세계적인 환경규제와 탄소 저감 요구에 따라 자동차, 전자전기 등 산업용 부품에 대한 경량화 및 고강도, 고성능 신소재에 대한 수요가 증가하고 있다. 또한 제조공정 및 제품 사용에서도 탄소 저감이 가능한 친환경 제조공정과 제품이 요구되고 있다.

특히 세계적인 ‘섬유 기술 보편화’로 국내 화섬업계가 중국 등 신흥국가들에게 밀리고 있는 상황이어서 높은 기술을 요구하는 신섬유 개발이 필요하다.

이러한 요구를 충족시키는 탄소저감형 케톤계 프리미엄 섬유 및 수지는 탄소저감형 합성공정으로 제조된 카르보닐기와 탄화수소로 이루어진 폴리케톤 중합물을 주성분으로 하는 저가·고성능의 산업용 소재다.

폴리케톤 섬유는 초고강도 및 초고탄성률을 가지고 있는 슈퍼섬유로서 자동차분야, 정보통신 분야, 토목건축 분야, 스포츠 분야 등에 널리 적용 가능하다. 원료로 사용되는 일산화탄소(CO)는 화학, 제철산업 등에서 부산물로 얻을 수 있어 가격경쟁력을 확보할 수 있으며 환경 보호도 가능하다.

또한 케톤계 엔지니어링 플라스틱(EP)은 수퍼엔지니어링 플라스틱의 한계인 비용절감, 환경규제 강화에 따른 열가소성 플라스틱화 및 금속대체 등에 대응이 가능한 소재다.

효성이 총괄주관기관을 맡은 프리미엄 케톤소재 사업단은 △폴리케톤 소재 △폴리케톤 섬유 복합소재 △폴리케톤 EP 복합소재 개발에 나서고 있다. 관련 시장은 2019년 국내 1조6,000억, 국외 21조8,000억에 달할 전망이다. WPM 1차년도를 통해 사업단은 초경량 고강도의 폴리케톤 수지를 개발했고 폴리케톤 수지를 활용한 타이어코드용 섬유 개발이라는 성과를 냈다.

▲ SWOT분석.

■폴리케톤 소재, 상업화 ‘無’

폴리케톤 소재는 고강도, 내화학성, 저가격의 특성이 있어 기존 레이온 및 아라미드 섬유를 대체할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.

폴리케톤 중합 기술을 개발하고, 최초로 EP용 수지를 생산한 회사는 다국적 석유·화학사인 쉘(Shell)이었다. 1970년대부터 관련 연구를 추진했으며 1999년 EP용 폴리케톤 수지 공장을 완공했으나 2000년대 들어 자체 사업구조 조정 시 폴리케톤 사업을 포함한 폴리머 관련사업을 정리했다. 일본 아사히카세이 파이버(Asahi-kasei Fiber)에서는 고강도 섬유 개발을 목표로 중합 및 방사기술을 개발하여 현재 파일럿 기술개발 및 상업화를 검토 중이다.

국내에서는 생산되지 않고 있으나 산업체 및 대학에서 기초연구를 수행 중이며 (주)효성에서 연구 개발 중이다. 폴리케톤 섬유는 고강도를 얻기 위해 고분자량의 공중합체(원료:에틸렌, CO) 수지를 습식방사 공법으로 제조하는 기술을 연구하고 있다. EP용으로는 3량체(원료:에틸렌, CO, 프로필렌)로 나누어 개발하고 있다.

현재 상업화되지 않은 소재이기 때문에 선진 기술 개발 업체의 정보 입수가 매우 어려워, 원천 소재 제조 기술부터 제품화 기술까지 모두 직접 개발해야 하는 어려움이 따르고 있다.

▲ 사업단 참여기관.

■폴리케톤섬유, 타이어 보강재로 ‘부상’

고강도, 고탄성률, 우수한 내화학성을 가지는 폴리케톤 섬유 소재는 향후 타이어 코드(타이어 보강재) 및 MRG(섬유 보강 고무제품)용 복합소재로 적용될 가능성이 높은 소재다. 현재 타이어 코드로는 레이온이 대부분 적용되고 있으나 수분에 따른 물성 특성이 취하가 심하고 강도가 타 소재에 비해 낮으며 높은 가격에다 공해발생 등의 문제가 있어 타이어 업체들은 새로운 타이어 코드를 찾고 있다. 최근 일부에선 고성능화를 위해 PEN(Polyethylene Naphthalate) 타이어코드 소재가 대두되고 있다.

폴리케톤 특유의 높은 고무함침성 및 물성과 아라미드 소재보다 경제적이고 용이한 가공기술 적용성을 이용해 고품질의 MRG 복합소재로 고압 자동차 및 가정용 호스와 각종 MRG용 산업자재로 활용 가능하다.

또한 보호용(방탄·방검) 복합소재 또한 고가의 아라미드나 고분자량 폴리에틸렌 소재가 사용되고 있어 저렴한 신소재를 필요로 하고 있다.

국내에서는 타이어 코드용으로 PET섬유(Polyethylene terphethalate)가 주류를 이루며 이외 나일론 및 PEN섬유가 있다. PEN섬유는 PEN 섬유는 PET계 섬유로서 열수축률과 탄성률이 가장 레이온 섬유에 가깝고 PET와 유사한 고강도를 지니고 있기 때문에 최근 국내 타이어 코드 섬유로 각광을 받고 있다.

▲ 탄소저감형 케톤계 프리미엄 섬유 및 수지 소재의 비전.

■기존 EP시장을 대체할 폴리케톤 EP

1970년 이전에 상업화가 진행된 대부분의 범용과 엔지니어링 플라스틱(EP)은 자동차, 전기 전자 및 산업용으로의 꾸준한 성장으로 이미 과포화 시장에 이르렀다.

최근에는 유럽을 필두로 미국, 일본 등이 환경규제를 강화함에 따라 세계 선진 소재기업들은 친환경, 경량화 등의 고품질 소재의 EP 시장구축에 적극 나서고 있다. 폴리케톤 EP는
비강화·강화/내마모/난연/도전 등의 특성을 가지는 소재로 EP와 슈퍼 EP를 대체해 자동차 부품, 전기 전자, 산업용 소재로 적용될 것으로 기대되고 있다. 새로운 EP소재로서 이들 응용제품의 품질 및 가격경쟁력 향상에 기여해 화학산업 전반을 발전시킬 것으로 주목받고 있다. 특히 주력산업인 자동차의 경우 경량화 및 연비절감에 따른 자동차 내외장 부품에 EP의 적용 비중이 증가하는 추세여서 관련 시장은 급성장할 전망이다.

그러나 폴리케톤 EP 복합소재 개발을 위한 기본 중합체 중합 사업이 대규모 자본을 필요로 하기 때문에 투자의 위험성이 높고, 기술도 미축적돼 있어 세계적으로 폴리케톤 EP는 상용화되지 못하고 있다. 다국적 석화기업 쉘은 1970년대 중반부터 폴리케톤 EP 소재 개발에 돌입 1998년 카릴론이라는 상품명으로 폴리케톤 EP 사업을 진행하다가 사업을 접은 바 있다. 폴리케톤 EP 소재는 기술기반의 ‘블루 오션’시장이나 그만큼 넘을 산도 많다는 교훈을 준다.