[효성적 일상] 탄소섬유(Carbon Fiber)는 어떻게 ‘미래산업의 쌀’이 되었나

이런 표현은 도대체 누가 만드는 거죠? (일본의 수출규제 덕분에 더더욱) 탄소섬유가 중요하다는 건 알겠는데, 왜 ‘미래산업의 쌀’이라고 표현하는 걸까요?

‘쌀’은 소위 밥심을 만들어냅니다. 한국인에게 밥심은 단지 생계를 책임지는 먹거리가 아니라 지친 몸을 일으켜 새로운 분야에 도전할 수 있는 에너지라고 할 수 있죠. 그래서 밥심은 혁신이 필요한 어떤 분야에서도 활용이 가능합니다. 다시 말해서 우리 식생활에 있어서 ‘쌀’은 ‘그 어떤 것으로도 대체할 수 없는 근간’이라고 정의 할 수 있겠군요. 

5년 전만 해도 ‘산업의 쌀’이라는 수식어는 ‘철’의 것이었습니다. 최근엔 반도체를 말할 때 사용하기도 하고요. 국가의 기간 산업이나 핵심이 되는 기술에 사용하는 이 수식어는 쌀을 주식으로 삼는 나라에서만 통용됩니다. 유럽이나 미국에서는 쌀이 아니라 ‘밀’이라고 해야 맞겠죠. (아니, 고기인가요?)

그냥 산업이 아니라 ‘미래 산업’이라고 표현한 이유는 탄소섬유 없인 미래에 관해 이야기할 수 없을 뿐 아니라 철을 대체할 첨단 미래 소재로도 주목받기 때문입니다. 그렇다면 이쯤에서 궁금해집니다. 탄소섬유는 어떤 과정을 거쳐 미래산업의 쌀이 되었을까요? 그리고 어떤 변화를 가져오게 될까요?

01

탄소섬유가 정확히 뭐죠?

최근 미디어를 통해 탄소섬유에 대해 많이 들으셨을 거예요. 탄소섬유가 무척 중요한 소재라는 것과 국내 기업에서도 생산하고 있다는 것까진 아실 거라 생각합니다. 그런데 정확히 탄소섬유가 무엇인지 알고 계신가요? 

-
탄소섬유는 말 그대로
탄소가 92% 이상 함유된 섬유

탄소섬유는, 원사(실) 안에 탄소가 92% 이상 함유된 섬유로, 철에 비해 무게는 1/4에 불과하지만 10배의 강도, 7배의 탄성을 갖고 있습니다. 내부식성, 전도성, 내열성이 높아 철이 사용되는 모든 제품과 산업에 적용이 가능해 ‘꿈의 신소재’라고 불리고 있죠. 

여기서 중요한 것은, 강한 소재는 무거울 거라는 상식을 가볍게 뒤집어 버렸다는 겁니다. 더 가볍지만 더 강하기 때문에 철을 대신할 수 있죠. 그런데 이해가 되시나요? 분명 실인데, 성분이 탄소라는 것 말입니다. 쉽게 말해서 탄소는 탄화, 태우는 과정을 통해 얻을 수 있습니다. 나무를 태워 얻은 숯은 탄소의 결정체라고 할 수 있어요. 실을 태우면 당연히 재만 남지 않겠어요? 해답은 어떤 원료를, 어떤 컨디션에서 태우느냐에 있습니다. 

-
어떤 원료:
PAN(Poly-Acrylonitrile)이나 Pitch를,

탄소섬유의 제조 과정을 설명하기 전에 꼭 알아야 하는 1가지를 설명해야 할 것 같군요. ‘출발 물질’이라는 뜻을 가진 전구체(前驅體), 영어로 프리커서(precursor)라는 용어입니다. 탄소섬유를 만드는 데 사용하는 프리커서는 PAN(Poly-Acrylonitrile), 피치(pitch), 셀룰로스, 리그닌, PE 등이 있습니다. 현재에는 PAN과 Pitch가 주로 사용되고 있어요. 

PAN계는 아크릴로나이트릴(Acrylonitrile)을 중합한 후 방사하여 얻은 PAN(Poly-Acrylonitrile) 섬유를 고온에서 탄화해 제조하고, Pitch계는 석유, 석탄 공정에서 증류하고 남은 잔류물(Pitch)을 방사한 후 고온에서 탄화해 제조합니다. 2012년 기준 전 세계 탄소섬유 시장에서 PAN계 96.2%, Pitch계 3.8%의 시장점유율을 차지하고 있습니다. (효성은 지난 2011년 국내 최초 개발에 성공한 이후 2013년부터 PAN계 탄소섬유를 생산하고 있고요) 그래서 앞으로 설명할 탄소섬유 제조 방법은 PAN계 탄소섬유 제조공정을 예를 들어 말씀드리려고 합니다. 

-
어떤 컨디션:
탄소만 남을 때까지 1,200℃ 이상의 고온에서
중합, 방사, 소성(tanning)하다

PAN계 탄소섬유 제조과정은 크게 중합, 방사, 소성의 과정을 거칩니다. 

중합: 아크릴로나이트릴(AN : acrylonitrile)에 열과 압력을 가해 고분자 상태로 만드는 과정입니다.

방사: 중합과정을 통해 만들어진 고분자 중합체(PAN : Poly-Acrylonitrile)는 방사 과정을 거쳐 아크릴 섬유로 재탄생하게 됩니다.

소성: 이렇게 만들어진 아크릴 섬유를 1,200℃ 이상의 고온에서 산화 및 탄화시키는 과정이 소성 과정입니다. 소성 과정을 거친 아크릴섬유는 탄소(C) 성분만 남아 탄소섬유가 완성됩니다. 

좀 길지만 이 과정을 좀더 자세히 보여주는 영상이 있어 소개합니다. 인내심을 가지고 보시면 탄소만 남기기 위한 쉽지 않은 여정을 이해하실 수 있을 겁니다.

탄소섬유 제조공정 체험 | 출처: 한국탄소융합기술원 탄소기술교육센터 유튜브

결국 중합, 방사, 소성은 연속된 육각면체의 흑연 구조를 얻기 위한 과정입니다. 일렬로 연결하면 2km가 되는 탄소섬유 제조공정을 독자 개발하기 위해 우리에게는 30년이란 시간이 필요했습니다. 

출처: 부산대학교 고분자공학과 미세구조연구실-고분자 지식백과

02

탄소섬유가 국산화되기까지

일본이 1971년 PAN계 탄소섬유의 상업 생산을 시작한 반면, 2012년까지 탄소섬유 국내 생산은 제로였습니다. 전량 수입에 의존하고 있었죠. 어쩔 수 없이 일본과 비교하게 되었습니다만, 40년 넘는 기술의 격차를 우리는 구경만 하고 있었을까요? 

효성첨단소재(주)가 탄소섬유를 본격적으로 연구하기 시작한 건 2008년입니다. 국내 최초 독자 기술 개발에 성공해 PAN계 탄소섬유를 생산하기 시작한 것은 2013년이죠. 하지만 효성의 이러한 성과는 오롯이 효성만의 것이 아닙니다. 훨씬 이전부터 연구를 거듭해온 여러 전문가와 기업의 행보가 이어졌기 때문이죠.

정확히 2011년 6월 14일, 일본, 독일, 미국 등에 이어 세계에서 4번째, 국내에서는 최초로 탄소섬유 개발을 완료합니다. 5년짜리 국책과업을 3년 반 만에 달성한 성과는 연구진의 피나는 노력과 효성의 과감한 결단, 그리고 전주시의 아낌없는 지원 덕분에 가능한 결과였습니다.

효성 탄소섬유 전주공장 준공식 (2013.05.13)

이후 효성은 2013년 5월, 전북 전주시 덕진구 첨단복합산업단지에 18만2,000m2 (약 5만5,000평) 면적에 약 1,300억 원을 투자해 연산 2,000톤 규모의 탄소섬유 공장을 완공합니다. 탄소섬유의 상업생산을 본격적으로 시작한 전주공장이 주목받은 또 다른 이유는 ‘탄소섬유의 원재료(프리커서) 생산부터 탄화에 이르기까지 전 공정을 갖춰 그 길이만 540m’라는 것이었는데요, 모든 공정을 갖춘 고강도 탄소섬유 공장이 들어선 것은 국내에서 효성이 유일했기 때문입니다. 바로 이곳, 전주공장에서 효성의 탄소섬유 브랜드, 탄섬(TANSOME®)이 생산되고 있습니다.

효성첨단섬유 전주공장은 직선거리로 540m
1,000도가 넘는 고온에서 가열하면서도
끊이지 않고 뽑혀 나와야 하기 때문이다.

효성첨단소재 전주 탄소섬유 공장

-
2014 - 현재

2013년부터 생산을 시작한 효성의 탄소섬유 브랜드 '탄섬(TANSOME®)'은 국내 최초로 자체 개발한 고성능 탄소섬유로, 탄소섬유 생산 공정에서 태우는 과정인 '소성(Tanning)'과 '특별함(Something Special)'의 결합으로 부가가치를 창출한다는 의미를 지니고 있습니다. 단독으로 활용되기보다는 수지(Resin)과 결합한 복합재(Composites or CFRP ; Carbon Fiber Reinforced Plastic)의 형태로 사용되는 비중이 높습니다. 

2014년 제네바 모터쇼에서 세계 최초로 공개한 현대자동차 친환경 콘셉트카 ‘인트라도’의 차체 프레임, 루프, 사이드 패널 등에 효성의 탄소섬유, 탄섬을 적용합니다. 탄소섬유로 만든 차체는 강철로 만든 일반 자동차와 같은 강도면서도 무게가 60% 정도 가벼워 연료 효율이 높죠. 한국 기업이 독자적으로 개발한 탄소섬유가 자동차에 쓰인 경우는 처음이라는 점에서 의미가 있습니다.

현대자동차 친환경 컨셉카 ‘인트라도’ 차체

최근 정부는 2018년 13만t이던 수소 공급을 2040년에는 526만t까지 보급하고, 수소차는 2018년 2천 대에서 2014년 620만 대까지 생산·판매하며, 수소충전소도 2018년 14곳에서 2040년 1,200곳까지 확대하겠다는 계획을 세웠습니다. 바야흐로 친환경 에너지, 수소의 시대가 오는 것이죠.

효성첨단소재(주)는 새로운 시대의 도래에 발 빠르게 움직였습니다. 미래 친환경 자동차로 주목받고 있는 수소전기차, CNG차의 핵심 부품인 수소연료탱크 등 고압용기 제작에 적합한 탄소섬유를 개발, 적용하고 있습니다. 

탄소섬유로 만든 수소연료탱크

효성중공업㈜이 만드는 수소충전소 역시 수소경제에 필수적입니다. 수소차가 많아질수록, 수소충전소도 많아져야 하니까요. 효성중공업㈜ CNG, LNG 등 가스 충전소를 구축해온 노하우를 바탕으로 전체 충전 시스템과 엔지니어링 능력을 보유하고 있으며, 국내에서 유일하게 수소충전소의 토털 솔루션을 제공하고 있습니다. 2018년 기준으로 국내 28곳의 수소충전소 중 13곳을 구축하며 국내 수소충전소 시장점유율 1위를 달리고 있죠.

효성첨단소재(주)는 2028년까지 설비구축과 연구개발(R&D)에 총 1조 원을 투자해 현재 연산 2,000톤 규모(1개 라인)인 생산 규모를 연산 24,000톤(10개 라인)까지 확대할 예정입니다. 단일규모로는 세계 최대규모인데요. 현재 1차 증설이 진행 중으로 오는 2020년 1월 연산 2,000톤 규모의 탄소섬유 공장을 완공하고, 2월부터 본격 생산에 들어갈 계획입니다.

2028년까지 10개 라인 증설이 끝나면 효성의 글로벌 시장 점유율은 2019년 현재 11위(2%)에서 글로벌 Top 3위(10%)로 올라서게 됩니다. 고용도 현재 400명 수준에서 대폭 늘어나 2028년까지 2,300개 이상의 신규 일자리가 창출될 것으로 예상합니다.

03

탄소섬유가 가져올 변화

-
수소경제 시대의 핵심 소재

정부는 지난 1월 수소경제 활성화 로드맵을 발표했습니다. 탄소섬유는 정부가 추진하고 있는 수소경제 시대의 핵심 소재가 될 것으로 전망하고 있습니다. 탄소섬유는 가벼우면서도 일반 공기보다 수백 배의 고압에 견뎌야 하는 수소연료탱크 핵심소재로서 수소 에너지의 안전한 저장, 수송, 이용에 필수적입니다. 미래 친환경 에너지 자동차인 수소차는 지난해 약 1,800대 수준에서 2022년까지 약 8만1천 대, 2040년에 약 620만 대로 확대될 것으로 예상하고 있습니다. 

-
친환경 에너지 절감 산업 확대 

지구온난화 등으로 환경 규제가 강화되면서 친환경적인 소재의 수요가 증가하는 추세입니다. 이런 측면에서 가볍고 강도가 높은 탄소섬유는 항공기 동체, 자동차 차체 등에 적용돼 경량화에 따른 연비 개선 효과와 CO2 배출 감소 효과가 큰 친환경 소재임에 틀림이 없죠. 탄소섬유가 항공기 및 자동차 등에 적용되면, 기기 자체의 무게를 크게 줄일 수 있어 연비 향상 및 배기가스 감축 등으로 친환경적 효과를 얻을 수 있습니다.

-
경제적 파급 효과 확대 

탄소섬유는 쓰임새가 다양해지고 있으며, 기술 개발 여지도 많이 남아 있습니다. 탄소섬유와 이를 가공한 복합재료가 다양한 산업 분야에서 활용되며, 가공한 제품들의 부가가치는 수십~수백 배에 이르기 때문에 경제적 파급 효과가 무척 큽니다. 현재 탄소섬유의 수요는 항공 우주 분야가 가장 많지만, 점차 자동차 분야로 바뀌고 있습니다. 2021년에는 자동차 분야가 최대 수요처가 될 것으로 전망하고 있으며, 세계 자동차 생산국 6위인 한국으로서는 탄소섬유의 시너지 효과를 극대화할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

-
건축자재로 활용될 경우 안전도 향상

콘크리트 건축물을 탄소섬유를 적용한 자재로 변경해 안전과 관련해 우려를 줄일 수 있습니다. 미국 및 중국은 낙후된 교량 수리나 자연재해로 파괴된 건축 구조물 관리강화, 보수가 필요한 부분에 탄소섬유 활용을 확대하고 있습니다. 

-
일상 및 레저소재로 활용 

일상생활 곳곳에 우리가 사용하는 모든 것에 적용되어 삶의 질을 더 높일 것으로 예상합니다. 가볍고 열에 강하다는 성질을 활용해 산소통에 적용함으로써 인명구조에 활용하거나 소화기에 적용할 경우, 노약자도 가볍게 사용할 수도 있게 되죠. 그 외 서프보드, 스노보드, 골프 샤프트 등 스포츠 레저용품으로 활용되어 일상생활에서 쉽게 접할 수 있는 소재로 주목받고 있습니다.

-
산업 현장 및 일상의 안전성 확대

탄소섬유는 내열성, 내충격성, 내화학성을 갖추고 있어 산업 분야의 안전성을 높일 수도 있죠. CNG 탱크, 소방관의 산소통, 건축 보강재 등에 쓰이며, 자동차용 소재로도 사용돼 강성과 내충격성을 높일 수 있습니다. 고강도 및 고탄성률 특성으로 엘리베이터 케이블 등 산업용 케이블 및 로프로도 활용될 것입니다.

-
전후방 산업효과 기대

탄소섬유의 고강도, 고탄성, 저중량 특성을 위해서는 복합재료로 가공하여 사용됩니다. 이 과정에서 대기업과 중소기업, 벤처기업, 관련 기관의 협력과 참여가 반드시 필요하며, 이들이 긴밀한 밸류 체인(Value Chain)을 형성해 상생할 경우, 국내 자체 공급망 구축은 물론 글로벌 강소기업 육성에도 기여할 것으로 기대하고 있습니다.

세계 탄소섬유 시장은 일본 기업이 전체 글로벌 시장의 60%를 차지하고 있으며, 우리나라는 미국, 중국, 일본 등에 이어 세계 7위 소비국입니다. 2019년 국내 탄소섬유 시장은 글로벌 시장의 약 4% 규모에 불과합니다만, 수소경제 등에 힘입어 향후 5년간 17%에 달하는 높은 성장률을 기록할 것으로 예상합니다.

탄소섬유는 ‘더 가볍고 더 강한’이라는 현재의 니즈를 충족시키는 미래의 소재입니다. ‘미래산업의 쌀’이 되기에 충분한 자질을 가지고 있죠. 현재까지는 기업과 지자체 차원에서의 지원이 이루어낸 성과라면 앞으로는 국가적 차원의 지원에 힘입어 더 큰 세상으로 나아가게 될 것입니다. 

(다음 시간에는 효성의 독자기술로 탄생한 탄섬(TANSOME®)과의 사물 인터뷰가 이어집니다.)

참고자료

HMG Journal <차세대 수소사회를 이끌어갈 친환경차, 인트라도>

한국탄소융합기술원 탄소기술교육센터 Youtube <탄소섬유 제조공정 체험>

화학공소재연구정보센터 <탄소섬유 제조방법 및 응용분야>

한국소재섬유연구원 <탄소연속섬유 복합체 제조기술>

조선비즈 <’미래산업의 쌀’ 탄소섬유, 효성이 키운다>

중앙일보 <실 같은 탄소섬유 6가닥이면 소나타도 들어올려>

데일리포스트 <탄소섬유 후발주자 국내 기업의 경쟁력은?>

한국경제 <태광산업, 발목 잡힌 ‘탄소섬유의 꿈’ … 두달째 가동중단>

한국경제 <방윤혁 효성 전주공장장 “섬유소재 자력갱생의 30년 꿈 이뤘다”>

중앙일보 <’탄소섬유 독립’ 일등공신 “삼성에 안 주면 일도 퇴보”>

  ✔ 효성 조현준 회장 “탄소섬유로 소재강국 대한민국 한 축 담당할 것”

  ✔ 효성첨단소재㈜, 수소차 핵심소재인 탄소섬유 공장 증설

  ✔ 탄탄한 수소경제, 감탄의 효성첨단소재㈜ 탄소섬유