■탄소중립에 더욱 각광받는 탄소섬유

탄소섬유는 PAN(Polyacrylonitrile) 수지, 석유계·석탄계 탄화수소잔류물인 피치(Pitch, 아스팔트) 또는 레이온(Rayon)으로부터 제조된 섬유로서, 탄소의 질량 함유율이 92% 이상인 탄소계 섬유 소재를 말한다.

탄소섬유는 철에 비해 무게는 1/4이지만 10배의 강도와 7배의 탄성을 갖고 있다. 또한 저밀도, 고탄성, 고강도, 낮은 열팽창계수, 높은 전도도, 내부식성, 화학적 안정성, 마모성, 크리프 저항성 등이 뛰어나다. 고성능·고기능성 섬유인 탄소섬유는 주로 섬유강화 복합재료로 사용되며 항공·우주, 방산, 스포츠·레저 산업부터 토목·건축, 자동차 산업에 이르기까지 광범위한 산업에 폭넓게 적용되고 있다. 이로 인해 ‘꿈의 신소재·미래 산업의 쌀’ 등으로 불린다.

최근에는 에너지 절감과 온실가스 저감 등 글로벌 이슈와 관련해 전자기기 및 운송 수단의 경량화, 신재생에너지 등의 분야에서 엄청난 성장이 예상되며, 기존의 철이나 알루미늄 등과 같은 금속 소재를 대체하는 범용재료로서 성장할 것으로 예상된다.

▲ 탄소섬유 응용 시장(자료:KEIT)

■ 탄소섬유 종류

탄소섬유는 원료, 열처리 온도, 용도, 제조법 및 조건 등에 따라 구분할 수 있다. 원료에 따라 PAN계, 피치계, 레이온계 탄소섬유 등으로 분류된다. PAN계 탄소섬유는 폴리아크릴로나이트릴을 전구체로 사용한 섬유로 고강도를 구현할 수 있어 우주·항공용으로 사용된다. 탄소섬유 전구체 중 경제성이 우수하며 목적에 따라 습식, 건식, 용융 방사법 등을 통해 미세한 섬유로 제작이 가능하다. 피치계 탄소섬유는 석유 잔류물로부터 얻어지는 저가의 탄소계 물질인 피치를 직접 용융 방사해 얻은 저물성의 피치섬유를 전구체로 하는 섬유로, 스포츠 및 산업용 범용섬유다. 레이온계 탄소섬유는 레이온 섬유를 전구체로 해 제조된 탄소섬유를 말하며, 물성이 자유롭게 조절되지 않아 활용도가 어려워 널리 상용화되지 못하고 있다. 현재는 PAN과 피치 탄소섬유가 주로 사용되고 있다.

열처리 온도에 따라 분류하면 약 350℃ 온도로 처리해 탄소 섬유의 특성을 갖추지 못한 방염섬유와 800~1500℃의 온도에서 만들어진 탄소섬유, 2,000℃ 이상의 고온에서 가열 처리해 흑연화한 흑연섬유로 분류할 수 있다.

또한 탄소섬유의 기계적 성질인 인장강도와 탄성률을 이용해 초고탄성률, 고탄성률, 중탄성률, 초고강도, 고강도 탄소섬유로 구분된다. 고성능 탄소섬유는 고부가가치의 항공·우주 산업 및 방산 산업에 활용되고 있다.

제품의 형태에 따라서는 필라멘트(Filament), 토우(Tow), 직물(Woven Fabric), 프리프레그(Prepreg), 매트(Mat), 촙섬유(Chopped Fibers) 등으로 분류된다. 필라멘트는 다수의 모노 필라멘트 섬유로 구성되는 긴 섬유 다발로, 꼬임이 없거나 일부 있는 형태다. 토우는 매우 많은 필라멘트로 구성되어 있으며 꼬임이 없다. 직물은 필라멘트, 스테이플 등으로 제작한 원단이다. 프리프레그는 탄소섬유를 열경화성 수지에 함침해 반건조상으로 만든 형태다. 촙섬유는 필라멘트사나 토우를 일정 길이로 절단한 형태의 탄소섬유다. 매트는 촙섬유를 건식법으로 얇게 2차원으로 한 후 유기질 바인더를 이용해 섬유를 가볍게 접착시킨 형태다.

■수송기기 분야 적용속도↑

탄소섬유 산업은 탄소섬유의 우수한 물리적 특성을 극대화할 수 있는 항공·우주 산업을 중심으로 발전돼 왔다. 또한 경량화 특성으로 인해 수송기기 분야(항공기, 자동차, 열차, 선박 등) 와 우수한 내구한도 특성으로 인해 에너지 분야(압력용기, 풍력발전용 날개 등) 등으로 적용 범위 확대가 빠르게 진행되고 있다. 국내의 경우 스포츠·레저 용품 산업(골프채, 낚싯대, 레저용 보트 등) 비중이 컸었지만 점차 일반산업기계(기계 롤, 로봇팔, 의료기기 등) 및 토목·건설용(내진보강재, 방음벽, 교량건설용 부품 등) 자재로 활용이 늘고 있다.

탄소섬유의 활용 분야가 다양해지고 그 영역이 확대됨에 따라 수요가 급격하게 증가하고 있으며, 특히 자동차 분야, 에너지 분야, 스포츠·레저 시장에서 탄소섬유의 채용 속도가 증가하고 있다. 전방산업으로는 수송기기, 에너지, 스포츠·레저, 토목·건설, 일반산업 기계 등이 있다.

탄소섬유 산업은 전방산업이 요구하는 소재를 공급하는 중간재 산업으로 요구물성과 기능성을 부여한 소재의 생산이 핵심 요소며, 기술 중요도가 높은 산업이다. 소재가공기술, 제조공정 기술 등 기술 중요도가 높고, 원천기술 확보 여부가 주요 경쟁력으로 작용한다. 그래서 기술 개발에 장기적인 투자가 필수적이고 초기 설비구축 및 생산을 위한 대규모 투자가 요구되는 산업이다. 또한 수요처 확보가 어렵고 막대한 자본 투자에 대한 부담이 높아 신규업체의 진입이 매우 제한적이다.

■ 세계 탄소섬유 시장 2024년 78억불

▲ 세계 탄소 섬유 시장 전망(중량기준)(자료:KEIT)

Carbon Composites에 따르면, 세계 탄소섬유 시장은 2010년 3만3천톤에서 연평균 11% 이상의 성장률로 증가하고 있으며 2022년에는 11만7천톤에 달할 것으로 전망된다. 금액으로는 2019년 약 47억 달러에서 2024년 약 78억달러로 성장할 것으로 예상된다.

현재 일반 탄소섬유 제조가 가능한 나라는 미국, 일본, 독일, 중국, 대만, 벨기에, 한국 정도다. 세계 탄소섬유의 지역별 시장을 살펴보면 2019년 기준으로 북미 지역이 39.77%로 가장 큰 시장을 형성하고 있고 다음으로 유럽(28.27%)과 아시아태평양(23.90%) 지역이 그 뒤를 따르고 있다. 아시아·태평양 지역은 향후 다양한 산업에서 탄소섬유 적용 비중이 빠르게 확대되면서 빠르게 성장할 것으로 예상된다. 현재 세계 탄소섬유 시장의 50%를 일본 기업이 차지하고 있으며 일본 기업을 중심으로 세계 공장을 운영하며 생산을 하고 있다. 그 뒤를 미국(10.9%)과 중국(9.9%), 독일(9.4%) 등이 차지하고 있으며, 중국의 경우 탄소클러스터 조성, 세제혜택 제공 등의 국가의 장기적인 정책 지원을 받으며 그 규모를 빠르게 확장하고 있다.

탄소섬유의 응용 분야별 중량기준 수요시장 규모는 2016년에는 △자동차 18.8% △에너지17.7% △항공·방산 14.3% △스포츠·레져 11.1%를 차지했다. 2022년에는 △자동차가 22% △에너지 18% △항공·방산이 15%로 △압력용기10% 이상을 차지할 것으로 예상된다.

세계 탄소섬유 시장은 항공우주 산업에서의 수요 급증, 자동차 경량화를 통한 연료 소비효율 증대, 풍력발전 산업에서의 수요 증가로 인해 빠르게 확대될 것으로 예상되며, 적용 산업 범위의 확대는 탄소섬유 시장의 성장 속도를 더욱 촉진할 것으로 예상된다.

◇자동차

현재 각국의 CO₂ 규제 강화로 인해 탄소섬유의 장점이 크게 주목받고 있다. 국가별 규제 현황을 살펴보면, 미국은 2015년 대비 2025년까지 현재보다 61% 이상 개선된 리터당 23.2km, 중국은 72% 개선된 25km의 연비를 요구하고 있다. 자동차 내연기관을 통한 연비 개선이 한계에 이르면서 연비 효율의 방향이 경량화로 재편되고 있는데 중형차 대상으로 탄소섬유를 적용 시, 차체와 전장부품의 20% 수준까지 대체할 수 있고, 중량은 30% 절감돼 자동차에 대한 탄소섬유 적용이 더욱 가속화될 전망이다.

BNEF(2018)에 따르면, 세계 순수 전기차 및 플러그인 하이브리드 자동차는 2017년 110만대가 판매됐으며, 2025년에는 1,100만대, 2040년에는 6천만대로 연평균 18%의 성장이 예상되어, 탄소섬유를 채용한 전기 자동차의 증가 속도도 빠르게 늘어날 것으로 예상된다.

주요 완성차 업체들인 BMW, 벤츠, 테슬라 등에서 아직 양산형으로 적용하지 않고 일부 부품들에만 채용하고 있으며. 탄소섬유 업체와의 전략적 개발을 추진하고 있다.

◇에너지 분야

풍력 발전용 블레이드 시장이 탄소섬유의 주요 시장으로 부상하고 있다. BNEF에 따르면, 글로벌 해상풍력 시장은 2017년부터 2030년까지 연평균성장률 16%로 빠르게 성장할 것으로 예상된다. 또한 발전 효율을 높이기 위한 블레이드의 대형화 추세에 따라 무거운 철제 블레이드 대신 탄소섬유 복합소재로 대체되고 있고, 풍력 시장이 육상풍력에서 해상풍력으로 이동하면서 흡습성 문제 등으로 인해 유리섬유 적용이 어려워 경량 특성이 뛰어난 탄소섬유 수요량이 지속적으로 증가할 것으로 예상된다.

◇항공

항공 분야에서는 연비 효율성 이슈로 인해 보잉 787, 에어버스 A350 등의 민간 항공기에 적극적으로 탄소섬유가 도입되면서 현재 복합소재 적용률이 50%이다. 그 적용 비율이 계속 증가할 것으로 예상되며 안정적인 고부가가치 시장이 형성될 것으로 전망되고 있다. 세계 탄소섬유 시장에서 약 15%를 차지하고 있는 우주·항공 분야는 금액 기준으로는 대략 60%의 높은 점유율을 보여주고 있고, 이는 우주·항공 분야 탄소섬유 시장의 뛰어난 고부가가치 특성을 보여준다.

◇압축용기

환경 측면에서 기존의 가솔린이 아닌 천연가스나 연료전지를 자동차 산업에 이용하려는 정책들이 발표되고 있어, 천연가스 및 연료전지 자동차의 연료 탱크에 탄소섬유가 사용되기 시작되했다. 이로 인해 압축용기용 탄소섬유 수요량이 큰 폭으로 성장할 것으로 예상된다.

전자·운송수단 경량화·신재생E 폭발적인 성장기대

탄소섬유 제조 기술개발, 시장경쟁력 확보 필요

■韓 탄소섬유, 선진국·후발국 샌드위치 신세

2017년 기준, 국내의 탄소섬유 생산량은 6,700톤으로 조사됐다. 이중 국내 수요량은 3,460톤이며, 대부분 스포츠·레져 산업 및 건축용으로 이용되고 있다. Global Carbon Fiber Market 2020-2024에 따르면 국내 탄소섬유 시장은 2017년 421.3억 원에서 2019년 497.7억 원 규모로 성장했으며, 향후 연평균 11.64%의 성장률을 보여 2024년에는 863.1억 원의 시장규모를 형성할 것으로 전망된다. 스포츠·레저, 자동차, 항공우주 산업을 중심으로 수요가 꾸준히 증가할 것으로 예상되며, 차량 경량화, 소재 산업 경쟁력 확보를 위한 정부의 각종 연구·개발 지원 사업의 증가는 탄소섬유 시장 성장에 긍정적인 요소로 작용할 것으로 예상된다.

▲ 국내 탄소섬유 시장규모 및 전망(자료:KEIT)

미래 첨단소재로 여겨지는 탄소섬유 산업이 유망함에도 불구하고 국내 탄소섬유 산업과 시장 활성화가 늦어지는 요인으로는 높은 가격, 제조기술의 미흡, 선진국의 높은 기술 진입 장벽, 글로벌 리딩 기업의 부재 및 생태계 조성 미흡, 중국업체의 부상 등으로 분석된다.

미국, 일본, 유럽 등의 탄소섬유 수요 국가는 중고급 탄소섬유를 주로 소비하기 때문에 기술력과 브랜드 파워가 약한 국내 기업체들은 중저가 제품의 수요가 많고 시장 성장성이 큰 중국을 중심으로 진출했으나, 최근 중국의 기술력 향상과 높은 가격 경쟁력으로 인해 중국으로의 수출이 정체된 상태다.

탄소섬유 소재의 최대 수요처들인 우주·항공, 풍력 블레이드 분야에서는 선진국의 높은 기술력으로 국내업체들이 시장을 진입하지 못하고, 중국과 경쟁이 심한 스포츠·레져용, 일반 산업용 분야를 중심으로 사업을 수행하면서 시장 확대에 어려움을 겪고 있다.

■ 탄소섬유 소재의 기술 개발 동향

유기물의 열분해를 통해 제조되는 탄소섬유는 방사 공정, 안정화·탄화 공정, 후처리 공정을 통해 제조된다. 따라서 탄소섬유는 전구체의 종류, 방사 조건, 열처리 조건, 그리고 후처리 조건 등에 의해 물리·화학적 구조가 달라지며 이에 따른 물성 또한 다르게 나타난다. 탄소섬유 기술개발은 고성능 탄소섬유 개발과 저가 탄소섬유(범용 탄소섬유) 개발로 나눌 수 있다.

◇저가 탄소섬유 기술개발

탄소섬유는 높은 강도, 낮은 질량으로 인해 항공·방산 및 스포츠·레저용품 산업에서 수십 년간 사용됐으나, 높은 가격으로 인해 다양한 산업에 적용하는데 어려움이 있다. 현재 우주·항공용 탄소섬유는 1kg당 20~25달러 수준으로 형성돼 있으나, 풍력 블레이드와 자동차 산업의 경우 1kg당 10~15달러 수준이다. 이에 저가 탄소섬유에 대한 세계 각국의 연구개발은 활발하게 진행되고 있다. 저가 탄소섬유 제조기술 개발에 성공한다면 급격한 수요증가가 예상된다.

현재 탄소섬유의 가격이 높은 이유는 복잡한 생산 공정 때문인데, 원자재를 탄소섬유로 전환하기 위해서는 자본 집약적 장비 등 여러 단계를 거쳐야 한다. 탄소섬유의 대표적 전구체인 PAN은 고분자 탄소섬유를 제조하는데 가장 좋은 물질이나 가격이 높아 전체 생산비용에 30%가량을 차지하고 있다. 이에 주요국들은 저가의 전구체를 개발하거나 공정비용을 줄이는 공정을 개발하는 방법으로 진행되고 있다. 공정비용 절감을 위해 고분자 섬유를 만드는 섬유 방사, 안정화, 탄화공정 개선 등을 하는 개발이 이루어지고 있다.

섬유방사 공정의 경우 PAN 섬유는 습식 공정을 통해 제조되는데 선속이 최대 200m/min으로 용융방사보다 10배가량 느리다는 단점이 있다. 용융방사 공정을 도입하면 제조비용을 절감할 수 있으나 PAN 섬유의 경우 녹기 전에 고리화가 일어나 용융방사가 불가능하다.

따라서 용융방사가 가능한 PAN 고분자 합성 또는 용융방사가 가능한 폴리에틸렌 등 고분자를 활용한 탄소섬유 제조기술 개발 연구가 진행 중이다. 방사된 PAN 섬유는 안정화 공정을 거치게 되는데 안정화 공정은 고리화, 탈수소화, 산화반응이 동시에 일어나는 복잡한 공정으로 탄화 공정 시 섬유가 불용화되기 위한 매우 중요한 공정이다. 안정화 공정은 공기 중에 온도를 최대 300℃까지 올리며 진행되는데, 공기 중의 산소를 섬유 안까지 확산시켜 화학반응을 발생시켜야 하므로, 1시간 이상의 시간이 소요돼 시간·에너지 소모가 큰 공정이다. 탄화 공정은 안정화 섬유를 탄소섬유로 전환하는 공정이며 최대 1500°C 불활성 가스 분위기에서 처리해야 하므로 많은 에너지가 소모된다. 따라서 안정화·탄화 공정의 시간 단축과 에너지 저감을 위한 공정연구가 활발하게 진행되고 있다.

◇고성능 탄소섬유 기술개발 동향

탄소섬유는 금속이나 세라믹을 대체할 수 있는 경량 구조부품을 제공할 수 있어, 70년대부터 항공·방산 산업에서 핵심 소재로 활용되고 있다. 고성능 탄소섬유는 수출입이 통제되는 전략물자 품목으로 원하는 시기에 필요한 물량을 확보하기 어려움이 있다. 최근에는 고부가가치 산업인 항공·방산 산업에 적용되는 탄소섬유의 수요제기 사양이 강화됨에 따라 초고강도 및 초고탄성 탄소섬유에 관한 연구들이 활발히 진행되고 있다.

탄소섬유의 경량, 고강도, 고탄성률의 기계적 물성은 탄소섬유의 미세구조에 기인하기 때문에 탄소섬유 미세구조 제어를 통한 물성 향상에 관한 연구가 탄소섬유 상용화와 함께 오래전부터 연구됐다. 기계적 물성은 제조 공정과 밀접한 연관이 있어 기계적 물성은 공정 변수에 따라 좌우될 수 있다. 물성-구조-공정 상관관계 역시 탄소섬유 연구에 중요한 부분이다.

탄소섬유의 기계적 강도를 증가시키는 방법으로 표면의 거칠기, 기공의 크기 및 양을 제어하는 방법으로 연구돼 왔다. 거칠기 및 기공의 크기가 마이크론에서 서브 마이크론 또는 나노 로 작아지면서 인장강도가 높아지는 경향이 나타났다.

탄성률은 탄소섬유 내부의 흑연 결정구조의 크기에 따라 좌우된다. 흑연 결정구조를 성장시켜 탄성률을 증가시키는 방법으로 탄성률을 조절했다. 또는 흑연결정이 섬유 방향으로 잘 배향돼 있으면 높은 탄성률을 갖는 탄소섬유 제조가 가능하다. 흑연결정의 배향성은 탄성률뿐만 아니라 인장강도와도 깊은 관계가 있어 PAN 섬유의 분자 배향성과와 같이 흑연 결정의 배형성 향상이 인장강도 향상 결과를 가져온다. 탄소섬유의 기계적 물성은 탄소섬유의 기공 및 결함의 크기와 양, 흑연 결정구조의 발달정도와 크기, 배향성 등 탄소섬유 구조 중 물리적 구조에 초점을 맞추어 연구가 진행되고 있다.

■ 주요국 기술개발 지원 현황

주요 국가들은 탄소산업을 육성하기 위해 정책지원, R&D, 탄소밸리·클러스터 조성 및 예산 지원, 산업기지 건설, 세제 혜택, 혁신센터 개설 등 다양한 지원을 하고 있다.

▲ 세계 각국의 탄소섬유 기술개발 정책지원(자료:KEIT)

중국은 지속적으로 국가의 장기적인 정책을 수립해 2곳의 탄소클러스터와 7곳의 산업기지를 건설하고 세제 혜택을 제공할 예정이며, 2025년까지 혁신센터 40개소를 개설할 예정으로 탄소섬유의 자급률을 높이기 위해 노력하고 있다.

미국은 에너지부가 주축이 되어 R&D를 지원하고 있고, 첨단제조업파트너쉽을 통해 혁신센터를 개설하고 탄소클러스터를 조성했으며, 탄소섬유 및 복합소재의 저가화에 집중하고 있다.

독일은 정부 차원에서 탄소섬유를 경량화 핵심기술로 선정해 다양한 R&D를 추진하고 있고, 탄소밸리와 클러스터를 조성해 항공 및 자동차 분야에 집중적으로 연구개발을 추진하고 있다.

일본은 가장 오래전부터 정책적으로 연구개발을 진행해 왔다. 탄소 클러스터를 조성해 자동차용 탄소복합소재 개발에 중점을 두고 있으며, 지역 및 대학교의 연구기관에도 연구 활동 및 산업 육성을 지원해 주고 있다.

한국은 탄소소재법 제정으로 국가적 육성 정책을 추진하고 있으며, 탄소밸리와 클러스터를 조성하고 혁신센터를 개설해 탄소섬유 소재 및 상용화 기술개발에 집중하고 있다. 현재 우리나라는 탄소섬유 제조 기술개발을 통한 시장경쟁력 확보가 필요하다. R&D 강화를 통해 우주·항공, 자동차, 에너지 분야로의 제품 확대가 필수적이다. 스포츠·레저용, 일반산업용 분야를 기반으로 제품 개발 및 생산을 확대해 시장규모가 크고 성장성이 높은 우주·항공, 자동차, 에너지 분야의 시장에 진입해야 한다. 국내산 탄소섬유의 시장진출을 위해 오랜 기간 품질의 안정성과 이를 뒷받침할 수 있는 탄소섬유 소재 물성의 데이터베이스 구축, 자동차와 에너지용으로는 저가의 탄소섬유 소재 개발, 그리고 고부가가치의 우주·항공 분야로의 진출을 위한 고성능 탄소섬유 소재 개발이 필요하다.

또한 정부 중심의 집중적이고 일관된 정책지원 필요하다. 탄소섬유의 경우 노하우성이 매우 높은 산업이며, 섬유의 양산을 위해서는 대규모 투자와 지속적인 R&D 비용이 요구된다. 선진국에 뒤처져있는 탄소섬유 제조기술을 빠르게 발전시키기 위해 탄소섬유 소재 관련 종합발전계획 수립, 정보체계 구축, 전문인력 양성 등 국내 탄소섬유 소재 산업을 집중적으로 발전시키고 일관되게 정책지원을 수행할 수 있는 컨트롤타워를 구축할 필요가 있다.