플라스틱(수지)에 탄소 섬유를 넣어 강도를 높인 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)은 가볍고 강도가 높아 항공, 자동차, 풍력발전 등 다양한 산업에 활용되고 있다. 그러나 가공 및 재활용이 어려워 사용 후 발생하는 CFRP의 재활용 처리 문제는 전 세계적인 환경 현안으로 떠오르고 있다.

  국립금오공과대학교(총장 김상호) 화학소재공학부 소재디자인공학전공 은종현 교수 연구팀은 이러한 재활용 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)의 기계적 물성을 회복시키는 계면공학 기술을 개발해 복합재료 분야의 국제저명 학술지 ‘Polymer Composites’에 게재됐다.

  특히 이번 성과는 학부 교육과정에서 출발한 연구가 학생들의 대학원 진학 후 심화 연구를 거쳐 SCI급 국제 학술지 게재로 이어진, 국립금오공대 공학교육인증(ABEEK) 프로그램의 학·석사 연계 교육 효과를 보여주는 사례다.

  CFRP는 열분해(pyrolysis) 등으로 탄소섬유를 회수하더라도, 섬유 손상, 길이 단축, 섬유-수지 계면 손상 등으로 재활용 복합소재의 기계적 물성이 크게 저하되는 한계가 있다. 소재디자인공학과 석사과정 임희수·이선빈 학생은 실험을 위해 재활용 복합재와 유사한 손상된 시편(조각)을 확보한 뒤, 1000℃에서 열분해하여 탄소섬유를 회수했다. 이러한 재활용 CFRP는 열을 받으면서 짧아지고 일부가 손상돼 테이프를 여러 번 떼었다 붙이면 접착력이 떨어지는 것처럼 새 CFRP보다 약해졌다.

  연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 재활용 탄소섬유층 사이에 저융점(약 150℃) 폴리아미드(PA) 나노섬유를 전기방사(electrospinning) 방식으로 제조해 계면층으로 삽입했다. 나노섬유는 전기 힘으로 뽑아 만든 매우 얇은 그물로서, 약 150℃에서 녹기 때문에 에폭시를 굳히는 과정에서 탄소섬유 사이에 잘 퍼져 이러한 나노섬유 계면층이 적용된 재활용 복합재를 제작할 수 있다.

　그 결과, 폴리아미드 나노섬유 계면층을 적용한 재활용 복합재는 계면층이 없는 재활용 복합재 대비 △인장강도 51% 향상(약 70→106 MPa) △탄성계수 50% 향상(4.2→6.3 GPa) △파단 변형률(연신율) 약 1.4%→6.0%로 대폭 향상되는 성과를 보였다. 이는 기존에 보고된 재활용 CFRP 계면 개선 기술들이 통상 5~33% 수준의 물성 회복에 그쳤던 것과 비교해 월등히 높은 개선 폭이다.

  즉, 나노섬유 특유의 그물망 구조가 미세균열을 가교(bridging)하고 균열 전파를 억제하는 물리적 보강 효과까지 더해지면서, 화학적 결합과 물리적 가교가 동시에 작용하는 ‘이중 보강 메커니즘’이 재활용 복합재의 계면 신뢰성과 하중 전달 효율을 크게 끌어올린 것으로 분석됐다.

  이번 연구는 임희수·이선빈 학생이 학부 4학년 재학 시절 은종현 교수의 전공 교과목 ‘소재디자인공학창의종합설계(공학교육인증제 캡스톤디자인)’ 수업에서 직접 수행했던 프로젝트를 대학원에 진학해 후속 연구로 심화·발전시켜 완성한 논문이라는 점에서 의미가 크다.

　연구 결과는 ‘A Sustainable Strategy for Enhancing Recycled CFRP via Electro-Spun Low-Melting Temperature Polyamide Nanofiber Interlayers(저융점 폴리아미드 전기방사 나노섬유 계면층을 통한 재활용 CFRP 성능 향상 전략)’라는 제목으로, 미국 플라스틱공학회(SPE)와 와일리(Wiley)가 공동 발행하는 국제 학술지 ‘Polymer Composites*’(DOI: 10.1002/pc.71572)에 게재됐다. 임희수(제1저자) 학생과 이선빈 학생이 공동저자로 참여했고, 은종현 교수가 교신저자를 맡았다.

* Polymer Composites: SCImago Journal Rank(SJR) 기준, 복합재료(Ceramics and Composites) 분야 상위 25%에 해당하는 Q1 등재 학술지

　이번 연구를 지도한 은종현 교수는 “학부 캡스톤디자인 수업에서 얻은 아이디어를 대학원 진학 후에도 꾸준히 발전시켜 국제 학술지 논문으로 완성한 뜻깊은 성과로, 앞으로도 학·석사 연계 연구를 통해 학생들이 실질적인 연구 역량을 키워나가겠다.”고 말했다. 이어 “재활용 CFRP의 자원 순환성을 높이는 실용적 계면공학 전략을 제시한 만큼, 향후 탄소섬유 복합소재의 지속가능한 재활용 기술 고도화에도 기여할 것으로 기대한다.”고 덧붙였다.

　한편, 국립금오공대는 공학교육인증(ABEEK) 프로그램과 연계한 창의종합설계 교과목을 통해 학부생들이 실제 연구 성과를 도출하도록 지원하고 있으며, 첨단 복합소재 및 자원순환 기술 분야의 지속적인 연구를 통해 산업 경쟁력 강화에 기여하고 있다.