산업용 첨단 섬유 소재 한국과학기술정보연구원
<목 차> Ⅰ. 서 론 1 Ⅱ. 기술동향 및 전망 2 1. 기술의 개요 및 특성 2 가. 산업용 섬유(슈퍼섬유)의 정의 2 나. 슈퍼섬유의 분류 및 특성 4 2. 연구개발 동향 11 가. 국외 기술개발 동향 11 나. 국내 기술개발 동향 24 Ⅲ. 기술특허정보 분석 27 1. 분석의 범위 및 방법 27 2. 국내 외 특허동향 27 가. 파라아라미드섬유 27 나. 탄소 섬유 29 Ⅳ. 시장동향 및 전망 32 Ⅴ. 결론 36 <참고문헌> 37 - i -
<표 차례> <표 2-1> 산업용 섬유의 용도별 분류 및 응용 분야 2 <표 2-2> 파라아라미드섬유의 용도별 시장 점유율 11 <표 2-3> 파라아라미드섬유의 종류별 물성 12 <표 2-4> Vectran 섬유의 기본 물성 15 <표 2-5> 자일론 섬유의 기본 물성 17 <표 2-6> 고강력 폴리에틸렌 섬유의 물성 19 <표 2-7> 2001년 일본 3개사의 탄소섬유 세계 시장 점유율 21 <표 4-1> 세계 산업용 섬유의 연도별, 용도별 수요추이(2000년) 32 <표 4-2> 국내 극한성능 섬유의 시장 현황 및 전망 33 <표 4-3> 탄소섬유 세계 수요 예측 35 - ii -
<그림 차례> <그림 2-1> 슈퍼섬유의 분류 4 <그림 2-2> 슈퍼섬유의 분자구조 5 <그림 2-3> 메타아라미드(Meta Aramid, Nomex)의 분자구조 6 <그림 2-4> Technora의 monomer 및 copolymer 의 분자구조 13 <그림 3-1> 1995년 이후 주요 출원인별 특허 출원건수 28 <그림 3-2> 국내 주요 출원인별 특허 출원건수 28 <그림 3-3> 출원 연도별 특허출원 동향(탄소섬유 전체) 29 <그림 3-4> 주요 출원인별 특허출원 동향(탄소섬유 전체) 30 <그림 3-5> 출원 연도별 특허출원 동향(한국) 31 <그림 3-6> 주요 출원인별 특허출원 동향(한국) 31 - iii -
Ⅰ. 서론 사회가 점차 다원화되고 소득이 높아져 개성화 될수록 섬유소비는 의류용 과 산업용으로 발전하여 그 수요가 무한히 증가하고 있다. 또한 고급화와 차 별화를 지향할 것으로 예상되며 이에 따라 섬유산업은 계속적으로 발전을 거듭할 것으로 보인다. 섬유는 단순한 의류용 섬유생산의 한계를 뛰어넘어 첨단기술을 이용한 신 소재, 신합섬 개발로 우리 생활에 밀접한 생활용품 소재에서부터 레저 스포 츠용, 토목ㆍ건축용, 정보산업용, 환경용, 산업용 소재 및 생명공학 분야, 우 주ㆍ항공분야 등의 새로운 수요가 계속 늘고 있으며, 미국, 독일, 일본 등 선 진국들은 산업용 섬유 비중이 크게 증가하는 양상이다. 앞으로 21세기에는 첨단 기술과 결합하여 고부가가치를 창출할 수 있는 산업용 섬유산업이 무 엇보다 중요하게 부각될 것이다. 우리나라의 경우 산업용 섬유기술개발의 측면에서 중요한 발전과제로 나노 섬유 대량생산 기술개발, 고성능 초고기능 신섬유개발, 인텔리전트 섬유 기술 개발 등이 선정되어 산업자원부 주력기간산업의 차세대성장동력 발전전략으 로 추진되고 있다. 산업용 섬유 기술 발전의 가장 큰 장애로는 기술혁신 및 제품차별화 미흡 으로 인한 중국 등 후발개도국의 추격이 치열하고 시장잠식이 심한 점이 대 두되고 있어 국가 산업경쟁력 강화의 전략으로 선택과 집중 을 해야하는 상 황에서, 환경, 생활, 건강, 에너지 등 응용분야에서 핵심소재로 등장하게 될 산업용 섬유 소재에 대한 관심과 개발이 시급한 실정이다. 본 연구는 산업용 섬유 소재의 경쟁력확보, 더 나아가 전체산업의 경쟁력 확보를 위해 산업용 소재의 보강재로 사용되는 하이테크 산업용 신소재인 극한성능 섬유분야 중 경이적인 강도를 나타내는 슈퍼섬유의 연구개발동향, 시장분석 및 특허분석을 통하여 현재의 산업용 섬유 산업 및 기술 발전 현 황을 점검하고, 미래의 R&D 관련 의사 결정을 지원할 수 있는 분석 정보를 제공하는 데에 그 목적이 있다. - 1 -
Ⅱ. 기술동향 및 전망 1. 기술의 개요 및 특성 가. 산업용 섬유(슈퍼섬유)의 정의 산업용 섬유는 의류산업을 제외한 전 산업의 제품, 공정 및 업무에서 사용 되는 특별히 디자인되고 설계된 섬유 집합체로 정의되는데 미적 또는 장식 적 특성보다는 기술적, 기능적인 목적으로 주로 사용된다. 산업용 섬유는 영문으로 표기할 때, Technical Textiles, Industrial Textiles, Engineering Textiles, High-tech Textiles, High Performance Textiles, Functional Textiles 등으로 표기되고 있으며, 이중 기술적, 기능적 섬유소재의 의미를 가장 폭넓게 표현하고 있는 Technical Textiles 가 주로 사용된다. 산업용 섬유의 분류 방식은 기능별, 소재별, 제조공정별, 용도별에 따라 현재 국가별로 다양하지만, <표 2-1>에 보인 바와 같이 유럽을 중심으 로 한 세계적인 국제 산업용 전시회 및 일본에서 주로 사용되는 12단계 용 도별 분류법이 가장 널리 사용되고 있다. <표 2-1> 산업용 섬유의 용도별 분류 및 응용 분야 용도분류 건 축 용 가 정 용 부자재용 환 경 용 공 업 용 수 송 용 토 목 용 의 료 용 보 호 용 포 장 용 농 업 용 스포츠용 응 용 분 야 단열 방음재, 인조건축자재, 건축보강재 등 의자, 커튼, 벽지, 바닥재, 천장재용 소재 등 인조피혁류, 심지, 악세서리용 소재 등 오염방지막, 오일펜스, 어망, 낚시줄, 유흡착재 등 정화용 필터, 전선 피복재, 전기절연재, 전지분리막 등 타이어코드, 에어백, 벨트류, 항공기 몸체 및 부품 등 지반보강재, 드레인보드, 차수막 등 봉합사, 인공혈관, 인공근육, 보호대, 기저귀, 생리대 등 레이다 위장막, 방탄소재, 소방복, 화생방 보호품 등 각종 포장재, 컨베이어벨트, 건조/압연 펠트 등 토양 피복재, 보온재, 유연 용기, 방수포 등 공, 골프채, 라켓, 스키, 낚시대 등의 스포츠용구 - 2 -
산업용 섬유 중 슈퍼섬유는 나일론, 폴리에스테르 등 일반 의류용 섬유보 다는 월등히 강하고 고열에 견딜 수 있는 고성능 섬유를 말하는 것으로 슈 퍼섬유는 주로 산업용 소재의 보강재로 사용되기 때문에 섬유라기 보다는 하이테크 산업용 신소재의 성격을 더 강하게 띠고 있다. 1998년 일본 토요보 사가 개발한 상품명 자일론(Zylon) 이라는 슈퍼섬유는 그 단면적이 불과 1 제곱 밀리미터(직경 약 1.6mm) 정도의 가느다란 직경의 실로 만들어도 소형 승용차 한 대의 무게(약 600Kg)를 들어올릴 수 있는 경이로운 강도를 보였 다. 슈퍼섬유는 1960년대에 미국과 소련 간의 우주개발 경쟁이 본격화된 시기 에 우주산업용 신소재로 개발되기 시작했다. 우주선용 각종 기기나 우주인이 사용할 여러 가지 물품의 제작을 위해서는 금속보다 월등히 가벼우면서 강 도는 금속을 능가하고 우주의 고온 또는 저온 환경에서 사용가능한 고성능 섬유가 절실히 필요했기 때문이다. 우주산업용으로 개발된 슈퍼섬유는 그 후 용도를 비약적으로 확대하여 다른 산업용 섬유로 광범위하게 개발 되었으며 최근에는 21세기를 이끌어갈 산업용 섬유의 핵심으로 주목 받게 되었다. 슈퍼섬유가 강철에 비해 5분의 1 정도의 무게이나 강도는 강철보다 강하다 는 특성은, 무게를 최대한 줄여 에너지비용을 절감하려는 민간항공기와 자동 차용 제품에 다양하게 사용되고 있다. 또한 가벼우면서 강한 물성이 요구되 는 골프채, 테니스 라켓, 낚싯대 및 낚싯줄, 어망, 로프 등 스포츠, 레저, 해 양산업 분야, 경량성과 강도를 요구하는 광섬유 케이블 보강재, 전자회로기 판 등 전자통신산업 분야, 내열성과 강도가 요구되는 소방복, 용접 및 용광 로 작업복, 방탄조끼 등 방호산업 분야, 부식되지 않으면서 높은 강도가 요 구되는 토목건축용 로프나 망 등에도 사용되는 등 21세기를 이끌어갈 신소 재로 주목되고 있다. 나. 슈퍼섬유의 분류 및 특성 (1) 슈퍼섬유의 분류 슈퍼섬유는 대별하여 유기섬유와 무기섬유로 나눌 수 있다. 유기섬유는 그 - 3 -
구성 성분의 분자사슬이 잘 구부러지지 않는 분자사슬 구조의 강직성 분자 쇄와 폴리올레핀 등 잘 구부러지는 분자사슬 구조의 굴곡성 분자쇄로 분류 된다. 무기섬유는 탄소섬유가 생산량의 대부분을 점유하나 소량 생산되고 있 는 세라믹섬유와 금속섬유도 있다. <그림 2-1>의 슈퍼섬유 분류에서 나타난 바와 같이 2종의 슈퍼섬유 즉, 파라아라미드(Para Aramid)섬유와 탄소섬유가 세계생산량의 90% 이상을 점 유하고 있으며 이에 추가하여 폴리아릴레이트(Polyarylate), 폴리에틸렌, PBO 등 5종의 슈퍼섬유가 산업용 슈퍼섬유의 실체라 할 수 있다. 그 외에도 여러 종류의 슈퍼섬유가 개발되었으나 본 보고서에서는 5종의 슈퍼섬유에 대해서 만 살펴보기로 한다. <그림 2-1> 슈퍼섬유의 분류 자료: 하이테크섬유의 세계, Tatsuya Hongu 저, 68P 유기섬유 계열의 고강도의 슈퍼섬유를 개발하기 위한 기본적 연구방향은 두 가지 방향으로 진행되어 왔다. 첫 번째는 섬유를 구성하는 분자 자체가 매우 강직한 분자구조를 갖는 새로운 종류의 강직성 분자쇄의 고분자를 개 발하여 구성성분의 분자구조로부터 강도를 발현함과 동시에 분자구조의 강 직성 때문에 방사단계에서 섬유 축방향으로 분자가 쉽게 배향(orientation)되 어 결정성이 높아짐에 따른 강도의 향상을 목적으로 하는 연구방향이다. 두 번째는 폴리에틸렌 등 기존의 굴곡성 분자쇄 형태의 고분자를 대상으로 분 자량을 가능한 한 높이고(약 1백만 정도의 분자량) 이의 섬유 축방향의 배향 - 4 -
성을 높여 강도를 높이는 연구방향이다. 첫 번째 연구방향에서 대량생산에 성공한 강직성 분자쇄의 대표적인 사례 가 파라아라미드섬유, 폴리아릴레이트섬유, PBO섬유 등이다. 또한 두 번째 연구방향에서 양산에 성공한 슈퍼섬유가 고강력 폴리에틸렌(High Strength Polyethylene)으로서 스펙트라(Spectra), 다이니마 등의 제품이 그 대표적인 사례이다. <그림 2-2>와 같이 강직성 분자쇄의 분자구조는 섬유분자의 사슬 에 고리모양의 분자구조를 최대한 투입하여 분자 자체가 강직성을 갖게 한 것이다. 굴곡성 분자쇄의 고강력 폴리에틸렌의 분자구조는 범용 플라스틱의 폴리에틸렌과 동일하나 그 분자사슬의 길이가 매우 길다는 점이 다를 뿐이 다. <그림 2-2> 슈퍼섬유의 분자구조 슈퍼섬유에 속하지는 않으나 최초의 고내열성 아라미드 섬유인 메타아라미 드(Meta Aramid, Nomex)의 분자구조는 다음과 같다 <그림 2-3> 메타아라미드(Meta Aramid, Nomex)의 분자구조 - 5 -
(2) 슈퍼섬유의 고배향성을 위한 제조방법 1) 액정방사 합성섬유는 분자가 섬유 축방향으로 질서 있게 규칙적으로 배열하면 할수 록 섬유 축방향의 강도가 강해진다. 강직성 분자쇄의 고분자는 녹일 수만 있 으면 분자의 방향을 나란히 배열(배향)하기가 쉽기 때문에 높은 강도와 탄성 률을 가진 슈퍼섬유로 만들 수 있다. 그러나 배향성을 높이려면 어떤 방법으 로든 녹여야 한다. 강직성 분자쇄의 고분자는 융점이 매우 높아(500~650 ) 가열하면 융점에 달하기 전에 열분해하기 때문에 단순가열 방법으로는 녹일 수가 없으며 또한 녹일 수 있는 용매를 찾는 것도 쉽지 않다. 듀폰사의 Kevlar의 탄생과정을 보면 이러한 문제 해결에 10여년이 걸렸다. 1950년대 중반에 시작된 파라아라미드섬유 개발연구는 이러한 문제에 봉착 하여 포기상태까지 갔으나 1965년에 듀폰사의 여성 연구원인 Stephanie Kwolek 박사가 Kevlar의 원료 물질인 PPTA를 녹일 수 있는 방법을 우연히 발견함으로써 1971년부터 Kevlar 섬유를 시험생산(experimental production) 하게 되었고 그 후 1982년부터 본격양산하게 되었다. 그는 PPTA를 진한 황 산에 20% 정도의 농도로 혼합하면 액정용액(liquid crystalline solution) 상태 로 녹일 수 있다는 것을 발견했다. 액정용액이란 분자가 용액상태에서 결정 처럼 규칙적으로 배열하고 있으나 액체와 같은 유동성을 갖는 특수한 상태 의 용액을 말한다. 액정용액은 특정 농도에서 점도가 많이 떨어지고 전단응 력(shear force)을 가하면 분자사슬은 쉽게 고도로 배향한다는 특징이 있어 슈퍼섬유의 방사에 적합한 특성을 가진다. 액정방사법은 Kevlar와 함께 탄생 했으며 그 후 고분자 액정이 학계의 대단한 관심사가 되어 활발한 연구가 추진되었다. 그 후 개발된 거의 모든 강직성 분자쇄의 슈퍼섬유는 액정방사 법을 사용하고 있다. 2) 젤방사 굴곡성 분자사슬 구조를 가진 종래의 범용 폴리에틸렌을 섬유로 만들면 겨 - 6 -
우 10GPa 정도의 탄성률 밖에 얻지 못한다. 그러나 초고분자량의 폴리에틸 렌을 젤방사법에 의해 섬유를 만들면 그 10배에 달하는 100GPa 정도의 탄성 률을 얻을 수 있다. 굴곡성 분자쇄의 고분자로부터 고강도의 섬유를 만들어 보려는 연구는 1970년대부터 시작되었다. 특히 네덜란드 Groningen대학의 Pennings 교수가 1976년 발표한 연구결과가 고강도 폴리에틸렌 섬유개발의 가능성을 열었다. 그는 초고분자량(1백만 이상)의 폴리에틸렌의 희박용액 (0.1~1%)을 강력히 교반하여 전단응력을 가하면 고분자결정이 생성됨을 전자 현미경을 통해 발견하고 그 강도가 강철과 비슷함을 알아내었다. 중앙의 실 모양 부분(core fibril)은 용액을 교반할 때 인장력을 받아 고분자사슬이 늘어 나면서(extended-chain) 고도로 배향하여 결정을 이룬 부분으로 놀라운 강도 를 보이는 섬유 축이 되고, 마디 부분은 고분자사슬이 엉켜서 마디를 이룬 부분(chain-folded lamaella)이 된다. Pennings 교수의 연구 발표는 학계의 큰 관심사가 되어 그 후 굴곡성 분자 쇄의 고분자로부터 고강도의 섬유를 개발하려는 연구가 활발히 이루어졌다. 네덜란드의 DSM중앙연구소는 1980년대 초부터 개발에 착수하여 젤방사법을 일차로 실용화하고 그 후 일본의 토요보(Toyobo)사와 기술제휴하여 젤방사 기술을 완성했다. 젤방사(gel-fiber formation)기술의 핵심내용은 결정의 결함을 줄이기 위해 초고분자량의 고분자를 사용하고 분자사슬 간의 엉킴을 줄이기 위해 희박용 액을 사용하여 고분자 용액을 수중에 압출 방사하여 냉각효과에 의한 젤 상 의 섬유를 생성함과 동시에 배향성를 향상시키는 것으로 젤 상의 섬유를 고 도로 연신함과 동시에 열처리하여 고배향성 확보하는 기술이다. (3) 슈퍼섬유의 물성 슈퍼섬유는 가볍고, 튼튼하며, 변형되기 어렵고, 내열성이 강한 고성능의 물성을 가진다. 슈퍼섬유는 해당하는 섬유에 고유하게 주어지는 물성에 따라 특정 기능이 나타나기 때문에 어떤 특성의 물성을 가지는가가 관심사가 되 고 있다. 특히 강한 정도와 관련되는 강도(인장강도), 탄성률 및 신도, 내열 성과 관련되는 융점 또는 분해온도, 난연성과 관련되는 LOI(limiting oxigen - 7 -
index/한계 산소지수/산소와 질소의 혼합가스 중에서 섬유가 연소를 지속할 있는 산소의 퍼센트 값), 무게와 관련되는 밀도, 내구성과 관련되는 내화학성 등이 중요 파라미터가 된다. 각 슈퍼섬유는 이러한 파라미터들의 고유한 조 합을 가지며 그 특성에 따라 용도가 달라진다. 슈퍼섬유 생산량의 70% 이상을 점유하는 파라아라미드섬유의 경우 내광성 과 내화학성에 약점이 있다. 파라아라미드섬유는 자외선에 약해서 태양광의 직사광선에 계속 노출될 경우 120주(약 2년 반) 경과 후에는 강도가 3분의 1 로 떨어진다. 끓는 강산이나 강알칼리에서는 파괴되고 표백제 용액에 넣어 가열해도 침식되나 유기용매에는 영향을 받지 않는다. 파라아라미드섬유는 화염(불꽃)에 닿아도 금속과 비슷하게 붉게 달기(glow)만 하고 불꽃이 일지 않으며 화염을 제거하면 탄화된 상태가 된다. 파라아라미드섬유는 200~300 사이에서 강도가 약화되기 시작하고 영하 70 까지는 물성이 변하지 않는다. (4) 슈퍼섬유의 용도 슈퍼섬유의 용도를 기하학적 형상 측면에서 보면 인장강도를 요하는 낚싯 줄, 선박용 로프, 광섬유 텐션멤버 등 1 차원의 한 가닥의 섬유로 사용되는 것도 있고, 2차원 형태로는 인열강도(찢어지지 않는 강도)나 내열성이 필요 한 낙하산, 방탄조끼, 소방복 등에 사용하는 직물 형태로 만들어 사용하기도 하고 3차원 형태로는 가볍고, 튼튼하며, 변형되기 어려운 복합재료서 테니스 라켓, 골프채 등 금속 대체용 복합재료를 만들어 사용하기도 한다. 복합재료 의 경우는 슈퍼섬유를 합성수지의 내부에 넣어 고화시킴으로써 강도를 높이 는 보강재로 사용하기 때문에 눈에 띄지 않는 곳에 사용되고 있다. 슈퍼섬유는 단독으로 사용하기도 하고 다른 재료와 함께 가공하여 사용하 기도 한다. 슈퍼섬유의 단독 용도는 로프, 네트, 어망 등의 해양수산 분야, 공사용 로프, 성토보강용 네트 등의 토목건축 분야 용도가 있다. 해양수산 분야에서는 파라아라미드섬유, 폴리아릴레이트섬유, 고강력 폴리에틸렌섬유 등의 사용이 증가하고 있다. 파라아라미드섬유를 사용한 방탄조끼는 미주나 유럽에서는 경찰관의 거의 전원이 착용하고 있으며, 칼로 찔러도 뚫어지지 않는 방도( 防 刀 )의류, 산업현장에서 손이 잘리지 않게 보호하는 방절삭( 防 切 - 8 -
削 ) 장갑 등에는 아라미드섬유와 고강도 폴리에틸렌섬유가 사용되고 있다. 슈퍼섬유가 복합재료 형태로 사용되는 경우는 가볍고, 튼튼하며, 변형되지 않고, 부식되지 않아 플라스틱, 고무, 콘크리트, 경금속 등의 보강재로 사용 하여 금속보다 비강도나 비탄성률이 높은 경량, 고성능의 복합재료를 만들어 금속을 대체할 수 있는 용도에 사용한다. 보강섬유의 형태에도 단섬유, 장섬 유, 코드, 메쉬, 직물, 3차원 직물 등의 형태가 있다. 이러한 경량ㆍ고성능 복 합재료는 항공우주, 자동차, 스포츠, 토목건축 등의 수많은 분야에 그 용도를 넓혀가고 있다. 각 분야별 용도를 간략하게 정리하면 다음과 같다. - 항공우주 분야: 항공우주 분야에 사용되는 복합재료는 특히 첨단복합재 료(Advanced Composite Material/ACM)이다. 종래 금속재료로는 강도 및 탄 성률의 단점을 동시에 넘어서지는 못하였으나 파라아라미드섬유, PBO섬유, 탄소섬유 등의 슈퍼섬유로 보강하면서 이러한 한계를 극복한 ACM을 만들 수 있게 되었고 현재 보잉 767 및 777에는 상당량의 ACM을 사용하고 있다. - 자동차 및 자전거 분야 : 탄소섬유보강 FRP(섬유보강 플라스틱)는 천연가스 자동차의 연료탱크에 사용되고, 파라아라미드섬유로 보강한 고무(FRR/섬유보강 고무)는 고성능의 타이어, 호스, 벨트 등에 사용된다. 슈퍼섬유 FRR로 제조한 타이밍벨트와 무 단 변속기용 벨트는 종래의 금속제에 비해 내구성, 내피로성이 월등히 향상 되었고 파라아라미드섬유를 보강재로 사용한 타이어는 30% 경량화가 가능하 여 연료절감 효과가 있으며 쾌적성 및 안전성이 향상된다. 파라아라미드섬유 로 보강한 자전거용 타이어는 접어서 들고 다닐 수 있는 초경량의 산악용 자전거(mountain-bike)에 사용된다. - 스포츠 분야 : 골프채, 스키판, 테니스라켓 등에는 탄소섬유와 파라아라미드의 하이브리 드섬유가 사용되고 있다. 경기용 요트의 돛(yacht sail)에는 자일론(PBO), Vectran(폴리아릴레이트), Technora(p-Aramid) 등을 혼방한 섬유를 사용한다. - 9 -
- 토목건축 분야 : 탄소섬유 및 파라아라미드섬유는 FRC(섬유보강 콘크리트)와 철근대체용 보강제로 사용되며, 특히 비자성( 非 磁 性 )이 요구조건이기 때문에 철근을 사용 할 수 없는 자기부상열차나 리니어모터카 궤도 측벽의 보강제로 사용된다. 최근에는 고속도로의 교량이나 터널을 지진에 견딜 수 있도록 보강하는 공 사에 탄소섬유가 사용된다. 단열재에 사용되는 석면의 대체용으로도 파라아 라미드섬유가 사용되기 시작했다. - 정보통신 분야 : 초고속 통신망용 광섬유에 보강용의 텐션멤버(tension member)로 Kevalar(p-Aramid)가 사용되고 있으며 최근 초고속 통신망의 급속한 확장에 따라 슈퍼섬유의 수요도 증가하고 있다. 또한 휴대폰에 사용되는 전자부품의 소형, 경량, 고밀도화의 필요에 따라 고밀도 실장( 實 裝 )을 요하는 수지다층기 판( 樹 脂 多 層 基 板 )에 파라아라미드섬유 부직포가 사용되기 시작했다. - 10 -
2. 연구개발 동향 가. 국외 기술개발 동향 (1) 파라아라미드섬유 아라미드섬유는 방향족 고리 사이에 아미드결합(-NHCO-)이 적어도 85% 이상 결합한 분자구조의 섬유 로 정의되어 있으며 이로써 같은 아미드 결합 을 가진 나일론 섬유와 구별된다. 파라아라미드는 아미드결합이 벤젠고리의 파라(para) 위치에 결합한 것을 의미하며 메타아라미드는 그것이 메타(meta) 위치에 결합한 것을 말한다. 파라아라미드섬유는 현재 슈퍼섬유의 주종 제품이며 미국 듀폰(Du Pont) 사의 Kevlar, 네덜란드 Akzo사의 Twaron, 일본 테이진(Teijin)사의 Technora가 3대 제품이다. 파라아라미드섬유의 용도별 시장 점유율은 다음 과 같다. <표 2-2> 파라아라미드섬유의 용도별 시장 점유율 파라아라미드섬유의 용도 마찰재, 봉지재, 패킹류(packings) 타이어 보강재(tire reinforcement) 기타 산업용 고무 보강재 공업용 섬유(방탄복, 방검복, 차량용 텐트 등) 섬유 강화 복합재료(우주항공 및 전자 재료) 광섬유케이블, 로프, 네트 시장 점유율 20~25% 20~15% 15~20% 15~20% 5~10% 5 ~10% 1) 듀폰사의 Kevlar 앞에서 언급한 바와 같이 미국 듀폰사는 1971년에 Kevlar를 출시하여 파라 아라미드 계열의 슈퍼섬유 시대를 열었다. Kevlar의 초창기 70년대에는 우주 - 11 -
항공 소재, 타이어코드, 방호복(방탄조끼, 소방복, 전투복) 등의 용도를 개척 하였고 그 후Kevlar는 방탄조끼의 실용화로 세상에 알려지게 되었다. 1980년 대에는 소형, 경량화 제품, 1990년대에는 가정용 안전상품, 2,000년대에 들어 서는 정보통신용 소재 등의 용도가 개발되고 있다. 이러한 용도 개발에 따라 Kevlar의 소재로의 품종도 다양화되어 1988년에 는 기존의 표준형인 Kevlar 29에 추가하여 고탄성률형인 Kevlar 49와 고강 도형의 Kevlar 129가 개발되었으며 연이어 고신도형의 Kevlar 119도 개발되 었다. Kevlar Ha(Ha = high adhesion)은 표면 접착성과 내화학성을 강화한 것으로 타이어와 호스 등의 보강재에 적합하도록 개발된 것이며, Kevlar Hp 는 표면이 보다 smooth하고 attractive하게 가공될 수 있으며, 가공하기가 쉬 운 특성을 가진 것으로 스포츠용품에 사용하기 적합하게개발된 것이다. 1995 년에는 칼이나 창과 같은 흉기로 찔러도 뚫리지 않는 특성을 가진 Kevlar-Corectional이 출시되었고, 1996년에는 경량성, 유연성, 진동감쇄성 등 을 보다 향상시켜 방탄조끼로 최적의 섬유라고 평가받고 있는 Kevlar-Protera가 출시되었다. 상품명 Kevlar 29 Kevlar 49 Kevlar 119 Kevlar 129 Twaron NM Twaron HM <표 2-3> 파라아라미드섬유의 종류별 물성 강도 탄성률 신도 밀도 분해온 한계산소지 도 수 GPa GPa % g/cc C LOI 2.92 3.0 3.1 3.4 2.95 2.98 70.5 112.4 54.7 96.6 72 105 3.6 2.4 4.4 3.3 3.5 2.7 1.44 500 29 1.44 1.45 >500 29 Technora 3.4 72.5 4.6 1.39 >500 25 Kevlar 섬유의 용도로 이제부터 대형 시장이 형성되고 있는 것이 초고속통 신망용 광섬유 케이블 시장이다. 광섬유의 정보 전달량은 종래의 동선케이블 의 약 1,000배 정도로 광섬유는 직경 0.1mm 정도로 극히 가늘어 인장력에 - 12 -
약하고 설치공사 중에 케이블을 끌어당겨서 인장변형이 발생하면 통신장애 가 발생하기 때문에 광섬유 케이블에 보강재를 사용해야 하는데 이러한 목 적으로 Kevlar 섬유가 사용되고 있다. 그뿐만 아니라 낙뢰( 落 雷 )에 의한 케이 블 손상을 막기 위해 금속제 보강재 대신에 비금속제인 Kevlar를 사용하고 있다. 최근 휴대폰의 고성능화 및 대형 시장화에 따라 휴대폰에 사용되는 전자부 품의 고밀도 실장을 가능케 하는 수지다층기판에 Kevlar가 사용되기 시작해 대규모 수요처가 될 것으로 예상하고 있다. Kevlar는 앞에서 언급한 용도 이 외에도 타이어 및 고무(벨트, 호스) 보강재, 건설 및 해양용 로프, 와이어, 로 드(rod), 복합재료 형태로는 항공기, 선체, 스피커, 스포츠용품, 내열 펠트 (felt), 필터, 마찰재 등에 다양하게 용도개발이 지속되어 왔으며 앞으로도 용 도개발이 더욱 가속화될 전망이다. 2) Twaron 네덜란드의 Enka사도 1975년부터 파라아라미드섬유의 시험생산에 착수하 여 상품명 Arenka로 출시하였으나 그 후 회사는 Akzo사, Acordis사, 테이진 사 등으로 몇 번 적을 옮기는 과정에서 제품명이 Twaron으로 바뀌었다. Twaron은 표준제품인 Twaron NM과 고강도제품인 Twaron HM이 있다. 3) Technora 일본의 테이진( 帝 人 )사는 파라아라미드와 메타아라미드의 공중합폴리머 (copolymer)를 1973년에 독자 기술개발 후 1987년부터 Technora라는 상품명 으로 800t/year 규모의 생산을 시작한 후 1999년에 1,400t/year, 2000년에 2,000t/year로 생산량을 늘리고 있다. Technora는 분자구조가 공중합체라는 점과 액정방사공정이 아닌 반건반습방사공정으로 제조한다는 점에서 Kevlar 와 다르며 공중합체를 만들기 위하여 Kevlar의 원료(monomer)인 테레프탈 산클로라이드와 파라페닐렌디아민에 추가하여 제3의 성분을 투입한다. <그 림 2-4>는 에테르 결합을 가진 디아민의 제3성분과 Technora 공중합폴리머 - 13 -
의 분자구조를 나타낸다. <그림 2-4> Technora의 monomer 및copolymer 의 분자구조 Technora는 분자구조 내에 에테르결합을 도입하여 분자사슬에 유연성을 도입함으로써 고강도 고탄성률은 유지하면서 용해성과 섬유의 연신성을 개 량하고 제품의 표면이 평활하고 피브릴화를 방지하는 특징을 가진다. 이러한 특성은 특히 전자부품에 사용되는 프린트기판의 소재로 적합한 물성을 부여 하여 종래의 유리섬유/에폭시 복합재료를 대체할 수 있게 된다. Technora의 용도개발은 대부분 Kevlar와 비슷하여 해양수산용의 로프, 네 트, 어망, 토목건축 공사용의 로프, 성토보강용 네트, 방호의류 분야의 방탄 조끼, 방도( 防 刀 )의류, 내절삭장갑 등이며 특히 건축용 FRP 보강재, 콘크리 트 구조물의 내진 보강재 등으로 주목받고 있다. Technora를 보강재로 사용 하여 높은 인장강도를 갖는 아라미드 FRP봉(rod)은 수중, 해수, 알칼리용액 중에서도 내구성이 우수한 재료로서 방청처리를 하지 않아도 부식할 염려가 없어 해안 및 하천의 제방 보강공사에 사용된다. (2) 폴리아릴레이트섬유 Vectran 폴리아릴레이트는 고분자 사슬의 분자구조에 있어 에스테르결합(-COO-)이 방향족고리를 이어가는 형태로 된 방향족 폴리에스테르이다. Vectran은 파라 히드록시안식향산(p-hydroxybenzoic acid)과 히드록시나프토일산 (hydroxy naphthoic acid)의 공중합체로 이루어진 방향족 폴리에스테르로 용융상태에 서 액정을 형성하는 특성을 갖는 액정폴리머(liquid crystalline polymer)이다. Vectran의 분자사슬 내의 나프탈렌 구조는 강직성을 부여하고 이로 인해 액 정 형성이 촉진된다. 앞에서 언급한 파라아라미드섬유(Kevlar, Twaron)는 용 - 14 -
액상태에서 액정성을 나타내지만 폴리아릴레이트섬유는(Vectran)는 용융상태 에서 액정성을 나타내는 것이 다른 점이다. 따라서 Kevlar는 용액상태에서 습식방사(solvent-spun)를 하지만 Vectran은 용융상태에서 용융방사 (melt-spun)를 한다. 액정폴리머를 방사하면 배향성이 매우 높은 섬유를 얻을 수 있고 고배향성은 고강도, 고탄성율의 물성을 부여한다. 미국의 Celanese사는 1970년에 용융방사가 가능한 액정폴리머 개발을 목적 으로 연구에 착수하여 무려 15년간의 노력 끝인 1985년에 Vectran의 상용화 에 성공했다. 일본의 쿠라레(Kuraray)사는 Celanese사로부터 기술도입을 하 여 1990년에 Vectran을 출시했다. 쿠라레사와 Celanese사는 폴리아릴레이트 섬유 생산의 2대 회사이다. Vectran은 고강도형의 Vectran HT, 고탄성률형 의 Vectran UM, 중강도형의 Vectran NT 등이 있다. <표 2-4> Vectran 섬유의 기본 물성 상품명 강도 탄성률 신도 밀도 분해온도 한계산소지수 GPa GPa % g/cc C LOI Vectran HT Vectran UM 3.24 2.84 74.6 104 3.8 2.7 1.41 >400 28 자료: http://www.kaizenken.jp/db/chap2.html Vectran의 용도는 Kevlar와 거의 비슷하나, Vectran은 Kevlar에 비해 산이 나 알칼리 등에 대한 내화학성, 치수안정성, 내마모성 등이 우수한 것으로 평가되고 있다. Vectran 섬유는 Kevlar에 비해 14년이나 늦게 출시하였으나 세상에 널리 알려지게 된 극적인 계기는 1996년 미국에서 발사된 화성 탐사용 우주선인 Mars Pathfinder(화성탐사기)의 연착륙 시스템에 Vectran이 사용된 사실이 다. Vectran은 착륙 시의 충격완화를 위해 특별히 개발된 에어백(자동차의 에어백과 유사한 역할을 함)의 소재로 사용되었다. Vectran이 화성탐사기의 에어백에 사용된 것은 가볍고 튼튼하면서 에어백이 부풀어 오르는 데 필요 한 유연성을 가지며, 특히 내마모성이 우수하기 때문이다. 착륙 시에 화성의 붉은 대지에 흩어져 있는 암석에 충격해도 찢어지지 않기 위해서는 내마모 - 15 -
성이 중요했기 때문이다. (3) PBO 섬유 자일론 PBO 섬유는 일본의 토요보사만이 자일론이란 상품명으로 1998년부터 200t/year 규모로 생산하고 있는데 2003년에 생산능력을 500t/year로 확대하 는 계획을 발표했다. PBO는 슈퍼섬유로서는 가장 최근에 개발된 것으로, 기 존의 슈퍼섬유 중에서 왕자의 자리를 차지하고 있던 Kevlar에 비해 2배 이 상의 슈퍼강도를 실현하고, 내열성도 100 이상 높아지고, 난연성에 있어서 도 LOI 값이 두 배 이상 향상된 물성을 보여 큰 관심을 모우고 있다. Kevlar가 1세대 슈퍼섬유라면 PBO는 21세기를 이끌어 갈 제2세대 슈퍼섬유 가 될 것으로 예상하고 있다. 파라아라미드 계열 섬유인 Kevlar, 폴리아릴레이트 계열 섬유인 Vectran, 그리고 PBO(Poly-p-Phenylene Benzobisoxazole) 계열 섬유인 자일론 등 3 종의 슈퍼섬유의 분자구조를 보면 고분자사슬의 반복단위에 1개의 벤젠고리 를 갖는 phenylene은 공통적인 요소로 모두 다 포함되어 있으나 제2의 구성 요소는 각기 달라서 Kevlar는 벤젠고리 1개, Vectran은 벤젠고리 2개가 결합 한 나프탈렌 고리, PBO 섬유는 벤젠고리에 2개의 옥사졸고리가 결합하여 이 루어진 3개 고리의 벤조비스옥사졸고리로 되어 있음을 알 수 있다. 접합된 고리의 수가 늘어나면 분자구조가 커지면서 강직해지기 때문에 제2구성요소 의 고리수가 늘수록 섬유의 강도와 탄성률이 높아지는 경향을 보인다. 그러 나 고리수가 많이 접합한 화합물은 합성하기가 매우 어렵고 고가이며 합성 된 고분자는 가공하기가 어렵기 때문에 그러한 분자구조의 섬유개발에 성공 하기란 매우 어려운 일이다. PBO섬유 개발연구는 1979년에 미국의 Stanford Research Institute(SRI)에 서 특허를 출원한 후 무려 20년이 지난 1998년에 와서야 일본의 토요보사가 처음으로 공업적 생산에 성공하였다. SRI의 특허 가치를 인정하여 특허권을 처음으로 사들인 회사는 세계적 화학회사인 미국의 다우케미컬(Dow Chemical)사였다. SRI의 특허에 관심을 가졌던 또 하나의 회사가 토요보사 였으나 특허권을 구입하지는 않고 독자적 개발을 계속하였다. 다우케미컬사 - 16 -
는 특허를 사들이면 나일론이나 폴리에스테르의 경우와 같이 섬유화에 큰 어려움이 없을 것이라 생각했으나 의외로 큰 어려움에 봉착하였다. PBO라는 물질 자체의 합성에는 성공했으나 분자구조에서 예상되는 슈퍼고강도의 섬 유를 얻지는 못하고 Kevlar 수준 강도에 머물고 있었다. 다우케미컬사는 7년 정도 연구를 계속한 후 독자개발을 포기하고 섬유 메이커 중에서 공동 개발 파트너를 찾게 되었다. 토요보사는 이 단계에서 다우케미컬사와 기술제휴를 하여 PBO 섬유의 공업적 생산기술 개발에 도전하여 결국 Kevlar 강도의 2 배 수준인 슈퍼 고강도의 PBO 섬유 개발에 성공하여 1998년부터 200t/year 규모의 생산을 시작하였다. 한편 다우케미컬사는 PBO의 공업적 생산을 포기 하고 전 세계 특허권을 토요보사에 넘김으로써 토요보사가 유일한 PBO 생 산업체가 되었다. 자일론섬유에는 표준 품목인 자일론 AS와 고탄성률 품목 인 자일론 HM이 있다. <표 2-5>에 자일론섬유의 기본 물성을 Kevlar 섬유 와 대비하였다. <표 2-5> 자일론 섬유의 기본 물성 상품명 자일론 AS (PBO/토요보) 자일론 HM (PBO/토요보) Kevlar 49 (p-aramid/듀폰) 강도 탄성률 신도 밀도 분해온도 한계산소지수 /융점 (LOI) GPa GPa % g/cc % 5.8 180 3.5 1.54 650 68 5.8 280 2.5 1.56 650 68 3.0 112.4 2.4 1.44 500~55 0 29 자료: http://www.kaizenken.jp/db/chap2.html PBO 섬유는 액정방사법으로 제조되며 황금색 외관을 지닌 원형단면 섬유 로서 Kevlar와 유사해 보이지만 표에서 보는 바와 같이 그 물성에 있어 특 히 4가지가 Kevlar보다 우월하다. 첫째는 강도가 높고, 둘째는 탄성률이 높 고, 셋째는 내열성(분해온도)이 높으며, 넷째는 불타기 어렵다(높은 LOI)는 것이다. PBO 섬유(자일론)의 용도는 Kevlar의 용도와 비슷하게 다양하지만 특히 - 17 -
광케이블의 텐션멤버(보강재)와 경기용 요트의 돛에 사용되는 직물(yacht sail cloth)로써의 용도가 주목되고 있다. 자일론을 광케이블의 텐션멤버로 사용하 면 80mm 정도의 기존 케이블의 굵기를 50mm 정도로 줄일 수 있고 설치공 사에서 작업성을 높일 수 있기 때문이다. 최근의 경기용 요트의 돛은 슈퍼섬 유에 폴리에스테르 필름으로 라미네이트한 제품을 사용하고 있다. 예를 들면 힘을 받는 길이 방향에는 강도가 높은 자일론을 사용하고, 바람이 스쳐가는 가로 방향에는 내마모성이 우수한 Vectran을 사용하고, 경사진 방향 보강을 위하여 Technora를 사용한 제품이 미국의 DP Sail Cloth사에서 개발되었으 며 동 제품을 사용한 요트가 1999년 Yacht Race에서 우승했다. 그 후 자일론 의 인지도는 급격히 높아졌다. 자일론은 NASA가 2001년 성공적으로 발사한 과학관측 목적의 초대형, 초 장기(100일 지속) 체공( 滯 空 ) 기구(ballon)에 사용되었다. 동 기구는 축구장만 한 크기(지름 58.5m, 높이 35m)로 대기권 최상층인 35km 상공에서 비행 탐 사했다. 이러한 초대형 기구를 만들 수 있는 고강력 섬유는 자일론이 유일한 선택이었고 2006년 발사예정인 금성탐사 프로젝트에서도 자일론을 이용할 계획이다. (4) 초고분자량 폴리에틸렌섬유(Ultra High Molecular Weight PE) 네덜란드의 DSM사는 1979년 세계 최초로 특허를 등록한 후 상당 기간의 실용화 연구를 계속하여 젤방사법을 개발하고 상품명을 다이니마로 하여 시 험생산 단계를 거친 후 1990년에야 500t/year 규모의 상업생산에 들어갔다. 초고분자량 폴리에틸렌섬유는 고강력 폴리에틸렌(High Strength Polyethylene/ HSPE)섬유 등으로 부르기도 한다. 일본의 토요보사는 DSM사 의 특허를 기반으로 하는 기술제휴 협약을 체결하여 공동개발에 참여한 결 과 DSM사보다 빠른 1988년에 500t/year의 생산능력을 확보하여 같은 상품 명인 다이니마로 출시했으며 미국의 AlliedSignal(1999년 Honeywell Performance Fibers에 합병)사도 DSM사로부터 특허라이센스를 받아 비슷한 시기에 스펙트라라는 상품명으로 출시했다. 따라서 현재 고강력 폴리에틸렌 섬유 메이커는 원조 개발자인 네덜란드의 DSM사(다이니마), DSM 특허를 상 - 18 -
용화한 일본의 토요보사(다이니마) 및 미국의 Honeywell Performance Fibers 사(스펙트라) 3개 회사이다. <표 2-6>은 Kevlar 및 PBO 섬유와 비교한 고강 력 폴리에틸렌섬유의 제품별 물성을 나타낸다. <표 2-6> 고강력 폴리에틸렌 섬유의 물성 제품명 (제품그룹/메이커) SK25-750dTex (Dyneema/DSM) SK60-440dTex (Dyneema/DSM) SK65-110dTex (Dyneema/DSM) SK76-1760dTex (Dyneema/DSM) SK60 (Dyneema/Toyobo) SK71 (Dyneema/Toyobo) Spectra 900 (Spectra/Honeywell) Spectra 1000 (Spectra/Honeywell) Spectra 2000 (Spectra/Honeywell) Kevlar 49 (p-aramid/듀폰) 자일론 HM (PBO/토요보) 강도 탄성률 신도 밀도 분해온 도/융점 GPa GPa % g/cc 비고 2.2 53 4.4 0.975 144~152. 일반용 2.9 88 3.6 0.975 144~152 일반용 3.3 100 3.6 0.975 144~152 일반용 3.5 115 3.6 0.975 144~152 방탄용 2.6~3.2 658~1396 3~5 0.97 144~152 일반용 >3.5 >123 3~5 0.97 144~152 고강도용 2.2~2.6 62~66 3.6~4.4 0.97 144~152 일반용 2.95~3.25 101~113 2.9~3.4 0.97 144~152 고강도용 2.91~3.34 79~124 2.9~3.1 0.97 144~152 3.0 112.4 2.4 1.44 500~550 5.8 280 2.5 1.56 650 우주 항공용 초고강력 폴리에틸렌은 <표 2-6>에서 표시된 바와 같이 다음과 같은 5가 지 특성을 가지며 그 특성별 용도를 보면 다음과 같다. 1 첫째로 밀도가 1.0g/cm3 이하이므로 매우 가볍고 특히 물을 흡수하지 않고 물에 뜰 수 있다는 특징을 가진다. 그에 추가하여 고강도 타입인 경우 4.0GPa 정도의 높은 강도이기 때문에 큰 선박을 예인하여 이동하는 로프, 선 박의 해안 계류용 로프, 요트의 돛 등에 최적이다. 또한 음파 등 파동의 전 - 19 -
달성이 우수하여 고기가 낚싯줄에 걸렸을 때의 촉감이 양호해지기 때문에 낚싯줄로 사용되어 대단한 호평을 받고 있다. 수중에서 길이가 변하지 않는 특성 때문에 최근에는 어군탐지기를 사용하는 하이테크 낚시 어로 작업에도 사용되어 어군이 발견된 먼 거리의 위치까지 낚싯줄을 정확히 내리는 데 고 성능을 발휘한다. 2 굴곡성 고분자이지만 고강도이며 4% 전후의 신도(끊어질 때까지의 신 장률)를 가지고 있기 때문에 제직이나 제편의 등의 후공정에서 작업이 용이 해진다. 또한 고강도와 신도의 균형이 양호하여 내충격성이 우수하기 때문에 방호소재, 내충격소재나 보강소재로 적합하다(광섬유 케이블 보강소재, 항공 우주용 복합재료, 차량용 방탄재료, 방탄조끼, 방검복, 방호장갑, 헬멧, 전기코 드 등에 사용). 3 화학적으로 안정하여 폭넓은 내약품성을 가지며 자외선에 대한 내광성 도 우수하여 수중이나 야외 사용에도 물성의 열화가 일어나지 않고 내마모 성이 강한 특성은 다른 슈퍼섬유에 비해 유리한 특성이다(골프장 네트, 기중 기용 밧줄, 공사장 방호네트, 등산 배낭, 선수용 운동복, 송풍용 파이프관 등 에 사용). 4 범용 폴리에틸렌에 비하면 내열성이나 치수안정성이 훨씬 높으나 타슈 퍼섬유에 비해서 융점이 낮은 것은 결정적 약점이다. 그러나 온도가 올라가 면 오히려 수축하는 매우 특이한 성질을 가지고 있다. 이러한 특성을 이용하 여, 온도가 올라가면 팽창하는 정상적 물성의 재료와 혼성된 복합재료를 만 들면, 목적하는 바의 복합재료의 온도 특성을 원하는 대로 조정할 수 있게 되며 이는 재료설계에 매우 유리한 수단을 제공한다. 이러한 특성은 초전도 코일(coil)용의 보빈 제조에 사용되고 있다. 5 유전상수(dielectric constant)가 낮아 레이더에 잡히지 않는 복합재료제 조에 적합하여 군사목적의 스텔스용 복합재료에 사용된다. (5) 탄소섬유 탄소섬유는 원료가 되는 전구체섬유의 종류에 따라 polyacrylonitrile(pan) 계, 레이온(Rayon)계, 피치(Pitch)계 등으로 분류된다. PAN계 탄소섬유는 흑 - 20 -
연화가 어려워서 탄성률을 높이기 어려운 단점은 있으나 강도와 신도를 높 이기 용이하여 가장 많이 사용된다. 레이온계 탄소섬유는 탄소 수율을 높이 기 위하여, 열분해가 가장 심하게 일어나는 260 부근에서 불활성 가스 분 위기 중에 매우 천천히 승온하면서 가열해야 하고, 또한 탄성률을 높이기 위 하여 2,500 이상에서 연신해야 하기 때문에 생산 원가가 매우 높은 문제가 있다. 따라서 특히 고강도가 요구되는 우주항공 분야의 용도에 국한되고 있 다. 피치계 탄소섬유는 흑연화가 용이하여 탄성률을 높이기 쉬우나, 섬유의 표면이나 내부의 결함발생 문제가 있어 강도나 신도를 높이기가 어렵다. 이 러한 기술적 사정으로 PAN계 탄소섬유가 세계 총생산량의 90% 이상을 점 유하고 있어 탄소섬유의 주종을 이루고 있다. 더욱이 <표 2-7>에서 보는 바 와 같이 도레이(Toray), Toho Tenax( 東 邦 테낙스), 미쓰비시 레이온 (Mitsubishi Rayon, 三 菱 레이온) 등 일본의 3개사가 세계 총생산설비 능력의 81%를 점유하고 생산량의 57%를 공급하고 있는 것으로 나타났다. 따라서 본 보고서에서는 동 3개 회사의 PAN계 탄소섬유를 중심으로 살펴보고자 한 다. <표 2-7> 2001년 일본 3개사의 탄소섬유 세계 시장 점유율 메이커 생산량(톤) 생산능력(t/year) 도레이 3,120 7,300 Toho Tenax 2,382 5,100 미쓰비시 레이온 1,747 3,400 일본 3사 합계(점유율: %) 7,249(57) 15,800(81) 세계 기타 메이커 5,391 3,733 세계 총계 12,640 19,535 자료: Yano Research Institute PAN계 탄소섬유는 다른재료에 비해서 단가가 높아서 초기에는 골프 샤프 트, 낚싯대 등 스포츠 레저용품 등을 비롯하여 항공기 우주 관련 등의 한정 된 분야에서만 사용되어 왔다. 최근에는 지구 환경 면에서 가솔린이 아닌 천 연 가스나 연료전지를 자동차 연료로 사용하려는 움직임이 있는데, 이 천연 - 21 -
가스 자동차의 연료탱크에 PAN계 탄소섬유가 사용되기 시작하였다. 또한, 풍력 발전의 발전 효율을 높이기 위해 철제 블레이드 대신 탄소섬유를 사용 하려는 시도가 있으며, 심해 해저의 철제 파이프의 대체재로 고압력에 견디 는 해저 유전 송유파이프, 에너지 효율을 높이기 위한 트럭 차체로 유망시되 고 있다. 또한, 다음과 같은 산업용도 분야에서 시장이 급속히 확대될 것으 로 전망된다. 1 토목건축 분야: 건재, 콘크리트 구조물 내진 보강(터널 보강재, 교량보 강, 마루판 보강), 컨테이너, 목재 보강, 교량 케이블 2 대체 에너지 클린 에너지 분야: CNG 탱크, 풍력 발전용 블레이드, 원 심 분리 로터, 플라이호일 3 고속 운송 기기 분야: 선박, 차량(트럭 리어 바디 윙, 플로어, 짐받이, 레이싱카 카울, 드라이브 샤프트) 4 해양 개발 심해저 유전 채굴 분야: 튜브, 로드, 로프 5 기기의 고성능화: 제지용 롤러, 압력 용기, 의료 복지 기기 6 전기 전도 용도: 발열체, 전파 흡수 보드 7 초내열 용도: C/C 복합체, 우주 재료, 도가니 8 민간 항공기용 1차 구조재, 인공위성 부품, 우주 왕복선, 우주 정거장 최근의 탄소섬유와 관련된 기술개발 동향 중 압축강도 향상을 위한 기술로 PAN계 탄소섬유에 붕소 이온을 고전압에서 가속 조사하여 결정 구조를 미 세화하면, 이온 주입 탄소섬유 단섬유의 압축 강도는 1.3~2.0배 향상되며, 비 틀림 탄성률, 인장강도도 마찬가지로 향상된다는 연구 결과가 있었고, 또한 PAN계 고탄성률 탄소섬유는 점차 고탄성률화, 고강도화가 진전되어 현재는 탄성률 690GPa (70 103Kgf/mm 2 ), 강도는 4 GPa(350Kgf/mm 2 )에 이르고 있 다. 그 외에도 수지와의 접착력을 향상시키기 위해서 탄소섬유의 표면처리 기술개발을 위해 표면처리에 의해 계면 접착력이 증가하는 메커니즘에 대해 서는 기계적 결합 효과, 탄소섬유 표면의 관능기와 수지 말단기의 화학 결합 효과, 탄소섬유 표면의 취약층 제거 효과 등에 관한 연구와 저가의 탄소섬유 를 얻기 위해 라지토우를 사용하는 원가절감과 관련한 기술개발이 활발히 - 22 -
진행되고 있다. 1) 도레이사의 Torayca 세계 최대의 탄소섬유 업체로 타 업체보다 앞서 PAN계 탄소섬유의 공업 적 양산을 개시하였으며, 업계 1위의 지위를 구축해 왔다. 항공 우주 분야, 토목 산업 분야, 스포츠 레저 분야 각 분야에서 Top 메이커로써의 힘을 발휘하고 있다. 특히 항공 우주 분야에서 경쟁력을 보유하고 있으며 일본, 미국, 유럽의 주요 3개소에 생산거점을 보유하고 있다. 도레이사는 Torayca 라는 상품명으로 1971년부터 생산을 시작한 후 기 본이 되는 필라멘트 부문에서만도 30여 가지에 달하는 다양한 물성의 품목 을 개발해 왔다. 최초에 개발된 품목이 T-300 시리즈의 품목들로 1973년부터 골프채에 사용되었고 1982년에는 보잉 757, Air Bus A310, Space Shuttle Columbia호 등 우주항공용 소재로 사용되었다. 1986년에는 슈퍼섬유 중 최 고 강도인 6.0Gpa 수준의 T-1000 시리즈의 품목들을 개발했고, 그 후 T-800S 를 개발하여 초대형 여객기 Air Bus A380용 소재로 2002년에 채택되었다. 2) Toho Tenax사의 Besfight Toho Tenax사는 1975년 PAN계 탄소섬유를 Besfight 라는 상품명으로 출시했다. 그 후 기본 제품인 필라멘트에서만도 30여 가지를 개발했다. 1993 년에는 독일(Tenax Fibers)과 미국(Toho Carbon Fibers)에 생산거점을 확보 했으며, 2000년에 테이진의 자회사가 된 후 2001년에 Toho Rayon에서 Toho Tenax로 회사명을 변경했다. 2001년부터 고강도, 저가격 항공기용 프리프레그를 카와사키중공업과 함께 개발하고 있으며, 카와사키중공업을 통해 유럽이나 미국에 항공기용 소재 시 장을 개척할 예정이다. 또한, 수질 정화용 탄소섬유의 재료 공급 업체로 경 쟁력을 보유하고 있다. 3) 미쓰비시 레이온의 Pyrofil - 23 -
미쓰비시 레이온은 앞서 언급한 두 회사에 비해 조금 늦은 1983년부터 PAN계 탄소섬유를 Pyrofil 이란 상품명으로 생산하기 시작했으며 필라멘 트 부분에서만도 20여개 품목을 개발했다. 탄소섬유 업체로서 세계에서 유일 하게 탄소섬유 원료로부터 골프 샤프트(Golf shaft) 생성까지 일관 생산 체제 를 가지고 있고 스포츠ㆍ레저 분야를 기반으로 하고 있다. 미쓰비시 레이온은 탄소섬유를 자체생산하기 이전인 1976년부터, 탄소섬유 를 이용하여 산업용 보강재, 특히 건설자재로 편리하게 사용할 수 있는 형태 로 만드는 프리프레그 생산 사업을 시작했다. 프리프레그는 탄소섬유를 직물 이나 시트 형태로 만든 후 합성수지를 함침한 것을 말하며 사용 시에는 프 리프레그를 원하는 형태로 성형하거나 콘크리트 구조물 등에 감아 붙인 후 가열하거나 일정시간 방치하면 엄청난 강도로 고화한다. 프리프레그는 1996년 일본의 대지진으로 결함이 발생한 교량의 교각 보수 공사에 활용되어 주목을 받았으며 최근에 도입되기 시작한 천연가스 연료자 동차의 CNG(compressed natral gas) 연료탱크와 새로운 무공해 에너지 공 급 장치인 연료전지의 가스 확산 격막에 사용되어 대형시장이 형성될 전망 이다. 나. 국내 기술개발 동향 (1) 유기계 슈퍼섬유 1985년 KIST의 특허를 도입해 신종 아라미드섬유인 펄프형 아라미드 단섬 유의 공업화 연구에 착수한 코오롱은 1990년 파일롯 플랜트(Market Development Facility)건설 착수 후 1996년 말 가동했으나 현재는 개발이 중 된 것으로 보인다. 코오롱은 파라아라미드섬유를 이용한 방탄복용 포지 제조 에 관한 특허를 2001년 등록했다. 학계에서는 1997년까지는 유기계 슈퍼섬유를 이용한 복합재료나 물성에 관 한 연구가 이루어졌고 근래에는 방탄재료 및 건설자재용 보강재에 관한 연 구가 간헐적으로 이어지고 있다. 국내 업계에서는 유기계 슈퍼섬유의 생산은 전무하나 방탄복, 방검복, 고강도 로프, 필터, 헬멧, 골프채, 낚싯대, 테니스라 - 24 -
켓 등의 다양한 제품을 수입판매 또는 가공판매 하는 업체가 늘어나고 있는 추세이다. (2) 탄소섬유 국내에서는 제철화학(2000년 3월 동양 화학에 인수됨)이 연간 150톤 규모 의 탄소섬유 제조시설을 가동하고 있었으나 1991년부터 생산을 중단하였다. 그 동안 연간 60톤의 탄소섬유를 제조, 생산해 왔던 태광산업도 2001년에 생 산을 중단함에 따라서 국내의 PAN계 탄소섬유 제조시설은 전무한 상태이 다. 한편, SK케미컬, (주)한국카본 등은 일본의 도레이, 미쓰비시 레이온 및 미 국의 Hexcel 등으로부터 연간 600톤 규모를 수입, 프리프레그를 생산하여 주 로 골프 샤프트, 낚싯대 등 스포츠 레저용으로 공급하고 있고 있다. 또한 SK케미컬은 2001년 8월에 중국 칭다오에 탄소섬유 프리프레그 공장을 설립 하여 가동 중에 있다. 미국이나 유럽에서는 탄소섬유의 표면처리를 염기성으 로 하는데 한국화학연구원에서는 산성으로 처리함으로써 복합재료의 물성을 향상시킬 수 있는 방법을 개발하였으며, 접착성 개선을 위한 연구도 활발하 다. (주)한국카본은 콘크리트 구조물을 보강하기 위한 탄소섬유 보강재료(상 품명: 카보넥스)를 생산하고 있으며, 한국항공우주산업(주)는 탄소 탄소 복 합재료를 이용한 브레이크 디스크를 개발하였다. 현대는 개발 중인 태양광 자동차 솔라에 탄소섬유 강화 플라스틱을 사용하여 초경량화를 꾀하고 있으 며, 삼성중공업에서는 대형 여객선에 고강도 탄소섬유를 사용함으로써 여객 선 무게를 80% 줄였고 속도를 5% 이상 향상시켰다. 한국기계연구원에서는 국산 과학 로켓 추진체의 가압탱크에, LG IBM에서는 노트북의 외장재에 탄 소섬유를 사용하고 있다. 벤처기업인 세카텍은 초미세 탄소섬유의 초열전도 합성 세라믹 분말을 혼합, 분산시켜서 면상 발열 신소재를 개발하여 KT 마 크까지 획득하였다. 벤처기업인 (주)나노테크닉스는 Melt-Blown 방식에 의한 피치계 활성 탄 소섬유를 제조하여 환경 산업용 고성능 필터 소재로 공급하고 있으며, (주) 솔나노켐은 한국화학연구원과 함께 이온 교환특성을 갖는 고기능성 활성 탄 - 25 -
소섬유(한국특허 0334850)를 공동 개발하였으며, 포항산업과학연구원도 활성 탄소섬유(한국특허 0340591)를 개발하는 등 국내에서는 이 분야에 대한 연구 가 가장 활발하다. (주)장호는 상수도 고도처리 탄소섬유 필터(한국특허공개 2002-0024756), 화이버텍은 활성 탄소섬유층을 포함하는 금속섬유 필터(한국 특허공개 2002-0069053)를 개발하였으며, (주)유니테크 및 영성 산업도 각각 활성 탄소섬유(ACF)를 이용한 생활오수 및 공업용수 재활용시스템과 필터를 생산 판매하고 있다. - 26 -
Ⅲ. 기술특허정보 분석 1. 분석의 범위 및 방법 슈퍼섬유에 관한 특허동향 분석은 슈퍼섬유의 90% 이상을 점유하는 파라 아라미드섬유와 탄소섬유에 대해서 분석했다. 2. 국내 외 특허동향 가. 파라아라미드섬유 파라아라미드섬유에 관한 미국, 일본, 유럽 등의 총 특허건수는 1,754건에 달하고 1995년 이후의 특허자료를 다시 검색한 결과 미국 121건, 유럽 87건, 일본 504건 등 총 712건이었다. 동 기간 중에 일본의 특허 출원건수가 월등 히 많았으며, 이는 일본이 파라아라미드섬유의 용도개발에 가장 적극적이었 음을 의미한다. <그림 3-1>은 1995년 이후 주요 출원인별 특허건수를 나타내는데 세계 제 1위의 파라아라미드섬유 메이커인 듀폰사는 35건, 제2위의 테이진사가 42건 이었다. 일본의 Shin Kobe Eletric Machine사(38건), 스미토모 그룹(35건), 히타치(28건) 등 전기, 전자, IT 분야의 업체들이 파라아라미드섬유 주종 메 이커들과 비슷한 수준의 특허를 출원하고 있다. 이는 파라아라미드섬유의 용 도개발이 그만큼 활발하게 이루어지고 있음을 뜻하는 것으로 분석된다. 파라 아라미드섬유의 원조 개발자인 듀폰사의 특허 출원건수가 테이진사보다 적 은 것은 분석기간이 1995년 이후였기 때문이다. KISTI DB에 수록된 전체 특허에서 파라아라미드섬유로 명시된 특허만 검색한 결과는 듀폰사가 78건, 테이진사가 29건으로 듀폰사가 2배 이상의 특허를 출원하였음을 알 수 있다. 한국과학기술정보연구원의 KUPA 특허 DB를 사용하여 검색한 파라아라미 드섬유 관련 국내 특허건수는 총 92건이었다. 이중 국내 기업이 출원한 건수 는 코오롱 7건, 새한 2건, 청조엔지니어링 2건, 국민산업 1건, 현대자동차 1-27 -
건, 준별FRP산업 1건 등 합계 14건이었다. 나머지는 외국인 출원한 것으로 파라아라미드섬유의 원조 개발자인 듀폰사가 26건으로 가장 많았다. <그림 3-1> 1995년 이후 주요 출원인별 파라아라미드섬유 특허 출원건수 <그림 3-2>은 주요 출원인별 특허출원 건수를 나타낸 것이다. 1990년 이 후 국내 연도별 파라아라미드섬유 특허 출원건수도 꾸준한 증가세를 보이고 있다 이렇게 90년대 중반 이후부터 특허 출원건수가 늘어나고 있는 것은 우 리나라 기업에서도 파라아라미드섬유의 용도개발에 대한 관심을 갖기 시작 한 것으로 분석된다. <그림 3-2> 국내 주요 출원인별 파라아라미드섬유 특허 출원건수 - 28 -
나. 탄소 섬유 1981년부터 현재까지 출원된 탄소섬유 관련 특허의 전체 건수는 9,641건이 었다. <그림 3-3>는 국내 및 일본, 미국, 유럽에서 출원된 탄소섬유 관련 특 허를 출원 연도별로 검토한 결과로, 1981년부터 1990년까지는 출원건수가 꾸 준히 증가하여 1988년과 1989년에 각각 759건, 747건이 출원되었으며, 1990년 에는 770건으로 가장 많은 특허가 출원되었다. 하지만 그 후 특허건수는 감 소하기 시작하여 1996년에는 123건의 특허만이 출원되다가 1997년부터 건수 가 다시 출원건수가 증가하기 시작하여 2000년에는 465건의 특허가 출원되 고 있다. <그림 3-3> 출원 연도별 특허출원 동향(탄소섬유 전체) <그림 3-4>은 특허섬유 관련 전체 출원건수(9,641건)를 출원인별로 분류하 여 상위 10위까지만 살펴본 결과이다. 10위까지의 출원인 국적은 모두 일본 이었으며, 총 2,324건의 특허를 출원하여 전체 출원건수의 24%를 차지하고 있다. 출원인 중의 1위는 도레이사로 576건을 출원하였으며, 미쓰비시 레이 온, 오사카 가스 및 아사히켐사가 각각 418건, 229건, 210건을 출원하여 2위, 3위 및 4위를 차지하고 있다. - 29 -
<그림 3-4> 주요 출원인별 특허출원 동향(탄소섬유 전체) <그림 3-5>는 1981년부터 현재까지 국내에서 출원된 총 339건의 탄소섬유 관련 특허를 출원 연도별로 살펴봄으로서 20여 년간의 특허출원 동향을 검 토한 결과이다. 1980년대(1981 1990)에 출원된 특허건수와 1990년대(1991 2000)에 출원된 특허 건수를 비교해보면 1980년대에는 73건으로 총 출원건수 의 21.5%, 1990년대는 238건으로 총 출원건수의 70%를 차지하고 있다. 이 결 과는 국내에서 출원된 탄소섬유 관련 특허가 대부분 1990년대에 출원되었음 을 보여주며, 이 시기에 탄소섬유 관련 기술이 가장 활발히 연구되었음을 보 여주고 있다. <그림 3-5> 출원 연도별 특허출원 동향(한국) 국내에 출원된 탄소섬유의 주요 출원인 현황을 살펴보면, <그림 3-6>과 같 - 30 -
이 일본 기업인 미쓰비시 레이온과 도레이사가 각각 13건씩으로 가장 많은 출원을 하였다. 국내의 새한, 포항종합제철, 산업과학기술연구소 등이 각각 11건, 11건 및 10건으로 그 뒤를 잇고 있다. 하지만 일본의 미쓰비시 레온의 경우는 출원한 13건 중 10건은 1980년대에 출원된 특허이고 3건은 2000년대 들어 출원된 건수로 1990년대에는 국내에서 특허가 출원되지 않았다. 국내 기업들의 경우는 1990년부터 현재까지 각 기업들이 많지는 않지만 꾸준히 특허를 출원하고 있는 것으로 나타나, 탄소섬유에 대한 연구가 활발하지는 않지만 지속적으로 이루어지고 있음을 보여주고 있다. <그림 3-6> 주요 출원인별 특허출원 동향(한국) - 31 -
Ⅳ. 시장동향 및 전망 세계 산업용 섬유의 소비량은 2010년까지 연간 약 4% 이상의 성장률을 나 타낼 것으로 추정되며, 2010년의 소비량은 물량 면에서는 약 2,400만톤, 금액 으로는 약 1,400억불을 훨씬 상회할 것으로 전망되고 있는데, 대부분의 산업 용 섬유는 고가의 원료를 사용하고, 고도의 기술을 도입함으로써 물량보다는 금액 면에서 더 빠른 성장이 예상되고 있다. <표 4-1> 세계 산업용 섬유의 연도별, 용도별 수요추이(2000년) 산업용 섬유소재의 수요는 2000년 약 3,000억원 규모에서 2005년 약 1조원 규모로 연평균(2001 2005년) 31.7%의 높은 증가율을 나타낼 것으로 예상되 며, 소득수준 향상에 따라 가정용 등 인테리어용뿐만 아니라 산업의 다양화, 전문화에 따라 자동차, 건설 토목, 항공 우주분야 등에 필요한 고강력, 고내 열성, 고탄성 등 특수 기능 소재와 지구환경 보호용 고기능 섬유재료의 수요 가 확대될 것으로 예상된다. 전세계 고강도 고탄성의 극한성능을 나타내는 슈퍼섬유의 생산능력은 미국 이 42.7%, 일본이 29.0%, EU가 25.9 %를 차지하고 있으며, 기타 지역은 약 2.4% 수준에 불과하다. 특히 탄소섬유의 경우 일본이 전 세계 시장의 54.6 % 를 차지하고 있어 미국의 33.2 %에 비해 우위를 점하고 있는 실정이며 국내 극한성능 섬유의 수요는 <표 4-2>에서 보는바와 같이 1999년 4635만불 수준 - 32 -
에서 2005년 25,350만불 수준으로 5배이상 증가할 것으로 예상되며, 특히 sulfur-controlled super 섬유 및 carbon-based super섬유와 같이 신규 수요가 창출될 것으로 예상된다. <표 4-2> 국내 극한성능 섬유의 시장 현황 및 전망 유기계 슈퍼섬유의 경우는 과거 30여 년간 끊임없이 신제품이 개발되면서 발전해 왔다. 1971년의 Kevlar의 출시를 시작으로 1973년의 Technora, 1975 년의 Twaron, 1985년의 Vectran, 1988년의 다이니마, 그리고 1998년의 자일 론 등의 출시로 이어져 왔다. 그 생산량도 2001년에는 4만 톤을 상회하였고 앞으로 빠른 속도로 증가할 전망이다. 최근 유기계 슈퍼섬유 생산업계는 경쟁적으로 생산설비 증설에 박차를 가 하고 있다. 파라아라미드섬유 분야에 있어서는 미국의 듀폰사는 앞으로 Kevlar의 수요가 매년 10% 정도 증가할 것이라 전망하고 2001년의 리치몬 드(Richmond) 소재 공장의 설비증설에 이어 2002년에는 Chesterfield 소재 공장의 설비증설 계획을 발표했다. 일본의 테이진사는 최근 합병한 네덜란드 의 Akzo사의 Twaron 생산설비를 대폭 증설할 것이라 발표했다. 고강력 폴 리에틸렌섬유 분야에 있어서는 네덜란드의 DSM사는 2001년 Heelan 소재 다이니마 생산 공장의 600t/y 설비증설에 이어 금년(2003년)에 추가로 600t/y 설비증설 계획을 발표했다. 일본의 토요보사도 금년에 다이니마생산 설비를 - 33 -
500t/y 증설할 계획을 발표했다. 슈퍼섬유는 섬유산업이라기보다는 하이테크 신소재 산업의 성격이 더 강하 여 그 개발 및 활용은 새로 출현하는 다양한 하이테크 산업의 소재로 관심 거리가 되고 있어 하이테크 신제품의 유지기간과 에너지 및 자원절감, 지구 환경 보호 등의 관점에서 용도가 확대되고 있다. 슈퍼섬유의 지속적 용도개 발을 목적으로 극한 성능의 추구(강도나 탄성률), 새로운 기능의 부가 등이 계속 추구될 것이다. 압축 특성, 내피로성, 내구성 등을 비롯하여 표면, 계면 특성 등이 향상되어 갈 것이다. 슈퍼섬유의 가격은 아직은 범용섬유에 비해 10배 이상 높다는 것이 고가의 하이테크 제품에 그 용도가 집중될 수밖에 없는 이유이다. 최근 광섬유 케이 블, 핸드폰 등의 용도개발로 슈퍼섬유에 대한 수요가 늘어나고 있어 점차 가 격이 저렴화되는 추세이다. 슈퍼섬유의 생산은 미국, 유럽, 일본 등이 계속 주도할 것으로 보인다. 그 러나 슈퍼섬유를 이용한 다양한 용도개발은 우리도 참여하여 하이테크 산업 을 창출할 수 있는 분야라 생각된다. 이러한 관점에서 중국이 우리보다 한발 앞서 슈퍼섬유를 이용한 신제품 생산에 뛰어든 것이 관심사가 된다. 탄소섬유의 경우는 1990년대의 냉전 체제 종식과 세계적인 경기 침체 속에 서 그 수요가 감소하기 시작하였으나, 최근에는 탄소섬유의 수요를 다시 증 대시키기 위한 노력들이 활발히 이루어지고 있기 때문에 앞으로는 수요가 다시 증대하리라 기대하고 있다. 특히, 토목 산업 분야의 수요 확대가 이루 어질 경우에는 비약적인 발전이 예상된다. 탄소섬유의 수요 확대를 위한 노력들을 살펴보면, 우선 기술적인 면에서는 압축 강도 향상, 고탄성률화, 계면 제어, 가격 저하 및 성형 기술 진화 등의 기존의 PAN계 및 피치계 탄소섬유의 성능을 향상시킬 수 있는 방법 모색과 함께 고탄성률, 고열전도성 등의 특징을 갖는 메소페이스계 탄소섬유와 흡착 성능을 가진 활성 탄소섬유 및 PAN계 탄소섬유를 내염화처리한 내염섬유 등과 같이 기존 탄소섬유의 성능을 보다 향상시킨 탄소섬유도 개발되고 있 다. 또한, 응용 면에서는 항공 우주 분야와 고급 스포츠 용품 분야뿐만 아니 라 건재, 콘크리트 구조물 내진 보강 등의 토목 건축 분야, CNG 탱크, 풍 - 34 -
력 발전용 블레이드, 원심 분리 로터, 플라이 호일 등의 대체 에너지 클린 에너지 분야, 선박, 차량 등의 고속 운송 기기 분야, 해양 개발 심해저 유전 채굴 분야, 기기의 고성능화, 의료 복지 기기, 전기 전도 용도, 초내열 용도 등의 다양한 산업 분야에 적용하기 위해 각각의 용도에 적합하도록 성능을 개선 또는 향상시키려는 기술 개발이 활발히 진행되고 있다. <표 4-3> 탄소섬유 세계 수요 예측 자료: Yano Research Institute Ltd. 2002.3 이러한 노력들을 바탕으로 <표 4-1>에 표시된 바와 같이 세계 시장은 2005 년에는 약 16,000톤 규모의 탄소섬유 수요가 예측된다. 이것은 2,000엔/kg 기 준으로 3,000억 원 규모의 시장이다. 국내의 경우는 현재의 약 702톤/년 규 모에서 2005년 4,200톤, 800억 원 규모의 시장으로 확대될 전망이다. 하지만 국내의 경우는 탄소섬유 전량을 일본에서 수입하여 사용하고 있고, 응용 분 야도 스포츠 용품 분야에 대부분 치중해 있기 때문에, 국내 생산기술 확보와 응용분야의 다양화를 위한 노력이 우선적으로 이루어져야 할 것이라 생각된 다. - 35 -
Ⅴ. 결론 산업용 섬유는 성능 지향적이고 용도 지향적이기 때문에 섬유재료의 측면 에서는 성능의 지속적 향상이 요구되며 섬유제품은 필요한 용도에 필요한 성능을 갖도록 만드는 것이 중요하다. 그러나 고성능을 갖는 섬유가 만들어 졌다고 해서 만능적으로 모든 용도에 사용되는 것이 아니고 사용목적에 부 합되게 적재적소에 성능이 발휘될 수 있는 소재가 설계되어야만 필요한 용 도의 제품이 만들어질 수 있다. 그런 측면에서 볼 때 산업용 섬유는 단일 품 목으로 큰 시장을 가지고 있는 것도 있지만 대부분은 일정특성을 통해 보강 재나 대체재로서의 역할을 수행하여 다방면에서 고부가가치를 창출해내고 있다. 또한 의류용 섬유처럼 인체의 착용에 국한되어 사용되는 것이 아니고 전기 전자, 통신, 농업, 토목, 건축, 공업, 의료, 운송, 환경, 포장, 보호, 스포츠 등 거의 모든 산업 분야와 깊은 연관이 있기 때문에 관련 산업의 발달과 함께 산업용 섬유가 가지고 있는 경제적 성장 잠재력은 매우 크다고 하겠다. 최근 미국, 독일, 일본 등 선진국에서는 이들 산업용 섬유제품에 대한 인식 을 새롭게 하여 향후 국가의 주요산업으로 육성하여 나간다는 중장기 계획 을 수립하고 시행해 가고 있다. 우리나라도 산업용 섬유 발전을 위한 중장기 전략을 세우고 구체적 실행 계획을 세워 이들 나라들과 발맞추어 나아가지 않으면 차세대 핵심 부품 소재를 또 다시 선진국들에게 독점 당하여 산업적 으로 종속될 수밖에 없게 될 처지에 놓이게 될 위험성이 높다. 선진국의 경우 관련 산업 분야의 발달 정도가 우리나라에 비해 크고 용도 개발에도 제한이 없을 정도이지만 국내의 경우에는 산업용 섬유소재를 적용 하는 시장 자체가 작고 산업용 섬유제품의 가장 큰 특성인 최종 제품의 요 구 특성에 대한 정보가 미흡하여 산업용 섬유 기술 개발을 위한 투자를 결 정하는데 어려움이 따르고 있는 현실이다. 따라서 국내 타산업과의 활발한 교류에 의한 새로운 용도와 기준의 창출 및 그에 맞는 산업용 섬유 개발이 매우 중요하며 국가 차원에서의 정책적인 지원이 절실히 요구된다. - 36 -
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