HOT TECH - 도약하는 대한민국 탄소섬유 산업
“섬유로 자동차, 항공기를 만드는 시대로 접어 들었다”라는 문구를 뉴스매체를 통해 한 번쯤은 접해 보았을 것이다.
일반인들은 섬유라고 하면 단순하게 실이나 옷감을 연상하겠지만, 최근 항공기에 탄소섬유라는 신소재를 활용하여 제작하고 있다고 하니 실로 놀라움을 금치 못한다.
섬유산업은 과거 60~70년대 대한민국의 초우량산업으로 성장해 왔지만, 신흥국의 강세로 점차 국내 자리를 내어주게 되었다.
하지만 과거의 명맥을 되찾기 위해 국내 업체에서 외국 기술에 도전하고 있으니 그것이 바로 “탄소섬유”이다.
지구 환경을 책임지는 탄소섬유
2013년 6월 26일 미국 오바마 대통령은 지구온난화 및 급격한 기후변화에 대처할 방안의 하나로 온실가스 배출 규제 촉구를 강조하였으며, 이에 따라 산업별 이산화탄소 배출량과 신재생에너지 사용량 등을 고려한 규제안을 만들 계획을 전했다.
대부분의 이산화탄소는 석탄을 이용한 발전시설과 수송기기에서 70% 이상 발생한다.
이러한 이산화탄소 발생을 예방하기 위해 세계적으로 신재생 에너지인 풍력발전, 태양에너지 개발이 진행되고 있으며, 최근 전기 및 연료전지 자동차의 개발이 급속도로 진행되고 있다.
하지만 원천적인 본질에는 하나같이 효율성 극대화, 즉 경량화가 기본적으로 필요하다.
이러한 문제를 해소하기 위해 필요한 것이 기존 소재 능력을 뛰어 넘는 대체 소재인데, 최근 탄소섬유가 주목받고 있다.
탄소섬유란 무엇인가?
탄소섬유는 석유와 석탄에서 추출된 원료를 사용하여 제작된다.
사용원료에 의한 구분으로 대표적인 3가지가PAN (Polyacrylonitrile), Pitch, Rayon이다.
이러한 원료로부터 방사한 원료섬유를 ‘전구체(Precursor) 섬유’라 하며, 이들 전구체 중 PAN계가 세계 시장의 90% 이상 차지한다.
탄소섬유는 ISO기준 “유기섬유 전구체를 가열·소성하여 얻은 탄소함유율 90%이상인 섬유”로 정의되어 있으며, 다양한 기계적 특성 중 비중은 철의 약¼, 비강도는 철의 10배 이상, 비탄성율은 철의 7배 이상이고, 녹슬지 않으며, 내열성, 내약품성, X-선 투과성, 전기전도성 등 금속이 가지는 특성도 포함한 우수한 성질을 발현하기에 스포츠레저·풍력발전·자동차·항공우주 등 산업 핵심 내·외장재로 활용된다.
이렇게 우수한 성질을 발현하는 탄소섬유의 역사는 다른 섬유 대비 그리 오래되지 않았다.
19세기 말 발명왕 에디슨의 백열전구용 천연 셀룰로오스 Filament로 사용한 것이 탄소섬유의 시초로 1950년대 미국 및 소련의 ‘스타워즈’ 계획에 의해 항공우주 개발을 위한 고내열성 소재가 필요하였는데, 그때 개발된 것이 실용적인 Rayon계 탄소섬유이다.
미국의 동향에 자극받은 일본이 1962년 PAN & Pitch계 전구체를 사용한 섬유를 개발, 그것이 바로 지금의 탄소섬유의 모체가 되었다.
일본은 1차 세계 석유 위기(1973년)때 골프샤프트 및 테니스라켓, 낚시대등 스포츠·레저 분야를 중심으로 상품화하였고, 1970년대 후반 항공기 분야의 탄소섬유 활용 증대로 비약의 시기를 거쳤으나 1990년대에 들어와 세계 정치의 냉전체제 종료에 의한 군사·항공우주 용도의 복합재료 수요 정체로 탄소섬유 제조업체의 구조 전환이 필요하게 되었다.
최종 Toray, Toho Rayon, Mitsubishi Rayon 등 일본3社가 남게 되어 현재 탄소섬유 세계시장의 60% 정도를 차지하게 됐다.
국내의 경우 1988년 이후 태광산업, 제철화학, 한일합섬이 연구 개발에 도전하여 태광산업만이 개발에 성공하였으나, 여러 가지 주변사정에 의해 중단하였다.
2007년 이후 탄소섬유의 원료인 Acrylonitrile(AN) 생산과 Acrylic Fiber 생산 기반을 갖추고 있는 태광산업이 탄소섬유 개발에 재도전하여 자체 개발에 성공하면서 2012년 국내 최초로 상업화를 본격적으로 시작하였다.
그리고 2009년 전주탄소기술원 및 효성은 정부과제로 개발을 진행하였다.
탄소섬유 제조 공정
PAN계 탄소섬유 제조 공정을 간단하게 요약하면 석유에서 유래한 Acrylonitrile(AN)을 중합(Polymerization) 및 제사(Spinning)하여 연속적인 Polyacrylonitile(PAN)섬유를 1차 생산하고, 2차로 내염화(Oxidation) 공정, 탄화(Carbonization) 공정, 표면처리(Surface Treatment) 공정 및 사이징(Sizing) 공정을 통해 최종 제품이 완성된다.
전구체(Precursor) 섬유는 90% 이상의 Acrylonitrile(AN) 단량체(Monomer)와 다양한 공단량체(Co-monomer)를 중합하게 되는데 분자량은 약 10,000~수백만 g/mol까지 폭넓은 값을 가진다.
전구체 섬유는 AN을 섬유방사기술(Fiber Spinning Technology)을 통해 섬유 전체에 걸쳐 미세기공이 적은 고배향 연속섬유(High Oriented Continuous Filament)가 제조된다.
분자구조 변화는 1차 생산한 PAN섬유를 일정온도까지 가열하면 고리구조를 형성하며 까맣게 변화하는데, 이때 사다리 구조의 고분자 형태로 볼 수 있으며, 더 높은 온도에서 일정시간 가열하게 되면 산화반응에 의해 방향족 고리화구조(Aromatic Cyclized Structure)를 가진 고분자형태로 향후 1,000℃~3,000℃까지 가열하면 흑연구조를 가진 탄소섬유가 만들어진다.
이러한 제조 공정 중 ‘용제 제조방법 및 PAN 섬유 방사 방식, 탄화 온도’에 따라 다양한 성질(강도 및 탄성률)의 탄소섬유가 제조된다.
탄소섬유는 역학적으로 저탄성률, 표준탄성률, 중탄성률, 고탄성률, 초고탄성률로 분류되는데, 제조 공정 중 발생하는 탄소섬유의 기본구조(결정 크기 및 섬유축에 대한 배향도)에 따라 분류되며, 기본구조의 개선으로 탄성률이 3배 이상 향상될 수 있다.
탄소섬유의 가격구조는 전구체(Precursor) 섬유가 약 43%로 가장 큰 비중을 차지하며, 에너지 소모가 큰 안정화 공정에서 18%를 차지하기에 탄소섬유의 저가화를 위해서는 저가의 전구체 개발이 필수며 또한 에너지 소모가 적은 안정화 및 탄화공정 개발이 요구된다.
탄소섬유의 시장 및 적용 분야
PAN계 탄소섬유는 현재 일본 3社(Toray, Mitsubishi, Toho)가 세계 탄소섬유 생산량의 60%정도를 생산하고 있으며, 시장 규모는 연 10% 정도 성장할 것으로 예측되기에 일본, 미국, 유럽 등에서 생산설비 증설 추진으로 산업분야를 리드하고 있다.
최고 품질의 제품은 일본이 부동의 자리를 매김하고 있지만, 최근 신흥국 메이커들의 연구로 기술격차를 줄여가고 있는 추세며 최근 자동차 및 항공우주 분야의 급속한 발전 및 고급화에 의해 새로운 용도 개발을 촉진, 수요증가도 예상된다.
자동차 및 항공우주 분야에서 경량화는 이산화탄소 배출량과 직결되기에 선진국을 중심으로 ‘탄소섬유 적용을 통한 경량화’라는 화두가 떠오르고 있다.
2012년 기준 자동차의 이산화탄소 배출규제가 대폭 강화되어 규제 미충족 시 대당 5,000 달러 Penalty 부과로 사실상 시장 진입이 불가능하기에 완성차 및 부품 관련 업체에서는 경량화가 초유의 관심사로 부각되고 있다.
자동차 부품의 경량화 실현을 위해서는 소재의 경량화, 구조물의 경량화, 디자인 경량화가 필요하다.
그 중 소재의 경량화 부분에서 철·강 부품의 경량화는 최대 30%가 한계, 탄소복합재료를 적용 시 40% 경량이 가능하다는 보고가 있지만, 재활용 규제로 인해 활용폭이 소폭 감소한 추세다.
하지만 향후 재활용 관련법규 규제 및 관련기술 발달로 점진적으로 적용 폭은 증가 할 것으로 예상된다.
2013년 하반기에 독일 BMW는 100% 전기 상업화 자동차(BMW I3)를 판매한다고 하여 세계적 관심도가 높아지고 있다.
괄목할만한 점은 전기에너지 효율을 증대시키기 위해 차체 대부분을 탄소복합재료로 적용하며, 탄소섬유를 활용한 양산자동차가 먼 미래 이야기가 아닌 바로 우리 눈앞에 있다는 점이다.
독일 폭스바겐도 시판예정인 탄소복합 자동차에서 차체 중량 380Kg로 72Km/L 로 경의적인 연비를 보여줌으로써 경량화 경쟁은 눈에 띄게 가열될 조짐을 보이고 있다.
항공기의 경우, 예전엔 특수용도의 항공기에 국소적으로 적용되었으나, 최근 민항공기에 탄소섬유 적용 범위를 늘려가는 추세이다.
최근 Boeing과 Airbus는 50% 이상 적용, 연간 약 3,000톤 이상 새로운 수요가 발생할 것으로 전망되고 있다.
예로써 Boeing 787은 대당 약 35톤 이상의 탄소섬유를 사용함으로써 1200장의 알루미늄 판과 5만 개의 체결볼트를 대체하여 15% 경량화 및 20% 연료효율성이 증가로 운항거리를 6,000Km로 늘릴 수 있게 되었으며 부식문제가 없기에 유지보수비를 20% 이상 줄일 수 있게 되었다.
탄소섬유 기술개발 실태 및 발전 전망
탄소섬유 산업의 본격적인 성장 실현을 위해 업계에서 해소해야 할 과제는 몇 가지가 있다.
① 가격, 에너지, 환경 부하 저감
탄소섬유의 가격은 금속재료 보다 훨씬 높게 형성이 되어 있기에 에너지 및 자동차 분야로의 전개에 큰 걸림돌로 작용한다.
특히 제조 중 사용되는 에너지와 이산화탄소 배출절감 및 생산을 위해서는 국가적인 차원에서 추진되어야 하며, 비석유 및 바이오 원료를 이용한 탄소섬유 개발 또한 반드시 이루어져야 한다.
② 생산 가공 기술
독립적인 재료로 탄소섬유를 응용할 수 없기에 다양한 소재의 접목이 필요하다.
특히 ‘분 단위 성형’으로 제작되는 자동차 분야에 적용하기 위해 제조사들이 독자적인 고속성형방법을 개발 및 추진하고 있으며, 국가적인 복합재료 센터 구축으로 재료메이커, 가공성형메이커, 기계 메이커 등이 참가·집결하여 연구개발 병행 및 진행이 절실하다.
③ Supply-Chain
본격적인 양산 자동차 및 산업용도 채택에 있어서 탄소섬유 성형가공을 다루는 중소기업은 한정되어 있으며, 뛰어난 기술력을 가진 중소기업을 육성· 지원 및 촉진하는 대처방안 구축이 국가적으로 더 중요해지고 있다.
지구환경 보전과 인류의 풍요로움을 위해 탄소섬유는 각종 구조물의 수명연장 및 이산화탄소배출 절감을 실현 할 수 있는 소재다. 때문에 탄소섬유 업체는 환경부하가 적으며, 생산성 향상 및 저원가 제조방법 전환이 필요하다.
소재, 수지, 성형가공 외에 리사이클 기술 등 사회에 가치를 제공할 수 있는 종합적인 사업 계획이 필수적이기에 국가적으로 관계자분들의 적극적인 노력이 더욱더 기대된다.