탄소섬유가 철강의 강력한 대체재로 떠오르고 있다.
지난달 26일, 민간합동 창조경제추진단은 '미래 성장동력분야 플래그쉽 추진계획' 중 하나로 탄소섬유 복합재료를 선정했다. 이를 활용해 자동차와 항공기 구조재 부품을 개발·사용한다는 것이다. 특히 탄소섬유 중 플라스틱과 결합된 탄소섬유강화플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP)의 활용도가 높아지고 있다. 무게는 가볍고 강도는 세기 때문에 철 등을 대체할 수 있어서다.
탄소섬유 시장도 빠르게 성장하고 있다. 현재 글로벌 탄소섬유 시장 선두업체인 도레이(Toray)가 지난 2012년 발간한 '도레이 비즈니스 전략' 리포트에 따르면 탄소섬유 시장은 2013년 20억달러 규모에서 연간 11% 이상 성장해 오는 2020년이면 50억달러에 달할 것으로 전망된다.
◇ 탄소섬유시장 연간 11%씩 성장
탄소섬유는 견고한 육각 탄소 고리가 끝없이 연결된 실이다. 철보다 강도는 10배 세지만 무게는 4분의 1에 불과해 고강도 초경량 미래소재로 각광받고 있다. 원료 물질에 따라 PAN(폴리아크릴로니트릴)계, 피치(Pitch)계, 레이온(Rayon)계 등으로 분류된다.
최근에는 탄소섬유 복합소재가 시장을 주도하고 있다. 대표적 복합소재는 탄소섬유에 플라스틱을 결합시켜 만든 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)이다. 일반적으로 CFRP는 플라스틱 관련기업이 탄소섬유 생산기업으로부터 탄소섬유를 납품받아 생산한다. 생산된 제품은 CFRP를 사용하는 자동차, 항공기 제조기업 등에 판매된다.
독일의 완성차업체인 BMW는 최근 출시한 전기차 ‘i3'의 기본 골조 전체를 탄소복합소재로 제작해 활용 가능성을 보여줬다. BMW는 탄소소재 기업인 SGL과 합작, 연산 3000만톤 규모의 탄소섬유 생산체제를 구축한 상태다.
| ▲ BMW i3 |
보잉사는 보잉787과 A350 등에 CFRP 활용했다. 777기에 탄소복합체를 12% 정도 사용했지만 후속기종인 787기에는 탄소복합체를 50% 적용해 사용량을 늘렸다. 이외에 골프채와 낚싯대 등 스포츠 용품과 조선·건축 보강재 분야에서도 CFRP가 사용되고 있다. X선 투과성이 있어 X선 진단장비 등 의료분야에서도 활용이 가능하다.
◇ 효성, 시장 선도..GS칼텍스도 진출
국내 기업들도 탄소섬유에 대한 투자와 생산을 늘리고 있다. 특히 효성이 적극적이다. 효성은 전라북도 및 전주시와 함께 탄소 클러스터 조성에 주도적으로 참여하고 있다. 전주 탄소 클러스터를 탄소산업 메카로 만들기 위해 대기업은 물론 중소기업과의 기술 협력에도 적극 나설 계획이다.
효성은 2011년 국내 최초로 탄소섬유 개발에 성공했다. 지난해 말에는 기술 발전을 통해 활용성을 높인 고성능 탄소섬유 ‘탠섬(TANSOME)'을 선보였다. 현대자동차 신차인 ’인트라도‘에 처음으로 적용했다. 기존에 사용되던 강판과 철을 대신해 차체프레임과 루프 등에 사용됐다. 효성은 2020년까지 1조2000억원을 투자해 연산 1만7000톤 규모의 탄소섬유 생산 능력을 확보할 계획이다.
| ▲ 현대자동차 인트라도 |
태광산업은 탄소섬유 원료부터 제품까지 수직계열화를 갖춘 국내 유일의 업체다. 2011년 탄소섬유 상업생산 설비 구축을 완료했다. 2012년 9월 국내 최초로 상업생산을 시작했다. 울산공장에 연산 1500톤 규모의 생산설비를 갖추고 있다.
삼성종합화학, SK케미칼은 외국 탄소섬유 기업과 손잡고 사업에 뛰어들었다. 삼성종합화학은 SGL사의 탄소섬유 복합소재를 들여와 국내에서 마케팅과 판매 사업을 벌이고 있다. 향후 국내에 탄소섬유 생산시설을 구축할 계획이다. SK케미칼은 미츠비시 레이온의 탄소섬유 원사를 국내로 가져와 가공, 판매하고 있다.
GS칼텍스는 정유공정 잔사유를 활용해 내년까지 피치계 탄소섬유 상업생산을 시작할 계획이다. GS칼텍스 관계자는 “탄소섬유를 당장 상용화할 수 있는 수준은 아니지만 연구가 활발히 진행되고 있다”며 “몇 년 후에는 매출에 중요한 역할을 담당할 것”이라고 말했다.
◇ 높은 생산가격, 시장 확대 발목
탄소섬유 시장 확대에도 걸림돌이 있다. 철보다 20배 이상 비싼 가격이다. 가열에 필요한 에너지가 1000°C 이상이고, 화학적 반응시간이 소요되는 특수한 생산 공정 탓이다. 탄소섬유 프리프레그(강화섬유에 매트릭스 수지를 예비 함침한 성형 재료) 가격은 kg당 12~20달러다. 자동차용 강판 1달러, 알루미늄은 2달러 수준이어서 탄소섬유가 가격 경쟁력에서 밀리고 있다.
| ▲ 자료: 포스코경영연구소 |
또 주로 바탕재(마무리재를 보호하고 보강하기 위한 조작재)로 사용되는 에폭시 수지가 성형 후 굳는데 오랜 시간이 걸려 생산성이 떨어지는 문제도 있다. 이를 해결하기 위한 방안으로 피치(Pitch)계 탄소섬유 개발이 제시됐다. 현재 탄소섬유 시장은 PAN계 탄소섬유가 전체의 90%를 차지하고 있다. 반면 피치계 탄소섬유에 대한 연구는 많이 이뤄지지 않았다. 시장에서 뚜렷한 리더도 없는 상황이다.
피치계 탄소섬유는 콜타르 또는 석유 잔여물로부터 생성되는 피치 섬유를 탄소화 한 것이다. 탄성과 열전도성이 뛰어난 초고탄성 재료로 항공우주, 전기전자 등 고부가 제품군에 적용할 수 있다. 또 이방성(물리적 성질이 방향에 따라 다른 것) 피치를 원료로 해 결정성이 높다. 흑연화도 쉬워 원가경쟁력에서 PAN계보다 앞선다.
박형근 포스코경제연구소 수석연구원은 “피치계 탄소섬유는 잔사유를 활용해 원료가격이 낮다”며 “대량생산 기술을 확보하면 원가경쟁력에서 우위를 가져갈 수 있을 것”이라고 설명했다. 이어 “정유공정에서 원료를 확보할 수 있는 정유설비나 석탄화학설비를 갖춘 기업들은 노려볼만한 아이템"이라고 덧붙였다.
