재활용 탄소섬유: 현재 현황 및 미래 전망

재활용 탄소섬유(rCF)의 당위성은 복잡합니다. 이 산업은 문제 해결의 희망 위에 세워졌습니다. 즉, 탄소섬유 폐기물을 매립지에서 배제하고 탄소섬유 공급과 수요 간 잠재적 격차를 해소하려는 것입니다. 생산된 탄소섬유의 약 30%가 폐기물로 끝난다는 추정이 일반적입니다. 한편, 귀중한 소재가 매립되는 동안 대부분의 분석가는 연간 수요가 향후 몇 년 내 현재 연간 생산 능력을 초과할 것으로 봅니다. 평균적인 글로벌 탄소섬유 수요는 연간 65,000~85,000톤, 글로벌 명목 생산 능력(실제 능력보다 높음)은 약 150,000톤으로, 2018년 12월 탄소섬유 컨퍼런스에서 Hexcel(미국 코네티컷 스탬포드)의 브렛 슈나이더 사장과 CarbConsult GmbH(독일 호프하임 암 타우누스)의 댄 피흘러 상무가 발표한 추정치입니다. CW 기고자 아만다 제이콥이 3월 보도한 바에 따르면 일부 분석가는 2022년까지 탄소섬유 수요가 공급을 약 24,000톤 초과할 것으로 전망합니다(「재활용 탄소섬유에 대한 신뢰 구축」 참조).

상업적 rCF 공급업체들은 회수·재활용 소재를 이 공급-수요 격차의 잠재적 해결책으로 제시하지만, rCF 산업 자체에도 과제가 있습니다. 탄소섬유 복합재 재활용 기술은 수년 전부터 존재하며 버진 소재에 근접한 기계적 특성을 얻을 수 있지만, 복합재 재활용 산업은 상대적으로 젊고 재활용 산출물로 생산된 소재의 시장을 개발하는 초기 단계입니다. 재활용업체가 생산하는 섬유 품질에 대한 신뢰가 높아지면서 비용과 가용성 문제가 부상했습니다. 아마도 가장 큰 과제는 공급망 보안에 대한 우려입니다.

"기술은 실제로 존재하며 꽤 오래전부터 있었지만, 공급망이 검증되지 않았습니다." Vartega(미국 콜로라도 골든)의 앤드류 맥시 CEO는 말합니다. "올바른 요소들이 결합되지 않으면 세계 최고의 기술이 있어도 재활용할 소재도, 적용할 제품도 없습니다."

상업 공급업체들은 종종 항공우주 산업을 생산 스크랩과 수명 종료 소재의 공급원으로 주목하지만, 항공우주 산업이 매립하는 폐기물 양은 많지만 많은 OEM과 제조업체가 이를 고량 제품 라인의 안정적 공급원으로 의존하기를 꺼립니다.

한편 진전도 있습니다. 2018년 12월 보잉은 탄소섬유 재활용 전문 ELG Carbon Fibre Ltd.(영국 코즐리)에 경화 및 미경화 탄소섬유 폐기물을 공급해 다른 복합재 제조 응용 분야의 2차 제품용으로 재활용하기로 합의했습니다. 이는 탄소섬유 재활용업체와 주요 항공기 OEM 간 최초의 공식 소재 공급 관계로, 업계에 좋은 징조입니다.

환경 문제만이 아니다

rCF 사용 논리는 지속가능성을 넘습니다. 비용 절감도 이점입니다. 예를 들어 ELG Carbon Fibre의 rCF는 산업용 버진 탄소섬유보다 약 40% 저렴합니다. 다른 상업 공급업체들도 자사 소재가 버진 탄소섬유보다 20~40% 저렴하다고 주장합니다. 또한 많은 응용 분야에서 불연속 섬유 포맷이 필요하므로, rCF가 버진 소재보다 더 지속 가능하고 경제적인 대안이 될 기회가 있습니다.

"산업계가 불연속 또는 절단 탄소섬유를 사용하는 곳이라면 재활용 섬유가 최우선 고려 대상이어야 합니다." 맥시는 말합니다. "버진 탄소섬유를 연속 형태로 만드는 데 막대한 비용을 들인 뒤 잘게 썰어 열가소성 수지 컴파운드에 넣는 이유는 무엇입니까? 이미 스크랩에 불연속 형태가 있다면, 어차피 잘게 썰어 쓸 성형 컴파운드에는 그게 최적의 소재라고 봅니다."

게다가 생산되는 rCF 품질이 경우에 따라 버진 섬유와 동등함이 입증되었습니다. 열분해로 탄소섬유를 회수하는 ELG Carbon Fibre는 자사 섬유가 인장 강도의 최소 90%를 유지하며 탄성률 변화가 없다고 밝혔습니다. Vartega는 화학적 재활용 공정을 사용하며 자사 섬유가 버진 탄소섬유와 동일한 기계적 특성을 나타낸다고 주장합니다. Shocker Composites(미국 캔자스 위치타)는 인라인 솔볼리시스 공정으로 섬유를 회수하며 높은 품질과 섬유 손상 없음을 주장합니다.

 

ELG Carbon Fibre의 재활용 탄소섬유 부직포 매트.

CW 사진 | 스콧 프란시스

Shocker Composites의 박사 과정생이자 창업자인 Vamsidhar Patolla(위치타 주립대)에 따르면 과제는 알루미늄 등 타 소재와 비교해 비용을 낮추는 것입니다. "공정성이 대량 생산 규모에 맞아야 합니다."라고 그는 말합니다. Shocker Composites의 공정은 배치 공정이 아닌 인라인 공정이므로 이점을 가집니다(자세한 내용은 「지속 가능한 인라인 탄소섬유 재활용」 기사 참조).

최근 수년간 rCF 가공 및 섬유 품질이 개선되면서 상업 공급업체들은 rCF를 저성능 제품으로 다운사이클링하는 것에서 벗어나, 소재 특성을 활용한 적절한 응용 분야 발굴로 초점을 옮기고 있습니다.

"버진 섬유를 완전히 대체할 수는 없으며, 특히 고강도·고강성이 요구되는 항공우주 분야에서는 그렇습니다. 하지만 재활용 섬유가 약한 잠재력만 가진 재활용 섬유가 아니라는 인식이 확산되고 있습니다." ELG Carbon Fibre의 벤자민 앤드루스 필드 기술 서비스 엔지니어는 말합니다. "일부 응용 분야에서는 버진 섬유보다 우수한 고유 이점이 있습니다. 드레이프성과 표면 마감이 버진 섬유보다 우수합니다. 이는 단순히 재사용 가능한 소재가 아니라 자체적 이점을 가진 소재입니다."

자동차 분야는 어떤가?

시장 측면에서 자동차 산업은 rCF 활용 잠재력이 가장 큰 분야로 보입니다. 경량화와 우수한 표면 마감을 겸비해 차체 패널뿐 아니라 다양한 내장 부품에 자연스럽게 부합합니다. rCF 상업 공급업체들은 업계의 광범위한 채택을 고대해 왔으나 아직 티핑 포인트는 오지 않았습니다. 공정 시간과 비용이 여전히 걸림돌입니다.

Carbon Conversions(미국 사우스캐롤라이나 레이크시티)의 마크 마우하르 CEO는 이러한 우려가 그동안의 진전을 고려할 때 핑계일 수 있으며, 실제 어떤 시장으로의 진입 장벽은 위험 회피 성향이라고 주장합니다.

"아무도 새로운 소재 생태계를 최초로 채택하려 하지 않습니다."라고 그는 말합니다. 또한 자동차 산업의 대규모 rCF 채택이 반드시 바람직한 것은 아니라고 지적합니다. 10여 개 주요 자동차 플랫폼이 채택하면 전 세계 rCF 공급량이 금방 소진될 수 있기 때문입니다. 그는 틈새 프로그램을 공략해 공급망을 비즈니스 관점에서 더 견고하게 만드는 접근이 필요하다고 말합니다.

Carbon Conversions의 re-Evo MCF로 만든 프리프레그로 제작한 자동차 도어 패널.

CW 사진 | 스콧 프란시스

"자동차에 어디에 적용할지 똑똑하게 골라야 합니다. 특정 차종의 특정 부품을 선택하는 것이죠."

마우하르는 자동차가 가용 재활용 탄소섬유의 상당 부분을 소비하는 첫 주요 시장이 되길 희망합니다. "향후 24개월 내 움직임이 보일 것입니다."라고 예측합니다.

복합재는 일반적으로 배터리 박스, 압력 용기, 리프 스프링, 리프트 게이트 시스템 등 부품 형태로 점진적으로 자동차 산업에 진입 중입니다. rCF도 비슷한 궤적을 따를 것으로 보입니다.

 

이 압축 성형 자동차 플로어보드에는 Carbon Conversions의 re-Evo MCF 부직포 매트가 사용되었습니다.

CW 사진 | 스콧 프란시스

틈새 접근의 흥미로운 사례로 ProDrive Composites(영국 밀턴키네스)가 있습니다. 자동차, 모터스포츠, 항공우주, 방위 분야 고성능 경량 복합재 제조사인 이 회사는 셰필드 대학 AMRC(Advanced Manufacturing Research Centre) 및 ELG Carbon Fibre와 협력해 P2T(Primary To Tertiary) 공정을 개발했습니다. 반응성 열가소성 수지를 사용해 재활용 가능한 복합 부품을 제조하는 새로운 공정입니다. 플라스틱 단량체가 재활용 섬유 존재 하에서 촉매와 반응해 오토클레이브 밖에서 경화 라미네이트를 만듭니다.

ProDrive의 P2T 공정으로 제작한 3차 부품 예시.

CW 사진 | 스콧 프란시스

"재활용 가능한 복합 패널을 많은 산업에 적합한 속도와 비용으로 생산할 수 있음을 입증했습니다."라고 ProDrive Composites의 존 맥퀼리엄 수석 엔지니어는 말합니다.

이 공정으로 복합 소재를 3회 이상 사용할 수 있다고 합니다. 1차 부품 수명 종료 시 섬유와 잠재적으로 수지를 재활용해 열가소성 2차 부품(예: 차체 패널) 원료로 공급하고, 그 부품 수명 종료 시 분쇄·재성형해 새 부품으로 만들 수 있습니다(자세한 내용은 「재활용을 위한 P2T 공정 포지셔닝」 기사 참조).

한편 Vartega는 IACMI(Institute for Advanced Composites Manufacturing Innovation, 미국 테네시 녹스빌) 프로젝트를 주도하며 자동차 산업에 초점을 맞춥니다. 2년간의 기술 협력으로 차량 경량화 응용 분야에 사용할 일관된 재활용 탄소섬유 강화 열가소성 수지 개발 과제를 해결하고자 합니다. 맥시는 이 프로젝트가 섬유 계면부터 완제품 특성까지 완전한 특성화 데이터셋 구축을 향해 진전 중이라고 말합니다.

물론 자동차 산업을 고려할 때 관련 신기술에 거는 기대가 가장 클 수 있습니다. 전기차, 자율주행차, 커넥티비티는 복합재가 큰 역할을 할 새로운 부품과 응용 기회를 가져옵니다.

맥시는 자동차 산업 향방에 대해 이렇게 평가합니다. "지난 몇 년간 자동차 산업에서 많은 일이 있었고, 규제와 행정부 방침에 따라 연비에서 다른 우선순위로 초점이 이동할 수 있습니다. 경량화에 대한 큰 후퇴는 보이지 않지만 동기가 진화할 수 있습니다. 이동성 응용 분야를 위한 경량화에 초점이 맞춰질 것으로 봅니다."

항공우주 분야가 루프를 닫을 수 있을까?

항공우주 산업이 가장 많은 탄소섬유 폐기물을 발생시키며, 상업적 rCF 공급업체들은 흔히 이를 재활용 원료 공급원으로 봅니다. 과잉 소재(일반적으로 미경화 열경화성 복합재 프리프레그)를 수집해 열(열분해) 또는 화학 용매(솔볼리시스)로 수지를 제거하여 섬유를 얻고, 이를 분쇄·절단·펠릿화합니다.

산업이 열가소성 복합재(TPC) 사용을 늘리면서 새로운 재활용 기회가 생깁니다. 열가소성 폴리머는 재용융·재성형이 가능하므로 항공우주 산업은 자사 스크랩 일부를 2차 응용 분야로 재흡수할 기회가 더 많아지며, 섬유와 매트릭스 모두 재사용할 수 있습니다. Thermoplastic Composites Application Center(TPAC, 네덜란드 엔스헤데)의 연구원 토마스 데 브루인(열가소성 복합재 R&D 센터로 응용 연구 수준에서 Thermoplastic Research Center(TPRC, 네덜란드 엔스헤데)와 협력)은 업계의 내부 재활용 노력을 지적합니다.

"실현 가능성 관점에서 열가소성 복합재는 인하우스 접근이 훨씬 더 타당합니다."라고 그는 말합니다.

데 브루인에 따르면 항공기 OEM들은 상업적 rCF 공급업체에 의존하기보다 내부 재활용을 선호할 가능성이 높습니다. 주된 이유는 추적성입니다. 공급이 외부화되면 특정 응용 분야에 맞는 폴리머 타입 매칭이 훨씬 어려워집니다.

GKN Fokker(네덜란드 호헤베엔)의 요한 뫼우젤라르 엔지니어링 스트레스 전문가는 자사 생산 환경 내에서 최대한 많은 응용 분야를 찾는 것이 답이라고 봅니다. "우리가 버진 소재로 만드는 열가소성 부품 유형을 보면 재활용으로 만들 수 있는 부분이 꽤 많습니다. 우리가 발생시키는 폐기물의 상당 부분을 자체적으로 활용할 수 있습니다."

"이미 설비를 갖추고 있습니다." TPRC의 기욤 뱅상 열가소성 복합재 엔지니어는 덧붙입니다. 내부 재활용은 정상 공정 체인에 부합하며 대부분의 장비가 이미 갖춰져 있어 가장 경제적입니다. "일반적인 생산 환경에서 수행하는 활동에 적합합니다."

 

TPC-Cycle 재활용 루트

출처 | TPRC, TPAC

TPC-Cycle 공정으로 개발한 로터크래프트용 데몬스트레이터 접근 패널.

출처 | TPRC, TPAC, GKN Fokker

Toray Advanced Composites(미국 캘리포니아 모건힐, 네덜란드 네이버달), Cato Composite Innovations(네덜란드 레덴), Dutch Thermoplastic Components(네덜란드 알메러), Nido RecyclingTechniek(네덜란드 네이버달) 등 여러 산업 파트너가 TPC-Cycle 프로젝트에 참여해 소재, 제조, 설계, 응용 등 밸류체인의 다양한 세그먼트를 대표합니다.

데 브루인에 따르면 TPC-Cycle 프로젝트는 현재 비용 분석과 수명주기 분석을 완료해 공정이 경제적으로 유익함을 입증하는 단계입니다.

또한 EU의 Horizon 2020 프로그램 자금 지원을 받는 Clean Sky 2 Joint Undertaking 같은 프로그램은 항공우주 스크랩의 루프 폐쇄에 초점을 맞춘 R&D를 장려합니다. OEM들은 재활용 공장 폐기물을 내부 부품, 접근 패널, 소형 부품, 심지어 기체 클립과 시스템 브래킷에 활용할 잠재력을 모색 중입니다.

GKN Fokker의 열가소성 다기능 동체 데몬스트레이터 하반부를 담당하는 Dr. Bas Veldman 프로그램 매니저는 Clean Sky 2 프로그램 하에 클립과 브래킷에 대한 제안 공모를 통해 이 개념을 육성 중입니다. 데몬스트레이터 개발의 중요한 요소는 프레임 클립과 브래킷 같은 제품에 공장 폐기물을 활용해 환경 영향을 줄이는 것입니다. 또한 패스너를 용접으로 대체해 소재, 에너지, 비용을 절감하며 경량화에 기여하는 것도 목표입니다.

뫼우젤라르에 따르면 GKN Fokker는 재활용 기술이 자사의 '내일의 동체' 개념에 어떻게 통합될 수 있는지 조사 중입니다. 이 개념은 잠재적으로 많은 열가소성 복합재를 사용하며, 그에 따라 발생할 수 있는 많은 폐기물을 재활용 브래킷, 피팅, 비구조 부품에 활용할 수 있습니다.

"열가소성 동체를 고려하는 이유는 비용이며, 재활용을 포함하는 비용 효율적 생산 방식이라고 봅니다."라고 그는 말합니다.

뫼우젤라르는 높은 수준에서 항공우주 제품을 더 저렴하고 지속 가능하게 만드는 것이 목표라고 말합니다. 열가소성 복합재의 양산화가 진전되면서 폐기물도 발생하겠지만(불행히도 복합재 일반적 현상), 그 폐기물이 상업적으로 실행 가능하다고 믿습니다. 저전단 혼합/압축 성형 재활용 탄소섬유 TPC는 전통적인 연속 섬유 적층으로는 불가능한 설계 자유도를 제공합니다. "항공우주에서 통상적으로 소재, 합금, 생산 시스템 측면에서 과도하게 설계되는 패널, 소형 페어링, 시스템 브래킷 같은 비구조 부품을 만들 때 매우 흥미로운 추가 옵션을 얻게 됩니다."라고 설명합니다.

그는 기회가 주로 중간 크기와 복잡도의 비구조 부품에 있으며, 이는 여전히 대형 부품 총비용의 상당 부분을 차지한다고 봅니다.

"가까운 미래에 재활용 열가소성 복합재로 날개를 만들지는 않을 것입니다."라고 뫼우젤라르는 말합니다. "하지만 날개 내부에는 경제적으로 타당한 부품을 만들 수 있습니다."

이 모든 이야기가 열가소성 복합재가 재활용 산업에 미칠 영향을 예측하기엔 아직 이릅니다.

"테이프 레이업이나 테일러드 블랭크 같은 신생산 공정은 현재 일반적인 네스팅 및 스탬프 성형 공정보다 폐기물이 적을 것이므로 폐기물 비율은 아마도 감소할 것입니다." 데 브루인은 말합니다. "하지만 전반적으로 향후 수년·수십 년간 열가소성 폐기물은 더 늘어날 것으로 봅니다."

내부 재활용 관심이 높아지는 와중에도, 항상 일부 폐기물은 재사용 불가하거나 제조업체가 내부 재활용을 원치 않거나 못 하는 경우가 생깁니다. 그런 경우 소재 공급업체가 회수할 수 있습니다. 시간이 열가소성 복합재 사용 증가가 공급망에 어떤 의미인지 알려줄 것입니다(TPC-Cycle 프로젝트와 Clean Sky 2 이니셔티브에 대한 자세한 내용은 「생산을 위한 재활용 열가소성 복합재」 참조).

적층 제조

적층 제조도 rCF 잠재력을 가진 영역입니다. 예를 들어 Shocker Composites는 재활용 탄소섬유를 20~40% 강화 ABS 필라멘트로 컴파운딩해 Cincinnati Inc.(미국 오하이오 해리슨)의 BAAM(Big Area Additive Manufacturing) 3D 프린팅 공정에서 성공적으로 시연했습니다.

또한 Vartega는 탄소섬유 재활용 기술과 소재 개발 전문성을 활용해 분말 베드 퓨전 적층 제조용 폴리머 피드스톡을 발전시키고 있습니다. 최근 NSF(National Science Foundation, 미국 버지니아 알렉산드리아) SBIR(Small Business Innovation Research) 보조금을 받아 해당 분야 R&D를 수행 중입니다.

Vartega는 열가소성 분말을 탄소섬유로 강화하면서 적외선 적층 시스템에서 기능성 부품을 생산할 수 있는 공정도 개발 중이라고 밝혔습니다. 이 발전으로 디지털 제조업체들은 신규 분말 기반 하드웨어 플랫폼의 잠재력을 온전히 실현해, 중량 생산 속도에서 사출 성형 소재와 유사한 성능의 부품을 생산할 수 있게 될 것입니다.

"탄소섬유 강화 폴리머 분말을 제공함으로써 UAV(무인항공기) 및 의료 보철 분야 제조업체들은 빠르고 복잡하며 맞춤화된 3D 프린팅의 이점을 누리면서, 자사 제품에 필요한 구조적 무결성을 발현하는 소재 선택을 보장받을 수 있습니다."라고 Vartega의 앨리스 해빌 COO는 말합니다.

기타 응용 분야

한편 재활용 탄소섬유가 역할을 할 수 있는 다른 시장과 응용 분야도 계속 등장하고 있습니다.

이 건축용 교차 적층 목재(CLT)는 열처리 목재와 복합 재활용 기술 센터의 재활용 탄소섬유를 결합한 것입니다.

출처 | The Composite Recycling Technology Center

Composite Recycling Technology Center(CRTC, 미국 워싱턴 포트 앤젤레스)는 공원 벤치부터 고성능 스포츠 용품, 복합 튜빙까지 다양한 제품에 재활용 탄소섬유 활용을 모색 중입니다. 이 회사는 Toray Composite Materials America(미국 워싱턴 타코마)의 미경화 프리프레그 재활용 소재와 ELG Carbon Fibre의 rCF를 사용합니다.

CRTC의 데이브 월터 CEO는 건설 산업을 잠재적 성장 분야로 꼽습니다. 회사는 최근 열처리 목재와 재활용 탄소섬유를 결합한 건축용 교차 적층 목재(CLT)를 특허 출원 중인 공정으로 개발했습니다. 열처리 공정으로 당분과 리그닌을 제거해 부식 및 흰개미 저항성을 부여한 뒤 탄소섬유 스트립을 통합해 강도를 높였습니다.

CRTC는 재활용 탄소섬유로 목재 베니어와 결합한 패널도 만듭니다. 이 패널들은 목재의 아름다움을 보여주며 다양한 내외장 용도에 적합한 강하고 가볍고 유연한 기재 역할을 합니다. 아래 사진은 2019년 시애틀 베나로야 홀 설치 사례입니다.

Octave 9 Raisbeck Music Center – Benaroya Hall (미국 워싱턴 시애틀)

사진 | The Composite Recycling Technology Center

산업계의 인식 변화?

큰 변화는 점진적으로 일어나며, 비교적 젊은 재활용 탄소섬유 산업은 천천히 전진 중입니다. rCF 다운사이클링이 지속되지만 소재에 대한 인식은 변하기 시작했습니다. 섬유 품질이 입증되었고 공정도 진화 중입니다. 탄소섬유 재활용 필요성에 대한 인식이 높고 더 많은 플레이어가 참여하고 있습니다.

"ELG와 보잉의 발표는 정말 큰 일이었습니다. 모두를 앞으로 나아가게 하고 공급망 연결을 가속화하는 데 도움이 됩니다."라고 맥시는 말합니다.

"우리는 가능하게 하고 점들을 연결하기 위해 여기 있습니다."라고 그는 업계를 요약합니다. "공급망 중간에 있는 이 기술은 폐기물 흐름에 버려진 자산과 하류의 미충족 수요를 연결하는 것입니다."

Carbon Conversions의 마크 마우하르에 따르면 가장 큰 변화는 이제 공급업체들도 해결책의 일부가 되길 원한다는 점입니다. "2년 전만 해도 스크랩 처리에 대한 공급업체 문의가 주당 여러 건 있었지만 재활용 소재 사용에는 관심이 없었습니다. 이제야 비로소 잠재 고객들이 금형 제작, 프로토타입 및 모형 제작, 공정 문제 해결 등 상업적 채택의 꽤 후반 단계에 해당하는 활동에 상당한 자원을 투입하기 시작했습니다."

아마도 핵심은 인내심입니다. ELG Carbon Fibre의 데틀레프 드라프츠 CEO는 다른 전통 소재의 재활용 역사를 살펴보는 게 도움이 된다고 지적합니다.

"50년 이상 ELG는 스테인리스강 산업의 원료를 재활용해 왔습니다. 금속의 경우 진공로에서 터빈 블레이드용으로 스크랩을 사용하는 것이 당연시됩니다. 적절히 처리된 재활용 금속은 원료로 그냥 사용할 수 있죠. 25년 전만 해도 항공우주 분야에서는 일반적이지 않았지만, 우리는 소재 성능을 보장하는 공급망을 구축했습니다. 여기서도 똑같이 하고 있습니다."라고 그는 말합니다.