최근 현대 사회는 감소하는 천연자원과 에너지 사용의 고비용, 지구 온난화, 오존층 파괴와 같은 여러 환경문제가 발생함에 따라 환경에 대한 소비자의 관심이 증가하고 이로 인해 친환경 제품의 시장 규모도 증가하고 있다. 또한 제조업에서도 과거와 다르게 친환경적인 노력을 비용적인 관점이 아닌 기회로 인식하여 기업의 평판과 이미지를 위해 중요한 사안으로 받아들이게 되었다.

이에 지속가능한 설계(Sustainable Design)는 환경에 미치는 부정적인 영향을 최소화하기 위한 방안의 일환으로써 중요한 전략적 요소로 활용되고 있으며, 이러한 지속가능성이란 다음 세대가 자신들의 필요를 충족하는 능력을 상실하지 않으면서 현재 세대의 필요를 충족하는 것을 의미한다.

선박에 대한 지속가능성의 경우 대형 상선은 이미 국제해사기구(International Maritime Organization, IMO)에 의한 환경규제에 따라 지속가능한 설계 및 운항을 수행하고 있으나, 레저용 보트, 요트, 어선과 같은 중소형선박의 경우 아직까지 환경규제가 이루어지지 않고 있으며 지속가능성에 대한 연구가 미비한 실정이다.

이에 본 연구에서는 중소형선박의 주된 재료가 복합재료로써 전체시장의 대부분을 차지하고 있으며 지속적으로 수요가 증가하고 있기 때문에 복합재료 소형선박의 지속가능한 설계를 위하여 전과정평가(Life Cycle Assessment, LCA)를 수행하였다.

복합재료에 대한 전과정평가의 선행연구로는 흔히 복합재료에 사용되는 특정 형상의 표본을 제작하여 원자재와 공법에 따른 환경부하 결과를 비교한 연구가 있으며,¹ 복합재료 선박의 전과정평가에 대한 연구로는 전과정평가 소프트웨어인 Sima Pro를 사용하여 선박의 상부구조물(Superstructure)에 대하여 전과정평가가 수행되었으며, 강철(Steel) 재료, 발사(Balsa) 복합재료, PVC (Polyvinyl Chloride) 복합재료에 대하여 비교하였다. 그 결과 발사 복합재료와 PVC 복합재료는 환경부하 결과가 거의 비슷하였으며 강철 상부구조물 보다는 낮은 환경부하 결과를 보여주었고, 제조, 운영, 유지보수, 폐기 단계로 나누어 전과정평가를 수행한 결과 운영 단계의 연료사용이 환경부하에 가장 큰 원인인 것을 확인하였다.²

이 뿐 아니라 작업분류체계(Work Breakdown Structure, WBS)를 적용하여 복합재료 소형선박의 공법과 소재 그리고 선박의 구조를 고려한 환경영향평가 소프트웨어 개발에 대한 연구가 수행되었으며,³ 복합재료 선박의 창살문(Grating), 난간(Handrail), 갑판(Floor Plate)과 같은 의장품을 대상으로 복합재료와 강철 그리고 알루미늄 제품을 함께 비교한 연구도 수행되었다.⁴ 이와 연관된 연구로써 강철 상부구조물과 복합재료 상부구조물에 대한 전과정평가를 수행하여 비교하였으며, 복합재료 상부구조물이 더 낮은 환경부하 결과를 보여주었다.⁵

이에 본 연구에서는 복합재료 소형선박의 선체에 대하여 주요 구조 별로 전과정평가를 수행하였으며, 복합재료의 주요 공법인 수적층 공법과 진공성형 공법에 따른 환경부하 결과를 도출하여 비교하였다.

본 연구의 대상은 8 m급 복합재료 소형선박의 선체에 대하여 전과정평가를 수행하였으며, 대상선박에 대한 일반배치도와 주요 제원을 Fig. 2와 Table 1에 각각 나타내었다.¹¹

Fig. 2 
General arrangement of a composite small craft

이와 같이 복합재료 소형선박에 널리 사용되는 유리섬유 복합재료(Glass Fiber Composite Materials)는 물성이 다른 두 개 이상의 재료가 혼합되어 구성되는 재료로써, 일반적으로 강화재(Reinforcement)인 섬유(Fiber)에 기지재(Matrix)인 수지(Resin)를 함침시키고 경화시켜 만들어지며, 샌드위치 구조(Sandwich Structure)의 경우 코어재(Core)가 추가된다. Fig. 3에 일반적인 샌드위치 구조의 복합재료 구성을 나타내었다.

Fig. 3 
Composition of fiber composite materials (www.evonik.com)

본 연구의 전과정평가 목적으로는 국내 복합재료 소형선박을 대상으로 전과정평가를 수행하여 소형선박의 주요 구조 별 환경부하와 원자재의 환경부하를 도출하고 비교함으로써 주요 환경부하요인을 규명하고자 함이며, 특히 수적층 공법과 진공성형 공법 간의 환경부하량을 도출하여 비교하고 그 결과를 검증하는 것이다.

또한, 전과정평가 범위로는 Fig. 4에 나타낸 바와 같이 일반적인 제품의 전과정을 복합재료 소형선박에 적합하게 원자재 추출, 선박의 건조, 선박의 운항, 선박의 폐기 단계로 재조정하였으며, 본 연구에서는 선박 건조 단계의 원자재를 전과정평가 범위로 제한하여 수행하였다.

Fig. 4 
Modification of a life cycle

본 연구의 전과정 영향 평가는 전과정평가 상용 소프트웨어인 GaBi Software의 데이터 베이스를 활용하는 SolidWorks Sustainability를 사용하였으며 분류화, 특성화 단계를 거쳐 수행되었고 주요 환경영향범주인 탄소 발자국, 수질 부영양화, 대기 산성화, 에너지 소비량에 대한 결과를 나타내었다.

전과정평가를 수행한 결과 수적층 공법의 경우 탄소 발자국(3.865E+03kg)과 에너지 소비량(5.8797E+04MJ)의 환경부하가 두드러진 것으로 나타났으며, 이에 비해 수질 부영양화(1.694E+00kg)와 대기 산성화(9.943E+00kg)의 환경부하는 미비한 것으로 나타났다.

또한 선체 구조 별로 환경부하를 비교한 결과 네 가지 환경영향범주에 대하여 대략적으로 선각이 47%, 갑판이 28%를 차지하여 대부분의 환경부하에 영향을 미치고 있었으며, 나머지는 격벽이 8%, 종부재가 6%, 늑골이 6%, 트랜섬이 5% 순으로 환경부하를 차지하였다.

다음으로 진공성형 공법에 전과정평가를 수행한 결과 수적층 공법과 비슷한 경향을 나타냈으며, 탄소 발자국(3.238E+03kg)과 에너지 소비량(4.7797E+04MJ)의 환경부하가 수질 부영양화(1.452E+00kg)와 대기 산성화(8.915E+00kg)보다 두드러진 것으로 나타났다.

선체 구조 별로 환경부하를 비교해보면 마찬가지로 네 가지 환경영향범주에서 선각이 50%, 갑판이 33%로 수적층 공법의 경우와 비슷하게 선체와 갑판부가 환경부하에 대부분을 차지하고 있으며, 격벽이 7%, 늑골이 3%, 트랜섬이 4%, 종부재가 3%로 나머지 환경부하를 차지하였다. 이를 Table 5와 6에 각각 나타내었다.

공법 별로 환경부하를 비교한 결과를 Fig. 6에 환경영향범주에 따라 각각 그래프로 나타내었다. 탄소 발자국 범주의 경우 진공성형 공법이 수적층 공법에 비해 선각은 11%, 갑판은 2.7%, 격벽이 25%, 늑골은 59.4%, 트랜섬이 32.6%, 종부재가 53.7% 감소하는 것을 확인하였으며, 수질 부영양화 범주의 경우 선각은 8.5%, 갑판은 2.9%, 격벽이 20.7%, 늑골은 51.7%, 트랜섬이 28%, 종부재가 48.6% 감소하였고, 대기 산성화 범주의 경우 선각은 6.3%, 갑판은 0%, 격벽이 16.2%, 늑골은 41.4%, 트랜섬이 23.9%, 종부재가 39.8% 감소하였으며, 마지막으로 에너지 소비량 범주의 경우 선각은 11%, 갑판은 5.7%, 격벽이 33.4%, 늑골은 63%, 트랜섬이 39.6%, 종부재가 58% 감소하는 것을 확인하여 전반적으로 진공성형 공법이 수적층 공법에 비해 환경부하가 적은 것으로 나타났다.

Fig. 6 
Comparison of LCA results

원자재 별로 환경부하 결과를 도출하여 Tables 7과 8에 나타내었다. 수적층 공법의 탄소 발자국 범주의 경우 수지가 67%, 유리섬유가 30%, 코어재가 3%를 차지하였으며, 수질 부영양화 범주의 경우에는 수지가 62%, 유리섬유가 33%, 코어재가 5%를 차지하였다. 또한 대기 산성화 범주의 경우 수지가 47%, 유리섬유가 48%, 코어재가 5%를 차지하였고, 에너지 소비량 범주의 경우에는 수지가 78%, 유리섬유가 20%, 코어재가 2%를 차지하였다. 탄소 발자국, 수질 부영양화, 에너지 소비량 범주의 경우 수지가 환경부하에 미치는 영향이 가장 큰 것으로 나타났으며, 대기 산성화 범주의 경우 유리섬유가 수지보다 환경부하에 미치는 영향이 미소하게 더 큰 것으로 나타났다.

진공성형 공법의 탄소 발자국 범주의 경우에는 수지가 60%, 유리섬유가 37%, 코어재가 3%를 차지하였으며, 수질 부영양화 범주의 경우 수지가 55%, 유리섬유가 38%, 코어재가 7%를 차지하였다. 또한 대기 산성화 범주의 경우에는 수지가 41%, 유리섬유가 54%, 코어재가 5%를 차지하였고, 에너지 소비량 범주의 경우 수지가 73%, 유리섬유가 25%, 코어재가 2%를 차지하였다. 전반적으로 수적층 공법의 경우와 비슷하게 탄소 발자국, 수질 부영양화, 에너지 소비량 범주의 경우 수지가 환경부하에 미치는 영향이 가장 큰 것으로 나타났으며, 대기 산성화 범주의 경우 유리섬유가 수지보다 환경부하에 미치는 영향이 더 큰 것으로 나타났다.