[미래기술 25] “‘꿈의 신소재’ 탄소섬유, 한국경제 미래 책임질 핵심 성장동력”

탄소섬유(사진=효성)

[이데일리 김성곤 기자] 탄소섬유는 ‘까만 실’ 형태입니다. 머리카락 굵기의 수십 분의 1입니다. 원사 안에 탄소가 92% 이상 함유된 게 특징입니다. 탄소섬유는 철과 같이 강하면서도 단단한 소재는 무겁다는 상식을 뒤집었습니다. 철보다 가볍고 강한 특성 탓에 활용분야는 무궁무진합니다. 그 자체로 고성장 산업이면서 연계된 수요산업의 경쟁력을 크게 높일 수 있습니다. ‘차세대 미래산업의 쌀’ 또는 ‘꿈의 신소재’라고 부르는 것도 이 때문입니다. 탄소섬유는 한마디로 대한민국 경제의 미래를 책임질 핵심 성장동력입니다.

‘꿈의 신소재’ 탄소섬유는 어떻게 만들어지나?

탄소섬유는 화학섬유를 먼저 만든 뒤에 탄소만 남도록 만드는 게 핵심입니다. 열처리를 통해 탄소섬유를 제조하기 위한 전 단계 물질인 폴리아크릴로나이트릴(PAN) 등을 의미하는 프리커서(precursor, 전구체)를 만든 후 1000℃ 이상의 열처리 과정을 통해 만듭니다. 크게 중합→방사→소성 과정을 거칩니다. 중합은 아크릴로니트릴(AN : acrylonitrile)에 열과 압력을 가해 고분자 상태로 만드는 과정입니다. 방사는 중합과정을 통해 만들어진 고분자 중합체(PAN : Poly-Acrylonitrile)를 아크릴 섬유로 재탄생시키는 과정입니다. 마지막으로 소성은 아크릴 섬유를 1200℃ 이상의 고온에서 산화 및 탄화시키는 과정입니다. 아크릴섬유가 소성과정을 거치면 마지막에는 탄소(C) 성분만 남아서 탄소섬유가 완성됩니다. 산소·수소·질소 등의 분자가 빠져나가면서 중량이 감소되고 강도는 강해집니다.

제조 방법에 따라 PAN(팬)계와 PITCH(피치)계로 나눠집니다. PAN계는 아크릴나이트릴(Acrylonitrile)을 중합한 후 방사해 얻은 PAN(Poly-Acrylonitrile) 섬유를 고온에서 탄화해 제조한 것입니다. 반면 PITCH계는 석유·석탄 공정에서 증류하고 남은 잔류물(Pitch)을 방사한 후 고온에서 탄화해 제조한 것입니다. 세계 탄소섬유 시장에서는 PAN계 가 96.2%로 압도적이고 Pitch계는 3.8% 정도입니다. 탄소섬유는 고도의 생산기술이 필요한 첨단 신소재로 일본과 미국 소수 기업만이 생산기술을 보유해왔습니다. 80년대 후반 국내 일부 기업이 상업화 시도에 나섰지만 시장미성숙과 기술력 부족으로 탄소섬유를 전량 수입에 의존했습니다. 국내 기업으로는 효성이 지난 2011년 중성능 탄소섬유(T-700급) 개발에 성공한 이후 2013년부터 PAN계 탄소섬유를 생산하고 있습니다.

탄소섬유 이미지(사진=한국탄소융합기술원)

탄소섬유 활용 폭은 사실상 ‘무한대’…‘철이 사용되는 모든 분야서 대체 가능’

철은 현대사회에서 가장 폭넓은 분야에서 사용되는 소재입니다. 산업 고도화에 따른 철 대체제로 신소재의 필요성이 커질 때 등장한 게 바로 탄소섬유입니다. 활용폭은 무한대입니다.이론적으로는 철이 사용되는 모든 분야를 대체할 수 있습니다. 모든 산업분야에서 에너지 효율성 제고를 위한 경량화의 핵심소재이기 때문입니다. 적용분야와 최종재의 특성에 따라 다양한 가공법이 사용됩니다. 탄소섬유강화복합재료는 탄소섬유를 강화 섬유로 사용한 복합재료입니다. 탄소섬유와의 복합적으로 사용되는 소재에 따라 △탄소섬유강화플라스틱 △탄소섬유강화금속 △탄소 탄소복합재료 등이 있습니다.

우리 주변에서도 탄소섬유를 쉽게 찾아볼 수 있습니다. 지난 2016년 리우올림픽 때 우리 양궁대표팀을 우승으로 이끈 활과 화살도 탄소 소재로 만든 것입니다. 크게 △항공기와 방위산업 분야 △자동차 내·외장재 △에너지·전자기계·건축·의학 등 산업용 소재 △골프·낚시·스노우보드·서핑보드 등 스포츠 분야에서 사용됩니다.이밖에 인체 생체 적합성이 우수해 인공 뼈와 장기 등에 탄소섬유를 적용하는 연구도 진행 중입니다. 최근에는 무게가 가볍고, 마모와 부식에 강하다는 장점 때문에 의족으로도 사용되고 있습니다.

탄소섬유, 수소경제 시대의 핵심 소재…경제적 파급효과 막대

탄소섬유는 문재인정부가 중점 추진 중인 수소경제 시대의 핵심소재입니다. 정부가 지난 1월 발표한 수소경제 활성화 로드맵에 따르면, 지난해 약 1800대 수준이던 수소차는 2022년까지 약 8만1천대, 2040년에 약 620만대로 확대될 것으로 예상됩니다. 수소차 수요가 늘수록 탄소섬유의 경제적·산업적 파급효과는 막대해질 것으로 보입니다. 수소 에너지의 안전한 저장·수송·이용에 탄소섬유가 필수적이기 때문입니다. 수소전기차, CNG(압축천연가스)차의 핵심 부품인 수소연료탱크 등 고압용기 제작에 탄소섬유가 주로 쓰입니다. 수소연료탱크는 플라스틱 재질의 원통형 용기인데 탄소섬유를 감아서 강도와 안정성을 높입니다. 수소연료탱크용 탄소섬유 시장은 오는 2030년까지 120배 가량 성장할 것으로 전망됩니다. 더구나 국내에서 생산되는 탄소섬유는 강도 면에서 세계 최고의 기술을 자랑합니다.

오는 2021년에는 탄소섬유의 최대 수요처로 친환경 자동차 분야가 떠오를 전망입니다. 특히 기후변화에 따른 환경규제 강화로 탄소섬유가 자동차 차체에 적용되면 무게를 크게 줄일 수 있기 때문에 연비개선은 물론 CO2 배출 감축 효과도 기대할 수 있습니다. 국내 탄소섬유 수요·공급 기업간 테스트를 거쳐 품질만 확보되면 해외 완성차 업체 공략도 보다 수월해질 전망입니다. 아울러 탄소섬유가 콘크리트 건축물을 대체한 건축자재로 활용될 경우 안전도 향상도 기대할 수 있습니다. 실제 미국이나 중국은 낙후된 교량 수리나 자연재해로 파괴된 건축 구조물 관리강화나 보수가 필요한 부분에 탄소섬유 활용을 늘리고 있는 추세입니다.

현대자동차 미래형 컨셉트카 ‘인트라도’에 적용된 탄소섬유(사진=효성)

탄소섬유 전후방 산업효과 막대…정부, 탄소섬유 육성 다양한 지원책 제시

탄소섬유는 전후방 산업효과가 막대합니다. 수소차·풍력발전·방산 등 다양한 산업에 접목돼 제조업의 혁신을 이끌 것입니다. 탄소섬유 공급기업인 효성첨단소재는 ‘수요-공급기업 협력형 모델’로 일진복합소재(수소 저장용기), KAI(항공기부품), SK케미칼(프리프레그), 밥스(로봇팔), 삼익 THK(로봇장치)와 협력을 이어나가고 있습니다. 이 과정에서 대·중소기업은 물론 벤처기업 및 연구기관의 협력과 참여는 필수적입니다. 산학연이 ‘탄소섬유 밸류체인(Value Chain)’을 형성해 상생할 경우 국내 자체 공급망을 구축할 수 있습니다.

세계 탄소섬유 시장은 일본기업이 전체 글로벌 시장의 60% 이상을 차지하고 있습니다. 우리나라는 미국, 중국, 일본 등에 이어 세계 7위 소비국입니다. 지난 2015년 30조원 수준에 불과했던 탄소섬유와 복합소재의 세계시장 규모가 2025년에는 2배 이상 확대될 것으로 보입니다. 다만 우리가 가야할 길은 아직 멉니다. 미국, 일본 등 선도기업에 비해 40년 이상 늦게 양산을 시작한 만큼 지속적인 투자확대와 연구개발이 절실합니다. 정부가 탄소섬유를 100대 핵심 전략품목을 선정해 향후 7년간 7~8조 원 이상의 대규모 예산을 투자하기로 한 것도 이 때문입니다. 특히 △자립화가 시급한 핵심 R&D에 대한 ‘예타 면제’ 추진 △소재·부품 분야에 대한 재정·세제·금융·규제완화 △M&A를 통한 해외 핵심기술 확보 등 지원책도 제시했습니다.