운송용 복합소재 미래 수요 대비 必

■ 차량용 복합소재 시장 폭발적 증가

지난해 11월 ‘JEC ASIA 2018 국제 복합소재 전시회’에서 ‘JEC 혁신상 상용차’ 부문을 수상한 코오롱그룹 복합소재센터의 리프 스프링(Leaf Spring)은 트럭 등 화물차의 차체를 지지하는 부품으로 기존 금속 대비 중량을 50% 이상 절감했으며, 5배 더 큰 내구성을 달성했다. 또한 기존 제품의 고질적 문제인 부식성도 해결했다.

이 제품은 대형 수송부문에서도 복합소재의 적용을 가능하게 하고, 이를 통해 경량화와 구조적 안전, 연비 향상을 통한 저탄소 실현을 가능하게 했다는 것이다.

이처럼 최근 운송부문에서 복합소재 시장은 지속 확대되고 있다.

하성규 한양대 교수에 따르면 중국의 탄소섬유 수요량을 살펴보면 2014년에는 1만5,000톤 수준이었으나, 2018년 1만6,700톤으로 증가했고, 2020년에는 3만톤 수준으로 늘 것으로 예측되고 있다.

또한 에폭시 레진 시장도 2021년 87억달러 시장에 이를 것으로 예상되고 있으며, 아시아가 전체시장의 50%를 차지할 것으로 보인다.

폴리에스터 시장도 2021년 46만불 시장을 열 것으로 예측되며, 자동차, 건설, 의료 등에서의 접착제 시장도 2021년 140억달러 시장을 형성할 것으로 전망된다.

열가소성 플라스틱 시장도 2021년 99억달러 시장을 형성할 것으로 보인다. 특히 접착제 시장, 열가소성플라스틱 시장, 에폭시레진 시장 등은 모두 아시아가 전세계의 50% 이상의 시장을 형성할 것으로 예측되고 있다.

더불어 전자파 차폐용 복합소재 시장은 2022년 전 세계적으로 91억달러의 시장을 형성할 것으로 전망되고 있다.

특히 JEC 그룹에 따르면 CFRP 부품 시장의 규모는 2014년268억달러 7만8,000톤 시장이었는데, 향후 10년간 연간 성장률이 금액기준 8.2%, 수량기준 10.6% 추정돼 2024년 595억달러의 시장이 예측되고 있다.

■ 항공기·풍력·車 부품 시장 수요 증가

기후변화 대책으로 자동차, 항공기 등에서 고장력 강판, 알루미늄, 마그네슘, 유리섬유강화 복합재, CFRP 등 경량 소재의 사용이 급증하고 있다.

특히 항공기 분야에서 사용이 늘고 있는데 보잉의 B787은 구조재의 50%가 35톤의 CFRP가 적용돼 알루미늄을 주로 사용한 B767 대비 기체중량을 20% 경량화 했다.

에어버스도 A350에서 복합소재의 사용비중을 52%까지 높였다.

글로벌 완성차 업체들은 친환경 및 주행거리 향상 등을 위해 기존 철강재를 고장력강판, 알루미늄, 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 등 경량 소재로 대체하려는 노력을 지속해 왔다.

일반적으로 1.5톤 자동차의 무게가 10% 감소하면 연료 효율성은 4∼6% 개선되고, CO₂ 배출량은 4.5%, NOx 배출량은 8% 감소하는 것으로 알려져 있다.

경량화 소재로 포드는 알루미늄과 고장력강판, BMW는 탄소섬유강화플라스틱, 폭스바겐그룹은 알루미늄과 탄소섬유강화플라스틱을 적극 활용하고 있는 것으로 전해져 있다.

BMW i3의 CFRP 사용량은 대당 약 150㎏으로 파악되며, i8, BMW 7 시리즈 등으로 적용을 확대했다.

현재는 적용 부위가 넓고 가격 경쟁력이 있는 알루미늄이 경량 소재로 각광받고 있으나 알루미늄 대비 3.8배에 달하는 CFRP가 가격 문제를 해소시 경량화 효율이 가장 높은 CFRP가 최적의 소재로 부상할 전망이다.

도레이에 따르면 준중형차에 CFRP를 최대로 적용하면 30% 정도(1,380㎏→970㎏)의 경량화가 가능한 것으로 알려지고 있다.

일본의 야노 경제 연구소는 고급차의 구조재의 일부 또는 교체 가능한 부품 수준에서의 철의 대체에 의한 CFRP 채용이 중심이 될 것이라고 전망한 바 있으며, 2020년 자동차용 CFRP 수요량은 2015년 대비 약 3 배인 2만8,000톤으로 증가할 것으로 예측했다.

또한 2020년 이후 전망에 대해서는 철의 대체에 의한 CFRP화에서 차체 설계 전체의 재료 설계의 재검토와 하이브리드 재료(철+CFRP, 알루미늄+CFRP)을 사용한 멀티 소재화에 대응한 자동차가 등장할 것으로 전망했다.

더불어 당분간 중, 고가의 차종이 CFRP 채용을 주도하겠지만 점차 더 낮은 가격대의 차종에서 CFRP의 채용이 늘고 CFRP 성형품의 채용도 기대됨에 따라 2025년 세계 자동차용 CFRP 수요량이 2015년 대비 9.2배인 8만5,231톤으로 증가할 것으로 예측한 바 있다.

항공기·차·풍력 등 수요 폭발, 주요 메이커 개발 치열
탄소융합기술원·탄소융합연구조합 등 기술지원 앞장

■ 운송용 구조재 수요 대응 다양한 복합소재 개발

이종소재와 하이브리드 CFRP, 항공기 엔진부품, 선박, 자동차 구조재 등을 위해 다양한 복합소재의 제품들이 개발되고 있다.

BMW는 알루미늄이나 스틸과 열가소성 CFRP를 조합한 하이브리드 성형기술을 개발해 BMW 7, BMW i3와 i8에 적용하고 있다.

아우디는 강도 6.3GPa, 탄성률 295GPa의 T1000급 탄소섬유 CFRP를 사용해 790g의 자전거 프레임과 총중량 5.8kg의 초경량 경주용 자전거를 개발한 바 있다.

GE의 고효율 항공기 엔진 LEAP의 Fan blade, 렉서스 LFA의 휠, 도요타 수소연료 전기차 Mirai의 고압탱크, 언더커버, Munich Composites의 버스용 에어스프링 빔 등 CFRP로 만든 신제품들이 속속 개발되고 있다.

코오롱은 복합소재 리프 스프링, 유리섬유를 적용한 데크 게이트 등을 자동차에 적용시키고 있고, 한화첨단소재는 탄소섬유를 적용한 스트럿타워, 파티션 패널, 범퍼빔, 스티프너, 시트백 프레임, 엔진언더커버, 전기차용 배터리케이스 등에 적용시키고 있다.

SK케미칼도 자동차 도어, 라디에이터 그릴, 리어 시키드, 루프레인, 리프 스프링, 프로펠러 샤프트, 디퓨저 등 자동차 부품에 적용시키고 있으며, 일진 복합소재, 금호피앤비화학 등도 수소차용 수소탱크 등에서 복합소재 능력을 보이고 있다.

■ 탄소융합기술원·탄소조합 등 국내 복합소재 기술발전 공헌

한편 탄소복합소재 산업은 아직 국가적인 관심이나 지원이 미비한 실정이다. 이에 전라북도, 경상북도를 중심으로 지역적으로 발전하고 있다.

특히 전라북도는 국내 유일의 탄소산업 전문연구기관인 한국탄소융합기술원(원장 방윤혁)의 주도로 탄소복합소재 산업이 활성화 될 수 있도록 적극 나서고 있다.

탄소융합기술원은 세계에서 3번째로 탄소섬유를 양산한데 탄소섬유 생산원가비용의 30%를 절감할 수 있는 획기적인 원천기술 개발에 성공한 바 있다. 탄소산업과 관련해 총 73개의 지식재산권을 특허로 등록했으며, 주요과학저널에 발표된 다수의 논문과 함께, 연구과제를 통해 생산한 제품 수만 20여개에 달하고 있다.

장비구축에 있어서는 지금까지 총 194개의 장비를 구축했으며, 2016년 9월에 탄소밸리 구축사업 장비들을 집적화한 탄소복합재 상용화기술센터를 개소했고, 이를 기반으로 300여개 이상의 기업들과 창업 보육 지원의 관계를 맺고 있다.

탄소기술교육센터에서는 해마다 1,000여명의 교육생을 배출하는가 하면, 창업보육센터를 중심으로 한 기업지원의 성공사례도 계속 만들어내고 있다.

국제탄소연구소를 중심으로 독일의 CFK 밸리, 영국의 AMRC등과 같은 유명연구기관과 협력하여 국제공동연구수행 및 탄소산업 국제네트워크를 구축해 현재 10여개국 21개 기관과 활발히 네트워크 활동도 전개하고 있다.

또한 탄소융합산업연구조합(이사장 유영목)도 국내 탄소 기업들의 시장 확대를 위해 적극 나서고 있다.

전라북도와 깊은 협력관계를 맺고 국내외 마케팅과 탄소상용화 기술개발 등에 협업을 진행하고 있으며, 매년 진행하고 있는 기술연구회를 통해 탄소의 소재-중간재-최종제품으로 이어지는 기업들의 융복합 플랫폼 구축으로 연구 시너지 효과를 이끌어 내고 있다.

KIST전북분원, 한국탄소융합기술원 등 도내 연구기관과 협력해 보유중인 탄소복합재 생산 및 시험장비 활용해 도내 중소기업의 시제품 생산 등을 지원하고 있으며, 전북창조경제혁신센터와는 탄소섬유 등 산업 소재가 기업들에게 원활히 공급될 수 있도록 수요조사 및 일괄구매 등을 지원하고 있다.

지난 12월10일에는 경북을 중심으로 새롭게 설립된 탄소복합재기술조합과 MOU를 맺고 탄소산업 발전 및 활성화와 탄소기업 성장에 함께 기여하기로 한 바 있다.

▲ ‘JEC 혁신상’을 수상한 코오롱 복합소재 리프 스프링

▲ 글로벌 자동차용 CFRP 수요 전망(자료 : 일본야노경제연구소)

▲ 지난 12월10일 탄소연구조합과 탄소기술조합 MOU 체결식에서 (왼쪽)유영목 탄소융합산업연구조합 이사장과 서중호 탄소복합재기술연구조합 이사장이 기념촬영을 하고 있다.

▲ ‘JEC ASIA 2018 국제 복합소재 전시회’ 한국탄소융합기술원 부스 전경