도를 줄여 효율적인 자원 순환을 가능하게 한다.

에너지 분야

에너지 및 환경 분야에서 폐기된 탄소 섬유는 새로운 응용 가능성을 발견하고 있습니다. 다공성 소재로 가공된 탄소 섬유는 산업 폐수 및 배기가스 내 중금속 이온과 유기 오염물질을 정화하는 흡착제로 활용되며, 뛰어난 정화 효과를 제공합니다. 수정 처리 후에는 리튬 배터리 및 슈퍼커패시터의 전극 소재로도 사용되어 에너지 저장 장치의 성능과 수명을 향상시킵니다. 이러한 산업 간 융합 응용 탄소 폐기물을 '환경 부담'이 아닌 '환경 자산'으로 전환합니다.

순환 경제의 무한한 잠재력

폐기된 탄소 섬유를 단순한 '폐기물'이 아니라 '잘못된 위치에 있는 자원'으로 보는 관점은 전 산업을 휩쓸고 있는 깊이 있는 변화입니다.

제조업체의 경우: 재활용된 탄소 섬유를 활용하면 원자재 비용을 크게 절감하고 탄소 발자국을 줄일 수 있어 ESG(환경, 사회, 지배구조) 기준에 부합하는 발전을 가능하게 합니다.

소비자에게: 곧 고성능과 친환경적 특성을 결합한 더 많은 제품을 볼 수 있게 될 것이며, 이는 녹색 소비를 위한 새로운 선택지를 제공할 것입니다.

지구를 위해: 탄소섬유 1kg을 재활용하면 생산 과정에서 소비되는 에너지의 수십 배에 달하는 에너지를 절약할 수 있으며, 상당량의 온실가스 배출을 줄일 수 있습니다.

폐기된 탄소섬유 자재를 재활용하는 데 드는 높은 비용이 과거에 순환 이용의 발전을 저해해 왔다는 점은 주목할 만합니다. 기술이 발전함에 따라 물리적 및 화학적 재활용 방법의 효율성이 꾸준히 향상되면서 회수 비용이 점차 낮아지고 있습니다. 이에 따라 점점 더 많은 기업들이 이제 이 분야에 투자하고 있습니다. 앞을 내다보면, 순환 경제 체계가 성숙함에 따라 폐기물을 가치 있는 자원으로 전환하는 것이 탄소섬유 산업의 일반적인 관행이 될 것입니다.

생산 라인에서 발생하는 폐실링부터 폐기된 풍력 터빈 블레이드에 이르기까지, 모든 탄소섬유 폐기물의 원천은 재생을 위한 명확한 경로와 연결됩니다. 이중탄소 목표에 따라, 순환경제는 자원의 효율적 이용을 가능하게 할 뿐만 아니라 친환경 산업 발전을 위한 무한한 가능성을 보여줍니다. 어쩌면 언젠가 여러분이 손에 들고 있는 제품이 과거의 삶을 가졌던 탄소섬유를 포함하고 있을지도 모릅니다. 이것이 바로 순환경제의 가장 매력적인 점입니다.

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