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한국에너지기술연구원 기획기사

석탄 부산물로 탄소섬유 만든다
2018.07.17 2965

■ 한국에너지기술연구원(원장 곽병성, 이하 에너지연)은 저등급 석탄의 부산물(잔사)을 이용해 탄소섬유를 제조하는 ‘저등급 석탄 열분해 부산물의 탄소섬유 제조 핵심 기술’을 국내 최초로 개발했다.


 ○ 탄소섬유는 철보다 4배 가볍고, 강도는 10배 뛰어나면서 7배 강한 탄성률을 지니고 있어 항공우주산업, 교량 등의 토목건축, 자동차 강판 대체, 에너지 환경 소재 등 다양하게 이용됨에 따라 미래형 신소재로 주목받고 있다.


 ○ 현재 우리나라는 탄소섬유 중에서도 피치(Pitch)계 탄소섬유와 소재를 전량 수입하고 있으며, 원료 개발을 통해 섬유와 소재를 상용화 할 경우 2020년까지 기대효과는 내수 3조, 수출 40조에 달한다.


□ 탄소섬유는 주로 폴리아크릴로니트릴(PAN : Polyacrylonitrile)과 같은 합성섬유를 탄화해 생산하고 있으나 높은 원료 가격으로 낮은 경제성이 문제로 지적받고 있다.


 ○ 이를 극복하기 위해 일본, 미국 등 기술 선진국에서도 저등급 석탄을 열분해할 때 발생되는 부산물을 활용해 탄소섬유를 제조함으로써 생산단가 절감을 노리고 있다. 그러나 현재 제조에 성공한 나라는 일본이 유일하고 그마저도 대형화까지는 진행되지 않은 상황이다.


■ 연구원은 국내 최초로 저등급 석탄의 고품위화 과정에서 나오는 부산물을 이용해 완전한 섬유 형태를 지닌 피치계 탄소섬유를 제조하는데 성공했다. 이 기술을 이용하면 일반 피치계 탄소섬유에 비해 생산단가를 20% 가량 줄일 수 있다.


 ○ 저등급 석탄은 원료가 저렴한 대신 석탄 내 수분 및 불순물이 다량 존재하기 때문에 열분해를 통한 고품위화 공정을 거쳐야한다. 이때 부산물이 발생하며 이를 타르로 변환하면 탄소섬유 제조에 이용할 수 있다. 그러나 저등급 석탄의 부산물로 만들어진 탄소섬유 원료는 산소 함량과 분자량이 크기 때문에 방사성이 낮아져 섬유 형태로 제작되기가 극히 어렵다는 단점이 존재했다.


 ○ 이에 연구원은 2단 열처리와 공탄화법을 적용해 분자량을 안정적으로 조절하고 방사성을 증대시켜 머리카락 10분의 1 크기(10μm)의 완전한 섬유 형태를 갖춘 탄소섬유를 제조하는데 성공했다. 이렇게 만들어진 탄소섬유는 일반 피치계 탄소섬유와 같은 강도를 가지면서도 생산단가는 20% 절감된다.


 ○ 이번 연구 성과는 일본에 이어 세계에서 두 번째로 성공한 사례로, 선진 기술을 추격하는 연구가 주류를 이루던 탄소 소재 기술 분야에서 선도국과 대등한 기초 기술력을 확보했다는 데 의의가 크다.


2단 열처리법 : 압력 및 온도를 단계적으로 제어하여 방사 원료의 분자량을 제어하는 기술  

공탄화법 : 분자의 구조 및 분자량이 다른 2 종 이상의 물질을 섞어 방사 원료의 분자구조를 변화시키는 기술

방사성 : 액상의 물질이 실 모양으로 길게 늘어나는 성질


□ 연구책임자인 정두환 박사는 “저등급 석탄 열분해 부산물의 탄소섬유 제조 기술은 글로벌 에너지 이슈 대응은 물론 신산업 창출의 견인차 역할을 할 미래 에너지 핵심기술”이라며, “이번 기술 개발을 계기로 저등급 석탄의 고부가가치화 활용기술에서 향후 우리나라가 선도적 역할을 할 수 있도록 노력하겠다”고 밝혔다.

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