자동차 산업과 rCFRP의 역할
탄소 섬유 강화 플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP)은 높은 강성과 강도를 제공하지만, 제조 과정에서 많은 에너지를 소모해 비용과 환경 부담이 큽니다. 이에 따라, 에너지 소비와 비용이 낮은 재활용 탄소 섬유(rCF)를 활용한 rCFRP가 대안으로 주목받고 있습니다. 그러나 기존의 rCFRP는 섬유 구조 손실로 인해 기계적 성능이 떨어지고 경량화 효과가 감소하는 한계가 있습니다.
자동차 산업은 전 세계 온실가스(GHG) 배출량의 주요 원인 중 하나로 지목되고 있습니다. 유럽연합(EU) 및 미국 환경보호청(EPA)은 차량 배출량 감소를 위해 엄격한 규제를 도입하고 있으며, 경량화는 이를 달성하기 위한 핵심 전략으로 자리 잡고 있습니다.
본 연구는 섬유 구조를 보존하는 재활용 방식이 rCFRP의 기계적 성능과 수명 주기 환경 성능에 미치는 영향을 분석하며, 이를 자동차 부품에 적용했을 때의 가능성을 평가합니다.
섬유 구조와 rCFRP 성능의 연관성
섬유 구조의 중요성
CFRP의 특성은 섬유의 배치와 구조에 크게 의존합니다.
- 기존 재활용 방식: 기존의 재활용 공정에서는 폐기된 CFRP를 잘게 자르고 분쇄하는 과정에서 섬유의 정렬과 밀도가 손실됩니다. 이로 인해, rCFRP는 vCFRP(버진 탄소 섬유 강화 플라스틱)에 비해 섬유 부피 분율이 낮아지고 기계적 성능이 크게 저하됩니다.
- 섬유 구조 보존의 필요성: 섬유 구조를 보존하면, 섬유 밀도를 높이고 성능을 개선할 수 있어 rCFRP의 활용도를 확대할 수 있습니다.
rCFRP의 현재 성능 한계
기존 rCFRP는 섬유 구조 손실로 인해 다음과 같은 문제를 보입니다.
- 낮은 강도와 강성: rCFRP의 인장 강도와 강성은 vCFRP의 17–36%에 불과합니다.
- 경량화 효과 감소: 기계적 성능이 낮아 동일한 설계 요구를 충족하기 위해 더 많은 재료를 사용해야 하므로 경량화 효과가 제한됩니다.
섬유 구조 보존을 통한 재활용 방식의 개선
새로운 접근법
섬유 구조를 보존하는 새로운 재활용 공정은 기존의 분쇄 및 분리 과정을 최소화하여 섬유 배치를 유지합니다.
- 보존된 섬유 구조: 섬유가 유니디렉셔널(일방향) 또는 직물 형태로 유지되어 높은 섬유 부피 분율(50–60%)을 달성할 수 있습니다.
- 기계적 성능 향상: 보존된 섬유 구조를 활용한 rCFRP는 기존 방식 대비 인장 강도가 64–95% 개선됩니다.
자동차 부품에의 적용 가능성
보존된 섬유 구조를 활용한 rCFRP는 차량의 경량화 부품, 예를 들어 루프 패널, 도어 패널 등에 적용할 수 있습니다. 이는 기존 재활용 방식보다 우수한 기계적 특성과 환경적 이점을 제공합니다.
수명 주기 환경 성능 분석
rCFRP의 환경적 장점
rCFRP는 vCFRP에 비해 제조 과정에서 에너지 소비량이 약 10%로 줄어듭니다. 이는 섬유 구조 보존 방식에서도 유지됩니다.
- 온실가스 배출 감소: 섬유 구조 보존 rCFRP를 사용한 자동차 루프 패널은 가솔린 차량 기준 11%, 전기차 기준 23%의 온실가스 배출을 줄일 수 있습니다.
- 자원 재활용: 점점 증가하는 CFRP 폐기물(항공우주 및 풍력 산업에서 발생)을 고성능 rCFRP로 전환할 수 있는 기회를 제공합니다.
경량화와 에너지 효율
섬유 구조를 보존한 rCFRP는 기존 재활용 방식보다 높은 강도를 제공하므로 부품 두께를 줄일 수 있어 차량 경량화와 연비 개선에 기여합니다.
기술적 도전 과제와 향후 방향성
기술적 한계
- 재활용 공정의 복잡성: 섬유 구조를 보존하기 위한 공정은 기존 방식에 비해 추가적인 기술적 요구가 있을 수 있습니다.
- 비용 문제: 새로운 공정 기술 도입에는 초기 비용이 발생할 가능성이 있습니다.
향후 연구 방향
- 재활용 공정 최적화: 섬유 구조를 효과적으로 보존하면서 생산성을 유지할 수 있는 공정 개발이 필요합니다.
- 자동차 외 다른 분야 적용: 항공우주, 스포츠 장비 등 고강도, 경량화가 필요한 분야로 rCFRP 활용을 확대할 가능성이 있습니다.
재활용 탄소섬유 강화 플라스틱(rCFRP)의 현재 상황
재활용 탄소섬유(rCF)를 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)에 사용하는 것은 경제적 이점과 생산 과정에서의 낮은 탄소 발자국으로 인해 자동차 산업에서 주목받고 있습니다. 그러나 현재 rCFRP의 기계적 성능은 신규 CFRP(vCFRP)에 비해 현저히 낮습니다. 이로 인해 더 두껍고 무거운 부품 설계가 필요하게 되어, 비용과 탄소 배출 측면에서의 이점이 저하될 수 있습니다. 이는 현재의 재활용 과정에서 섬유 구조가 손실되기 때문입니다.
섬유 구조 보존 접근법
섬유 구조 보존은 rCFRP의 기계적 성능을 향상시키는 잠재적 접근법입니다. 이 연구는 실험 데이터를 바탕으로 이 접근법이 rCFRP 차량 부품의 수명 주기 환경 성능에 미치는 영향을 조사합니다.
재활용 실험 결과
재활용 실험은 섬유 구조 보존이 rCF의 기계적 강화 능력을 크게 향상시킨다는 것을 보여줍니다. 단방향(UD)과 평직(PW) 구조가 보존된 rCF는 현재의 rCF보다 rCFRP에서 더 높은 섬유 부피 분율을 달성합니다. 보존된 섬유 구조를 가진 rCFRP는 현재의 부직포 rCF를 사용한 rCFRP보다 평균 굴곡 특성이 최소 4배 이상 높습니다. 재활용 후 CFRP의 굴곡 탄성률 저하는 UD의 경우 93%에서 28%로, PW의 경우 83%에서 32%로 감소할 수 있습니다. 섬유 구조 보존을 통한 탄소섬유 재활용은 또한 rCFRP의 기공 함량을 줄일 수 있는 잠재력을 보여, 재료의 기계적 성능의 일관성과 신뢰성을 높입니다.
수명 주기 평가(LCA) 결과
기계적 특성을 기반으로 한 수명 주기 평가(LCA)는 보존된 단방향 또는 직조 구조를 가진 rCFRP가 차량 루프 패널 적용에서 개선된 지구 온난화 잠재력(GWP)과 1차 에너지 수요(PED) 성능을 보인다는 것을 나타냅니다. 섬유 구조 보존을 통한 rCFRP의 향상된 기계적 성능은 기능적 요구 사항을 충족시키기 위해 필요한 루프 패널의 두께와 질량을 줄입니다. 이는 현재 rCFRP 루프 패널의 수명 주기에서 환경적 핫스팟인 폴리머 매트릭스 생산과 차량 운행 중 질량 유발 연료 및 에너지 사용으로 인한 GWP와 PED를 감소시킬 수 있게 합니다.
내연기관 차량(ICEV)과 전기차(BEV)에서의 적용 효과
내연기관 차량(ICEV)에 적용 시, 이 연구에서 분석된 보존된 평직 rCF를 사용한 rCFRP 루프 패널은 vCFRP와 현재의 rCFRP에 비해 각각 26%와 11%의 수명 주기 GWP를 감소시킵니다. 전기차(BEV)의 경우, GWP 감소는 54%와 23%로 확대되지만, 절대량은 ICEV보다 작습니다. 보존된 단방향 rCF를 사용한 rCFRP의 경우에도 직조 rCF와 비교하여 수명 주기 GWP와 PED에서 유사한 감소가 나타납니다.
결론
섬유 구조 보존을 통한 재활용 접근법은 금속과는 다른 재료 특성을 가진 탄소섬유에 더 적합할 수 있습니다. 이 연구에서 보여진 바와 같이, 개선된 섬유 구조를 가진 rCF는 기존의 재활용된 rCF보다 더 높은 가치의 응용 분야에서 사용될 잠재력을 가지고 있습니다. 향후 연구에서는 이 재활용 접근법의 경제적 실행 가능성과 보존된 구조를 가진 rCF의 더 넓은 응용 분야에서의 적합성을 검토해야 합니다. 이는 탄소섬유의 재활용률과 rCF의 응용 잠재력을 향상시켜, 이 재료의 순환성을 높일 것입니다.
또한 섬유 구조 보존을 통한 rCFRP는 기존 재활용 방식의 한계를 극복하며, 기계적 성능과 환경적 성능을 동시에 개선할 수 있습니다. 이를 통해 자동차 부품 경량화와 온실가스 배출 감소에 기여하며, 지속 가능한 미래를 위한 중요한 대안으로 자리 잡을 수 있습니다.
지속 가능한 재활용 기술 개발과 이를 자동차 산업에 효과적으로 적용하기 위한 추가적인 연구와 협업이 필요합니다.
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