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탄소소재는 ‘21세기 산업의 쌀’로 불린다. 자동차, 항공, 우주, 조선, 건축, 의료, 레저·스포츠 등 거의 모든 부문이 탄소를 빼놓고는 미래의 발전을 이야기할 수 없다. 그러나 우리나라는 탄소에 대한 눈이 늦게 트인 편이다. 세계에서 6번째 탄소섬유 소비국이지만 자체기술 개발에 뛰어든 것은 불과 10여 년 전이다. 그나마 다행인 것은 이처럼 중요한 탄소섬유를 전북이 꿰차고 있다는 것이다. 기술발전과 성장도 빨라서 이제는 세계에서 3번째로 탄소섬유를 자체 생산하는 나라가 됐다. 전북의 대표산업으로 떠오르고 있는 탄소산업에 대해 알아보자.

△탄소 소재

탄소는 자연계에 널리 존재하는 원소로 이미 오래 전부터 숯이나 먹과 같은 재료로 활용돼 왔다. 최근에는 금속, 세라믹, 고분자와 더불어 4대 첨단소재로 불리며 산업, 의료, 레저 등 다양한 분야에 활용되고 있다.

‘탄소소재’는 학술 및 산업분야에서 탄소섬유, 인조흑연, 카본블랙, 활성탄, 탄소나노튜브, 인조 다이아몬드 등 6가지로 분류된다. 탄화과정 및 흑연화 과정에 따라서 다양한 내부구조 변화를 보이며, 이러한 내부구조 변화에 따라서 탄소소재의 고유 특성이 달라진다. 내부구조에 따른 기계적 특성 및 열적 특성에 따라 응용분야가 다르고 산업적 가치도 달라진다.

탄소는 극한소재로서 지구상의 모든 물질 중에서 가장 열에 강하고(인조흑연), 경도 등 기계적 물성이 가장 강하며(인조 다이아몬드), 비표면적이 가장 넓어 흡착특성이 가장 큰 소재(활성탄)고, 현재보다 만 배 이상 집적도가 높은 테라급 칩을 만들 수 있는 나노소재로 국방·의학·항공·우주 및 생물학에서 많은 활용이 가능하다(탄소나노튜브, 그래핀).

△탄소의 특성과 용도

탄소섬유의 인장강도는 3.5~12GPA (기가 파스칼)로서 철의 인장강도 300~ 700MPa(메가파스칼)과 비교하면 10배 정도 수준이다. 또 비강도(단위중량 당 강도)와 탄성(외부 힘에 의해 변형되었다가 복원되는 성질) 수치가 스테인리스나 알루미늄에 비해 월등히 높아서 가벼우면서도 높은 기계적 물성이 요구되는 자동차, 항공, 토목, 기계, 석유산업 분야 등에서 필요로 하는 고기능성 구조물 을 만들 수 있다.

탄소섬유는 이러한 특성 이외에도 금속에 비해 진동 감쇄성이 우수해서 골프채, 로봇부품, 고속운동기계 부품 등에 효과적인 기능을 발휘한다.

또한 전기 및 열 전도성이 높고, 전기 인가(power supply)때 원적외선 발열특성이 있어서 이러한 특성들을 응용한 의류와 난방기기, 전자파 차폐 및 정전기 방지 외장재 등의 제품들이 시판되고 있다.

X선 감쇄율이 알루미늄의 1/7 수준에 불과하기 때문에 의료 분야에서는 인체에 부담이 적도록 X선 강도를 낮추는 목적으로 탄소섬유가 적용된 제품이 사용되고 있다.

△탄소섬유 산업

우리나라의 연간 탄소섬유 소비는 약 2700톤, 1100억원 규모로 세계에서 6번째 소비국이다. 복합재 시장까지 포함할 경우 연간 8600억 원 수준에 달한다. 탄소섬유 관련 업체는 200여개이며, 이 중 탄소섬유를 수입하여 사용하는 업체가 약 45개이고 나머지 150여개 업체는 한국카본과 SK케미칼에서 생산되는 탄소섬유 프리프레그(탄소섬유에 수지를 배합하여 바로 제품가공에 사용할 수 있는 중간재)를 사용하여 낚시대와 골프채, 건축재료, 구조재 등을 만들고 있다. 한국카본과 SK케미칼을 포함한 원사 가공업체 등에서 2013년 기준으로 연간 약 2700톤 규모의 탄소섬유 원사를 사용하고 있으며, 관련 복합재 완제품 업체도 꾸준한 성장세를 보이고 있다. 따라서 탄소섬유 수입이 연평균 15%씩 증가하고 있다.

△미래의 탄소산업

탄소 소재는 미래를 여는 만능키로 불릴 만큼 전 세계적으로 관심을 받고 있다. 연비 110 km/L를 자랑하는 폭스바겐의 XL1 (풀카본 자동차), 미국에서 선풍적 인기몰이를 하고 있는 테슬러사의 전기자동차 등이 모두 탄소섬유를 이용한 제품이다. 보잉 787 및 에어버스사의 차세대 항공기인 A350도 약 70% 이상을 탄소섬유 제품으로 제조한 것이다. 또한 군수분야에서 탄소제품 기술은 한 국가의 군사력을 결정하는 핵심척도이다.

신재생에너지의 총아로 불리는 풍력발전에서도 탄소 기술을 빼놓을 수 없다. 설비용량이 예전의 750kW~ 2MW 수준에서 3MW~5MW 이상으로 커지면서 약 40m였던 블레이드 길이가 80m 정도로 길어지고 있어 탄소섬유 블레이드에 대한 연구 및 양산화 개발이 추진 중에 있다.

△탄소산업의 메카 전북

한국탄소융합기술원과 (주)효성이 공동 연구개발을 통하여 탄소섬유 양산화에 성공함으로써 전주시 팔복동에 탄소섬유공장을 세우고 지난해 6월부터 연간 2000톤 규모의 PAN계 탄소섬유를 생산하고 있다. 향후 2020년까지 1조2000억 원 규모의 탄소섬유 생산설비를 갖추고 연간 1만7000톤을 생산할 계획이다. 전북의 탄소산업이 전 세계로 성장해 나가는 매우 중요한 시점이 될 것이다.

또한 GS칼텍스는 올해 한국탄소융합기술원에 피치계 탄소섬유 연구소를 설치할 계획이며, 연간 50톤 규모의 파일롯 공장을 짓고 있다. OCI는 군산에 70톤 규모의 석탄계 피치를 이용한 탄소섬유 파일롯 공장을 설치해 석유계 피치를 이용하는 GS칼텍스와 국내외 활성탄소섬유시장 선점을 위해 경쟁중이다.

전북은 이제 PAN계 탄소섬유(효성)와 석유계 피치 탄소섬유(GS칼텍스), 그리고 석탄계 피치 활성탄소섬유(OCI)에 관한 자체기술을 보유하고 생산하는 탄소섬유 선진도시로 성장하고 있다.

한편, 탄소섬유는 어떤 원료를 사용하느냐에 따라서 폴리아크릴로나이트릴(Polyacrylonitrile, PAN)계와 피치(Pitch)계로 나뉜다. 폴리아크릴로나이트릴계는 일본과 미국, 유럽시장을 중심으로 확대되고 있으며, 주로 항공기와 자동차의 경량화 및 압력용기 부품, 건축 내진보강강재 등 산업용 수요가 증가하고 있다. 피치계 탄소섬유는 저가의 제품으로 경제성이 높고 구조제어가 용이해 상업적으로 많이 사용되고 있다.

△한국탄소융합기술원

한국탄소융합기술원은 2002년 개원이래, 탄소소재 원천기술 뿐만 아니라 자동차, 항공, 해양, 신재생에너지, 연료전지 등 다양한 분야에 대한 실용화 기술을 연구하고 있다.

탄소소재 제조/성형/가공 장비의 일률적 확보를 통해 중소기업의 어려움을 해결하고, 공동연구를 통해 우수 선도기업을 육성하는 등 미래의 먹을거리 산업을 준비하기 위해 산학연 공동연구개발을 추진하고 있다. 특히, 최근에는 탄소산업연구회를 발족하여, 산학연 네트웍을 강화하고 국내외에서 꾸준한 연구와 실용화를 추진하고 있다. 독일의 프라운호퍼 ICT 연구소, 미국 텍사스 주립대 나노연구소, 일본 니시노 연구소 등과 국제적 연구 네트웍을 견고하게 구축하고 공동연구를 진행하고 있으며, 탄소소재 기업 및 자동차 기업 및 연구소 등과 실용화 연구를 적극 추진하고 있다.