재활용 탄소섬유 세계 시장에 관한 조사결과(2023년)
【자료체재】
자료명：「2023년판 재활용 탄소섬유 시장의 전망과 전략」
발간일：2022년 10월 31일
체 재：A4판 157페이지
【조사요강】
1. 조사기간: 2023년 8월~10월
2. 조사대상: 탄소섬유 제조업체, 탄소섬유 리사이클러, 재활용 탄소섬유 사용자 기업, 연구기관 등
3. 조사방법: 당사 전문 연구원의 대면취재(온라인 포함) 및 문헌조사 병용
<재활용 탄소섬유 용어정의>
본 조사에서 재활용 탄소섬유(rCF: recycled Carbon Fiber)란 탄소섬유강화플라스틱(CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastics)의 프리프레그, 공정 내 잔재물, 폐제품(폐재)에서 매트릭스(모재) 수지를 분해하여 추출된 탄소섬유를 말한다. 수지 함침하기 전의 실과 크로스 등의 탄소섬유 재활용품은 대상으로 하지 않는다.
<시장에 포함된 상품·서비스>
rCF(재생탄소섬유), vCF(버진탄소섬유), CFRP(탄소섬유강화플라스틱)
◆CFRP 재활용 기술의 개발·사업화를 향한 움직임이 진전
~실제 재활용량은 소량에 그쳐, rCF의 품질, 안정조달, 용도개발 등 3가지 과제의 조속한 해결이 요구된다~
CFRP 잔재물·폐재에서 재생탄소섬유(rCF) 회수량 예측
야노경제연구소 조사
주1. 2023년은 전망치, 2024년 이후는 예측치
주2. CFRP 프리프레그, 공정 내 잔재물, 폐제품(폐재)에서 매트릭스(모재) 수지를 분해하여 추출된 탄소섬유의 회수량을 산출
1. 시장 개황
탄소섬유와 플라스틱의 복합재료인 탄소섬유강화플라스틱(이하 CFRP)은 항공기와 풍력발전, 압력용기, 자동차, 스포츠·레저용품 등 폭넓은 분야에서 사용되고 있어, 글로벌 시장규모는 2022년 148,900t(당사 추계치)에 달한다. 이 중 생산공정의 CFRP 잔재물은 연간 15~16% 정도 배출되는 것으로 추산한다. 이 공정 내 잔재물과 시중에 나와 있는 CFRP 최종제품 중 내용기간을 지나 2022년 폐기된 양을 합산한 2022년 CFRP 폐기물 양은 55,610t에 달한 것으로 추산했다. CFRP 시장의 확대와 함께 이 양은 계속 증가할 전망이다.
한편 2022년 배출된 CFRP 잔재물·폐재 55,610t 중 재활용으로 돌아가는 양은 약 7% 미만으로 극히 소량이다. 재활용된 CFRP 잔재물·폐재에서 매트릭스(모재) 수지를 분해하여 추출된 재생탄소섬유(이하 rCF) 회수량을 2,050t으로 추계한다. rCF 회수량을 PAN계 탄소섬유(vCF: 버진 CF) 생산량(당사 추계치) 규모와 비교하면, PAN계 vCF 생산량의 2~3%에 상당한다. CFRP 시장 확대에 따라 rCF 회수량도 늘어날 것으로 전망되어 2030년 rCF 회수량은 4400t이 될 것으로 예측한다.
CFRP 잔재물·폐재의 재활용 기술 개발이 진행되는 한편, 실제 재활용량이 소량에 머무르고 있는 배경에는 rCF의 품질과 안정조달, 용도개발상 과제가 아직 크다는 점을 들 수 있다. 특히 품질은 rCF의 출구 용도 확보와도 직결되는 문제로, CFRP 재활용 확대를 위해서도 조속한 해결이 요구되고 있다.
2. 주목 토픽
CFRP 재활용 기술 동향: 열분해법과 더불어 화학분해법이 실용단계에
CFRP에서 rCF를 회수하는 재활용 방법으로는 이미 실용화되어 있는 열분해법, 샘플제작이 진전되어 실용화가 가까운 화학분해법을 들 수 있다.
열분해 프로세스에서 CFRP는 항상 무산소 상태로 가열되어, CF를 산화 열화시키지 않고 수지를 제거한다. CF는 이 제조공정에서 2,000~3,000℃의 고온으로 흑연화되어, 매트릭스 수지가 분해되는 500~800℃ 정도의 온도에 노출되어도 큰 강도 저하는 생기지 않는다. 일본 리사이클러(재자원화 업체)에서는 외열식과 열풍순환방식, 과열수증기법을 주로 채용하고 있다.
한편 화학분해법에 의한 CFRP 재활용은 알코올류나 초임계유체 등의 반응매체를 이용해, 저온하(350℃ 전후)에서 반응이 진행되는 것을 활용한 분해방법으로. 가용제분해법이나 초임계유체/아임계프로세스, 유체처리 등이 있다. 용제를 사용하는 방법은 특성 열화가 적은 rCF를 회수할 수 있는 장점이 있지만, 용제 처리에 비용이 많이 드는 단점도 존재한다.
화학분해법은 일본에서 2010년대 중반까지 프로세스 연구 영역을 벗어나지 않았으나, 최근 몇 년 사이에 개발이 급속히 진전되어 샘플제작도 활발하게 이루어지고 있다. 특히 최근 탄소중립 대응이 엄격하게 요구되는 가운데 열분해법과 같이 큰 에너지를 필요로 하지 않고, 탄화된 매트릭스 수지의 잔존 등의 이물질 문제도 없으며, 열분해법보다 CO2 발생량이 적은 기술로서 주목받고 있다.
3. 장래 전망
rCF 품질에서는 CFRP에서 열분해와 화학분해에 의해 추출되는 과정에서 탄소섬유에 가해지는 열과 화학품에 의해 손상을 입는 것 외에 탄화된 매트릭스 수지의 체류와 분해되지 못한 수지 성분이 rCF 표면에 남는 경우도 있어, 외관만으로는 탄소섬유의 손상이 어느 정도인지 판단할 수 없다. 때문에 특히 자동차, 항공기, 압력용기 등 안전성이 인명과 직결되는 용도 분야에서는 사용자 기업 측에서도 rCF 본격 채용에 대해서는 품질보증이라는 점에서의 불안감을 불식시킬 수 없는 상황이다. 이에 대해 일본에서는 rCF의 평가시험법 확립에 대한 대책이 산관학 연계로 실시되고 있다.
또, rCF의 사용에 있어서 품질과 함께 중시되는 것이 재료로서 안정적인 조달 여부 문제이다. 그래서 요구되는 것이 CFRP 잔재물·폐재를 자원으로서 회수하는 시스템과 루트의 구축이다. 폐기물로서 처리되고 있는 잔재물·폐재를 확실하게 회수해, 이것을 재활용할 수 있다면 rCF의 안정적인 공급으로도 이어진다.
rCF의 용도개발에서는 rCF의 섬유길이가 vCF보다 짧기 때문에 vCF와 같은 사용방식으로 수평적 재활용이 어렵다. 단순히 탄소섬유의 길이만 놓고 보면 장섬유의 vCF에서 단섬유의 rCF로 다운사이클했다고도 할 수 있지만, rCF에는 버진재에서는 볼 수 없는 탈탄소와 지속가능성이라는 환경 면에서의 가치가 부여된다. 이를 부직포나 컴파운드 펠릿으로 가공해 기존 재료로는 실현할 수 없었던 사용법으로 재료로서의 부가가치를 높이고 나아가 환경가치를 부여할 수 있다면, 그동안 vCF가 사용하기 어려웠던 것과 같은 새로운 용도 개발도 가능할 것이다.
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