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초록

영어

This study developed biodegradable starch-based composites from urban organic waste—spent coffee grounds, waste paper, waste textile fiber, and bamboo fiber—comparing direct use of spent coffee grounds (B3) with carbonized biochar (C2) within a single composite system. Six sample groups were prepared; density and water absorption were measured across all groups, and core specimens were further analyzed by FT-IR, FE-SEM/EDS, TGA/DTG, and water contact angle (WCA). Density was highest for B3 (0.80 g/cm3) versus 0.68 g/cm3 for C2, reflecting biochar porosity. FE-SEM/EDS showed B3 formed a dense particle-packing structure, while C2 exhibited mechanical interlocking from biochar's rough, porous surface. FT-IR identified protein-derived Amide II peaks (1539, 1576 cm⁻1) in B3 that disappeared in C2, where an aromatic carbon peak (1335 cm1) emerged, confirming carbonization-induced structural change. C2 outperformed B3 in all measured mechanical properties, including flexural strength (2.21 vs. 1.24 MPa), tensile strength (1.20 vs. 0.40 MPa), and surface hardness (Shore A 84.0 vs. 55.0). B3's tensile strength (0.40 MPa) was even lower than the unfilled reference (A2, 0.57MPa), indicating limited reinforcement from weak interfacial adhesion. The materials suit packaging boxes, cup sleeve/coaster sets, and storage boxes, via a low-technology, reproducible forming process using household-scale equipment, with biochar carbonization as a separate high-temperature pre-treatment.

한국어

본 연구에서는 커피 찌꺼기 강화 전분 기반 복합재료를 제작하고, 동일 복합재료 시스템 내에서 직접 사용(B3)과 탄화 처리(C2)를 체계적으로 비교하였다. 주요 연구 결과는 다음과 같다. 첫째, 밀도 측정 결과 B3 그룹이 평균 0.80 g/cm3로 가장 높은 충진 효과를 나타냈으며, C2 그룹은 평균 0.68 g/cm3로 바이오차의 다공성 구조를 반영하였다. 둘째, 흡수율 측면에서 C2(45.0%)가 B3(64.3%) 대비 현저히 낮았으며, B4(42.5%)가 전체 시료 중 최저를 기록하였다. 바이오차의 소수성 탄화 구조가 C2의 낮은 흡수율의 주요 원인이며, FE-SEM에서 미시적으로 확인되었다. 셋째, 복합재료 성형 공정에 한해 가정용 전기밥솥과 오븐만으로 저기술 환경에서 재현 가능함을 확인하였다(단, 바이오차는 별도의 고온 탄화 전처리를 거쳐 사용). B3와 C2 그룹을 각각 2개씩 제작하여 제조 공정의 재현성을 직접 검증하였다. 넷째, 개발된 재료의 특성에 기반하여 포장 박스(C2), 컵슬리브·받침 세트(B3), 수납 박스(B4)의 세 가지 제품 응용방안을 제시하였다. 특히 커피 찌꺼기로 커피 제품을 포장하는 완전한 순환 경제 모델은 환경적·상업적 가치를 동시에 실현한다. 다섯째, C2는 굽힘강도(2.21 vs 1.24 MPa, n = 3), 인장강도(1.20 vs 0.40 MPa), 표면 경도(Shore A 84.0 vs 55.0)모든 지표에서 B3를 상회하였다. 특히 B3의 인장강도(0.40 MPa)가 무첨가 기준군 A2(0.57 MPa)에도 미치지 못한 것은 계면 접착력 부족의 직접적 결과로, 커피 찌꺼기 직접첨가 방식의 보강 한계를 실증한다. 탄화 처리(C2)는 다공성 방향족 탄소 구조의 기계적 잠금 효과로 강도와 경도를 동시에 향상시켜, 동일 유기성 폐기물이라도 처리 방식에 따라 기계적 성능이 크게 달라짐을 보여주었다. 여섯째, TGA/DTG 분석 결과 C2-2의 409°C 잔류량(23.12%)이 B3-2(18.29%) 및 A2(16.81%)를 상회하여, 바이오차의 탄화 구조 및 무기 회분에 의한 우수한 내열성이 확인되었다. 세 시료 모두 100°C에서 96% 이상의 중량을 유지하여 컵 슬리브 적용 온도 범위(70-80°C)에서의 열안정성도 검증되었다. 일곱째, 접촉각 분석 결과 세 시료의 WCA는 B3-2 (91.2 ± 11.2°)> C2-2(76.7 ± 14.4°)> A2(66.8 ± 14.4°) 순으로 나타났다. B3-2의 높은 WCA는 커피 찌꺼기 지질 성분의 표면 집적에 기인하며, C2-2의 중간 WCA는 바이오차의 방향족 탄소(소수성)와 무기 회분(친수성)의 혼재를 반영한다. WCA 순서(A2 < C2 < B3)가 흡수율 순서(C2 < A2 < B3)와 일치하지 않음은, 표면 소수성과 벌크 흡수율이 각각 표면 에너지와 다공성·모세관 흡수 구조를 반영하는 서로 다른 물성임을 보여준다. 향후 연구 과제: (1) 장기 내구성 및 생분해 속도 정량평가, (2) 대규모 생산 공정 최적화, (3) 다양한 형상의 제품 개발 및 실제 사용 환경 검증, (4) 전과정 평가(LCA)를 통한 환경 영향 정량화, (5) 커피 찌꺼기 공급원 및 탄화 조건이 바이오차 특성에 미치는 영향 연구, (6) STM D790이 권고하는 반복 시편(n≥ 5) 확보를 통한 굽힘 특성의 통계적 검증 및 A2 굽힘 데이터 보완, (7) 커플링 에이전트 처리를 통한 B3의 계면 접착력 개선 및 표면 소수성·기계적 특성 동시 향상 연구. 또한 본 연구의 B3/C2비교는 단일 변수 대조가 아니라 실제 적용 가능한 배합체계 수준의 비교이며, 탄화에 의한 화학 구조 변화는 FTIR분석으로 독립적으로 뒷받침된다. (Amide II 소실 + 방향족 탄소 피크 발생) 본 연구는 커피 찌꺼기의 동일한 복합재료 시스템 내에서 직접 사용과 탄화 처리를 체계적으로 비교하고, 다중 스케일 섬유의 복합 적용 효과를 검토하였다. 제시된 저기술 제조 방법과 제품 응용 방안은 순환 경제 실현과 지속가능한 소재 개발에 실질적으로 기여할 것으로 기대된다.

목차

Abstract
서론
1. 연구 배경
2. 기존 연구 현황 및 연구 간극
3. 연구 목적 및 의의
실험
1. 재료
2. 시료 제조
3. 특성 분석 (Characterization)
결과 및 고찰
1. 외관 및 형태
2. 밀도 특성 (Density Properties)
3. 흡수율 특성 (Water Absorption Properties)
4. 기계적 특성 (Mechanical Properties)
5. 화학 구조 분석 (FT-IR Analysis)
6. 미세구조 분석 (FE-SEM Analysis)
7. 열중량 분석 (TGA/DTG Analysis)
8. 접촉각 분석 (Water Contact Angle Analysis)
9. 종합 고찰
10. 제품 설계 및 응용
요약
감사의 글
References

키워드

저자

• 왕효동 [ Wang Xiaodong | 국민대학교 일반대학원 혁신소재리뉴어블디자인학과 ]
• 장중식 [ Jang Jung-sik | 국민대학교 일반대학원 혁신소재리뉴어블디자인학과 ] Corresponding Author

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  한국포장학회지 [Journal of Korea Society of Packaging Science & Technology]

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• pISSN

  1226-0207

• 수록기간

  1994~2026

• 등재여부

  KCI 등재

• 십진분류

  KDC 530 DDC 620