화학뉴스

탄소섬유의 대량생산 및 코스트절감을 실현할 수 있는 혁신적인 제조공정이 탄생했다.
PAN계 탄소섬유는 자동차 적용이 확대될 것으로 기대되고 있으나 일반적으로 사용되는 제조공정은 계열당 생산능력이 최대 2000톤에 불과하고 1개 차종에 공급하는데 2-3개의 공장을 필요로 하는 등 생산성이 낮은 점이 한계로 지적돼왔다.
탄소섬유의 본격적인 도입을 위해서는 생산성을 비약적으로 향상시켜야 하며, 특히 최대 걸림돌로 작용하고 있는 원료 아크릴 수지(Acrylic Resin) 전구체의 내염화 공정을 개선할 필요가 있었다.
내염화 공정은 고품질의 탄소섬유를 얻기 위해 반드시 필요한 공정이었지만 대량의 아크릴 수지를 한꺼번에 처리하기 어렵고 200-300도의 고온에서 장시간 처리를 해야 해 에너지를 다량으로 소비해왔다.
이에 따라 신에너지‧산업기술종합개발기구(NEDO)는 의료용으로 사용되는 저렴한 AN(Acrylonitrile)에 탄화제 등을 첨가해 우수한 방사성과 내염성을 겸비한 신규 폴리머(Polymer)를 개발하고 내염화 공정을 생략했다.
탄화공정에는 마이크로파를 접목시켜 외부에서 열을 가하는 기존의 가열로 방식과 달리 섬유를 내부부터 가열하고 단시간에 균등한 탄소섬유를 얻는 기술을 확립했으며 가열로를 1000-2000도에 달하는 고온 상태로 유지할 필요가 없어져 에너지를 절감할 수 있게 됐다.
또 수지와의 접착성을 향상시키기 위해 표면처리를 액체공법에서 드라이공법인 플라즈마 처리 방식으로 바꾸었으며 표면 처리에 소요되는 에너지를 줄이고 처리 시간을 수초 정도의 짧은 시간으로 단축시켰다.
도쿄대학 대학원 카게야마 카즈로 교수가 총괄하고 NEDO가 추진하는 탄소섬유 프로젝트에는 Toray, Teijin, Mitsubishi Rayon 등 일본의 탄소섬유 3대 메이저가 참여했다.
NEDO 프로젝트의 탄소섬유는 탄성률이 240기가파스칼로 자동차 뿐만 아니라 항공기에도 충분히 적용 가능할 것으로 기대되며 전체공정이 큰 폭으로 간소화돼 제조에 소요되는 에너지가 절반으로 줄었고 생산성은 10배 이상 확대됐다.
NEDO는 앞으로 5-10년 이내에 공업화할 예정이며 실용화 연구와 함께 성형성을 향상시킨 이형단면섬유와 가볍고 해양구조물에도 사용 가능한 중공계 섬유 등 새로운 탄소섬유를 만드는 기반 연구도 병행하고 있다.
카게야마 카즈로 교수는 “유럽과 미국에서도 탄소섬유의 생산성 향상에 대한 연구가 진행되고 있지만 성능은 떨어지는 것으로 알고 있다”면서 “생산성과 성능을 모두 향상시키는 제조공정은 NEDO의 프로젝트가 유일하다”고 강조했다.
NEDO 관계자는 “탄소섬유는 일본의 기간산업이며 프로젝트에 참여한 메이저 3사는 세계시장의 65%를 차지하고 있다”면서 “탄소섬유는 연평균 15% 성장세를 나타내는 분야로 해외기업도 시장 확대를 추진하고 있지만 혁신 탄소섬유를 통해 일본만의 경쟁우위성을 갖출 예정”이라고 강조했다.