미래 산업 근간 탄소섬유복합재, 산업전환·탄소중립 기여

車·항공기 등 모빌리티 외 경량화, 온실가스 발생량↓·연비 효율↑

E 감축·CO₂ 재활용 등 기술 개발·생태계 조성, 정부 지원 必

▲ (左부터)한국탄소산업진흥원 산업진흥본부 최영철 본부장(박사), 배재성 책임(박사)

■전세계 아젠다 ‘탄소중립’

기술과 문명의 발전은 인간의 삶을 보다 편리하고 유익하게 만들었다. 하지만 과학 기술의 발전은 우리에게 이산화탄소 과다배출로 인한 ‘지구온난화’라는 심각한 환경 문제를 야기 시켰다. 지난해 여름 우리나라의 서울은 사상 최대의 폭우가 쏟아져 사람들이 고립되며 사상자와 피해자가 발생했다. 또 평소 섭씨 20도 중반이었던 유럽의 여름 기온은 섭씨 40도가 넘어 사회활동을 멈추는 등 지구 곳곳에서 이상기온 현상이 계속해서 발생하고 있다. 이렇게 인간의 생존을 위협하게 된 기후위기, 기후재앙에 맞서 세계 주요국들은 이상기후의 원인이 되는 온실가스 배출량을 ‘0’(Zero)으로 만드는 넷-제로(Net-Zero) 즉, ‘탄소중립’을 향해 가고 있다.

국제사회는 기후변화를 억제하기 위해 1992년 유엔기후변화협약을 체결하고, 이 협약을 이행하기 위해 1997년에 ‘교토의정서’가 채택 됐다. 이에 국제사회의 공동과 차별적 책임에 따라 능력에 맞게 온실가스 감축을 약속했다. 그러다 2015년에는 2020년부터 모든 국가가 참여하는 새로운 기후체제의 근간이 될 ‘파리협정’이 채택됐고, 2019년 기후행동정상회의를 통해 다양한 기후위기 행동실천을 위한 아젠다가 구체화됐다.

EU국가들을 필두로 ‘탄소중립’ 법제화가 추진됐으며, 미국, 중국, 일본 등 주요국들이 탄소중립 목표를 선언했다. 우리나라도 능동적인 대응을 위해 2020년 10월 28일 국회 시정연설을 통해 2050년 탄소중립 계획을 발표하고, 2021년 10월에는 ‘2050 탄소중립 시나리오안’과 ‘2030 국가 온실가스 감축 목표(Nationally Determined Contributions, NDC)’ 상향을 심의·의결해 기존 온실가스 총배출량 감축 목표인 26.3%에서 40%까지 확대하기로 했다.

■산업·E 전환의 중심, 탄소섬유복합재

이제 2050 탄소중립을 위해 우리 산업이 변화해야할 시점이다. 화석연료 사용과 그에 따른 산업화로 인한 문제들을 ‘산업 대전환’을 통해 우리 스스로 해결해가야 한다. 그리고 그 중심에는 산업의 친환경화와 경량화를 이끌어갈 ‘소재’가 자리잡고 있다. 성공적인 탄소중립과 산업전환을 위한 돌파구는 기술혁신에 있으며, 그 기술혁신의 밑바탕에는 소재가 존재한다. 소재는 부품과 완제품을 구성하는 핵심 기초물질로서 다양한 적용성을 지니며, 부품과 완제품이 가져야 할 특정 기능을 좌우하는 물질로 중요성이 점점 더 부각되고 있다.

여러 소재 중에서도 특히, 탄소섬유복합재(CFRP)는 철보다 무게는 70%정도 가볍지만 강도나 탄성 등 물성은 10배 가량 우수해 이미 다양한 사업 분야에서 꿈의 신소재로서 주목 받고 있다. 차량, 선박, 항공기, 풍력발전 블레이드 등 경량화를 추구하는 분야를 비롯해 건축 토목, 의료, 레저 및 생활용품에 이르기까지 다양한 산업분야에서 활용되고 있다.

최근 환경규제가 강화되면서 내연기관차의 판매가 금지됨에 따라 자동차 분야에서 환경과 연비를 향상시켜줄 고강도 경량소재로서 탄소섬유복합재를 적용이 확대되고 있다. 또 알루미늄 등의 금속보다 가벼우면서 높은 압력을 견딜 수 있는 뛰어난 내구성 덕분에 수소차의 연료탱크 원재료로도 각광받고 있다. 항공 분야에서는 비행기 동체의 50% 이상을 탄소섬유복합재가 차지할 만큼 많이 활용되고 있다.

탄소섬유복합재는 우주항공, 방산, 자동차에 이어 드론, UAM(도심항공모빌리티)/UAV(무인항공기) 등 차세대 모빌리티 분야에서도 없어서는 안 될 중요한 소재로, 그 수요가 증가하고 있다. 현재 전세계 탄소섬유복합재 시장 규모는 24조 6,000억 원이며, 2030년까지 101조 7,000억 원으로 급성장할 것으로 예측된다. 지속 성장 중인 탄소복합재의 글로벌 시장은 규모의 경제를 달성하기 위한 기술 개발 및 고도화에 중점을 두고 꾸준히 발전되고 있다.

탄소섬유복합재가 항공기 기체, 자동차 차체 등에 적용될 경우, 연비개선에 따른 이산화탄소 저감효과로 탄소중립 실현이 가능하다. 자동차 차체중량의 17%를 탄소섬유복합재로 적용할 시, 차체 무게의 30%를 경량화 할 수 있다. 또 자동차 1대가 10년 주행 후 폐기된다는 것을 가정하면 ‘소재제조-조립-주행-폐기’까지 전(全)주기에서의 이산화탄소 전체 발생량은 기존 자동차 대비 약 16% 감소된다.

항공기의 경우, 기체구조의 50%를 탄소섬유복합재로 적용하면 기체 무게의 20%를 경량화 할 수 있다. 기체 경량화로 에너지 효율이 향상될 뿐만이 아니라 탄소섬유복합재 적용 항공기는 기존 항공기 1대가 10년간 운항하는 과정에서 발생하는 이산화탄소 총량 대비 약 7%를 감소할 수 있다. 탄소섬유복합재가 각종 산업용 부품이나 제품에 적용될 경우 전주기적 관점에서 경량화를 통한 이산화탄소 배출 저감 즉, 탄소중립 실현이 가능하다.

▲ 탄소섬유복합재(CFRP)를 자동차 및 항공기에 적용 시, 이산화탄소 저감효과

■친환경 기술 개발 必

국내 산업의 2050 탄소중립 실현을 위해 탄소섬유복합재는 없어서는 안 될 필수소재이자 미래 주요 산업을 든든하게 뒷받침할 기초 재료이기도 하다. 현재 세계 각국이 친환경 산업으로의 전환을 위한 기술선점과 시장 경쟁력 확보를 위한 공급망 재편 등에 나섰다. 기술 경쟁력이 국가의 외교와 안보에도 영향을 미치는 기술패권 시대가 도래함에 따라, 우리도 탄소섬유복합재 기반의 친환경 기술 개발에 더욱 박차를 가해야할 시점이다.

탄소섬유복합재의 친환경 기술 발전을 위해서는 첫째, 에너지 소모량 감축을 위한 대체소재 기술개발이 필요하다. 석유 자원의 고갈, 지구온난화 등 탄소중립을 위해 기존 PAN(폴리아크릴로니트릴)계 탄소섬유를 대체할 수 있는 재생 가능 원료 기반의 탄소섬유 생산 방법이 관심을 받고 있다. 바이오폴리머인 리그닌과 셀룰로오스가 지속가능한 원료로서 가장 높은 잠재력을 가지고 있다. 재생 가능한 전구체의 사용은 이산화탄소 배출 저감 효과와 더불어 탄소섬유 및 복합재 제조 비용의 감소로도 이어질 수 있다. 뿐만 아니라 복합재 기반 기술의 적용 분야를 확대시켜 새로운 시장과 산업 부문을 개척함으로써 진정한 순환 경제 체제 구축이 가능하다.

둘째, 혁신적인 저에너지 공정기술 개발이 필요하다. 마이크로웨이브, 플라즈마, 전자빔 등의 저에너지 공정 기술 개발은 이산화탄소 배출을 저감을 가능하게 한다. 마이크로웨이브를 이용해 탄소섬유를 탄화하는 공정 기술은 소요되는 에너지 양과 공정 시간을 기존대비 약 50% 저감할 수 있다. 플라즈마를 이용해 탄소섬유 표면의 물리화학적 물성을 변화시키는 공정 또한 기존 공정대비 50% 에너지를 저감할 수 있어 결과적으로 이산화탄소 발생량을 낮출 수 있다.

셋째, 재활용 소재 및 이산화탄소 자원화 기술 등의 핵심 기술개발이 필요하다. 각종 탄소섬유복합재 폐자재는 재활용이 가능하며, 수지의 종류에 제약이 적고 대량의 폐자재를 비교적 적은 비용으로 처리할 수 있다. 수집한 폐자재를 물리적, 화학적 방법으로 처리 및 제조해 다양한 형태로 재사용이 가능할 뿐만이 아니라 에너지 및 이산화탄소 발생량을 기존대비 약 80% 저감할 수 있다.

그리고 탄소중립의 수단으로 주목받고 있는 CCU(Carbon Capture Utilization, 이산화탄소 포집·활용)는 신재생에너지와의 연계 및 활용, 친환경 자원순환측면 등에서 잠재력이 높은 기술로 평가받고 있다. 특히 탄소소재화 기술은 포집한 이산화탄소의 화학전환(공정)을 통해 탄소섬유, 그래핀 등의 탄소소재를 제조하는 기술로 우리나라에서는 ‘2050 탄소중립’에 핵심적인 기여가 예상되는 차세대 혁신 기술로 분류되기도 했다.

더불어 이산화탄소를 원료로 환원력이 뛰어난 금속 또는 환원제를 이용하면 탄소섬유, 카본블랙, 그래핀 등의 탄소소재를 제조하는 것이 가능하다. 이들 소재는 경량부품, 연료전지 및 이차전지용 소재로 사용할 수 있어 산업발전과 환경개선 모두를 만족 시킬 수 있다. 또 이산화탄소의 탄소 소재화 및 부품화, 재사용, 그리고 재활용 시 이산화탄소의 원료화 등 순환 사이클을 통해 탄소중립을 위한 탄소산업 선순환 생태계를 조성할 수 있을 것으로 본다.

▲ 탄소섬유복합재의 탄소중립 실현을 위한 핵심기술

■경쟁력 확보, 정부 지원 뒷받침 필요

최근 네이처 커뮤니케이션즈 저널에 발표된 논문에 따르면, 각국이 탄소중립 정책에 따라 온실가스 배출량을 줄여도 2050년 북극 해빙이 소멸될 것으로 예측했다. 또한 현재와 같은 온실가스 배출 추세가 계속되면 2030년 해빙이 완전히 사라진다고 예상했다. 북극 해빙의 소멸은 전 세계적으로 인간 사회와 생태계에 큰 영향을 미칠 것으로 보인다.

이처럼 심화되는 기후위기 속에서 탄소중립과 에너지 전환에 전세계가 속도를 내고 있다. 우리 또한 글로벌 시장 변화에 맞서 탄소섬유복합재의 활용 저변을 넓혀 나감으로써 탄소중립은 물론 지속가능한 산업 생태계를 구축해 나가야한다. 산업과 환경, 두 마리의 토끼를 잡을 수 있는 탄소섬유복합재의 경쟁력을 확보하기 위해서는 국가의 다양한 정책적 지원이 필수적이다. 투자, 제도 등 정부의 다양한 수단을 통해 탄소섬유복합재 및 관련 산업의 시장을 선점해야 한다.