탄소섬유의 원료는 말 그대로 탄소(C)다. 탄소를 가진 물질을 태워서 만드는, 탄소섬유의 역사는 사실 100년 전으로 거슬러 올라간다. 19세기 말 발명왕 에디슨이 무명이나 마, 대나무 섬유를 탄소화해 백열전구 필라멘트로 사용한 것이 탄소섬유의 원형이다. 탄소섬유는 섬유상태 그 자체로 사용되기도 하지만, 수지 등과 결합시킨 탄소섬유 복합재는 최첨단 신소재로 각광받고 있다.
에디슨이 성공적으로 전구를 발명했을 때만 해도, 그 탄소필라멘트가 미래에 어떤 파장을 가져올지 누구도 예측하지 못했다. 에디슨의 탄소필라멘트는 불 속에 넣으면 타서 재만 남을 것으로 예상되던 원료(얇고 가늘게 켠 대나무)를 태우지 않고 구워낼 수 있는 방법과 조건을 찾아내었기에 가능했다. 기술의 발전으로 오늘날에는 머리카락 굵기의 10분의 1 수준의 매우 가느다란 필라멘트를 수만 가닥씩 단번에 구워낼 수 있게 되었다.
탄소섬유, 이렇게 만들어진다
필라멘트를 만드는 원료도 석탄, 석유화학의 부산물인 피치, 각종 합성섬유의 원소재인 고분자 등으로 다양하게 확대됐다. 오늘날 탄소섬유라고 부르는 제품은 이런 역사적 배경을 가지고 탄생했다.
국제표준화기구(ISO)에 따르면 탄소섬유는 ‘유기섬유를 소성(고온가열처리)해 얻을 수 있는, 탄소함유율이 90% 이상의 섬유’로 정의된다. 탄소섬유는 크게 중합, 방사, 소성 과정을 거쳐 만들어진다. 먼저 중합은 아크릴로니트릴(AN : acrylonitrile)에 열과 압력을 가해 고분자 상태로 만드는 과정이고, 이렇게 만들어진 고분자 중합체(PAN : polyacrylonitrile)는 방사 과정을 거쳐 아크릴 섬유로 재탄생한다.
이렇게 만들어진 아크릴 섬유를 섭씨 2,000~3,000도의 고온에서 산화 및 탄화시키는 과정이 소성이다. 진공상태에서 고온으로 가열하면 함께 포함되어 있던 산소·수소·질소 등의 원자는 빠져나가고 순수한 탄소만 남는 탄화과정이 일어난다. 소성과정을 거친 아크릴섬유는 탄소 성분만 남아 가늘고 단단한 탄소섬유 결정체를 만들어낸다. 이것이 바로 탄소섬유라고 불리는 이유다.
원료·제조방법에 따라 특성 나뉘어
탄소섬유는 원료나 제조방법에 따라 특성이 달라지는데, 대개 원료에 따라 분류하고 있다.
PAN계 탄소섬유는 아크릴로니트릴(Acrylonitrile)을 중합·방사하여 얻은 PAN(Poly-Acrylonitrile, 폴리아크릴로니트릴)을 원료로 하는 탄소섬유다. 탄소다발을 구성하는 단섬유의 개수를 기준으로 레귤러토우(Regular Tow) 타입과 라지토우(Large Tow) 타입으로 나뉜다.
레귤러토우 타입은 섬유다발이 1,000~24,000개의 단섬유로 구성되어 있는 비교적 얇은 다발의 탄소섬유로, 높은 역학적 특성에 취급성도 우수하여 고성능 등급으로 취급된다. 라지토우 타입은 섬유다발이 4만 개 이상의 단섬유로 구성된 두꺼운 다발의 탄소섬유로, 레귤러타입에 비해 역학적 특성이나 취급성이 다소 떨어지는 범용등급이다.
PITCH계 탄소섬유는 석유·석탄 공정에서 증류하고 남은 잔류물인 피치(Pitch)를 원료로 하는데, 그 특성에 따라 메조페이즈(Meso-Phase, 이방성異方性·물질에 있어서 탄성이나 굴절률 등 물리적 성질이 공간적으로는 균일하지만 방향에 따라서는 균일하지 않는 일) 타입과 등방성(等方性·물질의 방향이 바뀌어도 그 물리적 성질이 달라지지 않는 성질) 타입으로 나뉜다.
등방성 타입은 석유나 석탄으로부터 얻어지는 피치를 그대로 원료로 사용해 제조하는 것으로, 역학적 특성이 낮아 저성능 등급이다. 메조페이즈(이방성) 타입은 열처리를 통해 피치의 분자가 한 방향으로 배열된 메조페이즈 피치를 원료로 하여, 역학적 특성도 높고 고성능 등급으로 분류된다.
이외에도 가장 먼저 개발된 레이온계 탄소섬유가 있지만, 성능이나 가격 면에서 경쟁력이 떨어지는 탓에 현재는 사용하고 있지 않다.
오늘날 전 세계 탄소섬유 시장의 90% 이상을 PAN계가 점유하고 있고, PICH계는 10% 이내에 머물고 있는 수준이다. 우리나라의 경우 지난 2011년 효성이 국내 최초로 탄소섬유 개발에 성공하였고, 2013년부터 PAN계 탄소섬유를 생산하고 있다.
한편 탄소섬유는 탄성률에 따라 표준탄성(SM), 중탄성(IM), 고탄성(HM), 초고탄성(UHM)으로 구분되고, 사용처에 따라서는 범용, 중성능, 고성능으로 나뉘기도 한다.
약점 압도하는 탁월한 특성·기능
탄소섬유의 가장 큰 장점은 무게가 철의 4분의 1수준에 불과할 정도로 가볍다는 점이다. 이처럼 가벼운 탄소섬유를 자동차 또는 항공기 등 이산화탄소를 뿜어내는 교통수단에 적용하면 무게를 크게 줄일 수 있다. 무게의 감소는 연료소모를 줄이고 이산화탄소 배출 감소로 이어지기에, 에너지 절약은 물론 환경오염을 줄이는 데 큰 몫을 하게 된다.
그 다음은 강하고 단단하다는 점이다. 단단함 정도를 나타내는 비탄성률은 철의 7배에 달한다. 또 녹이 슬지 않고, 내열성이나 내약품성도 높은 특성으로 인해 오랫동안 사용할 수 있다. 여기에 전기전도성이나 X선 투과성 등의 기능적 특성도 탁월하다.
가볍고, 강하고, 단단하다는 장점을 지닌 탄소섬유는 이에 버금가는 약점도 지니고 있다. 탄소섬유가 지닌 약점은 ‘지금’을 기준으로 할 때 기술력과 가격을 지적할 수 있다. 탄소섬유를 생산하기 위해서는 고도의 기술력과 노하우를 필요로 하기에, 쉽사리 만들어내지 못한다. 또 현재의 생산기술을 단기간에 혁신하기 어려울 것으로 보인다는 점도 큰 약점이다.
또 가격이 비싼 탓에 아직까지 장점에 비해 활용도가 크게 떨어진다는 것도 커다란 약점이다. 탄소섬유는 알루미늄과 철강의 가격에 비해 각각 4배와 9배에 이를 정도로 비싸다. 이로 인해 최근까지는 항공기와 전기차 등의 분야에 국한되어 사용되고 있다는 점도 큰 약점이라 할 수 있다.
일상에서 방위산업까지, 한계 모르는 쓰임새
탄소섬유는 적용분야와 최종재의 특성에 따라 다양한 가공법이 적용된다. 적용범위에 따라 크게 자동차, 일반산업, 스포츠, 항공우주 분야로 구분된다. 자동차 분야에서는 최근 차체뿐 아니라 부품까지도 탄소섬유 소재로 제작하고 있으며, 친환경 자동차로 부상하는 전기차와 수소차 등에는 그 활용도가 더욱 높아질 것으로 보인다. 또 탄소섬유를 적용한 풍력발전기의 거대한 블레이드, 고압전선의 보강재료, 초고층용 엘리베이터 로프, 토목과 건축분야 등 일반 산업분야에서도 그 쓰임새가 날로 넓어지고 있다.
스포츠는 탄소섬유가 처음 대중적으로 사용되기 시작한 분야이다. 이미 오래전부터 테니스나 배드민턴 라켓의 프레임에 사용된 것은 물론이고, 골프채의 블랙샤프트의 원료도 탄소섬유이다. 낚싯대와 자전거, 검도용 죽도는 물론이고 스포츠용 의족과 의치에도 탄소섬유가 활용되고 있다. 또 노트북이나 가방 등의 일상용품에도 탄소섬유가 적용되고 있다.
탄소섬유는 지금까지 국가 간 수출입 금수품목에 속한다. 이는 탄소섬유가 항공우주 산업 외에 방위산업에도 활용되기 때문이다. 미 국방성이 설계하고 조립한 스텔스함 스틸레토는 초경량 탄소섬유로 제작되어, 시속 100km의 속도로 강이나 바다의 수면 위를 낮게 비행할 수 있다. 방위산업 분야로 분류된 항공용 탄소섬유는 그 소재가 중요하기에 해외로 수출한 항공용 탄소섬유도 직접 관리할 정도로 보안에 집중하고 있다. 보안의 강도는 항공용 탄소섬유를 재단할 때 생긴 섬유의 부스러기조차도 파견 나온 감독관이 모아서 본국으로 보낼 정도이다.
이뿐만이 아니다. 전도성을 지닌 탄소섬유는 앞으로 사물인터넷과 웨어러블 기기 및 스마트 의류에 큰 역할을 할 것으로 전망되며, 예술분야에서도 탄소소재의 활용이 기대되고 있다.
출처 : CEO& / 월간[CEO&] 2016.02 호, SERI.ORG
URL : http://www.seri.org/ic/icDBRV.html?s_menu=0608&pubkey=ic20160205002&menu_gbn=8&menucd=0602
