탄소섬유

탄소섬유의 구조

탄소섬유가 적용된 사례

탄소섬유(炭素纖維, carbon fiber)는 수많은 탄소 원자가 결정 구조를 이루어 길게 늘어선 분자 사슬로 이루어진 섬유이다. 탄소 화이바라고도 한다.

탄소섬유는 '꿈의 첨단소재'라고 불린다. 원사 안에 탄소가 92% 이상 함유된 섬유로, 철보다 10배 강하지만 무게는 1/4 수준이다. 섬유의 직경이 10μm 내외로 극히 가늘지만 인장강도와 강성도가 높으며, 고온과 화학물질에 대한 내성이 우수하고, 열팽창이 적다. 탄소섬유는 3고(고경량, 고강도, 고탄성)다. 주로 모터스포츠, 스포츠 장비, 방사선과 장비 및 항공·우주 분야에 주로 사용된다. 수소차의 연료탱크를 제조하는 핵심 소재이기도 하다.

개요

탄소섬유 또는 그라파이트 섬유, 탄소 그라파이트, CF는 탄소가 주성분인 0.005 0.010mm 굵기의 매우 가는 섬유이다. 탄소 섬유를 구성하는 탄소 원자들은 섬유의 길이 방향을 따라 육각 고리 결정의 형태로 붙어 있으며, 이러한 분자 배열 구조로 인해 강한 물리적 속성을 띠게 된다. 한 가닥의 실은 수 천 가닥의 탄소 섬유가 꼬여져 만들어진다. 탄소 섬유는 다양한 패턴으로 직조될 수 있으며, 플라스틱 등과 함께 사용되어 탄소 섬유 강화 플라스틱(Carbon-fiber-reinforced polymer)과 같이 가볍고도 강한 복합 재료를 만들어내기도 한다. 탄소 섬유의 밀도는 철보다 훨씬 낮기 때문에, 경량화가 필수적인 조건일 때 사용하기에 적합하다. 탄소 섬유는 높은 인장 강도, 가벼운 무게, 낮은 열팽창율 등의 특성으로 인해 항공우주산업, 토목건축, 군사, 자동차 및 각종 스포츠 분야의 소재로 매우 널리 쓰인다. 이런 장점에 반면, 가격면에서는 유사한 소재인 섬유 유리나 플라스틱보다 상대적으로 비싸고, 당기거나 구부리는 힘에 매우 강하며, 압축하는 힘이나 순간적인 충격에는 약하다. 예를 들어, 탄소 섬유로 만들어진 막대는 구부리기 매우 어렵지만 망치와 같은 도구로 쉽게 깨뜨릴 수 있다.

개발 역사

탄소섬유가 처음 알려진 것은 19세기 말 토머스 에디슨이 백열 전구용 탄소 필라멘트를 발명한 것이 계기였다. 공업화된 재료로서의 탄소섬유의 역사는 1959년 UCC(현재 AMOCO)에 의해 레이온을 원료로 한 GPCF(general purpose carbon fiber)가 생산되면서부터 시작되었다.

탄소섬유의 개발 동기는 미국에서 우주개발과 군수용으로 로켓모터와 노즐에 필요한 내열재료의 개발 요구에 따라 처음 생겨났다. 우주용 기기와 항공기 분야에서 기본으로 요구되는 경량 및 고강성 재료의 연구가 1950년대부터 미국에서 수행되었는데, 이것을 가능하게 하는 재료는 고분자 복합재료라는 결론을 내리고 보강재로서 비강도 및 비탄성이 우수한 탄소섬유를 개발하였던 것이다. PAN계의 탄소섬유는 일본의 오오사카 공업 시험소의 신도 박사에 의해 개발되어 1962년에 일본 카아본사에서 GPCF의 공업화가 이루어졌다.그리고 1963년에 피치계의 탄소섬유가 일본 군마대학의 오오타니 교수에 의해서 개발되었다.

1964년에는 영국의 RAE사가 PAN(polyacrylonitrile)계 탄소섬유의 고강도화 제조 특허를 출원, 그 후 고강도/고탄성 탄소섬유의 기업화가 이루어져 용도개발에도 영국이 매우 적극적이었지만, Rolls-Royce 사 RB211 터보팬 엔진의 버드 스트라이크 사고로 영국에서는 주춤하고 탄소섬유의 응용개발의 중심은 미국으로 옮겨갔다. 1964년에 pitch계의 HPCF(high performance carbon fiber)가 일본에서 개발되었다. 1969년에는 일본 카이본에서 PAN계의 HPCF를 공업화하였으며, pitch계의 GPCF는 1970년에 일본의 오우화학에서 생산을 시작하였다. 1976년에 미국의 UCC(현 AMOCO)에서 pitch계의 고탄성 type를 공업화했다. 사실 PAN계의 탄소섬유의 등장으로 rayon계 탄소섬유는 경제적인 관점 및 성능적인 관점에서 경쟁이 어렵게 되어 활성탄소 섬유(activative carbon fiber) 등의 새로운 재료로 모습을 바꾸어 재등장하였다. 현재에 복합재료 강화용으로 주로 PAN계 및 pitch계의 탄소섬유가 사용되고 있다.

우리나라에서는 서울올림픽이 열리던 때인 1988년 8월부터 태광산업이 ACELAN이라는 상표명으로 PAN계의 탄소섬유를 생산하기 시작했으며, 고탄성 type(acelan IZ~40)과 고강도 type(acelan TZ-307)을 생산하였다. ㈜효성에서는 2013년에 전주공장(현재는 효성첨단소재(주) 전주공장)을 준공하고 탄소섬유를 생산하고 있다. 일본 기업인 도레이첨단소재는 경북 구미에 생산공장을 가동하고 있다.

만드는 법

공업적으로는 대개 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN)이라는 탄소-질소 화합물을 가열해서 만든다.

PAN을 섭씨 300도로 가열하면 시안기가 서로 결합하며 고리 형태를 이루게 된다(아크릴 섬유 형태).

이것을 비활성 기체 안에 넣고 섭씨 700도로 더 가열하면 고리의 탄소 원자에 붙어있던 수소가 날아가며, 방향족 피리딘 그룹으로 이루어진 고리가 형성된다(소위 "탄화" 과정). 이것을 탄소 필라멘트라 부르며 탄소섬유의 기본 단위이다.

허나 필라멘트는 가닥이 하나하나 떨어져 있고 너무나 가늘기 때문에, 섭씨 400~600도 정도로 서서히 가열해서 탄소 필라멘트가(수소를 잃어버리면서) 서로 결합을 하도록 만든다. 이렇게 탄소 필라멘트들이 서로 결합하도록 하여 탄소섬유를 만든다.

참고로 탄소섬유는 항상 비활성 기체 안에서 가열하는데, 탄소섬유 제작 공정을 셋업하는 데 많은 비용이 드는 주된 이유가 바로 불활성 기체/무산소 제조 설비를 갖춰야 하기 때문이다. 산소가 들어가면 연소, 즉 타서 이산화탄소가 되어버린다. 탄소 섬유를 만드는 방법을 간단히 설명하자면 가는 플라스틱 섬유를 만들고, 산소를 차단한 상태에서 고열을 가해 탄소만 남기는 것이다.

필요에 따라 더 고온에서 가열해서 보다 넓은 탄소섬유, 소위 탄소 리본을 만들 수도 있다.

PAN 말고 석유화학공업 부산물인 피치나 합성섬유인 레이온을 이용해 만드는 법도 있지만 오늘날 거의 모든 탄소섬유는 PAN으로 만든다. PAN으로 만든 탄소섬유가 가장 품질과 인장강도가 좋기 때문이다.

응용

복합 재료

탄소섬유는 복합 재료, 특히 탄소 섬유 또는 흑연 강화 폴리머로 알려진 재료의 종류를 보강하는 데 가장 많이 사용된다. 비 폴리머 재료도 탄소섬유의 매트릭스로 사용될 수 있다. 강화 탄소 - 탄소 (RCC)는 탄소 섬유 강화 흑연으로 구성되며 고온 응용 분야에서 구조적으로 사용된다.또한 이 섬유는 고온 가스의 여과, 높은 표면적 및 완벽한 내식성을 가진 전극 및 정전기 방지 구성 요소로 사용된다. 고밀도의 탄소 섬유 층이 열을 효율적으로 반사하기 때문에 탄소 섬유의 얇은 층을 성형하면 고분자 또는 열경화성 복합재의 내화성이 크게 향상된다. 탄소 섬유 복합 재료의 증가하는 사용은 갈바닉 부식 문제 때문에 다른 금속을 우선하여 항공 우주 분야에서 알루미늄을 대체하고 있다.

섬유

탄소섬유의 전단계는 폴리아크릴로니트릴, 레이온 그리고 피치이다. 탄소섬유 필라멘트 실은 여러 공정 기술에 쓰이는 데 주로 수지 침투 가공재, 필라멘트 감기, 풀트루전, 실 짜기, 실 땋기 등에 쓰인다. 탄소 섬유 실은 선 밀도나 실 개수 당 필라멘트 수로 평가된다. 예를 들어, 3000개의 탄소 섬유 필라멘트 200 텍스는 1000개의 탄소 필라멘트 실보다 3배 강하지만 3배 더 무겁다. 탄소섬유로 만든 실은 탄소 섬유 필라멘트나 옷감을 짜는 데 쓰일 수도 있다. 이 섬유의 모습은 일반적으로 실의 선밀도와 선택된 무늬에 달려 있다. 흔히 쓰이는 무늬로는 능직, 새틴 방식 그리고 평직이 있다. 또한 탄소 필라멘트 실은 뜨개질하거나 땋을 수도 있다.

마이크로 전극

탄소섬유는 탄소 섬유 마이크로 전극 제조에 사용된다. 이 공정에서는 보통 직경 5-7μm의 탄소섬유 한 가닥을 유리섬유로 감싸서 활용한다. 팁에서 모세관은 에폭시로 밀봉되고 탄소 섬유 디스크 극 전극을 제조하기 위해 연마하거나 탄소 섬유 실린더 전극을 만들기 위해 75-150μm의 길이로 절단된다.

플렉서블 난방

탄소 섬유는 전도성이 뛰어나 매우 낮은 전류라도 전달할 수 있다. 대형 직물로 직조 될 때 유연성 발열체가 필요한 응용 분야에서 적외선 가열을 안정적으로 전달하는 데 사용할 수 있으며, 100C를 넘는 온도를 쉽게 견딜 수 있는 물리적 특성을 가지고 있다. 그리고 화학적 안정성을 지니고 있어, 대부분의 직물과 재료 사이에서 상대적으로 안전하게 사용될 수 있다. 그러나, 재료 자체가 접혀서 생긴 단락으로 인해 열 발생량이 증가하여 화재가 발생할 수 있다.

수소경제 시대의 핵심 소재

탄소섬유는 정부가 추진하고 있는 수소경제 시대의 핵심 소재가 될 것으로 전망하고 있다. 탄소섬유는 가벼우면서도 일반 공기보다 수백 배의 고압에 견뎌야 하는 수소연료탱크 핵심소재로서 수소 에너지의 안전한 저장, 수송, 이용에 필수적이다. 미래 친환경 에너지 자동차인 수소차는 2019년 약 1,800대 수준에서 2022년까지 약 8만1천 대, 2040년에 약 620만 대로 확대될 것으로 예상하고 있다.

자동차 분야

탄소섬유는 쓰임새가 다양해지고 있으며, 기술 개발 여지도 많이 남아 있다. 탄소섬유와 이를 가공한 복합재료가 다양한 산업 분야에서 활용되며, 가공한 제품들의 부가가치는 수십~수백 배에 이르기 때문에 경제적 파급 효과가 무척 크다. 현재 탄소섬유의 수요는 항공 우주 분야가 가장 많지만, 점차 자동차 분야로 바뀌고 있다. 2021년에는 자동차 분야가 최대 수요처가 될 것으로 전망하고 있으며, 세계 자동차 생산국 6위인 한국으로서는 탄소섬유의 시너지 효과를 극대화할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

2014년 제네바 모터쇼에서 세계 최초로 공개한 현대자동차 친환경 콘셉트카 '인트라도'의 차체 프레임, 루프, 사이드 패널 등에 효성의 탄소섬유, 탄섬을 적용했다. 탄소섬유로 만든 차체는 강철로 만든 일반 자동차와 같은 강도면서도 무게가 60% 정도 가벼워 연료 효율이 높죠. 한국 기업이 독자적으로 개발한 탄소섬유가 자동차에 쓰인 경우는 처음이라는 점에서 의미가 있다.

건축자재

콘크리트 건축물을 탄소섬유를 적용한 자재로 변경해 안전과 관련해 우려를 줄일 수 있다. 미국 및 중국은 낙후된 교량 수리나 자연재해로 파괴된 건축 구조물 관리강화, 보수가 필요한 부분에 탄소섬유 활용을 확대하고 있다.

일상 및 레저 소재

가볍고 열에 강하다는 성질을 활용해 산소통에 적용함으로써 인명구조에 활용하거나 소화기에 적용할 경우, 노약자도 가볍게 사용할 수도 있게 된다. 그 외 서프보드, 스노보드, 골프 샤프트 등 스포츠 레저용품으로 활용되어 일상생활에서 쉽게 접할 수 있는 소재로 주목받고 있다.

제조사

세계 주요기업들의 탄소섬유 생산능력 현황(2018년) <단위 : 톤, %>

• 도레이(Toray, 일본)​ : 전세계 탄소섬유 시장 1위 기업으로, 세계시장 점유율 약 28%. 연간 생산량 42,600톤.
• ​토호 테낙스(Toho Tenax, 일본) : 일본 테이진(Teijin)그룹 자회사로 세계시장 점유율 약 12%. 연간 생산량 18,900톤.
• ​미쓰비시케미컬(Mitsubishi Chemical, 일본) : [미쓰비시 레이온]과 [미쓰비시 수지의 탄소섬유사업부]를 통합. 세계시장 점유율 약 10%. 연간 생산량 14,300톤.
• ​SGL(독일) : 유럽 지역에서 가장 큰 탄소섬유 제조기업. BMW와 과거 합작회사 SGL Automotive Carbon Fibers를 설립했고, BMW i3, i8, 7시리즈에 CFRP를 성공적으로 적용. 세계시장 점유율 약 9.7%. 연간 생산량 15,000톤.
• 도레이첨단소재 : 국내시장 점유율 1위. 일본 도레이그룹의 자회사로, 2013년부터 고강도 탄소섬유 'TORAYCA' 생산 시작. 구미에 2개의 생산공장 보유. 연간 생산량 4,700톤.
• 효성첨단소재 : 국내시장 점유율 2위. 2011년 일본, 독일, 미국에 이어 세계에서 네 번째로 탄소섬유 개발에 성공한 뒤 2013년 고성능 탄소섬유인 '탄섬(TANSOME)'을 출시. 2028년까지 생산량 2000톤 수준의 생산라인을 10개로 늘릴 예정으로, 연간 생산량 2만4000톤을 목표로 하고 있다. 현재는 연간 생산량 2,500톤.
• ​태광산업 : 2012년 3월 국내 최초로 탄소섬유 대량 생산(연간 1,500톤)하였으나, 수익성 악화로 2015년 탄소섬유 사업 중단.

탄소섬유강화플라스틱

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

탄소섬유강화플라스틱은 강철보다 강하고 알루미늄보다 가벼워 이상적인 경량 신소재이다. 특히 자동차 분야에서 경량화에 따른 에너지 절감 및 탄소배출 감소가 이슈로 대두되면서 더욱 주목받고 있는 소재이다.

참고자료

• 〈탄소섬유〉, 《나무위키》
• 〈탄소섬유〉, 《위키백과》
• 〈[1]〉, 《두산백과》
• 〈(효성적 일상) 탄소섬유(Carbon Fiber)는 어떻게 ‘미래산업의 쌀’이 되었나]〉, 《효성블로그》. 2019-09-16
• 조상록 기자, 〈(상장마켓) 탄소섬유 산업 이끄는 글로벌·국내 기업들은?〉, 《헬로티》, 2021-05-07

같이 보기

• 탄소
• 카본블랙
• 탄소나노튜브

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