21세기 신소재를 놓고 벌이는 세계 각국의 산업 전쟁이 뜨겁다.

특히 탄소원자의 결정구조를 이용한 고강도 섬유로 복합재료 생산에 가장 많이 이용되는 강화섬유인 탄소섬유(Carbon Fiber)는 강철 대비 무게가 1/4로 가볍고 강도는 10배 이상이어서 그 주목도가 더 높다.

세계 탄소소재 시장은 2008년 약 158억불(24조원)에서 2015년 280억불(36조원), 2025년 618억불(80조원)로 급성장할 것으로 전망되고 있다.

탄소소재 시장 규모를 보면 흑연과 카본블랙이 크지만 타 소재산업과의 융합이 쉽고 적용분야가 넓은 탄소섬유와 탄소나노튜브가 연평균 약 14% 이상의 높은 성장률로 미래시장을 주도할 것이라는 분석이다.

탄소소재는 후방산업인 복합재료 응용분야 시장으로의 파급효과가 높아 소재 응용을 통해 최대 13배 이상의 가치 창출이 가능하다는 점이 큰 특징이다.

이 때문에 2015년 기준 탄소소재 응용분야 시장은 약 3640억불(473조원) 규모의 가치 창출이 기대되면서 탄소섬유는 자동차의 경량화, 풍력발전을 포함한 신재생에너지 등의 분야로, 탄소나노튜브는 투명전극, 연료전지, 반도체, 바이오 분야에서 급격한 성장이 예상된다.

세계적으로 탄소섬유 시장을 지배하고 있는 선진국들과 선도 기업들이 앞 다퉈 시장 지배 전략을 펼치는 배경이다.

 

이에 따라 각국의 정부도 탄소섬유 분야를 국가전략산업(국방·항공·에너지 등)의 핵심소재로 분류해 기술유출을 통제하며 국가차원의 기술개발사업을 지속적으로 지원하고 있다.

일본은‘에너지 문제를 해결하기 위한 총체적 개발’을 목적으로NEDO프로젝트(경량 자동차용 탄소섬유
복합체개발)를 경제산업성에서 담당해 지원한다.

미국은‘탄소섬유 및 탄소섬유 복합재 개발’을 목적으로 에너지성에서 자동차용 탄소섬유 복합재 개발을 지원하고있다.

유럽 국가들도‘고연비 자동차용 부품소재 개발’과 관련 경량 자동차용 탄소섬유 복합재 개발에 대한
R&D지원을 가속화 하고 있다.

중국도‘산업용 섬유기술 선진화’을 목적으로 한 중국 섬유산업 조정과 진흥계획을 국무원이 주도해 정책을 수립하고 있다.

특히 중국은 탄소시장의 폭발적 성장 전망을 기정사실화하고 ‘중국 국가 전력적 신흥산업발전 12차 5개년 계획’을 통해 향후 신소재 복합재료 산업 육성에 심혈을 기울이고 있다.

중국은 탄소섬유와 향기섬유 등 고성능 섬유와 복합재료 산업 진흥에 역점을 두는 한편 그 대표주자로 항공우주산업, 자동차, 토목건축, 전기전자, 통신, 환경산업등에 응용되는 탄소섬유에 주력하는 모습이다.

 

 

국가별로 2011년부터 2020년까지 PAN계 탄소섬유 생산능력을 예측해 보면, 현재는 미국, 일본, 유럽이 압도적으로 많다.

탄소섬유 선두국가인 일본만 해도 도레이(TORAY/세계시장 점유율 40%), 테이진(Teijin/계열사 Toho Tenax에서 생산/세계시장 점유율 17%), 미쓰비시 레이온 화학(세계시장 점유율 13%) 등 3개사
가 오래전부터 세계시장에 진출해 치열하게 경쟁하고 있는 상태다.

지역별 시장은 북미 지역이 전체 수요의40%대로 가장 큰 시장이며 유럽, 일본이 그 뒤를 따르고 있다. 북미와 유럽에서의 수요는 토목·산업 분야와 항공·우주 분야의 수요가 주종을 이루고 있는 반면, 일본의 경우는 항공산업을 보유하고 있지 못해, 초기에는 스포츠·레저 분야의 개발에 주력하였으나, 최근에는 산업용 소재, 자동차 및 에너지 부문 관련 소재의 개발과 더불어 항공기용 구조재 및 기능재료의 개발 및 실용화에 박차를 가하고 있다.

2020년 예측에도 여전히 미국, 일본, 유럽이 강세를 보이고 있지만, 신진 생산 국가들의 성장도 눈여겨 볼만하다. 국내에서도 탄소섬유와 관련 효성과 태광산업이 공장을 지어 양산을 하고 있거나 준비중에 있다.

향후 주목받는 지역으로 일본을 제외한 아시아에서 중국이 떠오르고 있다.

중국에서는 이미 골프채 샤프트를 중심으로 낚시대 등이 만들어지고 있으며, 스포츠·레저 용도에서의 수요가 있다.

이에 따라 세계 시장은 중국(신만층탄소섬유복합재유한공사/심양강평고성능탄소섬유집단/중복신응탄섬유유한책임공사)을 비롯해 터키, 러시아, 헝가리 등 개발도상국 기업들까지 탄소섬유 사업에 신규 진출해 있어 향후 국제 시장이 춘추전국 시대로 접어들면서 치열한 경쟁을 예고하고 있다.

 

 

 

CFRP(탄소섬유강화플라스틱 Carbon Fiber Reinforced Plastics) 성형 기술과 관련 세계적으로
고속화, 저가격화, 양산 대응형 성형기술, 중간 재료의 개발노력이 계속되고 있다.

세계적 명성을 가진 독일의 자동차 회사인 BMW는 현재의 가솔린 자동차에서 가까운 미래에 탄소섬유복합재료를 이용한 전기자동차 i3와 i8을 독일 라이프치히공장에서 생산할 예정이다.

전기자동차에서는 200kg이상 되는 배터리의 무게를 줄이는 것이 관건인데, 여기에 탄소섬유복합재료를 사용하게 된다. 수소자동차도 그 무게를 줄이는 것에 탄소섬유복합재료를 사용하게 될것이다.

BMW의 탄소섬유복합재료 제작 과정은 우선 미쯔비시레이온과 SGL의 합작으로 일본에서 전구체를 만들게 된다. 그것을 가지고 BMW와 SGL그룹과 협력, 미국에서 탄소섬유를 생산한 뒤 독일로 들여와 탄소섬유 중간재를 생산한다.

BMW는 이것으로 탄소섬유복합재료를 만들고 제조공정에 들어간다. 차체에 쓰이게 되는 탄소섬유복합재료는 그 사용량이 120~150kg에 달하고 그 중 탄소섬유의 무게는 105kg이다. 한 대당 탄소섬유의 가격은 약 3000달러로 추정된다.

영국은 6개의 탄소섬유 복합재료 센터 연구소가 활발히활동하고있다.

그중 첨단제조기술센터(AMRC)는 보잉(Boeing), 메시어 다우시티(Messier-Dowth), 롤스로이스(Rolls-Royce)등 약 70개의 기업과 영국 정부의 재정적 지원으로 설립된 기관이다.

AMRC는 항공 및 자동차에 응용에 사용되는 탄소복합재료 제작 및 항공 엔진부품을 최종 가공하고 있다.

또한, 대학 기초기술과 기업의 실용화를 연결하는 브리지(Bridge)역할을 수행한다.

특히 AMRC는 전주 기계탄소기술원(JMC)과의 협력이 기대되는데 주요 협력 분야로는 복합체 설계(항공기 등)분야, Low Cost 복합재 제조공정 연구, 최종제품 마무리 공정 등이 있다.

기대 효과로는 마이크로웨이브(Microwave)공정 등 국제공동연구와 뱅크정밀원광(자동화)등에서의 기술이전 및 협력이다.

 

김성중기자 yaksj@

 

 

- 전북일보 2012. 05. 30