자동차용 CFRP의 세계 수요 예측조사 결과(2016년)
-멀티머티리얼의 진화가 자동차를 더욱 가볍게 한다-
-멀티머티리얼의 진화가 자동차를 더욱 가볍게 한다-
【자료요강】
야노경제연구소에서는 다음의 조사요강으로 자동차용 CFRP의 세계 수요에 대해서 예측조사를 실시했다.
야노경제연구소에서는 다음의 조사요강으로 자동차용 CFRP의 세계 수요에 대해서 예측조사를 실시했다.
1. 조사기간：2016년 7월~10월
2. 조사대상：자동차 메이커, 탄소섬유 메이커, 성형가공 메이커, 기기 메이커, 연구개발기관 등
3. 조사방법：당사 전문연구원의 직접면담, 전화·e-mail을 통한 청취 및 문헌조사 병용
2. 조사대상：자동차 메이커, 탄소섬유 메이커, 성형가공 메이커, 기기 메이커, 연구개발기관 등
3. 조사방법：당사 전문연구원의 직접면담, 전화·e-mail을 통한 청취 및 문헌조사 병용
＜CFRP 용어정의＞
CFRP(Carbon fiber-reinforced plastic；탄소섬유 강화 플라스틱)는 강화재에 탄소섬유를 사용한 섬유강화 플라스틱이다. 탄소섬유의 비중은 철의 1/4이지만 강도가 10배인 뛰어난 특성을 가지고 있다. 탄소섬유가 그대로 이용되는 것은 시트 히터 등의 일부 용도에 한정되며 대부분은 CFRP로서 사용되고 있다. 또한 매트릭스에 열강화성 수지를 사용한 것을 탄소섬유 강화 열강화성 플라스틱(CFRTS), 열가소성 수지를 사용한 것을 탄소섬유 강화 열가소성 플라스틱(이하 CFRTP)이라고 부른다. 이 조사에서의 CFRP는 양쪽 모두를 대상으로 한다.
CFRP(Carbon fiber-reinforced plastic；탄소섬유 강화 플라스틱)는 강화재에 탄소섬유를 사용한 섬유강화 플라스틱이다. 탄소섬유의 비중은 철의 1/4이지만 강도가 10배인 뛰어난 특성을 가지고 있다. 탄소섬유가 그대로 이용되는 것은 시트 히터 등의 일부 용도에 한정되며 대부분은 CFRP로서 사용되고 있다. 또한 매트릭스에 열강화성 수지를 사용한 것을 탄소섬유 강화 열강화성 플라스틱(CFRTS), 열가소성 수지를 사용한 것을 탄소섬유 강화 열가소성 플라스틱(이하 CFRTP)이라고 부른다. 이 조사에서의 CFRP는 양쪽 모두를 대상으로 한다.
＜자동차용 CFRP 수요량 용어정의＞
이 조사에서의 자동차용 CFRP 수요량은 자동차 프레임과 바디를 일체로 만든 모노콕 바디와 크로스멤버, 필러, 센터터널 등의 구조재 일부, 보닛이나 후드, 백 도어 등의 교체 가능한 부품(파트) 등에서 채용되는 탄소섬유·CFRP 수요량(단위：t)에서 산출했으며, 연료 전지차에 사용되는 수소탱크용 탄소섬유·CFRP 수요량은 제외한다.
【조사결과 서머리】
◆2015년 세계 자동차용 CFRP 수요량은 9,231t, 2020년에는 28,000t으로 증가할 것으로 예측
2015년 세계 자동차용 CFRP 수요량을 9,231t으로 추계했다. 자동차에서의 본격적인 CFRP 채용은 2017년경부터 개시되어 2020년경까지 모노콕에서의 CFRP 채용은 BMW의 i3/i8 및 고급차에서의 채용이 중심이며, 그 외 고급차 구조재 일부에서의 CFRP 채용 및 교체 가능한 부품 수준에서의 철 대체 채용이 중심이 될 것으로 보인다. 이러한 채용에 의해 2020년의 자동차용 CFRP 수요량은 28,000t으로 증가될 것으로 예측된다.
이 조사에서의 자동차용 CFRP 수요량은 자동차 프레임과 바디를 일체로 만든 모노콕 바디와 크로스멤버, 필러, 센터터널 등의 구조재 일부, 보닛이나 후드, 백 도어 등의 교체 가능한 부품(파트) 등에서 채용되는 탄소섬유·CFRP 수요량(단위：t)에서 산출했으며, 연료 전지차에 사용되는 수소탱크용 탄소섬유·CFRP 수요량은 제외한다.
【조사결과 서머리】
◆2015년 세계 자동차용 CFRP 수요량은 9,231t, 2020년에는 28,000t으로 증가할 것으로 예측
2015년 세계 자동차용 CFRP 수요량을 9,231t으로 추계했다. 자동차에서의 본격적인 CFRP 채용은 2017년경부터 개시되어 2020년경까지 모노콕에서의 CFRP 채용은 BMW의 i3/i8 및 고급차에서의 채용이 중심이며, 그 외 고급차 구조재 일부에서의 CFRP 채용 및 교체 가능한 부품 수준에서의 철 대체 채용이 중심이 될 것으로 보인다. 이러한 채용에 의해 2020년의 자동차용 CFRP 수요량은 28,000t으로 증가될 것으로 예측된다.
◆자동차의 「멀티머티니얼화」 진화로,
2025년 세계 자동차용 CFRP 수요량은 85,231t으로 증가될 것으로 예측
2020년 이후에는 철 대체에 의한 CFRP화로 인해 차체 설계 전체에서 재료 설계가 재검토 되고, 하이브리드 재료(철＋CFRP, 알루미늄＋CFRP)를 사용한 「멀티머티리얼화」에 대응한 자동차 등장이 전망된다. 이러한 개발이 진행되는 가운데 현재의 고가격대 차종뿐만 아니라 보다 저가격대 차종에서의 CFRP 채용이 기대된다. 생산수량이 큰 차종에서의 채용과 함께 CFRTP 성형품 채용도 전망되어, 2025년 세계 자동차용 CFRP 수요량은 85,231t으로 증가할 것으로 예측된다.
【조사결과의 개요】
1. 시장 배경·개황
▷CFRP(탄소섬유를 사용한 섬유강화 플라스틱)는 1970년대부터 스포츠(낚싯대, 테니스 라켓, 골프 샤프트) 및 항공 용도로 채용되어 왔다. 자동차용으로는 1979년부터 채용되었지만, 생산량이 연간 수 십대~1,000대/1차종으로 제조 코스트·생산성 문제로 지금까지 수요는 한정적이었다.
▷2013년에 BMW가 CFRP를 차체 구조부에 채용한 EV(Electric Vehicle)인 i3를 제품화하여, 차체 중량 경감에대한 요구도가 높은 EV를 중심으로 CFRP의 본격 채용을 위한 대응이 활발해지고 있다.
▷2015년 세계 자동차용 CFRP 수요량을 9,231t으로 추계했다. 주로 유럽 자동차 메이커에서 자동차의 모노콕, 구조재 일부, 교체 가능한 부품(파트) 등 각 부분에서의 채용이 조금씩 진전되고 있다.
▷현재 유럽 자동차 메이커인 BMW, Volkswagen그룹의 Audi나 Lamborghini등은 CFRP 채용에 대해서 적극적인 자세를 보이고 있다. 또한 일본계 메이커도 도요타자동차가 「부품 수준에서의 검토는 종료」되었다고 말하고 있듯이 CFRP 채용에 대해서 적극적인 자세로 바뀌고 있는데, 주요 골격에서의 채용보다는 교체 가능한 부품(파트)에서 채용되기 시작하여 조금씩 채용 범위가 확대될 것으로 추측된다. 미국 메이커는 하이텐(High Tensile Strength Steel Sheets), 알루미늄 등의 재료 채용이 중심이지만, GM이 Mixed Material Body Structure※를 제안하고 있듯이 CFRP 채용 가능성도 있다고 보인다.
1. 시장 배경·개황
▷CFRP(탄소섬유를 사용한 섬유강화 플라스틱)는 1970년대부터 스포츠(낚싯대, 테니스 라켓, 골프 샤프트) 및 항공 용도로 채용되어 왔다. 자동차용으로는 1979년부터 채용되었지만, 생산량이 연간 수 십대~1,000대/1차종으로 제조 코스트·생산성 문제로 지금까지 수요는 한정적이었다.
▷2013년에 BMW가 CFRP를 차체 구조부에 채용한 EV(Electric Vehicle)인 i3를 제품화하여, 차체 중량 경감에대한 요구도가 높은 EV를 중심으로 CFRP의 본격 채용을 위한 대응이 활발해지고 있다.
▷2015년 세계 자동차용 CFRP 수요량을 9,231t으로 추계했다. 주로 유럽 자동차 메이커에서 자동차의 모노콕, 구조재 일부, 교체 가능한 부품(파트) 등 각 부분에서의 채용이 조금씩 진전되고 있다.
▷현재 유럽 자동차 메이커인 BMW, Volkswagen그룹의 Audi나 Lamborghini등은 CFRP 채용에 대해서 적극적인 자세를 보이고 있다. 또한 일본계 메이커도 도요타자동차가 「부품 수준에서의 검토는 종료」되었다고 말하고 있듯이 CFRP 채용에 대해서 적극적인 자세로 바뀌고 있는데, 주요 골격에서의 채용보다는 교체 가능한 부품(파트)에서 채용되기 시작하여 조금씩 채용 범위가 확대될 것으로 추측된다. 미국 메이커는 하이텐(High Tensile Strength Steel Sheets), 알루미늄 등의 재료 채용이 중심이지만, GM이 Mixed Material Body Structure※를 제안하고 있듯이 CFRP 채용 가능성도 있다고 보인다.
※Mixed Material Body Structure란 하이텐이나 울트라하이텐, 핫프레스재, 알루미늄, 마그네슘, CFRP 등의 경량 재료를 활용한 GM의 경량화 방침이다.
2. 현재 채용에서의 과제
2-1. 자동차 설계의 재검토
현재 자동차 설계는 등방성 재료인 철용으로 진화해 왔기 때문에 철 대신 CFRP(이방성 재료)를 상정해 보면 재료 특성상 CFRP에서 상정했던 특성을 발휘할 수 없다는 문제가 있다. 차체 경량화에 의한 연비 개선을 철저히 추구하였기 때문에 철이나 알루미늄, CFRP 등을 복합적으로 활용하는 「멀티머티리얼화」를 전제로서 최적의 재료를 이용한 자동차 설계를 검토할 필요가 있다.
2-1. 자동차 설계의 재검토
현재 자동차 설계는 등방성 재료인 철용으로 진화해 왔기 때문에 철 대신 CFRP(이방성 재료)를 상정해 보면 재료 특성상 CFRP에서 상정했던 특성을 발휘할 수 없다는 문제가 있다. 차체 경량화에 의한 연비 개선을 철저히 추구하였기 때문에 철이나 알루미늄, CFRP 등을 복합적으로 활용하는 「멀티머티리얼화」를 전제로서 최적의 재료를 이용한 자동차 설계를 검토할 필요가 있다.
2-2. 이종 재료 접합
이종 재료의 접합에서는 융점·열팽창계수의 차이 및 계면의 결합방법 차이 등을 고려할 필요가 있다. 현시점에서 CFRP 간 접합에서는 접착제 및 기계체결이 가장 적합한 방법으로 여겨지고 있는데, CFRP와 이종 금속 접합에 대해서 다양한 방법이 제안되어 있고 개발 중인 것도 많다. 자동차 메이커로서도 다양한 방식을 시험하는 단계이며, 「멀티머티리얼화」 진전에서 대해 향후 한층 발전이 요구된다.
이종 재료의 접합에서는 융점·열팽창계수의 차이 및 계면의 결합방법 차이 등을 고려할 필요가 있다. 현시점에서 CFRP 간 접합에서는 접착제 및 기계체결이 가장 적합한 방법으로 여겨지고 있는데, CFRP와 이종 금속 접합에 대해서 다양한 방법이 제안되어 있고 개발 중인 것도 많다. 자동차 메이커로서도 다양한 방식을 시험하는 단계이며, 「멀티머티리얼화」 진전에서 대해 향후 한층 발전이 요구된다.
2-3. 성형품 가격의 저감, 탄소섬유 공급능력의 향상
CFRP 보급에서의 한 가지 과제는 CFRP 성형품이 비싸다는 점이다. 탄소섬유 가격의 저하뿐만 아니라 수지 및 성형가공비 모두 한층 코스트 저감 및 수율 향상 등이 요구된다. 한편 2015년 시점에서 탄소섬유 수요량에 대해 공급량은 부족하지 않다. 또한 도오레 주식회사, 데이진 주식회사 / 도호테낙스 주식회사, 미쓰비시레이온 주식회사 등의 탄소섬유 메이커는 2015년 이후 생산능력 증강도 발표하였다. 다만 자동차용은 1차종에 채용이 정해지면 생산대수가 많아 탄소섬유 수요량이 단번에 증가하기 때문에 이러한 수요 증가를 고려한 적절한 설비 투자가 요구된다.
CFRP 보급에서의 한 가지 과제는 CFRP 성형품이 비싸다는 점이다. 탄소섬유 가격의 저하뿐만 아니라 수지 및 성형가공비 모두 한층 코스트 저감 및 수율 향상 등이 요구된다. 한편 2015년 시점에서 탄소섬유 수요량에 대해 공급량은 부족하지 않다. 또한 도오레 주식회사, 데이진 주식회사 / 도호테낙스 주식회사, 미쓰비시레이온 주식회사 등의 탄소섬유 메이커는 2015년 이후 생산능력 증강도 발표하였다. 다만 자동차용은 1차종에 채용이 정해지면 생산대수가 많아 탄소섬유 수요량이 단번에 증가하기 때문에 이러한 수요 증가를 고려한 적절한 설비 투자가 요구된다.
3. 수요량 예측
자동차에서의 CFRP 채용은 크게 나누어 다음 세 가지 방향이 있다. 첫 번째는 BMW i3/i8 및 그 외 고급차에서 채용되고 있는 모노콕에서의 채용이다. 두 번째는 1,000만 엔 이상 가격대인 BMW 7시리즈 및 Audi 등에서 채용되고 있는 크로스멤버, 필라, 센터터널 등 구조재 일부에서의 채용이다. 세 번째는 보닛이나 후드, 백 도어 등 교체 가능한 부품(파트)에서의 채용으로, 이것에 관해서는 수 백만 엔의 양산차부터 고급차까지 폭넓은 채용의 가능성이 있다.
자동차에서의 CFRP 채용은 크게 나누어 다음 세 가지 방향이 있다. 첫 번째는 BMW i3/i8 및 그 외 고급차에서 채용되고 있는 모노콕에서의 채용이다. 두 번째는 1,000만 엔 이상 가격대인 BMW 7시리즈 및 Audi 등에서 채용되고 있는 크로스멤버, 필라, 센터터널 등 구조재 일부에서의 채용이다. 세 번째는 보닛이나 후드, 백 도어 등 교체 가능한 부품(파트)에서의 채용으로, 이것에 관해서는 수 백만 엔의 양산차부터 고급차까지 폭넓은 채용의 가능성이 있다.
3-1. 2020년까지의 예측
2020년 세계 자동차용 CFRP 수요량은 28,000t으로 증가할 것으로 예측된다. 현재 자동차 메이커 각사의 개발 상황으로부터 추측해 보면 모노콕 채용과 관련하여 i3에 이은 1,000만 엔 이하 가격대 차종의 등장은 2020년까지 어려울 것으로 보인다. 따라서 채용되더라도 i8와 같이 1,000만 엔 이상 가격대인 고급차에서의 채용이 중심이며, 대수기준으로는 1차종당 100대~1,000대 규모 정도가 될 것으로 예측된다. 자동차에서의 본격적인 CFRP 채용은 2017년경부터 개시되어, 2020년경까지는 기본적으로 두 번째 고급차의 구조재 일부에서의 CFRP 채용 또는 세 번째 파트 수준에서의 철 대체 채용이 중심이 될 것으로 예측된다.
2020년 세계 자동차용 CFRP 수요량은 28,000t으로 증가할 것으로 예측된다. 현재 자동차 메이커 각사의 개발 상황으로부터 추측해 보면 모노콕 채용과 관련하여 i3에 이은 1,000만 엔 이하 가격대 차종의 등장은 2020년까지 어려울 것으로 보인다. 따라서 채용되더라도 i8와 같이 1,000만 엔 이상 가격대인 고급차에서의 채용이 중심이며, 대수기준으로는 1차종당 100대~1,000대 규모 정도가 될 것으로 예측된다. 자동차에서의 본격적인 CFRP 채용은 2017년경부터 개시되어, 2020년경까지는 기본적으로 두 번째 고급차의 구조재 일부에서의 CFRP 채용 또는 세 번째 파트 수준에서의 철 대체 채용이 중심이 될 것으로 예측된다.
3-2. 2025년까지의 예측
2020년까지 등장하는 멀티머티리얼 자동차는 설계적으로는 과도기라고 할 수 있다. 즉, 철에서 CFRP로의 대체 단계에서는 철을 기준으로 CFRP 설계를 생각하고 있다. 그러나 응력을 예로 들면 철 설계에서는 중공단면 설계가 가장 좋지만, CFRP에서는 다른 쪽이 보다 재료로서의 퍼포먼스를 발휘할 수 있는 경우가 많다. 이러한 미지의 재료에 대한 정보 축적이 필요하다고 생각한다. 2020년 이후는 조금씩 이러한 재료 데이터가 축적되어, 철 대체에 의한 CFRP화로 인해 차체 설계 전체에서의 재료 설계가 재검토되고, 하이브리드 재료(철＋CFRP, 알루미늄＋CFRP)를 채용한 「멀티머티리얼화」에 대응한 자동차가 등장할 것으로 전망된다.
이러한 개발이 진행되는 가운데 현재 1,000만 엔 이상의 고가격대 차종뿐만 아니라 보다 저가격인 500만엔 전후 가격대 차종에서의 CFRP 채용이 기대된다. 지금까지의 100대~1,000대 규모 차종의 자동차부터 BMW의 i3나 도요타의 캐롤라, VW의 Golf와 같은 수 만대 이상 규모 차종에서의 채용이 기대된다. 또한 생산수량이 큰 차종에서의 채용과 함께 CFRTP(탄소섬유 강화 열가소성 플라스틱) 성형품의 채용도 전망되어 2025년 세계 자동차용 CFRP 수요량은 85,231t으로 증가할 것으로 예측된다.
2020년까지 등장하는 멀티머티리얼 자동차는 설계적으로는 과도기라고 할 수 있다. 즉, 철에서 CFRP로의 대체 단계에서는 철을 기준으로 CFRP 설계를 생각하고 있다. 그러나 응력을 예로 들면 철 설계에서는 중공단면 설계가 가장 좋지만, CFRP에서는 다른 쪽이 보다 재료로서의 퍼포먼스를 발휘할 수 있는 경우가 많다. 이러한 미지의 재료에 대한 정보 축적이 필요하다고 생각한다. 2020년 이후는 조금씩 이러한 재료 데이터가 축적되어, 철 대체에 의한 CFRP화로 인해 차체 설계 전체에서의 재료 설계가 재검토되고, 하이브리드 재료(철＋CFRP, 알루미늄＋CFRP)를 채용한 「멀티머티리얼화」에 대응한 자동차가 등장할 것으로 전망된다.
이러한 개발이 진행되는 가운데 현재 1,000만 엔 이상의 고가격대 차종뿐만 아니라 보다 저가격인 500만엔 전후 가격대 차종에서의 CFRP 채용이 기대된다. 지금까지의 100대~1,000대 규모 차종의 자동차부터 BMW의 i3나 도요타의 캐롤라, VW의 Golf와 같은 수 만대 이상 규모 차종에서의 채용이 기대된다. 또한 생산수량이 큰 차종에서의 채용과 함께 CFRTP(탄소섬유 강화 열가소성 플라스틱) 성형품의 채용도 전망되어 2025년 세계 자동차용 CFRP 수요량은 85,231t으로 증가할 것으로 예측된다.
그림1. 세계 자동차용 탄소섬유 및 CFRP 수요량 예측
야노경제연구소 추계
주1：2020년, 2025년은 예측치
주2：CFRP 수요량은 탄소섬유 중량 함유율 65%로 계산했다. 자동차 프레임과 바디를 일체로 만든 모노콕 바디 및 크로스멤버, 필러, 센터터널 등의 구조재 일부, 보닛이나 후드, 백 도어 등의 교체 가능한 부품(파트) 등으로 채용되는 탄소섬유·CFRP 수요량에서 산출했다. 단, 연료 전지차에 사용되는 수소탱크용 탄소섬유·CFRP 수요량은 제외한다.
주2：CFRP 수요량은 탄소섬유 중량 함유율 65%로 계산했다. 자동차 프레임과 바디를 일체로 만든 모노콕 바디 및 크로스멤버, 필러, 센터터널 등의 구조재 일부, 보닛이나 후드, 백 도어 등의 교체 가능한 부품(파트) 등으로 채용되는 탄소섬유·CFRP 수요량에서 산출했다. 단, 연료 전지차에 사용되는 수소탱크용 탄소섬유·CFRP 수요량은 제외한다.
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