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복합소재
복합소재는 두 개 혹은 그 이상의 물질이 결합되어 각각의 물질보다 더 좋은 물성을 나타내는 소재를 말한다. 복합재료라고도 한다. 두 종류 이상의 재료가 미시적으로 조합되어 거시적으로 균질성을 갖는 합금들은 복합소재라 하지 않는다.
개요
자원고갈에 직면한 현대문명이 의지할 곳으로는 복합소재가 가장 유력하다. 탄소섬유와 탄소나노튜브는 강철을 비롯한 금속재를 대체할 수 있으며, 그래핀과 탄소나노튜브는 희토류를 비롯한 전자부품 소재를 대체하고 있다. 최근 업계는 나노소재를 적용한 복합소재 개발에 주력하고 있다.
복합소재라는 단어가 첨단의 이미지로 느껴져 항공우주, 건축토목, 원자력과 같은 첨단 분야에서 주로 쓰일 거 같지만 실상 복합소재는 산업 전반과 우리 생활 구석구석에 사용되고 있다.
최근 환경문제와 에너지 고갈 등에 따른 자동차 연비 개선은 엔진 효율향상, 디자인 개선, 대체 에너지 사용 등 다양한 방법이 있지만 경량화 부품소재 개발도 중요한 화두가 되고 있다. 경량 소재로는 고장력강, 알루미늄, 마그네슘, 플라스틱, CFRP 등이 많이 쓰이고 있다. 기존의 스틸은 알루미늄으로, 알루미늄은 마그네슘, 스틸은 고장력강으로 각각 대체되어 가고 있는 추세이며, 점차 플라스틱의 사용이 늘고 있다. 최근 이슈가 되는 탄소복합소재는 스틸 기준 50% 경량효과가 있지만 가격은 5배 이상 비싸 아직까지 사용 확대에 어려움이 있다. 하지만 외부샷시를 탄소복합소재로 대체한 자동차들이 속속 개발되고 있다. 이외에도 낮은 열팽창률, 높은 열전도율과 전기전도성, 내화학성과 내식성으로 인해 항공우주, 토목건축, 무기, 자동차, 스포츠 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.
특징 및 종류
복합소재의 구성 요소로는 섬유, 입자, 층, 모재 등이 있으며, 이러한 요소들로 구성된 복합재료는 일반적으로 층상 복합재료, 입자강화 복합재료, 섬유강화 복합재료 등으로 구분 할 수 있다.
복합재료는 하중을 주로 담당하는 고체형태인 강화재(Reinforced Material)와 이들을 결합시키는 액체 형태인 모재(Matrix)로 구성된다.
- 입자강화 복합재료 : 입자 강화 복합 재료는 다시 큰 입자로 구성된 것(과립 복합재료) 과 입자가 분산상으로써 작용하는 것(분산 복합재료) 두 가지가 있다.
- 과립 복합 재료 : 예) 콘크리트
- 분산 복합 재료 : 예) 알루미늄 분말 소결체 (SAP) 매우 얇고 부착력이 강한 알루미늄 코팅을 매우 미세한 알루미늄 판산형 분말에 형성시킨 후 이것을 소결하여 알루미늄 기지 내에 분산시키는 것이다.
- 섬유 강화 복합재료 : 강화재로서 섬유를 이용한 복합재료를 말한다. 기지의 종류에 의해 섬유강화 플라스틱(FRP), 섬유강화 금속(FRM), 섬유강화 세라믹(FRC), 섬유강화 콘크리트(FRC) 등으로 분류된다.
- 섬유강화 플라스틱(FRP)
- 섬유강화 콘크리트(FRC)
- 섬유강화 세라믹(FRC)
- 구조 복합 재료 : 구조 복합재료는 복합재료와 순수한 재료를 구조적으로 결합한 것이다. 래미나(laminar) 복합재료와 샌드위치 패널(sandwich panel)이 대표적인 구조 복합재료이다.
- 샌드위치패널: 강도 높은 두개의 외피와 강성도, 강도가 낮은 중간층으로 구성
- 외피기능: 이들 면과 평행인 방향의 하중부담
- 외피 재질: Al합금, 섬유강화플라스틱, 티탄, 철강, 베니어판
- 중간층기능: 외피면 수직방향의 변형에 대한 저항성, 전단강성증가, 양외피면재질분리
- 중간층 재질: 폴리머, 인조고무, 무기질시멘트
- 용도: 지붕, 바닥, 빌딩의 벽체, 비행기의날개, 동체, 꼬리
강화재
강화재는 강한 재료로 된 매우 가느다란 선재(wire rod)를 짧게 잘라 연성이 좋은 재료와 섞는데, 이러한 강한 섬유가 들어가면 재료가 매우 강하게 된다. 강화재에는 높은 강도와 1차 구조재에 사용되어지는 탄소/흑연섬유와 가격에 저렴하고 전기 전열성 및 화학적 내구성이 우수한 유리섬유, 1984년 한국과학기술연구원(KIST) 윤한식 박사팀이 미국⦁네덜란드에 이어 세계에서 3번째로 개발하였고, 케블러(Kevlar)라는 충격과 마모에 강한 미국 듀퐁사의 아라미드 섬유, 뛰어난 압축강도와 경도를 지님에 비해 취급이 어렵고 가격이 비싼 보론 섬유, 내열성이 크고 열의 분산이 빠른 세라믹 섬유가 있다.
모재
모재(Matrix)란 기지재료라고도 불리며 기본 형태를 유지, 강화재를 결합시키며 하중을 강화재에 전달하는 것들을 말한다.
주로 뛰어난 접착력과 강동, 습기 및 화학적 저항성이 매우 높은 에폭시 수지를 말하는 수지 모재(Resin Matrix)와 모재로 금속을 이용하여 가볍고 인장강도 큰 소재를 사용할 때 필요한 섬유강화금속 모재(Fiber Reinforced Metallic), 섭씨 100℃ 이상의 내열성이 요구되는 곳에 사용되어지는 섬유강화세라믹 모재(Fiber Reinforced Ceramic), 탄소를 모재를 사용하는 탄소-탄소 복합재료(Carbon-Carbon Composite Material)가 있다.
특히 우리가 주목하고 있는 탄소소재는 최근에는 그래핀, 탄소나노튜브 등과 같은 초고온, 초경량, 초내마모성, 초전도 등 극한의 물성을 가진 고부가가치 첨단소재를 지칭하는 말로 주로 쓰인다.
최근에는 그래핀, 탄소나노튜브 등과 같은 초고온, 초경량, 초내마모성, 초전 탄소소재의 극한의 물성은 탄소원자에서 그 이유를 엿볼 수 있다. 원자번호 6번의 탄소는 다른 원소에 비해 작고 가볍다. 2주기 14족에 해당해 매우 강한 결합력을 가지고 있다. 또한, 4개의 결합자리로 다양한 형태의 결합을 할 수 있어. 구조적으로 무한한 조합이 가능하다. 이런 특징으로 인해 탄소소재는 매우 다양하며 물리화학적으로도 매우 독특한 특성을 가진다.
- 탄소섬유 : 탄소원자로 구성된 육각고리결정이 길이 방향으로 배열된 직경 5~10 마이크로미터 굵기의 매우 가는 섬유이다. 탄소실은 이러한 탄소섬유 수천가닥이 꼬여서 만들어진다. 이를 다양한 패턴으로 직조하면 여러 가지 용도로 활용될 수 있다. 탄소섬유에는 독특한 분자배열구조로 인해 길이 방향으로 엄청난 인장강도를 가진다. 이를 꼬아서 만든 로프는 쇠줄보다 수십배 강력하며 탄소섬유를 가로세로로 직조하면 방탄복으로 활용되어질 수 있다.
- 그래핀 : "꿈의 신소재"라 불린다. 영국의 과학자 노보셀로프의 노벨상 수상으로 세간의 관심을 주목시킨 그래핀은 육각 탄소고리가 단층으로 평면을 이루며 2차원 공유결합을 이룬 구조를 가지는데 뛰어나 전기전도성과 열전도율 그리고 높은 투명성을 가지고 있다. 상온에서 구리보다 100배 많은 전류량을 실리콘보다 100배 빠른 속도로 전달하면 열전도율은 다이아몬드보다 2배 이상 높고 강철에 비해 200배 이상 강한 기계적 강도를 가지고 있다. 그래핀의 활용분야는 무궁무진하다. 이미 플렉시블 디스플레이, 태양 전지등의 핵심 소재로 활용되고 있으며, 그 영역을 확장해나가고 있다.
- 탄소나노튜브 : 아직 본격적으로 활용단계에 들어서지 못했지만 주목해야할 탄소소재이다. 탄소원자 하나가 주위에 탄소원자 세 개와 SP² 즉, 파이결합을 통해 육각벌집무늬를 형성하며 튜브형상을 하고 있다. 외향에서 느껴지듯 탄소나노튜브는 지금까지 발견된 그 어떤 소재보다 강한 강도를 가지고 있으면 전기와 열에 전도 또한 매우 높다. 강철대비 인장강도가 100배에 달하며 높은 인장강도에서 최대 90도까지 유연하게 휠 수 있는 장점을 가지고 있다. 따라서 고강도 와이어, 발열체, 단열체를 비롯한 반도체 소자 등에 활용될 예정이다. 탄소소재는 대부분 그 자체로 활용되기보단 다른 소재들과 섞인 복합소재로 활용된다. 기존소재 특성에 탄소소재 특성이 더해져 뛰어난 물성을 지닌 신소재로 거듭나는 것이다.
탄소소재는 대부분 그 자체로 활용되기보단 다른 소재들과 섞인 복합소재로 활용된다. 기존 소재 특성에 탄소소재 특성이 더해져 뛰어난 물성을 지닌 신소재로 거듭나는 것이다. 이는 그만큼 탄소소재의 활용범위가 넓고 방대하다는 것을 의미한다.
참고자료
- 복합재료의 특징과 종류와 항공기에 적용되는 사례 - https://prezi.com/ckvnrg4fajcu/presentation/?frame=f2fdf32ff6facd89df13c81b180ad43f90ec3979
- KIST 전북분원, 〈복합소재란?〉, 《KIST 전북분원 복합소재기술연구소》, 2016-11-29
같이 보기
