▲ 한국탄소산업진흥원 연구원이 라이오셀 프리프레그 적층 성형을 위한 공정을 진행하고 있다.

한국탄소산업진흥원(원장 방윤혁)이 한국과학기술원 전북분원(분원장 김진상)과 친환경 소재 시장의 요구를 만족시키는 바이오 복합소재를 통해 건축 등 다양한 산업분야의 탄소중립 달성에 기여할 것으로 기대된다.

한국탄소산업진흥원은 한국과학기술원 전북분원연구진과 3년간의 공동연구로 목재와 결합 강도가 뛰어난 친환경 바이오 복합소재를 개발했다고 밝혔다.

천연목재 펄프에서 추출해 친환경 섬유로 잘 알려진 라이오셀(Lyocell) 연속섬유와 생분해가 가능한 PLA(Polylactic Acid)수지를 결합한 중간재에 목재를 결합해 별도의 접착제 없이도 우수한 물성을 갖는 친환경 소재를 만들어냈다.

라이오셀 연속섬유는 우수한 인장특성과 촉감을 가질 뿐만 아니라 생산 공정에서 일체의 오염물질을 발생시키지 않고 사용된 용매 또한 재활용 가능해 친환경 소재로서 여러 분야에서 주목받는 소재다.

유리섬유나 탄소섬유 등 높은 강도와 탄성을 가진 산업용 경량 복합소재들의 경우 자동차나 항공기 등의 구조재로 쓰이기 위해 열가소성수지를 활용하고 있으나 생분해가 어렵다는 단점이 있다.

한국탄소산업진흥원 방윤혁 원장과 박근영 선임, KIST 전북분원 윤상준, 나원진 연구팀은 이러한 문제를 해결하고자 라이오셀 연속섬유와 생분해성 PLA수지를 균일 함침한 후 목재와 교차 적층함으로써 별도의 접착제 없이 원하는 형상 구현 및 열 성형이 가능하고 우수한 물성을 띈 복합재를 만드는데 성공했다.

그간 건축·건설, 인테리어나 가구 등에 주로 사용된 목재 소재의 경우 내구성과 가공성 등에서 우수하지만 자연소재이기에 갖는 불규칙성과 변형, 수분 취약성 등이 단점으로 꼽혔다.

소재의 물성 강화를 위해 기존에는 목재에 플라스틱 등을 덧대는 방식을 채택해 왔으나, 연구진은 접착제 사용 시 결합형태가 장시간 유지되지 못하고 품질이 저하되는 문제를 해결하고자 PLA수지를 채택, 열 성형 방식으로 소재 접착 내구성을 높였다.

한국탄소산업진흥원 신뢰성 평가센터에서 이번 소재 관련 시험분석을 진행한 결과, ASTM D790, ASTM D 648, ISO 179 등 시험평가에서 목재 대비 약 3배 높은 굴곡강도와 2배 이상의 휨 탄성계수, 9배 이상의 높은 충격강도를 보였다.

뿐만 아니라 극저온(-160℃)에서 고온(90℃)까지 우수한 열안정성을 보여 다양한 환경에서 사용 가능한 복합소재임을 확인했으며, 국내 특허출원 및 해외특허 취득을 위한 국제특허출원(PCT)까지 마쳤다.

한국탄소산업흥원은 공주대학교 가구리빙디자인학과 학생들과 친환경 바이오 복합소재를 활용한 6점의 가구 제품 디자인에서부터 구조설계, 열성형 및 제작 전 과정에 걸쳐 함께했으며, 지난 21일 개최된 런던 디자인페어에서 선보였다.

방윤혁 한국탄소산업진흥원장은 “라이오셀-PLA-목재 복합소재는 친환경 소재에 대한 시장의 요구를 충족시켜줄 수 있는 우수한 재료”라며, “개발된 기술을 토대로 목재뿐 아니라 종이 등 다양한 친환경 소재와의 융합 기술 개발을 이어나가고, 국내 산업의 이산화탄소 배출 저감 등 탄소중립 이행에도 적극 기여해 나가겠다”고 밝혔다.