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탄소섬유강화수지에 의한 차체 경량화: 이산화탄소 삭감에 기여
 탄소섬유강화수지(CFRP, carbon fiber reinforced plastics)는 스포츠 용품, 항공기, 건축자재 등에 이용되고 있으며, 세계 최대 산업인 자동차의 주요 부품에 철 및 알루미늄 대신에 사용되면 세계 소재산업을 크게 바뀔 수 있다.
도요타 자동차는 2010년 12월에 판매한 고성능 스포츠카에 탄소섬유강화수지를 일본산 자동차에 처음으로 차체에 본격적으로 채용하였다.
차체구조의 65%를 CFRP가 차지하고 있어 종래 알루미늄 구조의 차체와 비교하여 약 100kg 경량화하였다. 도요타는 일찍이 독자적으로 CFRP 가공기술의 개발을 실시해 왔다. 최첨단의 경량소재를 채용하여 운전성능을 알리기 위해 CFRP의 채용을 추진하였다.
- 1대당 5톤의 이산화탄소를 삭감
2011년 1월 후지중공업이 판매하는 스포츠카는 도레이와 공동개발한 CFRP제의 루프를 채용하였다. 중량은 20% 정도로 감소되어 루프가 가벼워지면 차체의 중심이 낮아져 운전성이 향상된다. 미쯔비시 케미컬HD 산하 미쯔비시 레이욘은 독일 CFRP제조사(SGL사)와 합병하였으며, 독일 BMW이 2015년 판매를 목적으로 하여 개발 중인 전기자동차의 기간부품에 탄소섬유의 원료가 되는 아크릴섬유를 공급한다. 또한, 2010년 4월, 도레이는 독일 다임슬러와 CFRP의 자동차 부품 공동개발 계약을 체결하여 3년 후에는 메르세데스 벤츠 승용차에 탑재할 계획이다.
탄소섬유는 가볍고, 강하고, 단단하고, 녹슬지 않는 특징을 가지고 있다. 무게는 철의 1/4정도이고, 인장강도는 나일론의 10~20배로 철의 10배이며, 탄성률은 나일론의 20~60배로 철의 7배에 해당한다. 에폭시 등의 수지와 조합시켜 CFRP로서 사용하는 것이 일반적이다. 체적은 약 60%가 섬유이고 나머지 40%가 수지로 하는 것이 대표적인 비율이다. 탄소섬유협회에 의하면, 평균적인 보통 승용차에 현단계에서 가능한 기술을 적용하면 차체 중량의 17%가 CFRP로 대체되어 중량은 약 30% 가벼워진다고 한다. 이것을 자동차 제조에서 주행, 폐기까지의 라이프사이클로 보면, 종래 자동차와 비교하여 10년간 자동차 1대당 5톤의 이산화탄소 배출삭감을 기대할 수 있다.
- 일본제로 세계 점유율 70%
탄소섬유의 경우, 일본에서는 기초원리 및 기술이 개발되어 1971년 도레이가 세계에서 처음으로 본격적인 상업생산을 착수하였다. 아크릴 장(長)섬유 또는, 석유 및 석탄 등의 부생성물인 피치를 고온에서 탄화시켜 만든다. 자동차의 차체 등에는 아크릴 장섬유에서 생산된 것을 사용한다.
현재는, 도레이, 토호테낙스, 미쯔비시 레이욘의 일본제가 세계 점유율 70%를 차지하고 있다. 처음에는 낚시대 등 스포츠 용품으로 시장을 확대하였으며, 1990년대 전후부터 파손되면 추락과 연결되는 항공기 날개 등의 1차 구조재료에서 사용되기 시작했다. 1990년대에는 토목건축 및 산업기계 등의 산업용도가 본격화 되어 시장이 확대되었다. 미국 보잉사의 차세대 중형기 787은 중량의 약 50%가 CFRP이다.
세계적으로 자동차의 연비규제가 엄격해 지고 있기 때문에 한층 차체 경량화가 필요하다. 일본에서 생산되는 자동차에도 CFRP제의 프로펠러 샤프트(엔진에서 동력을 전달하는 부품)을 일부 차종에서 채용하고 있다. 그러나, 현재 양산차의 기간부품으로서 사용하기에는 높은 비용이 장애가 된다. 자동차에 CFRP를 사용하는 것은 현단계에서 아직 광고적인 의미가 크다. 양산차의 주요 부품에 사용하는 것이 기술개발의 핵심이 될 것이다.
- 높은 비용 장벽을 극복
CFRP가 철 및 알루미늄을 대체하기 위해서는 철과 비슷한 가공시간(1~1.5분)으로 단축할 필요가 있다. 현재, 시장에서 유통되는 CFRP의 90% 이상의 수지원료는 에포시 등과 같은 열경화성수지이다. 이것은 상온에서는 점도가 낮은 상태로 존재하고 열을 가하면 굳어지는 성질을 가진다. 자동차 부품의 경우는 탄소섬유를 틀에 넣어 수지를 흘린 후 고형화되면 틀에서 빼내는 가공법을 이용한다. 단, 가공시간이 긴 단점이 있다.
열경화성 수지는 열로 고형화시키면 화학변화를 일으켜 냉각시켜도 원래의 액체로 돌아가지 않는 문제가 있어 금속과 비교해서 가공이 어렵다. 때문에 열가소성수지를 이용한 CFRP 연구개발도 추진되고 있다. 열가소성수지의 대표적인 것이 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌으로 가공은 용이하지만, 점도가 높기 때문에 섬유와 친화성이 없는 것이 단점이다.
탄소섬유는 1kg당 2,000~3,000엔으로 철보다 10배 정도 높다. 양산화를 전제로 한다면, 섬유의 제조비용은 낮출 필요가 있다. 일본 국내 철강회사가 발주한 자동차용 보통 철강은 2009년도에 876톤이다. CFRP를 양산차에 사용하는 것이 본격화 된다면, 탄소섬유의 원재료 생산을 현재와 같이 연간 3만 톤 정도로 유지하는 것이 타당한 것인가 검토할 필요가 있다. 비용 및 생산성, 접합성 등 CFRP의 과제는 존재하지만, 차세대 경량소재로서의 매력은 크다. 국내외의 소재 및 자동차회사가 연구개발을 가속시키고 있어 예상외로 보급이 빨라질 가능성도 있다.
(그림 1) 종래 자동차와 CFRP 자동차의 비교
(그림 2) 탄소섬유의 수요 변화
(그림 3) 탄소섬유강화수지는 현재 거의 열경화성수지를 사용하고 있으나. 열가소성수지를 사용하기 위한 연구도 추진되고 있다.
출처 : 녹색기술정보포털
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