탄소섬유는 시장구조가 크게 변화하고 있다.
코로나19(신종 코로나바이러스 감염증)의 영향으로 최대 수익원으로 자리를 잡고 있던 항공기용 수요가 침체된 가운데 풍력발전용 수요가 계속 확대되고 있다.
풍력발전용 수요는 코로나19에도 불구하고 급증세를 계속해 2019년 2만6000톤에서 2021년 4만3000톤으로 무려 65% 늘어나면서 전체의 50% 수준을 차지함으로써 글로벌 수급타이트를 해소할 수 있는 대책이 절실해지고 있다.
탄소섬유는 원료코스트 절감과 효율적인 프로세스 개발이 요구되고 있다.
탄소섬유는 수소경제의 핵심 소재로 수소자동차 원가 중 20% 가량을 차지하며 수소 연료탱크나 압축천연가스(CNG) 연료탱크 등 고압용기 수요가 증가하고 있다.
탄소섬유로 만들어진 연료탱크는 금속제 탱크에 비해 중량이 줄어들어 주행성능 향상과 탄소 배출량 감축 효과가 기대되고 있다.
풍력발전 블레이드용이 성장 견인
글로벌 탄소섬유 메이저 도레이(Toray)는 2021년 글로벌 탄소섬유 수요가 항공‧우주용 8400톤, 스포츠용 960톤에 그친 반면 산업용은 7만5300톤으로 전체의 80% 수준을 차지한 것으로 파악하고 있다.
2016년에는 전체 수요 5만8800톤 가운데 산업용이 3만9800톤으로 65% 수준을 점유했으나 5년만에 수요비중이 15%포인트 상승했다.
산업용은 산업기계를 시작으로 자동차, 압력용기, 전자기기, 사무기기, 의료기기, 토목‧건축 등 광범위한 분야에 걸쳐 사용되고 있으며 프리프레그(Prepreg)를 이용한 연속섬유부터 사출성형 부품까지 다양한 형태로 공급되고 있다.
탄소섬유는 장기적으로 자동차용이 성장을 견인할 것으로 예상됐으나 최근 적용할 수 있는 차종 및 부위를 확대하기 위한 개발이 적극적으로 이루어지고 있음에도 불구하고 풍력발전 블레이드(날개)용이 시장 성장을 견인하고 있다.
풍력발전 블레이드는 원래 유리섬유를 보강재로 투입한 GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastic)를 사용했으나 GFRP는 강성이 떨어져 블레이드 길이가 길어짐에 따라 무게를 버티지 못하고 휘어지는 문제점이 나타나 탄소섬유로 강화한 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)를 채용한 스파캡(Spar Cap)이 주류로 부상하고 있다.
스파캡은 풍력 블레이드의 메인 구조물을 구성하는 보강판으로 강성이 뛰어난 CFRP를 채용함으로써 길이가 긴 블레이드가 휘는 현상을 억제할 수 있는 것으로 파악된다.
탄소섬유는 3MW급 풍력발전기의 블레이드 3개에 각각 1톤씩 투입되면서 9MW급은 9톤, 15MW급은 15톤이 투입되고 있다.
2015년 무렵에는 육상발전이 1기당 2MW, 해상발전이 3MW에 불과했으나 최근에는 육상이 3MW, 해상이 10MW 수준으로 확대됐다.
풍력 블레이드는 길이가 길수록 탄소섬유가 필수적이어서 전체 발전능력 이상으로 탄소섬유 수요가 증가할 것으로 예상돼 수급타이트가 심화될 가능성이 제기되고 있다.
풍력발전기에서 탄소섬유 채용 부위가 확대될 것이라는 의견도 제기되고 있다.
블레이드 길이가 100미터 이상일 때에는 스파캡 뿐만 아니라 쉐어웹(Shear Web)에도 채용될 수 있고 리딩에지(Leading Edge), 트레일링에지(Trailing Edge)도 대형화됨에 따라 높은 강성이 요구되고 있다.
블레이드가 100미터인 풍력발전기는 전체 높이가 약 300미터에 달해 낙뢰에 대응한 대책이 필요하며 제설‧제빙을 위한 도전성 소재에도 탄소섬유가 많이 투입되고 있다.
풍력발전용 탄소섬유는 단기간에 수요가 4만톤 이상으로 늘어난데 이어 앞으로 폭발적으로 확대될 가능성이 있어 공급체제 강화가 선결과제로 부상하고 있다.
레귤러토우 수요 증가에 중국 부상
유리섬유를 대체하며 성장한 풍력발전용은 항공기와 같이 공급가격을 높은 수준으로 설정하기 어려워 저코스트 생산공법이 요구되고 있다.
일반적으로 픙력발전용으로는 레귤러토우(Regular Tow)에 비해 물성이 떨어지나 생산성은 뛰어난 라지토우(Large Tow)가 주목받았으나 최근 수급타이트의 영향으로 레귤러토우까지 투입되고 있는 것으로 알려졌다. 
라지토우를 생산하는 졸텍(Zoltek)을 자회사로 둔 도레이, 물성이 레귤러토우 수준인 라지토우를 생산하는 미츠비시케미칼(Mitsubishi Chemical)은 라지토우로 풍력발전용 수요에 대응했으나 한계가 있기 때문이다.
중국을 중심으로 신흥 탄소섬유 생산기업들이 신증설을 적극적으로 추진하고 있는 것도 주목된다.
세계 최대의 풍력발전 수요국인 중국은 원래 CFRP를 사용하는 사례가 많지 않았으나 유럽 및 미국의 풍력발전기 생산기업들이 중국에 생산체제를 구축하면서 중국 및 아시아 시장을 공략하는 움직임이 포착되고 있다.
특히, 탄소섬유와 같은 특수소재는 안전보장 측면이 강해 수요가 늘어나면 자국산을 우선적으로 채용할 가능성이 높게 나타나고 있다.
글로벌 탄소섬유 시장은 최대 메이저인 도레이를 시작으로 일본 3사가 절대적인 점유율을 확보함으로써 기술 트렌드를 리드했으나 앞으로는 중국기업들이 일본기업의 점유율을 빼앗으며 영향력을 강화할 가능성이 높아지고다.
자동차용, 경량화‧복합화가 트렌드
자동차 분야도 탄소섬유 시장을 성장시킬 것으로 기대되고 있다.
자동차 분야에서는 1997년 BTR49가 100% CFRP 모델로 최초 투입됐다. 1990년 무렵에는 Ferrari F40 등 슈퍼카에 채용되기 시작했고 2000년대 들어서는 1000대 생산에 그치는 자동차에도 사용됐으나 이후에는 레이싱카, 럭셔리카에만 적용되고 있다.
2013년에는 BMW가 대당 약 100kg의 탄소섬유를 투입한 전기자동차(EV) i3를 출시해 화제를 일으켰다. 당시에는 탄소섬유가 자동차 분야에도 본격적으로 보급될 것이라는 기대감이 확산됐으나 실제로는 100% CFRP와 같은 설계가 사라지고 가격 대비 성능을 최대화할 수 있는 복합소재가 트렌드로 자리를 잡아가고 있다. 
특히, 자동차는 몇년 전부터 100년에 한번 도래하는 변혁기를 맞아 CASE(연결‧자율주행‧공유‧전동화)에 대한 대응이 선결과제로 부상했고 자동차기업들은 경량화를 위한 CFRP 개발을 보류했으나 전기자동차는 주행거리를 연장하기 위해 경량화가 필수적이고 대형 배터리, 자율주행용 센서를 비롯한 각종 기기를 탑재함으로써 전체 중량이 늘어나 경량화의 중요성이 다시 높아지고 있다.
원자재 가격, 탑재기기 증가 등 모든 측면에서 코스트가 상승함에 따라 경량화를 위한 CFRP 역시 저코스트화가 요구되고 있다.
풍력발전용은 에폭시수지(Epoxy Resin)와 조합한 연속섬유 인발성형이 주류를 이루고 있으나, 자동차용은 매트릭스수지로 열경화성과 열가소성 수지를 모두 사용할 수 있고 오토크레이브 설비로 천천히 소성하는 방법부터 프레스성형, 사출성형, 열가소성계 UD(단방향 섬유강화) 테이프를 이용한 보강 등 다양한 성형방법 가운데 용도에 가장 적합한 것을 선택할 수 있어 금속 등 다른 소재와의 조합이 트렌드로 부상하고 있다.
이에 따라 자동차 대당 탄소섬유 사용량은 과거 바디와 프레임을 일체화하는 모노코크(Monocoque) 등을 지향하던 때에 비해 대폭 감소할 수밖에 없으나 채용되는 차종 및 부위를 확대함으로써 전체 수요는 증가할 것으로 예상되고 있다.
이종소재 접착‧접합 기술 개발 필수적…
다만, 복합소재도 어려움이 많은 것으로 파악되고 있다.
서로 다른 소재를 조합해 사용하기 위해서는 강력한 접착‧접합이 필요하고 신뢰성을 확실하게 평가해야 하기 때문이다.
탄소섬유는 이방성 물질로 원래 설계가 어려운 단점이 있으나 다른 소재와 혼합하면 기존 시뮬레이션 기술로는 파괴거동 등을 예측하기 어려워 최적의 형태를 찾기 위해 시행착오를 거듭해야 하는 것으로 파악되고 있다.
이종소재 접합기술은 다양한 방법으로 개발이 이루어지고 있으며 복합소재 구조체의 고정밀 해석기술도 최근 도레이가 UD 테이프와 사출성형 복합체에 대한 개발을 완료했다.
금속과 사출성형 해석기술 등은 이미 존재해 다양한 복합소재 개발기간을 대폭 단축할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
도레이는 2021년 11월 소재정보학(MI: Materials Informatics) 기술을 활용해 난연성과 역학적 특성을 보유한 탄소섬유 프리프레그를 개발했다고 발표했다.
차세대 항공기용으로 개발한 것이나 개발기간을 대폭 단축할 수 있는 MI 기술은 앞으로 신소재 개발 가속화에 크게 영향을 미칠 것으로 예상된다.
탄소섬유는 연료전지자동차(FCV)에도 대량으로 투입될 것으로 예측된다.
70MPa 수소탱크 1대에 사용되는 탄소섬유는 50kg으로 연료전지자동차 생산량을 연평균 1만대로 가정하면 4-5개 라인 생산물량에 해당하는 1만톤의 고강도 타입 탄소섬유가 필요할 것으로 판단된다.
GDL(Gas Diffusion Layer)에도 활용이 확대되고 있다.
GDL은 고온으로 열처리된 다공질 탄소섬유 강화 탄소 복합소재인 카본페이퍼(Carbon Paper)에 촉매 등을 투입해 생산하며 연료전지자동차 수요 확대에 대비해 양산체제 구축이 요구되고 있다.
효성첨단소재, 프로세스 개선으로 코스트 절감
효성첨단소재는 2011년 독자 기술을 바탕으로 국내 최초로 고강도 중탄성 탄소섬유 탄섬(TANSOME)을 개발해 2013년부터 전주공장에서 생산하고 있다.
전주공장에는 탄소섬유와 복합소재 연구센터, 탄소특화창업보육센터 등을 두고 있으며 탄소섬유는 물론 중간재와 성형 가공까지 일괄 기술을 확보하는 동시에 탄소섬유 관련 벤처와 중소기업을 육성하고 있다.
글로벌 탄소섬유 시장은 도레이가 선도하고 있으며 탄소섬유의 인장강도와 탄성률에 따라 성능을 구분하는 기준도 도레이의 상품 특성치를 인용하고 있다.
도레이의 T1100급 탄소섬유는 6.4GPa의 인장강도를 나타내는 것으로 알려져 있으며 T300급 내외는 범용제품, T700급은 중성능, T800급 이상은 고성능으로 분류되고 있다.
효성첨단소재가 생산하는 탄소섬유는 T700-T800 급으로 고압용기, 전선심지, 산업용, 건축용으로 사용되고 있으나 아직 우주항공용으로는 공급하지 못하고 있으며 성능과 품질 향상을 위한 연구개발을 진행하고 있는 것으로 파악된다. 
효성첨단소재 관계자는 “시장에서 요구하는 품질 향상이 최우선 과제”라며 “효율을 개선하고 코스트를 낮추는 방법을 찾고 있다”고 밝혔다.
효성첨단소재는 탄소섬유 제조방법과 품질 개선에 중점을 두고 있다.
2019년 9월에는 섬유 표면처리에 중요한 역할을 하는 사이징제 없이도 품질을 유지하면서 탄소섬유를 안정적으로 생산하는 방법에 관한 특허를, 2019년 12월에는 탄소섬유 전구체 제조방법과 장치에 관한 특허를, 2020년 8월에는 인장강도가 우수한 탄소섬유 제조방법과 생산량 확대에 따른 코스트 절감 관련 특허를 출원했다.
효성첨단소재는 2020년과 2021년 전주공장 탄소섬유 생산라인 증설에 이어 2023년 4월까지 생산능력을 9000톤까지 확대하겠다고 발표했다. 3차 증설에는 469억원을 투입한다.
최근 수소자동차 연료탱크와 압축천연가스 고압용기, 태양광용 단열재 등 친환경제품 수요가 증가함에 따라 증설 투자에 나선 것으로 알려졌다.
효성첨단소재 관계자는 “수출을 확대하면서 신규 수요기업을 찾기 위해 투자와 증설을 계획했다”며 “수소경제 활성화를 통해 사업 기회가 넓어지면 더 나은 영업실적을 거둘 것으로 기대하고 있다”고 덧붙였다.
효성첨단소재는 2028년까지 총 1조원을 투자해 전주공장의 탄소섬유 생산능력을 2만4000톤으로 확대해 글로벌 시장점유율 10%를 차지함으로써 글로벌 3위권에 진입할 계획이다.
일본 기술력에 중국 가격경쟁력 밀려 고전
탄소섬유는 항공‧우주, 자동차, 풍력발전 분야 핵심 소재로 주목받고 있으나 국내기업들은 일본의 기술력과 중국의 가격 경쟁력에 밀려 샌드위치 신세로 전락하고 있다.
코트라(KOTRA)가 미국 탄소섬유 시장 흐름을 파악한 결과, 항공‧우주, 자동차, 에너지 등 탄소섬유 3대 수요 분야에서는 국내 탄소섬유 생산기업들이 기술력 부족으로 시장 진입에 어려움을 겪고 있는 가운데 국내기업들의 주력 분야인 스포츠·레저용 탄소섬유 시장마저 중국과 가격경쟁 심화로 입지가 좁아지고 있다.
철보다 75% 가벼우면서 강도와 탄성은 7-10배 우수한 탄소섬유는 내부식성, 전도성, 내열성도 뛰어나 꿈의 소재로 평가되고 있으며 기능성 의류나 낚싯대, 테니스 라켓은 물론 자동차, 항공기, 헬리콥터, 우주선 등 철이 사용되는 모든 산업에 적용되고 최근에는 풍력발전용 블레이드와 수소전기자동차 연료탱크에도 활용되면서 시장이 급성장하고 있다.
미국 시장조사기업 마켓스&마켓스에 따르면, 2019년 47억달러로 추산되는 글로벌 탄소섬유 시장은 앞으로 10년간 연평균 11.0% 성장해 2029년에는 133억달러(약 15조원)에 달할 것으로 전망되고 있다. 마켓스앤마켓스는 탄소섬유의 주요 소비처로 보잉(Boeing), 에어버스(Airbus) 등 글로벌 항공기업과 BMW, 피아트(Fiat), 벤틀리(Bently)와 같은 자동차, 그리고 영국과 독일의 해상풍력설비를 주목하고 있다.
정부는 탄소섬유 국산화에 집중 투자해 경량화 소재의 핵심으로 육성할 방침이다.
세계 탄소섬유 시장의 60-70%를 장악한 일본기업에 대한 의존도를 낮추는 동시에 탄소섬유를 국가전략산업으로 육성하고 관련 생태계를 조성해 미래 먹거리로 키우겠다는 전략이다.
하지만, 국내 탄소섬유 생산기업의 기술력은 일본, 미국, 독일 등 고부가가치제품을 생산하는 글로벌기업에 비교하면 한참 낮은 수준에 머물러 있다. 효성첨단소재가 독자적으로 2011년 일본·미국·독일에 이어 4번째로 탄소섬유를 개발해 2013년부터 생산했고, 태광산업도 울산공장에서 탄소섬유를 생산하고 있다.
하지만, 국내기업들이 생산하는 탄소섬유는 산업·건축·생활 용도에만 국한돼 있어 높은 수준의 기술이 필요한 항공기·자동차·에너지용 시장에는 아직 진입하지 못하고 있고 국내시장에서도 일본산에 밀리고 있다.
세계에서 가장 큰 탄소섬유 시장이 형성된 미국은 도레이, 미츠비시레이온(Mitsubishi Rayon), 테이진(Teijon) 등 일본기업과 미국기업 헥셀(Hexcel), 유럽 솔베이(Solvay) 등 글로벌기업들이 과점하고 있다.
특히, 탄소섬유 세계 1위 도레이는 1971년 세계 최초로 탄소섬유 상업화에 성공한 이후 고도의 기술력이 요구되는 항공우주 분야를 독점하고 있다. 미국 헥셀은 항공우주 분야와 풍력발전용 블레이드 분야에 집중 투자해 고부가가치제품을 생산하고 있고, 독일 SGL카본(SGL Carbon)은 BMW와 함께 자동차용 탄소섬유 사업을 확대하고 있다.
중국기업들도 국내기업이 주력으로 생산하는 범용 탄소섬유 시장에서 영역을 넓히고 있다.
탄소섬유의 성장성을 주목한 중국 정부는 원천기술 확보를 위해 연구개발에 투자를 대폭 확대하고 있고, 중국기업들은 일본을 위협하는 수준으로 급성장하고 있다.
코트라 실리콘밸리 무역관은 “국내 탄소섬유 생산기업들의 주력 분야인 스포츠·레저 분야에서 고급제품은 지속적으로 수출하고 있으나 중저가제품은 가격 경쟁력을 내세운 중국기업에게 밀리면서 수출물량이 감소하는 추세”라며 “중국제품과 가격 경쟁을 피하고 부가가치 향상을 위해서는 고급화를 추진하는 전략이 필요하다”고 강조했다.
리사이클 기술 확립도 필수사항
탄소섬유는 자동차, 풍력발전 등 모든 용도에서 리사이클 기술 확립이 요구되고 있다.
고온으로 가열해 분해하는 열분해법 등 다양한 기술이 개발되고 있으나 대부분 솜 모양으로 회수되거나 사이징제까지 분해해 수지와의 밀착성이 손상되는 문제점이 나타나고 있다.
미츠비시케미칼은 일본과 유럽에서 탄소섬유 리사이클을 추진하고 있으며 슈퍼 EP(엔지니어링 플래스틱)와 조합한 고기능제품으로 재생하는 기술을 개발하고 있고, 나고야(Nagoya)대학 National Composite Center는 솜 모양의 리사이클 탄소섬유를 활용하는 기술을 개발하고 있다.
테이진은 2021년 말 탄소섬유를 생산할 때 발생하는 이산화탄소(CO2) 배출량을 산출하는 방법을 확립해 탄소섬유에 대한 LCA(Life Cycle Assessment) 대응을 실현했다고 발표했다.
프로세스 개선점을 명확화할 수 있어 이산화탄소 배출량 감축을 위한 방안을 다양하게 검토할 수 있을 것으로 기대하고 있으며, 서플라이체인을 구성하는 파트너와 연계해 라이프사이클 전반에 대해서도 평가할 수 있어 순환경제 실현에 필수적인 대책으로 주목받고 있다. (홍인택 기자: hit@chemlocus.com)
