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각광받는 미래의 신소재 - 탄소섬유 (Carbon Fiber)
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일본의 토레이는 유럽항공기 최대 업체인 에어버스차세대 경량화 소재인 탄소 섬유를 원료로한 기체재료를 2011년부터 2015년까지 15년간 납입하기로 했다. 그리고 미국의 보잉사에도 같은 수준의 복합 재료를 납입할 예정인데, 장기공급계약을 통한 누계 수주액을 60억 달러나 확보했다고 한다. 탄소섬유는 고강도 경량화 소재로 미래시장에 필수적인 신소재로 각광받고 있는 현실이다. 도대체 탄소섬유가 어떤 녀석이길래 에어버스보잉에서 이렇게 장기 계약을 맺은 것일까?



 





탄소섬유의 기술 개발배경과 응용분야


  탄소섬유(Carbon Fiber) 란?

탄소섬유는 유기섬유 전구체 (Rayon, PAN, Pitch 등)를 가열하여 얻은 탄소 함유율 90% 이상인 섬유 (직견 5~15㎛)이다. 강철 대비 1/5로 가볍고, 강도는 10배로 항공우주, 방위산업 에너지 산업에 고강도 경량화 재료로 사용된다. 탄소섬유강화 복합재료가 2005년도 미국 선정의 10대 미래 기술에 포함되기도 하였다. 또한 Time 지 2009년 신년호에서는 경량화 소재기술 등의 에너지 절약기술을 제 5의 에너지로 규정하기도 했다.


탄소섬유는 거의 탄소만으로 이뤄진 섬유로 일본에서 기초 기술을 개발한 첨단 소재이다. 특수한 아크릴 섬유를 고온에서 구워서 제조한것인데, 제조방법에 따라서 폴리아크릴로니트릴계, 피치계, 라이온계로 나뉜다. 참고로, 항공기의 구조재로 사용되는 것은 폴리아크릴로니트릴계이다.

▲ 탄소섬유와 타 소재와의 물성치 비교


탄소섬유는 실 상태로 중량은 철의 25%, 알루미늄의 70% 정도 불과하고 강도는 무려 철의 10배에 이르러서 "가볍고 강하다"는 기계적 특성이 있다. 탄소 섬유는 통상 수지, 세라믹스, 금속 등을 모재로 하는 복합재료의 강화 및 기능성을 부여하는 재료로써 주로 사용한다. 우수한 기계적 성능을 보유한 복합재료는 저밀도, 저열팽창성, 내열성, 화학적 안정성, 자기 윤활성 등의 특징을 가짐으로써 더 폭넓은 용도로 사용 가능하다는 장점이 있다.

▲ 탄소섬유와 타 소재와의 탄성, 강도 비교



  개발배경과 응용분야

항공우주 및 방위산업의 발전과 함께 경량소재로서 전도성, 내열성, 치수안정성 및 내화학약품성 등의 우수한 특성을 가진 고강도/고탄성 소재가 필요했다. 그래서 탄소섬유가 탄생하게 되었다. 항공, 레저, 자동차, 조선, 환경에너지, 특수산업에 고강도/고탄성의 경량화 소재로 활용되고 있다. 최신 민간항공기인 보잉사의 B787 및 에어버스의 A380 등에는 탄소섬유 복합재료를 총중량의 50% 이상 사용되고 있다.


현재 탄소섬유 시장에서 토레이, 미쓰비시레이온, 토호테낙스의 일본 3개社가 전세계 시장의 70%를 차지하는데, 그 중에서 토레이社가 70% 정도를 점유하고 있고, 항공기 시장 즉, 폴리아크릴로니트릴계만 한정할 경우, 토레이社는 60% 이상의 점유율을 차지하고 있다고 한다.


이런 탄소섬유의 특성과 토레이사의 우수한 기술력을 때문에 에어버스는 차기 주력 기종인 A350XWB의 연비 향상을 위해 주 날개와 동체의 대부분을 토레이의 탄소섬유 복합재료로 사용할 계획인데, 기체 중량의 50%에 해당하는 약 35톤을 사용할 예정이라고 한다. 에어버스에 뒤질새라 보잉社도 같은 수준의 복합재료를 사용할 계획이라고 한다. 2012년 모델부터 채용할 경우, 누주 수계액만 에어버스社에서 2000억~3000억엔 보잉社에서 6000억엔 정도라고 하니 정말 천문학적인 금액의 수주를 토레이가 따낸 것이다.

유도무기 분야, 스텔스기술 분야, 전투차량 분야 등의 국방기술의 전략적 무기체계의 핵심소재로 사용되고 있기도 하다. 탄소섬유는 국가 전략물자 (MTCR 통제품목)로 수입이 용이하지 않다. 토목,건축 용도로의 할용이 확대되고 있고, 신규용도로 의료용 CT 장비, 로봇용 부품, 산업기계 등에의 적용이 진행 중이다.



  탄소섬유 개발연혁

1958 : 미국 Union Carbide사가 레이온 섬유기반의 탄소섬유 개발
1961 : 일본 오사카 산업연구소에서 PAN 섬유기반의 탄소섬유 개발
1971 : 일본 Toray사가 PAN 섬유기반의 탄소섬유의 상업적 생산개시
1972 : 미국 Hercules사가 PAN 섬유기반의 탄소섬유의 생산개시
1986 : 일본 Toray사가 초고강도 탄소섬유 T1000 개발
1994 : 태광산업이 국내 최초로 60톤/년 생산 시작 (2001년 중단)
 




탄소섬유의 생산방법과 적용사례


  탄소섬유의 생산방법

▲ 탄소섬유 제조 공정의 개요

PAN 계 탄소섬유는 아크릴로니트릴을 중합 방사하여 얻은 PAN 섬유를 공기 중 200~300℃에서 내염화하고 불활성 가스 분위기에서 1000~1500℃에서 탄화처리 및 2500~3000℃에서 흑연화 처리하여 제조한다.

▲ 소성공정에 따른 분자구조의 변화

85% 이상의 아크릴로니트릴(CH2=CHCN)로 구성된 PAN 섬유가 단계적 열처리에 의하여, 탄소를 제외한 나머지 분자들이 제거되어 95% 이상의 탄소의 함량을 가지는 탄소섬유로 변화한다. 이것이 탄소섬유의 생산원가의 대부분을 차지한다.



  탄소섬유의 활용분야

① 항공우주 분야




② 자동차 분야

탄소섬유는 자체 경량화의 핵심소재로 철 대비 최대 78 % 무게 절감, 알루미늄 대비 40% 무게 절감이 가능하다. 그래서 차량용 액화천연가스 저장탱크(CNG Cylinder)의 제작에 이용한다.


③ 풍력발전 분야


탄소섬유를 이용하여 기존의 유리섬유 복합재료를 이용한 풍력발전기 날개의 길이 한계를 극복할 수 있다. 풍력발전기 날개길이 향상(12m -> 50m)으로 발전용량이 약 15배 증대된다.





탄소섬유의 미래전망

탄소섬유의 시장소요는 2008년 42,500톤에서 2013년에 78,800톤으로 1.85배 증가할 것으로 예측된다. 분야별로는 항공우주와 산업용 수요가 꾸준히 증가되며, 스포츠 레저용 수요의 증가는 적을 것으로 예상된다. 풍력발전 및 상용항공기 분야의 수요가 매우 증가할 것이며, Value 측면에서는 항공우주분야가 탄소섬유시장의 성장을 주도할 것이다.

■ 분야별 목표
- Wind Energy : 길이가 긴 Blade 제조
- Fuel Cell : 상업화
- CNG Tank : Tank 무게의 경량화
- Construction : 노후화된 건축물 및 교량의 수선

▲ 탄소섬유 요규량 증가 예측치






해결과제와 특허 동향

탄소섬유 복합재료의 고기능화, Application 의 확장을 위한 혁신기술의 개발, 사용 분야의 확대를 위한 가격절감 기술의 개발이 미래의 시장 확보에 필요하다.

▲ 탄소섬유분야의 미래기술 개발 동향



한국, 미국, 일본의 탄소섬유 응용기술 분야에 따른 유효특허건수의 추이를 살펴보면, 일본은 1988년 이후부터 점차 감소하고 있으며 미국과 한국의 경우 1988년 이후 조금씩 증가 추세이다.

▲ 분석구간 : 한국, 미국, 일본 1988~2007 (출원년도)


 
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