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탄소섬유, 자동차 분야에서의 개발진전
ICIS Chemical Business
BMW의 자동차 제품중 “i3”는 탄소섬유강화플라스틱을 활용하여 제조되고 있으며, 자동차 제조분야에서 동 소재의 활용을 선도하고 있음.
1. 개황
지난 40여년간 CFRP(탄소섬유강화플라스틱, Carbon Fiber Reinforced Plastic)는 高강도, 高경량 소재가 필요한 특수분야를 중심으로 발전해왔음. 자동차관련 분야에서도 대부분 코스트 및 공급문제로 인해 사용을 고려하지 못하고 있음.
최근에는 코스트 하락, 기술개발, 설비확대 등으로 동 문제가 해결되고 있으며, 경량化에 의한 에너지 효율향상을 목적으로 강철소재를 CFRP로 대체하는 추세임. 강철소재는 자동차 평균중량의 약 60%를 점하고 있으며, 대부분 CFRP로 대체할 수 있는 구조임. 다수의 스포츠카는 CFRP 소재의 부품을 채택하고 있으며, 다양한 커스텀化에도 활용이 되고 있음. 그러나 이러한 사용은 동 소재가 가진 진면목중 일부에 불과함. 일례로 지난해 생산되기 시작한 Lexus의 LF-A 2012년 모델은 프레임을 포함한 총 중량의 약 65%에 해당하는 부품을 CFRP 소재로 대체하였으며, 나머지는 알루미늄소재로 대체하였음. 이에 따라 동 모델에 사용된 강철소재의 양은 거의 전무함. 그러나 LF-A 모델은 최대시속이 200마일(325km)에 달하는 고급 스포츠카로서 시장규모가 매우 작음. 동 제품의 소비자 가격은 375천불에 달하며, 총 500여 대가 생산, 판매되는 데 그치고 있음.
한편, BMW의 “i3"는 동사 최초의 양산형 전기자동차로서 속도는 절반에 불과 하나 가격은 Lexus LF-A의 1/10 수준임. 또한 동 모델은 CFRP를 대대적으로 활용한 차체구조를 갖추고 있음. 특히, 중량이 중요한 요소중 하나로서 기타 전기자동차와는 달리 1회 충전시 100마일(약 160km)을 운행할 수 있음.
따라서 장거리운행보다는 시내운행에 중점을 둔 동 자동차의 컨셉상 1kg의 중량을 감소시킬 때마다 동 자동차의 기능에는 크게 영향을 미친다고 볼 수 있음.
BMW는 지난해 동 소재와 관련한 공급망을 구축하였음. 승객칸(passenger cell)의 제조를 위해 동사는 독일의 탄소섬유 및 복합소재업체인 SGL과 제휴하였음. 양사의 제휴에 의해 SGL Automotive Carbon Fibers를 설립하였으며, 총 100백만불이 투자되어 지난 2개월 전부터 관련제품을 생산하고 있음.
그 밖에 SGL과 일본의 Mitsubishi Rayon의 합작회사인 MRC-SGL Precursor Co.는 PAN系 프리커서의 공급을 위해 일본 Otake 지역에 설립된 바 있음. SGL은 독일내 공장에서 탄소섬유를 제직후 독일내 BMW 공장으로 이송하며, CFRP 부속으로 가공한 후 "i3" 자동차의 부품으로 활용될 예정임. BMW는 ‘13년까지 연간 최대 40천대의 “i3" 자동차를 생산, 판매할 계획임.
2. 코스트 문제
BMW의 “i3" 자동차는 caravan과 같은 대형트레일러 시장에서 탄소섬유소재의 확대를 선도할 것으로 기대됨. 자동차 산업은 아직까지 세계 탄소섬유 수요에서 점하는 비중은 적음.
일례로 미국의 시장조사업체인 Composite Market Reports에 따르면, 지난해 세계 탄소섬유 수요는 39,280톤이었으나, 그 중 자동차용 수요가 2,300톤에 불과하였음. 그러나 동 분야의 수요는 꾸준히 증가할 것으로 보이며, ‘05년 4,000톤, ’19년 5,300톤까지 확대될 전망임.
탄소섬유 수요중에서는 여전히 풍력발전의 수요가 가장 큰 발전 원동력이 되고 있음. ‘10년 풍력발전用 탄소섬유수요는 9,990톤이었으며, ’15년에는 37,580톤, '19년에는 64,190톤으로 증가할 것이란 전망임. 동기간 탄소섬유 전체 수요는 ‘15년 89,260톤, ’19년 134,280톤으로 확대될 것으로 예상됨.
동 예상치에 대해서는 다소 보수적이라는 견해도 있음. 미국의 Plasan Carbon Composites에 따르면, 현재 북미 자동차업계의 CFRP 소재사용률은 연간 7~10백만 평방미터이며, 1평방미터당 190g이 활용된다고 환산하면 36,800~52,600톤 수준으로 추정할 수 있음. 관계자는 “향후 3~4년내에 적어도 5배 이상의 성장세가 가능할 것”이라며, “이후 3년내 추가적으로 10배로 확대될 것”이라고 예상함. 이같은 성장세의 근거로 신규소재, 설계장비 및 생산공장의 신개발 등을 제시함.
“俊구조재의 경우 현 시점에서도 코스트 효율이 높다”며, “구조재, 외장재 등은 여전히 단가가 다소 높은 편이나, 마그네슘, SMC, 알루미늄, 강철 등에 비해 코스트 효율이 우수하다”고 언급함.
그러나 탄소섬유의 가격은 하락세를 나타내고 있음. 최초로 상용화된 ‘70년대와 비교시 파운드당 110불에 달한 바 있으나, 최근에는 저가제품의 경우 10불 수준으로 하락하였음.
또한 향후에도 코스트 절감이 가능함에 따라 추가적인 하락가능성도 있음. 일례로 탄소섬유 제조공정은 에너지 집약적임. 저가제품의 경우 에너지 비용이 전체 코스트의 약 1/3수준이며, PAN系 프리커서 및 감가상각도 동일수준의 코스트를 점하고 있음.
PAN 프리커서의 제조공정으로는 산화안정화 공정이 사용되며, 이는 PAN 섬유를 공기 중에서 약 300℃까지 가열하는 것임. 이후 탄화공정을 거침. 동공정은 질소의 존재하에서 1차로 700~900℃로 가열하고 2차로 1400℃이상에서 가열시킴. 일부에서는 3차로 2500℃까지 탄화하기도 함.
탄화공정이후에는 대부분의 非탄소성분은 제거되며 99% 이상이 탄소성분으로 잔존함. 이와 함께 총 중량은 50% 가량으로 감소하게 됨. 따라서 최근에는 에너지 소비를 줄이기 위한 노력이 행해지고 있으며, 통합시스템 구축을 통한 전체 공정에서의 에너지 절감노력에 집중되고 있음. 관계자는 “기존방식의 산화공정은 에너지 비효율성이 심각한 편“이라며, ”상대적으로 낮은 온도에서 산화공정이 이루어지나 최대 2시간의 가공시간이 필요하다“고 설명함. 또한, ”이는 기본적으로 공기중에서 이루어지고 개방구조로서 爐(oven)가 설계되기 때문“이라고 덧붙임. 이후 가공된 소재는 爐의 내외부를 통과하여 대량의 냉각공기를 통과한 후 연신되어 권취됨.
동 관계자는 “爐에서 냉강공기를 거쳐 연신되는 동 공정의 非효율성은 설비 및 공정상의 문제를 야기하며, 결과적으로 높은 비효율성으로 이어지게 된다”며, “보다 에너지효율적인 산화공정의 개발이 필요하고 통합 설비기반의 에너지 효율화에 집중할 필요가 있다”고 언급함.
3. 최적화를 위한 설계
탄소섬유의 경제성의 경우 적절한 프리커서 선택에 의해 높일 수 있음. PAN 섬유의 원료인 AN은 최근까지 가격이 고공행진을 보인 바 있음. 따라서 셀룰로스, 석유 혹은 타르피치, 페놀系 섬유 등으로 대체하려는 노력이 이루어지고 있음. 프리커서의 선택은 생산된 탄소섬유의 특성을 좌우할 수 있으나, 모든 응용분야에서 동일한 특성을 요구하지는 않아 용도별로 선택이 가능함. 관계자는 “현재 탄소섬유 시장은 동일 등급의 제품에 의해 좌우되고 있다”며, “다양한 종류의 섬유사용을 최적화하기 위해 수치적인 예상모델링을 통한 설계기술을 확보할 필요가 있다”고 언급함. 또한, “현 시점에서는 모든 것이 이미 필요이상으로 설계되어 있다”고 지적함.
고도의 기계적 특성을 요구하는 엔진 크래들 및 기본 구조재 등은 탄소섬유 중에서도 모듈러스가 25~32msi(제곱미터당 백만파운드)인 고품질의 제품을 필요로 하고 있음.
차체패널 등 俊구조재는 모듈러스가 20~25msi인 제품을 활용하고 있으며, 계기판, 거울의 하우징 등 치장재의 경우에는 14~25msi의 제품도 가능함.
Plasan Carbon Composites의 경우 ORNL(오크리지국립연구소) 및 소프트웨어 업체 등과 함께 탄소섬유의 사용최적화를 위한 설계도구 개발에 나선 바 있음. 이에 따라 향후 3년내에 소프트웨어 패키지 개발이 가능할 것으로 기대됨. 동사의 관계자는 “이러한 노력은 폐사의 기술개발전략에서 중요한 부분을차지하고 있으며, 코스트를 줄이기 위한 공정 및 소재개발에 큰 역할을 할 것”이라고 밝힘.
또한, 기존 소재를 대체하기 위해 옥수수줄기를 활용한 bio系 프리커서 생산이 시도되고 있으며, 非수요 분야에 활용되는 저가의 탄소섬유 생산에도 노력중임.
Plasan은 자동차 생산에서 요구되는 필수적인 이슈에도 대응하고 있음. 특히, 탄소섬유 복합소재로 제조되는 부품의 수를 연간 2천대에서 50천대로 늘릴 수 있는 공정에 대한 특허를 획득할 계획임. 신규 공정은 품질향상도 가능할 것으로 보임.
그 밖의 이슈대응 노력은 기존의 복합재료에 활용되는 에폭시 수지를 대체하기 위한 신규 열가소성소재의 개발임. 열가소성 소재는 가공시간이 매우 짧다는 장점이 있으며, 향후에도 구조재 분야에서 널리 사용될 것으로 보임.
탄소섬유의 코스트는 자동차 업계가 CFRP를 채택하기 위한 중요한 요소로 잔존하고 있으나, 향후 대체 프리커서의 개발은 이러한 상황을 역전시킬 것으로 보여 매우 긍정적임.
관계자는 “향후에는 모든 응용분야에서 단일 종류의 섬유가 활용되지 않을 것”이라며, “최적화를 위한 설계의 관점에서는 6종의 다른 섬유를 복합화할 수도 있다”고 설명함.
출처 : 한국화섬협회
관련링크
http://www.kcfa.or.kr/bbs/view.php?id=fabric_data&page=1&sn1=&divpage=1&sn=off&ss=on&sc=on&select_arrange=headnum&desc=asc&no=63
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