[붙임] 연구결과 개요, 용어설명, 그림설명

[연구결과 개요]

1. 연구배경

마스크 폐기물을 포함한 막대한 양의 폐플라스틱은 소각 및 매립으로 처리되고 있으며, 현재 극히 일부만이 재활용되고 있고 그마저도 생산품의 품질 및 처리가 제한적인 물리적인 방식으로 수행되고 있다. 따라서 탄소중립 및 순환경제 실현을 위해 폐플라스틱을 효과적으로 저감 및 활용함으로써 고품질의 물질을 생산하는 기술이 요구된다. 이러한 측면에서 화학적 재활용을 통해 생산된 저분자의 원료 물질을 생산하고 더 나아가 이를 탄소나노튜브와 같은 고부가가치의 물질로 전환하는 폐플라스틱 업사이클링 기술 개발 및 산업적 구현이 시급하다.

2. 연구내용 

본 연구의 업사이클링 공정은 마스크 폐기물의 열분해로 생성된 메탄, 에틸렌, 프로필렌 등의 탄화수소를 포함하는 혼합 가스를 별도의 분리 과정 없이 화학기상증착 기술을 활용하여 탄소나노튜브를 생산하는 방식으로 진행되었다. 업사이클링 공정과의 비교를 위해, 기존의 탄소나노튜브 생산 방식으로 메탄과 수소를 화학기상 증착 공정에 주입하는 방식으로 진행되었다. 두 공정 모두 동일한 화학기상증착 반응기 및 조건으로 진행되었으며, 고품질 및 고수율의 탄소물질 생산을 위해 용액 연소법을 기반으로 제조된 다공성 촉매를 사용하였다. 마지막으로 염산 처리를 통해 촉매를 제거해서 정제된 탄소나노튜브를 확보하였다. 본 연구에서는 업사이클링 공정 실험 데이터를 기반으로 경제성·환경성 평가를 진행하여 탄소나노튜브 단가와 이산화탄소 배출량을 계산했다. 기존 메탄 기반 탄소나노튜브 생산 공정과의 경제적·환경적 지표 비교를 통해 업사이클링 공정의 타당성을 확인했으며, 재생에너지 전력 수급을 고려한 시나리오 분석을 통해 이산화탄소 배출량 저감에 기여할 수 있는 탄소중립 전략 또한 도출하였다.

3. 기대효과

본 연구는 탄소중립 및 순환경제 실현을 위해 폐플라스틱을 효과적으로 저감 및 활용함으로써 첨단 소재인 탄소나노튜브를 생산하는 기술이 기존의 탄소나노튜브 생산 공정 대비 경제적 환경적 측면에서 경쟁력 있는 결과를 보임을 확인했다. 본 연구 결과는 폐플라스틱 저감, 열분해 산업 성장, CNT 공급 증대를 기여할 수 있으며 더 나아가 반도체, 디스플레이, 배터리 및 등 각종 첨단 산업 발전에 기여할 수 있는 실용적인 기술로 성장할 것으로 기대한다.

[용어설명]

1. 열분해 (Pyrolysis)

무산소 및 고온 조건에서 화합물을 분해하여 두 가지 이상의 새로운 물질을 생산하는 반응으로 플라스틱과 같은 유기 고분자의 열분해는 일반적으로 300 °C 이상에서 수행되며 가스, 오일, 고체 잔여물이 생성된다.

2. 화학기상증착 (Chemical Vapor Deposition, CVD)

화학반응을 이용하는 반도체 공정 중 하나이며, 활성 및 에너지를 가하여 반응성 가스를 분해하여 기판 위에 박막을 증착하는 기술이며, 탄소나노튜브 성장에 주로 사용된다.

3. 탄소나노튜브 (Carbon Nanotube, CNT)

원통형 모양의 나노 구조를 가지는 탄소 동소체로 열적, 전기적, 기계적 특성이 우수하여 전도성 소재, 자동차 부품, 배터리 도전재 등으로 사용된다.

[붙임. 그림설명]

그림1. (a) 마스크 폐기물로부터 탄소나노튜브를 생산하는 업사이클링 공정과 (b) 메탄 기반 탄소나노튜브 생산 공정의 전반적인 흐름을 나타내는 도식도

그림2. 마스크 폐기물 활용 탄소나노튜브 생산 공정 (Upcycling process) 과 메탄 기반 탄소나노튜브 생산 공정 (Conventional process) 경제성 평가 결과