20 세기 초에 개발된 이래로 플라스틱 재료는 우수한 가공 용이성, 경제성 등의 장점으로 인해 제조업 분야에서 필수적인 소재로 이용되고 있다. 그러나 플라스틱 재료는 자연 분해가 어렵다는 특성 때문에, 폐기물 처리에 어려움이 있다.
가장 많이 사용되는 플라스틱 폐기물 처리 방법으로 매장 및 소각을 통한 방법이 이용되고 있으나, 많은 환경문제를 야기하기 때문에 친환경적인 방법이 필요한 상황이다. 이를 해결 하기 위해 플라스틱 폐기물을 재활용하는 방법을 활용하고자 노력하고 있지만, 낮은 경제성으로 인하여 활용되는 비율이 높지 않다. 따라서 플라스틱 폐기물을 처리할 새로운 전략이 필요하다. 그 중 한가지 방법으로 플라스틱 재료의 높은 탄소 함유량을 이용하여 탄소 재료 원료로 활용하는 방안이다. 탄소 재료는 에너지, 우주항공 분야 등 첨단산업에 이용가치가 충분하기 때문에 경제성도 확보할 수 있는 장점을 가지고 있다. 본 박사 학위 논문은 플라스틱 재료를 효과적으로 탄소 재료로 전환하는 방법을 연구하는 것을 목적으로 하였다.
제 2 장에서는 가장 기본적인 분자구조를 가지는 플라스틱인 폴리에틸렌을 이용하여 탄소 전환하는 실험을 진행하였다. 전자선을 이용하여 라디칼 종을 도입하여 탄화 수율 향상을 도모하고 열 산화 및 황산 처리 안정화를 각각 적용하여 탄소로 전환하고 비교함으로써 안정화 과정이 탄화 수율 및 최종 탄소 미세구조에 미치는 영향을 관찰하고자 하였다. 나아가 제조된 탄소의 소듐 이온 저장 성능을 평가함으로써 탄소 미세구조가 탄소체의 활용 성능에 미치는 영향을 확인하였다.
제 3 장에서는 2 장의 결과를 바탕으로 황산 처리 안정화 방법을 선택하여 폴리프로필렌 폐기물에 적용하여 탄소 소재로 전환하는 실험을 진행하였다. 폴리프로필렌이 황산과 반응할 때 형성되는 3차 탄소 양이온의 높은 안정성으로 인하여 폴리에틸렌 대비 안정화 효율이 감소하는 것을 확인하고 황산 처리 시간을 조절하여 높은 탄화 수율을 확보하고 응용 분야인 소듐 이온 전지 음극에 적합한 구조인 난 흑연성 탄소를 제조하였다. 제조된 탄소체가 기존에 발표된 biomass를 전환하여 제조된 난 흑연성 탄소 대비 우수한 소듐 이온 전지 음극 성능을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
제 4 장에서는 황산안정화를 적용하였을 때 부산물을 쉽게 형성하는 플라스틱 고분자인 폴리스타이렌을 이용하여 탄소로 전환하는 실험을 진행하였다. 폴리스타이렌은 황산과 반응하여 쉽게 물에 분산되는 Polystyrene sulfuric acid 고분자로 전환된다. 형성된 PSS는 황산 안정화 과정 중 잔여 황산을 제거하는 공정에서 쉽게 유실되며, 탄화 시 효과적으로 탄소 구조로 전환되기 어렵기 때문에 높은 탄화 수율을 기대하기 어렵다. 이를 극복하고자 황산을 촉매로 폴리스타이렌을 가교 시킬 수 있는 포름알데히드 기를 도입함으로써 효과적으로 탄화 수율을 높이는 과정을 설명하였다. 제조된 탄소체의 SIB 음극재로 이용하여 성능을 평가하였을 때 PE, PP 대비 용량 및 초기 충방효율이 낮은 것을 확인 할 수 있었는데, 이는 미세구조 분석을 통해 상대적으로 발달된 유사 흑연 구조의 영향으로 추측할 수 있었다.
제 5 장에서는 지금까지 설명한 연구 결과에 대해서 간략하게 요약하고 의의에 대하여 설명 및 연구를 바탕으로 필요한 추가 연구 방향에 대하여 제시하였다.