철보다 10배 강한 탄소섬유 [우리가 몰랐던 과학 이야기] (125)

비행기와 선박, 자동차는 강철로만 만들어졌을 것이라고 여기기 쉬울 텐데요. 강철보다 가볍고 강도도 훨씬 뛰어난 탄소섬유(사진)의 개발에 따라 그 복합소재로 점점 대체되고 있습니다. 무게가 줄어들면 자동차 연비도 향상되고, 탄소 배출량을 줄일 수 있어 친환경 소재로도 주목받고 있는데요.

자동차뿐만 아니라 건축자재와 전자제품, 스포츠 용품 등 우리 생활에서 광범위하게 사용되고 있지만, 아직은 생소한 탄소섬유에 대해 알아보도록 하겠습니다.

◆탄소섬유란?

탄소섬유(사진)는 영어로 ’carbon fibers’입니다. 탄소가 90% 이상인 섬유입니다. 탄소 원자들은 섬유 길이 방향을 따라 육각 고리 결정의 형태로 붙어 있는데요. 이러한 분자배열 구조가 강한 물리적인 속성을 갖게 합니다.

한 가닥의 실은 수천 가닥의 탄소섬유로 이뤄져 있으며, 플라스틱이나 유리와 결합했을 때 높은 강도의 복합재료가 만들어집니다. 탄소섬유의 밀도는 강철보다 낮기 때문에 무게는 가벼우면서도 강한 특징을 자랑합니다.

◆탄소섬유의 탄생

탄소섬유는 1880년 미국의 발명가 토마스 에디슨이 전구 필라멘트(사진)에 최초로 쓰면서 알려지기 시작했는데요.

1950년대부터 미국에서 우주용 기기와 항공기를 개발하면서 가벼우면서도 고강성을 자랑하는 복합재료에 대한 연구가 본격 시작됐습니다.

먼저 아크릴 섬유(PAN·polyacrylonitrile)계 탄소섬유는 일본의 신도 오키오 박사에 의해 개발되었는데요. 64년 영국 회사 RAE가 PAN계 탄소섬유의 고강도화 제조 특허를 출원했습니다. 이후 고강도·고탄성의 탄소섬유 개발이 적극 이뤄졌습니다.

◆탄소섬유 종류

탄소섬유(사진)는 원료, 제조방법 및 조건에 따라 다른 특성의 제품이 만들어지는데요.

원료별로는 레이온을 원료로 하는 PAN계와 콜타르 또는 석유 중질유분을 원료로 하는 피치(pitch)계가 대표적입니다.

특히 고강도·고탄성의 재료인 PAN계 탄소섬유는 항공·우주 및 산업 분야의 구조 재료용, 스포츠 레저 등 다양한 용도로 이용되고 있습니다.

◆탄소섬유 특징

탄소섬유는 가볍고 뛰어난 기계적 성질, 탄소질에서 오는 뛰어난 전도성, 내열성, 저열 팽창률, 화학적 안정성, 고열 전도성 등을 지니고 있어 여러 용도로 활용되고 있는데요.

철에 비해 무게가 5분의 1수준이지만 강도는 10배 정도 강해 항공과 우주, 에너지, 토목, 전자, 스포츠 등 광범위하게 사용되고 있습니다.

●탄소섬유강화플라스틱(CFRP)란?

탄소섬유강화플라스틱(CFRP·Carbon Fiber Reinforced Plastic)은 탄소섬유를 강화재(Reinforcement)로 하고, 매트릭스 수지(Matrix Resin)를 플라스틱으로 하여 결합한 탄소섬유 복합재료입니다. 플라스틱의 우수한 성형성과 탄소의 높은 강도를 지니고 있습니다.

CFRP는 강철보다 강하고 알루미늄보다 가벼워 이상적인 경량 신소재로 떠올랐는데요. 특히 자동차 분야에서 경량화에 따른 에너지 절감 및 탄소배출 감소가 이슈로 대두하면서 더욱 주목받고 있는 소재입니다.

◆탄소섬유강화플라스틱의 활용범위

CFRP는 항공기와 자동차, 버스, 트럭, 철도차량에 적용돼 성능과 내구성을 높이면서 연료를 절약해줍니다. 또한 풍력 발전기의 회전날개(사진)와 부품에 적용하면 발전 용량을 15배 늘릴 수 있으며, 녹슬지 않는 탁월한 내부 식성으로 건물의 내·외벽 및 파이프, 보강재 등 시설물 제작에도 쓰이고 있습니다.

이 외에도 가볍고 단단한 특성으로 테니스 및 배드민턴 라켓, 스케이트, 스노 보드, 낚시용구 등 레포츠 분야뿐만 아니라 노트북과 핸드폰 케이스 등 전자분야까지 CFRP의 활약은 큰 기대를 받고 있습니다.

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*이 기고는 한화솔루션·케미칼과 세계일보의 제휴로 작성되었습니다.