Hot Tech는 기술을 선도하는 혁신기업으로부터 듣는 최신 기술동향입니다.
▲ 김광대 연구소장
신우산업(주)
기술의 배경
유류 유출사고로 인한 환경 및 수자원 피해는 세계적으로 심각한 문제로 대두되고 있다.
해수 오염의 가장 큰 원인으로는 유조선의 석유 유출을 들 수 있으며, 대형 화물선 또는 여객선은 다량의 연료를 적재·충전시, 해양에서 불의의 사고가 발생되는 경우 다양한 종류의 유류가 유출되어 심각한 해양오염을 초래하고 있다.
유류 중 비중과 점도가 높은 비휘발성 성분은 모래 등의 토양에 축적되어 생태 또는 환경의 피해를 증가시키는 요인으로 작용하므로 하천에 유류가 유입되는 것을 방지하고, 유입시 조기에 유류의 확산을 방지하는 것이 중요하다.
하천 등 개방된 물에 배출된 유류는 수면에 피막을 형성하여, 하천수 내로 투과되는 햇빛의 양을 감소시키고, 산소가 물로 용해되는 것을 차단하여 수중에 서식하고 있는 수초 및 어류 등의 생존에 악영향을 미치게 된다.
국내에서는 매년 200건 이상의 해양 유류사고가 빈번히 발생되며, 5년 동안 연평균 약 670㎘의 방대한 양의 유류가 유출되는 실정이다.
특히 2007년도 12월 충남 태안군에서 발생한 해양 사고는 12,547㎘(10,900톤)의 원유 유출로 인해 7,341억 원의 막대한 재산피해가 발생하였으며, 이때 사용된 해양복원 사업비용만 3,293억 원에 달한다.
기술개발의 필요성
유흡착재는 유류 유출 방제를 위해 광범위하게 사용되고 있으며, 물을 배제하고 기름을 끌어당기는 성질인 친유성 혹은 발수성 소재를 사용한다.
상용화되고 있는 유흡착재의 경우 대부분 비중이 물보다 낮은 폴리프로필렌(PP, Polypropylene) 소재를 사용하고 있으며, 멜트블로운(Melt Blown)법을 이용하여 PP원료를 녹여 제조하게 된다.
노즐을 통해 방사된 마이크로미터(㎛) 수준의 미세 섬유들은 거미줄과 같은 구조를 형성하게 된다. 멜트블로운 기술은 원천 기술의 보유로 독점적인 성격이 강해 고가로 판매되고 있다.
또한, 이와 같은 방법으로 제조된 유흡착재 제품은 기공도가 낮고, 물의 흡수가 일어나기 때문에 유류 유출 현장에 적용했을 때 성능을 제대로 발휘하지 못하는 한계를 가진다.
이로 인해 방제작업시 유흡착재의 과다 사용을 초래하며, 회수된 유흡착재의 폐기에 대한 비용 부담이 생김에 따라 방제비용을 증가시키는 요인으로 작용한다.
이를 극복하기 위해서는 유류를 효율적으로 제거할 수 있는 소재를 선정해야 할 뿐만 아니라 물에 대한 저항력을 향상시키기 위한 표면처리 기술이 핵심 기술로 부각되고 있다.
국내에서 사용되는 대부분의 방제 제품 및 장비들은 수입 의존도가 높으며, 국내의 기술개발 투자가 거의 없어 그 수준이 매우 미약한 실정이다.
기술 상세 내용
기상증착법을 이용한 발수코팅 기술
기상증착법을 이용하면 실리카 및 탄소 소재, 그 외 세라믹 재질 등과 같은 다양한 소재에 발수코팅이 가능하기 때문에 응용범위가 넓은 기술이다.
본 기술은 발수성을 가지는 전구체 물질을 증기화시켜 소재 내부로 스며들어가기 때문에 표면에 수나노(㎚) 수준의 일정한 두께의 코팅막이 균일하게 형성되고, 재현성 있는 코팅 성능을 보이는 것이 특징이다.
발수코팅 전후 분말을 채취하여 유리용기에 물과 분말을 담아 물에 대한 분산성을 확인함으로써 코팅 유무를 간단히 확인할 수 있으며, 발수코팅 후에는 분말이 물에 침강하지 않고 수면 위에 부유하는 것을 볼 수 있다.
초발수 표면을 구현한 커버 제조
발수코팅 된 분말과 접착 용액을 이용하여 제조된 발수 용액에 유흡착재의 내부 소재를 감싸는 커버 소재를 침지법으로 제작하였다.
제조된 커버 소재는 물과 기름이 혼재되어 있는 환경(유류 유출시)에서 유흡착재 내부로 물이 침투해 들어오는 것을 막는 동시에 유류만 선택적으로 통과시키는 분리막의 역할을 하게 된다.
그림 3에서 볼 수 있듯이 파란색으로 착색된 물을 커버에 부었을 때 코팅 전에는 물에 의해 완전히 젖었던 커버가 물에 전혀 젖지 않고 물방울을 형성하여 그대로 흘러가는 것을 확인할 수 있다.
이러한 현상을 연꽃잎 효과(Lotus effect)라고 한다.
연꽃잎 표면은 마이크로-나노 크기의 미세한 돌기들로 이루어져 있으며, 표면은 소수성의 유층으로 덮여 있어 초발수성 표면을 이루고 있다.
본 기술로 발수코팅 된 분말 입자를 통해 커버 소재 표면에 연꽃잎과 같은 이중 거칠기의 모사 구조가 형성되기 때문에 물을 극도로 싫어하는 초발수성 표면을 모사할 수 있게 된다.
발수 성능을 평가하기 위해 개발 제품의 커버 소재와 기존 제품의 일부를 취하여 물접촉각을 측정하였다.
물접촉각 측정 결과, 각각 165.5°, 139.2° 수치를 보였으며, 개발 제품의 경우에는 160° 이상의 초발수 표면을 나타내는 반면, 타사 제품의 경우 140° 미만의 낮은 수치를 보인다.
이와 같은 결과를 통해 개발 제품이 기존 제품에 비해 발수성이 월등히 뛰어남을 확인하였으며, 유흡착재의 소재로 사용하였을 때 물을 완전히 배제하여 내부흡유소재의 성능을 극대화할 수 있게 된다.
고성능 유흡착재 제조
본 기술로 제조된 제품은 섬유 사이의 빈 공간을 최대한 활용함으로써 다량의 기름을 흡유할 수 있도록 제작되었다.
해양경찰청 고시 “해양오염방제 자재·약제의 성능시험기준 및 검정기준”(공인시험기관: 한국기계전기전자시험연구원, KTC)에 의거하여 흡유성능을 평가하였을 때 벙커B유의 경우 28.2g/g(2.92g/㎤)의 높은 흡유력을 보이며, 흡수력은 “0.0g/g(0.00g/㎤)”으로 물을 전혀 흡수하지 않는다.
다양한 유류에 적용했을 때에도 기존 제품에 비해 성능이 월등함을 보여준다.
기술의 차별성
본 기술로 제조된 유흡착재는 내부의 고기공성 섬유 소재를 발수커버로 감싸는 구조이다.
기상증착법을 통해 발수코팅 된 분말 입자를 유흡착재 커버 소재에 균일하게 부착시켜 160° 이상의 물접촉각 초발수 표면을 구현함으로써 유흡착재의 물에 대한 저항성을 극대화시켰다.
본 기술을 적용하여 방제 작업시 내부 섬유소재 쪽으로 물이 침투해 들어와 유흡착재 본연의 성능을 떨어뜨리는 현상을 막음으로써, 효율적으로 기름만 제거할 수 있도록 보안되었다.
즉, 내부에 사용되는 고기공성 섬유들 사이의 공간을 최대한 활용함으로써 다량의 기름을 흡유할 수 있게 되어 기존 제품(흡유량 10~15g/g)에 비해 약 1.5~2배 이상의 높은 흡유력을 갖게 된다. 해양 및 하천뿐만 아니라 다양한 환경에 적용하기 위해서는 화학적 안정성이 중요하다.
본 기술을 통해 제조된 유흡착재의 경우 강산 및 강염기 조건(pH 2~12)에서 흡유 소재를 보호하는 커버 소재가 높은 화학적 안전성을 보임에 따라 산염기를 사용하는 공장 등과 같은 특수한 환경에서의 적용 가능성을 확인하였다.
기술의 파급효과
본 기술개발을 통해 제조된 유흡착재는 해외 제품에 비해 고성능을 보이기 때문에 이에 따른 수입대체 효과가 가능할 것으로 기대되며, 순수 국내 기술로 개발된 제품이기 때문에 내수 시장으로의 파급효과가 클 것으로 전망하고 있다.
또한 기존 제품의 가격 대비 성능이 높기 때문에 방제비용의 절감 효과를 기대해 볼 수 있다.
현재, 유흡착재는 해양 및 하천에서의 유류 방제 목적으로 주로 사용되고 있지만, 연구개발이 활발해짐에 따라 점차적으로 공장 및 유류 제조업체 내에서의 유류 유출을 방지/예방할 수 있는 산업 위생용 제품으로 응용범위가 확대될 것으로 기대한다.
또한 기존 제품에 비해 발수코팅 막에 대한 화학적 안정성 및 발수 성능이 뛰어나기 때문에 화학적 안정성/발수성/섬유 소재 등의 기능이 요구되는 특수 분야로의 적용 확대가 가능해질 것으로 예상된다.
최근 섬유 소재 표면에 발수코팅을 적용하는 기술에 대한 관심이 증대됨에 따라, 아웃도어 및 캠핑 제품(텐트 등) 등과 같은 발수성을 요구하는 섬유 시장으로의 진입이 가능할 것으로 사료된다.