수소경제 위협하는 탄소섬유에 대한 깊은 관심을 가질 때다

이규홍 대표이사 | 기사입력 2019/08/14 [10:59]

수소경제 위협하는 탄소섬유에 대한 깊은 관심을 가질 때다

이규홍 대표이사 | 입력 : 2019/08/14 [10:59]

8월 7일 일본은 한국을 화이트 리스트(백색국가)에서 제외시켰으면서도 수출규제에 개별허가품목을 추가하지 않아 일단 숨통은 트이는 모습이지만 불씨는 남아있다. 언제 어느 때 어떤 상황으로 변할지 모르기 때문이다.

 

충주는 조길형 시장이 수소의 메카로 특화시키겠다는 의지를 나타낸 바 있고 수소자동차 연료전지에 대한 기대감을 높이고 있다.

 

그러나 수소연료전지를 만드는데 필요한 탄소섬유가 일본 수입규제품목으로 거론되고 있기 때문에 여기에 대한 대책이 절실히 필요한 시점이다. 이에 대해 알아본다. <편집자 주>

 

 

◇ 탄소섬유란

 

현대 모비스가 충주기업도시에 둥지를 틀고 수소차 공장을 설립함으로서 촉발된 충주의 수소경제 핵심 축으로 자리 잡은 것이 수소연료전지 넥소다.

 

이러한 수소연료전지 넥소에는 4차 산업혁명에 주요자원으로 활용될 수 있는 탄소섬유로 된 부품이 들어가게 된다.

 

그러나 현대차 수소연료전지부품 중 수소연료탱크 핵심 소재를 일본 도레이사에서 수입하고 있었는데 한국이 이번 백색국가에서 제외가 되고난 후 결정에서는 아직 제재하지는 않았지만 앞으로 일본이 어떻게 나올지 몰라 전전 긍긍하고 있는 형태다. 이는 백색국가 제제에도 도레이사가 포함되어 있기 때문이다.

 

일본이 국제적 여론이나 한국에 보복성제재 조치가 아니라는 것을 강조하기 위해 처음 반도체 생산에 들어가는 애칭가스(불화수소), 포토레지스트(PR, 감광액), 플루오린 폴리이미드 등 3개 소재 중 포토레지스트(PR, 감광액)의 수출을 허가했고 백색국가(화이트 리스트) 제외 이외에 특별히 제재하겠다는 내용이 없어 당분간 백색 국가 제외로 인한 수출허가 문제만 통과하면 별 문제가 없을 것으로 보인다.

 

그러나 일본과 한국이 점점 대립상태를 보이고 있어 앞으로 이 문제가 어떻게 귀결될지는 아무도 모르는 상태가 된 것이다. 그러니 탄소섬유에 대한 문제를 해결하지 못한 상태에서는 안심할 수 없는 것이다.

 

그렇다면 탄소섬유가 무엇인가부터 알아야한다.

 

탄소섬유란 셀룰로스, 아크릴 섬유, 비닐론패치 등 유기고분자 섬유를 약 1,000~3,000℃로 소성하면 생성된다.

 

이는 비강도, 비탄성율 중 비탄성률이 높은 것이 특징이며 수지로 굳히면 가볍고 변형이 잘되지 않고 내열성, 내충격성이 뛰어나며 해충에 대한 저항성이 크다.

 

고분자 섬유를 가열하는 과정에서 산소, 수소, 질소 등의 분자가 빠져나가 중량이 감소되므로 금속(알루미늄)보다 가볍고 탄성과 강도가 뛰어나다.

 

탄소섬유(carbon, fiber)는 직경이 10마이크로미터 내외로 극히 가늘지만 강성도가 높고 고온과 화학물질에 대한 내성이 우수하고 열팽창이 적기 때문에 항공기, 자동차, 스포츠용품, 낚시대, 골프채, 테니스라켓과 나아가서는 항공우주산업(내열제, 항공기 동체)자동차, 토목건축(경량제, 내장제)전기전자, 통신(안테나), 환경산업(공기정화기, 정수기) 등 각 분야에 고성능 산업용 소재로 널리 쓰이게 되는 것이다.

 

1996년 충북대학교 안전공학과 연구팀이 활성탄소섬유를 이용한 악취제거장치 개발에 착수 현재 완성단계에 이렀다.

 

흡착제로 활성탄을 사용할 때보다 흡착능력이 뛰어나 한꺼번에 많은 양을 처리할 수 있는 이점이 있어 시설비가 절감되고 유해물질을 효과적으로 제거함으로서 사업장의 환경을 크게 개선할수 있기에 앞으로 기대가 큰 연구이다.

 

탄소섬유는 강철보다도 4배 더 가볍지만 강도는 10배 정도 강해 혁신적인 경량화 소재로 주목 받고 있는 것이다.

 

요즘 고급자전거에도 탄소섬유를 이용하여 가벼운 자전거를 만들어 내고 있다.

 

탄소섬유 탄소화과정을 살펴보면 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, PAN)이라는 탄소, 질소 화합물을 가열해서 만드는데 PAN을 섭씨 300도로 가열하면 고리형태의 아크릴 섬유가 되는데 이것을 비활성 기체안에 넣고 섭씨 700도를 더 가열하면 고리의 탄소 원자에 붙어있던 수소가 날아가며 탄화과정을 이끄는데 이것이 탄소필라멘트 즉 탄소섬유의 기본단위다.

 

이 필라멘트 가닥은 개별적으로 떨어져 있고 너무 가늘기 때문에 서로 결합하게 하기위해 섭씨 400~600도 더 가열하여 결합을 이끈다. 이런 결합이 탄소섬유다.

 

 

◇ 수소차와 탄소섬유

 

철 보다 4배 더 가볍고 10배 더 강해 미래 꿈의 소재로 불리는 탄소섬유는 미래 자동차로 각광받고 있는 수소전기차의 중요한 부품인 수소 연료 탱크를 제작하는데 사용된다.

 

수소는 자칫 폭발의 위험성을 가지고 있기 때문에 철보다 10배 더 강한 탄소섬유를 쓰고 있다. 안전성을 염두에 둔 것이다.

 

또한 앞으로 미래 차량들은 연료절감 등의 이유로 차량을 가볍게 해야하기 때문에 탄소섬유의 쓰임새는 더 커질 전망이다.

 

또한 압축천연가스(CNG)의 고압용기 제작에도 탄소섬유가 쓰이게 되는데 그 수요는 폭발적으로 늘어날 것으로 예측하고 있다. 이러한 탄소섬유에 대한 이용도가 높아지고 특히 수소차의 수소연료저장장치에 탄소섬유가 사용되고 있기 때문에 현대 모비스 측도 긴장하지 않을 수 없는 것이다. 또한 충주시도 조길형 시장이 수소경제에 대한 기대감을 높이고 있는 상황에서 일본의 경제제재가 자동차 분야에 쏠리고 있다는 점도 탄소섬유에 대한 관심을 가지지 않을 수 없게 하는 것이다.

 

충주시는 현대 모비스에서 수소연료전기 넥소를 생산하는 제 2공장을 준공한 이래 수소전기차에 대한 관심과 수소경제에 대한 기대감이 한껏 높아지고 있는 상태다.

 

정부 역시 수소경제가 앞으로 미래 먹거리가 될 수 있다는 판단아래 수소에 대한 관심이 커지면서 지난해 1,800대 수준에 머물러 있는 수소전기차를 2022년까지 8만 1천대까지 끌어올리고 2040년대 까지는 약 620만대까지 확대할 방침을 세우고 있다.

 

그러한 가운데 일본의 보복성경제제재는 성장하는 수소차 시장을 어렵게 하고 있다. 수소차의 모듈은 크게 연료전지시스템, 수소저장장치, 전장장치 등 3가지로 구분되는데 미국 에너지국 자료에 의하면 수소저장 용량 5㎏ 기준가격은 대략 400만 원 수준으로 수소차 가격 중 2번째로 높은 비중을 차지하고 있는 것이다.

 

또한 4차 산업혁명시대 AI(인공지능), IOT(사물인터넷) 등과 함께 미래산업으로 각광을 받을 수 있는 것이 탄소섬유다.

 

탄소섬유는 철 보다 가볍고 10배나 강하기 때문에 자동차는 물론 많은 부문에서 활용도가 높은 산업이다. 2018년 탄소섬유 복합재료 관련 기술 및 용도시장 전망자료에는 2016년부터 2030년 까지 15년간 판매량 기준의 약 383% 금액기준으로는 약 211% 성장할 것으로 내다봤다.

 

더욱이 수소탱크와 압축천연가스 고압용기 등에 쓰이는 탄소섬유시장은 937%금액으로는 691%가량 성장할 것으로 예측하고 있다.

 

일반적으로 자동차의 무게가 10% 감소하면 연료 효율성은 4~6% 개선되고 CO2 배출량은 4.5% 감소하는 것으로 예측하고 있으며 수소차 운행시 수소차에서 환경오염 물질이 나오지 않은 것은 물론 수소차 내에서 공기 정화장치가 작동돼 오염된 공기를 깨끗하게 해주는 역할도 하고 있다.

 

실제로 수소전기차를 1시간 운행할 때 27㎏에 가까운 공기가 정화되는 것으로 알려 졌다.

 

이는 성인 40명이상이 1시간 동안 호흡하는 공기의 양으로 수소차가 많이 이용되면 될수록 공기정화까지 될 수 있다는 것이다. 현재 수소전기차는 수소와 산소의 결합과정에서 전기를 발생하여 전기로 움직이는 시스템을 갖고 있다.

 

또한 수소의 생성과정으로 원유를 분리하는 과정에서 나오는 부생수소를 쓰기 때문에 부생수소를 얻기 위해 이산화탄소가 배출되고 그로 인해 친환경여부에 대한 논란이 일고 있다. 수소차가 이를 극복하고자 여러 가지 방안이 연구 검토되고 있다.

 

수소 전기차가 수소차로 쓰이지 못하고 수소전기차로 명명되는 것도 수소와 산소의 결합과정에서 발생한 전기를 쓰고 있기 때문이다. 그

 

러나 진정한 수소차를 만들려면 수소를 영하 253도로 응축해서 액화상태로 만들고 이를 수소차량에 보관하여 사용해야 하기 때문에 현실적으로는 매우 어려운 상황이다. 현재로서는 이산화탄소 배출이 없는 수소를 만들어 내는 것이 최선의 방책이다.

 

 

◇ 탄소섬유 그 해결책은

 

현재 우리의 수소차에 쓰이는 탄소섬유나 각종차량에 쓰이는 탄소섬유를 일본 도레이사에서 공급하고 있다.

 

수소차 연료 탱크에 사용되는 탄소섬유를 현대차가 현재는 일본 도레이사에서 공급받고 있지만 수출제재가 시행되면 프랑스 도레이사나 미국 도레이사에서 제품을 대체할수도 있다는 것이다.

 

일본이 탄소섬유를 수출규제품목으로 주목하는 것은 미사일동체, 원심분리기 로터 등에 사용할 수 있어 전략물자로 분류하기 때문이다.

 

이외에도 전기절연제, 보온, 보냉제로 쓰이는 유리섬유는 로켓 모터케이스, 원심분리기 모터 등에 사용한다는 명목이고 내열, 방열, 방음제 등에 활용되는 무기섬유 역시 항공우주품목 관련 내화재료로 활용될 수 있어 전략물자로 분류하는 것인데 일본의 억지가 무모하다.

 

1880년 미국 에디슨이 전구의 필라멘트로 처음 사용한 탄소섬유는 1964년 일본과 영국에서 탄소섬유 개발에 성공 1971년부터 일본 도레이사의 아크릴 섬유 고강도 고탄성 구조재료용 제조에 성공하여 본격 활용되기 시작했다.

 

국내에서도 그동안 일본에서 전량수입에 의존하던 것을 효성그룹과 태광산업이 개발에 성공했다.

 

그러나 탄소섬유개발에 성공했다하더라도 품질에 대한 차이가 크게 존재하기 때문에 앞으로 많은 여구와 경험이 필요하다는 것이 업계의 반응이다.

 

고강도 고품질의 탄소섬유를 만들어 내려면 많은 시간이 더 필요할 것으로 보인다. 현재까지는 백색국가에서 제외하고 품목의 제재까지는 이어지지 않았지만 앞으로 상황에 따라 제재가 이루어 질수도 있기 때문에 제품의 국산화는 물론 외교적 노력에도 힘을 기울여야 한다.

 

더욱이 수소경제에 올인 하겠다는 충주시도 탄소섬유에 큰 관심을 가지지 않으면 안 될 것이다.

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