탄소/탄소복합재, 저비용 및 고성능화·내산화성 기술 향상

2029년 세계 시장 23억 불 규모, 항공우주 등 분야 해외 선도

핵심 기술 이전 제한 등, 국가차원 육성·연구개발·인프라 구축 필요

■탄소/탄소 복합재 산업 및 시장 동향

1. 국내 동향

(1) 시장규모 및 전망

국내 탄소/탄소 복합재 시장은 항공기용 브레이크가 대부분을 차지하고 있다. 한국공군이 운용 중인 전투기나 고등훈련기를 포함하여 한국항공우주산업(KAI)이 해외(인도네시아, 필리핀, 태국, 이라크)에 수출한 항공기에도 ㈜데크카본의 카본 브레이크 디스크가 적용되고 있으므로 국내시장 규모에 포함하였다. <표1>은 국내시장 규모를 나타내고 있다.

▲ <표1> 탄소/탄소 복합재 국내시장 규모 및 전망

(2) 기업 현황

국내에서 탄소 브레이크 디스크 개발은 ㈜데크카본이 1990년 초부터 국방과학연구소 및 산학연 공동으로 탄소 복합재 개발을 수행하며 발전해 왔으며, 10여 년간의 개발 기간을 거쳐 현재, F-16 및 T-50/TA-50용 탄소 브레이크 디스크 개발을 완료하여 한국공군에 공급하고 있다. 이외에도 탄소 브레이크 디스크 제조공정 및 탄소 브레이크 디스크 탄소 프리폼 국산화에 대한 주요 기술을 확보하여 해외 제조기술 대비 제조 공정기간을 3~5배 단축하였고, 우수한 가격 경쟁력을 갖추고 있다.

2. 해외 동향

(1) 시장규모 및 전망

탄소/탄소 복합재의 세계 시장규모는 2019년도에 11억 8백만 달러를 나타내었고, 연평균 성장률 약 6.88%로 예측하였을 때 2029년도에는 22억 8백만 달러 규모를 나타낼 것으로 예측되었다. <표2>와 <표3>은 가격과 생산량 측면에서 전 세계 시장을 지역별로 나타내었다. 미국과 유럽이 전 세계시장의 76~80%를 차지하며 미국 시장은 전 세계시장의 약 43~45%를 차지하고 있다.

▲ <표2> 탄소/탄소 복합재 세계시장 규모 및 전망(가격)(단위 : 백만불)

▲ <표3>탄소/탄소 복합재 세계시장 규모 및 전망(생산량)(단위 : kt)

<표4>는 2017년도 2023년도 탄소/탄소 복합재의 미국 시장규모를 응용 분야별로 나타낸 것이다. 항공우주용 브레이크 디스크가 전체 시장의 대부분을 차지하고 있음을 알 수 있다.

▲ <표4>미국 탄소/탄소 복합재 응용 분야별 생산량 시장 점유율(단위 : %)

<표5>는 2017년도 미국 시장에서 탄소/탄소 복합재 주요 기업의 시장 점유율을 나타낸 것인데, 항공기 브레이크 구조물에서 지배적인 위치를 차지하는 굿리치(Goodrich)는 가장 큰 시장 점유율인 32%를 가지고 있고, 다음은 헥셀(Hexcel)이 16%, 사이텍인더스트리즈(Cytec Industries)가 14%로 뒤따르고 있다. 파이버머티리얼스(Fiber Materials), 씨캣(C-CAT) 등 소규모 업체가 나머지 탄소/탄소 복합재 시장을 차지하고 있다.

▲ <표5>탄소/탄소 복합재 제조사 시장 점유율

(2) 기업 현황

탄소/탄소 복합재의 해외 기업으로는 미국이 다수를 차지하며 선도하고 있다. 먼저 미국의 씨캣(C-CAT, Carbon Carbon Advanced Tech.)은 1988년에 설립된 회사로 항공우주 및 상업적 응용을 위한 탄소/탄소 복합재를 제조하고 있다. 항공분야로는 가스터빈 부품과 열차폐 구조물 등을 제작하고 있으며, 상업적 응용 제품으로는 볼트, 너트, 평판 및 브레이크-로터 조립품을 생산하고 있다.

미국의 파이버머티리얼스(FMI, Fiber Materials, Inc.)사는 1969년 설립되었으며 주로 고온에 사용되는 상업적, 산업적, 항공우주 부품을 제조하고 있다. 산업적 응용의 단열재(insulation), 마찰재, 로켓 모터에서부터 항공기 노즈팁(nose-tip)이나 열차폐 시스템 제품을 생산하고 있다. 또. 3방향 및 4방향 직교 형태와 3D 실린더 형태의 빌렛도 제조하고 있다. 미국의 허니웰(Honeywell International, Inc.)은 규모가 크고 항공우주산업, 특수 화학 및 자동차 부품 등 다양한 제품을 제조하고 있다. 탄소섬유 및 포움 기반의 항공우주용 브레이크 마찰재도 제조하며 카본 브레이크는 카보닉스(Carbonix) 라는 이름으로 판매하고 있다. 미국의 엠이알(MER Corp.)은 재진입 노즈팁(re-entry nose-tip), 로켓 노즐, 항공기 브레이크 디스크와 그 외 상업적 응용 및 생체의학적 응용 제품을 제조하고 있다. 미세 전자분야에서 열관리 응용을 위한 탄소/탄소 복합재도 제조하고 있으며, 원하는 방향으로의 높은 열전도도와 열팽창계수를 가지도록 설계하여 미세전자의 서멀 더블러(thermal doubler)와 칩 온 보드(chip-on-board)를 제조하고 있다.

마지막으로 미국의 유티씨에어로시스템즈(UTC Aerospace Systems)는 두 개의 항공우주산업 선도 기업체인 해밀턴 선스트랜드(Hamilton Sundstrand)와 굿리치(Goodrich)를 합병하여 2012년에 설립하였다. 이전의 Goodrich는 세계에서 가장 큰 항공기 브레이크용 탄소/탄소 복합재 제조사였다. 이 회사는 Super-Carb라는 카본 재료와 EDL이라는 카본 방열재료를 생산하고 있다. Super-carb는 마모율이 낮아 브레이크 운용비용이 낮고, EDL은 오버홀(overhaul) 시 카본 히트 싱크(heat sink)의 디스크를 반만 교체하더라도 같은 브레이크 수명을 가지면서 비용 절감이 큰 것으로 호평을 받고 있다.

독일의 에스지엘카본(SGL Carbon)은 많은 회사를 인수/합병하여 10개국 이상에 25개 공장을 가지고 있으며, 전 세계 카본 및 그래파이트 제품의 가장 큰 공급사로서 고온용 재료, 탄소/탄소 복합재, 첨단 복합재 구조물 관련 종합 제조사이다. 현재는 고성능 브레이크 디스크 및 연료전지 제품 등 탄소섬유 보강 세라믹 복합재 연구 프로젝트에 집중하고 있다. 탄소섬유 응용 제품군 중 먼저 파녹스(Panox)는 열보호 의복, 벨로우(bellow), 탄소/탄소 클러치 및 트랜스미션(transmission)용 보강 패브릭, 용접 블랭킷(blanket)의 스파크 보호재, 항공기 좌석의 화재 차단 패브릭, 자동차 브레이크 패드 및 클러치 라이닝, 화염 지연 매트리스, 산업적 용도의 실(seal) 재료 및 패킹재 등으로 응용된다. 다음으로 시그라본드(Sigrabond) 및 시그라섬(Sigratherm) 탄소/탄소 복합재는 고온 로, 광발전(photovoltaic) 산업, 반도체 산업, 유리 및 내화재 산업, 화학 및 석유 산업, 에너지 저장용으로 활용되며, 마지막으로 시그라플렉스(Sigraflex) 제품은 실링 및 고온용의 그래파이트 호일 및 시트 재료. 화학/석유 산업, 기계부품, 고온 로, 에너지저장, 자동차, 건설 및 공조시스템(HVAC), 열관리 재료로 사용되고 있다.

일본의 아나오리카본(Anaori Carbon Co., Ltd.)은 1961년에 설립된 회사로 아시아 시장에서 구조용 흑연의 주요 공급사이다. 주 제품은 카본 브러쉬, 내열 지그, 반도체 제조에 필요한 부품과 고순도 탄소/탄소 복합재 제품 등이 있다. 중국의 씨에프씨 카본(CFC Carbon Co., Ltd.)은 중국 내 선도적인 기업으로서 그래파이트 펠트, 탄소/탄소 복합재, 그래파이트 등을 제조하고 있으며 일본, 유럽, 미국 등에 수출까지 하고 있다. 탄소/탄소 복합재 제품으로는 2D 평판, 2.5D 및 3D 프리폼을 사용하여 항공기 브레이크, 히터, 단열재, 고온용 금형, 내화 구조물 등을 생산하고 있다.

3. 국내외 선도기업

㈜데크카본은 지난 30여 년간 초고온 복합재 생산에 필요한 원소재, 제조공정 기술, 부품화 기술, 그리고 시험평가 기술 개발을 추진하여 탄소섬유를 보강재로 하는 탄소/탄소 복합재, 탄소/SiC 복합재를 적용한 항공기 브레이크 디스크, 자동차용 탄소-세라믹 브레이크, 튜닝 및 경주용 차량 클러치 디스크를 제조하는 국내에서 선도적인 업체이다. 이외에도 터빈엔진 내열 부품, 고온 열처리 장비에 사용되는 초고온 카본 몰드 및 금속의 고온 열처리용 카본 지그 등을 제작하고 있다. 우리나라의 대양산업㈜은 고온/고압 함침기술을 이용한 탄소/탄소 복합재를 제조하고 있으며 복합재 블록, 볼트, 너트, 트레이, 크루서블(crucible) 등을 생산하고 있다.

해외 선도기업은 탄소/탄소 복합재의 응용 분야별로 나누어 보면 다음과 같다. 항공우주산업 분야의 우주선 열차폐 응용에서는 Fiber Materials, Cytec Industries, Hexcel, SGL Carbon, 울트라코(Ultracor) 등이 있으며, 항공기 브레이크 응용으로는 비에프굿리치(BF Goodrich), 메시에 부가티 다우티(Messier- Bugatti-Dowty), Honeywell, 메깃(Meggitt)이 있다. 자동차 브레이크 응용에서는 SGL 그룹이 선도기업이며, 일반산업 중 내화구조물, 내식재료, 열관리 재료의 응용에 있어서는 SGL 그룹과 MER Corp.가 시장을 선도하고 있다.

탄소/탄소 복합재 기술 분야의 국내외 선도기업 및 주요 내용은 다음 <표6>, <표7>과 같다.

▲ <표6> 탄소/탄소 복합재 - 국내 선도기업

▲ <표7> 탄소/탄소 복합재 - 해외 선도기업

4. 미래 연구방향 및 정책 제언

탄소-탄소 복합재료의 기술 발전 방향은 저비용 제조기술과 함께 고성능화, 내산화성 향상을 들 수 있다. 고성능화는 세라믹 소재와의 접목을 통한 고온 장시간 사용목표를 추구하고 있으며, 대표적인 세라믹 소재로서 탄화규소나 질화규소 소재와의 접목이 가장 심도 있게 추진되고 있다. 이는 열팽창 계수가 탄소 소재와 큰 차이가 없어 장시간 사용 가능성을 가지고 있기 때문이다. 내산화성 향상은 탄소 소재의 오랜 기술적 현안으로 부각되어 왔다. 내산화성 향상은 사용 용도에 따라 약 1,000℃를 기준으로 비교적 저온에서 장시간 사용 가능한 목적과 그 이상의 초고온에서 단시간 사용 가능한 목적으로 구분되며, 일반 산업용으로 적용을 확대하기 위해서는 저온에서 품질 저하 없이 장시간 사용할 수 있게 하는 내산화 코팅 재료의 개발이 큰 기술적, 산업적 가치를 지니고 있다.

탄소/탄소 복합재료는 반도체 분야에서 실리콘 웨이퍼 제조용 결정 성장로의 핵심 부품인 고순도 흑연계 도가니, 열선 및 열차폐재의 열 충격 취약 및 짧은 사용 수명의 문제점을 해결할 수 있는 대안으로 급부상하고 있으며, 12인치 이상의 차세대 대형 웨이퍼를 제조하기 위해서 결정 성장로의 핵심부품을 모두 탄소/탄소 복합재로 제조하여야 한다는 데는 이견이 없는 추세이다. 탄소기지를 탄화규소로 대체할 경우 탄화규소의 불활성 및 이산화규소와 탄소와의 반응을 막는 차단막으로 작용함으로써 고순도를 요구하는 반도체 분야에 있어 고순도 흑연의 한계를 극복할 수 있는 유일한 재료로 각광 받고 있다.

최근에는 항공우주 분야에서 개발된 기술의 스핀오프(spin-off)를 통하여 다른 산업 분야의 현안을 해결하기 위한 노력이 이루어지고 있다. 자동차용 세라믹 브레이크와 산업용 가솔린/디젤 엔진의 핫섹션(hot section) 분야에서 구동 부품의 경량화, 고온 작동으로 엔진 효율 향상 및 배출 가스의 감소 등을 목표로 세라믹 브레이크 및 실린더 라이너 등에 적용하여 실용화까지 이뤄지고 있다.

이와 같이 항공우주용뿐 만 아니라 첨단 민수 산업용으로의 적용을 위한 탄소 복합재료를 개발하는 데 있어서는 저가의 정밀 정형(near-net shape) 탄소 프리폼 개발, 카본 나노튜브 기술과 접목된 고속 치밀화 기술, 고온에서 장시간 사용 가능한 내산화 코팅기술 및 최종 제품에 필수적인 고온 내열금속 부품 등의 개발이 반드시 필요하다. 극한환경소재에 대한 체계적 연구 및 기술 개발 로드맵의 부재로 국내에서는 외산 재료의 전량 사용, 국산화 개발 의지 약화, 시장 진입의 높은 장벽 등의 부작용이 형성되고 있으므로, 미래의 국가 전략 기반 소재인 극한환경 재료에 대한 연구 개발 투자가 장기적 안목에서 절실하다. 미래의 기술은 국지적 성격이 아닌 글로벌 성격으로서, 온실가스 저감, 화석연료 고갈 및 이의 경제무기화에 따른 에너지 문제, 일본 및 중국 등 주변국의 경쟁적인 우주 분야 연구 개발 등에 대비하여야만 한다. 이러한 상황에서 극한환경재료는 국가전략 소재로서 미래 우주 경쟁에서의 핵심소재일 뿐만 아니라, 제품 효율의 극대화가 가능하게 함으로써 에너지 저감에 일익을 담당하는 친환경 소재이기 때문에 반드시 개발되어야 한다.

(1) 극한 환경재료의 육성 전략 필요

초고온 복합재 기술은 뛰어난 지식과 경험이 결합되어 개발이 이루어지며, 부가가치가 높을 뿐 아니라 미래에도 지속 가능한 첨단 기술이다. 그러나 대규모 투자가 필요한 모험적 산업이어서 선진국들은 국가적 차원에서 연구개발 투자와 세제 지원 등을 통해 적극적으로 육성하고 있다. 국내의 경우에는, 국가안보 측면에서 미사일 개발과 같은 방위 능력 확보가 필요하며, 우주 산업 기술개발 및 핵융합 에너지 사업 등에 초고온 재료 개발이 필수적이다. 초고온 복합재는 선진국으로부터의 도입이 불가능한 국가적 전략소재이고, 민간에서는 장기간에 걸쳐 기술 개발의 위험을 감수하며 투자하기가 어렵기 때문에 국가적인 전략 산업으로서 육성할 수 있는 전략이 필요하다.

(2) 연구개발 투자

탄소/탄소 복합재 기술은 선도국가에서 핵심기술 이전 제한 등으로 기술 보호를 강화하고 있기 때문에 기술 장벽이 매우 높다. 현재 우리나라의 탄소/탄소 복합재 기술은 기초소재 중 일부는 국산화되어 있으나 가장 근본이 되는 탄소섬유 프리폼 기술(Low-cost near-net shape preform), CNT 기술과 접목된 고속 치밀화 탄소/탄소 복합재 제조기술, 균일한 고밀도 복합재 신속 제조 공정기술, 열에 의한 균열을 최소화 할 수 있는 내산화 코팅기술, 나아가 상용화를 위한 스케일업(scale-up) 기술에 있어서는 선진국과 10여년 이상의 격차를 보이고 있다. 다행히 국내 우주개발 사업 및 반도체 산업 분야 등의 수요를 볼 때, 기 확보된 기반시설 및 연구 인력의 효율적인 통합과 협력이 추진된다면 연구개발 투자를 통해 소기의 성과를 올릴 수 있을 것으로 판단된다.

(3) 민간수요 확대를 위한 시험평가 인프라 구축

전투기용 탄소/탄소 복합재 브레이크 디스크는 국산화를 통해 관련 기술의 일부는 확보되어있다고 판단되나, 시장규모가 크고 해외 선진업체가 독점하고 있는 민항기 분야에서는 국내 전문업체의 체계적인 육성이 필요하다. 특히, 시험평가 인프라 구축 및 인증 분야는 항공 선진국과의 감항협정, 공장승인(shop approval) 획득 등과 같은 전략적이고 체계적인 정부의 정책적 지원이 필수적이다. 가격경쟁력을 갖춘 카본 히트 싱크의 제작 및 정비 기술은 항공기뿐만 아니라 잠재적인 시장규모가 막대한 고온산업기기 분야 및 탱크, 특수차량, 고속열차, 경주용 자동차 등의 육상용 교통수단의 브레이크 등에서도 요구되고 있다. 이로 인해 일반산업으로도 급속한 발전을 도모할 수 있으므로 탄소/탄소 복합재의 연구 개발이 체계적으로 이루어져야 한다.