출처: Andreas Wiese/Messe Düsseldorf
독일 뒤셀도르프에서 개최되는 K 박람회는 플라스틱뿐만 아니라 고무 산업 분야에서도 세계적으로 가장 중요한 무역 박람회다. 지속가능성과 자원 절약은 이곳에서도 누구도 외면할 수 없는 핵심 과제이다. 이는 K 2025 개최를 앞두고 '친환경' 응용 분야에서 고무가 얼마나 중요한 역할을 하는지 조명해야 할 또 다른 이유이기도 하다.
슈테판 알부스 박사 (Dr. Stefan Albus)
기후 변화로 인해 우리 사회는 전례 없는 도전에 직면해 있다. 180여 년 전 발명된 소재인 고무가 과연 이러한 시대에도 여전히 중요한 역할을 할 수 있을까?
지열 에너지
물론이다. 특히 최첨단 합성 고무로 만들어진 소재들이 이러한 분야에서 두각을 나타내고 있다. 그중 하나가 바로 지구 심층부의 열을 회수하는 지열 에너지 분야다. 지열 시추공은 깊이가 1,000미터에서 최대 3,000미터에 달하기도 한다. 이 과정에서 약 1미터 길이의 '패커(packer)'라는 다운홀 장치가 사용되는데, 이는 유정 케이싱과 드릴링 튜브 사이의 공간을 밀봉하는 역할을 하며 내열성 고무 등으로 구성된다. 패커로 격리된 공간에서는 온도나 압력 측정 등이 이루어진다.
지열 프로젝트뿐만 아니라 원유 추출과 같은 심층 시추 작업에서는 고무로 내부를 마감한 고정자 하우징 내부에 나선형 회전자를 갖춘 엔진이 사용된다. 여기에 사용되는 고무 부품들은 니트릴 부타디엔 고무(NBR), 고내성 NBR(NBR-HR), 수소화 니트릴 부타디엔 고무(HNBR)는 물론, 온도 프로파일과 플러싱 액체의 공격성에 따라 극도의 내화학성을 지닌 불소탄성체에 이르기까지 첨단 고무 응용 기술의 총집합이라 할 수 있다.
천연가스 추출
심층 시추 이야기가 나온 김에 덧붙이자면, 천연가스는 여전히 상대적으로 CO2 배출이 적은 에너지 생산을 위한 과도기적 연료로 간주된다. 현재 독일은 미국으로부터 많은 양의 천연가스를 공급받고 있으며, 미국 내 천연가스의 약 88%는 프래킹(fracking) 기술을 통해 생산된다.
이러한 응용 분야에 필요한 부품에는 암석에 갇힌 가스를 방출하기 위해 주입되는 공격적인 액체와의 접촉에도 견딜 수 있는 초고성능 호스가 포함된다. 내부 층은 내산성 합성 고무로, 외부 층은 내마모성과 내노화성이 우수한 고무 등급으로 구성된 다층 제품이 선호된다.
천연가스 추출 시 우려되는 위험 중 하나는 '블로우아웃(blowout)'으로 알려진, 가스 저장층으로부터 통제되지 않고 격렬하게 가스가 분출되는 현상이다. 이는 소위 블로우아웃 방지 장치(BOP), 즉 황화수소 및 부식성, 마모성 매체와의 접촉에도 견디는 극도로 견고한 고무 씰의 도움으로 예방된다. 이 씰은 매우 고가이므로 그에 상응하는 내구성이 요구되며, 이것이 HNBR이 선호되는 이유다.
바이오가스와 수소
2021년 기준, 독일 전체 농경지의 약 9%가 바이오가스 생산을 위한 재생 가능 원료 생산에 사용되었다.
그러나 바이오가스에는 연료인 메탄뿐만 아니라 황화수소, 암모니아와 같은 부식성 성분도 포함되어 있다. 이 때문에 바이오가스 생산 설비에는 EPDM 멤브레인(에틸렌-프로필렌-디엔-고무)과 같은 소재가 OVC 코팅 폴리에스터 직물로 만들어진 이중 멤브레인과 같은 경쟁 제품들과 함께 사용된다. 두 소재 모두 장단점이 있지만, EPDM 고무는 유연성이 뛰어나고 재활용이 용이하다는 장점이 있다.
지금까지 설명한 고도로 발전된 고무 소재의 역할이 다소 "전통적인" 접근 방식으로 해결될 수 있는 반면, 수소 분야는 훨씬 까다롭다. 수소는 상압에서 극저온 상태에서만 액화된다. 따라서 미래 수소 경제를 위한 밀봉재는 광범위한 온도 범위(-40 ~ +80°C 이상)를 커버하도록 설계되어야 하며, 높은 압력도 견뎌야 한다.
문제는 비극성 H2 분자가 기존 밀봉재를 투과하여 손상시킬 수 있다는 점이다. 수소가 밀봉재에 점진적으로 축적되면 밀봉 개스킷을 파괴하는 폭발성 감압이 발생할 수 있다. 이러한 밀봉 개스킷은 전기분해, 밸브 또는 멤브레인, 탱크 및 파이프라인을 통한 운송, 그리고 물론 연료 전지 등 수소 경제 전반에 걸쳐 시급히 필요하다.
실제로 효과적인 H2 기밀 고무 씰은 여전히 연구 주제로 남아있다. 기밀성이 우수한 고무 등급과 수소 팽창 및 투과를 방해하는 충전재의 스마트한 조합을 통해 어느 정도 진전이 이루어질 수 있을 것으로 보인다. 기본 엘라스토머로는 이미 비교적 기밀성이 높은 부틸 고무 또는 불소 고무가 적합하며, 층상 규산염이나 흑연과 같은 판상 형태의 첨가제가 가스 투과성을 추가로 줄이는 데 도움이 될 수 있다.
수소 운송을 용이하게 하기 위해 최근에는 NH3(실온에서 기체인 암모니아)와 같이 액화 및 저장이 더 쉬운 대체 운반 매체도 논의되고 있다. 이 응용 분야 역시 저온 및 특히 내알칼리성 고성능 고무가 필요하다.
물론 수소는 이미 연료 전지에서 매우 안정적으로 그 목적을 수행하고 있다. 그러나 연료 전지를 위한 "만능" 밀봉재는 존재하지 않는다. 알칼리성 및 인산 연료 전지, 고분자 전해질 및 고온 연료 전지 등 다양한 종류의 연료 전지가 존재하기 때문이다. 여기에서도 특수 충전재 함량이 높은 엘라스토머 결합 밀봉재가 이미 밀봉 작업에 사용되고 있다.
풍력 발전
풍력 터빈은 점점 더 높아지고 있다. 오늘날에는 로터 직경이 150~220m에 달하며 10MW 이상의 정격 출력을 달성할 수 있다.
이러한 응용 분야에서는 해상 위치, 자외선, 오존(전기 장비 주변에 흔히 존재), 염수 및 급격한 온도 변화 등 모든 요소가 여기에 사용되는 탄성 재료에 높은 요구 사항을 부과한다. 게다가 화재가 발생한 나셀은 사실상 진화가 불가능하기 때문에 최고의 내염성이 요구된다.
나셀에는 발전기의 진동 절연 및 탄성 베어링을 위한 부품이 포함된다. 로터 블레이드와 허브 연결부에는 고무 완충 장치가 있어 힘을 흡수하고 진동을 최소화하며 소음도 줄이는 데 도움을 준다.
풍력 터빈에 사용되는 수백 킬로그램의 엘라스토머 소재 중에는 내후성 및 내오존성이 떨어지는 천연 고무는 거의 찾아볼 수 없다. 대신 NBR이 전체 고무 회전축에 선호되는 옵션이다. 레이디얼 샤프트 개스킷에서는 오존에 강한 HNBR도 자주 발견되는데, 이는 단기적으로는 170°C의 고온도 견딜 수 있다. 적절한 보강을 통해 HNBR은 대구경 베어링에도 사용할 수 있으며, 내유성 덕분에 그리스 윤활 주 베어링에도 사용 가능하다.
해상 풍력 발전 단지에서 전력을 전송하는 케이블은 매우 뜨거워질 수 있다. 이 때문에 HNBR 외에도 EPDM과 같이 내열성이 더 높은 고무 소재가 필요하다.
그리고 잊지 말아야 할 것은, 고무는 이러한 시스템 운영에만 필요한 것이 아니라 유리 섬유 강화 부품으로 로터를 제조하는 과정에서 실리콘, 부틸 또는 EPDM 고무 섹션 형태로 이미 필요하다는 점이다.
태양광 시스템
태양광(PV) 시스템 역시 모듈을 정렬하고 물의 침투를 방지하는 밀봉 개스킷이 필요하다. 예를 들어, 여러 PV 모듈 사이의 간격을 유지하는 수직 밀봉 개스킷은 실리콘 고무 또는 내후성 EPDM으로 만들어진다.
그러나 핵심적인 밀봉 작업은 주로 다른 재료에 의해 수행된다. 태양광 모듈은 종종 에틸렌-비닐-아세테이트(EVA) 필름으로 캡슐화된다. 이 과정에서 태양광 모듈은 이 재료의 두 층으로 캡슐화되며, 필름이 녹으면 셀을 완벽하게 감싼다. EVA는 투광성이 뛰어나고 내후성이 있으며 넓은 가공 범위를 자랑한다. 고전적인 엘라스토머는 아니지만 EVA 함량에 따라 충분히 "엘라스토머 유사" 재료로 간주될 수 있다. 화석 연료 기반 EVA 필름을 바이오 기반 "사탕수수 에틸렌"이 일부 포함된 대체재로 교체하려는 시도도 있다.
오늘날 세련된 평지붕에 태양광 패널이 제자리에 고정되도록 설치업체는 EPDM 매트를 즐겨 사용한다. 이는 미끄러운 바닥에서 추가적인 지지력을 제공하고 시간이 지남에 따라 모듈이 움직이는 것을 방지한다.
건물에 대해 말하자면, 히트 펌프 역시 고무 없이는 거의 작동할 수 없다. 그러나 이 응용 분야에는 저온에서도 충분히 유연한 (내후성) 밀봉 개스킷과 호스가 필요하며, 원치 않는 펌프 진동을 줄이는 진동 감쇠 고무 매트도 필요하다.
고무, 에너지 전환의 숨은 주역
결론적으로 고무는 결코 '구시대적' 소재가 아니다. 고성능 고무 등급 없이는 에너지 전환과 기후 변화 대응은 불가능할 것이다.
K 2025에서는 '러버스트리트(Rubberstreet)'가 다시 한번 엘라스토머 산업의 혁신성과 운영 우수성을 선보이는 장이 될 것이다. 러버스트리트는 1983년부터 K 박람회에서 엘라스토머(고무 및 TPE)에 대한 정보를 찾는 모든 이들을 위한 첫 번째 접점이자 이정표 역할을 해왔다. 러버스트리트는 독일고무산업협회(wdk)의 후원으로 운영된다.
필자 소개:
슈테판 알부스 박사(Dr. Stefan Albus)는 화학 박사이자 프리랜서 산업 전문 기자이다. 그의 주요 관심 분야는 고분자 화학 및 플라스틱·고무 응용 기술이다.
K 뒤셀도르프 박람회 소개:
K 박람회는 1952년 메세 뒤셀도르프(Messe Düsseldorf)에 의해 처음 개최되었으며 3년 주기로 열린다. 가장 최근인 2022년 K 박람회에는 59개국 3,020개 전시업체가 177,000m² 이상의 순 전시면적에 참가했으며, 177,486명의 무역 방문객 중 71%가 해외 방문객이었다. 자세한 정보는 (https://www.k-online.com)에서 확인할 수 있다.
출처: Andreas Wiese/Messe Düsseldorf
독일 뒤셀도르프에서 개최되는 K 박람회는 플라스틱뿐만 아니라 고무 산업 분야에서도 세계적으로 가장 중요한 무역 박람회다. 지속가능성과 자원 절약은 이곳에서도 누구도 외면할 수 없는 핵심 과제이다. 이는 K 2025 개최를 앞두고 '친환경' 응용 분야에서 고무가 얼마나 중요한 역할을 하는지 조명해야 할 또 다른 이유이기도 하다.
슈테판 알부스 박사 (Dr. Stefan Albus)
기후 변화로 인해 우리 사회는 전례 없는 도전에 직면해 있다. 180여 년 전 발명된 소재인 고무가 과연 이러한 시대에도 여전히 중요한 역할을 할 수 있을까?
지열 에너지
물론이다. 특히 최첨단 합성 고무로 만들어진 소재들이 이러한 분야에서 두각을 나타내고 있다. 그중 하나가 바로 지구 심층부의 열을 회수하는 지열 에너지 분야다. 지열 시추공은 깊이가 1,000미터에서 최대 3,000미터에 달하기도 한다. 이 과정에서 약 1미터 길이의 '패커(packer)'라는 다운홀 장치가 사용되는데, 이는 유정 케이싱과 드릴링 튜브 사이의 공간을 밀봉하는 역할을 하며 내열성 고무 등으로 구성된다. 패커로 격리된 공간에서는 온도나 압력 측정 등이 이루어진다.
지열 프로젝트뿐만 아니라 원유 추출과 같은 심층 시추 작업에서는 고무로 내부를 마감한 고정자 하우징 내부에 나선형 회전자를 갖춘 엔진이 사용된다. 여기에 사용되는 고무 부품들은 니트릴 부타디엔 고무(NBR), 고내성 NBR(NBR-HR), 수소화 니트릴 부타디엔 고무(HNBR)는 물론, 온도 프로파일과 플러싱 액체의 공격성에 따라 극도의 내화학성을 지닌 불소탄성체에 이르기까지 첨단 고무 응용 기술의 총집합이라 할 수 있다.
천연가스 추출
심층 시추 이야기가 나온 김에 덧붙이자면, 천연가스는 여전히 상대적으로 CO2 배출이 적은 에너지 생산을 위한 과도기적 연료로 간주된다. 현재 독일은 미국으로부터 많은 양의 천연가스를 공급받고 있으며, 미국 내 천연가스의 약 88%는 프래킹(fracking) 기술을 통해 생산된다.
이러한 응용 분야에 필요한 부품에는 암석에 갇힌 가스를 방출하기 위해 주입되는 공격적인 액체와의 접촉에도 견딜 수 있는 초고성능 호스가 포함된다. 내부 층은 내산성 합성 고무로, 외부 층은 내마모성과 내노화성이 우수한 고무 등급으로 구성된 다층 제품이 선호된다.
천연가스 추출 시 우려되는 위험 중 하나는 '블로우아웃(blowout)'으로 알려진, 가스 저장층으로부터 통제되지 않고 격렬하게 가스가 분출되는 현상이다. 이는 소위 블로우아웃 방지 장치(BOP), 즉 황화수소 및 부식성, 마모성 매체와의 접촉에도 견디는 극도로 견고한 고무 씰의 도움으로 예방된다. 이 씰은 매우 고가이므로 그에 상응하는 내구성이 요구되며, 이것이 HNBR이 선호되는 이유다.
바이오가스와 수소
2021년 기준, 독일 전체 농경지의 약 9%가 바이오가스 생산을 위한 재생 가능 원료 생산에 사용되었다.
그러나 바이오가스에는 연료인 메탄뿐만 아니라 황화수소, 암모니아와 같은 부식성 성분도 포함되어 있다. 이 때문에 바이오가스 생산 설비에는 EPDM 멤브레인(에틸렌-프로필렌-디엔-고무)과 같은 소재가 OVC 코팅 폴리에스터 직물로 만들어진 이중 멤브레인과 같은 경쟁 제품들과 함께 사용된다. 두 소재 모두 장단점이 있지만, EPDM 고무는 유연성이 뛰어나고 재활용이 용이하다는 장점이 있다.
지금까지 설명한 고도로 발전된 고무 소재의 역할이 다소 "전통적인" 접근 방식으로 해결될 수 있는 반면, 수소 분야는 훨씬 까다롭다. 수소는 상압에서 극저온 상태에서만 액화된다. 따라서 미래 수소 경제를 위한 밀봉재는 광범위한 온도 범위(-40 ~ +80°C 이상)를 커버하도록 설계되어야 하며, 높은 압력도 견뎌야 한다.
문제는 비극성 H2 분자가 기존 밀봉재를 투과하여 손상시킬 수 있다는 점이다. 수소가 밀봉재에 점진적으로 축적되면 밀봉 개스킷을 파괴하는 폭발성 감압이 발생할 수 있다. 이러한 밀봉 개스킷은 전기분해, 밸브 또는 멤브레인, 탱크 및 파이프라인을 통한 운송, 그리고 물론 연료 전지 등 수소 경제 전반에 걸쳐 시급히 필요하다.
실제로 효과적인 H2 기밀 고무 씰은 여전히 연구 주제로 남아있다. 기밀성이 우수한 고무 등급과 수소 팽창 및 투과를 방해하는 충전재의 스마트한 조합을 통해 어느 정도 진전이 이루어질 수 있을 것으로 보인다. 기본 엘라스토머로는 이미 비교적 기밀성이 높은 부틸 고무 또는 불소 고무가 적합하며, 층상 규산염이나 흑연과 같은 판상 형태의 첨가제가 가스 투과성을 추가로 줄이는 데 도움이 될 수 있다.
수소 운송을 용이하게 하기 위해 최근에는 NH3(실온에서 기체인 암모니아)와 같이 액화 및 저장이 더 쉬운 대체 운반 매체도 논의되고 있다. 이 응용 분야 역시 저온 및 특히 내알칼리성 고성능 고무가 필요하다.
물론 수소는 이미 연료 전지에서 매우 안정적으로 그 목적을 수행하고 있다. 그러나 연료 전지를 위한 "만능" 밀봉재는 존재하지 않는다. 알칼리성 및 인산 연료 전지, 고분자 전해질 및 고온 연료 전지 등 다양한 종류의 연료 전지가 존재하기 때문이다. 여기에서도 특수 충전재 함량이 높은 엘라스토머 결합 밀봉재가 이미 밀봉 작업에 사용되고 있다.
풍력 발전
풍력 터빈은 점점 더 높아지고 있다. 오늘날에는 로터 직경이 150~220m에 달하며 10MW 이상의 정격 출력을 달성할 수 있다.
이러한 응용 분야에서는 해상 위치, 자외선, 오존(전기 장비 주변에 흔히 존재), 염수 및 급격한 온도 변화 등 모든 요소가 여기에 사용되는 탄성 재료에 높은 요구 사항을 부과한다. 게다가 화재가 발생한 나셀은 사실상 진화가 불가능하기 때문에 최고의 내염성이 요구된다.
나셀에는 발전기의 진동 절연 및 탄성 베어링을 위한 부품이 포함된다. 로터 블레이드와 허브 연결부에는 고무 완충 장치가 있어 힘을 흡수하고 진동을 최소화하며 소음도 줄이는 데 도움을 준다.
풍력 터빈에 사용되는 수백 킬로그램의 엘라스토머 소재 중에는 내후성 및 내오존성이 떨어지는 천연 고무는 거의 찾아볼 수 없다. 대신 NBR이 전체 고무 회전축에 선호되는 옵션이다. 레이디얼 샤프트 개스킷에서는 오존에 강한 HNBR도 자주 발견되는데, 이는 단기적으로는 170°C의 고온도 견딜 수 있다. 적절한 보강을 통해 HNBR은 대구경 베어링에도 사용할 수 있으며, 내유성 덕분에 그리스 윤활 주 베어링에도 사용 가능하다.
해상 풍력 발전 단지에서 전력을 전송하는 케이블은 매우 뜨거워질 수 있다. 이 때문에 HNBR 외에도 EPDM과 같이 내열성이 더 높은 고무 소재가 필요하다.
그리고 잊지 말아야 할 것은, 고무는 이러한 시스템 운영에만 필요한 것이 아니라 유리 섬유 강화 부품으로 로터를 제조하는 과정에서 실리콘, 부틸 또는 EPDM 고무 섹션 형태로 이미 필요하다는 점이다.
태양광 시스템
태양광(PV) 시스템 역시 모듈을 정렬하고 물의 침투를 방지하는 밀봉 개스킷이 필요하다. 예를 들어, 여러 PV 모듈 사이의 간격을 유지하는 수직 밀봉 개스킷은 실리콘 고무 또는 내후성 EPDM으로 만들어진다.
그러나 핵심적인 밀봉 작업은 주로 다른 재료에 의해 수행된다. 태양광 모듈은 종종 에틸렌-비닐-아세테이트(EVA) 필름으로 캡슐화된다. 이 과정에서 태양광 모듈은 이 재료의 두 층으로 캡슐화되며, 필름이 녹으면 셀을 완벽하게 감싼다. EVA는 투광성이 뛰어나고 내후성이 있으며 넓은 가공 범위를 자랑한다. 고전적인 엘라스토머는 아니지만 EVA 함량에 따라 충분히 "엘라스토머 유사" 재료로 간주될 수 있다. 화석 연료 기반 EVA 필름을 바이오 기반 "사탕수수 에틸렌"이 일부 포함된 대체재로 교체하려는 시도도 있다.
오늘날 세련된 평지붕에 태양광 패널이 제자리에 고정되도록 설치업체는 EPDM 매트를 즐겨 사용한다. 이는 미끄러운 바닥에서 추가적인 지지력을 제공하고 시간이 지남에 따라 모듈이 움직이는 것을 방지한다.
건물에 대해 말하자면, 히트 펌프 역시 고무 없이는 거의 작동할 수 없다. 그러나 이 응용 분야에는 저온에서도 충분히 유연한 (내후성) 밀봉 개스킷과 호스가 필요하며, 원치 않는 펌프 진동을 줄이는 진동 감쇠 고무 매트도 필요하다.
고무, 에너지 전환의 숨은 주역
결론적으로 고무는 결코 '구시대적' 소재가 아니다. 고성능 고무 등급 없이는 에너지 전환과 기후 변화 대응은 불가능할 것이다.
K 2025에서는 '러버스트리트(Rubberstreet)'가 다시 한번 엘라스토머 산업의 혁신성과 운영 우수성을 선보이는 장이 될 것이다. 러버스트리트는 1983년부터 K 박람회에서 엘라스토머(고무 및 TPE)에 대한 정보를 찾는 모든 이들을 위한 첫 번째 접점이자 이정표 역할을 해왔다. 러버스트리트는 독일고무산업협회(wdk)의 후원으로 운영된다.
필자 소개:
슈테판 알부스 박사(Dr. Stefan Albus)는 화학 박사이자 프리랜서 산업 전문 기자이다. 그의 주요 관심 분야는 고분자 화학 및 플라스틱·고무 응용 기술이다.
K 뒤셀도르프 박람회 소개:
K 박람회는 1952년 메세 뒤셀도르프(Messe Düsseldorf)에 의해 처음 개최되었으며 3년 주기로 열린다. 가장 최근인 2022년 K 박람회에는 59개국 3,020개 전시업체가 177,000m² 이상의 순 전시면적에 참가했으며, 177,486명의 무역 방문객 중 71%가 해외 방문객이었다. 자세한 정보는 (https://www.k-online.com)에서 확인할 수 있다.