탄소소재

탄소소재는 지구 상에 가장 흔한 자원 중 하나인 탄소로 이뤄진 소재이다. 탄소소재는 매우 가볍고 강하며, 전기 및 열 전도성이 우수해 수소차, 항공, 2차 전지, 고급 소비재 등 4차 산업혁명을 선도할 핵심 소재로 꼽힌다. 현재 탄소 소재 분야는 이미 수십 년 이상 투자해온 일본, 미국, 독일 3국이 원천기술과 생산을 독점하고 있는 상황이다. 최근엔 중국도 이 분야에 대한 대규모 투자를 계획 중이다.

개요

탄소소재는 원유·철강 부산물 등 탄소원료로 제조된 소재로 고강도, 고전도성 등 우수한 특성을 갖고 있어 기존 소재의 기술적 한계를 뛰어넘는 신소재이다.

탄소소재는 신재생에너지의 변환 및 저장장치에서 핵심 소재로 기능한다. 예컨대 수소 자동차가 가능하기 위해서는 수소를 저장하는 장치, 수소의 산화반응 장치 등이 하나의 연료전지 시스템으로 구성되어야 하는데 여기에 탄소소재가 전체 소재의 거의 70~80%를 차지할 만큼 대량으로 또 긴요하게 사용되고 있다. 일본의 경우 NEDO 프로젝트를 통해 자동차 무게를 현재보다 30~40% 정도 더 줄임으로써 현재의 연료 소비량을 10% 이상 절감하려는 연구가 한창 진행 중이다. 최종 목표 달성을 위해 나노 빨대인 탄소나노튜브 및 나노 필름인 그래핀 등을 주목하고 있는데 그 이유는 나노튜브와 그래핀의 무게 대비 역학적 성질이 그 어떤 소재보다 월등하게 뛰어나기 때문이다. 이런 특성을 최대한 활용하면 심지어는 우주 엘리베이터용 케이블도 가능할 것으로 예측되어 NASA에서는 이에 대한 연구도 활발하게 하고 있는 상황이다. 탄소소재, 특히 나노빨대로 알려져 있는 탄소나노튜브는 이런 우주 엘리베이터용 케이블을 만드는데 있어 없어서는 안 될 핵심 소재로 알려져 있다.

'철 무게의 4분의 1 이하이면서 강도는 10배 이상'. 일반적으로 탄소섬유를 이렇게 표현한다. 탄소섬유는 항공, 자동차업계에서 각광받는 첨단 신소재다. 무게를 줄여 연비를 높이기 위해선 필수적인 선택이다. 환경문제가 전 세계 이슈로 부각되면서 탄소섬유복합소재는 친환경차 개발에 다양한 소재로 등장했다. 우수한 강성, 내부식성, 내열성 등으로 후드, 루프, 트렁크 리드, 플랫폼과 같은 차체를 구성하고 있는 부품에 주로 적용되고 있다.

또한 탄소재료는 그 어떤 것과도 잘 융화되고 그 자체적으로도 독특한 모양과 성질을 가지는 특성 때문에 21세기의 핵심 단어로 등장한 융합과 통섭을 물질적으로 구현할 수 있는 핵심원소로 인식되고 있다.

특성

일반적으로 소재는 성분이나 응용분야에 따라 분류한다. 소재 성분으로 분류할 경우 통상적으로 금속, 화학, 세라믹으로 나눌 수 있다. 탄소소재는 이 중 어느 영역에 속할까? 질문하면 대답이 쉽게 나오기 어렵다. 굳이 넣는다면 세라믹에 속할 것이지만, 탄소소재는 세 가지 분류 이외에 네 번째 영역으로 생각하는 경우가 많다. 탄소소재의 특성 자체가 화학, 금속, 세라믹 소재에 비해 다분히 복합적이기 때문이다. 즉, 일반적으로 화학 소재는 가벼운 대신 금속만큼 외부 충격에 강하지 않거나, 전기가 잘 통하지 않는다. 금속 소재는 외부 충격에 강한 대신에 상대적으로 무겁고, 화학적 내성이 크지 않다. 세라믹 소재의 경우 가볍고 강도도 상대적으로 크나 전기를 통하지 않거나 성형이 어려운 등의 특성을 가지고 있다. 각각의 소재들이 기술 발전에 따라 점차 상대방의 고유 영역을 침범해 가고 있지만 아직은 제한적이라 고 할 수 있다.

이에 반해 탄소소재는 세 가지 소재들의 고유 특성을 두루 지니고 있다. 철과 같은 금속에 비해 강도는 몇 배 높으면서 보다 가볍다거나, 아니면 화학적 내성이 크 면서도 전기를 잘 통한다던가 등이다. 이러한 것이 가능한 이유는 탄소 원자가 배치된 구조에 따라 물질 구성이 다양해질 수 있기 때문이다. 예를 들면 같은 탄소소재 인 흑연과 다이아몬드를 놓고 보면 흑연은 전기가 잘 통하지만, 다이아몬드는 반대로 전기가 전혀 통하지 않는 것이다. 어찌 보면 탄소소재는 1만 년 전 인류의 유적에서 목탄(木炭)이 발견된 것처럼 오래 전부터 존재했으면서도 진정한 가치를 제대로 인식하지 못했던 소재라고 할 수 있다. 그러나 최근 들어 나노 기술의 발전에 따라 기존의 탄소소재 이외에도 풀러렌, 탄소나노튜브, 그래핀 등이 등장하면서 다시 한 번 탄소소재의 가능성이 주목의 대상이 되고 있다.

탄소 기반 복합소재

탄소 기반 복합소재는 탄소 고유의 특성인 금속대비 경량화 특성 외에 전기전도성, 열전도성, 고강도, 난연성, 물질차단성(barrier 특성), 내화학성, 투명성, 친환경성 등의 다양한 탄소 특성을 가짐으로써 이를 고분자, 금속 등의 다른 기능성 소재와 융합하여 한 가지 소재로 여러 가지 기능을 구현할 수 있는 핵심 소재이다.

6대 탄소소재

6대 탄소소재 개념 및 수요산업

 

참고자료

• 소재 기술 혁신의 Enabler 탄소소재 - http://www.lgeri.com/uploadFiles/ko/pdf/ind/LGBI1106-23_20100817125404.pdf
• 임현빈 기자, 〈'탄소소재' 산업 키운다...친환경 4차 산업혁명 선도〉, 《YTIMES청년신문》, 2020-06-22
• 박종래 서울대 재료공학부 교수, 〈(과학칼럼) 신재생에너지의 핵심 `탄소소재`〉, 《디지털타임스》, 2011-04-07

같이 보기

• 탄소섬유
• 흑연
• 그래핀
• 탄소나노튜브
• 카본블랙
• 활성탄소

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