일본 화학기업들이 탄소섬유 사업을 강화하고 있다.
탄소섬유의 경쟁력을 강화하기 위해 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)의 제조 코스트 감축에 나서고 있으며, 리사이클을 통해 친환경성 강화에 총력을 기울이고 있다.
아울러 용도를 항공‧우주에서 자동차로 확대하기 위해 CFRTP(Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic)의 경량화를 강화하고 있다.

도레이, 세계 최초 DTI 성형기술로 20% 경량화
도레이(Toray)는 CFRP 가공제품 코스트를 낮출 수 있는 기술을 개발했다.
도레이는 탄소섬유를 사용한 UD 테이프(일방향 강화 테이프)를 사출성형 금형 안에서 부형 및 용착하는 하이브리드 사출성형 기술을 개발했다. 독자 처방으로 제조한 UD 테이프 및 사출용 펠릿(Pellet)을 사용함으로써 UD 테이프 예비부형(프리폼) 공정을 생략했고 일반적인 하이브리드 성형보다 코스트를 약 70% 낮추는데 성공한 것으로 알려졌다.
조건에 따라서는 강철 부품과 동등한 물성을 나타내고 코스트가 높은 부품을 중심으로 약 20% 경량화 효과를 얻을 수 있어 자동차를 비롯한 모빌리티 부품과 일반산업 등 다양한 용도에서 응용이 가능할 것으로 기대하고 있다. 
현재 수요기업과 공동개발을 진행하고 있으며 2년 이내에 양산하는 것을 목표로 생산설비 건설을 검토하고 있다.
도레이가 개발한 것은 UD 테이프를 금형에 인서트해 사출성형하는 하이브리드 성형 중 프리폼 공정 없이 직접, 동일 프로세스에서 부형과 용착이 가능한 DTI(Direct Tape Insert Injection) 성형 기술이다.
UD 테이프를 필요한 곳에 적절하게 배치함으로써 강성, 강도와 높은 생산성을 모두 확보할 수 있다.
프리폼 공정 없이 3차원 형상으로 UD 테이프를 인서트 성형할 수 있는 기술은 세계 최초로, 사출성형제품 양쪽에 UD 테이프를 1장씩 부착하는 것만으로 강도와 탄성률을 몇배나 향상시킬 수 있는 것으로 알려졌다.
3차원 형상 부분에 UD 테이프를 용착시키기 위해서는 UD 테이프를 예비부형하고 반제품을 만든 다음 인서트 성형하는 2개의 공정이 필요하지만, DTI 성형은 보이드가 없는 고기능 UD 테이프와 사출용 수지가 단시간에 견고하게 밀착되는 배합설계를 통해 공정 감축에 성공했다.
롤 형태 UD 테이프를 연속적으로 금형 안에 삽입하고 금형을 묶은 다음 절단하는 기술도 도입해 생산성을 극적으로 향상시켰고 물성이 우수하지만 코스트가 높은 것이 과제였던 CFRP의 코스트 상승을 억제하면서 사용할 수 있게 됐다.
앞으로 소재(UD 테이프와 사출용 펠릿), 구조설계 및 CAE 해석기술, 성형지원을 포함한 솔루션으로 DTI 성형기술을 사용한 최적의 제안을 실시할 예정이다.
전기자동차(EV)용 배터리 케이스와 자동차 범퍼 빔, 도어임팩트 빔, 루프 프레임, 전기‧전자기기 케이스, 전동공구 등 광범위한 용도에서 활용이 가능할 것으로 전망하고 있으며 충돌안전성 향상과 저중심화를 통한 주행안전성 향상 등 경량화 이외의 기능으로도 제안할 방침이다.
UD 테이프 베이스는 PA(Polyamide) 6, PPS(Polyphenylene Sulfide)이고 고내열성을 갖춘 PEEK(Polyether Ether Ketone)계도 개발하고 있으며 PC(Polycarbonate) 등 다른 사출성형 수지와 밀착성을 향상시킨 UD 테이프 등을 함께 라인업할 방침이다.
UD 테이프를 사출용 펠릿을 포함해 규모화한 후 양산화를 검토하고 있으며 항공기용 등 열가소 프리프레그에서 풍부한 채용실적을 갖춘 Toray Advanced Composites의 유럽‧미국 생산설비를 활용하는 방안이 유력시되고 있다.

MCH, 카이론맥스로 최고 강도 실현
미츠비시케미칼(MCH: Mitsubishi Chemical)은 사상 최고의 강도를 확보한 사출성형 소재를 통해 경량화 트렌드에 대응하고 있다.
미츠비시케미칼은 독자 노하우를 총동원해 제조한 CFRTP 펠릿을 카이론맥스(Kyron Max) 브랜드로 제안하고 있다.
성형제품 설계와 금형 제안까지 포함한 종합적인 제안으로 미국 자동차부품 생산기업에게 채용됐고 미츠비시케미칼홀딩스가 출자한 애디팹(AddiFab)과의 연계를 통해 3D 프린팅 기술로 금형을 단시간에 제작할 수 있다는 점을 무기로 내세우고 있다.
자동차와 일반 산업용 뿐만 아니라 드론(무인항공기), 비행 자동차 등 미래시대의 수요도 확보할 수 있을 것이라는 기대 아래 제안을 적극화하고 있다.
카이론맥스는 MAM(Mitsubishi Advanced Materials)이 개발한 CFRTP 소재로, 미국 애리조나 공장에서 생산하고 있다.
PPA(Polyphthalamide)에 탄소섬유를 30% 배합한 그레이드는 인장강도가 약 380MPa에 달하나 탄소섬유 배합율 기준으로 비교하면 다른 탄소섬유 펠릿보다도 30% 뛰어난 강도를 보유하고 있는 것으로 평가된다.
베이스 수지로는 PA66 등 일반적인 EP(엔지니어링 플래스틱)는 물론 PPS, PEI(Polyether Imide), PEEK 등 슈퍼 EP까지 모두 사용한다.
재생 탄소섬유나 재생 수지도 적용이 가능한 것으로 알려졌다.
높은 강도를 확보한 비결인 사이징 기술을 활용한 수지와 탄소섬유의 우수한 밀착성, 균일 분산성이 주목되고 있다.
성형제품으로도 금형 설계부터 관여함으로써 섬유 배합을 부드럽게 조절하고 강도에 편차가 나타나는 것을 방지해 장섬유 펠릿의 과제인 취약 부위를 발생시키지 않음으로써 신뢰도가 높은 부재를 생산할 수 있다.
제안능력 강화를 위해 최근에는 덴마크 스타트업 애디팹과 연계한다.
3D 프린터로 수지틀을 만들고 사출성형에 사용한 후 틀을 용융‧제거한 다음 성형제품을 추출하는 방법을 개발한 것으로 알려졌다. 1개 틀로 1개 쇼트만 성형할 수 있으나 양산용 소재로 양산과 동일한 조건에서 제작한 성형제품을 설계 시작 후 2-3주만에 확인할 수 있는 강점이 있다.
금속으로는 구현하기 어려웠던 복잡한 형태의 틀을 제작하는 것도 가능하고 로트가 작은 용도에 대응하기 위해 수지틀을 제조하는 방법도 검토하고 있다.
카이론맥스는 최초로 개발한 후 6-7년 정도 지난 소재로 자동차 브래킷, 로봇 등 산업기기의 힌지와 산악자전거의 서스펜션 커넥터 등에 채용됐고 웨어러블(Wearable) 기기 분야에서도 채용 가능성이 높은 것으로 파악되고 있다.
앞으로 일본 뿐만 아니라 세계 각국을 대상으로 채용을 더욱 확대할 계획이며 또다른 CFRTP 소재인 파이로필(Pyrofil) 펠릿을 제조하고 있는 아이치(Aichi) 공장에서 제조하는 방안을 검토하고 있다.

아이카본, 상온 산알칼리 공법 적용 리사이클
CFRP 재자원화 기술도 개발했다.
일본 벤처기업 아이카본(Ai Carbon)은 독자적인 상온 산알칼리 공법으로 CFRP에서 탄소섬유를 단리‧회수하는 기술 개발에 성공했다. 
에폭시수지(Epoxy Resin)계 미경화 프리프레그에서 최고 섭씨 80도 환경에서도 탄소섬유만을 추출할 수 있으며 열처리 때문에 발생할 수 있는 열화를 방지할 수 있어 일반적인 열분해 공법보다 물성이 월등히 우수한 리사이클 탄소섬유를 회수하고 있다.
리사이클 탄소섬유는 신규 생산제품과 비교해도 차이가 없으며 표면구조를 비결화한 영향으로 인장강도 등 일부 물성은 오히려 더 향상된 것으로 파악되고 있다.
사출성형과 분말 형태인 밀드파이버, 부직포 용도 등으로 제안하며 응용제품 개발에도 박차를 가할 예정이다.
아이카본이 대학, 공공시험연구기관 등과 협력해 개발했으며, CFRP 리사이클에는 낮은 80도 이하 온도에서 처리해도 탄소섬유 회수가 가능한 것이 특징이다.
아이카본이 6년 전 창업하며 확보한 전기분해공법은 열처리로 수지의 대부분을 제거하는 전처리 공정을 필요로 했으나, 신규 프로세스는 탄소섬유 자체에 영향을 미치지 않으면서 리사이클이 가능하며 질산 처리로 탄소섬유 표면에 니트로기를 부여하고 약간 비결화해 신규제품 이상의 강도를 확보했다.
모델 실험에서는 도레이(Toray)가 신규 생산한 T800에 적용해 인장강도를 20-30% 향상시켜 T1000 수준으로 개선에 성공했다. 이전부터 표면 비결화를 통해 응력을 완화하거나 흡수 효과로 강도를 향상시킬 수 있을 것으로 예상됐던 구상을 현실화한 것으로 평가되고 있다.
현재는 프리프레그 생산설비와 성형공장에서 배출된 미경화 에폭시수지를 매트릭스로 사용한 프리프레그를 원료로 채용하고 있다. 경화하지 않은 프리프레그는 형상이 불균일하고 핸들링이 까다로우나 부정형으로 굳어진 프리프레그를 풀어내고 처리하는 프로세스까지 개발한 것으로 알려졌다.
특히, 나일론(Nylon)과 잘 맞아 장사슬 나일론 기준으로는 6와 66에서 굴곡강도가 향상돼 신규 CFRP와 비교해도 최대 1.5배에 달하는 것으로 파악되고 있다.
PP(Polypropylene)와의 밀착성을 높이기 위해 표면 개질도 개발하고 있고 제거한 매트릭스 수지를 재이용하는 방안까지 검토하고 있다.
산알칼리 처리한 에폭시수지는 저분자화돼 니트로페놀류가 되기 때문에 에폭시 경화제 등으로 사용할 수 있을지 모색하고 있다. 공정에 투입하는 질산도 회수 프로세스를 검토하는 등 코스트 감축과 환경부하 저감에 박차를 가하고 있다.
열분해공법으로 코스트가 다소 높아질 수 있으나 리사이클 탄소섬유로서 시장이 수용할 수 있는 수준 설정에 주력하고 있다. (강윤화 선임기자: kyh@chemlocus.com)