기계재료학 (두번째시간)

기계재료와 재활용

1) 기계와 기계재료

 산업 현장에서는 기계나 기기 및 장치 등이 생산 활동에 이용되고 있는 경우가 많으며, 이를 통틀어 기계 설비, 기계 장치, 기계 장비, 기계 기구 등 설비의 규모나 상태에 따라 여러가지로 부르기도 한다.

 기계는 다음과 같은 이유로 산업의 생산 활동에서 많이 사용되고 있다.

1.  속도가 빠르고 대량으로 생산할 수 있다.
2. 인력에 비해 매우 큰 힘을 얻을 수 있다.
3. 제품이 정밀하고 균일한 품질을 얻을 수 있다.
4. 소재, 제품 등의 보관, 이송 등의 관리에도 능률적이고 편리하다.

 이와 같이 도구나 기계의 발달에는 언제나 사용되는 재료, 즉 기계재료의 개선과 새로운 재료의 개발에 의해 이루어졌다.

우리 인간은 기원전 석기시대를 거쳐 청동기시대를 통해 새로운 문명을 창출해 왔다.

 현대는 철의 시대 도는 강의 시대라 불리울 만큰 철강의 소비량이 오늘의 문화수준을 나태내는 주요 지표로 삼고 있으며 

특히 자동차, 선박 등의 기계공업에서는 많은 양의 철강재료를 필요로 하기 때문에 자동차와 산박제조를 기간 산업화하고 있는 우리나라에서는 이에 상응하는 규모와 질면에서 세계적인 철강 산업국으로 발전하였다.

 최근의 기계재료에는 철강 이외에도 경합금과 플라스틱이 중요한 위치를 점하고 있으며, 그 사용량에 있어서도 증가추세에 있다. 기계에는 많은 종류의 물질이 사용되고 있으며 앞으로 더 많은 종류의 물질이 개발되어 기계재료로 사용될 것이다

2) 기계재료의 변천

(1) 변천과정

 석기시대, 청동기시대, 철기시대라고 하는 인류의 역사는 기계재료의 변천을 잘 나타내고 있다. 이와 같은 역사에서 18세기에는 영국에서

시작한 산업혁명이 재료의 역사를 크게 변화시켰다. 즉 철강을 기초로 한 산업구조, Watt의 증기기관 발명으로 동력기관이 발달되면서 광산, 방직 등의 산업설비와 운송설비를 새롭게하고, 19세기에서 20세기 전반에는 과학기술의 발달에 힘입어 철강을 소재로 한 거대한 건축물의 건설이 이루어지는 계기를 마련하게 되었다.

 한편, 19세기 후반에는 고분자화학의 발달로, 종래의 무기계, 금속계 재료에 없었던 경량성, 성형성이 우수하고 내식성이 뛰어난 고분자재료가 실용화되었다. 이에 따라 현대의 근대산업을 뒷받침하고 있는 소재에는 무기, 금속, 유기재료 등을 기초로 한 재료가 주를 이루고 있다.

(2) 최근의 재료개발

 그후 이들 재료의 우수한 기능적 특성을 조합한 복합재료와 플라스틱계 재료의 우수한 성형성을 기초로한 재료개발이 전개되면서 신소재개발이 유기계, 금속계, 무기계 복합재료의 발달로 이어지게 되었다. 또 새롭게 고도의 기능이 요구되는 영역이 많아지면서 이에 적합한 새로운

재료의 개발이 이어지고 있다. 예를 들면 고도의 내열성·전열성과 같은 열적 기능, 도전성·절연성·압전성과 같은 전기적 기능과 자기적 기능,

투광성·감광성·형광성과 같은 광학적 기능, 그리고 인체조직에의 적합성·친화성을 지닌 생체기능재료 등이 있다. 이밖에도 기능성재료인 초전도재료, 비정질합금, 형상기억합금, 수소저장합금, 재진재료와 세라믹스 및 원자로용 재료 등의 개발·개량으로 지능재료시대를 맞이하게

되었다.

(3) 미래의 재료개발

 인류가 석기시대부터 사용되어온 재료는 한개의 개체의 특성과 성질을 이용하였으나 오늘날에는 개개의 원자와 분자가 갖고 있는 성질과 특성을 이용하는 기술 개발로 새로운 재료 개발이 실현되고 있다.

 예를 들면 원자의 나열방식을 바꾸어 줌으로써 새로운 인공물질을 개발하거나 재료표면에 소지와는 전혀 다른 분자나 원자를 집어넣음으로써 새로운 기능을 도출하는 연구가 이루어지고 있다. 또한 종래에는 이용가치가 없었던 금속간 화합물의 물성연구로 새로운 기능을 발견하여 유용한 이용방법을 개발하는 연구가 이루어지고 있다. 이와같이 재료의 특성을 어떻게 하면 새로운 기능으로 개발하고, 보다 가혹한 환경에서 잘 견딜수 있는 기계재료로 만들 수 있는지가 금후의 과제로 제기되고 있다.

3) 환경과 재료

(1) 유해화학 물질

 최근에는 새로운 기계재료의 소재개발에 따라 발생하는 환경문제가 빈번하게 제기되고 있다. 재료가 환경에 끼치는 부정적인 문제는, 인간이 직접적으로 생체내에서 사용하는 재료가 아니더라도, 재료와 환경문제는 공해, 오염 등 사회적인 문제로 지적되는 경우가 많아지고 있다.

 이에 따라, 새로운 소재의 개발에 있어서는 이와 같은 환경친화적 문제에 대해 충분한 배려가 있어야 한다.

 생체에 유해한 것으로는 화학적, 생물학적 요인을 생각할 수 있다. 오래전부터 단열재와 내열재의 보강재로서, 또는 자동차의 블레이크슈에는 내마멸성 등이 우수한 특성을 갖고있는 석면이 단독 또는 복합재료로 널리 사용되었다. 이 재료는 미세한 미립자가 인간의 호흡기관내에 흡수되어 축척하면 폐질환의 요인으로 작용한다. 석면은 값이 싸고, 내열성과 내마멸성이 우수한 재료이나 이상과 같은 문제로 급속하게 유리섬유 또는 화학섬유로 대체되고 있으며, 현재는 석면의 사용을 규제하고 있다.

 또한, 플라스틱 난연화의 유효한 수단으로 첨가하는 염소는 다이옥신의 요인이 된다는 점에서 염화비닐중의 염소 첨가와 플라스틱 난연소화의 첨가도 어려운 상황이다.

 최근에는 이와 같은 유해화학물질인 염소와 불화탄소가 인간을 비롯하여 동물의 유전자에 나쁜 영향을 끼치는 것으로 지적되면서 내분비교란 화학물질인 환경 호르몬 등이 환경찬화와 관련한 사회적 문제로 제기되고 있다.

(2) 자원과 재활용

 천연자원이란, 유용한 물자로 생산할 수 있는 자연상태의 자원이다. 그러나 모두가 생산성이 좋은 것이 아니며, 사용가능한 범위도 매우 좁다. 특히 식물과 동물 등 생물로 구성하고 있는 재료는 환경에 주는 영향도 적고, 자연에 친화력이 있는 재료들이다.

 따라서 최근의 신소재개발에 있어서는 이와 같은 환경을 배려한 재료설계가 중요한 과제로 대두되고 있다. 종래의 신소재개발에서는 고성능, 고기능화 등을 큰 목표로 함으로써 자원이나 환경에 대한 배려가 거의 이루어지지 않았다. 그러나 재료의 고기능화와 고성능화가 활발하게 이루어지면서 재료의 자원과 환경에 대한 배려가 세계적인 규모로 다루어지게 되었다. 따라서 신소재개발에 있어서는 자원의 유효이용과 환경에의 배려가 기본적인 요건으로 다루어지고 있다. 이에 따라 재이용과 재자원화가 가능한 재료라야 한다는 재료개발의 대전제가 실현되고 있다. 따라서 최근에 대량으로 생산·소비되고 있는  플라스틱계 재료의 대부분은 재이용을 필수조건으로 한 새로운 기술의 전개가 확대 실현되고 있다.

① 플라스틱의 재자원화

 최근에 대량으로 생산되고, 대량으로 폐기되는 플라스틱재 중에서 PET병을 시작으로 많은 플라스틱 제품의 폐물재생이용을 고려한 신상품 설계가 활발하게 이루어지고 있다. 이에 따라 재생 이용을 위한 방법도 여러가지 형태가 적용되고 있다. 즉 폐기된 플라스틱제품의 재이용에 대해서는 원료의 상태로 되돌려 놓고 재이용하는 것이 가장 바람직하지만 반드시 이러한 방법이 경제적이라고 할 수는 없다. 물론 폐기병과 같이 원료의 단계까지 되돌아가지 않고도 폐품의 상태에서 재이용이 가능한 것도 많이 있다. 또한, 고형물의 상태에서 이것을 분쇄하여 연료로 하거나 도로 보수용 재료로 이용하는 경우도 많이 있다. 그러나 강화재가 혼입된 플라스틱 복합재료는 일반적인 방법으로는 재이용이 어렵다. 따라서 FRP를 구성하고있는 조성을 유효적절하게 이용하는 방법으로, 시멘트공장에서 연료 또는 원료로 활용하는 방법도 있다.

 이와 같이 폐기된 재료의 재이용에는 이에 대한 기술적·경제적 배경 등이 있으므로 넓은 관점에서 검토가 필요하다.

② 폐재의 활용

 앞으로 신소재를 개발할 때는 폐기물을 재이용한다는 과제가 필수적이다. 폐기물을 용이하게 재활용하는 방법에는, 연료로 열에너지화하는 방법이 있다. 이와 같이 폐기물을 연료로 하여 재이용하는 방법에서는 일반연료의 500~600℃ 정도의 연소온도에서는 불완전 연소에 따른 유기연소화합물인 다이옥신의 발생으로 지구환경을 오염시키게 된다. 따라서, 이와 같은 연소법도 1200~1300℃의 고온연소에 의해 완전 연소하는 열에너지로 회수하는 방법이 활발하게 이루어지고 있다.

 예를 들어 제철 제강공장이나 시멘트공장에서 사용하는 미분탄의 대용으로 폐 플라스틱을 사용하고 있는 고온에서의 열에너지 회수도 폐재 활용의 일환이라 할 수 있다.