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특 집 천연섬유와바이오복합재료 심재훈 ᆞ 조동환 ᆞ 윤진산 1. 서론 섬유강화플라스틱 (Fiber-Reinforced Plastics, FRP) 은 1908 년에개발된페놀수지에셀룰로오스섬유를첨가하면서시작되었다.

1-3 연주용기타, 스포츠용품, 자동차, 선박등각종산업, 수송및스포츠 / 레저분야로부터초경량비행기, 전자재료, 항공우주및국방소재등첨단분야에이르기까지 FRP 즉, 섬유강화고분자복합재료는광범위하게활용되고있다.

4-8 이를극복하기위하여 1989 년에독일의 Deutsches Zentrum für Luft und Raumfart Institute of Structural Mechanics는 flax( 아마 ), hemp( 대마 ), ramie( 모시 ) 등의천연섬유 (natural fiber) 를고분자수지의보강섬유로도입한다는획기적인방법을제안했다.

1 특 집 천연섬유와바이오복합재료 심재훈 ᆞ 조동환 ᆞ 윤진산 1. 서론 섬유강화플라스틱 (Fiber-Reinforced Plastics, FRP) 은 1908 년에개발된페놀수지에셀룰로오스섬유를첨가하면서시작되었다. 이어서 urea 수지, melamine 수지등의열경화성물질에적용되기도하였으며, 1940 년대에불포화폴리에스터에유리섬유를함께적용하면서선박부품, 낚시용품및일용품에도 FRP 의응용이확산되기시작하였다. 1-3 연주용기타, 스포츠용품, 자동차, 선박등각종산업, 수송및스포츠 / 레저분야로부터초경량비행기, 전자재료, 항공우주및국방소재등첨단분야에이르기까지 FRP 즉, 섬유강화고분자복합재료는광범위하게활용되고있다. 그러나기존의복합재료는자연환경내에서쉽게분해되지않고, 재활용도어려운일반보강재및충진재를포함하고있으며, 환경에대한사회적인식의변화및이에따른환경규제의강화와함께이러한소재의활용이점점제한을받고있는추세이다. 4-8 이를극복하기위하여 1989 년에독일의 Deutsches Zentrum für Luft und Raumfart Institute of Structural Mechanics는 flax( 아마 ), hemp( 대마 ), ramie( 모시 ) 등의천연섬유 (natural fiber) 를고분자수지의보강섬유로도입한다는획기적인방법을제안했다. 9,10 생분해성고분자수지에적용된이기술은바이오복합재료 (biocomposite) 라명명되었으며다른열가소성고분자수지에비해성형온도가상대적으로낮은생분해성고분자수지의물성향상에매우효과적이다. 또한매트리스고분자와보강재모두생분해성이기때문에환경친화성이매우높은재료로각광받고있다. 근래에는합성고분자의보강재 로도천연섬유를활용하고자많은노력이이루어지고있다. 비록매트릭스인합성고분자물질이완전생분해되지않더라도천연섬유성분은생분해되기때문에매립폐기물의양을줄이며매립지의수막현상을완화시켜주기때문에비교적환경친화적이라고할수있다. 따라서최근에는천연섬유와함께생분해성고분자수지혹은난분해성고분자수지로이루어진복합재료를포괄적인의미에서바이오복합재료또는그린복합재료 (green composite) 이라고부르기도한다. 1-3,10 환경에대한사회적변화와높은석유가격, 천연자원활용의중요성등을고려할때, 기존의유리섬유강화고분자복합재료를대체할수있는가장적합한친환경소재는바이오복합재료라할수있으며이는유리섬유복합재료에필적할만한물성을가질뿐만아니라경량성, 응용성과가격경쟁력을갖춘대체소재이다. 따라서천연섬유를활용한친환경바이오복합재료에대한연구개발의중요성이최근강조되 조동환 현재 인하대학교공과대학고분자공학과 (BS) 미국 Univ. of Akron, Department of Polymer Science(MS) 미국 Univ. of Akron, College of Polymer Science and Engineering(Ph.D.) 미국 Univ. of Akron, Institute of Polymer Science(Postdoctoral Fellow) 국방과학연구소복합재료연구실 ( 선임연구원 ) 미시간주립대 Composite Materials & Structures Center 방문교수금오공과대학교고분자공학과교수 심재훈 현재 인하대학교고분자공학과 ( 학사 ) 인하대학교고분자공학과 ( 석사 ) 인하대학교고분자공학과박사과정 윤진산 현재 서울대학교화학공학과 ( 공학사 ) 동양나일론 ( 주 ) 사원 프랑스, University of Compiegne ( 공학박사 ) 미국위스콘신대학교방문교수 인하대학교교수 Natural Fibers and Biocomposites 인하대학교고분자공학과 (Jae Hun Shim and Jin San Yoon, Department of Polymer Science & Engineering, Department of Polymer Science and Engineering, Inha University, 253, Nam-gu, Incheon , Korea) jsyoon@inha.ac.kr 금오공과대학교고분자공학과 (Donghwnan Cho, Department of Polymer Science & Engineering, Kumoh National Institute of Technology, Kumi, Kyungbuk , Korea) 고분자과학과기술제 19 권 4 호 2008 년 8 월 299

고있다. 이방법으로천연섬유가합성고분자의보강재로사용될경우, 합성고분자의기존생산공정의변형없이도여러환경규제에유연하게대처할수있는소재를개발할수있다는장점이있어여러선진국뿐만아니라남미, 동남아, 인도및아프리카등지에서도활발한연구가진행되고있다. 6-10 본고에서는천연섬유와합성고분자로구성된바이오복합재료를중심으로천연섬유의개질그리고바이오복합재료제조와물성및응용에대하여서술하고자한다.

2 고있다. 이방법으로천연섬유가합성고분자의보강재로사용될경우, 합성고분자의기존생산공정의변형없이도여러환경규제에유연하게대처할수있는소재를개발할수있다는장점이있어여러선진국뿐만아니라남미, 동남아, 인도및아프리카등지에서도활발한연구가진행되고있다 본고에서는천연섬유와합성고분자로구성된바이오복합재료를중심으로천연섬유의개질그리고바이오복합재료제조와물성및응용에대하여서술하고자한다. 2. 천연섬유보강재 천연섬유는크게원료물질에따라식물성섬유와동물성섬유로분류된다. 식물성천연섬유는주로셀룰로오스성분으로이루어져있으며, 동물성천연섬유는단백질성분이주된성분이다. 식물성천연섬유는값이싸고쉽게얻을수있으며농업이지속되는한고갈되지않는다. 반면, 동물성천연섬유는원료수급에제한이따르며처리비 용이높아식물성계에비하여상대적으로경제성이떨어진다. 따라서일반적으로바이오복합재료에는식물성천연섬유를활용한복합소재를주로사용하고있다 따라서본원고에서는응용성, 공급성, 그리고상업성이높은식물성천연섬유를중심으로서술하고자한다. 그림 1은바이오복합재료에적용되고있는여러가지식물성천연섬유와동물성천연섬유를분류한것이다. 각각의천연섬유는섬유가지니고있는고유특성뿐만아니라가격, 경량성, 가공성, 품질및사용목적, 목표물성, 국가환경정책에따라선택적으로사용된다. 13 고분자매트릭스수지의보강섬유로활용되고있는셀룰로오스계천연섬유들은아마 (flax), 대마 (hemp), 황마 (jute), 케나프 (kenaf), 아바카 (abaca), 대나무 (bamboo), 코이어 (coir), 파인애플, 모시 (ramie), 사이잘 (sisal), 헤네켄 (henequen) 등이있다. 이들은주로남미나인도, 방글라데시, 동남아시아의여러나라에서생산되고, 최대연삼모작이가능할정도로빨리자라며쉽게수확할수있다는장점이있으며가격도매우저렴한편이다 ( 그림 2). 표 1과 2는천연섬유의화학적조성, 밀도및수분함량을나타내고있다. 천연섬유의특성은그종류와천연섬유가얻어진줄기, 잎, 열 그림 1. 바이오복합재료에적용되고있는식물성천연섬유와동물성천연섬유. 표 1. 천연섬유의화학조성 Type of Fibre Bast Cellulose Lignin Hemicellulose Pectin Wax Micro-fibrillar/ Moisture Content wt% wt% wt% wt% wt% Spiralangle(Deg.) wt% Jute Flax Hemp Ramie Kenaf Leaf Sisal PALF Henequen Seed Cotton Fruit Coir Polymer Science and Technology Vol. 19, No. 4, August 2008

표 2. 천연섬유의물성 Type of Fibre Density Diameter Tensile Strength Young s Modulus Elongation at Break g/cm 3 μm MPa GPa % Cotton 1.5 1.6-287 800 5.5 12.6 7.0 8.0 Jute 1.3 1.45 25 200 393 773 13 26.5 1.16 1.

3 표 2. 천연섬유의물성 Type of Fibre Density Diameter Tensile Strength Young s Modulus Elongation at Break g/cm 3 μm MPa GPa % Cotton Jute Flax Hemp Ramie Sisal PALF Coir E-glass S-glass Aramid Carbon 매등과같은근원에따라서차이가있다. 또한천연섬유가재배된지리적특성과생장기간동안의강우량, 공정과환경등에따라서도천연섬유를구성하고있는셀룰로오스 (cellulose), 헤미셀룰로오스 (hemicellulose), 리그닌 (lignin), 펙틴 (pectin) 그리고왁스의함량은다를수있다. 천연섬유는그동안고분자수지의보강섬유로널리쓰여왔던기존의유리섬유와비교할때섬유의인장강도와인장탄성률이낮아획기적인기계적물성의향상을기대하기는어렵다. 그러나천연섬유밀도 ( g/cm 3 ) 는유리섬유 (2.5 g/cm 3 ) 보다상대적으로낮아비강도및비탄성률관점에서유리섬유에비견할만한복합재료의물성을얻을수있으므로경량소재개발에유용하다 천연섬유의기본구조는셀루로오스, 헤미셀루로오스, 리그닌, 펙틴과함께약간의왁스로이루어져있다. 또한천연섬유내부에본질적으로지니고있는물분자때문에수종에따라약 8-13% 의수분을포함하고있다. 셀룰로오스는각각베타 1,4 글루코시딕가교에의해연결된무수 d- 글루코스단량체로구성된선형고분자이다. 세개의수산기는각글루코스단위에서다른셀룰로오스분자와함께내외부의수소결합을형성한다. 이러한수산기는 8-13% 정도의수분을흡수하고, 셀룰로오스의중합도와결정화도는섬유마다차이가있다. 이러한천연섬유의종류에따른화학조성상의차이는섬유의기계적특성에영향을미친다 결정성인셀룰로오스는섬유의물성과셀 (cell) 의안정성을유지시키는데크게기여한다. 마와같은줄기섬유내셀룰로오스는가장높은 10,000 정도의중합도를가지므로인장물성도높은편이다. 헤미셀룰로오스는셀룰로오스보다사슬가지가더많이존재한다. 따라서헤미셀룰로오스는결정화되지않으며, 섬유에서리그닌이제거된후에도헤미셀룰로오스는셀루로오스에붙어남아있고많은양의수분을흡수한다. 헤미셀룰로오스는약하게가교된상태로존재하며섬유의물성에크게기여는하지않으나, 친수성을띠고있고, 알칼리에용해된다. 리그닌은지방족과방향족의복잡한구조를가지고있는페놀계화합물형태의탄화수소고분자로 cell 벽사이에서브리지역할을하며, 매트릭스가섬유를둘러싼 sheath 구조이며마이크로피브릴을이루고있다. 리그닌은탄화수소가기본을이루어미생물에의한분해를방지한다. 헤미셀룰로오스는리그닌이자외선분해성인데비하여섬유의생분해, 수분흡수및열분해에중요한역할을한다. 펙틴은폴리사카라이드의혼합물이며왁스는다양한알코올로구성되어있는보호층과같이섬유의표면에주로존재한다 그림 2. SEM micrograph of degumming ramie( org/org/). 3. 식물성천연섬유보강재의종류 모시섬유는가시가없는쐐기풀의일종인 boehmeria nivea 또는 boehmeria tenacissema라는식물에서얻는다 ( 그림 2). 전자는주로열대지방에서재배되며, 후자는중국이원산지이다. Boehmeria tenacissema 는중국의유리섬유라고도불리며 67-76% 의셀룰로오스와 13-17% 의헤미셀룰로오스성분을포함하고있다. 모시로만들어진직물은이미기원전 5000 년에서 3300년경에이집트에서부터사용된것으로알려져있다. 모시는다년생이며약 2미터에이를정도로키가크고일년삼모작이가능하다. 다자란식물은세로로길게잎을잘라서수확한후피질을제거하고, 줄기부터껍질을벗긴다. 가닥이나리본의형태를하고있는모시섬유는칼로껍질을벗길때물속에서껍질이잘분리되며수산화나트륨 (NaOH) 용액으로리그닌을제거한다. 화학처리된모시섬유는약 900 MPa 의강도를나타내기때문에가격경쟁력이확보된다면바이오복합재료분야에활용이기대된다. 사이잘삼, 황마, curaua 등의섬유는리그노셀룰로오스섬유라한다. 이것은가격이저렴하고, 밀도가낮으며, 제조공정이단순하여최근많은주목을받고있다. 일반적인천연섬유와마찬가지로재생이가능하고, 경작면적이넓어서공급량이충분하다. 또한이방성을가지고있으며표면이매끄럽고공극을가지고있고점탄성을나타내며생물학적분해가가능하다는등많은장점을가지고있다. 최근유럽의자동차업체들은자동차문, 천장과브레이크패드의석면대용으 고분자과학과기술제 19 권 4 호 2008 년 8 월 301

로주로 flax 를사용하는바이오복합재료를개발하였다. 두꺼운종이판이나계란상자등의포장재에도상당부분식물성천연섬유가사용되고있다. 이중황마 (jute) 는가장쉽게구할수있는섬유로서인도, 방글라데시, 브라질, 중국과같은국가에서저렴한비용으로쉽게얻을수있다. 천연섬유는수산화나트륨을이용한알칼리처리를하여사용하기도하며알칼리처리를통하여리그닌함량이약 11% 에서약 7% 로감소한다.

대나무는줄기와잎을가지고있으며, 일본, 우리나라, 베트남, 중국등아시아와남미의여러나라에서많이생산된다. 대나무는황마, 케나프 (kenaf) 등에비해생산성이매우높다. 대나무섬유는후처리하면유리섬유에비해상대적으로높은비강도를가지고있고보강재로사용될때친환경성등을고려하면유리섬유보다활용성이더높을수있다.

4 로주로 flax 를사용하는바이오복합재료를개발하였다. 두꺼운종이판이나계란상자등의포장재에도상당부분식물성천연섬유가사용되고있다. 이중황마 (jute) 는가장쉽게구할수있는섬유로서인도, 방글라데시, 브라질, 중국과같은국가에서저렴한비용으로쉽게얻을수있다. 천연섬유는수산화나트륨을이용한알칼리처리를하여사용하기도하며알칼리처리를통하여리그닌함량이약 11% 에서약 7% 로감소한다. 또한헤미셀룰로오스성분도상당부분제거될수있다. 알칼리처리에의한리그닌의감소는섬유의재배향을초래하여인장강도가약 50% 정도증가되는효과를얻을수있으며, 궁극적으로천연섬유바이오복합재료의물성을향상시킬수있는것으로보고되었다. 10 대나무섬유는예술소재, 정원, 조경또는건축재료에사용된다. 대나무는줄기와잎을가지고있으며, 일본, 우리나라, 베트남, 중국등아시아와남미의여러나라에서많이생산된다. 대나무는황마, 케나프 (kenaf) 등에비해생산성이매우높다. 대나무섬유는후처리하면유리섬유에비해상대적으로높은비강도를가지고있고보강재로사용될때친환경성등을고려하면유리섬유보다활용성이더높을수있다. 10 그림 3에서보여주는바와같이, 대나무는목질부에수많은관다발이있으며, 관다발의주요성분은셀룰로오스와리그닌이다. 일정한길이의대나무자체를증기압을이용하여또는물리적인방법으로대나무섬유를얻을수있다. 얻어진대나무섬유를수 mm 에서수십 mm 로짧게잘라바이오복합재료의보강섬유로사용할수있으며, 또한분말상태의죽분 (bamboo flour) 을고분자수지와함께이용할수도있다 그림 3. 대나무섬유의단면. 4. 천연섬유의표면개질 섬유와매트릭스사이의강한계면결합은복합재료의높은기계적특성을얻는데매우중요하다. 천연섬유는친수성이높아소수성인고분자매트릭스수지와의상용성이매우낮다. 천연섬유의친수성은바이오복합재료의수분흡수를초래하며, 이는나아가응용분야의확대를제한시키는요인이되기도한다. 천연섬유표면에존재하는왁스성분은섬유가고분자수지와결합하는데불리하게작용하며표면젖음성도저하시킨다. 특히수분과히드록실그룹의존재는복합재료제조시천연섬유와대부분의고분자수지가접착하기어렵도록한다. 13 셀룰로오스의함량이높은천연섬유는결정부분의함량도높다. 이들결정영역은강한분자내수소결합에의해서로결합되어있는셀룰로오스블록의집합체라고할수있다. 세포벽이팽윤되거나내부셀룰로오스가제거되지않으면바이오복합재료성형과정동안매트릭스수지는천연섬유내부로침투해들어갈수없다. 그러므로바이오복합재료의특성을향상시키기위해서복합재료성형공정전에천연섬유에대해표면개질을하는것이필요하다. 천염섬유를개질시키기위해여러가지전처리방법이사용될수있다. 셀룰로오스의결정구조는히드록실구조를화학적관능을지니는물질로치환시킴으로써개선될수있다. 이와같은해결정화과정은치환그룹들이가소제와같은역할을하기때문에셀룰로오스의열가소성을향상시키는데기여한다. 천연섬유의열가소화를통한개질도연구되고있다. 그러나가장일반적인표면처리방법은탈왁스화, 알칼리처리, 실란제처리, 그래프트공중합, 에스테르화반응, 아세틸화반응, 표백등의화학적개질방법이나전자빔처리, 플라즈마및자외선처리같은물리적개질방법을통하여바이오복합재료의섬유-매트릭스사이의계면결합력향상과함께기계적물성의향상을꾀하기도한다. 또한친환경적인방법으로물을사용하여전처리하는방법도소개되고있다. 13 이러한방법들은천연섬유의종류및특성, 사용목적, 효율성, 처리공정성, 공정비용, 공정의환경친화성등을종합적으로고려하여최적의공정조건을설정하는것이바람직하다. 그림 4는천연섬유를사용하여성능이개선된바이오복합재료를디자인하고제조하는데중요한영향을미치는인자인천연섬유표면개질및고분자수지의개질그리고복합재료제조공정에서효율적이고최적인공정조건의선정을통하여시너지효과를얻을수있음을 그림 4. 고성능바이오복합재료의설계. 302 Polymer Science and Technology Vol. 19, No. 4, August 2008

5 그림 5. LDPE-LLDPE/jute 복합재료의 toughness. 그림 7. 폴리프로필렌 /kenaf 복합재료의 stress-strain curve. 그림 6. LDPE-LLDPE/jute 복합재료의충격강도. 도식적으로보여주고있다 년인도의 Adhikari 교수연구팀은 jute 복합재료에관하여다음과같은내용의논문을발표하였다. 21 이연구팀은재활용소재인 milk pouch의물성을향상시키기위해서 LDPE 와 LLDPE 가블렌드되어있는수지를매트릭스수지로함께사용하였다. 보강섬유로는복합재료제조전에알칼리용액으로처리한후결합제 (coupling agent) 를도입한 jute 섬유를사용하였다. 그림 5에나타난바와같이 jute 의함량이증가함에따라복합재료의강인성 (toughness) 이증가하였음을확인할수있다. 재생된 milk pouch/jute 복합재료의경우 jute 함량이 30 wt% 일때, 약 50% 가까운강인성개선효과가나타났다. Jute 섬유의첨가를통하여충격강도도함께향상되었다. Jute 함량이 20 wt% 인재생된 milk pouch/jute 복합재료의경우그림 6 의결과와같이충격강도가거의 100% 가까이향상되었다. 이는알칼리와결합제를활용한 jute 섬유의개질이천연섬유와고분자간의접착력을향상시켰기때문인것으로판단된다. 5. 상용화제의활용 친수성인천연섬유와소수성인고분자수지사이의접착성향상을위해활용되는천연섬유의표면개질방법은매우효과적이지만천연섬유개질에필요한공정설비가요구된다. 상용화제 (compatibilizing agent) 는천연섬유의개질과함께바이오복합재료의물성향상을위 하여사용되고있다. 상용화제는기존의유리섬유와탄소섬유등을고분자수지내에분산시키는기존설비를이용하여천연섬유와함께분산시킬수있다. 그림 7은 1995년 Roger M. Rowell 박사연구팀이연구한 kenaf/ 폴리프로필렌복합재료에대한응력-신장률곡선이다. Kenaf 섬유함량이높아질수록인장강도와인장탄성률모두가크게향상되었다. 특히 maleic anhydride-grafted polypropylene(mapp) 이상용화제로사용될경우아주효과적인물성향상이나타났다. 이로부터친수성인 kenaf 섬유와소수성인폴리프로필렌수지간의접착력향상에 MAPP 가효과적으로기여하였음을확인할수있다 바이오복합재료의연구개발동향 가장먼저바이오복합재료의산업화를시작한유럽에서는 20 세기에들어와환경문제를심각하게인식하기시작하였으며, 이에따라대기, 수질, 토양오염을최소화하는산업형태를추구하게되었다. 바이오복합재료는이러한사회적필요에의하여유럽에서먼저연구되었다. 현재는미국및일본과같은선진국에서상용화연구가활발히진행중이다. 바이오복합재료의선두주자인유럽은자동차재료에적용하여차체의경량화및이산화탄소배출감소에관한실용화연구가진행중이다. 비교적삼림자원이풍부한미국에서는산업체인프라구축, 자동차부품등의연구가진행중이다. 일본에서는유럽, 미국과의바이오복합재료개발을위한국제협동연구가추진중이며, 동시에자동차및전자부품적용에대한연구가진행되고있다. 그외에도인도, 중국, 호주, 브라질, 싱가포르, 말레이시아등천연섬유자원생산국들도바이오복합재료연구에매진하고있다 유럽산ᆞ학ᆞ연공동연구를중심으로바이오복합재료연구를실시하 고분자과학과기술제 19 권 4 호 2008 년 8 월 303

그림 8. 독일다임러크라이슬러사에서실용화연구중인바이오복합재료를채택한자동차부품. 그림 9. North Wood Plastics 사에서폴리프로필렌과천연섬유를혼합하여만든자동차내장재. 고있는유럽은실용화와고기능화에대한연구가주로이루어지고있다. 실용화에대한연구를주로실행하고있는기업체들은바이오복합재료를자동차의내장재와외장재로적용하여고성능바이오복합재료를개발하기위해노력하고있다.

바이오복합재료개발과실용화의선두주자인독일 DLR(the german aerospace center) 에서는현재바이오복합재료를유리섬유강화복합재료가사용되고있는모든분야, 예를들면항공우주및풍력발전을위한풍차날개등대체에너지분야에도적용하기위한연구를수행중에있다.

6 그림 8. 독일다임러크라이슬러사에서실용화연구중인바이오복합재료를채택한자동차부품. 그림 9. North Wood Plastics 사에서폴리프로필렌과천연섬유를혼합하여만든자동차내장재. 고있는유럽은실용화와고기능화에대한연구가주로이루어지고있다. 실용화에대한연구를주로실행하고있는기업체들은바이오복합재료를자동차의내장재와외장재로적용하여고성능바이오복합재료를개발하기위해노력하고있다 특히이중에서프로젝트 ECOFINA ( 는현재고분자재료와함께자동차부품제조에사용되고있는무기충진재혹은무기섬유를천연소재로대체하기위한연구를추진하고있다. 바이오복합재료개발과실용화의선두주자인독일 DLR(the german aerospace center) 에서는현재바이오복합재료를유리섬유강화복합재료가사용되고있는모든분야, 예를들면항공우주및풍력발전을위한풍차날개등대체에너지분야에도적용하기위한연구를수행중에있다. 또한독일자동차회사인다임러크라이슬러사에서는바이오복합재료를그림 8에서보는바와같이승용차의내장재및외장재에실제로적용연구가수행되고있으며버스, 전철등에이를적용하는연구도추진중이다 미국미국에서의바이오복합재료개발연구는국립과학재단 (national science foundation, NSF), 농림부 (united state department of agriculture, U.S.D.A.), 에너지부 (department of energy, DOE), 환경부 (environmental protection agency, E.P.A) 등정부각부처의지원과함께활발하게진행되고있다. 미시간주립대학, 아이오와주립대학, 워싱톤주립대학, 오레곤주립대학, 루이지애나주립대학, 위스콘신대학, 메인대학, 노스캐롤라이나주립대학, 펜실베이니아주립대학, 테네시대학, 델라웨어대학, 미시시피주립대학등많은대학에서바이오복합재료개발과관련된기초및응용연구를수행하고있다. 이들대학에서는단백질을매트릭스로하는바이오복합재료, 목분과천연섬유를보강재로사용한바이오복합재료, 생분해성고분자를매트릭스로하는바이오복합재료등바이오복합재료개발및특성분석과관련된전반적인연구가진행되고있다. USDA Forest Products 연구실등국립연구기관에서바이오복합재료의내구성및생분해성과관련된연구를활발하게진행하고있다. 오웬스코닝사, 노스우드플라스틱사 (North Wood Plastics, Inc.) 등기업체에서는바이오복합재료실용화를위한연구를수행하고있다. 미국에서수행되는바이오복합재료의응용분야는자동차부품소재분야뿐만아니라, 주택내장재, 교량등토목건축산업과기반시설인프라구축등도포함하고있다 ( 그림 9). 41 그림 년발표된 kenaf 를보강재로활용한 Toyota 사의 i-unit concept car. 6.3 아시아아시아에서는주로한국, 일본, 중국, 인도에서연구가진행되고있으며이중에서일본이가장활발하게연구개발과실용화를추진하고있다. 바이오복합재료의실용화에대해서는일본의도요다자동차회사에서는 kenaf와폴리유산 (olylactic acid)(pla) 으로만들어진바이오복합재료를처음으로승용차내장재로적용하였다는보도를 2005년에한바있고, 2007년에는 kenaf 를활용한 i-unit concept 라는 concept car 를전시회에발표한바있다 ( 그림 10). 특히도요다사에서는천연섬유의품질제어와가격경쟁력확보등다양한목적으로동남아시아에자사소유의 kenaf 경작지를운영하여소재개발에필요한 kenaf 섬유를자체공급하고있다. 최근에는일본의 NEC 사에서는휴대용전화기의하우징에 kenaf를적용하였다고보고하였다. 또한일본에서는지역적특성을고려하여대나무섬유를이용한그린복합재료에대한연구개발도여러대학과기업에서큰관심을가지고매우활발하게진행하고있다 ( 표 3). 41 중국은 1980년대중반부터바이오복합재료연구가시작되어 1999 년부터바이오복합재료제조공장이설립되기시작하였으며 2003 년에는중국내에바이오복합재료관련연구가 8개대학과 50여곳의기업체에서이루어지고있다. 중국국가 863 계획 ( 하이테크계획 ) 가운데중요한프로젝트인 목질 ( 木質 ) 기반복합재료선진제조기술 을실시하여목재와합성고분자복합재료, 금속, 무기비금속, 대나무재료, 농작물줄기섬유계면변성및복합기술혁신분야에서많은성과를획득한것으로보고되고있다 Polymer Science and Technology Vol. 19, No. 4, August 2008

7 표 3. 바이오복합재료에대한해외연구개발동향 국가주요기관연구개발내용현황 ᆞ영국 ( 런던대. T.Peijs) ᆞ독일 ( 드레스덴대. B. Kretzschmar) ᆞ복합재료제조를위한마섬유의물성및응용연구 ( 영국 ) ᆞPP/clay 바이오복합재료연구 ( 독일 ) ᆞ이탈리아 ( 페루자대. C.Bernal) ᆞJute-PP 복합재료연구 ( 이탈리아 ) 유럽 ᆞ네덜란드 (TNO Institute of industrial Technology사, S. Fisher) ᆞ천연고분자 / 나노입자 combination( 네덜란드 ) ᆞ벨기에 (Owens Coring Fiberglas 사, J. Ll Thomason) ᆞ스페인, 핀란드, 덴마크등 ᆞ자동차에대한 NFRP(natural fiber reinforced plastics) 응용 ( 벨기에 ) ᆞ미국 USDA(Pobert H. Falk) ᆞ미시간주립대 (L.T. Drzal) ᆞ천연섬유-열가소성바이오복합재료의응용 ( 미국 USDA) ᆞ위스콘신대 (A. Sanadi) ᆞ천연섬유보강복합재료의다양한응용및연구미국 -워싱턴주립대, Ford사 -Furturesoft Technologies Inc. ( 미시간주립대 ) -North Wood Plastic Inc. 외 ᆞ케나프섬유를이용한복합재료응용 ( 위스콘신대 ) ᆞ교토공대 (H.Hamada) ᆞ아키타대 (Y.Kikuchi) ᆞ대나무이용생분해성바이오복합재료연구 일본 ᆞ니혼대 (G. Ben) ᆞ야마구치대 (K. Goda) ᆞ삼나무, 모과나무를이용한생분해성복합재료연구 ᆞ동지사대 (T. Fujii) 기타 ᆞ 인도 (L. A. Pothan) ᆞ 중국 (Madiscn, WI) ᆞ 호주 ( 호주국립대 Kate E. Semple) ᆞ 브라질, 싱가포르, 말레이시아등 ᆞ 바나나섬유를이용한복합재료연구 ᆞ 천연 / 나무섬유복합재료의응용 응용연구, 실용화적용단계 응용연구, 실용화적용단계 용용연구, 실용화타진단게 기초연구 7. 결론환경문제의제기와친환경소재중요성의부각으로 1990 년후반부터다시활성화된천연섬유를활용한바이오복합재료의연구개발은유럽, 미국, 일본을비롯한세계각국의집중적인투자와노력으로급속히발전하고있다. 바이오복합재료에활용되는천연섬유는친수성이며, 헤미셀룰로오스, 리그닌및약간의왁스가포함되어있어알칼리처리와같은섬유의표면개질과정이필요하며, 이를통하여천연섬유-고분자수지의계면특성향상을통한기계적특성향상을도모할수있다. 아울러기존의복합재료의물성에비견할수있는우수한성질의바이오복합재료를제조할수있다. 독일, 영국을중심으로한유럽의여러선진국들은바이오복합재료분야에가장많은관심을가지고선도적인역할을수행하고있다. 우수한천연섬유자원과개발인프라를지니고바이오복합재료개발을시작한미국과캐나다는현재가장광범위한연구기반을구축하고있으며다양한응용연구를진행하고있어향후산업화및응용분야의확대가가장기대되고있는나라이다. 일본도천연섬유와바이오복합재료분야연구에대학, 연구소, 산업체에서많은전문가들이투입되어자동차부품이외에여러다양한응용분야에연구개발에박차를가하고있다. 최근들어이들선진국들은각종천연섬유와함께생분해성고분자수지로이루어진바이오복합재료및바이오플라스틱개발에많은투자와노력을아끼지않고있다. 특히유럽과미국은자국내에서판매되는모든자동차부품소재에생분해성재료의사용을법제화하는등환경규제를통해바이오복합재료의활용을증대시키려하고있다. 이에비하여우리나라에서천연섬유를이용한친환경바이오복합재료에대한이해와인식은선진국수준에비하면매우미비한수준이다. 현재국내에서소수대학과연구소에서기초연구및응용연구를수행하고있다. 또한현재헤드라이닝이나도어트림, 차량내부바닥재등자동차내장분야에일부제조업체가천연섬유를활용한부품을생산하고있으나, 소재의고성능화및외장부품소재와전자부품소재및건축내장재개발을위한연구개발은매우부족한현실이다. 따라서우리나라에서도바이오복합재료에대한연구가더욱활발하게진행되어외국의친환경소재개발기술에견줄수있는연구인프라를구축하고 국내의자동차, 전자및건축용친환경소재개발분야에기여하고수출여건을개선하기위한노력이필요하다고판단된다. 참고문헌 1. A. K. Mohanty, L.T. Drzal, D. Hokens, and M. Misra, Polym. Mater. Sci. Eng., 85, 594 (2001). 2. P. Wambua, J. Ivens, and I. Verpoest, Comp. Sci. Tech., 63, 1259 (2003). 3. S. V. Joshi, L. T. Drzal, A. K. Mohanty, and S. Arora, Composites Part A: Appl. Sci. Manufac., 35, 371 (2004). 4. T. Corbiere-Nicollier, B. G. Laban, L. Lundquist, Y. Leterrier, J. A. E. Manson, and O. Jolliet, Resources, Conservation and Recycling, 33, 267 (2001) th European Conference on Composite Materials, Brugge, Belgium, June 3-7, 2002, ECOFINA: Ecoefficient Technologies and Products Based on Natural Fibre Composites, Debora Puglia, Jerico Biagiotti, and Jose M. Kenny, University of Perugia, Italy. 6. Natural fibers Performance Forum, Copenhagen, 21st-22nd May, 1999; G. S.Thomas(Daimler-Chrysler AG. Stuttgart), Renewable Materials for Automative Applications. 7. U. Riedel and J. Nickel, 7th International Conference on Woodfiber-Plastic Composites, May 7, 2003: Biocomposites State-ofthe-art and Further Perspectives. 8. J. Nickel and U. Riedel, Materialstoday, April, 44 (2003). 9. 6th International Conference on Woodfiber-Plastic Composites, May 14, 2001: Opportunities for natural fibers in plastic composites, Kline & Company, Inc. 10. A. K. Mohanty, M. Misra, and G. Hinrichsen, Macromol. Mater. Eng., 276/277, 1 (2000). 11. L. T. Drzal, A. K. Mohanty, R. Burgueno, and M. Misra, Biobased Structural Composite Materials for Hosing and Infrastructure Applications, Purdue University, NSF Workshop, pp W. Song, D. Weng, 7th International Conference on Woodfiber-Plastic Composites: Wood Fiber and Natural Fiber Plastic Composites in China, 고분자과학과기술제 19 권 4 호 2008 년 8 월 305

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천연섬유와바이오복합재료개발현황 고쉽게구할수있으며농업이지속되는한고갈되지않으므로바이오복합재료에는식물성천연섬유를활용한복합소재를주로사용하고있다. (1) 식물성천연섬유 Figure 1. Carbon neutral cycle. 근지구온난화방지와저탄소녹색성장에초점을둔정책과함께친환경

천연섬유와바이오복합재료개발현황 고쉽게구할수있으며농업이지속되는한고갈되지않으므로바이오복합재료에는식물성천연섬유를활용한복합소재를주로사용하고있다. (1) 식물성천연섬유 Figure 1. Carbon neutral cycle. 근지구온난화방지와저탄소녹색성장에초점을둔정책과함께친환경 천연섬유와바이오복합재료개발현황 1. 서론 최근자연순환적이며지속가능한천연소재를사용하는바이오복합재료는선진국에서이미 10여년전부터관심을가지고꾸준한투자와연구개발을수행해온분야이다. 과거에는화석연료를이용한복합재료들을이용해왔으나최근천연자원의활용과청정환경에대한인식이높아지면서저탄소녹색성장이부각되고있다. 이러한현황속에친환경적인대체소재에대한관심이증가하고있는추세이다. 바이오복합재료