일본 도레이(Toray)가 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) 사업을 강화하고 있다.
도레이는 2018년 CFRP 사업 매출액이 증가하는 반면 영업이익은 감소할 것으로 예상하고 있으나 거액을 투입한 네덜란드 TenCate Advanced Composites 인수 영향을 제외하면 이익이 증가할 것으로 판단하고 있다.
연료 및 원료 코스트 부담이 확대되고 산업용 경쟁이 심화되는 등 마이너스 요인이 존재하고 있으나 부가가치가 높은 항공기용 수요가 안정세를 유지하고 있고 풍력발전용도 일시적인 침체에서 벗어나 회복세를 나타내고 있기 때문이다.
매출액은 2018년 2200억엔으로 전년대비 20% 이상 확대되나 영업이익은 2017년 13.3% 감소한데 이어 2018년에도 170억엔으로 20% 가량 줄어들 것으로 예측하고 있다.
주요 원료인 AN(Acrylonitrile) 가격이 상승함과 동시에 탄소섬유 가격이 2016년 kg당 약 22달러에서 2017년 17달러대로 하락하는 등 과열경쟁이 수익을 압박하고 있다.

TenCate 인수로 항공기용 강화
TenCate 인수도 이익감소 요인으로 판단하고 있다.
도레이는 TenCate를 무려 1200억엔에 인수했으나 인수에 결정적인 영향을 미친 열가소성 수지를 이용한 프리프레그(Prepreg)는 매출은 100억엔에도 미치지 못하는 것으로 알려졌다.
그러나 주력 수익원으로 자리잡고 있는 항공기용은 2017년 10-12월 수요기업의 재고 조정이 종료됐고 보잉(Boeing)이 2019년부터 Boeing 787 생산능력을 월 14기로 확대할 예정이어서 수요가 증가할 것으로 예상하고 있다.
TenCate도 다양한 항공기용 인증소재를 보유하고 있어 항공기 생산기업과의 관계 강화에 적극 활용할 방침이다.
자동차용은 압력용기 판매 부진으로 매출이 2015년 311억엔, 2016년 266억엔, 2017년 255억엔으로 3년 연속 감소했으나 2018년에는 회복세로 전환될 것으로 기대하고 있다.
각국의 우대제도에 힘입어 크게 성장한 풍력발전은 인디아가 제도를 변경함에 따라 수요가 급격히 감소했으나 대형화 영향으로 이제는 별도의 지원 없이도 경제적인 합리성을 확보할 수 있는 것으로 알려졌다.
도레이는 앞으로 고성능제품을 투입하는 등 부가가치화 전략에 박차를 가할 방침이다.
TenCate 인수를 통해 항공기용 시장공략을 강화함과 동시에 산업용 시장에서 실질적 표준으로 자리매김한 T700과 더불어 T720 등 차별제품 판매를 확대하고, 졸텍(Zoltek)이 2020년 가동을 목표로 하고 있는 라지토우(Large Tow) 타입 증설라인에도 품질 향상을 위한 개선책을 도입함으로써 자동차 시장 개척을 가속화할 계획이다.

CFRTP, 자동차·항공기용 기대
TenCate는 앞으로 항공기용 수요가 크게 확대될 것으로 예상되는 열가소성 수지를 이용한 프레스용 CFRTP(Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic)를 생산하고 있다.
도레이도 도요타(Toyota Motor)의 연료전지자동차(FCV)에 프레스용 CFRTP 납품실적이 있으며 자회사인 Ichimura Sangyo 역시 동일한 소재를 개발하고 있다.
그러나 TenCate는 이미 항공기 생산기업으로부터 다수의 인증을 취득하고 있어 인증 작업에 소요되는 비용 및 시간을 고려해 인수하는 것으로 파악되고 있다.
도레이는 보잉과 긴밀한 관계를 구축해 Boeing 787에 이어 차세대 기종인 Boeing 777X의 주 날개용으로 열경화성 프리프레그를 공급하는 계약을 체결했다.
다만, 앞으로는 소형기 생산이 확대될 것으로 예상되고 있으며 소형기는 일일 생산능력이 약 3기에 달함에 따라 Boeing 787과 같이 1기당 2-3일이 소요되는 방법으로는 대응하기 어려운 것으로 파악되고 있다.
이에 따라 TenCate의 CFRTP 사업은 2020년 이후 본격 성장하기 시작해 티타늄(Titanium) 대체수요 및 신규수요를 확보함으로써 2025년 매출이 250억엔을 돌파할 것으로 기대하고 있다.

산업용은 차별제품 공급 확대
항공기용 열가소성 매트릭스 수지로는 PEEK(Polyether Ether Ketone), PPS(Polyphenylene Sulfide) 등이 채용되고 있으나 도레이는 PEEK를 생산하지 않고 있어 안정조달을 목표로 글로벌기업과 제휴하는 방안을 검토하고 있는 것으로 알려졌다.
산업용은 1980년대 출시한 이후 호조를 이어온 T700S가 범용화됨에 따라 FCV 압력용기용으로 개발한 T720S 판매에 힘을 기울이고 있다.
T720S는 기존 생산설비를 개량해 투자액을 억제하면서 T800 수준의 인장강도를 부여한 탄소섬유로 일본 뿐만 아니라 유럽, 미국, 한국 자동차기업을 대상으로 제안을 시작한 것으로 알려졌다.
졸텍은 2020년 가동을 목표로 하고 있는 헝가리 소재 신규 라인에 도레이의 품질 향상기술을 도입함으로써 유럽 차세대 자동차 시장을 공략할 방침이다.
도레이가 새롭게 개발한 Z600은 졸텍이 보유한 설비를 활용해 생산성을 향상시킴과 동시에 T700S에 가까운 강도를 실현한 것으로 뛰어난 코스트 경쟁력을 바탕으로 자동차 분야를 적극 개척할 계획이다.
글로벌 탄소섬유 수요는 2017년 6만2000톤으로 전년대비 4% 증가했으며 2018년에는 항공기, 풍력발전, 압력용기용을 중심으로 성장해 7만2000톤에 달할 것으로 예상되고 있다.

 
고강도·고인성 양립 CFRP 개발 성공
도레이는 고강도와 고인성을 겸비한 CFRP도 개발했다.
분자결합 부분의 슬라이드가 가능한 구조인 슬라이드링(Slide-Ring) 폴리머와 나노얼로이(Nanoalloy) 기술을 활용한 것으로 일본 내각부가 진행하고 있는 혁신적 연구개발 추진 프로그램(ImPACT)의 일환으로 Toray Carbon Magic이 제작한 콘셉트카에 채용되고 있다.
선모양과 고리모양 분자로 이루어진 슬라이드링 폴리머는 수지의 가교점을 자유롭게 움직일 수 있는 특징이 있으며 나노얼로이는 2종류 이상의 플래스틱을 나노미터 단위로 혼합하는 기술로 슬라이드링 폴리머인 폴리로탁산(Polyrotaxane)과 목적 폴리머를 결합하는데 적용했다.
에폭시수지(Epoxy Resin) 베이스 열경화성 수지를 이용해 슬라이드링 폴리머 구조를 가지는 CFRP를 개발했으며 PA(Polyamide) 6, 유리섬유 강화 PA6 등으로 기술을 확립했다.
구체적으로는 나노얼로이 기술로 열경화성 수지와 폴리로탁산을 균일하게 혼합한 후 경화반응 시의 상용성 변화를 이용해 탄소섬유에 슬라이드링 폴리머 구조를 나노미터 단위로 도입했다.
슬라이드링 폴리머를 도입한 CFRP는 일반 CFRP와 굴곡강도 및 굴곡탄성률이 거의 동일하며 반복굽힘시험에서 약 3배에 달하는 내피로특성을 발휘함에 따라 인성이 향상됐음을 확인했다.
해당제품은 Toray Carbon Magic이 제작한 콘셉트카의 구조소재, 좌석프레임, 타이어휠 등에 채용됐으며 보호케이스, 제진성 스프링, 회전체 등에도 적용 가능할 것으로 파악되고 있다.
스포츠 분야에서는 의족, 하키스틱으로 시험제작해 평가를 진행하고 있다.

3D프린터 성형 실용화 기대
3D프린터를 이용한 CFRP 성형기술도 실용화가 기대되고 있다.
일본 탄소섬유 복합소재 생산기업 Super Resin은 3D프린터로 연속섬유 타입의 CFRP를 성형하는 기술을 사업화할 방침이다.
도쿄(Tokyo)이과대학 등과 공동 개발했으며, 열가소성 수지에 이어 열경화성 수지도 개발 완료를 앞두고 있다.
항공기, 인공위성 등 산업용 소재 뿐만 아니라 로봇슈트, 의수·의족, 스포츠·레저 분야에 대한 적용도 검토하고 있다.
3D프린터는 자유로운 형태를 부여할 수 있는 특징이 있으나 수지 계열은 대부분 시험제작에만 활용되고 있다.
Super Resin은 탄소섬유를 강화해 강도 및 강성을 향상시킴으로써 가혹한 환경에서도 견딜 수 있는 소재로 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
Super Resin은 도쿄이과대학, 니혼(Nihon)대학, 우주항공연구개발기구(JAXA) 등이 공동 개발한 탄소섬유 강화 타입의 3D프린터 기술 실용화를 추진하고 있다.
해당 프로젝트는 2016년 간토(Kanto) 경제산업국 지원사업에도 채택됐다.
PLA(Polylactic Acid) 등 모노필라멘트와 1K(K: 1000개) 타입의 탄소섬유 토우(Tow)를 각각 넣어 동일한 노즐로 성형하는 기술로, 성형 시 인쇄된 수지를 누르는 동작을 도입함으로써 탄소섬유 속에 수지를 함침시키고 있다.
섬유 부피율(Vf)은 약 35%, 인장강도는 약 700메가파스칼로 물성이 뛰어나며 성형속도는 일반적인 3D프린터 수준인 것으로 파악되고 있다.
Super Resin은 해당기술을 실용화하기 위해 일본 츠쿠이(Tsukui) 공장에 대형 성형제품을 시험제작할 수 있는 설비를 도입했다.
대형화하면서 형태를 부여하기 위해 작동하는 부품을 프린터 헤드에서 테이블로 전환하고 로봇이 테이블을 조작함으로써 3D 형태를 부여하는 기술도 개발해 특허를 취득했다.
매트릭스에 열경화성 수지를 사용하는 기술 개발에도 착수했으며 우선 탄소섬유 다발에 경화 전 수지를 함침한 토우프레그로 시험제작을 실시했다.
필라멘트 와인딩 성형과 같이 직전에 수지를 함침하는 방법도 이론적으로 가능한 것으로 알려졌다.
열경화성 수지를 사용하면 섬유 부피율을 60%로 향상시킬 수 있어 더욱 높은 물성을 끌어낼 수 있으며 탄소섬유는 범용적인 12K, 24K 타입도 사용이 가능한 것으로 파악되고 있다.