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1 Carbon Letters Vol. 9, No. 4 December 2008 pp Carbon Fibers (II): Recent Technical Trends and Market Prospects of Carbon Fibers Min-Kang Seo 1, Byung-Gak Min 2 and Soo-Jin Park 1, 1 Dept. of Chemistry, Inha University, 253, Nam-gu, Incheon , Korea 2 Dept. of Polymer Science and Engineering, Chungju National University, Iryu Myon, Chungju , Korea sjpark@inha.ac.kr (Received November 1, 2008; Accepted December 8, 2008) Abstract The principal aims of the review paper are (1) to establish broad overview information, both qualitative and quantitative, relating to the world market for polyacrylonitrile (PAN) or pitch-based carbon fibers; and (2) to generate an effective analysis and break down of consumption by process route and eventual end-use. The review paper also designed specifically to provide subscribers with an accurate, independent, and realistic assessment of the current status and future perspective of the market for carbon fibers in the world. The world market for carbon fibers continues to grow rapidly, fuelled by new industrial end uses, such as sport and leisure goods, aerospace, automotive applications, civil engineering and infrastructure repair, and immerging applications in energy generation. Demands for properties of carbon fibers used in those applications include many things such as strength, toughness, fatigue property, corrosion resistance, heat resistance, etc., and these become to be higher level. On the other hand, demands for manufacturing technologies of carbon fibers become to be difficult with these demands for properties, and these are wide variety such as high efficiencies, high qualities, many functions, labor saving, and low cost. In this review paper, thus, the recent carbon fibers corresponded to these needs, and its latest manufacturing technologies as well as market prospects are described. Keywords : Carbon fibers, Manufacturing technologies, Market prospects ˆ o k 45 p l mv o ll v tp o ol n qp, n l pl d r l p 2 q n lm. l nt kl ll p v n p p q p kv p l ˆ o q~ v p rp vp ~, k p ~ r3p nq n e p p q q p., ˆ o q (Carbon Fibers Reinforced Composites) o o q (Glass Fibers Reinforced Composites) j ˆ p n n l t rrp eq l 1980 d, }, dˆm p d n p n, q,, qq,, k l jp eq m. l Toray p 13l l vn p ˆ o q nt kl rœ k p p l ~(Primary Structure)l n eq q p n rp r l p n l p v p [1-6]., l, 21 q q t p ˆ op ~ n, kp p eqr l l ˆ op rs p pn e p l q l s p np q m. k» w ˆ o rs rp p n o, p, o p 8 nl kv v l lp l erp, r ˆ o ~ l p n p k, o l n l q np p r p. p e qp n l, l, lp rp o l ˆ o e lk. ˆ op p t p Toray l p t l mp v rp Fig. 1l ˆ l. p T (Torayca)-1000p n 7GPa, ˆ p 300 GPal, pm p ˆ op vrp p l v pn k r k p.

2 Carbon Fibers (II): Recent Technical Trends and Market Prospects of Carbon Fibers 325 Fig. 1. Toray p ˆ o 1"/ k PAN (Polyacrylonitrile) ˆ o, ˆ p e nq tl q l p ~ p ~ q pe l nt d n l n l m [7,8]. l p p p n l špl p l n l n l p ˆ o pnp v pp,, Š q n v p n l p t p p p n Fig. 2l } PAN ˆ o q l k l, e d rn p l nt p r kl n l mp 1990 l PAN ˆ op Ž p 8 o/kg r pl p 2005 l 2~3 o/kg r v l qp ~q n l p, v Fig. 2. ˆ op p l n v n l p k }l d l rv q l n nvpl špl q p l l PAN ˆ o n eq m. l rp r pp p o ~r p ~ q ˆ o n, e rp ~r Žp ~q p k n r or ožp l v pp p o ~ n o p., ˆ o 2005 p s eq l p e m, p p F22 dšd rœ, t rœ, p rs p, ˆs,, s q p o ˆ q n pp, p n 787 p, p p Airbus ˆ q p n A380 A350 p rs, Š l kl p n l n p., ˆ o ~ p ~ q n eqp kp n p r, l l l p r pl ˆ o p v m l k p PAN ˆ o kl p n o p v o p l p n, q v p rp p r p. ( ) ˆ op PAN ˆ op qp k kkv, n l Š v p p, n nl p p ˆ o ˆ p p s p [9,10]., p l e p n k CNG (Compressed Natural Gas) p p l v kp. Òk : p rp PAN ˆ o Pitch ˆ o k v pq l p, ˆ v k r r p ˆ., PAN ˆ ol pmp rk l s l r s e pm tp ˆ o op k eˆ l v p. Ò ˆ : PAN ˆ ˆ o 350~400 GPa (35~ kg f /mm )p eq l r 2 ˆ, vr l q ˆ 690 GPa ( kg f /mm 2 ), 4 GPa (350 kg f /mm )l p 2 p. Ò ˆ op rl: ˆ o q p p ˆ om d vp l ps v, v p vl m p p d vmp r p eˆ o ˆ ol l v } p. } l p r p v ƒ vl r, ˆ o p m v p r, ˆ o p k r

3 326 Min-Kang Seo et al. / Carbon Letters Vol. 9, No. 4 (2008) s p p pp r l r p t npp k lv p. Ò ˆ o r : Š, kl n p, p q tn q npp pl r p ˆ o l o n ƒ v Š n n p t p. ( ) d vp l v e pp l r p mš p l 1 l 6~10e p, s qq p n p rsl l l vp PEEK (polyetheretherketone), PEI (Polyetherimide) p np et Š l m [11,12]. m 400 C r p k q r o l lp ep v r pl l p d p l d q ~ p, v PEEK PEI k, Nylon 12 Nylon t ~ n p m [13]. ( ) CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastics) p v Ò, r, k p, t q p p pp, rp m p. Ò : p (RIM, Reaction Injection Molding), p (Pultrusion), FW(Filament Winding) p p p. Ò /t qp r : l np t q(fabric, v, s ) p v n p. Ò NC (Numerical Control) q r : p mš p e p l n NC q r p p. p nl rq Žp d, Ò rq l p r n p q s~ rs, Ò RTM (Resin Transfer Molding) p v, Ò ACM (Advanced Composite Materials) l edš l v p en l CFRP p v p. ( ) CFRP r p n rn Ò n l p l l : p ~, q n l ˆ p p p pn l, l l p n v p v d t p. Ò Š n : p p r or p n l p r l Š v p. Ò q n : n p l e r n p p p, RTM, l d l p v pp, p nl Ò Š, Ò l n l rkp v p. 1JUDI k n ˆpp q lq, rq pn l, ˆpp ACM kl PAN ˆ om p q k p qrp vp n eqp p. l t Pitch ˆ op p eq p ˆpp pd Pitch ˆ o(mesophase Pitch-based Carbon Fibers, MPCF)l rp ep n l l m p n MPCF ˆl n nt kp s~ k, rq p nqq l r., r l, r lp s v PAN ˆ o ˆ ~ q r p k r p., o e l qp l Pitch ˆ op lr p, l n l pl PAN ˆ o pd Pitch ˆ o o p., nt p n ˆ o Šn op ˆ l 33 ~ 35 Msi (24Š t ˆp), 50 ~ 70 Msi (40Š ˆ ˆp), 70 ~ 140 Msi (50Š p ˆ ˆ p) l n, pm p MPCF ˆ ˆ pp rs, PAN ˆ o n dp r l l prp pp k nt n l sq rž} n p, n t o l pl Ž v l n l lr p MPCF n p n p m [14,15]. ( ) v n Ò p o : p o Ž k (k ~, back structure, Ž ), e, o, solar array, n sq Ò ln ln :,, v Ò d n : e, } p qp Ò s p : ~ vp, ~ p p r (, v e ), p p s p ( ) rˆ pn Ò p ( ) l pn Ò p o s~: m l p v(lr 600 W/mK) Ò rž} : o ~, pr, n Ž, rq p, ep ln, C/C ~ (2 rv r q ) Ò : lv ƒ ( ) v pn

4 Carbon Fibers (II): Recent Technical Trends and Market Prospects of Carbon Fibers 327 Ò,, p o s~ np Pitch ˆ o l k p v pl r n k o v, el p p PAN ˆ o 10 rp, Pitch ˆ op p ˆ o r~ p 1~2%l v v k. p} Pitch ˆ op n v p po p. ( ) Pitch ˆ o rs q l 230 ~ 300 GPap ˆ p l rs np. ( ) Pitch ˆ o k PAN ˆ o n., PAN ˆ o vv Pitch ˆ op l (lr p, ˆ np, p Ž } )p n n, k p p Pitch ˆ op n kp p. y k ˆ o(activated Carbon Fibers, ACF) o p l p om p l v ˆ(Šn,,,, p, v ) pp, p p p vl l n l pn, ~rn, r n nr q p en p., ACFm sp ˆ rp n l pn p. ACF p p p p l l kl s p pp, p en k pn l l p s eˆ n n p v p [17-19] k pn r ql ˆ o p n l o m Œ p p, p p tp o p l ˆp m k p opp pl p p m r o r l pq kp ˆ p pn pp, l ˆp rp r PAN ACF t q m o r l n ˆ l r l kl o pn p pn ( ) p ~r ( r ) l p l m lep l m k mr l l k v (m: 3,4- s, Ž k, )p lq k lql m p ACF n ~r p. p p p q kp ˆ l r r p, lž ˆp p f p~p p k r l pn p. ( ) o nr lž, lˆ, m Ž p o nr k p m l p l r p. ACF r dp p n l r rp nr q l n v pp, r k p rr p. ( ) NOx, SOx, ms r tp NOx SOx r o p ACF r edšp o l v l m. ACF } p v, p v m k k dp o pl pl } l. p d tp SO 2 ˆl,, l p ep pr k v ep ACF pn ˆ p Š p, ACF SO 2 l n n p ˆ v ˆ p ƒ kv v l l l np p., ACF msp p l k e rl pp l q l msp r l pn. (3) ˆ n, rd, q( )n d l ACF ˆ l ˆ, r p pn pm r, r q p r p r r n l pn p. p l p n(p eq ) kl, mm v t p pmep p r l ACFp pnp pl kp p. k ù p rs ˆ o s ˆl ˆ o(neat carbon nanotube fibers; N-CNTF)m ˆ ~ o(carbon nanotube composite fibers; CNTCF) p. N-CNTF ˆ p ˆ p o p lv n, CNTCF ˆ v ~ p e ˆ t p ~ o(cnt-major composite fibers)m ˆ p ~ ~ o(cnt-dispersed composite fibers) p. ˆ o e r(dry process) de r (Wet process)p rs pp, e rp d p Baughman p t p [20]. p p ˆ Forest o p p p rp r rp r r o (Fig. 3). d

5 328 Min-Kang Seo et al. / Carbon Letters Vol. 9, No. 4 (2008) 탄소나노튜브 섬유 건식 제조법(미국 텍사스대 Baughman 교수) (A) Overview, (B) close-up of self-assembly of CNTs, (C) detail of twist insertion, (D) detail of yarn structure Fig. 3. 식공정은 기존의 습식방사 공정을 토대로 한 것으로서 다양한 종류의 탄소나노튜브를 사용할 수 있다는 장점이 있으며 건식 공정보다 용이하게 상업화가 가능할 것으로 기대된다. 고강도 및 고탄성률의 탄소나노튜브 섬유를 제조하기 위해서는 섬유 내에서 탄소나노튜브가 섬유축을 따라 나란히 배향되어 있어 야 하고 탄소나노튜브 상호간에 물리적 또는 화학적으로 충분 히 결합되어 있어야 한다 기술 개발동향 프랑스의 Vigolo 등 [21]은 단일벽 탄소나노튜브(Single walled carbon nanotube, SWNT)와 계면활성제를 혼합한 수용 액을 폴리비닐알콜(PVA) 수용액에 방사함으로써 기계적 성질 이 우수한 SWNT/PVA 복합체 섬유를 제조하였고 미국의 Baughman 등 [20]은 이 방법을 더 개선하여 인장강도 3.2 GPa, 인장탄성률 80 GPa, 인성 600 J/g의 탄소나노튜브 섬유를 제 조하였는데 거미섬유(Spider silk)의 인성이 165 J/g인 것과 비 교할 때 매우 높은 인성을 보이고 있다. 미국 Rice 대학에서는 SWNT를 강산에 분산시켜 4 ~ 10 wt%의 고농도 용액을 제조 하고 이 용액이 액정과 같이 이방성을 갖는 것을 이용하여 탄 소나노튜브의 배향도가 우수한 순수 SWNT 섬유를 제조하여 인장탄성률 120 GPa를 얻었다. 이 외에도 열가소성 수지를 SWNT와 용융혼합한 후 이를 섬유방향으로 배향하여 기계적 물성을 향상시킨 탄소나노튜브강화 복합재료에 대한 연구도 많이 진행되고 있다 탄소섬유강화 복합재료 복합재료란 두 종류 이상의 다른 재료를 조합하고 각각의 장점을 활용하여 단점을 서로 보완하여 단일재료로는 얻기 어 려운 특성을 가지며, 또한 설계할 수 있는 재료 라 정의할 수 있다. 복합재료 중에서 가장 중요한 것은 섬유를 강화재료 하 고 수지를 모재로 하는 섬유강화 복합재료이며, 그 특징으로 는 가볍고 강도 및 탄성이 우수하다. 이중에서 특히 탄소섬유 강화 복합재료는 가볍고, 강한 구조용 복합재료의 대표로써 스 포츠, 레저, 항공기, 우주용도 및 일반산업용도 등 다양한 분 야에서 사용되고 있다 탄소섬유강화 복합재료의 특성 복합재료의 구조물은 지름 수 µm의 섬유와 수지의 조합을 기본단위 하에 직물이나 적층 구조의 중간구조를 거쳐서 실제 구조에 이르기까지 많은 계층 구조를 가지며 섬유와 매트릭스 및 섬유와 수지와의 계면 등의 계층을 복합재료에서는 메조 (meso) 구조라 하며, 복합재료의 제 2 특징은 제조공정에서의 일체성형으로 재료가 완성됨과 동시에 구조도 완성될 수 있어 재료설계와 성형과정이 매우 중요하다. 섬유를 인장시켜 다발 로 만든 후 수지로 굳힌 경우를 일방향 강화판이라 부르며 특 성 이방성을 가지는 재료로 항공기나 샤프트 등의 경량구조는 일방향 강화판을 복수로 적층시켜 사용한 경우가 대부분이다. 이러한 적층판의 특성은 일방향 복합재료의 특성과 적층구성 (섬유의 배향 방향)에 의하여 결정된다. 따라서 복합재료는 요 구특성에 맞추어 적절한 적층구조를 설계하는 것이 필수적 요 소이다[22-24] 용도 개발 동향 PAN계 탄소섬유는 1970년 대 초 낚싯대를 필두로 하여 그 후 골프 샤프트, 테니스 라켓 등의 스포츠 용도에서 1970년 대

6 Carbon Fibers (II): Recent Technical Trends and Market Prospects of Carbon Fibers Fig. 4. 탄소섬유강화 복합재료를 이용한 에어버스(Airbus)사의 A380 기종 후반부터 항공기의 2차 구조에서 사용된 후, 1980년 대 후반 항공기의 1차 구조에 사용되었으며, 특히 일본의 한신, 고베 지역에서의 대지진 이 후 도로, 교량의 보수, 보강 등 토목, 건 축 분야를 시작으로 압력용기 풍력발전용 날개 등 에너지 분 야, 자동차, 전기, 전자 등 전 산업 분야로 그 사용분야가 확 대되고 있다. (가) 스포츠 용도 ① 낚싯대: 가볍고, 동시에 고감도를 위한 굴곡강성을 갖춘 낚싯대의 개발 역사가 바로 고탄성 탄소섬유의 개발 역사와 같으며, 최적 구조설계 기술의 진보와 더불어 현재는 1970년 대의 제품에 비하여 무려 6분의 1까지 경량화가 진전되었다. ② 골프 샤프트: 1972년에 골프 샤프트도 CFRP화가 시작된 이후 무게가 3분의 1로 적어 졌고, 대신 헤드의 크기와 속도 가 증가되며 타구 거리의 향상에 기여했다. ③ 테니스 라켓: 1974년에 미국의 Chemolds사에서 CFRP화 가 이루어진 이래 일본의 Mizuno, Kawasaki, Yonecks 등 모 든 회사가 적극적으로 제품화를 하고 있으며, 그 외에도 배드 민턴, 스쿼시, 라켓볼, 탁구 등에도 탄소섬유강화 복합재료가 사용되고 있다. (나) 우주 항공 분야 ① 우주 항공 용도는 경량화의 경제효과가 커서 CFRP화가 순조롭게 진행되면서, 구조설계와 제조기술도 대단한 발전을 하였으며, 현재 에어버스사의 차세대기 A380은 주 날개와 동 체까지 사용함으로써 전 중량의 50% 정도가 탄소섬유강화 복 합재료로 대체되었다(Fig. 4). (다) 일반산업 용도 ① 최근 급격히 성장하고 있는 분야로서 탄소섬유의 원가 저 하, 재료의 데이터베이스의 정비, 가공기술의 다양화와 더불어 새로운 요구로써 에너지, 환경문제에 대한 대응, 사회기반 정 비 및 전자차폐와 같은 새로운 기능재료의 요구가 대두되고 있다. 329 ② 토목, 건축 분야: 탄소섬유는 가볍고, 강도 및 탄성율이 높고, 부식이 없는 특징이 있어 보수, 보강, 건축부재, 철근대 체, 콘크리트 보강 등 응용개발이 진행되며, 커다란 수요가 예 상되고 있다. 특히 대지진을 계기로 토목, 건축 분야에 있어서 기존 콘크리트 구조물의 보수, 보강의 필요성이 높으며 시트 상의 탄소섬유와 에폭시 수지를 이용한 보수, 보강 CF (Carbon Fibers) 공법이 주목을 받아 시공이 늘고 있다. ③ 에너지 분야: 환경문제와 연동되어 자동차 연료로 CNG (Compressed natural gas)가 주목을 받고, 종래의 금속 탱크의 무게 때문에 연료용기의 탄소섬유화가 진행되고 있으며, 청정 에너지로 기대되는 풍력발전에서 풍차날개의 대형화가 추진되 면서 가볍고 강하며, 내구성이 있는 탄소섬유 복합체가 유리 섬유를 대체하리라 예상한다. ④ 자동차 분야: F1 자동차로 대표되는 경주용차는 탄소섬 유강화 복합재료로 되어있으며, 후드(hood)만을 탄소섬유강화 복합재로로 하여도 알루미늄보다 30%의 경량화가 가능하다. 양산에 대응하기 위하여 항공기의 오토클레이브(autoclave) 성 형법이 아닌 RTM 성형법으로 제조한다. ⑤ 전자 전기 분야: 1980년대에 비탄성률이 높으면 진동감 쇄가 커지므로 스피커 콘(speaker cone)에 적용하였으며, 최근 에는 경량에 전자파 차단효과로 노트북과 카메라에 이용하고 있다 기술 개발 동향 탄소섬유강화 복합재료가 현재의 도약 단계에서 벗어나 비 약, 확대되기 위해서는 토목건재, 정보산업, 자동차 등에 본격 적으로 사용될 필요가 있으며, 이를 위한 종합적인 체제 구축 이 요망되며, 만약 이것이 이루어진다면 탄소섬유강화 복합재 료는 철, 알루미늄에 이어 제3의 구조재료로서 비약적인 성장 을 이룰 것으로 예상된다. 이를 위해서는 혼성재료기술, 라이 프 사이클 평가기술, 안전성 확보기술, 리사이클 기술, 스마트

7 330 Min-Kang Seo et al. / Carbon Letters Vol. 9, No. 4 (2008) Fig. 5. 탄소나노튜브를 이용한 탄소섬유의 나노복합화 재료기술, 건축의 성능 규정에 관한 대응기술 등이 필요하며, 앞으로는 CVD (Chemical Vapor Deposition) 법 탄소섬유, 탄 소나노튜브 제조기술 등 나노기술과의 융합기술 또한 주목할 필요가 있다. 현재 George Institute of Technology의 탄소나노 튜브를 이용한 PAN계 탄소섬유의 나노복합섬유와 Kentucky 대학의 pitch계 나노복합섬유 등 Fig. 5에 나타낸 바와 같이 탄 소섬유의 나노복합화에 대한 기술전개가 이루어지고 있다[25]. 또한, 탄소섬유 복합재료는 사막, 심해, 우주 공간의 활용, 지 진의 제어, 태양에너지, 수열에너지의 활용 등에서도 크게 활 약할 수 있을 것으로 기대된다 금후의 과제 및 미래 기술 동향 1990년 중반까지 탄소섬유의 물성을 향상시키는 방향으로 연 구개발이 진행되어왔으나, 현재는 소재의 고성능화는 일단락되 었고 이것에 대체하여 성형방법의 개선과 가격절감에 주력하 고 있다. 따라서 이방성 재료의 설계, 해석이 가능하도록 설계 데이터, 기준, 자료규격 및 엔지니어의 육성이 필요하고, 장기 적으로 사용한 내구성 자료, 보수기술의 축적이 요구되며, 재 료 및 열처리 재생 방법의 확립이 필요하다. 탄소섬유강화 복 합재료는 아직까지 제조공정상의 미세기공 형성 가능성 등에 의한 장기 신뢰성에 대하여 일부 문제점이 지적되고 있으나, 금속이나 세라믹 소재에 비해 다양한 장점이 있다. 무엇보다 도 탄소섬유는 무게에 비해 강성이 매우 큰 재료의 특성으로 인하여 항공소재로 사용할 경우 연료 효율을 높일 수 있다. 특 히 일본에서는 지진의 영향으로 건물, 고가도로의 기둥 및 상 판 등의 보수 보강이 필연적이므로 새로운 기술의 개발 및 수 요의 증가가 예상되므로 우리나라도 새롭게 구축하고 있는 항 공분야에서 복합재료 분야를 좀 더 활성화해야 할 뿐 아니라, 새로운 산업분야의 용도 전개가 필요하며, 따라서 그 기술과 연계된 새로운 복합재료의 개발 및 적용이 적절하게 이루어져 고부가가치를 달성할 필요가 있다. 3. 탄소섬유 업계 동향 3.1. 해외 업계 PAN계 탄소섬유: 스몰 토우(small tow) (가) Toray(일본) 1971년부터 독자적인 기술로 고성능 PAN계 탄소섬유를 생 산 판매하고 있으며, 생산 능력은 7,600톤/년 규모로 세계 최 대 메이커이다. 주로 항공 우주, 스포츠, 산업용 등에 폭넓게 출시되고 있으며, 보잉사의 항공기용 탄소섬유 부문에 중점을 두고 있다. 전구체의 조성, 유제, 연신기술, 혼합 방사법 등 탄 소섬유 제조기술, 내염화 소성 흑연화 등의 탄소섬유 소성기 술, 복합재료의 성형 가공기술 등 세계 톱 메이커답게 연구 개 발이 가장 활발하게 이루어지고 있으며, 여러 가지 용도 개발 에 힘쓰고 있다. (나) Toho Tenax(일본) 1975년부터 고성능 PAN계 탄소섬유 및 내염섬유를 생산 판 매하기 시작하였으며, 생산 능력은 5,600톤/년으로 세계 2위를 차지하고 있다. 항공기 업계에서 인정을 받고 있으며, 에어버 스사의 A380에 쓰이는 수직 꼬리 날개 구조재, 바닥재용 탄소 섬유를 전량 공급하는 등 이 부문의 70%를 점유하고 있다. 탄 소섬유의 제조 기술보다는 스프링, 로터, 브레이크 등 공업용 부품 및 콘크리트 구조체의 보강 기술 등 토목 용도에 관한 연 구 개발이 활발하고, 특히 활성탄소섬유에 대한 연구 실적이 많다. (다) Mitsubishi Rayon(일본) 1976년부터 영국 Courtaulds사의 고성능 탄소섬유를 이용하 여 프리프레그를 생산 판매해 오다, 1983년부터 미 HITCO사 와의 기술 제휴를 통해 탄소섬유를 생산하기 시작하였다. 현 재의 생산능력은 연간 3,400톤 규모로 세계 3위를 차지하고 있다. 골프 샤프트 등의 스포츠 분야에 중점을 두고 있으나, 산업분야를 강화하고 수요를 확대 위해 항공기용 탄소섬유에

8 Carbon Fibers (II): Recent Technical Trends and Market Prospects of Carbon Fibers 331 l p p. ˆ o rs t ~, le s, r ~ l l. ( ) Hexcel( ) Hercules p d l PAN d Šn p p, p l 2,000Š p. r ~ ld p pn l pp, n erp. ( ) Cytec(r Amoco)( ) 1958 ˆ o rs eq l q PAN, Pitch ˆ o Ž pp, l 1,800Šl p. r ~ Toray p pn l q l p. ~ sq, l r n, p l n l rn pp, p ln p s pvp p. ( ) Formosa Plastics( ) 1995 ˆ o Ž pp, p l 1,750Š q m., d n v t p pr p PAN ˆ o : v Šn(large tow) ( ) Fortafil Fibers( ) 1960 l r n ˆ o rs pilot pp mp, 1980 n p p. m Courtaulds p r ~ pn l v Šn eq l q l 3,500Š p p p. ntn k p n, p Ž, q l lrp p. ( ) Zoltek Carbon Fibers Inc.( ) 1988 l Stackpole Carbon Fiber l, m p Courtaulds p r ~ pn l v Šn p p, p q 1,800Š/ l p p. ll n o, 2 sq, ˆ /ˆ p d, d n l rp p. ( ) SGL Carbon(m, p) m Courtaulds p r ~ pn l ˆ o pp, l 1,950Šp. p e dšl pn m o, ˆ o rs rp. ( ) Aldila( ) Žp pƒ o p ˆ o pp, p l 1,000Š p Pitch ˆ o ( ) Mitsubishi Rayon ˆ Pitch pn l ˆ ˆ o, lr ˆ o pp, l 600Šp p p. p o Ž, rq n q, ln, IC p, Ž d,,, e ql t p. ( ) p Žp Žp 1995 ˆ o pp, kr p o/ ˆ MPCF rs p. rˆ l ˆ l p v k nt, d, Š n r p p. ( ) Petoca(p ) 1975 o Pitch ˆ o rs Ž p. n p n ep pp, p l 1,300 Š p. r q, r pt q, lv l dž q, ~ r, r ~ r p p. ( ) Cytec(r Amoco ( )) PAN ˆ om o Pitch p q o pp, p l 230Š p. sq, q l l r p vrp r p r p. ( ) Kureha(p ) Pitch ˆ o mp, q oe p np n p o Pitch pn l o ˆ o p. p l 600Šp ƒ wall kl p q p p. ( ) Donac(p ) o Pitch n l m p o ˆ o, p l 300Š p. d d ˆ o rqž q n, v p r p r p. [Table 1] [Table 2]l PAN ˆ om Pitch ˆ op rsl~ p r m. ü l kr~ p l 150Š p ˆ o r se p plp 1991 p t m., k l 60Šp ˆ o rs, m ˆ l 2001 l p t l p PAN ˆ o rse p r ˆp., SK ƒ, p p p Toray, Mitsubishi Rayon p Hexcel p l 600Š p, l t, e d rnp p pp, SK ƒp ol t ml ˆ o qp l tl p. (t) p s p o ˆ o q ( : d) pp, nt l(t)p sq l l pp, (t) l ˆ ˆ q pn m l q p tp. tp ˆk q l ˆ o dž n l pp, t ll l l ˆ o n p f l 80% tm 5% p e. LG IBMl p nqql ˆ o n

9 332 Min-Kang Seo et al. / Carbon Letters Vol. 9, No. 4 (2008) Table 1. PAN ˆ o rsl~ rs t k Toray 7,300 Torayca ( p) 1o Toho Tenax 5,600 Besfight (ll d) 2o R-tow Mitsubishi Rayon 3,400 Pyrofil d ( } ) 3o (Regular) Hexcel 2,000 Hercules Cytec 1,800 Thornel ACM, l r, n r BP Amoco, Toray Formosa Plastics 1,700 d k Hitco L-tow (Large) TTA 3,500 p n, Zoltek 1,800 Panex ll n, C/C p SGL 1,950 Panox m o p n Aldila CFT 1,000 n } pƒ Toray 300 Torayca Table 2. Pitch ˆ o rsl~ rs o / ˆ t k ˆ / nt, rq, Mitsubishi Rayon 600 Dialead q o ln, e q ˆ, o / p Žp Žp nt, Š r, 120 Granoc q o, s pd kr d Pitch o / Petoca 1,300 Melblown o rv r q, ƒže, l~ Meltblow Cytec 230 Pitch Thornel o / q o l r q, sq, q Kureha 600 Kreca ƒš wall, lq, rqž q Pitch Donac 300 p. } lp p ˆ op lr p, e l e q l KT v m. } lp (t) d Melt-blown el p Pitch ˆ o rs l ln q p. l rt ˆ l ol }pp 2009 ˆ o o q o o} q l p o q p p r ˆ o o p r mp, v 4o ˆ o kep ~ ˆ o o l pl ˆ o, q pnq, v s ˆ o k l l ~r p. o / o oe ˆ / o m k w ˆ op eq r p r~ np 90% p p v p PAN ˆ o eqp tep m. p rqž epq lp n ˆ o eql q v 30 p p mp, l l o ll v tp o op 1/100 r n qp eqp t q pp, s q p ~ p n p pp, Fig. 6l ˆ m p ˆ op n nt kë

10 Carbon Fibers (II): Recent Technical Trends and Market Prospects of Carbon Fibers Fig 탄소섬유 수요 및 용도 추이 스포츠 분야 건축 토목 분야로 확대되는 추세이다. 즉, 항 공기, 인공위성 등 항공 우주 용도와 골프채, 테니스 라켓, 낚 시대 등의 고급 스포츠 용품이 일반적이다. 그러나, 사용하기 용이하고 가격에 비해 성능이 뛰어난 탄소섬유 개발로 토목, 건축 분야의 콘크리트 구조물 보수, 보강을 비롯한 산업 용도 로의 전개가 활발히 진행되고 있다 산업의 특성 (가) 생산지역의 편중 Fig. 7에 나타낸 바와 같이 탄소섬유는 생산능력과 기술에 서는 일본이, 시장은 미국과 EU 중심으로 하여 미국, 일본, 영 국, 프랑스 등에서 개발되어 독점 시판되고 있으며, 특히 일본 3사가 전 세계 생산능력의 약 89%를 보유하고 있다. (나) 수요확대에 따른 품귀현상 범용소재로서의 탄소섬유의 가능성이 모색되는 분위기에서 토목 산업 분야 중심의 수요의 증대와 대형 항공기 업체의 대 량 소비로 인하여 최근에는 탄소섬유의 품귀현상이 발생하고 있어 각 탄소섬유 업체는 설비를 증설 중에 있거나 할 계획을 가지고 있다. (다) 국내의 높은 수입 의존 현재 우리나라에서 소비되고 있는 탄소섬유는 스포츠 레저 용과 토목 건축용으로 년간 약 2,000톤으로 탄소섬유의 소비 현황 및 필요성에 대한 인식은 증가하고는 있으나, 원료 가격 부담에 따른 신규 수요 업체들의 사용 기피와, 공급 업체의 설 비비용 부담으로 투자를 기피하고 있어 현재 탄소섬유 원사는 전량 일본 등에서 수입하고 있는 실정이다. 이러한 상황에서, 전라북도 전주시에서는 팔복동 일대에 장기적으로 20만평 규 모의 항공기와 자동차 등의 핵심 부품소재인 탄소섬유 등을 생 산하는 탄소벨리 조성하여 연구개발에 박차를 가하고 있다. (라) 리사이클 탄소섬유 및 탄소섬유강화 플라스틱 폐기물은 현재 산업폐 기물로서 취급되고 있으며, 탄소섬유는 일반 쓰레기 소각로에 서는 완전하게 소각되지 않아 일반적으로 흙 속에 매립되고 있다. 따라서, 유한 자원의 재이용, 지구 환경 부담의 감소를 위해 탄소섬유 리사이클 중요성이 확대되고 있다. Fig. 7. PAN계 및 Pitch계 탄소섬유 전세계 지역별 생산 추이

11 334 Min-Kang Seo et al. / Carbon Letters Vol. 9, No. 4 (2008) Fig. 8. q p q y n ˆ o ln oeqp ,965l pl, CAGR (Compound Annual Growth Rate) 5.8%p qp pp,, p, p p tep eqp l p., ln o lp ~ l, r e l, l e lp q lp eq l ~ l o n tn r l t p eq np o np ( ) eq np Ò n q p pe ~p k p n, }Š/ l 100 Š v 60 p p n lp ˆ op n rp p l p n p., ˆ o q n k l l ~, k p n q qq p o pp, ˆ o q p q n n, ~ e Š p qp lrp (Fig. 8). Ò n k r,, te p l ˆ op n n rnp n v p. Table 3l ˆ op n n p ˆ l. ( ) eq o np n o lp r rp tp v p 80% tp, ˆ o rsm p ~ o e p k erp, p ˆ o, Ž o eq sp p v l p p v pp, t p r q p e pl ˆ o q r eq l e o p p n eq p ˆ o np k 2/3 p p p p p p, k e, d r k m Š k p p, nt k o vlp tep q m. ( ) eq Ò p Yutaka Maeda, The present trends of carbon fibers p 2007 q l p p PAN ˆ o p 1995 k 12,000Šl 2005 k 34,000Š t 10,200lo(30,000o/kg) r p eq ˆ o n sr p np eq p p k 10, v 10so v l Pitch ˆ o ,500Šp PAN ˆ o p k 6% r p. vl p k Fig. 7l ˆ } p p r~ p 40% q p, o p p. ˆ o p p l p 787 p (Dreamliner) p 1 qp ~ n, ˆ o nt q rp p eq m. p n n } p ˆ o eqp n/ Ž p. p p pr ˆ o l~ p p p p q p Ž v Table 3. ˆ op n k nt/ k ~, p o, p, rœ, p d / r k }, e, d, d Š / k l rq, k s, r p, LNG r k EMI, SSP, SST, p r, p, p q n o : k v (Nozzle), s ˆ: ˆ o qˆ, (Sabot) } k Chemical filter,r /r n, m lq

12 Carbon Fibers (II): Recent Technical Trends and Market Prospects of Carbon Fibers 335 Table 4. PAN ˆ op ( o: Š) rs 1999 ~ ~ 2010 R-tow (Regular) L-tow (Large) Toray 7,300 7,300 8,800 13,600 Toho Tenax 5,600 5,600 6,300 10,500 Mitsubishi Rayon 3,400 4,700 4,700 8,150 Hexcel 2,000 2,000 2,000 3,000 Cytec 1,800 1,800 1,900 2,400 Formosa Plastics 1,750 1,850 1,750 3,000 R-tow 21,850 23,250 25,450 40,650 TTA 3,500 3,500 2,600 1,300 Zoltek 1,800 1,800 3,160 4,500 SGL 1,950 1,900 1, Aldila CFT 1,000 1,000 1,000 1,000 Toray L-tow 8,550 8,500 8,960 9,000 30,400 31,750 33,710 49,650 d p n p rsl n ˆ o p 2 p 3 k Žn 35 l p kp rsl~ p l np p. rsl~ p kp ˆ o rql p Œp mrp p q rsl~ d l ˆ o rn nv pp p p. pp ˆ o rsl~p SGL p 2010 v ˆ o p q 2/3 l 45,000Šl p pp, v p n l ˆ o p r l ll ˆ o p p m p. PAN ˆ op v p Table 4l ˆ l. Ò n ˆ op p l~ p eqropp np 80% r l pp, 1990 eq m n r v mv l l ~p r m Š l kl p n l n 2004 nm p p p lp, q p s ˆp. Í. n n PAN ˆ op 3 n lp nt k, d r k, Š l kp, t, d rnp l k 4,000Šp r, nt ln n p l 2,400Š r p p., Š l k eq p, CAGR l q v k, ˆ op eq t p. ˆ o eqp l Boeing m Europe Airbus p e l p t s p p p ln l p n m l 2005 r l p ˆ o lp p q. p Toray ˆ o(t-800 T-1000 Grade) p Boeing 787 Dreamlinerlp n n p p lr rp l k 30 tonp n n p m p. l eqp l 10% r p qp p l p,, o p rl v p v p r p. Fig. 9l p Toray m 2010 vp ˆ ol eq n m p, Table 5l ˆ op vl k eq p ˆ l. ˆ o l Quantum Jump p p ~ p sl pnp p l r 1 s (Primary Structure) kl n eq, n e p p m p. ˆ o ˆ p o k q, r o q p o n p [26,27]. Í. vl n vl n vlp r~ np 40% q eqp o, p p p. m o l p n Š l km nt kp n ts p p p, p p n lp o p v, l d r kp l t mp, l ln q, q l v qp

13 336 Min-Kang Seo et al. / Carbon Letters Vol. 9, No. 4 (2008) Fig. 9. Table 5. 탄소섬유의 산업별 수요 예측 세계 PAN계 탄소섬유 지역별 분야별 시장 추이 지역 수요 분야 토목 산업 항공 우주 미국 스포츠 레져 합계 (톤) 토목 산업 항공 우주 유럽 스포츠 레져 합계 (톤) 토목 산업 항공 우주 일본 스포츠 레져 합계 (톤) 토목 산업 항공 우주 아시아 스포츠 레져 합계 (톤) [Carbon fiber overview, SRI consulting, 2005] 발과 더불어 항공기용 구조재 및 기능재료의 개발 및 실용화 에 박차를 가하고 있다. 또한 1995년 발생한 고배 대지진 이 후 터널 보강용 수요가 증대되고 있으며, 다리 공상의 철근 대 체 케이블, 고층 빌딩의 구조재용도 그 수요가 확대되고 있는 추세로 토목 산업 분야의 비중이 점점 커지고 있다. 향후 주 , , , ,600 점유율 (%) CAGR (%) 1999 ~ , , , ,400 목받는 지역은, 일본을 제외한 아시아에서는 특히 중국일 것 이다. 중국에서는 이미 골프 샤프트를 메인으로 낚시대 등이 만들어지고 있으며, 스포츠 레저 용도에서의 수요가 있다. 기 타 용도는 거의 없는 상태이지만, 현재 많은 산업 분야의 생 산 거점으로서 주목받고 있기 때문에 향후 스포츠 레저 용도

14 Carbon Fibers (II): Recent Technical Trends and Market Prospects of Carbon Fibers 337 Fig. 10. ˆ o r vl pnl p n v. Fig. 10l ˆ op vl p ˆ l. ( ) eq Ò n p ˆ o e m np k 35 ~ 50 m (k 2 50 ~ 70Š/o) p n pp, n ˆ o eq l 800lŠ r (140 ~ 150lo, 20,000o/kg)p 600 m 2p., p eqp p p PAN ˆ o r eq p l pp, Pitch ˆ o pq p p rp lv PAN l q p lr l p n v k p. q np r p p p Toray p p p erp PAN ˆ o, SK Chemical, n l pp, 35 ~ 50 m 2 (k50 ~ 70Š)/o r ˆ o r p q ˆ n rp kp p. Fig. 11l 2005 t ˆ op p/ tp ˆ l. Ò l~ l~ p r rp rp p r p t r p m p l np pp eqp ov eˆ o oq o r, p s, ml pl p p. ( ) n m ˆ om q q, ˆ p n lr p v p. q p vp eqp o, p p r~ np s q l p q l q p k. v p no,, o, v, o, p r~rp vr p lk. p p rr n r 3p q krp qp pp p. Ò eq Table 6l ˆ SRI consulting Toray p 2005 q l PAN ˆ o eqp Š ln k t CAGR 10% p p v l 2010 l k 40,000Š, 2015 l 60,000Š p r p. p p 30,000o/kg tp 1s 2}l 1s8}lo p., q p t l ˆ o eqp r l eqp q p m p p p. k d r k r eq ropl ˆl p, Š l kp qp v r p. Š l k 2005 p ˆ o eq sl r e q rop q l 1o v r p. nt k v rp qp m kp e q l kv l sp p p. Ò eq p n q ˆ o p n} e, }n d r l kl t l p. nt lp k n p n p p eq o p p., n p n Š l kp eq m d r kp n } p eq Ž n tn l v. v, qp eq l 2,000l Š r (30,000/ kg, 600lo, 2005 t)l SRI consultingl Fig. 11. ˆ o p/ t(2005 )

15 338 Min-Kang Seo et al. / Carbon Letters Vol. 9, No. 4 (2008) Table 6. ˆ op n m n k/ CAGR (%) 2004 ~ ~ ~ 2015 Š l nt d r (Š) [Carbon fiber overview, SRI consulting, 2005, Toray carbon fiber composite materials business, 2005] eq q r CAGR 10.2% (2004 ~ 2009 )p rn eq 2010 t 3,300lŠ, 1,000 lo p eqp p p., q Š l kp d r kl t l p qp n s n eqp krp q qq p o p r ˆ o q nq n Šl e Š q pp p, ˆ o 10 Š, 10,000o/kgp rr ˆ o eqp 1so, q eqp 10so pp p. p} ˆ o q, ˆ q q tl eq n o n n p q tn. m t ~p r p p ˆ o pn n ~ q rq, pp lvp q p 787 p p l l 20% p r p, n 16,000 km l., 1,500q p p k Žp p pl l sp m q pn l rq p 787 p ~ pp p ll ~ p e r lp, erp q~ edšp p ov n le 20% p tp p. s p n e k p 2,400 m t p ov k p ˆ o ~ n p 787 p 1,800 m tp ov pl v p k tl l p ~ qk tp p. k d 40~60% p pl t d sp e d p p tp p p r p p p qr p. p pr l p, ll d p ˆ o rql p Œp p. er p p e t 787p ~ r~ ˆ o rq lp, ll d le 787 t A380l ˆ o rn m., p q rsl~ d l ˆ o rn nvpp p p. p p l 3 p Toray, Toho Tenax, Mitsubishi Rayonp p 80% r p ˆ o n m p pp, kl ~p n p n q pl l, t q r r k CNG,, q lqq k p., CNG p n ˆ o q p p r~p 2% r l, q Š p p n pp, ˆ o q n v n p l l lp 13% p qp l 2010 l 4.8 ~ 5 Š, 2012 l 7 Šl p r p., p tn p q p ~/ s~p p v pl, n } p m k e q p l p m l q q rrr p v p r m. p e n } p o ˆ o q l pl n p q, p p, kr, p, d q, q p rl p p n, kp CVD ˆ o, ˆ r s p p n p. qp v p ˆ ov r k p n o p v p p Œ ql Œp q p v pl tn pƒ p p lv p erp l p ˆ op n t, eq n r p l l l Œq p n Ž. l o p vop 21 Žll l( l v l )p p p l

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