글로벌 탄소섬유 기술 발전 분석

3.3 기관 분석

전 세계 탄소섬유 연구 논문 생산량이 가장 많은 상위 10개 기관은 모두 중국에 있으며, 그중 상위 5개 기관은 중국과학원, 하얼빈공업대학, 서북공업대학, 동화대학, 베이징항공우주대학입니다. 해외 기관 중에서는 인도공과대학, 도쿄대학교, 브리스톨대학교, 모나쉬대학교, 맨체스터대학교, 조지아공과대학이 10~20위권에 속합니다(그림 3).

특허 출원 건수 상위 30개 기관 중 일본은 5개 기관이 있으며, 그 중 3개가 상위 5위 안에 들었습니다. 도레이 회사가 1위를 차지했고, 그 다음으로 미쓰비시 리양(2위), 테이진(4위), 이스트 스테이트(10위), 일본 도요 섬유(24위) 순이었습니다. 중국은 21개 기관이 있으며, 시노펙 그룹이 특허를 가장 많이 출원하여 3위를 차지했습니다. 2위는 하얼빈 공업대학, 허난 케레터 케이블 회사, 동화대학, 중국 상하이 석유화학, 베이징 화학공업 등이며, 중국과학원 산시 석탄 출원 발명 특허가 66건으로 27위를 차지했습니다. 한국은 2개 기관이 있으며, 그 중 샤오싱 유한회사가 1위를 차지하여 8위를 차지했습니다.

산출기관을 살펴보면, 논문의 산출은 주로 대학과 과학연구기관에서 나오고, 특허의 산출은 주로 기업에서 나오는 것을 볼 수 있는데, 탄소섬유 제조는 첨단산업이며 탄소섬유 연구개발산업 발전의 주체로서 기업은 탄소섬유 연구개발기술의 보호를 매우 중시하고 있으며, 특히 일본의 2대 기업은 특허 수가 훨씬 앞서 있다.

3.4 연구 핫스팟

탄소 섬유 연구 논문은 탄소 섬유 복합재(탄소 섬유 강화 복합재, 고분자 매트릭스 복합재 등 포함), 기계적 특성 연구, 유한 요소 해석, 탄소 나노튜브, 박리, 보강, 피로, 미세 구조, 정전 방사, 표면 처리, 흡착 등 가장 많은 연구 주제를 다루고 있습니다. 이러한 키워드를 다루는 논문은 전체 논문 수의 38.8%를 차지합니다.

탄소 섬유 발명 특허는 탄소 섬유 제조, 생산 장비 및 복합 재료와 관련된 주제가 가장 많습니다. 그중 일본 도레이, 미쓰비시 리양, 테이진 등은 "탄소 섬유 강화 고분자 화합물" 분야에서 중요한 기술 레이아웃을 가지고 있으며, 도레이와 미쓰비시 리양은 "폴리아크릴로니트릴을 이용한 탄소 섬유 제조 및 생산 장비", "폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴 시안화물과 같은 불포화 니트릴을 이용한 탄소 섬유 제조" 등의 기술 분야에서 특허 레이아웃에서 높은 비중을 차지하고 있습니다. 일본 테이진은 "탄소 섬유 및 산소 화합물 복합 재료" 분야에서 특허 레이아웃에서 더 높은 비중을 차지하고 있습니다.

중국 시노펙 그룹, 베이징 화학대학, 중국과학원 닝보 재료는 "폴리아크릴로니트릴을 이용한 탄소 섬유 제조 및 생산 장비"의 특허 레이아웃에서 큰 비중을 차지합니다. 또한, 베이징 화학공정대학, 중국과학원 산시석탄화학연구소, 중국과학원 닝보 재료는 "무기 원소 섬유를 원료로 하는 고분자 화합물 제조" 기술의 레이아웃에서 특허 비중이 높습니다. 하얼빈 공업대학은 "탄소 섬유 처리", "탄소 섬유와 산소 함유 화합물 복합재" 등의 레이아웃 기술을 중점적으로 연구하고 있습니다.

또한, 전 세계 특허의 연간 통계 분포 통계를 보면, 최근 3년 동안 "주쇄에 카르복실레이트 결합 반응을 통해 얻은 폴리아미드 조성물", "주쇄에 1가 카르복실산 에스테르 결합을 형성하여 얻은 폴리에스터 조성물", "합성 재료를 기반으로 한 복합 재료", "탄소 섬유 복합 재료의 성분으로 산소 화합물을 함유하는 고리형 카르복실산", "직물 재료의 3차원 응고 또는 처리", "탄소-탄소 불포화 결합 반응만을 통해 불포화 에테르, 아세탈, 세미아세탈, 케톤 또는 알데히드를 제조하는 고분자 화합물", "단열재 파이프 또는 케이블", "인산 에스테르를 성분으로 하는 탄소 섬유 복합 재료" 등 여러 가지 새로운 핫스팟이 등장하기 시작했습니다.

최근 몇 년 동안 탄소 섬유 분야의 R&D가 활발하게 진행되고 있으며, 대부분의 획기적인 성과는 미국과 일본에서 나왔습니다. 최신 첨단 기술은 탄소 섬유 생산 및 제조 기술뿐만 아니라 경량화, 3D 프린팅, 발전 소재 등 자동차 소재의 광범위한 응용 분야에 초점을 맞추고 있습니다. 또한, 탄소 섬유 소재의 재활용 및 재활용, 목재 리그닌 탄소 섬유 제조 등에서도 눈부신 성과를 보이고 있습니다. 대표적인 성과는 다음과 같습니다.

1) 미국 조지아 공과대학교, 3세대 탄소섬유 기술 개발

2015년 7월, DARPA의 자금 지원을 받아 조지아 공과대학은 혁신적인 팬 기반 탄소 섬유 겔 방사 기술을 통해 탄성률을 크게 높여 현재 군용 항공기에 널리 사용되는 Hershey IM7 탄소 섬유를 능가했습니다. 이로써 일본에 이어 세계에서 두 번째로 3세대 탄소 섬유 기술을 완성한 국가가 되었습니다.

쿠마르즈(Kumarz)에서 제조한 겔 방사 탄소 섬유의 인장 강도는 5.5~5.8Gpa에 달하며, 인장 탄성률은 354~375gpa입니다. "이 섬유는 종합적인 성능 측면에서 가장 높은 강도와 ​​탄성률을 가진 것으로 보고된 연속 섬유입니다. 짧은 필라멘트 다발의 경우 인장 강도가 최대 12.1Gpa로, 폴리아크릴로니트릴 탄소 섬유 중 가장 높습니다."

2) 전자파 가열 기술

2014년, 네도는 전자파 가열 기술을 개발했습니다. 전자파 탄화 기술은 대기압에서 전자파 가열 기술을 이용하여 섬유를 탄화하는 기술입니다. 얻어진 탄소 섬유의 성능은 고온 가열로 생산된 탄소 섬유와 기본적으로 동일하며, 탄성률은 240GPA 이상, 파단 신율은 1.5% 이상으로 세계 최초의 성공 사례입니다.

섬유형 소재는 전자기파를 이용하여 탄화되므로 고온 가열에 사용되는 탄화로 장비가 필요하지 않습니다. 이 공정은 탄화에 필요한 시간을 단축할 뿐만 아니라 에너지 소비를 줄이고 CO2 배출량을 줄입니다.

3) 탄화 공정의 정밀 제어

2014년 3월, 도레이는 t1100g 탄소 섬유 개발에 성공했다고 발표했습니다. 도레이는 기존의 팬 용액 방사 기술을 이용하여 탄화 공정을 미세하게 제어하고, 탄소 섬유의 미세 구조를 나노 단위로 개선하며, 탄화 후 섬유 내 흑연 미세 결정 배향, 미세 결정 크기, 결함 등을 제어하여 강도와 탄성률을 크게 향상시켰습니다. t1100g의 인장 강도는 6.6GPa로 T800보다 12% 향상되었으며, 탄성률은 324GPa로 10% 향상되어 산업화 단계에 진입했습니다.

4) 표면처리 기술

테이진 이스트 스테이트(Teijin East State)는 탄소 섬유의 외관을 단 몇 초 만에 제어할 수 있는 플라즈마 표면 처리 기술을 개발하는 데 성공했습니다. 이 신기술은 기존 전해질 수용액 표면 처리 기술 대비 전체 생산 공정을 크게 간소화하고 에너지 소비를 50% 절감합니다. 또한, 플라즈마 처리 후 섬유와 수지 매트릭스의 접착력도 향상되는 것으로 나타났습니다.

5) 고온흑연환경에서 탄소섬유 인장강도 유지율에 관한 연구

닝보 소재는 국내 고강도, 고모드 탄소섬유의 공정 분석, 구조 연구 및 성능 최적화에 대한 세부 연구를 성공적으로 수행했으며, 특히 고온 흑연 환경에서 탄소섬유 인장강도 유지율에 대한 연구 작업을 수행했으며, 최근 인장강도가 5.24GPa, 인장탄성률 체적은 593GPa인 고강도, 고탄성률 탄소섬유를 성공적으로 제조했습니다. 이는 일본의 도레이 m60j 고강도 고성형 탄소섬유(인장강도 3.92GPa, 인장탄성률 588GPa)와 비교해도 인장강도 측면에서 우위를 유지하고 있습니다.

6) 마이크로파 흑연

용다 첨단 소재는 미국 독점 특허 초고온 흑연 기술을 성공적으로 개발하여 중·고차 탄소 섬유를 생산함으로써 고차 탄소 섬유 개발의 세 가지 병목 현상을 성공적으로 극복했습니다. 흑연 장비는 고가이고 국제적인 통제를 받고 있으며, 생사 화학 기술은 어렵고 생산 수율은 낮고 원가는 높습니다. 용다는 현재까지 세 가지 종류의 탄소 섬유를 개발했으며, 이 모든 기술은 기존 저급 탄소 섬유의 강도와 탄성률을 새로운 차원으로 끌어올렸습니다.

7) 독일 프라운호퍼 연구소가 개발한 팬 기반 탄소섬유 원사의 용융방사 신공정

프라운호퍼 응용고분자연구소(응용고분자연구소, IAP)는 2018년 4월 25일과 29일 베를린 에어쇼(Ila)에서 최신 Comcarbon 기술을 선보일 예정이라고 최근 발표했습니다. 이 기술은 대량 생산되는 탄소 섬유의 생산 비용을 크게 절감합니다.

그림 4 원사 용융 방사.

기존 공정에서는 팬 기반 탄소 섬유 생산 비용의 절반이 원사 생산 공정에 소요된다는 것은 잘 알려진 사실입니다. 원사는 용융되지 않기 때문에 고가의 용액 방사 공정(Solution Spinning)을 통해 생산해야 합니다. "이를 위해 저희는 원사 생산 비용을 60%까지 절감할 수 있는 팬 기반 원사 생산을 위한 새로운 공정을 개발했습니다. 이는 특별히 개발된 용융 팬 기반 공중합체를 사용하는 경제적이고 실현 가능한 용융 방사 공정입니다."라고 프라운호퍼 IAP 연구소 생물고분자부 장관인 요하네스 간스터 박사는 설명했습니다.

8) 플라즈마 산화 기술

4M 카본 파이버는 단순히 기술 라이선스를 받는 것이 아니라, 플라즈마 산화 기술을 활용하여 고품질 저비용 탄소 섬유를 제조 및 판매할 것이라고 발표했습니다. 4M은 플라즈마 산화 기술이 기존 산화 기술보다 3배 빠르면서도 에너지 사용량은 기존 기술의 3분의 1 미만이라고 주장합니다. 이러한 주장은 여러 국제 탄소 섬유 생산업체의 검증을 받았으며, 세계 최대 규모의 탄소 섬유 제조업체 및 자동차 제조업체들과 협력하여 저비용 탄소 섬유 생산을 주도하는 기업으로 참여하고 있습니다.

9) 셀룰로오스 나노섬유

일본 교토대학교는 토요타의 최대 공급업체인 전기 설비 회사와 다이쿄니시카와(주) 등 주요 부품 공급업체들과 협력하여 셀룰로스 나노섬유를 결합한 플라스틱 소재 개발을 진행하고 있습니다. 이 소재는 목재 펄프를 수 미크론(1,000mm당 1개) 크기로 분쇄하여 만들어집니다. 이 신소재의 무게는 강철의 5분의 1에 불과하지만 강도는 강철의 5배에 달합니다.

10) 폴리올레핀과 리그닌 원료의 탄소섬유 전면체

미국의 오크리지 국립연구소에서는 2007년부터 저비용 탄소섬유 연구를 진행해 왔으며, 폴리올레핀 및 리그닌 원료용 탄소섬유 전면체 개발, 첨단 플라즈마 전산화 및 마이크로파 탄화 기술 등을 개발했습니다.

11) 내화처리를 제거하여 새로운 폴리머(전구체 폴리머)를 개발하였다.

도쿄대학교가 주도하는 제조 방법에서 내화 처리를 제거하기 위한 새로운 폴리머(전구체 폴리머)가 개발되었습니다. 주요 요점은 폴리머를 실크로 방사한 후 원래의 내화 처리를 하지 않고 용매에서 산화시키는 것입니다. 그런 다음 마이크로파 가열 장치를 1000℃ 이상으로 가열하여 탄화시킵니다. 가열 시간은 2~3분에 불과합니다. 탄화 처리 후 플라즈마를 사용하여 표면 처리를 수행하여 탄소 섬유를 만들 수 있습니다. 플라즈마 처리는 2분 이내에 완료됩니다. 이러한 방식으로 30~60분의 기존 소결 시간을 약 5분으로 단축할 수 있습니다. 새로운 제조 방법에서는 플라즈마 처리를 수행하여 CFRP 기본 재료인 탄소 섬유와 열가소성 수지의 접합을 개선합니다. 새로운 제조 방법으로 제조된 탄소 섬유의 인장 탄성률은 240GPa, 인장 강도는 3.5GPa, 신율은 1.5%에 이릅니다. 이러한 수치는 스포츠용품 등에 사용되는 도레이 유니버설급 탄소섬유 T300과 동일한 수준입니다.

12) 유동층 공정을 이용한 탄소섬유 소재의 재활용 및 활용

이 연구의 제1저자인 멩란 멩(Mengran Meng)은 "탄소 섬유 회수는 원재료 탄소 섬유 생산에 비해 환경에 미치는 영향을 줄이지만, 잠재적인 재활용 기술과 탄소 섬유 재활용의 경제적 타당성에 대한 인식은 제한적입니다."라고 말했습니다. "재활용은 두 단계로 진행됩니다. 먼저 탄소 섬유 복합재에서 섬유를 회수하여 기계적 분쇄 재료나 열분해 또는 유동층 공정을 통해 열분해해야 합니다. 이러한 방법을 통해 복합재의 플라스틱 부분을 제거하고 탄소 섬유만 남게 되며, 이 탄소 섬유는 습식 제지 기술을 사용하여 엉킨 섬유 매트로 변환하거나 방향성 섬유로 재조직화할 수 있습니다.

연구진은 유동층 공정을 통해 탄소 섬유 복합재 폐기물에서 탄소 섬유를 회수할 수 있으며, 1kg당 5달러의 비용과 1차 탄소 섬유 제조에 필요한 에너지의 10% 미만으로 탄소 섬유를 회수할 수 있다고 계산했습니다. 유동층 공정으로 생산된 재활용 탄소 섬유는 탄성 계수가 거의 감소하지 않으며, 인장 강도는 1차 탄소 섬유에 비해 18%에서 50%까지 감소하여 강도보다는 높은 강성이 요구되는 분야에 적합합니다. 멩은 "재활용 탄소 섬유는 자동차, 건설, 풍력, 스포츠 산업과 같이 경량화가 요구되는 비구조적 분야에 적합할 수 있습니다."라고 말했습니다.

13) 미국에서 탄소섬유 재활용 신기술 개발

2016년 6월, 미국 조지아 공과대학의 연구진은 에폭시 수지를 용해하기 위해 알코올이 포함된 용매에 탄소섬유를 담갔고, 분리된 섬유와 에폭시 수지는 재사용이 가능해져 탄소섬유 회수에 성공했습니다.

2017년 7월, 워싱턴 주립 대학도 탄소 섬유 회수 기술을 개발했습니다. 이 기술은 약산을 촉매로 사용하고, 비교적 낮은 온도에서 액체 에탄올을 사용하여 열경화성 재료를 분해하며, 분해된 탄소 섬유와 수지를 별도로 보관하여 재생산할 수 있습니다.

14) 미국 LLNL 연구실에서 3D 프린팅 탄소섬유 잉크 기술 개발

2017년 3월, 미국 로렌스 라이브모어 국립연구소(LLNL)는 최초의 3D 프린팅 고성능 항공기용 탄소 섬유 복합재를 개발했습니다. LLNL은 직접 잉크 투과(DIW) 방식의 3D 프린팅 방식을 사용하여 복잡한 3차원 구조를 제작했으며, 이를 통해 자동차, 항공우주, 국방, 오토바이 경기 및 서핑에 사용될 처리 속도가 크게 향상되었습니다.

15) 미국, 한국, 중국, 발전용 탄소섬유 개발 협력

2017년 8월, 미국 텍사스대학교 댈러스 캠퍼스, 한국 한양대학교, 중국 난카이대학교 등 여러 기관들이 발전용 탄소 섬유 원사 소재 개발에 협력했습니다. 원사를 소금물과 같은 전해질 용액에 담가두면 전해질 내 이온이 탄소 나노튜브 표면에 부착되고, 원사를 팽팽하게 당기거나 늘릴 때 전기 에너지로 변환됩니다. 이 소재는 안정적인 운동 에너지가 있는 곳이면 어디든 사용할 수 있으며, IoT 센서에 전력을 공급하는 데 적합합니다.

16) 중국과 미국이 각각 목재 리그닌 탄소섬유 연구에 새로운 진전을 이루었다

2017년 3월, 닝보 재료기술연구소 특수 섬유팀은 에스테르화 및 자유라디칼 공중합 2단계 개질 기술을 이용하여 방사성과 열 안정성이 우수한 리그닌-아크릴로니트릴 공중합체를 제조했습니다. 공중합체 및 습식 방사 공정을 통해 고품질 연속 필라멘트를 얻었고, 열 안정화 및 탄화 처리를 거쳐 컴팩트 탄소 섬유를 생산했습니다.

2017년 8월, 미국 워싱턴 대학교의 비르기테 아링 연구팀은 리그닌과 폴리아크릴로니트릴을 다양한 비율로 혼합한 후 용융 방사 기술을 이용하여 혼합 고분자를 탄소 섬유로 전환했습니다. 이 연구는 리그닌을 20~30% 첨가해도 탄소 섬유의 강도에 영향을 미치지 않음을 확인했으며, 자동차 또는 항공기 부품용 저비용 탄소 섬유 소재 생산에 활용될 것으로 기대했습니다.

2017년 말, 미국 국립 재생에너지연구소(NREL)는 옥수수 짚이나 밀짚과 같은 식물의 폐기물을 이용하여 아크릴로니트릴을 제조하는 연구를 발표했습니다. 연구진은 먼저 식물 재료를 당으로 분해한 후, 이를 산으로 전환하고, 이를 저렴한 촉매와 결합하여 목표 생성물을 생산합니다.

17) 일본, 탄소섬유 강화 열가소성 복합소재 자동차 섀시 최초 개발

2017년 10월, 일본 신에너지 산업기술 종합연구개발기구와 나고야대학교 국립복합소재연구센터는 세계 최초로 탄소 섬유 강화 열가소성 복합소재 자동차 섀시를 개발하는 데 성공했습니다. 연구팀은 장섬유 강화 열가소성 복합소재를 자동 온라인 직접 성형 공정을 통해 탄소 섬유와 열가소성 수지 입자를 연속 혼합하여 섬유 강화 복합소재를 제조한 후, 가열 용융 접합을 통해 열가소성 CFRP 자동차 섀시를 성공적으로 생산했습니다.

5. 중국 탄소섬유 기술 연구개발에 대한 제안

5.1 미래지향적 레이아웃, 목표지향적, 탄소섬유 3세대 기술 혁신에 집중

중국의 2세대 탄소섬유 기술은 아직 전면적인 혁신을 이루지 못했습니다. 우리나라는 미래지향적인 레이아웃을 취하여 관련 연구기관을 하나로 모으고 핵심기술을 확보하는 데 주력해야 하며, 3세대 고성능 탄소섬유 제조기술 연구개발(항공우주에 적용 가능한 고강도, 고탄성 탄소섬유 기술)과 자동차, 건설 및 수리 등에 사용되는 경량, 저비용 대형 견인 탄소섬유 제조, 적층 제조 기술 탄소섬유 복합재료, 재활용 기술 및 신속한 프로토타입 제작 기술 등에 중점을 두어야 합니다.

5.2 협력연구를 지속적으로 지원하기 위한 조직 조정, 지원 강화, 주요 기술사업 설정

현재 중국에는 탄소섬유 연구를 수행하는 기관이 많지만, 그 권한이 분산되어 있고, 통일된 연구개발 조직 체계와 효과적인 협력을 위한 강력한 자금 지원이 부재합니다. 선진국의 발전 경험을 볼 때, 중대 프로젝트의 조직 및 배치는 이 기술 분야의 발전을 촉진하는 데 중요한 역할을 합니다. 중국의 우세 연구개발력에 집중하고, 중국 탄소섬유의 획기적인 연구개발 기술을 고려하여 중대 프로젝트를 추진하며, 협력적인 기술 혁신을 강화하고, 중국의 탄소섬유 연구 기술 수준을 지속적으로 향상시켜 국제 탄소섬유 및 복합재 시장에서 경쟁해야 합니다.

5.3 기술적 성과의 응용효과성 평가 메커니즘 개선

SCI 논문 계량경제 분석 관점에서 볼 때, 중국의 탄소 섬유는 고강도 고성능 소재로서 다양한 연구 분야에 활용되고 있습니다. 하지만 탄소 섬유 생산 및 제조 기술은 비용 절감과 생산 효율 향상에 중점을 두고 있으며, 연구의 한계를 극복해야 합니다. 탄소 섬유 생산 공정은 길고, 기술 핵심 요소가 높으며, 생산 장벽이 높습니다. 다학제, 다기술 융합이 필요한 탄소 섬유는 "저비용 고성능" 핵심 제조 기술 연구개발을 효과적으로 촉진하기 위해 기술적 장벽을 극복해야 합니다. 연구 투자를 강화하는 동시에, 과학 연구 성과 평가 분야를 약화시키고, 기술 성과의 적용 효과 평가 지침을 강화하며, 논문 발표에만 집중하는 "정량적" 평가에서 연구 결과의 가치를 중시하는 "질적" 평가로 전환해야 합니다.

5.4 첨단기술 복합인재 양성 강화

탄소섬유 기술의 하이테크 속성은 전문 인재의 중요성을 결정하며, 첨단 핵심 기술 인력을 보유하고 있는지 여부는 기관의 R&D 수준을 직접적으로 결정합니다.

탄소 섬유 기술 R&D 연계를 위해서는 모든 연계의 조율과 발전을 보장하기 위해 복합재 관련 인력 양성에 주의를 기울여야 합니다. 또한, 중국 탄소 섬유 연구 발전사를 살펴보면 기술 핵심 전문가의 유입이 연구 기관의 R&D 수준에 영향을 미치는 핵심 요인인 경우가 많습니다. 핵심 전문가와 R&D팀이 생산 공정, 복합재 및 주요 제품에 대한 집중력을 유지하는 것은 지속적인 기술 발전을 위해 중요합니다.

우리는 이 분야의 전문화된 첨단기술 인력의 양성과 활용을 지속적으로 강화하고, 기술연구개발 인재에 대한 평가와 처우 정책을 개선하며, 젊은 인재 양성을 강화하고, 외국 선진연구기관과의 협력과 교류를 적극 지원하고, 외국 선진인재를 적극 도입해야 합니다. 이는 중국 탄소섬유 연구 발전을 촉진하는 데 큰 역할을 할 것입니다.
인용 -
세계 탄소섬유 기술 발전과 중국에 대한 이해 분석. 톈야쥐안, 장즈창, 타오청, 양밍, 바진, 천윈웨이.세계과학기술연구개발2018