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    리사이클링 걱정 뚝···물에 용해되는 스마트 시계

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    ▲중국 톈진대가 개발한 새로운 재료로 만든 스마트워치 시제품. 물에 녹기 전(위)과 녹은 후(아래)의 모습이 확연히 구별된다. (사진=ACS)

    전자기기는 계획된 노후화와 빠른 기술 혁신에 따른 신제품 등장으로 계속해서 구형 버전이 생기고 지속적 교체가 이뤄진다. 따라서 재활용은 전자 쓰레기양을 줄일 수 있는 방법이 되며 많은 곳에서 재활용은 의무다.

    그러나 스마트워치 같은 소형 전자기기는 재활용을 위한 노력을 기울이지 않는 경우가 많다. 왜냐하면 일일이 손으로 기기를 분해해 부품이나 소재를 회수해야 하고, 이 때문에 일부 분해 과정에서는 분해할 때 손을 데거나 산성 물질이 새 나와 건강에 유해할 수도 있고, 환경 오염을 야기할 수도 있기 때문이다.

    전자제품을 구성하는 섬세한 부품들을 분리하는 과정의 본질적 어려움은 매년 수백만 톤의 전자쓰레기 발생에 일조하는 요인이 되고 있다.

    중국 톈진대 연구팀의 최신 연구결과는 소형 전자 쓰레기를 물에 녹여 핵심 부품을 재활용할 수 있음을 보여주었다. 자원 분해와 재활용 문제를 동시에 해결하는 아이디어 발전의 중요한 계기가 될 것 같다.

    미 화학회 학술지 ACS 어플라이드 머티리얼즈앤 인터페이스(ACS Applied Materials & Interface) 8월 4일 자에 실린 이 성과를 따라가 봤다.

    ◆물에 녹는 새로운 아연계 나노복합 소재에서 착안

    ▲물에 녹는 스마트워치 소재 분해 모습. 맨 왼쪽에서 오른쪽으로 가면서 4장의 사진은 녹기 전-녹은 후, 녹기 전-녹은 후의 순으로 용해 모습을 보여준다. (사진=ACS)

    ▲인쇄된 패턴을 소결하기 전(위)과 후(아래)의 모습을 초 심도 3D 현미경으로 매핑한 결과. (사진=ACS)

    톈진대 시안 황 연구팀의 이번 성과는 갑자기 나온 게 아니다. 이들의 연구는 이에 앞서 물에 녹는 새로운 형태의 아연계 나노 복합 물질 개발이 이뤄지면서 시작됐다.

    연구팀이 앞서 생각한 것은 임시 전자 회로(PCB)에 사용할 수 있는 물질이었다. 하지만 이들은 이 소재가 가전기기에 사용할 수 있을 만큼 우수한 전도성을 갖지 못했다는 것을 알게 됐다. 이에 나노 복합체의 전기적 특성을 개선하고 일상적으로 사용해도 견딜 수 있을 만큼 튼튼한 회로를 만들기에 나섰다.

    이들은 자신들이 개발한 물질의 단점을 해결하기 위해 은 나노 와이어를 넣은 변형된 아연 기반 나노 복합체 물질(bimetallic transient nanocomposites)을 만들었고, 이 재료의 전도성이 높아졌다는 사실을 확인했다. 이들이 활용한 방식은 이른바 ‘갈바닉 부식 및 재증착의 공동 효과(joint effect of galvanic corrosion and redeposition)’였다.

    이어 이 혼합물을 폴리비닐알코올로 불리는 분해성 중합체(폴리머)에 스크린 프린팅했고, 이 회로는 물방울에 의해 유발되는 화학적 반응(소결)을 통해 고체화했다. (전체 소결 프로세스는 외부 에너지와 엄격한 환경 조건을 필요로 하지 않았다.) 이것이 나노 복합 회로기판(PCB)을 형성했고 그런 다음 더 많은 폴리비닐알코올로 만든 케이스 안에 포장됐다.

    마침내 다른 PCB와 비교해도 높은 전기 전도성, 그리고 기계적 견고성이 뛰어난 고성능 임시 PCB가 탄생했다.

    ◆땀에는 견디지만 물에서는 용해되는 스마트워치

    ▲녹는 스마트워치 메커니즘을 보여주는 그림. (사진=ACS)

    이제 연구팀은 여기에 사람의 심박수, 혈중 산소 수치, 발걸음 수를 측정하기 위한 센서들을 추가해 완전한 스마트워치 디자인을 완성했다.

    테스트 결과 시제품 웨어러블 기기(스마트워치)는 땀을 견디면서도 물속에서는 완벽하게 용해돼 실용적 가능성을 확인시켜 주었다.

    단말기 전체를 완전히 물에 잠기게 했을 때 중합체 케이스와 회로는 40시간 안에 완전히 용해됐다. 용해되고 남은 것은 회로에 내장된 저항기, 캐패시터, OLED 화면과 마이크로컨트롤러였다.

    톈진대 연구팀은 비록 이 시제품이 현재 시중에서 팔리는 일반적 웨어러블 애호가들의 손목에 감겨있는 스마트워치 유형과 거리가 있지만, 비슷한 성능의 임시 전자 장치를 만들 수 있는 토대를 마련했다고 믿고 있다.

    이를 통해 전자제품 소재의 변화, 그리고 재활용의 새로운 아이디어가 만들어질 수도 있을 것으로 기대해 볼 만하다.

    이를테면 이번 연구는 다른 연구자들에게 용해되고 재수거되는 또 다른 고 전도성 하드웨어 소재의 발명을 자극하게 되지 않을까.

    오는 2050년까지 지구의 온도가 1.5~2도 오르지 않도록 하기 위해 전 세계가 엄청나게 노력하고 있는 마당이다. 손쉽게 재활용을 해 재활용하도록 돕는 똑부러지는 기술이 또 다른 미래 산업이 될 수도 있을 것 같다.

    재활용 관련 산업은 이미 중요한 산업분야로 떠오르고 있다. 다소 결이 다르긴 하지만 미국의 AMP로보틱스는 인공지능(AI)을 이용한 재활용 쓰레기 분류 로봇 사업으로 이 분야의 대표 기업에 올랐다. ABB도 쓰레기 분류 로봇을 소개했다. 중국 상하이 교통대나 MIT도 쓰레기 분리수거 로봇을 개발해 발표했다.

    ◆전 세계 최대 전자쓰레기 발생국은?

    ▲지난해 글로벌 전자쓰레기 모니터(Global E Waste Monitor) 발표에 따르면 2019년 한 해 동안 전 세계에서 1인당 평균 전자쓰레기 배출량이 가장 많았던 나라는 노르웨이로 26kg이었다. 이어 영국(23.9kg), 스위스(23.4kg), 덴마크(22.4kg), 호주(21.7kg), 네덜란드(21.6kg), 아이슬란드(21.4kg), 미국(21kg), 프랑스(21kg) 등의 순이었다. (자료=글로벌 전자쓰레기 모니터,스타티스타)

    이 대목에서 1인당 전자쓰레기 배출량이 많은 국가를 찾아봤다.

    글로벌 전자쓰레기 모니터(Global E Waste Monitor)의 2020년 발표 통계에 따르면 지난 2019년 전 세계에서 1인당 평균 전자쓰레기 배출량이 가장 많은 나라는 노르웨이(26kg)였다. 이어 영국(23.9kg), 스위스(23.4kg), 덴마크(22.4kg), 호주(21.7kg), 네덜란드(21.6kg), 아이슬란드(21.4kg), 미국(21kg), 프랑스(21kg) 등의 순이었다.

    그러나 총 배출량에서는 미국이 690만 톤으로 단연 많았고, 뒤를 이어 영국이 160만 톤, 프랑스가 140만 톤으로 각각 최대 전자폐기물 발생국 빅3 국가에 이름을 올렸다.

    혁신적인 쓰레기 분리·용해 기술이 나온다면 우리가 활용하는 것은 물론 이들 국가에 수출할 수도 있지 않을까. 노르웨이는 세계 최초로 전기자동차 판매 비율이 50%를 넘어선 나라니까 아마 도움이 될 수도 있겠다는 생각도 해본다.

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