피치계 탄소소재 기술 동향
최경호 탄소나노PD | 한국산업기술기획평가원(KEIT) 섬유탄소나노실 전영표 책임연구원 | 한국화학연구원(KRICT) 화학공정본부
요약
- ( 현황) 피치계 탄소소재는 고온 내열성, 높은 강도, 경량성, 전도성 등 우수한 물리적 특성으로 인해 전 세계 탄소소재 기술 선진국에서 항공·우주, 자동차, 전자 및 에너지 저장 분야에서 주목받고 있다.
- ( 이슈) 한국은 아직은 피치계 탄소소재 기술력이 충분히 확보되지 못한 상태이며, 특히 고탄성 피치계 탄소섬유는 일본·미국 등의 소재 생산국에 비해 기술 기반이 극히 낮아 단기적인 상업 생산은 기대할 수 없는 상황이다.
- ( 방향) 우주·항공·국방 등 극한환경 소재가 요구되는 산업 분야에서 그 중요성이 증가하고 있는 피치계 탄소소재 글로벌 경쟁력을 강화하기 위해서는 정부의 정책적 중장기 기술 개발 지원을 바탕으로 아래와 같은 전략 수립 및 목표 달성이 요구된다.
- 원천 소재기술 확보: 고성능 피치계 탄소소재 개발을 위한 고순도·고품질 피치 프리커서의 전처리, 분자량 분포 제어, 고온 열처리 공정기술 등을 확보하고 스케일업 실증을 통한 기술 고도화가 먼저 요구된다.
- 친환경 기술 확대: 기존 활용하던 양질의 석유 및 석탄계 원료 기반 피치 프리커서 및 피치계 탄소소재 제조기술만으로는 탄소중립 기여는 물론이고 급변하는 원료산업 환경에 대응하기 어렵다. 그러므로 바이오산업 부산물, 플라스틱 재활용 부산물 등 저급·친환경 원료를 이용하는 지속 가능한 피치 프리커서와 탄소소재 제조 및 생산기술을 확보하고, 이를 바탕으로 탄소중립 목표에 부합하는 기술 개발이 지속되어야 한다.
- 적용 분야 확대: 기존 항공·우주·국방 분야 외에도 에너지 분야, 수소 저장, 2차전지 음극재, 전기차 부품 등 차세대 첨단산업에서 적용 분야를 지속적으로 개발하고 확대해 나가야 한다.
- 정부 지원 및 산업생태계 강화: 아직 피치계 탄소소재 기술 기반이 극히 미약한 국내 기술 수준을 글로벌 Top 수준으로 견인할 수 있도록 정부의 지속적인 연구 개발(R&D) 지원과 기업–학계 간 협력 체계 강화를 통해 국내 기업들이 글로벌 시장에서 경쟁력을 확보할 수 있도록 지원해야 한다.
- (결어) 미래산업의 고부가가치 핵심 소재로서 그 중요성이 증가하고 있는 피치계 탄소소재 분야에서 한국의 피치계 탄소소재 산업의 발전을 위해서는 정부의 전략적인 기술 개발 지원을 통한 원천기술 확보가 선행되어야 한다. 또 민간의 지속적인 투자를 바탕으로 기술 고도화 및 생산 기반 구축이 이어지고 장기적으로 친환경적 원료의 적극 활용과 응용 다변화로 산업 투자가 지속될 때 비로소 한국이 피치계 탄소소재 분야 글로벌 선도국으로 도약할 수 있을 것이다.
<목차>
1. 개요
2. 국내외 시장 동향
3. 국내외 기술 동향
4. 시사점
출처 및 참고자료
1. 개요
1) 피치 프르커서(pitch precursor)
피치는 상온에서 고체로 존재하는 검정 또는 갈색의 물질이다. 또 석유나 석탄과 같은 탄화수소 자원의 부산물로서 고온에서 증류하고 남은 중질 성분이기도 하며, 열가소성 성질이 있어 열을 가하면 녹아 끈적한 액체로 변하게 된다. 이때의 온도를 연화점이라고 하는데, 연화하는 온도는 피치의 구성 성분에 따라 달라지게 된다. 피치의 연화 온도는 50~350℃ 이상까지 다양하게 나타나며, 구조적 특성으로 인해 여러 산업 분야에서 중요한 탄소 재료의 원료로 활용되고 있다. 석유계 피치는 석유 정제 과정의 부산물로 생산되며, 상대적으로 낮은 불순물 함량을 가지지만 방향족 화합물의 함량이 낮아 탄화수율이 낮은 편이다. 석탄계 피치는 석탄의 건류 과정에서 발생하는 콜타르로부터 제조되며, 방향족 화합물의 함량이 높아 탄화수율이 높다. 다만 금속 산화물, 황, 질소 등 불순물 함량이 높아 사용에 제한이 있을 수 있다. 일반적인 피치가 특수한 열처리 과정을 거치면 단계적으로 먼저 분자층들이 쌓이는 적층(stacking) 현상이 일어난다. 그 결과로 방향성을 지닌 이방성 소구체(MCMB; Meso Carbon Micro Beads)가 형성되고, 형성된 소구체들은 자체적으로 성장하거나 다른 소구체와 병합되어 결국에는 전체 이방성을 나타내는 이방성 피치(anisotropic pitch), 메조페이즈 피치(mesophase pitch) 또는 액정 피치(Liquid crystalline pitch)로 불리게 된다. 피치는 액정성 특성을 가지며, 고성능 탄소섬유 및 고밀도 흑연 제조에 사용된다.
피치는 다양한 산업 분야에서 응용되고 있는데, 특히 피치 기반 탄소섬유, 인조흑연, 활성탄소(활성탄소섬유) 및 고성능 전극 재료 등을 제조하는 데 중요한 역할을 한다. - 대표적으로 이방성 피치는 고성능 피치계 탄소섬유의 원료로 사용된다.
- 고품질 바인더 피치는 인조흑연 블록, 인조흑연 전극봉, 인조흑연 음극재, 전극 제조 등에 사용되고 있다.
- 일반적인 바인더 피치는 우리가 잘 알고 있는 아스팔트 도로 건설, 지붕 공사 등 다양한 분야에서 재료 간 결합을 강화하는 데 활용된다.
- 또한 피치는 다양한 흡착 및 정화 공정에 사용되는 고성능 활성탄 제조 분야나 초고흡착능의 활성탄소섬유의 제조 공정 등 다양하게 사용된다.
2) 피치계 탄소소재
- (정의) 피치계 탄소소재는 석유계, 석탄계 또는 합성 피치를 열처리하여 제조되는 다양한 형태의 탄소소재로 높은 탄소 함량과 내구성, 내열성을 가지고 있다. 또 열과 전기의 전도성이 뛰어나 고성능 소재로 활용된다. 일반적으로 피치계 탄소섬유와 같은 고탄성 섬유 형태와 우수한 흡착 성능 등을 바탕으로 특수 산업 용도에 사용되는 활성탄소, 그리고 인조흑연(전극봉, 블록, 음극재)까지 다양한 형태로 첨단산업에서 중요한 역할을 하고 있다.
- (특성) 피치계 탄소소재는 높은 탄소 함량과 구조적 특징을 바탕으로 높은 열적·화학적 안정성을 가지고 있다. 또한 섬유, 블록, 필름 등 다양한 형태로 제조 가능한 우수한 가공성뿐만 아니라 열처리를 통해 극한으로 발달될 수 있는 높은 전기·열전도성을 지니고 있다. ※ 최근 피치계 탄소소재의 원료가 되는 이방성 피치 기술의 비약적 발전으로 인해 제조 수율이 높은 이방성 피치가 개발되고 있다. 이에 따라 석유·석탄 부산물 활용에 따른 원료 비용이 저렴하다는 장점에 더하여 고성능 피치계 탄소소재의 가격 경쟁력도 확보되는 상황이다.
- (응용) 피치계 탄소섬유는 항공·우주, 군수물자, 자동차 경량화 부품 등에 적용되고, 활성탄소는 환경 정화, 에너지 저장, 슈퍼퍼캐시터 등에 적용되고 있다. 또한 흑연 형태로 이차전지 음극재 등 에너지 분야에 적용되며, 복합재료 형태로 고내열 및 고내부식 등의 특성을 바탕으로 극한환경 응용분야에 그 적용을 확대하고 있다.
- (특성) 피치계 탄소소재는 높은 탄소 함량과 구조적 특징을 바탕으로 높은 열적·화학적 안정성을 가지고 있다. 또한 섬유, 블록, 필름 등 다양한 형태로 제조 가능한 우수한 가공성뿐만 아니라 열처리를 통해 극한으로 발달될 수 있는 높은 전기·열전도성을 지니고 있다. ※ 최근 피치계 탄소소재의 원료가 되는 이방성 피치 기술의 비약적 발전으로 인해 제조 수율이 높은 이방성 피치가 개발되고 있다. 이에 따라 석유·석탄 부산물 활용에 따른 원료 비용이 저렴하다는 장점에 더하여 고성능 피치계 탄소소재의 가격 경쟁력도 확보되는 상황이다. (응용) 피치계 탄소섬유는 항공·우주, 군수물자, 자동차 경량화 부품 등에 적용되고, 활성탄소는 환경 정화, 에너지 저장, 슈퍼퍼캐시터 등에 적용되고 있다. 또한 흑연 형태로 이차전지 음극재 등 에너지 분야에 적용되며, 복합재료 형태로 고내열 및 고내부식 등의 특성을 바탕으로 극한환경 응용분야에 그 적용을 확대하고 있다. (전망) 피치계 탄소소재는 기존 소재 대비 높은 성능과 가공성을 제공하여 산업적으로 매우 중요한 위치를 차지하고 있다. 다만 기술 기반이 취약한 한국으로서는 전략적 원천기술 확보 및 생산 기반 구축 지원을 통해 향후 에너지, 환경 및 첨단 소재 분야의 수요 증가에 대응할 수 있는 기술 혁신이 더욱 요구된다.
(1) 피치계 탄소섬유
- (개요) 피치계 탄소섬유는 주로 고품질의 이방성 피치를 원료로 하여 섬유 방사, 안정화, 탄화, 표면 처리 등 일련의 공정을 통해 제조되는 고성능 탄소섬유로 높은 전기·열전도성을 제공한다. 특히 높은 탄성률을 갖는 고탄성률 피치계 탄소섬유는 우주·항공과 군사적 용도에 주로 사용되기 때문에 기술 보유국에서는 전략물자로 따로 분류하여 기술 교류 및 수출입을 통제하고 있다.
- (공정) 석유, 석탄, 바이오 원료 등을 이용하여 고배향성 이방성 피치 원료를 만든 후 이를 용융 방사하여 섬유상으로 제조하고, 안정화 과정을 거쳐 열경화성 섬유로 변환하고 나서 탄화 및 흑연화 등의 고온 열처리를 통해 탄소섬유로 제조된다.
- 이방성피치: 원료 피치에서 불순물을 제거하고 이방성을 형성시켜 고순도 및 고배향성 피치 제조
- 방사: 피치를 용융 상태로 노즐의 방사홀을 통해 섬유상으로 제조
- 안정화: 열가소성 상태인 피치 섬유를 가교 구조를 갖는 열경화성 구조로 안정화
- 열처리: 1,000~1,800℃의 열처리로 탄소 구조를 형성하고, 특정 물성의 발현을 위해 필요할 경우 2,400~3,000℃의 고온 열처리를 통해 결정성이 향상된 흑연화 구조를 발현시킨다.
- (응용) 주요 응용 분야로는 우주·항공, 군수 분야, 산업용 기계의 정밀 부품, 전자기기의 열관리 시스템, 에너지 저장 장치의 전극 재료, 그 외 환경 정화용 활성탄소섬유 등이 있다.
- (전망) 피치계 탄소섬유는 PAN계 탄소섬유 대비 강도가 낮다는 단점이 있지만, 열·전기전도성이 월등하게 우수하여 특정 응용 분야에서 높은 경쟁력을 가지고 있다. 특히 고탄성과 고열전도성이 요구되는 분야에서 중요한 역할을 하고 있으며, 지속적인 연구 개발을 통해 그 응용 범위가 확대되고 있다. 나아가 국내 생산 기술을 확보하게 된다면 다양한 산업 분야에 걸쳐 광범위한 적용이 가능하므로 향후 더욱 다양한 분야에서의 활용이 기대된다.
- (개요) 피치계 활성탄소는 석유계 피치나 석탄계 피치를 원료로 하여 제조된 활성탄소로, 높은 비표면적과 기공 구조로 인해 다양한 분야에서 사용된다.
- (공정) 피치계 활성탄소는 등방성 피치 프리커서의 탄화·활성화 공정을 통해 생산되며, 일반적인 활성탄소 대비 높은 비표면적(1,000~3,000m²/g)과 다공성 구조를 가진다.
- 탄화(Carbonization): 원료 피치를 열처리하여 수소, 산소, 질소 등 불순물을 제거하고 고탄소 함량의 물질로 전환한다.
- 활성화(Activation): 탄화된 피치에 물리·화학적 방법으로 기공 구조를 생성하는데, 물리적 활성화는 주로 수증기나 이산화탄소(CO₂)를 사용하여 고온(700~1,200°C)에서 처리하고 화학적 활성화는 인산(H₃PO₄), 수산화칼륨(KOH) 등 화학 약품을 사용하여 비교적 낮은 온도에서 활성화한다.
- (특성) 피치계 활성탄소는 기공 구조가 발달하여 넓은 비표면적을 가지는데, 기공 분포는 미세기공(<2nm), 중공(2~50nm), 대공(>50nm)으로 구성된다. 원료로 피치를 사용하기 때문에 일반적으로 간과하기 쉬우나 주요한 물성 지표 중 하나인 기계적 강도 면에서 타 원료 대비 우수한 특성을 나타낸다.
- 장점: 전반적으로 열적·화학적 안정성이 우수하며, 높은 비표면적의 기공 구조로 흡착효율이 뛰어나고 특정 용도에 적합하도록 맞춤형 설계와 제작이 가능하다.
- 단점: 탄화, 활성화 등 제조 과정에서 높은 에너지를 소모하기 때문에 제조 비용이 상승한다.
- (응용) 피치계 활성탄소는 높은 전도성과 비표면적으로 인해 전기화학적 성능을 향상시키는 용도로 리튬이온배터리(LIB)나 슈퍼커패시터(Super capacitor)의 전극 소재로 사용되고 있다. 공기와 수질 오염물 제거 및 폐수 처리, 화학 반응의 촉매 지지체, 의약 및 식품산업 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.
- (전망) 향후 피치계 활성탄소 기술은 나노 구조 제어, 표면 개질, 복합재료 개발, 재생 및 재활용 기술 등의 방향으로 발전할 것으로 예상된다. 이와 같은 기술 발전을 통해 피치계 활성탄소는 환경, 에너지, 의료 등 다양한 분야에서 더욱 중요한 역할을 할 것으로 기대되며, 지속적인 연구 개발을 통해 그 응용 범위가 더욱 확대될 전망이다.
(3) 피치계 활성탄소섬유
- (개요) 피치계 활성탄소섬유는 피치 프리커서를 원료로 하여 섬유상으로 제조된 활성탄소를 소재로 한다. 섬유상 구조를 바탕으로 높은 비표면적과 균일한 기공 구조를 가지고 있어 일반 활성탄소 대비 100배 이상 빠른 고흡착 성능으로 다양한 분야에서 적용되고 있다.
- (공정) 피치계 활성탄소섬유는 피치를 섬유상으로 제조하고 안정화시킨 후 원료의 탄화·활성화 공정을 통해 생산되며, 일반적으로 다음과 같은 공정을 거쳐 제조된다.
- 섬유 방사(Melt–blown): 피치를 용융 상태로 녹여 2~4cm 내외의 짧은 단섬유로 흩뿌려서 부직포 형태로 방사
- 안정화(Stabilization): 방사된 섬유를 산화·열처리하여 가교결합을 유도하고 열적 안정성을 부여
- 탄화(Carbonization): 고온에서 열처리하여 섬유를 탄소화 처리
- 활성화(Activation): 물리적(수증기) 또는 화학적(KOH, H₃PO₄) 활성화 공정을 통해 섬유 표면에 미세기공을 형성
- (특성) 피치계 활성탄소섬유는 섬유 형태로 인해 높은 유연성과 구조적 설계 자유도를 갖고 있다. 주로 2nm 이하의 미세기공이 발달되어 있고, 1,000~3,000m²/g에 이르는 높은 비표면적을 바탕으로 가스와 작은 분자의 흡착에 우수한 성능을 가지고 있다. 또 분말형 활성탄소에 비해 흡탈착 속도가 100배까지 빠른 장점과 고온·내화학성의 안정성으로 인해 고가 또는 특수 용도에 주로 사용된다.
- 장점: 전반적으로 우수한 열적·화학적 안정성을 지니며, 높은 비표면적 기공 구조로 흡착효율이 뛰어나고 특정 용도에 적합하도록 맞춤형 설계와 제작이 가능하다.
- 단점: 제조 과정에서의 높은 에너지 소모로 인해 비용이 비싸다. 특히 고품질의 활성탄소섬유 제조를 위한 화학적 활성화 과정에서 발생하는 슬러지 처리는 난제로 남아 있다.
- (응용) 피치계 활성탄소섬유는 고속 흡착이 요구되는 공기 및 수질의 오염물질 제거 필터와 휘발성 유기화합물(VOCs)의 흡착과 유해가스의 초고속 흡착 등에 활용되고 있다.
- (전망) 피치계 활성탄소섬유는 독특한 섬유 구조와 우수한 물리·화학적 특성 덕분에 다양한 산업에서 중요한 역할을 하고 있다. 친환경 및 에너지 분야에서 잠재적 응용 가능성이 높아 제조 비용 절감과 공정 개선이 이루어진다면 적용이 급격히 확대될 것으로 기대된다.
(4) 인조흑연 : 조립구상흑연 음극재
인조흑연 제조 공정 전반에 걸쳐서 피치는 핵심적인 원료로 사용된다. 이 과정은 석유나 석탄의 부산물로부터 피치를 준비하는 것으로 시작하여 코크스의 제조 원료가 되는 소프트 피치를 코킹시키고 바인더 피치와 혼합하여 성형한다. 이어 탄화 열처리 이후 함침 피치를 이용한 함침 및 열처리를 반복한 후 초고온 흑연화를 통해 인조흑연으로 제조된다. 코킹 공정의 원료 피치, 바인더 피치, 함침 피치 그리고 인조흑연 음극재의 경우에는 코팅 피치에 이르기까지 전반적인 인조흑연 제조 공정에 걸쳐 피치가 적용된다. 이 과정에서 사용되는 피치의 품질은 최종 인조흑연의 특성을 결정짓는 중요한 요소가 된다. 인조흑연은 우수한 물성으로 인해 다양한 첨단산업에서 활용되고 있는데, 주요 응용 분야로는 이차전지의 분말형 음극재, 철강 및 제련 산업에서의 인조흑연 전극봉, 반도체 제조용 부품, 원자로의 중성자 감속재, 전자기기의 방열 소재, 우주·항공 분야의 부품 등으로 적용되는 인조흑연 블록 등이 있다. 인조흑연 적용 분야 중 특히 이차전지 음극재로서의 인조흑연은 천연흑연에 비해 수명이 길고 급속충전에 유리한 특성을 가지고 있어 전기차와 스마트폰 등의 배터리 성능 향상에 기여하고 있다. 이에 반해 제조 공정상 단가가 비싸고 무엇보다 수요시장의 급격한 규모 확대에 맞추어 생산 규모 증설이 어려운 단점이 있다. 이러한 인조흑연 음극재의 장단점을 해결할 수 있는 형태의 적용 기술이 조립구상흑연 음극재다. 조립구상흑연 음극재는 천연흑연 가공 과정에서의 공정 부산물을 원료로 주로 사용하고, 피치를 이용하여 이를 조립하고 최종적으로 코팅 피치로 표면처리하여 완성된다. 조립구상흑연 음극재는 원료가 풍부하여 증설이 용이하고 주원료인 천연흑연 미분을 이용한 조립 공정과 표면처리 공정 모두 피치를 이용한다. 그리고 이에 적용된 피치가 인조흑연 구조로 발현되어 천연흑연과 인조흑연의 특장점을 모두 가지면서도 가격 경쟁력을 갖출 수 있는 기술 분야라고 할 수 있다. ※ 인조흑연은 탄소소재 시장의 50%에 가까운 점유율을 가지는 소재이지만, 그 범위가 너무 넓어 피치계 탄소소재에 한하여 다룬 이 글에서는 인조흑연 중 차세대 에너지 소재로 부상 중인 조립구상흑연 음극재를 대상으로 소개하고자 한다.
- (개요) 조립구상흑연 음극재는 리튬이온배터리의 음극 소재로 사용되는 고기능성 흑연 재료이며, 천연흑연이나 인조흑연 가공 부산물을 주원료로 하여 조립화 및 구형화 과정을 통해 제조된다. 이 음극재는 리튬이온의 저장 및 방출 능력이 뛰어나 배터리의 성능을 향상시키며, 주로 에너지 밀도와 충·방전 효율을 높이는 데 기여할 수 있다.
- (공정) 주로 천연흑연이나 인조흑연의 공정 부산물을 피치와 혼합 과정을 통해 조립하고, 조립된 흑연을 구형화하여 부피밀도를 높여서 리튬이온 확산을 유도한다. 조립 과정의 특징으로 전해질 침투가 용이하며, 천연흑연과 인조흑연 음극재의 특징을 모두 가질 수 있다. 최종적으로 피치 코팅을 통해 전기화학적 안정성을 높여서 이차전지 음극재로 적용된다.
- (특성) 리튬이온 삽입/탈리 과정에서 낮은 저항과 높은 안정성을 제공하는 등 전기화학적으로 높은 안정성과 구형화된 입자 구조로 인해 리튬 저장에 최적화되어 에너지 밀도가 높다. 또 리튬이온의 확산 경로를 단축하여 빠른 충·방전이 가능하며, 무엇보다 천연흑연 음극재의 가공 부산물을 활용하여 제조 비용이 낮고 대량 생산에 적합한 장점이 있다.
- (응용) 조립구상흑연 음극재의 물성과 등급에 따라 전기자동차 및 하이브리드 전기차용 이차전지의 음극재로 활용될 수 있다. 또 생산된 신재생 에너지의 저장 등에 적용되는 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS) 용도로 사용될 수 있고, 스마트폰이나 노트북 등 휴대용 전자기기의 배터리 음극재로도 적용이 가능하다.
- (전망) 천연흑연의 낮은 비용과 인조흑연의 높은 성능을 조화시킨 소재로, 리튬이온배터리 시장에서 주목받고 있다. 무엇보다 대량 생산에 적합한 장점이 있어 향후 전기차와 ESS 수요의 폭발적 증가와 더불어 시장 규모가 꾸준히 확대될 것으로 예상된다.
2. 국내외 시장 동향
1) 글로벌 시장 동향
피치계 탄소소재는 고온 내열성, 높은 강도, 경량성, 전도성 등 우수한 물리적 특성을 바탕으로 항공·우주, 자동차, 건설, 재생에너지, 스포츠 및 레저 등 다양한 산업에서 활용 범위를 넓혀가고 있다. 이에 따라 시장 규모도 꾸준히 확대되고 있다. 이에 따라 앞서 소개한 피치계 탄소소재 4종(탄소섬유, 활성탄소, 활성탄소섬유, 조립구상흑연 음극재)에 대한 생산량과 시장 규모를 살펴보고자 한다. 단, 조립구상흑연 음극재의 경우 아직 정확한 시장 규모 집계가 어렵기에 흑연(천연 및 인조) 기반 음극재에 대한 생산량과 시장 규모로 대체해 제시하였다.
(1) 피치계 탄소섬유
피치계 탄소섬유의 2024년 글로벌 생산량은 약 12,500톤, 시장 규모는 약 5.8억 달러로 예상된다. 우주·항공 분야와 풍력에너지 분야에서 수요가 꾸준히 증가하고 있는데, 연료 효율성과 경량화를 위한 항공기 부품에서의 채택 증가와 아시아–태평양 및 유럽 지역에서 풍력에너지 설치 확대, 그리고 스포츠와 레저산업 및 고성능 자동차 부품에서의 적용 증가가 주요 성장 요인으로 해석된다.
- 시장 전망: 시장 규모는 연평균성장률(CAGR) 약 7.9%씩 증가하여 2031년까지 9.0억 달러를 초과할 것으로 전망된다. 이는 첨단산업 분야에서 지속 가능한 극한 소재에 대한 수요 증가가 주요인으로 해석된다.
- 지역별 시장 동향: 주로 아시아–태평양 지역의 시장 증가율이 두드러진다. 산업화와 강력한 자동차 및 풍력에너지산업 덕분에 중국과 인도가 가장 빠르게 성장하는 시장으로 주목받고 있다. 북미는 항공·우주산업의 수요가 높아 주요 시장으로 자리 잡고 있다. 이와 같은 성장은 제조 공정의 혁신, 비용 절감, 품질 향상, 탄소섬유 재활용에 대한 관심 증가로 뒷받침되고 있다.
(2) 피치계 활성탄소
피치계 활성탄소는 지속 가능한 에너지의 저장과 환경 규제가 강화되면서 공기 정화, 수처리 및 산업용 용매 회수 등에서 중요성이 커지고 있다. 2024년 글로벌 피치계 활성탄소 생산량은 약 9,200톤이고, 시장 규모는 약 4.2억 달러로 추정된다.
- 시장 전망: 시장은 CAGR 7.4%의 성장세를 바탕으로 2031년에는 6.8억 달러를 초과할 것으로 전망된다. 피치계 활성탄소에 대한 다양한 응용 분야에서의 활용은 시장 성장을 견인하고 있으며, 새로운 응용 분야가 계속해서 개발될 것으로 예상된다.
- 지역별 시장 동향: 중국, 일본, 한국이 주요 생산 및 소비 지역이다. 특히 중국은 생산 시장과 내수 시장 모두에서 가장 큰 비중을 차지하고 있으며, 환경 보호 및 탄소 배출 감축 정책 강화로 유럽과 북미에서도 수요가 빠르게 증가하는 경향을 보인다.
(3) 피치계 활성탄소섬유
피치계 활성탄소섬유 시장은 연평균 4.9%의 성장세로 가속화되고 있는데, 공기 정화, 수처리, 용매 회수 같은 응용 분야에서의 수요 증가와 필터 기술의 발전이 주요 성장 동력으로 해석된다.
- 시장 전망: 글로벌 피치계 활성탄소섬유 시장은 2022년부터 2031년까지 지속적인 성장이 예측된다. 2024년 추정 시장 규모 약 8.6억 달러에서 2031년에는 약 12.5억 달러에 이를 것으로 전망된다.
- 지역별 시장 동향: 피치계 활성탄소의 주요 시장은 북미와 아시아–태평양 지역으로 양분된다. 북미 지역 시장 규모는 최근 환경 규제 강화와 최첨단 공기 정화 기술 및 소재에 대한 시장 요구가 성장 동력이다. 아시아–태평양 지역은 지속적인 산업화와 이에 따르는 환경 문제에 관한 관심이 성장을 견인할 것으로 전망된다.
(4) 조립구상흑연 음극재
천연 및 인조흑연은 리튬이온 이차전지의 음극재로 사용되어 고밀도 에너지 저장 및 배터리 수명을 향상시키는 데 중요한 역할을 한다. 특히 전기차(EV) 및 재생에너지 저장 시스템(ESS; Energy Storage System)에서의 수요가 꾸준히 증가하면서 시장이 빠르게 성장하고 있다.
- 시장 전망: 2024년 글로벌 흑연 음극재의 생산량은 약 12만 톤이며, 시장 규모는 약 5.3억 달러(CAGR 9.2%)로 추정된다. 이와 같은 성장세로 인해 2031년에는 10억 달러를 초과할 것으로 예측된다.
- 지역별 시장 동향: 중국, 한국, 일본이 주요 시장이며, 주원료가 되는 천연흑연 가공 부산물이 풍부한 중국이 흑연 음극재 생산과 소비의 선두 주자이다. 최근 지속 가능한 에너지 정책을 추진하는 유럽 지역도 급격한 성장세를 보이고 있다. 또한 글로벌 자원 무기화의 문제로 인해 전 세계적으로 공급망 안정화가 주요 이슈가 되고 있으며, 이에 따라 많은 국가에서 생산 능력 자급을 통한 공급망 확보를 추진하고 있어서 향후 시장은 더욱 확대될 전망이다.
2) 국내 시장 동향
- 한국의 피치계 탄소소재 시장은 주로 배터리와 전기차산업에서 수요가 증가하고 있으나, 아직은 국내 기술 및 생산 기반 부재로 수요를 거의 전량 해외에 의존하는 상황이다.
- 향후 우주·항공, 국방, 자동차 등 첨단산업 분야의 급성장과 더불어 지속 가능한 극한 물성 소재의 필요성이 부각되는 현 상황에서 정책적 기술 개발 지원과 민간의 전략적 투자를 바탕으로 조속히 생산 기반을 구축하고 공급을 자립하는 것이 당면 과제이다.
- 글로벌 피치계 탄소소재 시장은 항공·우주와 전기차산업의 발전에 힘입어 지속적으로 성장하고 있다. 국내 시장 역시 긍정적인 전망을 보이고 있으며, 주요 기업들의 기술 개발과 정부의 지원을 결합하여 더욱 빠른 성장이 시급히 요구되고 있다.
3. 국내외 기술 동향
- 최신 피치계 탄소소재 개발은 효율성 증대와 성능 향상에 집중되고 있다. 피치계 탄소섬유 기술을 보유한 일본과 미국이 기술을 선도하고 있고, 항공·우주 및 군수 분야에서 성능 고도화를 주도하고 있다.
- 에너지 분야에서 한국은 선진국 대비 약 80% 수준의 기술력을 보유한 것으로 평가되는데, 배터리 음극재 분야에서 높은 경쟁력을 갖추고 있다. 현재 정부 지원과 민간 협력 투자를 통해 적극적인 연구 개발을 진행하면서 기술 격차를 빠르게 좁혀가고 있다.
1) 글로벌 기술 개발 동향
- (피치계 탄소섬유) 피치계 탄소섬유는 항공·우주, 자동차, 건축 그리고 최근에는 전기차(EV)와 풍력 발전 부품에서 점점 더 많이 사용되고 있다. 최근 5년간에는 생산 비용 절감과 성능 향상을 목표로 기술 개발이 집중되었다. 특히 고강도·고탄성의 탄소섬유를 생산하기 위해 피치의 전처리 과정 개선과 제조 공정 최적화가 중요한 이슈로 부각되고 있다.
- 공정 개선 및 효율화: 최근 연구에서는 피치계 탄소섬유의 생산 공정에서 발생하는 에너지 소비를 줄이고 생산 속도를 향상시키는 기술이 중점적으로 연구되고 있다. 특히 프리커서(precursor) 재료의 품질 향상과 안정화 및 탄화 공정에서의 열처리 에너지 절감 기술이 활발히 연구되고 있다.
- 고성능 탄소섬유: 피치계 탄소섬유의 단점인 인장강도의 개선과 장점인 탄성율의 고도화를 위해 열처리 공정 개선과 나노 구조 강화 등 일련의 기술 개발이 수행 중이다. 최근에는 다양한 원료 물질을 활용한 피치 프리커서 개발 등 환경친화적인 기술 개발에 집중되고 있다.
출처: IMARC Group, 2023; Journal of Carbon Research, 2022
- (피치계 활성탄소) 피치계 활성탄소는 특히 수처리, 공기 정화, 가스 흡착 등에서 활발히 사용되고 있다. 최근에는 흡착 성능을 극대화하고 생산 비용을 절감하기 위한 공정 개발 연구에 집중되고 있다.
- 최근의 기술 개발 중 가장 주목할 만한 부분은 나노기술을 활용한 표면적 확대이며, 활성탄소의 표면적을 나노 미세입자로 확대하여 흡착 성능을 향상시키는 기술과 에너지 저감을 위한 저온 활성화 공정 개발도 활발히 이루어지고 있다. - 이에 더해 환경적인 이슈도 부각되고 있는데, 활성탄소의 제조 공정에서 발생하는 화학 물질과 이산화탄소의 배출을 줄이기 위해 친환경적인 천연가스를 활용하는 방법 등 다양한 환경친화적 기술 개발에도 활발한 투자가 진행 중이다.
출처: Grand View Research, 2021; Journal of Environmental Management, 2022
- (피치계 활성탄소섬유) 피치계 활성탄소섬유는 환경 정화와 관련된 분야에서 주로 사용된다. 특히 공기와 수질 정화, 화학적 가스 흡착 등에서 중요한 역할을 하는데, 최근에는 흡착 성능 향상과 제조단가 절감을 통한 경쟁력 강화를 주요 기술 개발 방향으로 연구가 집중되고 있다.
- 기공 구조: 피치계 활성탄소섬유는 미세구조의 최적화를 통해 흡착 성능을 크게 향상시킬 수 있다. 최근 연구에서는 활성탄소섬유의 나노구조 강화와 화학적 표면 처리를 통한 성능 향상, 그리고 선택적 흡착 능력 강화를 통해 맞춤형 활성탄소섬유가 주요 개발 대상이 되고 있다.
- 화학적 내구성을 높이는 동시에 고온·고압 환경에서 안정성을 강화하는 기술이 집중 조명 중이며, 이처럼 물성이 개선된 활성탄소섬유의 양산성을 보완하기 위한 자동화 공정 개발이 중요한 과제로 관심받고 있다.
출처: Research Nester, 2021; Journal of Carbon Science, 2020
- (조립구상흑연 음극재) 조립구상흑연은 전기차 및 ESS(에너지 저장 시스템) 배터리의 음극재 주요 후보 물질이다. 고용량과 안정성을 위한 기술 개발을 포함하여 최근 몇 년 동안은 음극재의 효율성을 높이고 구상화 과정을 최적화하는 방향으로 개발이 진행되고 있다.
- 구상화 기술 개선: 주요 개발 방향은 구상화 기술의 개선이며, 이를 통해 입도 분포를 개선하고, 배터리의 충전/방전 효율성을 향상시키는 기술과 대량 생산을 위한 공정 개선이 주요하게 연구 중이다.
- 최근 용량 개선이 주요 목표로 집중 연구 중이며, 조립 기술을 통해 용량 개선이 가능한 나노입자를 효율적으로 도입하면서 팽창을 억제하고 용량과 수명을 동시에 연장하는 기술이 활발히 연구되고 있다.
출처: MarketsandMarkets, 2022; TechSci Research, 2023
2) 국내 기술 개발 동향
- (피치계 탄소섬유) 피치계 탄소섬유는 미국과 일본에서만 원천기술을 보유하고 생산 중이며, 전략물자로 관리하고 있어 기술 교류와 수출입이 자유롭지 못한 상황이다. 한국에서는 피치계 탄소섬유 개발이 일부 지원된 바 있으나, 기술 기반 부족과 기업의 낮은 투자 의지로 인해 개발 시도로만 그쳤고 상용화를 위한 완성된 통합공정기술과 양산공정기술의 확보는 요원한 상황이다.
- 그동안 국내에서는 우주·항공·국방 등 첨단산업 분야에 대한 기술력 미성숙으로 피치계 탄소섬유의 필요성이 낮았다. 하지만 최근 급성장한 첨단산업 분야에서 수요가 지속 증가하고 있으며, 정부의 정책적 지원과 민간의 전략적 투자를 바탕으로 피치계 탄소섬유 원천 소재기술과 양산을 위한 통합공정기술 확보가 시급히 요구되고 있다.
- (피치계 활성탄소) 최근에는 활성탄소의 효율성을 높이기 위한 나노구조 개발이 진행되고 있다. 이를 통해 기존보다 더 높은 표면적과 흡착 능력을 가진 활성탄소가 개발되고 있으며, 기능성 향상과 환경적 적용을 확장하기 위한 연구가 다방면으로 진행 중이다.
- (피치계 활성탄소섬유) 피치계 활성탄소섬유는 단열재와 흡착재 개발을 목적으로 몇 차례 기술 개발이 지원된 바 있다. 그러나 원료가 되는 피치 프리커서의 기술 개발과 경쟁력 확보가 가능한 양산공정기술 분야에서 완성도가 부족하여 양산이 지연되고 있다. 이에 축적된 기술 기반을 바탕으로 소재와 공정 분야에 대한 기술 완성도를 제고하여 기술 완성 및 국내 생산이 요구되고 있다.
- (조립구상흑연 음극재) 조립구상흑연 음극재는 전기자동차 및 에너지 저장 시스템(ESS)의 수요 증가에 따라 고성능 음극재 개발로 집중되고 있다. 특히 천연흑연의 가공 부산물을 활용한 조립구상흑연의 생산기술이 개발되고 있는데, 이를 바탕으로 가격 경쟁력을 높이는 동시에 친환경적 생산기술 확보를 목표로 개발 추진 중이다.
4. 시사점
- 피치는 다양한 특성과 응용 가능성으로 인해 고성능 탄소재료산업에서 중요한 원료로 자리 잡고 있다. 지속적인 연구와 개발을 통해 그 활용 범위가 확대되고 있으며, 향후 피치의 구조적 특성과 처리 방법에 대한 이해가 깊어질수록 더욱 다양하고 고성능의 피치계 탄소소재 개발이 가능할 것으로 기대된다.
- 경량화와 고성능화 요구로 인해 항공·우주, 자동차, 신재생에너지 등 다양한 산업 분야에서 피치계 탄소소재 수요가 증가하고 있다. 이러한 수요의 충족을 넘어 국내 기술 경쟁력 강화를 위해서는 원천기술 확보, 생산성 향상, 그리고 비용 절감이라는 세 가지 주요 과제가 해결되어야 한다.
- 현재 피치계 탄소섬유 제조 원천기술은 미국·일본에 독점적으로 집중된 상황이며, 한국의 독자적인 기술 개발로 원천기술이 확보되어야 한다. 이를 위해서는 정부와 기업의 지속적인 R&D 투자가 필수적이며, 전문연구기관과 기업 간의 긴밀한 협력 또한 필수 불가결한 요소라 할 수 있다.
- 생산성 향상은 피치 제조 공정의 효율성을 높이고 품질을 개선하는 것을 목표로 해야 한다. 이를 위해 공정 최적화, 자동화 및 디지털화, 품질 관리 시스템 개선, 그리고 인력 교육 및 훈련 등의 방안이 동시에 고려되어야 한다.
- 피치계 탄소소재 원천소재기술이 부재된 한국에서 민간 상용화를 추진하기 위해서는 가장 어려운 문제인 원천소재기술과 통합공정기술의 확보와 동시에 가격 경쟁력 또한 확보되어야 한다. 이는 사실상 불가능한 ‘난제’라 할 수 있다.
- 따라서 피치계 탄소소재 생산국으로 도약하기 위해서는 민간의 초기 부담을 낮춰줄 수 있는 정부의 전략적 기술 개발 투자가 선행되어야만 한다. 이를 바탕으로 한 정부, 기업, 연구기관의 유기적인 협력이 이루어질 때 한국이 단계적으로 피치계 탄소소재 생산국으로 진입하고 향후 기술 선도를 견인할 수 있을 것이다.
정책 제안
- 피치(pitch) 관련 기술의 국내 경쟁력 강화를 위해서는 다각도의 접근이 필요하며, 원천소재기술 확보를 위한 전략적 R&D 투자 확대가 선행되어야 한다. 이를 바탕으로 기술 확보, 인프라 구축, 그리고 전문인력 저변이 점진적으로 확대되어야 할 것이다.
- 먼저 R&D 투자 확대를 포함한 정부의 정책적·전략적 지원과 적극적인 개입을 통해 기업들은 더 많은 자원을 기술 개발에 투입할 수 있게 된다. 결과적으로 피치계 탄소소재 생산국으로 도약함과 동시에 글로벌 시장에서의 경쟁력을 확보하게 될 것이다.
- 정부와 기업의 투자를 바탕으로 긴밀한 산학연 기술개발 협력 체계를 구축해야 한다. 기초 연구에서부터 상용화에 이르는 전 과정을 완성할 수 있게 효율적으로 관리되어 연구 결과가 상용화에 도달할 수 있도록 시작부터 완성까지 체계적으로 지원되어야 한다.
- 피치계 탄소소재의 기술 고도화를 위해서는 국제 협력이나 기술 교류가 필수적이나 원천소재기술이나 생산 기반이 없는 현재 국내 상황에서는 동 분야에 대한 국제 협력이 선결과제라 할 수 없다. 다만 선제적 기술 확보와 생산국 도약을 이룬 이후에만 미국·일본 등 피치계 기술 선진국과의 기술 교류를 통한 기술 도약과 글로벌 기술 경쟁력 확보가 가능할 것으로 판단된다.
출처 및 참고자료
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