새로운 코팅으로 유리병을 훨씬 가볍게 만든다
"신개념 보호막으로 높은 안정성을 유지하면서 유리 벽을 더 얇게 제작 가능"

신개념 코팅 덕분에 유리병에 필요한 원자재 양을 대폭 줄일 수 있게 되었다. 개발사들에 따르면 테스트 과정에서 이미 15%의 중량 절감을 달성했으며, 장기적으로는 최대 40%까지 줄이는 것도 가능할 것으로 보고 있다. 다만 산업용 대규모 양산은 아직 이루어지지 않았다.

음료수병이든 통조림 유리 용기든 포장용 유리는 그 안의 내용을 보호하며 재사용이나 재활용이 가능하다. 그러나 무거운 중량은 제조 과정에서 원자재와 에너지를 소모하게 만들고, 운송 및 충전 과정에서의 부담을 가중시킨다. 유리 벽을 더 얇게 만들면 이러한 부담을 줄일 수 있다. 하지만 더 가벼운 용기도 충격, 내부 압력, 그리고 충전 설비의 하중을 견뎌낼 수 있어야 한다.

유리가 깨지는 원인이 단순히 벽의 두께 때문만은 아니다. 표면의 아주 미세한 긁힘이나 마이크로 크기의 균열만으로도 하중을 받을 때 균열이 번져 파손을 유발할 수 있다. 이 때문에 병 표면에는 이미 마모를 방지하고 미끄럼성을 향상시키는 표면 코팅이 자주 적용되어 있다.

이제 기업 엑소스켈(EXXOSQEL)과 프라운호퍼 실리케이트 연구소(Fraunhofer ISC)가 협력하여 미세 균열을 맞춤형으로 메워주는 추가적인 가능성을 연구하고 있다. 유리 용기를 대상으로 한 초기 테스트 결과, 이러한 방식을 통해 더 얇은 벽 두께의 포장재도 기계적으로 안정화할 수 있음이 나타났다.

미세한 균열을 메워주는 코팅

이 접근 방식은 여러 화학 성분으로 구성된 소재를 사용하여, 도포된 후 3차원 네트워크로 결합되는 방식을 활용한다. 개발사들에 따르면 이 코팅은 미세한 표면 결함 부위에 공유결합, 즉 단단한 화학적 결합을 형성한다. 이 가교(Brücken)는 하중을 받을 때 기존의 균열이 쉽게 더 커지는 것을 방지하도록 설계되었다.

따라서 이 공정은 단순히 병 사이의 마찰을 줄이는 것과는 다른 지점에서 시작된다. 기존의 손상이 원래의 유리 상태로 되돌아가는 것은 아니지만, 파손의 출발점으로서의 영향은 줄어들 것이다. 이를 위해 정확히 어떤 소재 성분이 사용되는지는 발표된 프로젝트 공지에서 명시되지 않았다.

첫 테스트에서 이미 유리 절감 효과 확인

공동 발표에 따르면 압력 및 충격 테스트에서 조사된 거의 모든 유리 용기 유형이 더 높은 하중을 견뎌냈다. 일부 용기는 시험 장비가 각각의 최대 허용 하중에 도달했을 때조차 깨지지 않았다. 이 수치는 충격 테스트에서 10줄(Joule), 압력 테스트에서 40바(bar)에 달하는 시험 장비의 한계치를 나타낸 것이며, 코팅된 모든 병의 보편적인 내구성을 의미하는 것은 아니다.

자원 절감 효과와 관련해 결정적인 또 다른 결과도 있다. 테스트 과정에서 개발사들은 유리 용기의 무게를 이미 15% 줄이는 데 성공했다. 반면 최대 40%까지 절감하는 것은 아직 기술적인 목표에 불과하다. 이를 달성하려면 뜨거운 성형 과정에서 얇아진 유리 벽을 안정적이고 일정한 품질로 신뢰성 있게 생산할 수 있어야 한다.

병당 유리 사용량이 줄어들면 원자재 수요는 물론 용융 및 운송 시 에너지 소비도 감소할 것이다. 그러나 지금까지 공개된 데이터만으로는 실제 기후에 미치는 영향을 정확히 판단하기 어렵다. 이를 위해서는 새로운 코팅의 생산 및 내구성뿐만 아니라 용기의 전체적인 사용 과정도 함께 고려해야 한다.

이제 생산 공정에서 검증을 거쳐야 할 차례

현재 이 코팅 솔루션은 실험실 규모로 제조되고 있다. 파트너사들은 2027년에 더 많은 양을 생산하고 도포 공정을 발전시키기 위한 파일럿 플랜트(Technikum)를 구축할 계획이다. 프라운호퍼 ISC는 이미 최대 100리터 규모의 합성을 비롯하여 코팅 소재의 대규모 스케일업(Hochskalierung) 경험을 보유하고 있다. 새로운 제조법이 그만큼 가공될 수 있을지는 앞으로의 개발 단계에서 판가름 날 것이다.

중요한 목표 중 하나는 유리 제조사들이 생산 설비를 완전히 개조할 필요가 없도록 하는 것이다. 프라운호퍼 ISC의 코팅 전문가인 페르디난트 소모로프스키(Dr. Ferdinand Somorowsky) 박사 등이 이 과제에 매진하고 있다. 기존 제조 공정에 쉽게 통합할 수 있어야만 실험실의 우수한 성과를 합리적인 가격의 양산 솔루션으로 발전시킬 수 있는 전제 조건이 마련된다.

페르디난트 소모로프스키(Dr. Ferdinand Somorowsky) 박사는 "우리는 새로운 코팅의 적용 방식을 기존 생산 공정에 쉽게 통합할 수 있도록 설계하려고 한다"고 말했다.

이를 위해서는 추가적인 강도 및 실무 테스트가 필요하다. 특히 실제 충전, 운송, 그리고 재사용(리유턴) 조건에서의 내구성이 향상된 병의 두께를 앞으로 얼마나 얇게 만들 수 있을지를 결정하게 될 것이다. 지금까지 측정값은 개발 파트너사들의 보도자료를 통해 발표되었으며, 완전한 실험 방법론이 담긴 독립적인 동료 평가(Peer-Review) 연구는 아직 언급되지 않았다.

출처: 프라운호퍼 실리케이트 연구소(ISC) 공식 연구 공지

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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