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제목 일본 탄소섬유업계 현황 및 전망
작성자 플라스틱코리아
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Date : 2018/10/31 10:51

 

 

탄소섬유는 아크릴섬유 원료를 바탕으로 고온에서 탄화시켜 탄소섬유를 제조하고 있다. 현재 공업용으로 생산되고 있는 탄소섬유에는 원료별 분류법에 따라 PAN계, 피치계 및 레이온계가 있으며, 생산량 및 사용량이 가장 많은 것은 PAN계 탄소섬유다.

 
일본의 탄소섬유 생산은 1970년대 초반부터 PAN계와 등방성 피치계를 중심으로 본격적으로 시작됐다. 1980년대 후반부터 이방성 피치계 탄소섬유로 확장된 후 지속적인 기술개량 및 사업확대를 도모해 현재 일본 탄소섬유의 품질·생산량 모두 세계 최고수준이다.

 
첨단소재의 대표 탄소섬유는 탄소만으로 구성된 검정섬유로, 특수 아크릴장섬유(폴리아크릴로니트릴, PAN)를 고온에서 태워 만든다. 철의 1/4 무게로 가볍고, 강도는 10배, 탄성률은 7배, 녹슬지 않으며, 약품에 강한 특징이 있다. 탄소섬유에는 이 외에 석탄타르 및 석유피치로 만드는 피치계가 있지만, 탄소섬유 시장의 90%가 PAN계 탄소섬유다.

 
일반적으로 탄소섬유는 그대로 사용되지 않고, 수지와 섞어 복합재료로써 사용되는 것이 일반적이며, 복합재료는 탄소섬유강화플라스틱(CFRP), 프리프레그 등으로 불린다. 프리프레그는 탄소섬유에 열경화성 수지를 섞어 반경화 상태로 만든 시트형 성형 중간재료로써 이를 사용하면 성형품의 품질이 안정돼 적층작업의 자동화 등에 적합하다.

 
도레이, 도호테낙스, 미쓰비시화학 등 일본의 3대 기업이 세계 탄소섬유 시장점유율 70%(2016년 기준)를 차지하는 등 일본이 세계를 선도하고 있다.

 
닛케이의‘2016년 세계 점유율 조사’에 의하면, 풍력발전용에서 강한 면모를 보이는 도레이가 42.0%로 1위를 유지했고, 각각 도호테낙스가 14.4%, 미쓰비시레이온이 13.6%를 차지하고 있다. 한편, 세키스이화학은 2017년 시가현 공장에 50억엔을 투자해서 탄소섬유의 생산·연구거점을 신설하고 인프라 자재로 공급하고 있다.

 
탄소섬유는 장기적인 연구개발이 필요하다는 점에서 일본기업의 특성과 잘 맞는 분야이며, 실제 높은 안전성능이 요구되는 자동차나 항공기의 경우, 개발부터 상용화까지 3∼10년 정도 걸린다. 경제산업성에 따르면, 일본의 탄소섬유생산업체는 총 19개사로 파악되고 있다(2014년 기준).

 

 
일본 탄소섬유 제조사들의 최근 수년간의 사업전개 동향

 
탄소섬유시장, 순조로운 성장 예상
탄소섬유의 세계 수요는 2020년까지 10만톤으로 확대될 전망이다. 1980년대 이후 항공기·스포츠용을 중심으로 순조롭게 시장 확대가 지속되고 있으며, 90년대 후반부터는 산업용을 중심으로 수요가 급증하고 있어 공급 부족이 발생하기도 했다.

 
각 사가 생산설비를 증설한 결과, 2000년부터 일시적인 공급 과잉상태였으나, 2003년 후반부터 다시 수요가 꾸준히 증가하고 있다. 2008년 후반부터 리먼쇼크로 일시적인 제자리걸음이었지만, 2010년 이후 안정적인 성장궤도로 복귀했다.

 
일본탄소섬유협회 추산에 의하면, 2011~2020년까지 전체시장의 연평균 성장률은 16%이며, 분야별로는 산업용 18%, 항공 12%, 스포츠 7%의 연성장이 예상하고 있다. 2016년 탄소섬유 출하량은 전년대비 2.6% 감소한 2만 140톤으로 4년만에 전년대비 감소했지만, 2015년에 이어 2년 연속 2만톤대를 기록했다.

 
2016년의 일본 내 출하는 항공우주분야가 보합세, 스포츠와 산업용이 모두 감소해 전체적으로 전년대비 4.1% 감소했다. 수출은 산업용이 5.5% 증가했지만, 항공우주, 스포츠가 감소해 전체적으로 2.2% 감소했다. 전체 매출에서 수출의 비중은 78.7%로 전년대비 0.3% 포인트 상승했다.

 
수요의 약 60%를 차지하는 산업용 탄소섬유의 경우, 산소와 천연가스 등을 넣는 압력용기, 풍력발전에 사용하는 풍차의 날개, 자동차와 선박의 부품, 건축자재 등에 사용되고, 수요의 20%를 차지하는 스포츠용 탄소섬유는 낚싯대, 골프클럽의 샤프트, 테니스 라켓 등에 사용되며, 그 외 항공기 분야에서, 미국 보잉사 신중형여객기 787의 날개와 동체 등 구조재로 CFRP가 한대당 35톤 중량 기준으로 사용되는 등 항공용 탄소섬유의 수요는 지속적으로 증가하고 있다.

 
최근 항공기 제조사의 조기 발주에 따른 부품업체들의 예상치 못한 재고 조정이 길어지고 있는 한편, 스포츠용품 수요가 회복되면서 도레이는 자전거 바디슈트와 스포츠용품에 사용하는 탄소섬유 출하를 2017년 7월부터 5~10% 증량하고, 2018년 3월까지 총 20% 증량을 목표로 했다.

 

 
탄소섬유 시장의 변화
현재는 항공기와 풍력발전, 압력용기 및 자동차부품에서 열경화성 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 사용이 확대되고 있으며, 이 수요가 탄소섬유 복합재료 시장의 90% 이상을 차지하고 있다.

 
향후 2020년부터 2025년까지 자동차부품을 중심으로 탄소섬유 강화 열가소성 플라스틱(CFRTP)의 사용이 예상되며, 2030년경에는 CFRTP가 탄소섬유 복합재료시장 매출의 약 10%, 물량의 30%를 차지하게 될 전망이다.

 
CFRTP는 단시간에 저비용성형이 가능한 장점이 있어, 현재는 기어 등의 접동부품, 자동발권기, IC트레이 등의 정전부품에 사용되고 있지만, 2020년 이후 자동차의 양산모델에도 사용될 것으로 예상된다. 현재 CFRP는 자동차의 골격과 구조부품에 사용되고 있지만, 2030년에는 자동차분야에서 사용되는 CFRTP의 비율이 CFRP를 웃돌 전망이며, 외판의 보강이나 백도어의 프레임에서도 사용이 늘어날 것으로 예상된다.

 
신에너지·산업기술종합개발기구(NEDO)가 2013년에 발표한 연구성과에 따르면, CFRTP는 에폭시수지 등 열경화성수지와 일체화한 CFRP로는 어려웠던 고속프레스 가공이나 스틸용접 수준의 강도를 가진 접합이 가능하다. 또한 CFRTP에 사용하는 매트릭스 수지가 재활용 가능하기 때문에 생산공정에서 발생하는 폐기물이나 불량품, 중고부품의 재생 활용이 가능할 전망이다.

 
탄소섬유 복합재료의 단재(폐기물)를 활용한 재활용 탄소섬유시장도 성장하고 있다. 폐기물의 이용은 탄소섬유와 매트릭스 수지의 분해비용이 과제가 되고 있으며, 현재는 연구단계에 있다.
2025년 이후 자동차와 항공기의 CFRP 폐기물이 대량 발생할 것으로 예상돼 사전적인 재활용기술의 개발이 세계적으로 진행중이다. 자동차업계에서는 SMC(Sheet Molding Compound) 공법이나 사출성형에 의한 폐기물의 활용이 증가하고 있다.

 
자동적층장치 및 성형가공장치, 워터제트, 드릴, 엔드밀 등 2차 가공장비시장 역시 점진적인 성장이 예상된다. 2016년의 시장규모는 694억엔이었지만, 2030년까지 1947억엔으로 3배 가까이 성장할 전망이다. 장비시장에서도 CFRTP 가공용 장비가 증가하고는 있지만, 아직 시장은 CFRP 가공용 장비의 비율이 높고, 프레스, 오토클레이브 등 대형장치가 중심이 되고 있다.

 

 
주요 탄소섬유 제조사의 동향

 
도레이
도레이는 일본 내 생산점유율 76.3%(2016년 기준)를 점하고 있으며, 항공기분야에서는 2015년 이후 미국 보잉사를 비롯해 프랑스, 이탈리아 기업과 탄소섬유의 포괄적인 장기 공급계약을 체결했다.

 
기존의 787 및 신형기 777X용으로도 공급 계약을 정식 체결하고, 2020년까지 1000억엔을 투자해 미국 사우스캐롤라이나에 세계 최대 탄소섬유 공장을 건설할 예정이며, 우선적으로 500억엔을 투자해 연간 2000톤의 생산설비와 가공설비를 신설 완료했다.

 
이를 통해 미국 내 생산능력을 25% 향상시켜 9900톤으로 늘리면 일본을 포함한 글로벌 생산능력은 2만 9100톤으로 예상된다. 신설공장은 원사에서 직물, 중간가공까지 일괄생산을 할 예정이며, 2017년 5월부터 원사생산을 시작했다. 기존 제품보다 강도를 높이고 변형이 어렵게 개선한 탄소섬유의 최고급 제품을 미국 앨라배마주 디케이터 공장에서 2017년 본격적인 양산에 착수했고, 로켓과 인공위성, 항공기 엔진용 수요에 대응하고 있다.

 
2017년 3월 프랑스 엔진 대기업 사프란사와 탄소섬유 복합재료를 10년간 장기공급하는 계약을 체결하고, 향후 성장이 예상되는 중소형 항공기 엔진분야에서 높은 글로벌 점유율을 가진 사프란사와 연계를 강화하고 있다. 2017년 6월 이탈리아의 항공우주 기업 아뷔오 SPA(로마)사와 로켓에 사용되는 탄소섬유를 2027년까지 공급하는 장기계약도 체결했다.

 
다만, 2017년 3월 결산에서 미국 보잉사의 중대형 항공기 생산정체로 관련 부품업체의 매출 감소된 주원인으로 탄소섬유 복합재료사업의 영업이익이 전년 대비 34% 감소한 240억엔으로 급감했다. 하지만 풍력발전용 수요는 지속적인 성장세를 보이고 있다.

 
테이진
토호테낙스를 자회사화한 테이진(2016년 일본 내 시장점유율은 11.1%)은 자동차 분야에서 열가소성 수지를 탄소섬유에 혼합해 가열시 녹고 냉각시 급속히 굳어져 1분 이내에 자동차부품을 성형할 수 있는 기술을 개발하고 있다. 지금까지는 열로 성형물을 단단하게 만드는 열경화성 수지의 사용이 주류로 최소 성형에 5분 이상 걸린다.

 
도요타 자동차의 고급 스포츠카 ‘렉서스 LFA’등 생산량이 적은 고급차량에 한정해 사용하고 있으며, 추후 열가소성 수지를 사용하는 제조기술을 양산차에도 적용할 수 있도록 기술개발을 지속할 예정이다.

 
아울러, 2013년에 생산을 중단한 미국에서 탄소섬유사업을 재개한다고 발표(2016년 6월)하고, 사우스캐롤라이나에 탄소섬유공장 용지를 취득해 2019년부터 양산을 목표로 하고 있다. 2017년 1월에는 미국 자동차부품 대기업 콘티넨탈 스트럭츠럴 플라스틱(미시간주)을 약 840억엔에 인수했다.

 
콘티넨탈사는 유리섬유를 사용한 경량소재 가공을 전문으로 미국 자동차대기업과 직접 거래하고 있으며, 테이진사 탄소섬유사업과 융합해 더 가볍고 튼튼한 부품을 개발할 계획이다. 자동차용 복합재료사업 매출을 2030년까지 2015년의 3배인 2000억엔 규모까지 성장시킬 계획이다.

 
항공기용으로는 유럽 에어버스사의 차세대 중형기에 탄소섬유 복합재료를 공급키로 했다. 테이진은 지금까지 에어버스사 항공기의 골격부분용 탄소섬유 원사 등을 공급해왔으며, 새롭게 약 820대의 A350XWB 시험비행기에 탄소섬유 복합재료로 만든 적층판 사용이 결정됐다.

 
미쓰비시화학
미쓰비시화학은 2015년 4월에 미쓰비시레이온(2016년 일본 내 시장점유율 12.6%) 및 미쓰비시 수지 탄소섬유사업부를 통합하고 150억엔을 투자해 현재 1만 1000톤의 생산능력을 2018년까지 1만 5400톤으로 향상시킬 계획이다. 오타케 사업소(히로시마현)의 생산능력을 2017년 기준으로 년 2700톤에서 3900톤으로 인상하고, 미국 캘리포니아 공장 생산능력을 2000톤에서 4000톤 등으로 끌어올릴 예정이다. 미국에서 2018년까지 생산능력 2000톤의 신공장을 건설하고, 탄소섬유를 사용한 자동차용 복합재료의 제조·판매를 시작할 계획이다.

 
유럽에서는 독일 바이에른주에서 CFRP의 중간재료 제조공장을 건설하고, 양산차를 대상으로 비교적 용이하게 탄소섬유 사용가능한 제품을 개발해 유럽지역 사업확대를 꾀하고 있다.

 
지난해 8월 미쓰비시화학의 CFRP가 독일 아우디사 스포츠카 지붕소재로 채택되면서 기존의 알루미늄보다 무게가 약 40% 가벼워진 것으로 알려졌다. 또한, 덴마크에서는 클릭파이버 라인 콤포지트사와 합작회사를 설립하고, 풍력발전기용 탄소섬유 소재를 개발하고 있으며, 2020년까지 100억엔의 매출을 목표로 하고 있다.

 

 
일본 탄소섬유산업계의 최신 국내외 사업전개 현황(언론 보도일 기준)

 
- 도레이, 탄소섬유 생산회복으로 4~9월 영업이익 과거 최고, 원료가 상승도 효율적으로 대응(17.09.30).

 
- 탄소섬유와 유리섬유를 수지와 섞은 복합재는 가벼움과 내구성이 특징으로 경량화를 실현시켰으며, 항공기에 이어 도요타와 메르세데스 벤츠가 탄소섬유 강화플라스틱 (CFRP)을 차량의 주요 부분에 사용 시작 (17.09.28).

 
- 쿠라레, 지난 9월 활성탄 분야 세계최대기업인 미국의 카르곤카본(펜실베니아)의 인수를 발표. 일본 화학업계의 고부가가치 사업으로의 전환은 계속되고 있음(17.09.22).

 
- 프레스에 적합한 두께 0.4㎜의 차량용 탄소섬유 시트를 후쿠이현 공업기술센터에서 개발, 종래의 1㎜보다 얇기 때문에 복잡한 부품제작에 용이 (17.09.20).

 
- 세계 최고 태양광자동차 경주 ‘브리지스톤·월드·솔라·챌린지(WSC)’에 도카이대학 참가, 지붕 등 많은 부분에 가볍고 강한 도레이의 탄소섬유(기존 탄소섬유보다 약 1.2배 강도)를 사용(17.09.15).

 
- 미쓰비시화학, 탄소섬유를 사용한 스크류를 개발해 운반선의 연비개선(약 5%) 및 진동·소음 감소에 효과가 있는 것으로 발표(17.09.14).

 
- 도레이, 베트남에 현지법인 설립해 향후 섬유 관련사업뿐만 아니라 수처리 및 탄소섬유강화 플라스틱 (CFRP) 제품 등으로 사업영역 확대계획(17.08.29).

 

자료원: 한국무역협회 도쿄지부

 

 

#탄소섬유