2013. 01.08 + POSRI 보고서 기지개켠탄소섬유시장, 그가능성은? 박형근수석연구원, 미래창조연구실 (hyungkeun.park@posri.re.kr) [ 목차 ] 1. BMW i3와보잉 787, 본격탄소섬유복합소재시대열다 2. 무엇이탄소섬유복합소재를특별하게하는가? 3. 치열해지는탄소섬유시장경쟁환경 4. 탄소섬유복합소재에관한 3가지 Key Questions
Executive Summary BMW i3 는차체기본골조전체, 보잉 787 은동체의 50% 에탄소섬유 복합소재를적용해탄소섬유대중화가능성에대한기대감을높임 - BMW 는탄소섬유분야선도기업인독일의 SGL 과합작하여차체제작을위한원사및설비공장에투자함으로써전기차 i- 시리즈생산에투입할예정 - 보잉 787, A350 등최신예항공기는탄소섬유복합소재를동체에 50% 이상적용해경량화를이루어연료효율을높이고쾌적한실내환경조성 - SGL 의경우최초로연간 3 천톤의자동차차체전용생산기지를구축하고대량생산에대한검증을마쳐탄소섬유대중화에대한기대감을심어줌 탄소섬유란견고한육각탄소고리가끝없이연결된실이며, 철보다 10 배강하 지만무게는 4 분의 1 에불과해고강도초경량미래소재로주목받음 - PAN, 레이온등화학섬유를수차례높은온도로가열해흑연화과정을거친후, 에폭시수지등플라스틱을첨가해견고한구조완성 - 프로필렌으로부터추출한 PAN 계가시장의 90% 를장악하고있으며, 포스코도구상중인피치계탄소섬유는아직상업화가활발히이루어지지않음 글로벌시장은선두업체도레이등에의해과점화되어있으며, 올해를 기점으로효성 삼성등국내기업도앞다투어진출해경쟁치열 - 자동차, 풍력발전블레이드등산업재분야가연 10% 대의빠른성장을견인하고있으며, 이에발맞추어글로벌업체들도증설과인수합병에박차 - 이러한성장속도를반영하듯, 글로벌시장은 2011 년기준 35,000 톤에서 2020 년에는두배로늘어나 70,000 톤이될것으로전망 - 약 2,000 톤규모의국내시장에서는전량수입에의존하던원사를올해부터태광, 효성, 도레이첨단과학이경쟁적으로생산에돌입해가격하락예상 단시일내철강업을위협하진않겠지만, 가장강력한대체재가운데하나이며, 철강사는제철과정부산물을활용한피치계사업기회에주목할필요 1 알루미늄의약 4 배, 철강의약 9 배나되는가격으로인해항공우주, 전기차, 수퍼카분야에서제한적확산이이루어질전망 2 자원순환이어렵고, 느린화학반응과많은에너지를소비하는현재의생산 기술을단기간에혁신하기는어려울것으로보여철강대체재로는한계 3 제철소부산물인콜타르피치를활용해기존제품군과차별화되는초고탄성 탄소섬유생산기술을연구해항공우주등특수분야사업타진가능 1
1.BMW i3 와보잉 787, 본격탐소섬유복합소재시대열다 항공우주, 자동차분야에서주목받고있는탄소섬유복합소재 BMW 는최근출시한전기차 i3 에서 Body-In-Black 1 의대량생산체제를실현함으로써, 탄소섬유복합소재 (CFRP 2 ) 의대중화가능성을보여줌 - i3 를 5 만달러대대중적도시차량으로출시하면서기본골조전체를탄소복합소재로제작, 대량생산가능성입증 - BMW 는 SGL 3 社와의조인트벤처에 9 천만유로를투자해 ( 총 2.3 억유로투자계획 ) 초기단계연산 3 천톤규모의탄소섬유생산체제구축 - 미국의 Moses Lake 공장에서섬유원사를공급하고독일의 Wackersdorf 에서복합소재 ( 직물화 ) 를생산해 Leipzig 에서완성차를조립하는형태 보잉 787, 에어버스 A350 등최신기종에서 50% 가까이 CFRP 를적용해항공우주분야에서도기술적도약이일어나고있음 - 보잉사는 777 기에서는동체의약 12% 가량만탄소복합체를사용한반면, 2011 년출시한후속기종 787 에서는탄소복합체를 50% 적용 - 알루미늄프레임에탄소섬유를테이프휘감듯감는공법으로제작해 5 만개가량의볼트사용을줄이고경량화를이룸으로써연료효율을 20% 정도높임 - 강도및내습성이뛰어나지상과유사한기압과습도를유지할수있어탑승객에게안락한환경을제공하며, 내구성도우수해기존 6~7 년단위의동체점검주기도 10 년이상으로늘어나경제성측면에서도매력적 골프채샤프트등스포츠기구, 조선 건축보강재분야도적용확대 - 스포츠, 건축외에도풍력터빈블레이드, 고속철도차체에적용되고있으며, X 선투과성이있어 X 선진단장비등의료분야에서도활용 - 항공분야가물량비중으로는 3% 에불과하지만금액비중으로는 17% 를차지해가장높은부가가치를지니며, 자동차 25% ( 금액 23%), 건축 30%( 금액 21%) 의물량비중으로고객층이분포 <BMW i3 의탄소복합차체, 자료 :SGL> < 보잉 787 의동체적용소재분포, 자료 : 도레이 > 1 기존차량의철재골조구조를일컫는 Body-In-White 용어를차용, 검은색차체 라는의미로 BIB 라지칭 2 CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastic 3 독일탄소소재전문제조기업 ( 전극봉, 탄소섬유 ) 2
저 강도 고 기지개켠탄소섬유시장, 그가능성은? 2. 무엇이탄소섬유복합소재를특별하게하는가? 꿈의소재로불리는탄소섬유복합소재, 알루미늄보다가볍고철보다강한특성으로인해고강도초경량소재로서각광 탄소섬유는육각고리형태의탄소원자가끝없이연결된실 - 탄소섬유는 100% 에가까운탄소원자로구성된무기섬유이며, 탄소원자들이육각고리결정형태로구성되어밀도가낮으면서도높은강도유지 - 1958 년美 Union Carbide 가레이온섬유기반탄소섬유를개발한이래 1986 년日도레이가항공용 PAN 계탄소섬유개발하며관심폭발 - 단면적 1mm 2 으로 700kg 이상을들어올릴수있는강도로철보다 10 배강한반면, 무게는 4 분의 1 수준에불과해꿈의소재로불림 탄소섬유는원재료 ( 전구체 ) 에따라 PAN계, 레이온계, 피치계 4 구분되며, 현재는 PAN계가시장의 90% 가까이점유 탄소섬유로 - 대표적인 PAN 계탄소섬유는석유화학제품인프로필렌에서추출된아크릴로니트릴을중합 - 방사 - 내염화 - 흑연화하여제조 - 원료인 PAN 섬유원사를전구체 (Precursor) 라하며, 탄화 직물화한후 에폭시수지등을입혀경화시킨중간재를프리프레그 (Prepreg) 라지칭 - 프리프레그를형틀에넣거나휘감은 ( 테이핑 ) 후, 압력과열을가해견고한구조물을만들어내면차체, 비행기동체등을위한부품이됨 낮은생산성으로인한경제성문제와기공발생으로인한결함문제등을해결해야대중화가능 현재는느린반응속도로인한에너지소비와낮은생산성으로인해철강재대비약 9 배의가격에판매되고있어경제성확보가가장큰숙제 극한환경용도로개발된소재인만큼작은결함도용납되지않는생산안정성과, 현재많은부분수작업으로이루어지는공정의자동화가필요 아라미드섬유 유리섬유 철 탄소섬유 질량 강도 탄성 저 강도 고 철 100 탄소섬유 25 1/4 배 철 100 탄소섬유 1,000 철 100 탄소섬유 700 10 배 7 배 < 탄소섬유복합소재특징 > < 탄소섬유부품제조공정 > 탄화 PAN 섬유 (Precursor) 완성부품 탄소섬유원사 부품성형 직물화, 합성수지첨가 탄소섬유직물등 (Prepreg) 성형틀이용, 가열 가압 자료 : 자동차경량소재동향및완성업체대응, 모세준, 자동차경제및언론자료, POSRI 편집 4 PAN(Polyacrylonitrile), 레이온 : 석유화학원료인프로필렌가공섬유, 피치 : 석유 석탄가공부산물화합물 3
3. 치열해지는탄소섬유시장경쟁환경 출하량기준 2011 년 34,500 톤에서 2015 년 70,000 톤으로빠르게확대전망, 현재는도레이등대형 8 개회사가시장주도 2008 년금융위기시크게후퇴하였으나, 매년평균 10% 수준성장지속 - 풍력발전용블레이드가일반산업용도로는가장비중이높았으며, 골프채, 요트, 자전거등레저용고급내구소비재도성장에큰역할 - 자동차부품용수요도크게늘어나 2020 년시장의약 20% 까지차지할전망 세계탄소섬유시장판도는일본 3 개사등 top tier 는우주항공에특화된 가운데유럽 미국등후발주자는토목내지는스포츠용에집중 - 일본의도레이, 도호 - 테낙스, 미츠비시레이온 3 개사생산량이전세계의절반가량을차지하며, 선두업체도레이는보잉등항공사가주고객 - 독일의 SGL 이 BMW, 삼성과손잡으며새로운강자로부상하였고, 중국등후발주자는주로소규모로내수시장에대응할것으로전망 세계탄소섬유수요전망 ( 단위 : 톤, 일본탄소협회 2011 년자료 ) 70,000 항공기 58,000 스포츠 / 레저 48,500 일반산업 40,700 27,300 30,900 31,500 30,200 34,500 25,900 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012F 2013F 2014F 2015F PAN 계주요업체공급능력현황 ( 단위 : 톤 / 년, 2013 년기준 ) 기업 위치 생산능력 ( 톤 / 년 ) Toray HQ( 일 ), CFA( 미 ), Soica( 프 ) 21,100 Toho-Tenax HQ( 일 ), TTA( 미 ), TTE( 독 ) 13,900 Mitsubishi Rayon HQ( 일 ), Grafil( 미 ) 10,100 Hexce HQ( 미 ) 7,200 Cytec HQ( 미 ) 3,400 Formosa Plastics HQ( 대 ) 8,800 Zoltec* HQ( 미 ), ( 헝 ), ( 멕 ) 10,500 SGL ( 독 ), ( 미 ) 9,000 AKSA HQ( 터 ) 1,500 기타 중국업체 12,200 *2013년연내도레이에흡수합병예정 국내시장도 2013 년태광에이어효성이상업생산을시작하고삼성과 GS 칼텍스가참여의사를밝히면서경쟁가열 2012 년기준 2,400 톤전량수입하던국내시장에서는올해태광 1,500 톤, 도레이첨단소재 2,200 톤, 효성 2,000 톤으로총 5,700 톤설비가동 - 도레이는프랑스, 미국에이어한국에도자회사도레이첨단소재를통해본격진출함으로써일본을포함한 4 개국에서생산 판매체제를갖춤 - 섬유분야에서역량을갖추고있는효성이상업생산을시작하였으며, 정유공정잔사유 ( 남은기름 ) 를활용해피치계탄소섬유생산을추진하는 GS 칼텍스도 2015 년상업화를목표 - 중국석유화학업체의시장잠식으로 PTA 5 시장등을빼앗긴 SK 케미칼과삼성석유화학도각각미츠비시레이온, SGL 과합작하여다각화모색 5 PTA(purified terephthalic acid): 폴리에스테르계합성섬유, 필름의원료가되는석유화학제품 4
국내탄소섬유생산설비현황기타기업계획중사업 ( 언론자료종함 ) 기업위치생산능력 ( 톤 / 년 ) 가동시기 도레이첨단소재구미 #1, #2 2,200 2,500 2013년 1월 2014년 3월 태광산업울산 1,500 2012 년 9 월 삼성석유화학 SK 케미칼 독일 SGL 사와합작 SGL 사의탄소섬유복합소재들여와국내마케팅및판매 미츠비시레이온과협력, 미츠비시레이온의탄소섬유원사를들여와프리프레그로가공, 판매 효성 전주 2,000 12,000 2013 년 3 월 2020 년 12 월 GS 칼텍스 정유공정잔사유활용해 2015년국내상업생산목표로피치계탄소섬유개발中 4. 탄소섬유복합소재에관한 3 가지 Key Questions 1 철강분야를위협하는새로운대체제인가? 탄소섬유의압도적인물리적특성으로인해기존철강및알루미늄시장을잠식할것이라는우려가있으나단기적으로는어려울전망 현재탄소섬유프리프레그가격은 kg 당 12~20 달러에형성되어있어자동차용강판약 1 달러, 알루미늄약 2 달러와는큰차이를보임 철강재로구성된구조물을동일하게탄소복합체로대체할경우 20~40% 가량중량을줄일수있지만가격은여전히약 9 배에달함 따라서, 연료효율이결정적인항공우주산업이나무거운배터리무게를보상해야하는전기차, 스포츠카등일부시장에서확산예상 2 대중화를위한기술적한계는무엇인가? 대중화를위한가장큰걸림돌은가격이며, 이는 1,000 이상의 가열에너지, 화학적반응시간이소요되는특수한생산공정이원인 많은부분수동작업인성형공정등은자동화를통한개선여지가있으나, 탄소섬유제조공정본래의高에너지 / 저속특성을극복하기위한혁신이필요 급격한충격에의한파괴가상대적으로잘일어나며, 스크래치나파손시금속소재대비복원이용이하지않아기술개발이필요 Lifecycle 이후재활용이용이한금속소재와달리많은에너지가소요되는리사이클링기술개선을위한연구진행 3 철강사대응방향은? 철강사업의위협요소로보기에는아직이르지만기술 공정혁신을 통해가격을떨어뜨릴경우가장강력한대체재이므로예의주시 제철공정가운데코크스제조과정부산물인콜타르피치를활용한탄소사업포트폴리오의하나로피치계탄소섬유사업고려가능 5
12~20 기타 [ 단위 : $/kg] 흑연화 15% 11% 43% Precursor (PAN 섬유 ) 2 1 탄화 13% 18% 탄소복합체알루미늄철안정화 < 소재간가격비교 > < 탄소섬유의가격구조 > 자료 : 일본탄소섬유협회, POSRI 정리 피치계탄소섬유는탄성, 열전도성이상대적으로뛰어난초고탄성재료로가공해항공우주, 전기전자등특수고부가제품군적용가능 이방성피치를원료로하는탄소섬유는결정성이높고흑연화가용이해원가경쟁력면에서 PAN 계에앞서는장점이있음 PAN 계대비연구가많이이루어지지않았고, 현재뚜렷한리더도없어기술개발을통한고부가시장선점을노려볼만함 단, 태광산업의경우지난해 3 월설비완공후가동 8 일만에화재로생산중단, 4 개월만에재가동하는수난을겪었고, 웅진케미칼은 2011 년기획한지 1 년만에탄소섬유사업에서철수하는등시장노하우와기술력이필요한분야로사전에충분한역량을쌓은후진출하는것이바람직 <PAN 계대비 Pitch 계탄소섬유의장단점 > 에너지경제성피치구조자체가탄소섬유구조인흑연과유사, PAN 계대비생산시적은에너지소비 높은수율 높은탄성 피치전구체섬유는불순물인 N 2, H 2 및기타탄소물질비율이 PAN 섬유에비해낮아수율이높음 (75% : 50~60%) 이방성피치 (mesophase A) 는 900 GPa 이상의고탄성 PAN계는 500 GPa 수준, 등방성피치는 100 GPa 전기적 / 열적특성 PAN 섬유대비전기및열특성우수하나, 인장강도는 PAN 탄소섬유비해낮음 자료 : 탄소연속섬유복합체제조기술, 오창섭, 김영철, 한국과학기술정보연구원 2011.11 이자료에나타난내용은포스코경영연구소의공식견해와는다를수있습니다. 6
[ 별첨 1] 기타탄소섬유적용사례 탄소복합층 유리섬유복합외피 체결부 알루미늄내피 고압천연가스 (CNG)/ 연료전지용수소탱크외피 풍력발전용터빈블레이드구조재료 높은전도성이용한전기전자재료 토목 / 건설용보강재 스포츠용품 낚싯대, 골프채헬멧, 자전거, 활등 자료 : 최신탄소섬유동향 2011, 효성기술원방윤혁외온라인자료종합 [ 별첨 2] 탄소섬유생산공정개념도 공정 Yarn (Precursor) Oxidation Furnace Carbonization Furnace Graphitization Furnace Sizing, Surface Treatment Carbon Fibers 200~300 30~60 min. 1000~2000 2000~3000 화학적 조성 Yarn Oxidized Carbonized Graphitized O C N C N C N N N N N N 자료 : Z. Wangxi, et al., Carbon, 41, 2003 7
[ 별첨 3] 피치계탄소섬유제조공정 석유 / 석탄피치 등방성피치 이방성피치 피치섬유 피치섬유 불연화섬유 불연화섬유 탄소섬유 탄소섬유 고강도고탄성률원사 개질, 정제용융방사불연화탄화, 흑연화표면처리 / 사이징 방향족탄화수소혼합물인피치는일반적으로무정형, 등방성임. 등방성피치를적당한온도 (350~500 도 ) 로가열하면메소페이스피치 ( 이방성피치 A) 로전환. 생산공정을달리하여범용과고급제품을구분하는 PAN계와달리피치계는전구체에따라등방성피치로부터는범용탄소섬유생산이가능하고이방성피치로부터는고성능탄소섬유생산이가능. 자료 : 초고온탄소복합재료, KISTI 2009 [ 별첨 4] 탄소섬유리사이클링개요및방식 기존약 0.3$/kg 에매립으로처리하던탄소섬유를총 6~12$/kg 의비용으로재활용가능 < 기존 Batch 방식의리사이클링 > Batch 방식으로처리할경우, 비효율성으로인해비용구조가악화돼최근연속처리방식연구中 < 탄소섬유리사이클링방식 > 기계적분해열분해산화처리화학적분해 슈레딩, 파쇄, 분쇄통해섬유질물질분류, 건축용에보강재등활용 무산소상태에서 450~700 가열, 잔류탄소섬유회수 Milled Carbon( 영 ), CFK( 독 ) 풍부한산소환경에서폴리머고온연소통해섬유분리, 수지는연소해에너지활용 초임계유체등물질활용해에폭시용해, 섬유분리 Nakagawa( 일 ) 자료 : 최신탄소섬유동향 2011, 효성기술원방윤혁외온라인자료종합 8
[ 참고자료 ] - 탄소로만든실! 탄소섬유의숨겨진성장성에주목, 안상희, 대신증권 2012.11.6 - 탄소연속섬유복합체제조기술, 오창섭, 김영철, 한국과학기술정보연구원 2011.11 - Toray s Business Strategy for Carbon Fiber Composite Materials, Onishi, Toray 2012.11.21 - 자동차경량소재동향및완성업체대응, 모세준연구위원, 자동차경제 2013.1 - 일본의탄소섬유시장분석, 일본지식리포트, 한일재단일본지식정보센터 - Introduction to SGL Group s Business, SGL, Investor Relations Presentation 2013. 10 - The Future of Sustainable Mobility, Manuel Sattig, project I, BMW Group 2013 - 최신탄소섬유동향, Project E 커뮤니티포럼, 방윤혁, 효성기술원 2011 - 자동차산업탄소섬유적용현황및미래, 최치훈, 현대기아연구개발본부 2011.4.14 - Carbon Fiber in the Automotive Industry, Jim devries, Ford Motor Company Research - 탄소복합섬유개발동향, 채한기 이성호 구본철 박민 김준경, 고분자과학과기술 21, 2010.4 - 탄소섬유제조방법및응용분야, 서민강 박수진, 고분자과학과기술 21, 2010.4 - 몸값만큼비싼제조공정, 아스팔트에서해답을얻다, 박상욱, GS칼텍스블로그 2012.12 - 탄소보강섬유중합체의리사이클링, 신희덕, 한국과학기술정보연구원 2011.11 - 복합재료소개, 한경섭, 포항공대기계공학과 9