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석탄 부산물로 탄소섬유 만든다!
에너지연, 기존 피치계 탄소섬유 문제 해결…내수․수출 효자 노릇
2018년 07월 11일 (수) 김남표 elenews@chol.com

한국에너지기술연구원(원장 곽병성)은 저등급 석탄의 부산물(잔사)을 이용해 탄소섬유를 제조하는 ‘저등급 석탄 열분해 부산물의 탄소섬유 제조 핵심 기술’을 국내 최초로 개발했다.

탄소섬유는 철보다 4배 가볍고, 강도는 10배 뛰어나면서 7배 강한 탄성률을 지니고 있어 항공우주산업, 교량 등의 토목건축, 자동차 강판 대체, 에너지 환경 소재 등 다양하게 이용됨에 따라 미래형 신소재로 주목받고 있다.

현재 우리나라는 탄소섬유 중에서도 피치(Pitch)계 탄소섬유와 소재를 전량 수입하고 있으며, 원료 개발을 통해 섬유와 소재를 상용화 할 경우 2020년까지 기대효과는 내수 3조, 수출 40조에 달한다.

탄소섬유는 주로 폴리아크릴로니트릴(PAN : Polyacrylonitrile)과 같은 합성섬유를 탄화해 생산하고 있으나 높은 원료 가격으로 낮은 경제성이 문제로 지적받고 있다.

이를 극복하기 위해 일본, 미국 등 기술 선진국에서도 저등급 석탄을 열분해할 때 발생되는 부산물을 활용해 탄소섬유를 제조함으로써 생산단가 절감을 노리고 있다. 그러나 현재 제조에 성공한 나라는 일본이 유일하고 그마저도 대형화까지는 진행되지 않은 상황이다.

연구원은 국내 최초로 저등급 석탄의 고품위화 과정에서 나오는 부산물을 이용해 완전한 섬유 형태를 지닌 피치계 탄소섬유를 제조하는데 성공했다. 이 기술을 이용하면 일반 피치계 탄소섬유에 비해 생산단가를 20% 가량 줄일 수 있다.

저등급 석탄은 원료가 저렴한 대신 석탄 내 수분 및 불순물이 다량 존재하기 때문에 열분해를 통한 고품위화 공정을 거쳐야한다. 이때 부산물이 발생하며 이를 타르로 변환하면 탄소섬유 제조에 이용할 수 있다. 그러나 저등급 석탄의 부산물로 만들어진 탄소섬유 원료는 산소 함량과 분자량이 크기 때문에 방사성이 낮아져 섬유 형태로 제작되기가 극히 어렵다는 단점이 존재했다.

이에 연구원은 2단 열처리와 공탄화법을 적용해 분자량을 안정적으로 조절하고 방사성을 증대시켜 머리카락 10분의 1 크기(10μm)의 완전한 섬유 형태를 갖춘 탄소섬유를 제조하는데 성공했다. 이렇게 만들어진 탄소섬유는 일반 피치계 탄소섬유와 같은 강도를 가지면서도 생산단가는 20% 절감된다.

이번 연구 성과는 일본에 이어 세계에서 두 번째로 성공한 사례로, 선진 기술을 추격하는 연구가 주류를 이루던 탄소 소재 기술 분야에서 선도국과 대등한 기초 기술력을 확보했다는 데 의의가 크다.

연구책임자인 정두환 박사는 “저등급 석탄 열분해 부산물의 탄소섬유 제조 기술은 글로벌 에너지 이슈 대응은 물론 신산업 창출의 견인차 역할을 할 미래 에너지 핵심기술”이라며, “이번 기술 개발을 계기로 저등급 석탄의 고부가가치화 활용기술에서 향후 우리나라가 선도적 역할을 할 수 있도록 노력하겠다”고 밝혔다.

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