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에코카를 지원하는 일본의 소재 기술: 탄소섬유 수지
◆ 우수한 특성을 갖는 CFRP
 낚싯대부터 항공기, 인공 위성에 이르기까지 다양한 제품에 사용되는 탄소 섬유는 주로 탄소로 이루어진 섬유이다. 이것을 굳혀 수지로 만들면 철에 비해 무게는 약 4 분의 1도, 강도는 약 10 배, 탄성률은 약 7 배이며, 내열성 및 내마 저온, 내식성 등의 특성을 제공 있다. 일본 메이커는 세계 탄소 섬유 시장의 약 7 할을 차지하고 있으며, 특히 항공기에 사용되는 것과 같은 고품질 제품은 일본의 독무대라고 해도 좋다.
탄소 섬유는 석유 유래의 폴리 아크릴로 니트릴을 원료로 하는 PAN 계와 석유와 석탄 등을 정제시 부산물 재료를 사용 피치계의 2 종류가 있다. 일반적으로 PAN 계는 강도가 우수하여 성장이 잘 피치 계는 강성과 열전도율이 뛰어난 것으로 알려져 있지만, 시장 전체에서는 PAN 계의 유통량이 압도적으로 많다.
제품 가공하는 경우에는 탄소 섬유에 수지를 스며들게 한 탄소 섬유 강화 플라스틱 (CFRP)의 상태로 사용한다. 앞으로 틀림없이 CFRP는 환경 관련 분야에서 빼놓을 수 없는 존재가 될 것으로 예상된다. CFRP 제품의 경량화와 자동차 연료 소비량을 줄일 수 있는 소재이기 때문이다.
주요 제조 업체로 구성된 탄소 섬유 협회에서는 CFRP의 경량화 효과를 미 보잉사의 중형 여객기를 예로 들고 있다. 보조 날개 등 부품의 3%정도에 CFRP를 사용 여객기 “767”와 동체 프레임 등의 부재의 50%에 CFRP를 채택하는 최첨단 “787”이 20%적다. 경랼화에 의한 이산화탄소(CO2) 배출량의 삭감 효과를 들자면, 10년 동안 약 10년 동안 약 2만 7000t 삭감할 수 있다.
◆ 비용과 양산성이 과제
이미 일부 차량은 프로펠러 샤프트(동력을 전달하는 부재)rhk 보닛 등에 CFRP를 채용하고 있다. 도요타 “렉서스 LFA”는 차체 골격이 CFRP에서 알루미늄과 비교하여 100kg의 경량화를 실현했다. 또한 “도쿄 모터쇼 2007”에서는 CFRP를 이용한 컨셉 모델 “1/X”를 발표하고 있다. 이것은 두 번째 세대 “프리우스”에 해당하는 실내 공간을 확보하면서 차량 무게는 프리우스의 약 3분의 1에 상당하는 420kg으로 최소화하는 모델이다.
CFRP의 채용에 의한 경량화 장점은 널리 알려져 있지만, 현재 CFRP채용은 별로 진행되지 않았다. 문제는 비용과 양산에 있다. 자동차에 사용되는 철의 가격은 1kg 당 수백 엔 정도이지만, CFRP는 수천엔에서 몇 만원에 자리가 바뀐다. 1대수 천만엔의 고급차면, 고가의 재료를 사용해도 제품 가격에 전가하기 쉽지만, 100만 ~ 200만엔의 대중 차로는 어렵다.
CFRP는 원자재 값이 비싼것은 아니다. 그러나 철 등의 금속 재료에 비해 CFRP는 자동 차용 부재에 마무리까지 일련의 과정에 시간이 걸리기 때문에 현재의 생산 체제에서 증산이 어려워 가격이 떨어지지 않기 때문이다. 수요 증가가 확실하게 발생될 경우, 제조업체도 증산 체제를 정비하기 쉽지만 사용자 측은 가격이 낮아져야 구입이 가능하다. “닭이 먼저냐, 달걀이 먼저냐‘라는 상태이다. 어떻게 신속하게 대량의 부재를 만들 체제를 구축할 수 있는지, CFRP의 보급은 이 점에 달려있다.
도레이는 독일의 다임러사와 함께 CFRP를 이용한 자동차 부품의 제조 판매 회사를 설립하기로 합의하고 2012년 초부터 양산 개시를 예정하고 있다. 이 사업에서 포인트가 되는것은, 도레이가 개발한 혁신적인 성형 기술 “하이 사이클 RTM”이다. 이 새로운 기술은 지금가지 오랜 시간이 걸려 있었다. 플랫폼의 앞부분 플로어를 10분 이내에 성형하는 것에 성공했다. 엄청난 시간 단축을 실현할 수 있었던 것은 수지를 고속으로 수태시키는 기술하면 단시간에 경화 수지를 개발했기 때문이다. 또한 이 회사는 5분 성형을 목표로 하고 있다.
고급차라고 하는 500만엔 클래스의 승용차 전세계의 연간 생산 대수는 약 300 만대이다. 가령 이 클래스의 자동차 1대당 10kg의 탄소섬유를 사용하면 그 수요는 3만 t된다. 이 숫자는 탄소 섬유의 현재 세계 수요 수준의 수량 우리는 새로운 수요 개척을 목표로, 하이 사이클 RTM응ㄹ 비롯한 기술 개발을 진행시켜 나가고 있다.
◆ 소재 기술 국제 공헌
앞으로는 중국 등을 중심으로 자동차 시장은 확대한다. 수천 만대 규모로 CFRP를 보급하기 위해서는 새로운 기술 혁신이 필요한 것은 말할 것도 없다. 도쿄 대학의 다카하시 준 교슈는 대중 차에 CFRP를 사요할 수 있도록 하기 위해서는 “성형에 걸리는 기산을 1분으로 할 필요가 있다.”고 말했다. 자동차를 양산하기 위한 공정은 어떤 의미에서 완성된다. 거기 CFRP 제의 부재를 포함하는 현재 생산 속도를 유지할 수 있는 영역에서 새로운 부재를 공급해야 한다. 그것은 실현하는 목표가 “1분 성형”이다.
다카하시 교수가 제안하는 것은, 160℃의 열을 가하면 반복 가공을 할 수 있는 탄소 섬유 열가소성 플라스틱(CFRTP)이다. 현재 주류 CFRP에 사용되는 열경화성 플라스틱은 일단 굳게 가열해도 녹지 않기 때문에 열악한 환경에 노출되는 인공 위성이나 항공기 등에 적합하다. 그러나 자동차는 거기까지 상황이 도지 않기 때문에 CFRTP도 문제가 없다. 다카하시 교수에 따르면, 미리 CFRTP 시트를 준비하십시오. 금형에 끼워우는 형식을 사용하면 자동차용 부품을 1분성형할 수 있다고 한다.
또한 CFRP 열에 녹지 않아 재활용 할 수 없지만, CFRTP은 필요하지 않으면 박살 내고 열로 녹여 성형하면 다시 CFRTP로 유효하다. 사용중인 부품의 일부가 빠진 경우에도 패치를 같이하여 섬유를 더해 수지 굳히면 복구할 수 있다는 것이 CFRTP의 장점이다. 그리고는 비용의 문제이지만, 다카하시 교수는 “1분 성형할 수 있게 되면 생산량이 증가하고 수요가 확대하기 때문에 충분히 실제 가능한 가격으로 억제된다”고 말했다. 실제로 1분 성형이 저가로 유지되면, CFRTP 비용과 양산성이라는 CFRP가 안고 있는 2가지의 과제를 일거에 해결하는 혁신적인 소재가 된다.
출처 : http://eco.nikkeibp.co.jp/em/report/274/index.shtml
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