재활용 가능한 전기차 난연복합소재 개발…"상용화 협의 중"

전기차 등에 쓰이는 난연 복합소재를 재활용할 수 있는 길이 열렸다. 현재 상용화를 위한 업체 협의가 진행 중이다. 기술 개발은 한국화학연구원 정밀바이오화학연구본부 김진철 책임연구원과 정지은·진영재 선임연구원 연구팀이 진행했다. 논문 주저자는 도스톤베크 소디크 우글리 마블로노프 우즈베키스탄 학생연구원이다. 이들은 저가의 저분자량 폴리올레핀 첨가제(mPAO=메탈로센 폴리알파올레핀) 추가만으로 복합소재의 가공성과 난연성, 재활용성을 동시에 확보할 수 있는 '자기강화 복합소재' 제조 기술을 개발했다. 이 소재는 플라스틱 원료 등으로 쓰이는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 재질의 섬유와 필름을 겹겹이 쌓아 만들었다. 핵심은 첨가제인 'mPAO' 개발에 있다. 난연제 상용화제인 이 첨가제가 ▲가공성 향상(접착력 40% 개선) ▲난연제 분산 ▲재활용 용이 등 3가지 역할을 하는 것. 특히, 'mPAO'는 저분자량 특성상 헥산 세척으로 쉽게 씻겨 재활용을 위한 고순도 HDPE(고밀도 폴리에틸렌) 회수가 가능하다. 정지은 선임연구원은 "'mPAO' 는 HDPE와 화학 조성이 유사하기 때문에 필름 내에서 균일하게 혼합된다. 저분자량 특성 때문에 용융 점도를 낮추고 세척을 통한 제거가 용이하다"고 설명했다. 기존 상용 첨가제(말레익안하이드라이드 그래프트 PE, PEgMA)는 난연제 분산 성능은 우수하나, 분자량이 높고 대부분의 용매에 용해되지 않아 세척으로 잘 제거되지 않는 단점이 있었다. 연구팀은 미국 안전규격 기관(UL)이 정한 소재 난연 성능 평가 표준 시험에서 최고 난연 등급인 'V-0 등급'을 확보했다. V-0등급은 불이 붙어도 바로 스스로 꺼지고 녹아 떨어지는 액적이 주변 가연물에 옮겨붙지 않는 수준이다. 진영재 선임연구원은 "기존 상용 첨가제가 들어간 소재는 재활용 시 첨가제가 40% 이상 남아 물성이 크게 떨어지지만, 연구팀 개발 첨가제는 90% 이상 제거된다"며 "색상과 강도 등이 모두 새 플라스틱 수준의 고순도 재생 원료를 얻을 수 있다"고 말했다. 진 선임연구원은 또 "현재 자기강화 복합소재 관련 연구는 전세계적으로 진행되고 있으나 기초 연구 및 초기 응용 확대 단계에 머무르고 있다"며 "추가 연구개발을 통해 10년 내 실용화가 가능할 것"으로 전망했다. 연구팀은 실용화를 위해 풀어야할 과제로 ▲중간제 필름-섬유 시트 적층 공정 자동화 ▲재활용 반복시 잔류 난연제 축적로 인한 HDPE 성능 저하 ▲산업 적용을 위한 추가 난연 테스트 필요 (한계산소지수 시험 등) ▲중간제 필름 제조 및 재활용 공정 양산 테스트 (양산화된 복합소재 최종 수요기업 평가) 등 4가지를 꼽았다. 연구 결과는 JCR(저널인용리포터) 상위 1%에 들어가는 국제학술지 '컴포지트 파트 비(Composites Part B, I.F.=14)'에 게재됐다. 연구책임자인 김진철 책임연구원은 "저렴한 첨가제 하나로 난연 복합소재의 고질적 난제였던 가공성과 재활용성을 동시에 풀어낸 결과"라며 "전기차와 도심항공모빌리티 등 차세대 모빌리티 부품의 경량화와 자원순환에 기여할 것"으로 기대했다. 연구는 과학기술정보통신부 전략연구사업, 한국화학연구원 기본사업, 산업통상자원부 소재부품기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.