4차산업 시대의 중추 소재 탄소섬유 재료에 대한 고찰

김해곤 회장 김해곤 前 충남방적㈜ 부사장, 기술연구소장 청운대학교 패션섬유공학과 교수 한국섬유기술사회 회장 現 한국시니어과학기술인협회 상임감사 아세아아프리카섬유컨설팅 대표 한국섬유패션협동조합 이사장

탄소섬유 재료는 구조재료에 사용되는 철(Steel)이나 알미늄 합금 등의 금속과 비교해서 20%나 가벼우면서도 강도는10배 이상 높은 역학적 특성을 가지고 있으며 거의 탄소원자로만 되어있기 때문에 녹슬지 않으며 내열성이나 내약품성이 뛰어나다, 탄성률도 3배로 우수한 열 및 전기 전도성, 온도에 대한 치수 안정성, 우수한 생체 적합성을 갖는 재료이다. 따라서 위의 표에서 보인 바와 같이 그 용도가 에너지, 우주항공, 전기 전자, 토목/건축, 스포츠, 기계 자동차, 의료분야 등 그 용도가 중요하고 다양하다. 특별히 자율주행 자동차나 드론, 에너지 효율이 높은 에너지 장치를 제작하기 위한 필수적인 재료가 된다.

한편 탄소섬유 재료의 원료는 목재 혹은 석유나 석탄이기 때문에 이를 연료로 사용하면 이산화탄소나 유해가스가 나와 기후변화나 환경오염의 원인이 되지만 이를 탄소섬유재료화 하여 사용하게 되면 환경오염이 거의 없는 4차 산업혁명을 견인해 가는 기본 재료가 될 것으로 믿는다.

이러한 탄소 재료의 특성 때문에 가장 먼저 산업화한 분야는 탄소섬유 복합재료이고 그것의 주축은 탄소섬유가 된다. 세계적인 탄소섬유의 수요는 2015년에 58,000t이고 2020년에 100,500t이 예상되어 매년 12%의 성장이 예상된다.  AVK report (2016년 11월)에 의하면 2022년도에 탄소섬유 복합재료가 245,000t의 세계시장이 형성되고 그 용도가 자동차 (31%), 우주항공 (26.8%), 풍력(15.5%) 등의 순으로 클 것으로 예측하고 있다.

이러한 용도로 시장이 확대되기 위해서는 가장 먼저 해결되어야 할 과제는 탄소섬유를 저가로 제조하는 일이다. PAN 계 탄소섬유의 제조 원가를 분석해보면 PAN이 55%, 안정화 공정비가 17%, 탄화 14%, 표면처리 8% 기타 6%로 평가된다. 따라서 PAN을 저가 원료로 대체하기 위한 연구가 집중적으로 진행되고 있다. PAN을 대체하기 위한 원료로는 주로 부산물에서 얻어진 리그닌, 석유계나 석탄계 피치, 값이 저렴한 고분자 (폴리에틸렌 등) 등이 대상이 되고 있다.

탄소섬유는 다른 소재와 비교해서 가벼우며 고강도 고탄성율이며 더욱이 전도율, 형태안정성 등이 우수하며 녹이 슬지도 않기 때문에 아주 탁월한 소재이나 탄소섬유만으로는 사용할 수 없기 때문에 수지(Resine)와 혼합된 탄소섬유강화수지복합재료(CFRP) 로서 사용되고 있다.

탄소섬유 강화수지 복합재료(CFRP)로 사용되는 수지로는 Epoxy 수지 등이 열경화성수지로, Nylon 등이 열가소성수지(CFRTP)로 사용되고 있다. 탄소섬유 강화 복합재료의 종류는 다음 표 5와 같다.

 

 

6. 우리나라 탄소섬유 산업의 현황과 대책

국가별로 보면 일본 Toray사 에서 1971년에 PAN계 탄소섬유의 본격적인 양산과 응용 산업화에 성공하여 세계에서 선두 주자가 되었으며 최근에는 저가 탄소섬유의 제조와 지구 환경을 유지하기 위한 에너지 환경 탄소 재료가 집중적으로 연구되고 있다.

한국에서는 탄소 재료가 방위 산업기술이어서 수입이 자유롭지 못하기 때문에 다소 늦어지긴 하였으나 탄소섬유의 자국 생산을 위한 기본기술개발에 박차를 가하고 있고, 깨끗하고 고효율 에너지 저장과 전환을 위한 나노 탄소 재료들이 중점적으로 연구되고 있다.

중국은 특별히 깨끗한 공기 질 확보를 위한 탄소 재료의 연구에 국가연구비 투자가 이루어지고 있으며 단위과제 연구비 규모가 한국의 10배 단위이다. 연구 분야는 고열전도성 탄소섬유, 나노탄소 에너지 소재 등이 주를 이루고 있고 후발 주자로 그 추격의 속도가 상상을 초월하고 있다.

우리나라 탄소섬유 산업의 본격적 양산은 미국이나 일본과 비교하면 그 역사가 매우 짧으며 현재 효성, 전주공장 2,000t/년, 태광, 울산 1,500t/년, Toray in Korea, 구미 2,200t/년 등이 모두 PAN 계 탄소섬유를 생산하고 있다. 2017년 현재 8,200t/년의 생산량을 보이고 있으며 효성에서는 2022년까지 14,000t/년, 2028년까지 24,000t/년의 증산 계획을 세우고 있다. 계획과 욕망만으로는 해결되지 않는다.

예를 들면 우리나라 정부는 수소경제시대를 선포하고 수소자동차시대를 위해 2040년에는 620만대를 생산하겠다는데 여기에 가장 필수적인 중요한 부품이 탄소섬유로 된 수소탱크이다. 문제는 품질과 코스트에 대한 기술력인데 국제경쟁에서 이겨내기 위해서 45년의 후발 기술력을(1971년 일본 Toray회사가 Pan계 고성능탄소섬유생산 시작을 감안할 때) 어떻게 빨리 향상시키느냐가 제일 중요하다고 판단된다.

또 한 탄소섬유의 압도적인 물리적 특성으로 인해 기존 철강 및 알루미늄 시장을 잠식할 것이라고 하나 단기적으로는 어려울 전망이다. 즉 철강재로 구성된 구조물을 동일하게 탄소복합체로 대체할 경우 20~40% 가량 중량을 줄일 수 있지만 가격은 여전히 약 10배에 달한다. 따라서 연료효율이 결정적인 항공우주산업이나 무거운 배터리 무게를 보상해야 하는 전기차 등 일부 시장에서 확산이 예상된다.

그리고 대중화를 위한 가장 큰 걸림돌은 가격이다, 이는 1,000℃ 이상의 가열 에너지, 화학적 반응시간이 소요되는 특수한 생산공정이 원인이며 많은 부분 수동작업인 성형공정 등은 자동화를 통한 개선 여지가 있으나, 탄소섬유 제조공정 본래의 고에너지/저속 특성을 극복하기 위한 혁신이 필요하고 급격한 충격에 의한 파괴가 상대적으로 잘 일어나며, 스크래치나 파손 시 금속소재 대비 복원이 용이 하지 않아 기술 개발이 필요하며 라이프 사이클 이후 재활용이 용이한 금속소재와 달리 많은 에너지가 소요되는 리사이클링 기술 개선을 위한 연구 진행이 병행하여야 할 것으로 판단된다.(끝)

 

[참고 자료]
-『炭素纖維の本, 平松 徹 著, 2012.7.25.
-『炭素纖維の應用技術,  企劃 監修; 炭素纖維懇談會 1984.06.04..
-『The 15th Korea-China-Japan Joint Symposium Report, Masaki-Yosikawa
Osaka Gas co.,Ltd Japan. 2018.05.
-『10) Y. A. Kim,* T. Hayashi, J. H. Kim, M. Endo, Important Roles of Graphene Edges in Carbon-based Energy Storage Devices, Journal of Energy Chemistry 22 (2), 183-194 (2013).

-『탄소로 만든 실! 탄소섬유의 숨겨진 성장성에 주목』, 안상희, 대신증권 2012.11.6.
-『탄소연속섬유 복합체 제조기술』, 오창섭, 김영철, 한국과학기술정보연구원 2011.11 .
-『일본의 탄소섬유 시장 분석』, 일본지식리포트, 한일재단 일본지식정보센터
-『최신 탄소섬유 동향, Project E 커뮤니티 포럼』, 방윤혁, 효성기술원 2011
-『탄소섬유 제조방법 및 응용분야』, 서민강·박수진, 고분자과학과 기술 21, 2010.4
-『탄소보강섬유 중합체의 리사이클링』, 신희덕, 한국과학기술정보연구원 2011.11

※ *『炭素纖維の應用技術, 企劃 監修; 炭素纖維懇談會 1984.06.04. 발행한 책자를 1987년에 40,000Yen 에 구입한 기록이 있는데 이미 그 당시 일본에서 활발히 탄소섬유의 연구가 되고 있었음을 알 수 있다.

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