열경화성 CFRP(탄소섬유 강화 플래스틱)는 자동차 경량화 소재로 관심이 집중되고 있으나 높은 가격이 문제시되고 있다.
우선 탄소섬유 자체의 가격이 금속에 비해 무려 10배 수준 높아 CFRP는 경쟁소재인 알루미늄의 3배, 철판의 4배에 달하는 것으로 파악되고 있다.
또 현재 성형공법은 기존 소재에 비해 생산성이 떨어져 생산코스트가 높을 뿐만 아니라 리사이클도 어려운 단점이 있다.
반면, 열가소성 CFRP는 성형시간 단축에 적합한 것으로 평가되고 있다.
일반적인 사출·프레스 성형이 가능하기 때문이다.
그러나 단섬유 또는 단·장섬유 복합섬유 등 비연속섬유를 사용함에 따라 강도 등 역학특성이 낮고, 특히 일정한 하중에서 시간이 경과함과 동시에 변형이 일어나는 크리프(Creep) 현상에 따라 구조소재로 적용하기 불안한 요소가 있을 뿐만 아니라 반복피로에 약한 점도 문제시되고 있다.
CFRP는 1분 이내에 성형이 가능해야 양산 자동차에 표준적 채용이 가능할 것으로 판단되고 있다.
Teijin, 자동차용 시장 개척 적극화
Teijin은 열가소성 CFRP의 1분 성형기술을 개발해 2013년부터 Sereebo 브랜드로 공급하고 있다.
탄소섬유 생산기업인 Teijin은 열가소성 CFRP와 함께 열경화성 CFRP로도 자동차용 시장 개척을 추진하고 있다.
프리폼 제조기술 PvP 공법을 이용한 것으로, 탄소섬유에 열경화성 수지를 부착한 바인더 섬유를 틀에 직접 뿌림으로써 복잡한 형태로 성형할 수 있으며 도막 손실이 발생하지 않는 특징이 있다.
기존 RTM 공법 프리폼은 틀에 맞도록 자르기 때문에 도막 손실이 발생한다.
PvP 공법은 2017년 Porche가 출시한 911GT3CupⅡ의 캐리어 어셈블리에 채용된 것으로 알려졌다.

Sekisui, 열가소성 CFRP로 대형제품 개발
Sekisui Chemical은 세계 최초로 열가소성 CFRP의 이형제품을 연속으로 성형하는 기술을 개발했다.
탄소섬유의 섬유 사이를 벌리는 개섬(Opening) 처리기술을 독자적으로 개발해 열가소성 수지와 균일하게 복합하는데 성공했다.
아울러 연속이형 성형기술에 따라 열경화성 CFRP로는 불가능했던 대형제품 및 특수 립 구조의 이형제품 성형이 가능해졌다.
열가소성 CFRP는 생산성, 리사이클성이 뛰어나 자동차용 등으로 수요가 신장할 것으로 기대되고 있으나 대부분이 장·단섬유와 수지를 혼합한 펠릿 또는 단섬유·장섬유 복합 비연속섬유, 직물을 비롯한 연속섬유에 따른 사출·프레스 성형제품이어서 용도가 확대되지 않고 있다.
성형시간이 짧고 가공코스트가 낮은 등 생산성이 뛰어나나 강도, 굴곡탄성률 등 역학특성이 떨어지기 때문이다.
반면, 열경화성 CFRP는 탄소 연속섬유를 사용하지만 오토클레이브에 따른 배치 프로세스로 만들기 때문에 생산성이 떨어지고 대형으로 성형하기 어려운 것으로 파악되고 있다.

개섬·이형기술 활용 연속성형 성공
Sekisui Chemical은 독자 개발한 개섬기술과 장기간 축적한 복합연속압출·이형 성형기술을 활용해 열가소성 CFRP의 연속이형 성형기술을 개발했다.
탄소섬유에 수지를 함침해 프리프레그를 제조할 때 열경화성 수지는 섬유에 쉽게 스며들지만 열가소성 수지는 열경화성 수지에 비해 점도가 높은 젤리 상태여서 섬유 사이에 균일하게 함침시키기 어려운 문제점이 있었다.
시중 판매되고 있는 탄소섬유는 일반적으로 5-7μm인 섬유 수만개 이상이 다발을 이루고 있어 수지를 쉽게 함침하기 위해서는 섬유다발을 얇고 균일하게 펼치는 개섬기술이 필수적이다.
Sekisui Chemical이 개발한 개섬기술은 비정질 탄소 미립자를 섬유 표면에 부착시켜 개섬하는 기술로, 비정질 탄소 미립자의 원료를 함유한 에탄올(Ethanol)-물 혼합용제를 탄소 연속 장섬유에 함침한 후 에탄올과 물을 단계적으로 증발시키고 200℃에서 소성해 섬유 표면에 탄소 미립자를 형성시킴으로써 사이가 벌어지게 하는 것으로 알려졌다.
초음파 등을 이용한 개섬가공에 비해 배향이 갖추어진 올곧은 섬유를 생성하기 때문에 강성 및 강도가 뛰어난 특징이 있다.
Sekisui Chemical은 새로운 개섬기술을 이용해 탄소 연속 장섬유에 PP를 함침한 프리프레그로 PVC(Polyvinyl Chloride) 파이프 및 열가소성 수지 필름 등의 연속압출 성형기술을 활용해 열가소성 CFRP의 압출·프레스 성형에 따른 대형제품 개발에 성공했다.
또 가로형 및 세로형 립 구조체 성형기술을 확립한 등 CFRP로는 실현하기 어려웠던 대형제품 연속생산이 가능해짐으로써 적용범위가 확대될 것으로 기대되고 있다.

지수판 시작으로 수송기기용 실용화 추진
Sekisui Chemical은 인프라·토목·건축 분야의 대형 직선 구조재, 풍차 블레이드 보강재 등에서 대체수요를 개척할 방침이다.
블레이드용은 기존 GFRP와 발사원목의 샌드위치 구조를 대체하는 것으로 열가소성 CFRP 립 구조체로 강성을 유지한 연속 성형제품 보급을 추진하고 있다.
우선 열가소성 CFRP 베이스 특수 립 구조체로 지수판을 개발해 2017년부터 공급하고 있다.
지수판은 호우 시 지하도 및 지하철 침수 방지, 하천 범람 방지 등을 위해 사용하는 방재용 구조체로 알루미늄, 유리섬유 복합소재 등이 채용되고 있다.
열가소성 CFRP를 투입한 지수판은 표피가 탄소 연속 장섬유 강화 PP, 심재가 PP 립 구조체로 강도 및 강성이 높고 구부리거나 말 수 있으며 시간당 20리터/평방미터인 지수기준을 통과하고 있다.
또 기존소재에 비해 약 3분의 1에서 4분의 1 수준으로 무게를 줄일 수 있어 혼자서도 운반·설치가 가능함에 따라 설치시간을 절반으로 단축할 수 있으며 구부리거나 말 수 있어 설계자유도가 높을 뿐만 아니라 발사원목과 마찬가지로 물에 뜨기 때문에 다양한 목적에 대응할 수 있는 특징이 있다.
Sekisui Chemical은 열가소성 수지를 함침한 프리프레그부터 성형제품까지 일괄제조기술을 확립해 열가소성 CFRP 연속이형 성형제품의 일관생산체제를 구축함으로써 뛰어난 코스트 경쟁력을 활용할 수 있는 비즈니스를 전개할 방침이다.
또 함침하는 열가소성 수지에 대응한 비정질 탄소를 개발하고 개섬 조건을 변경하는 등 자동차를 비롯해 생산성을 중시하는 수송기기용으로 상품화를 추진하고 있다.
열가소성 CFRP 사업을 담당하고 있는 환경·라이프라인 부문은 배관·인프라용 PVC 파이프, 항공기에 적용하는 성형용 수지 시트 등을 판매하고 있어 동일한 분야에 열가소성 CFRP를 적용할 수 있는 용도를 개발하는 등 시너지 창출에 힘을 기울이고 있다.