산업기술/제조/경영

Nikkei Monozukuri_2021.12 특집 (p43-47)

탄소중립 재료
바이오매스화와 고기능 재료를 이용한 에너지 절약

모든 산업이 탄소중립(Carbon Neutral: 온난화 가스의 배출량 실질 제로)으로 향하는 가운데, 일본이 자랑으로 여기는 재료 기술을 활용하지 않을 수 없다. 재료의 바이오매스화에 의한 화석 자원 사용량 삭감과 고기능화 재료를 이용한 에너지 절약을 축으로 하여 다양하고 개성적인 재료 기술이 탈탄소를 추진한다.

■ 바이오매스 재료

・일본이 강한 폴리젖산
고마쓰기술사사무소, 산요시칠기점, 펙커정공, 가미노 등

자연에서 태어나 다시 자연으로 돌아가는 식물 유래, 생분해성 플라스틱. PLA(폴리젖산)는 21년 현재 바이오 플라스틱의 대표격이라 할 수 있다. 사출 성형 등의 성형 기술에서 일본이 세계의 첨단을 달리고 있다.

・금속흡착제
일본원자력연구개발기구

식품 폐기물인 돼지 뼈 찌꺼기를 중탄산소다 수용액에 담가서 만드는 금속 흡착제다. 카드뮴이나 스트론튬, 납 등으로 오염된 물에 넣기만 하면 정화할 수 있다. 스트론튬 흡착제로 알려진 천연 제올라이트 흡착제에 비해 단위 질량당 약 20배의 오염수를 처리할 수 있다.

・아세트산 셀룰로오스
다이셀

목재 조각이나 코튼 린터에서 유래한 바이오매스 플라스틱. 개량을 통해, 해수 속에서의 생분해성에 대해 국제적 인증을 얻었다. 원래 셀룰로이드를 난연화해 개발하는 것으로 오랜 역사를 가진다. ABS(아크릴로니트릴∙부타디엔∙스티렌) 수지와 동등한 물리적 성질을 갖기 때문에 공통 금형을 사용할 수 있는 특징이 있다.

・바이오 폴리카보네이트
미쓰비시케미컬

식물 유래 전분으로 만든 이소솔바이드를 질량 베이스로 40~60% 사용하고, 기타 성분을 혼성 중합해 제조하는 폴리카보네이트. 내구성(내충격성과 내광성)과 함께 높은 디자인성도 갖추고 있어, 사출 성형품은 도장 없이 높은 외관 품질을 확보할 수 있다. 공정의 생략으로 기존 부품보다 비용이 싸져 ‘환경 부하가 작고 비용도 낮은’ 부품을 실현한다.

・접착성 폴리올레핀
미쓰이화학

식품용 보존 용기의 복합 재료를 제작할 때 필요한 접착성 폴리올레핀. 질량의 50~80%에, 사탕수수에서 설탕을 얻은 후에 남는 ‘폐당밀’에서 얻어지는 바이오 폴리에틸렌을 이용해, 제조 시의 CO₂ 배출량 삭감을 목표한다. 산소를 통과시키기 어려운 폴리아미드나 EVOH(에틸렌 비닐 알코올 공중합체)와 수증기를 통과시키기 어려운 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌의 접합에 사용한다.

■ 고기능 재료

・1.5GPa급 고장력 강판 냉간 프레스
유니프레스

저비용의 냉간 프레스로 고장력 강판의 장점을 살리면서 약점인 지연 파괴를 없앴다. 자동차의 차체 골격 부품을 경량화할 수 있어 에너지 절약과 CO₂의 배출량 삭감에 공헌한다. 시뮬레이션을 많이 사용하여, 프레스 가공에 의한 잔류 응력을 일정 이하로 억제해 지연 파괴가 발생하는 것을 막았다.

・고열전도 CFRP
도레이

금속보다 한 자릿수 열전도율이 높지만 찢어지기 쉬운 약점을 가진 그라파이트(흑연) 시트를 탄소섬유 강화 플라스틱으로 끼워 넣어 높은 열전도성과 강도를 양립시켰다. 경량, 콤팩트한 제품의 구조재를 방열 경로로 겸용할 수 있다. 경량화에 의한 이동체의 소비 에너지 저감뿐 아니라 효율적으로 에너지를 사용하는 설계에 기여한다.

・ABS 내약품성 향상제
산요카세이공업

ABS수지 성분 중 하나인 AS(아크릴로니트릴∙스티렌) 공중합체(copolymer)에 들어가, 또 다른 성분인 폴리부타디엔의 입자를 둘러싸고 약품의 침투를 저지한다. ABS 수지의 고분자간 결합을 유지한다. 지금까지 약품이나 기름이 많은 곳에는 사용하기 어려웠던 ABS의 내구성을 향상시켰다. 자동차의 금속 부품을 교체함으로써 경량화를 실현하고, 이를 통해 CO₂ 삭감에도 기여할 것으로 전망된다.

Part 1. 총론
바이오매스와 기능 향상으로 탈탄소, 2개의 축으로 재료 기술이 공헌

기후 변화에 대한 사회적인 우려가 본격화되는 가운데 CO₂를 비롯한 온난화 가스의 배출량을 삭감해 탄소중립(온난화 가스의 배출량 실질 제로)을 실현하는 수단으로서 신재료에 이목이 집중되고 있다. 재료 기술이 탈탄소에서 담당하는 역할은 폭넓다. 재료 그 자체를 화석자원 유래로 없애는 방법 이외에도 비용 면에서 현실적인 해답으로 채택되는 기존 기술을 답습하면서 그것을 보완하고 고도화하는 재료도 계속 생겨나고 있다.

-- 제품 라이프 사이클 전체에서 배출량 삭감 --
최근 탈탄소 분야에서도 제품의 라이프 사이클 전체에서의 환경 부하를 평가하는 LCA(라이프 사이클 평가)의 개념이 확산되고 있다. 재료 자체나 부품 및 제품의 제조 단계, 제품으로서 사용하는 단계, 사용이 끝난 제품을 폐기 처리하는 각각의 단계에서 나오는 CO₂ 배출량을 생각한다.

예를 들어 식물 등의 바이오매스 유래 재료의 경우, 폐기 후 분해 등으로 인해 CO₂는 발생하지만 원래 식물이 공중의 CO₂를 머금은 탄소이기 때문에 장기적으로 볼 때 대기 중의 CO₂는 늘리지 않는다(탄소중립). 생분해성 재료라면 땅 속이나 해수 속에서 물과 CO₂가 되므로 소각 처분으로 연료를 사용할 필요도 없다.

제품의 사용 단계에서의 CO₂ 배출량 삭감을 위해서는 재료의 기능 향상이 공헌한다. 전형적인 것은 고강도화에 의한 경량화다. 자동차나 드론 등의 이동체는 경량 재료를 채용함으로써 운용 시의 에너지 소비가 줄어든다. 설령 화석자원 유래 연료나 전기로 움직인다고 해도 에너지 소비량이 줄어들면 그만큼 CO₂ 배출량이 줄어든다.

모든 상황에서 CO₂ 배출량을 줄일 수 있으면 이상적이지만 실제로는 트레이드오프가 있다. 예를 들어 위생 유지 때문에 재이용이 어려운 제품의 경우는 폐기 후의 CO₂ 배출량 삭감을 중시하고, 다른 제품의 경우는 재활용을 전제로 해서 운용 시의 배출량 삭감을 중시하는 등의 방법이 될 것이다.

-- 바이오매스화로 배출량 삭감 --
LCA 시점에서 재료에 의한 탈탄소를 고려했을 때, 상황에 따라 요구되는 특성은 달라진다. 21년 현재, 재료로서 탈탄소를 목표하는 개발과 응용은 주로 2개의 방향으로 진행된다.

하나는 바이오매스 유래로 탈탄소를 도모하는 방향이다. 예를 들면, 바이오 플라스틱의 대표격으로, 생물 유래이면서 생분해성이 있는 폴리젖산(PLA). 일본은 PLA의 성형 기술에서 앞서고 있어, 본격적인 보급을 앞두고 기대가 높아지고 있다.

기존의 재료를 바이오매스화하는 대응도 진행되고 있다. 폴리카보네이트(PC)를 화석자원(석유) 유래에서 생물 유래로 전환한 미쓰비시케미컬의 바이오 폴리카보네이트 ‘DURABIO’는, 자동차업체의 채용이 잇따르고 있다. 사출 성형만으로 양호한 외관 품질을 유지할 수 있는 장점이 있다. 이 때문에 재료 자체의 비용이 비싼데도 불구하고 사용자인 자동차업체는 도장 공정 생략이라는 장점을 얻을 수 있다.

과거의 것으로 여겨졌던 재료도 복권을 노리고 있다. 아세트산 셀룰로오스는 첫 합성이 19세기라는 역사가 있는 재료지만 화석자원 유래의 값싼 플라스틱에 밀려 활약의 폭이 좁아졌다. 그러나 생물 유래의 셀룰로오스로 제조할 수 있고, 최근 들어서는 해양 생분해성도 확립해 주목을 끌고 있다.

바이오매스의 경우는 자주 사용되는 사탕수수의 찌꺼기 외에 지금까지 쳐다보지도 않았던 것을 이용하는 움직임이 있다. 일본원자력연구개발기구(JAEA)는 식품 폐기물인 돼지 뼈에서 고성능의 금속 흡착 재료를 개발했다. 재료 본체와 더불어 복합재를 제조하는 접착성 기능 재료도 바이오매스화가 진행되고 있다.

-- 경량화와 내구성 향상으로 탈탄소 --
다른 하나는 기능성을 높여, LCA의 관점에서 탈탄소에 기여할 수 있는 재료이다.

비교적 새로운 재료로서, 첨단 제품부터 채용이 확산되고 있는 CFRP(탄소섬유 강화 플라스틱). 도레이는 열전도율을 높인 CFRP를 개발, 자동차나 드론과 같은 소형 모빌리티, 휴대기기용으로도 판매한다. 구조 재료로서 방열 기능을 함께 담당한다. 에너지 절약에 의한 CO₂ 배출량 삭감을 어필하며, 새로운 분야로의 침투를 도모하고 있다.

유니프레스는 1.5GPa급의 고장력 강판(하이텐재)을 냉간 프레스로 가공할 수 있도록 했다. 핫 스탬프에 비해 저비용화가 가능하고 차체의 경량화가 쉬워진다.

ABS(아크릴로니트릴∙부타디엔∙스티렌) 수지의 내약품성을 향상시키는 첨가제를 개발한 것은 산요카세이공업이다. 보급되고 있는 범용 플라스틱의 열화를 방지할 수 있기 때문에 제품 수명이 연장되고 나아가서는 폐기로 인한 CO₂ 배출을 삭감할 수 있다.

이처럼 재료 기술이 탈탄소에서 담당하는 역할은 다양하다. 상황에 따라 최적의 선택지를 얻기 위해서도 다양한 방법으로 탈탄소에 기여할 수 있는 재료가 존재해야 한다.

 -- 끝 --