Update2024.05.09 (목)
탄소섬유 전량수입, 원소재 제조기술 확보 시급
친환경에 대한 요구가 커짐에 따라 선진국에서는 미래 기술로 생산대수가 많은 자동차에 탄소섬유 복합소재를 적용하기 위한 연구를 활발하게 진행하고 있다. 이미 10년 전부터 원가절감 및 생산성 향상에 대한 연구가 정부지원을 받아 정책 과제로 진행돼 왔다.
■ 미국
◇ 주요 정책 및 연구개발 프로그램
미국에서는 1998년부터 에너지부(Department of Energy, DOE)의 FreedomCAR 프로그램을 통해 저가용 차량용 탄소섬유에 대한 연구를 계속 진행 중이다. USCAR(U.S. Council for Automotive Research)를 통해 진행되고 있는 본 프로그램의 3가지 주요목표는 저가의 탄소섬유 전구체 개발, 저가의 전환법 그리고 높은 생산효율성이다.
대표적인 성과로는 ORNL(Oak Ridge National Laboratory)과 PNNL(Pacific Northwest Natioanl Laboratory)을 중심으로 연구된 리그닌을 이용한 탄소섬유의 제조 기술 개발이다. 특히, 미국 내 바이오 연료의 생산량이 급격하게 증가할 것으로 예측됨에 따라 ORNL는 바이오 연료 생산의 부산물인 리그닌을 이용한 탄소섬유 제조 연구를 중점적으로 수행하고 있다. 2010년에는 정부로부터 3,470만 달러 투자를 받아 Carbon Fiber Technology Center(CFTC)를 설립했다.
현재 자동차 적용 가능한 탄소 섬유의 가격을 파운드당 15달러에서 5.5달러 수준으로 저가화하기 위한 연구와 탄소섬유의 에너지 저장 시스템으로써 자동차 판넬 개발 연구를 수행하고 있다. 리그닌으로부터 탄소섬유를 생산하는 기술의 연구를 통해 바이오 메스의 자원 활용 효율성을 높여 바이오 연료와 탄소섬유의 가격 경쟁력 확보가 가능할 것으로 예측하고 있다.
ANL(Argonne National Laboratory)에서는 열가소성과 열경화성 복합소재로부터 탄소섬유를 추출해 내는 복합소재의 리싸이클링에 대한 연구를 진행 중이다.
섬유 복합소재의 설계 기술에 대한 연구 개발도 이루어지고 있다. Virginia Tech.는 사출성형 공정에서의 섬유 배향 예측기술을 개발하고 있으며, American Chemistry Council은 사출시 섬유장 분포, 배양 등의 정보를 이용한 강도 예측 기술을 개발했다.
■ 일본 및 유럽
◇ 주요 정책 및 연구개발 프로그램
○ 일본
일본 경제산업성 산하의 NEDO(신에너지산업기술종합개발기구) 주관으로 도쿄대·니산·교토섬유공예대학·도쿄공업대 등이 참여하여 탄소섬유강화 복합소재에 관한 연구 프로젝트가 진행됐다.
이 연구를 통해 기존의 고장력 강판에 비해 더욱 우수한 강도와 경량성을 지닌 탄소섬유 및 연속섬유 보강 복합소재와 이러한 복합소재의 설계·성형·리싸이클링 기술을 개발하고 실제 차량에 적용될 수 있는 기반을 마련했다.
2003년부터 2007년까지 5년간 진행된 이 연구를 통해 RTM(Resin Transfer Molding)에서의 고속 경화수지 및 고속 수지 투입 기술과 고속 소재 형성법(도어 내판의 경우 10분의 성형 사이클 시간 달성)의 기초 기술을 달성했다. 또한 탄소섬유 복합소재를 이용함으로써 얻어지는 환경 부담의 감소에 대한 평가도 이뤄졌다.
2007년부터는 2단계 연구를 도쿄대 및 미쯔비시 레이욘을 중심으로 진행 중인데, PP 및 PA를 기재로 사용해 탄소섬유 보강 복합소재(Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic, CFRTP)를 개발하고, 이를 차체 외판으로 적용하기 위한 연구 및 리싸이클링에 대한 연구를 진행 중이다. 등방성 CFRTP 중간재를 이용한 압축성형 공정 기술 및 일방향 연속섬유 보강 CFRTP를 이용한 Internal Pressure Molding 공법을 개발한다고 알려져 있다.
○ 유럽
유럽의 경우 볼보, 르노, 폴크스바겐(VW) 및 로잔공과대학(EPFL) 등 대학이 컨소시엄 형태로 참여해 2000년 4월부터 2004년 9월까지 약 520만유로의 비용으로 TECABS(Technologies For Carbon Fiber Reinforced Modular Automotive Body Structures) 과제를 수행한 적이 있다. 과제 개발 목표로서는 기존차 대비 경량화 50%, 부품수 70% 삭감 그리고 고속 성형공법 개발이었으며, 과제의 주요 내용은 다음과 같다.
- 고속 저가 성형 프로세스, 고 비용 효율/고속 프리폼(Pre-form) 및 레진 기술
- 정적/충돌 거동 및 경제/환경 영향 시뮬레이션
- 성능 요구 조건을 만족하면서 실현 가능한 부품 컨셉 설계
유럽 복합소재시장 2014년 18억2,490만불 예상
韓기업 단·장섬유 보강 복합소재 경쟁력 높아
■ 한국
◇ 주요 정책 및 연구개발 프로그램
탄소섬유의 경우 전량 일본 또는 다른 나라에서 수입해 사용하고 있는 실정으로 국내에서의 원소재 제조 기술 확보가 시급한 실정이다. 최근에는 복합소재의 기계적 특성과 함께 고기능화가 요구되면서 이에 대한 연구도 다수 진행 중이다. 현재 대학 및 연구소 중심으로 기초 연구가 진행되고 있으며 기업과 연계해 산업에 적용하기 위한 연구로 발전하고 있다.
국가지정 연구실 사업(National Research Lab(NRL), 지경부)으로 포항공과대학 기계공학부에서는 차량용 Smart Skin Antenna 개발을 목표로 높은 전기적/구조적 성능을 지니는 고기능성 CSS 고분자 복합소재(Composite -Smart-Structure)에 대한 연구를 진행했으며, 재료연구소에서는 섬유자동배열에 의한 고분자 복합소재 정밀성형 기술 개발에 대한 연구를 진행했다.
프론티어 연구개발 사업(2002~2011, 지경부)을 통해 복합소재 광 경화 수지, 3차원 입체구조 복합소재와 LFT 열가소성 복합소재(Glass/PP)에 대한 연구를 진행 중이며, 소재원천기술개발사업(2007~2017)을 통해 전자파 흡수용 기능성 고분자 복합소재와 탄소섬유 제조기술에 대한 연구가 진행 중이다.
또한, 세계시장 선점할 10대 핵심소재(WPM) 개발 사업(2010~2019, 지경부)을 통해 고방열 나노복합소재, 전자파 차폐 기능소재와 같은 기계적 특성과 함께 우수한 물리적 특성을 지니는 고기능성 고분자 복합소재에 대한 연구가 진행 중이다.
◇ 기술경쟁력 분석
국내의 플라스틱 복합소재 기술은 일반 사출성형과 같은 생산기술 분야에서 비교적 많은 경험이 축적돼 있다. 그러나 원천 소재 개발 및 신공법 성형장비 등 전반적인 기술 인프라가 많이 부족한 상황이다. 탄소섬유를 예로 들면 현재 전량 수입에 의존하고 있으며, 일반적인 사출성형기나 프레스 성형장비를 제외한 고가의 동시 압출사출성형기 및 정밀 제어 프레스 등은 국내업체에서 제작할 수 없는 실정이다.
성형 공법 측면에서 보면 아직까지 RTM 또는 RIM 공법을 이용한 부품의 실제 양산 적용 예가 없으며, 탄소섬유 제조 및 탄소섬유 보강 복합소재의 리사이클 기술의 확보가 필요하다.
■ 국내외 주요 기업의 생산활동
현재 가장 많이 사용되고 있는 단섬유 또는 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합소재의 경우 국내 업체에서 기술경쟁력을 확보하고 있다.
PP 및 PA 복합소재 제조 및 성형기술은 이미 국내 원소재업체 및 부품업체에서 많은 경험을 축적하고 있다. PP 원소재업체로서는 국내 기반의 호남석유화학·현대엔지니어링 플라스틱·삼성 토탈·LG 화학·GS 칼텍스·삼성토탈·대하 등이 있고 해외 기반의 Basell·Dow·Exxon·SABIC·Borealis·JPP(Japan Polypropylene)·스미토모(Sumitomo) 등이 있다.
PA 원소재업체로서는 코오롱·효성·듀퐁(DuPont)·BASF·로디아(Rhodia)·랑세스(LanXess)·알케마(Alkema) 등이 있다.
국내 주요 부품업체의 경우 완성차업체의 경량화에 대한 지속적인 요구 증대로 대부분 복합소재 관련 기술을 확보하고 있다. 주요 업체로는 모비스·아이아·덕양·한일이화·만도·한화 L&C·LG하우시스·에코플라스틱·프라코·NVH 코리아·평화정공·광진포레샤·신기인터모빌·인지컨트롤스 등이 대표적이다.
해외업체로서는 모듈 부품 전문업체인 콘티넨탈(Continental)·마그나(Magna)·포레시아(Faurecia)·존슨콘트롤(JCI)·델파이(Delphi)·비스티온(Visteon) 등이 복합소재를 적용해 자동차 파워트레인·내외장·차체·샤시 부품 등을 생산 판매하고 있다.
열경화성 수지 복합소재의 경우 북미 및 유럽 지역에서 주로 많이 사용 중인데, 가장 대표적인 성형공법으로는 SMC가 대표적이다. 미국에서는 1988년부터 승용차 및 트럭 산업에서 사용되는 복합소재 부품 제조업체 및 원소재 업체들이 참여한 ACA(Automotive Composite Alliance)가 설립·운영 중이다. 참여 회원사로서는 Balsa Core 및 Foam Core를 제조하는 Alcan Baltek, 불포화 폴리에스테르 수지를 공급하는 원소재업체인 AOC·Reichhold·SMC 제조업체인 Ashland 및 유리섬유 생산업체인 Owens Corning 등이 있다.
북미 자동차업체인 GM·Ford·Chrysler는 고급 스포츠카나 트럭 등 소량 생산 차종의 차체 외판을 중심으로 양산 적용 중이다. 1960년대 SMC가 발명된 이후 1972년 Chevrolet Corvette의 차체외판에 적용된 것을 시작으로 1996년 Ford Taurus 및 Sable의 FEM 캐리어, 2001 Ford Sport Track 의 Pickup Box 등으로 적용 부품이 확대되고 있다.
아직까지는 제품의 강성 및 원가 측면에서 SMC가 가장 경쟁력 있는 소재 중 하나임은 분명하다. 특히 차체외판에 적용하기 위한 표면외관 품질 향상에 대한 소재 및 성형공정 연구가 많이 진행돼 왔다.
유럽에서는 European Alliance For SMC/BMC가 1993년 설립돼 상호 협조를 통한 기술 개발 및 연구활동을 강화하고 있다. 자동차 산업뿐만이 아니라 철도차량, 건축/건설, 전기/전자 등 다양한 분야에서 새로운 부품에 적용을 검토 중이다. 참여 회원사로서는 ACA에 참여 중인 Ashland·Reichhold·IDI Composites International과 더불어 SMC/BMC 전문 생산업체인 Astar, 첨가제 업체인 BYK, 다양한 섬유 보강재 제조업체인 Johns Manville, 부품 생산업체인 Lorenz Kunststorfftechnik 및 Menzolit 등이 있다.
한편, 프레스 성형장비 제조 전문업체인 Dieffenbacher는 RTM의 단점을 보완할 수 있는 고압(High Pressure) RTM 연속성형 공법에 대한 연구를 진행 중이다.
유럽 자동차업체의 경우 지금까지는 주로 유리섬유 복합소재의 일종인 SMC를 승용차의 Trunklid(또는 Decklid 라고 부름), 트럭의 차체외판 및 파워트레인 부품 (오일 팬, 엔진 헤드 커버 등)에 적용했다.
최근에는 탄소섬유 복합소재를 적용하기 위한 연구가 활발해지고 있다. BMW가 개발 중인 전기자동차의 성능 향상을 위해 차체 구조에 탄소섬유 복합소재를 사용하기로 했으며, Mercedes-Benz CL Class의 차체외판에 탄소섬유 복합소재 사용할 예정이다. 이는 최근 개발 완료한 고속성형 RTM 공법을 활용하고자 한다.
탄소섬유 복합소재가 최첨단 신소재로 떠오르면서 국내에서도 저가용 탄소섬유 개발 및 생산성 향상을 위한 복합재 성형기술을 위한 연구가 핵심 과제로 떠오르고 있다. 효성·코오롱·웅진케미칼·태광 등 메이져급 소재업체를 중심으로 탄소섬유 개발 및 상업생산 설비 구축에 대한 검토가 이뤄지고 있다.
완성차업체의 경우 현대자동차에서 최근 정부지원과제에 참여해 부품업체와 공동으로 탄소섬유 복합소재 고속성형 공법을 개발 진행 중이다. 현재 버스의 차체외판을 생산하고 있는 한국몰드의 경우 기존 SMC 생산설비를 개조해 유리섬유 대신에 탄소섬유를 보강할 수 있는 기술을 개발 중이며, 아울러 기존 RTM 공법에 진공 라인을 설치해 사이클타임(Cycle Time)을 현저하게 감소시킬 수 있는 기술을 개발하고 있다.
주로 사출성형공법으로 내외장 및 파워트레인 부품을 생산하고 LG 하우시스는 새로 도입한 동시압출 압축성형기(LFT-D 공법)를 사용해 탄소섬유 보강 나일론 복합소재로 전기자동차 배터리 팩 케이스를 개발 중에 있다.
복합섬유 리사이클 기술 확보 절실
저가형·고성능 탄소섬유 개발 필요
■ 시장규모 및 전망
2009년 Lucintel 보고서에 따르면 2008년 전 세계 복합소재 시장은 총 매출액 195억달러 (22조 4,000억원), 생산량은 663만톤 규모이다. 그 중에서 열가소성 복합소재 시장은 전체시장의 약 24%인 38억 5,100만달러(4조 4,000억원)/167만톤으로 항공·풍력·자동차·의료용·산업용·스포츠용품 등 전체 사업 분야 기준이다.
자동차 산업분야만 본다면 열가소성 복합소재 사용량이 국가별로 다른데, 실제 북미 시장 사용량만 보면 열가소성 복합소재 사용량이 55% 이상을 차지했다.
Lucintel 보고서는 북미 자동차 시장에서 전체 복합소재 매출액은 2014년 약 15억 8,100만달러(1조 8,000억)에 이르며, 헤드라이닝·AIM·FEM 캐리어·엔진 헤드 커버·컨넥터 등 자동차 복합소재 시장은 향후 5년간 매년 4%씩 평균 성장할 것으로 전망했다.
또한 자동차 부품용 복합소재는 적용 부위에 따라 SFT·LFT·LWRT·GMT·CFRP 등 열가소성 또는 SMC·BMC·RRIM 등 열경화성의 다양한 형태로 사용될 수 있으며, 열가소성 복합소재는 PP 및 PA 기재가 주로 사용되고 열경화성 복합소재의 경우 주로 폴리에스테르 계통의 기재가 대부분을 차지할 것으로 전망했다.
한편 유럽에서의 자동차 복합소재 시장은 2009년에서 2014년까지 현격한 증가를 보여 매년 6.87%의 성장하며, 2014년에는 매출액이 북미지역보다 다소 높은 약 18억 2,490만달러 (2조 1,000억)에 이를 것으로 전망했다. 유리섬유 복합소재 및 탄소섬유 복합소재 시장이 동시에 성장할 것이며, 아울러 열가소성 복합소재 및 열경화성 복합소재도 같이 동반 성장할 것으로 전망했다. 특히 가격경쟁력이 우수한 PP 복합소재 시장이 가장 많이 성장할 곳으로 전망했다.
■ 향후 연구개발 과제
◇ 연속섬유 보강 열가소성 복합소재 개발
초고유동성 열가소성 기재 중합 기술
일방향 연속섬유 유리 섬유 복합소재 Prepreg 제조
연소섬유 직조 유리섬유 복합소재 Prepreg 제조 ,
유리섬유 및 기재간 계면 접착력 향상 기술
◇ 저가형 고성능 탄소섬유 복합소재 개발
48k 이상 라지 토우 탄소섬유 제조
탄소섬유 개섬 및 표면처리 기술,
탄소섬유 2차원 및 3차원 직조 기술
복합소재 내구 피로 특성 시험 평가 기술
복합소재 리싸이클 기술
◇ 복합소재 고속성형 기술 개발
진공 RTM 소재 및 공정 기술
속경화성 Advanced SMC 소재 및 공정 기술
열가소성 복합소재 중간제 대량생산 기술
열가소성 복합소재 부품 연속성형
공정 기술
자동화 연속 공정 기술
구조용 접착제 제조 및 도포 공정 기술
◇ 자동차 부품 설계 및 해석 기술
스틸 차체 부품 대체 플라스틱화 설계
금속-복합소재 하이브리드 설계 기술
이종 소재 접합 구조 설계
복합소재 부품 멀티스케일 해석 기술
단품 강성 및 실차 충돌 특성 해석 기술
전기자동차 전용 차체 플랫폼 설계
■ 국내 산업이 나아갈 방향
◇ 산학연 공동연구
국내의 경우 일반적인 내외장 플라스틱 소재 및 부품 개발에 대한 기술경험은 풍부하다. 그러나 아직은 자동차 차체 구조용 소재 및 부품 개발에 대한 연구 경험이 부족하므로 산업체에서 향후 필요한 기술 개발 전략을 제시하고, 대학 및 연구소에서는 양산 적용에 필요한 저가 소재 및 고속 성형에 필요한 요소기술을 개발해 지원을 해 줘야 한다.
◇ 산업기반 구축
자동차 부품 양산 적용를 위해서는 다양한 분야의 기술이 종합돼야 비로소 가능하다. 즉, 원소재·중간제·금형제작·부품성형·완성차 조립에 이르기까지 일련의 과정에 필요한 산업 기반이 전체적으로 성장 발전할 경우 시너지 효과가 나타날 것이다.
◇ 정부의 중점지원
특히 연소섬유 복합소재 및 탄소섬유 복합소재 분야의 경우 시장 초기 형성 단계로 아직은 시장 성숙기에 도달하지 않아 정부지원 없이는 국내 연구 기반 및 산업 기반 구축이 불가능하다. 대규모 설비 투자 및 장기간 연구개발이 필요하므로 중점 지원이 필요한 실정이다.
