극한 성능용 탄소섬유 복합재료

미래 창조 과학 기술 

극한 성능용 탄소섬유 복합재료

극한 성능용 탄소섬유 복합재료 기술은 탄소섬유를 보강재로 사용하는 섬유 강화 복합재료를 제조하는 기술로, 이 재료는 저중량·고강도의 특성을 갖는 동시에 열 변형이 적어 극한 환경에서도 고성능·고기능을 발휘할 수 있다. 탄소섬유는 유기섬유를 가열·탄화하여 만든 섬유로 금속(알루미늄) 보다 가볍고, 금속(철)에 비해 탄성과 강도가 뛰어나며, 내열성과 내충격성이 강하여 구조재료용 복합재료 강화재로 주로 사용된다

1. 기술의 발전 과정과 개발 동향 기술의 발전 과정 기술의 시작은 1960년대로 거슬러 올라가 폴리에스터나 나일론 등을 이 용한 복합재료인 섬유 강화 플라스틱(Fiber Reinforced Plastics, FRP) 제조에서 찾아볼 수 있다. 1970년대에 각종 제조기법의 개발과 함께 스포츠 레저용품, 비 행기 등의 구조재료로 복합재료가 최초로 상용화되었고, 1980년대 후반에 는 유리섬유(Glass fiber), 탄소섬유 등을 사용한 복합재료가 등장하였다. 탄소섬유의 물성 증가 및 생산 단가 하락으로 탄소섬유 복합재료의 생산 이 본격적으로 시작된 것은 1990년대 후반이었다. 특히 항공 분야에서는 구조물의 무게에서 복합재료가 차지하는 비율이 10년간(1997년~2006년) 25%까 지 증가하였다. 2005년에는 한국 과학기술원(KAIST) 홍순형 교수팀이 탄소 나노튜브(CNT) 를, 2008년에는 일본 후지쯔 실험실이 탄소나노튜브 및 그래핀(Graphene)을 이용하여 각각 탄소나노 복합재료(Nano-carbon composite materials)를 제조하는 데 성공하였다. 기술 개발 동향 세계적으로는 에어버스(Airbus) 등의 항공기 제조사에서 항공기 재료의 많은 부분을 순차적으로 탄소섬유 복합재료로 대체하고 있다. 또한, 벤츠(Benz)는 SLR 맥라렌(SLR McLaren) 차체에 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)을 적용했고, BMW는 i3 차체 등에 적용하고 있다. 세계 최대 탄소섬유 제조사인 SGL 카본 그룹(SGL Carbon AG) 지분의 43%를 자동차 제조사인 BMW가 실질적으로 소 유할 만큼, 자동차 업계 내에서 탄소섬유 복합재료에 대한 많은 투자가 이뤄지고 있다.

탄소섬유복합재료의 사용이 가능한 주요 자동차 부품

한편 국내에서는 효성에서 탠섬(TANSOME)이라는 탄소섬유를 만들었고, 롯 데화학에서는 이 수지를 결합해 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)을 생산하여 기 아자동차의 소렌토와 스포티지에 일부 적용하고 있다. 2016년에 일본의 도 레이 첨단소재 사가 구미에 신소재 공장 기공식을 가졌으며, 2021년까지 연 간 6만 2,000톤(현재 4,700톤) 생산을 목표로 하고 있다. LG화학은 탄소 나노 복합 재료에 중점적으로 투자하여 현대모비스 등과 함께 자동차용 재료에 대한 연구를 진행 중이다.

 

2. 기술 확산점의 도달 시기와 단계별 발전 전망 기술확산점 전문가들을 대상으로 극한 성능용 탄소섬유복합재료 기술의 기술확산점 도달 시기를 델파이 조사한 결과, 세계 기준으로는 일본에서 2022년에, 국 내 기준으로는 2026년에 해당 기술이 사회적으로 확산될 것으로 예측되었 다. 기술확산점 도달 시기 예측을 위한 기술확산점의 정의는 탄소섬유복합 재료를 외장재에 모두 도입한 승용차의 첫 양산형 모델이 나오는 시점으 로 보았다.  외장재는 외판, 차체, 섀시, 루프, 후드 등 현재 철을 이용하고 있는 자동차 외장재를 의미한다. 극한성능용 탄소섬유복합재료는 우주선이나 항공기에는 이미 사용되고 있고 일부 주문제작형 스포츠카(경주용 자동차)에 적용된 사례는 있으나 일반 양산형 승용차에 적용된 적은 없다. 그러므로, 첫 모델이 출시되면 안정성 과 경제성이 해결되었다는 상징적인 의미가 있어 이 시점을 기술확산점으 로 설정하였다. 일반 양산형 승용차 적용을 기술확산점의 기준으로 설정한 것은 극한성 능용 탄소섬유 복합재료가 자동차 경량화 소재로 크게 주목받고 있기 때문이다.

 

자동차의 총중량을 10% 줄이면 6~7%의 연비 개선 효과를 볼 수 있다. 하지만 스틸(철강 소재)을 기준으로 탄소섬유는 무게가 50% 가볍지만 5.7 배 비싸기 때문에 현재는 가격경쟁력 측면에서 제약이 있다. 그러나 최근 자동차 경량 소재로 쓰이는 초고장력강의 경우 전체 스틸 사용량에서 차지하는 비중이 2002년 3%에서 2010년 무려 29%까지 증가할 정도로 자동차 경량소재에 대한 수요가 매우 높은 상황이다. 기술 확산점 도달 이후의 단계별 발전 전망 극한성능용 탄소섬유 복합재료 기술은 기술확산점 도달 이후 자동차 중 량을 67% 수 준까지 경량화할 수 있고, 탄소섬유복합재료 사용이 보편화되 면 철강 소재의 70%를 대체할 것으로 전망된다. 우선 기술확산점에 이르러 탄소섬유복합재료를 외장재에 도입한 국내 승용차의 첫 양산형 모델이 출시되면 기존의 자동차 대비 연비 또한 대폭 개선될 것으로 기대된다. 자동차 부품 중 탄소섬유복합재료로 대체할 수 있 는 모든 부분에 적용했을 때 가능한 경량화 수치는 67%로, 기존의 자동차부품용 소재를 모두 대체할 수 있는 단계에 해당된다. 더 나아가 자동차를 포함한 모든 철강 소재의 70%를 대체하는 수준까 지 탄소섬유 복합재료의 사용이 보편화되는 시점에는 재료의 가격이 현재 $30/kg 수준에서 $11/kg까지 내려갈 것으로 전망된다.

 

3. 미래사회 변화 전망 2016년 1월 일본의 후지 경제지에 따르면 탄소섬유의 성능 향상과 저가화 가 진행됨에 따라 적용되는 범위 역시 점차 확대되는 추세로, 2014년 관련 시장은 9,410억 엔이었으며, 2025년에는 2조 5,586억 엔까지 성장할 것으로 예측된다. 자동차에 복합재료를 적용하는 시기가 오면 연비 개선으로 연료의 소비를 줄일 수 있으므로 환경오염 저감 등의 효과를 볼 수 있을 것이다. 또한, 우주개발에 필수적인 극한 성능용 복합재료의 개발로 우주여행의 대중화에 도 이바지할 수 있을 것이다. 복합재료는 철보다 가벼우면서 강도가 더 높기 때문에 궁극적으로 철강 소재를 대부분 대체할 수 있으므로, 항공기, 자동차 및 스포츠·레저 분야뿐만 아니라, 선박, 일반 산업기기, 의료기기, 군수용품, 건축 및 토목 자재에 이르기까지 다양하게 응용될 수 있다. 이로 인해 여러 산업분야에 직간 접적인 파급효과가 클 것으로 예상된다.

 

4. 기술 확산 실현을 위한 과제 극한 성능용 탄소섬유 복합재료 기술이 사회적으로 확산되려면 정부는 무 엇을 해야 할까? 전문가 델파이 조사 결과, 정부가 우선적으로 시행해야 할 방안으로 기술 개발(29.9%), 인력 양성(27.1%), 인프라 구축(21.6%) 등의 순으로 나 타났다. 탄소섬유 제작에서부터 탄소섬유 활성화 기술 그리고 탄소섬유와 결합될 수 있는 재료 개발 및 단가경쟁을 위한 생산까지 종합적인 기술 개발이 필요하다. 특히, 경제성 차원에서의 원소재 가격 인하와 이를 이용하여 제 품을 제조하는 공정의 생산성이 함께 향상되어야 실제 상용화가 가능할 것이다. 물론 탄소섬유의 국내 생산 증대 및 물성 향상을 위한 연구 및 기술 개 발은 기본적으로 이루어져야 한다. 인력 양성면에서는 탄소섬유소재뿐만 아니라 접착, 가공, 성형과 같은 기술과 복합재료 설계·해석 등 수요 산업에 대한 종합적인 안목과 능력을 가진 인력의 육성이 필요하다. 이를 위하여 관련 기술에 대한 산학연 연계 형 학과 개설 등 인력 양성에 대한 지원을 확충하여 기술 개발이 선순환 구 조를 이루도록 해야 한다.

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기술 확산을 위해서는 섬유 및 복합재료 제조 회사와 부품 사용 회사 간 의 긴밀한 협력이 이루어져야 하며, 대학 및 연구소의 학문적 뒷받침이 있어야 한다. 현재 전북 탄소밸리에 탄소섬유 생산, 중간재 및 복합재 가공· 성형, 관련 제품 개발 및 신뢰성 분석 등을 위한 기본적인 인프라가 구축돼 어 있으나 더욱 보강·발전시킬 필요가 있다. 이미 외국(일본)의 소재 회사가 공장을 확장하고 생산량을 늘리는 시점에 서 더욱 필요한 것은 국내의 독자적인 기술을 기반으로 한 협력체계의 구축이다. 기초적 기술 연구는 출연연구소나 산학연에서 진행하고, 탄소섬 유복 합소재의 순도를 높이고 단가를 낮추는 연구는 기업에서 이루어지는 역할 분담이 효율적으로 가동된다면, 연구개발 속도가 더욱 빨라질 수 있을 것이 다. 또한, 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP) 등의 복합소재 개발 기술은 재료분야뿐만 아니라 기계, 화학 등이 융합되어야 하는 학문이다. 그러므로 협력을 위한 세미나 및 전시회 등을 국내에서 유치하여 연구자 만남의 장을 확대할 필요가 있다. 이와 함께 현재 탄소재료 및 탄소복합재료에 대한 제조 및 생산 관련 인 증이 이루어지지 않고 있으므로, 관련 제도를 국가적으로 확립해 나가야 한 다. 환경 보호와 에너지 절감, 산업 발전 등의 측면을 종합적으로 고려하여 도입의 필요성이 인정된다면, 연비 절감 및 차체 중량 제한 등을 위한 규제 적용도 신중히 검토할 필요가 있다.