재료과학에서 오늘은 재료의 소비에 대해서 자세히 알아보는 시간을 갖겠습니다.
현재 우리가 가지고 있는 재료의 소비량과 환경에 대한 이해가 되길 바랍니다.
1. 서론
공학 실습은 많은 양의 재료를 소비하게 되며, 이들을 얼마나 연속적으로 공급하느냐 하는 것에 의존한다. 여기서는 이들 소비량을 조사하고, 가장 많은 양을 사용한 재료를 강조하는 것으로 논의를 시작해 보자.
인구와 삶의 표준이 증가하면서 소비율도 증가하게 되었다. 이러한 증가율은 영원히 지속되지는 않을 것이다. 재료를 보자 효율적으로 사용하는 방법을 발견하는 것이야말로 안정된 미래를 위해 선결되어야 할 요소이다.
보다 당면한 과제는, 현재 재료의 소비량이 이미 우리가 살고 있는 환경에 부하를 주고 있다는 점이다. 환경은 이러한 부하에 대해 자정능력이 있기 때문에 어느 정도는 손상을 받지 않고 조화를 유지할 수 있다. 그러나 오늘날 인류의 활동에 따른 환경 부하의 빈도가 증가하게 됨으로써 우리가 살고 있는 세상의 질을 떨어뜨리고, 미래 세대의 복지를 명백히 위협하기에 이르렀다. 환경을 위한 설계는 일반적으로 알려져 있고 측정 가능한 환경적 부하를 감소시킬 수 있도록 현재의 제품을 수정하여 설계하는 것이라고 할 수 있다. 이를 위한 시간 범위는 제품의 평균 예측 수명인 약 10년 내외이다. 지속성을 위한 설계는 더 장기적 관점의 설계로서, 미래세대의 요구를 고려하지 않고 현재의 요구에 부합하는 삶의 형태에 맞추는 설계이다.
여기서의 시간 범위는 덜 명확하여 수 십 년 또는 수 백 년으로 평가되며, 요구되는 수정 범위도 훨씬 크다.
2. 재료의 소비와 그 증가
재료 소비량
전 세계적으로 매년 약 100억 톤의 공학용 재료를 소모하고 있다. 오일 및 석탄과 같은 탄화수소연료는 매년 90억 톤이나 소비한다. 다음으로 금속을 보자. 로그 단위로 보면 금속인 철강의 소모량이 알루미늄의 소모량에 비해 별로 크지 않다.
그러나 실제로 철강의 소모량은 다른 모든 금속의 소비량을 합한 것에 비해 10배 이상 많다.
철강의 타이타늄, 탄소 섬유강화 복합재료 및 최근의 나노 복합재료의 제조에 수반되는 고도의 기술이 없을 수 있으나 실수가 없고, 다양하며 강도 및 인성이 우수하고, 비용이 낮을 뿐만 아니라 광범위하게 사용된다는 점에서 다른 재료가 필적하지 못한다.
다음으로 폴리머가 있다. 50년 전에 폴리머의 소비량은 매우 적었으나, 오늘날 상업용 폴리머인 폴리에틸렌(PE), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리프로필렌(PP) 및 폴리에틸렌 트리프탈레이트(PET)의 소비량을 합한 양의 철강의 소비량과 맞먹는다.
그런데 무엇보다도 소모량이 큰 것은 건축 산업에 사용되는 재료이다. 철강도 이들 중의 하나이지만, 건축용으로 사용되는 목재의 소비량은 연간 사용되는 톤 수로 나타내도 철강보다 크다. 목재는 철강보다 10배 이상 더 가볍기 때문에, 연간 사용되는 부피로 계산하면 철강에 비해 엄청나게 많은 양이다. 이보다 더 많이 사용되는 재료는 콘크리트인데, 콘크리트의 소비량은 다른 모든 재료의 소비량을 합한 것보다도 크다. 그 외에 많이 사용되는 것으로서 도로용 아스팔트와 유리가 있다.
제일 마지막에 있는 것은 탄소섬유이다. 현재 이 재료의 소비량은 타이타늄의 소비량에 근접하고 있으며, 매우 빠르게 증가하고 있다. 환경에 미치는 영향은 소비량에 비례하므로, 환경에 미치는 재료의 영향을 고려할 경우 재료의 소비량은 매우 중요한 지표이다.
소비량의 증가
대부분의 재료는 시간이 지남에 따라 지수함수적으로 그 소비율이 증가하는데, 그 이유는 인구 및 삶의 기준이 지수함수적으로 증가하기 때문이다. 이러한 결과 중의 하나는 다음과 같이 극적으로 설명할 수 있다. 즉 전 세계적으로 매년 3%의 증가속도만 고려해도, 다음 25년 만에 인류의 전 역사를 통틀어 만들어 낸 것보다 더 많은 '재료'를 채광하여, 제조하고, 버리게 된다는 것이다.
철강 소비량은 일정기간의 침체기를 거친 후 중국에서의 소비량 중에 힘입어 다시 증가하고 있다. 연간 4%씩 증가하게 되면, 매 18년마다 소비량이 두 배가 된다. 폴리머의 소비량은 연간 약 5%로 증가하고 있으며, 매 14년마다 두 배가 된다.
1960년대와 1970년대와 같이 생산량이 폭발적으로 증가하던 시기에, 폴리머의 생산량은 현재보다 훨씬 더 빨리 증가하였는데, 최고 연간 18%까지 치솟아 매 4년마다 두 배가 되었다.
이렇게 되면, 예상되는 결과는 세계 경제가 재생할 수 없는 원료로부터 만들어진 재료의 공급에 절대적으로 의존하게 된다는 것이다. 지속적인 방식으로 이들을 관리하기 위해서는 재료의 수명에 대한 이해가 필요하다.
재료의 수명 주기 및 평가 기준
전 과정 평가 및 에너지
지구의 부존자원으로부터 얻는 광석 및 원료는 여러 공정을 거쳐 유용한 재료가 된다. 이들은 생활 속의 제품으로 만들어져 사용되다가, 수명이 다하면 버려지거나 일부는 생활 속의 제품으로 만들어져 사용되다가 수명이 다하면 버려지거나 일부는 재활용되고 나머지는 소각 또는 매장된다.
에너지와 재료들은 이러한 주기의 각 점(단계라고 불림)에서 환경에 악영향을 주는 이산화탄소, 열, 기. 액, 고상의 쓰레기 및 기타 집합적 환경 '부하제' 등을 발생시키며 소비된다.
이들은 전 과정평가(LCA)라는 기법을 통해 분석할 수 있다. 올바른 LCA는 제품의 수명을 조사하고, 수명의 각 단계 혹은 여러 단계에 걸쳐 발생하는 환경적 부하를 상세히 평가하여 부하제목록을 작성하고 정량화한다. 이를 위해서는 제품을 제조한 이후 사용하는 과정에서 얻을 수 있는 제품의 수명 이력에 대한 상세한 정보를 필요로 한다. 이것은 새로운 제품의 설계에 이용하기 위한 것이라기보다는 현재 존재하는 제품을 평가하고 비교하기 위한 도구라 할 수 있다.
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