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KIST, 처치 곤란 CFRP 폐기물 재활용법 찾았다

작성자 : 편집부 2024-06-02 | 조회 : 84

- 초임계 상태 물만으로 수십 분 내에 99% 친환경 재활용 가능

- 폐 재활용 섬유를 E-모빌리티 배터리 전극재로 업사이클링까지

 

 

탄소섬유강화플라스틱(CFRP)1)은 금속보다 가볍고 강도가 높아 항공, 우주, 자동차, 선박, 스포츠용품 등 다양한 산업 분야에서 사용되고 있다. 최근에는 에어 모빌리티와 같은 신산업에도 적용되면서 사용량이 증가해 폐기물 처리 문제가 드러나고 있다. 그런데 CFRP는 자연분해가 되지 않으며, 고온 소각방식은 독성물질을 배출해 환경오염을 초래하기 때문에 재활용 기술 개발이 시급하다.

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록)RAMP융합연구단2) 정용채 단장 연구팀이 일정 수준 이상의 온도와 압력 조건에서 발현되는 초임계3) 상태의 물을 이용해 수십 분 내에 CFRP 소재를 99% 이상 재활용하는 기술을 개발했다고 밝혔다.

 

 


[그림 1] 폐 복합소재를 배터리 전극재로의 활용한 개념도

 

 

초임계 상태의 물은 높은 극성, 확산성, 그리고 밀도를 가져 CFRP에 함침된 에폭시만을 선택적으로 제거함으로써 재활용된 탄소섬유를 얻을 수 있다. 연구팀은 별도의 촉매제, 산화제, 유기용매 등을 사용하지 않고 물만을 이용해 고효율의 재활용 시스템을 완성했다

 

또한 글라이신(Glycine)4)을 초임계 상태의 물에 첨가하면 CFRP를 질소 원자가 도핑된 재활용 탄소섬유로 업사이클링할 수 있다는 사실도 알아냈다. 이렇게 업사이클링된 탄소섬유는 기존 재활용 탄소섬유보다 우수한 전기적 전도성을 가진다. 수십 분 내에 단일재활용 공정만으로, CFRP의 재활용과 업사이클링을 동시에 처리해 재활용 섬유의 구조와 물성을 제어한 사례는 이번 연구성과가 처음이다.

 

 


[그림 2] 탄소복합소재를 물로 재활용한 전/후 실 사진 이미지

(CFRP: 원소재(재활용 전), N-CF: 질소 도핑된 탄소섬유(재활용 후))

 

 


[그림 3] 업사이클링 재활용 탄소섬유의 배터리 용량 평가 결과

(P-CF: 원소재, R-CF: 재활용 탄소섬유, N-CF: 질소 도핑 재활용 탄소섬유)

 

 

지금까지는 재활용된 CFRP 섬유의 성질이 불균일하다는 제약으로 인해 그 활용처가 주로 복합소재의 충진제5)에 국한됐다. 이와 비교해 연구팀이 만들어 낸 업사이클링 탄소섬유는 E-모빌리티 배터리의 전극재로 적용했을 때 코인셀 평가에서 흑연 대비 동등 혹은 그 이상의 성능을 나타냈다.

 

KIST 정용채 단장은 전 세계적으로 탄소복합소재(CFRP)의 폐기물량이 증가하고 있는 상황에서 이를 친환경적으로 업사이클링하는 기술을 개발했다라면서, “탄소 배출량을 획기적으로 저감시키는 것은 물론 E-모빌리티의 배터리 전극재로 전환하는 자원 선순환 구조까지 제시한 의미있는 연구성과라고 연구의 의의를 설명했다.

 

이번 성과는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 KIST 융합연구단사업(CRC23011-000)과 나노 및 소재기술개발사업(2021M3H4A1A0304129)으로 수행되었으며, 연구 결과는 국제학술지 카본 (CARBON) 최신호에 게재되었다.

* 논문명: Simultaneous recycling and nitrogen doping in carbon fiber reinforced plastic using eco-friendly supercritical water treatment for Li-ion batteries anode application

- 공동 제1저자: 한국과학기술연구원 김영남 연구원

- 공동 제1저자: 한국과학기술연구원 이윤기 연구원

- 공동교신저자: 한국과학기술연구원 정용채 책임연구원

- 공동교신저자: 한국과학기술연구원 이성호 책임연구원

 

< 연구진 소개 >

 

  

용채 KIST 책임연구원 (교신저자)

○ 소속한국과학기술연구원 RAMP융합연구단

○ 전화: 063-219-8153 ○ e-mail: ycjung@kist.re.kr

 

 

이성호 KIST 책임연구원 (교신저자)

○ 소속한국과학기술연구원 탄소융합소재연구센터

○ 전화: 063-219-8134 ○ e-mail: sunghol@kist.re.kr

 

 

김영남 KIST 박사 후 연구원 (1저자) 

○ 소속한국과학기술연구원 RAMP융합연구단

○ 전화: 063-219-8230 ○ e-mail: ynkim@kist.re.kr

 

 

이윤기 KIST 박사 후 연구원 (1저자)

○ 소속한국과학기술연구원 탄소융합소재연구센터

○ 전화: 063-219-8242○ e-mail: younkilee@kist.re.kr