파나소닉이 70% 고농도의 CeF 성형 재료를 구현! 수지 사용량 절감을 목표로..

친환경 소재 개발을 추진하는 파나소닉

지속 가능한 제조의 실현을 위해서 플라스틱 대체 소재에 대한 기대가 높아지고 있다.

세계적으로 보면 플라스틱 소비량은 지금도 계속 증가하고 있어 재활용율 저조,해양 플라스틱 쓰레기의 증가는 세계가 대응해야 할 과제로서 인식되고 있다.

이러한 가운데 파나소닉 제조 혁신 본부에서는 2015년부터 서큘러 이코노미(순환형 경제)에 대응하는 환경 소재 개발의 대응을 추진.

2019년 7월에는 업계 최초로 셀룰로오스 파이버(CeF: Cellulose Fiber)를 55%이상 수지에 혼합하는 복합가공기술과 유백색의 성형재료의 생성을 가능하게 하는 혼련기술에 성공적으로 개발했다.

셀룰로오스 화이버는 간벌재 등의 목재에서 얻어진 섬유(펄프)를 미세화한 바이오매스 소재로 알려져 가볍고 견고해 수지 보강용 섬유로서의 이용이 기대되고 있다.

파나소닉은 이 셀룰로오스 파이버에 주목하여 에코머티리얼 개발을 계속해서 진행하고 있어 이번에 새로운 셀룰로오스 파이버를 70%의 고농도로 수지와 복합화하는 기술을 개발했다 (2021년 2월 발표).

파나소닉의 친환경 머티리얼 개발 방향

"70% 유동 타입"과 "70% 고강성 타입" 실현

2019년 7월 목재로부터 얻은 섬유를 미세화하는 해섬(해섬)처리에서 물을 사용하지 않는 전건식 제조법을 고안해 55% 이상 수지에 셀룰로오스 화이버를 혼합할 수 있는 복합가공기술을 확립한적 있는데, 이번 기술에서 더 높은 고농도 첨가를 실현한 것이다.

파나소닉의 셀룰로오스 파이버 수지(셀룰로오스 파이버 성형 재료)는 수지(현상:폴리프로필렌)와 첨가제에, 셀룰로오스 파이버를 혼합하는(복합하는) 것으로 만들어져 유백색의 펠렛으로서 제조하는 것이 가능하다.

기본적으로 셀룰로오스 화이버의 고농도 첨가 실현과 성형 재료로서의 유동성 담보는 트레이드오프의 관계에 있기 때문에 2019년 7월 시점에서도 70%로 고농도화만 하면 실현할 수 있었지만 재료의 유동성이라는 점에서 과제가 남아 있었다고 한다.

파나소닉 제조 혁신본부 매뉴팩처링 솔루션 센터 재료·디바이스 기술부 주임기사 하마베 마사시 씨는 '업계 최초가 되는 셀룰로오스 파이버 55%의 고농도화 기술을 2019년 7월에 발표한 이래, 새로운 셀룰로오스 파이버의 고농도 첨가를 향한 개발을 진행시키는 가운데, 과제였던 성형 재료의 유동성을 개선하는 데 성공해서 이번엔 '70%유동타입'과 '70%고강성타입'에 성공했다고 말한다.

70% 농도 셀룰로오스 파이버 성형 재료 개발 요점

기존 과제를 해결하고 셀룰로오스 파이버를 70% 첨가한 2종류의 성형 재료를 실현할 수 있었던 포인트로는 재료(수지/첨가제), 혼련 프로세스, 성형 프로세스의 최적화를 들 수 있다.

'예를 들면, 사용하는 첨가제나 섬유 형상등을 각각 컨트롤 하는 것으로, 셀룰로오스 파이버를 70%첨가 하면서 고유동, 혹은 고강성의 특성을 가진 성형 재료를 실현할 수 있었다'(하마베씨)

'70%고유동 타입'은 일용품이나 가전등의 케이스에 적용 가능하고, 약 1 mm의 박막 성형도 가능하다.

한편, '70%고강성 타입'은 차재 기구 부재 등에 적용 가능한 9 GPa의 굽힘 강성을 달성하고 있다.

셀룰로오스 파이버 70%의 고농도 첨가는 단순히 바이오매스(식물 유래)도가 향상됐을 뿐 아니라 가볍고 강한 보강용 섬유로서의 기능성을 더욱 높여 9GPa의 굽힘 강성 실현에 크게 기여하고 있다고 한다.

70% 농도 셀룰로오스 파이버 성형 재료를 이용한 박육 성형에 대하여(왼쪽이 기존 기술로 70% 농도를 실현한 경우)

금형 및 성형 시의 연구로 독자적인
감촉과 질감을 높일 수 있음

또한 셀룰로오스 파이버 55%의 고농도화에 이어서 셀룰로오스 파이버 70%에서도 유백색 펠릿으로 성형 재료를 제조할 수 있다는 점도 다른 데 없는 큰 차별화 포인트라고 한다.

'일반적으로 혼련 프로세스나 성형 프로세스에서 열을 너무 주면 갈변화해 깨끗한 흰색을 낼 수 없게 된다.

셀룰로오스 파이버 70%에서도 흰색을 제대로 낼 수 있다는 점은 매우 특징적이라고 할 수 있다.

여기에서 옛부터 수지 성형 기술이나 금형 기술에 임해 온 파나소닉의 강점이 활용되고 있다'(하마베씨).

덧붙여 셀룰로오스 파이버가 고농도로 첨가된 수지 재료로 사출 성형 하는 경우, 종래의 금형에서도 대응 가능하다고 하지만 전용의 금형을 이용하는 것이 보다 디자인성이 높고, 강도를 낼 수 있는 성형품을 제조할 수 있다고 한다.

'종래의 수지와는 달리, 목질 섬유를 많이 포함한 재료가 되기 때문에, 유동성을 담보해, 특성이나 외견의 질을 높이는데 있어서는 금형상의 보완이 아무래도 필요하다'라고, 파나소닉의 제조혁신(monew factureing) 본부 성형 기술개발 센터 선행 성형 기술개발부 부장 키리츠 츠요시씨는 설명한다.

일용품이나 가전 외에 차재기구 부재에 대한 적용 검토도 진행된다

이번에 셀룰로오스 파이버 70%의 고농도 첨가에 성공함으로써 바이오매스도를 높이고 기존 수지 재료와 마찬가지로 사출성형을 할 수 있어 도장처리와 절삭 등 추가 가공도 할 수 있는 플라스틱 대체소재로의 기대가 높아진다.

실제, 거래 건수는 계속 증가하고 있어서 '이미 양산품에의 적용 실적이 있는 일용품이나 가전 등에 가세해, '70%고강성 타입'의 구현으로 차재 기구 부재에의 적용 검토가 진행되고 있다.

특히 자동차 업계에서는 유리 섬유 등으로 보강한 수지 부품이 많이 사용되고 있어 재활용성이라는 관점에서도 그 대체 재료로 셀룰로오스 화이버에 대한 관심이 높아지고 있다.

그 이외에도, 복식이나 음료·식품 관계 등, 폭넓은 업종/업계로부터의 거래 문의가 매우 증가하고 있는 상황이다」(키리쯔씨)

한편, 발전도상중의 신재료라고 하는 측면도 있기 때문에 종래의 수지 재료에 비해서 재료 코스트의 면에서는 아직 충분히 우위성을 발휘할 수 있다고는 단언할 수 없다.

이 점에 대해서, 키리츠씨는 '향후에 채용 케이스가 증가해 수요 볼륨이 나오게 되면, 재료 코스트도 익숙해질 것이다.

또한, 셀룰로오스 파이버의 고농도화에 의한 강성의 향상을 살려 동일 부품을 그대로 옮겨 두는 것이 아니라, 부품 형상을 박육화하는 등 재료의 사용량을 줄여, 코스트 삭감으로 연결한다고 하는 방향성도 생각할 수 있다'라는 견해를 나타낸다.

파나소닉은 향후, 셀룰로오스 파이버 85%첨가라고 하는 더욱 고농도화 하거나 폐재의 활용 등에 임하는 것과 함께 사용하는 수지를 석유 유래의 물건에서 식물 유래의 것으로 치환하는 것으로, 100%천연 유래의 셀룰로오스 파이버 성형 재료의 실현을 목표로 한다고 하고 있다.

식물폐재를 활용한 70% 농도 박육성형의 샘플.왼쪽부터 셀룰로오스 파이버, 편백나무, 보리, 커피

향후의 전망에 대해서, 하마베씨는 '수지 재료가 사용되고 있는 모든 영역에, 우리의 고농도 셀룰로오스 파이버 성형 재료가 들어갈 수 있도록, 한층 더 개발을 진행시켜 나가고 싶다'라고 말한다.

키리쯔씨는 '현재, 파나소닉에서는 연간 수십만 톤의 석유 유래 수지를 사용하고 있다.장기적으로 이들 모두를 셀룰로오스 파이버로 대체할 수 있다면 전 세계의 수지 치환도 가능해지지 않을까.그러한 높은 모티베이션으로 개발에 임해 간다'라고 말한다.



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