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슈퍼섬유
슈퍼섬유(super fiber)는 일반 섬유보다 강도가 월등히 높거나 고열에 견딜 수 있는 내열/난연성이 우수한 고성능 섬유 소재이다. 고강도/고탄성 섬유로는 파라 아라미드(Para Aramid), 탄소섬유(Carbon Fiber) 등이 있으며 내열/난연성이 우수한 섬유로는 메타 아미드(Meta Aramid), PPS (Polyphenylene sulfide) 섬유 등이 있다.
개요
슈퍼섬유는 고강도·고탄성의 특성을 지닌 섬유를 말한다. 금속과 같거나 그 이상의 강도를 지닌다. 아라미드섬유·탄소섬유·플론섬유 등이 있으며, 흔히 단독으로보다는 플라스틱이나 금속과 함께 복합재료로 쓰이는데, 섬유강화 플라스틱·섬유강화 금속이라 불린다.
아라미드섬유로는 뒤퐁사의 케블라가 대표적인데, 밀도는 강철의 1/5이고 인장강도는 유리나 강철보다 크다. 해저케이블·방탄의류·브레이크재(석면 대체) 등으로 쓰이며, 우주·항공 분야에서 FRP프린트기판 등의 섬유 보강재로 사용된다.
탄소섬유는 철보다 강하고 알루미늄보다 가벼우며 진동감쇠성과 내피로성이 우수하다. 다이아몬드처럼 순도 높은 탄소가 공유결합되어 있어 인장강도·내열성이 좋고 비중이 작은 복합재료로 항공기의 동체와 주날개, 골프채·낚시대 등에 사용된다.
미국에서 활약하고 있는 김영화 박사가 개발한 슈퍼섬유를 예로 들면 이 소재로 만든 수술용 장갑은 공기는 통하면서도 칼이나 바늘에 찔려도 구멍이 나지 않고 오히려 바늘이 휘어지는 특성을 갖고 있다. 전문가들은 슈퍼섬유의 용도가 거의 무한대에 이를 것으로 기대하며, 특히 우주·항공 분야에서 전망이 밝다.
역사
슈퍼섬유는 1960년대 미소 냉전시대에 우주개발 경쟁이 본격화 되면서 개발되기 시작하였다. 그런데 우주선에 사용되는 각종 부품들로 사용되기 위해서는 당시에 주로 사용되던 금속보다 우수한 강도를 가지면서도 매우 가볍고, 극고온 또는 극저온 환경에서 사용 가용한 고성능의 섬유가 절실히 필요하였다. 그러던 중 1998년 일본 토요보가 자일론(Zylon)을 출시하면서 직경 570μm의 섬유에 600kg정도의 소형승용차를 매다는 시연을 하여 주변을 놀라게 했다. 이렇게 개발되기 시작한 슈퍼섬유는 점차적으로 성능은 개선되면서도 가격은 저렴하게 되어 우주산업용 뿐만 아니라 항공, 자동차 등 다른 산업으로도 그 용도가 확장되면서 지금은 21세기를 이끌어갈 핵심 산업용 소재로서 각광받게 되었다.
그 중에서도 주요한 3대 슈퍼섬유는 탄소섬유, 초고분자량폴리에틸렌섬유(UHMWPE), 아라미드섬유이다.
미국의 유니온카바이드사는 기존의 섬유를 적절히 태워서 탄소섬유를 제조하는 기술을 개발하여 1958년부터 생산하였다. 이어서 일본의도레이(Toray)사가 1960년에 아크릴섬유를 같은 방법으로 탄소화하여 탄소섬유를 개발하였다.
미국의 듀폰사(Du Pont)는 메타아라미드섬유인 노멕스(Nomex)를 1966년부터 시판하였는데, 강도는 슈퍼섬유에 미치지 않으나 분해 온도가 400℃ 내외로 우수한 내열성으로 인하여 방염복 등에 사용되고 있으며, 1971년에는 파라아라미드섬유인 케블라(Kevlar)를 개발하였다.
유럽에서는 네덜란드의 DSM사가 초고분자량폴리에틸렌의 분자를 일렬로 배열하는 방법으로 고강도를 달성한 다이니마를 개발하여 1980년 초부터 시판하였다.
한국에서는 1984년 코오롱과 한국과학기술연구원(KIST) 윤한식 박사의 독자 연구에 의해 최초로 아라미드 펄프가 만들어졌다.아라미드는 특성에 따라 고강도의 파라계와 고내열성의 메타계로 구분된다. 파라 아라미드는 실처럼 긴 장섬유 형태로 폴리에스테르보다 10배 이상 탄성이 강하고 강도도 높아 방탄복이나 방탄 헬멧, 장갑 등에 주로 사용된다.
종류
슈퍼섬유는 크게 유기섬유와 무기섬유로 나눌 수 있으며, 유기섬유에는 액정과 같은 강직사슬 고분자와 일반 고분자로 나눌 수 있다. 고강력이 되려면 고분자 사슬을 섬유축 방향으로 최대한 펼쳐야 하는데, 유기섬유는 분자사슬 자체가 뻣뻣한 구조를 이용하여 이러한 배향을 달성하고, 무기섬유는 결정성이 높게 섬유를 잘 만든 후 섬유축 방향으로 잘 펼쳐서 배향을 달성하여 고강력을 얻는 방법을 사용하고 있다. 강직사슬 고분자에는 아라미드계열(케블라, 노멕스, 트와론 등), 폴리에스테르 계열(에코놀, 벡트란), 그리고 기타의 PBO, BI 등이 있다. 무기섬유에는 탄소섬유가 대표적이다.
탄소섬유는 폴리아크릴로니트릴(PAN), 레이온(Rayon),피치(Pitch) 등의 섬유를 일단 300~400℃ 의 온도범위에서 열처리하여 안정화시킨 후, 후속으로 800~5000℃에서 탄화시켜 탄소만으로 구성된 섬유를 만든 것이며, 이를 다시 2000℃ 이상에서 열처리하여 흑연 섬유를 제조한다. 탄소섬유는 고탄성률탄소 섬유를 Type I, 고강도 탄소섬유를 Type II로 관용적으로 구분한다.(오른쪽 사진. 탄소섬유의 분류) 탄소섬유는 매우 큰 강도와 탄성률을 가지나 실제 적용에 있어서는 일반 고분자 수지(매트릭스)와 복합재료를 만들어 사용하는데, 이때 최종적으로 만들어진 재료의 강도는 섬유와 매트릭스 간의 접착 정도에 따라 강도가 결정된다. 따라서 이러한 탄소섬유의 계면 결합력을 향상시키기 위한 많은 연구가 수행되고 있다.
보잉사는 B787을 개발하면서 첨단 소재인 탄소복합재 비중을 중량 기준으로 50%로 늘렸다. 이러한 소재의 혁신으로 B787은 동체의 무게를 크게 감소시켜 비슷한 기종의 항공기보다 연료 효율성이 20% 이상 높고, 객실 창문은 B767과 비교하여 65% 크게 만들 수 있었다. 또한 기존 항공기 동체는 조그마한 조각을 이어 붙였으나 B787은 커다란 하나의 덩어리로 만들어서 조립용 구멍이 1만 개에 불과해 보잉 747의 100만 개와 비교하여 조립과 유지 보수에 훨씬 효율적이다. 현재 탄소섬유는 가격이 빨리 내려가고 있어서 항공 우주 뿐만 아니라 자동차, 풍력 발전기 등에도 활용하고 있다.
액정고분자에는 아라미드와 아릴레이트, PBI등이 있는데, 이 중 아라미드섬유는 케블라와 노멕스 등이 있으며, 이는 액정 고분자의 자발적인 배향성을 이용하여 분자의 배향성을 높여서 섬유강도를 크게 하고 있다. 아라미드섬유는 강도가 2.4~3.4GPa, 탄성률이 70~110GPa로 기계적 물성은 탄소섬유보다 낮으나 열적 성질이 일반섬유에 비하여 우수하고 가격대비 강도가 적정하여 산업용 소재로서 광범위하게 사용되고 있다. PBI는 1961년 Apollo 1호의 사고 후 개발된 첫 방염소재이다. PBOI섬유는 유기계 섬유 중 물성이 가장 우수하나 고습도 환경이나 자외선 등에 의한 강도 저하가 문제로 제기되고 있다.
UHMWPE 섬유는 초고분자량PE를 용제에 녹여 젤 방사 후 연신하여 유연한 폴리에틸렌 분자를 최대한으로 섬유축 방향으로 배열하여 고성능을 나타내는 섬유이다. 인장강도 2.5-3.8GPa, 인장탄성률 100-190GPa이면서 매우 가볍고 분자구조가 간단하여 이론적 탄성률이 가장 높으며 내마모성, 극저온 특성, 내화학성 등이 매우 우수하여 방호, 군수(항공기/헬기/군함 등의 방탄재, 방탄조끼, 헬멧, 전투기 제동 낙하산, 방탄장갑, 선박의 플랫폼, 잠수정의 구조재, sonar dome), 레저 스포츠(돛), 기타 각종 산업용 재료로 광범위하게 사용되고 있다.
- 아라미드
아라미드는 열에 강하고 튼튼한 방향족 폴리아미드(Polyamide) 계열 섬유로 항공우주 및 군수 분야에 많이 이용되며, 결합 형태에 따라 '파라 아라미드 섬유'와 '메타 아라미드 섬유'로 나뉜다. '파라 아라미드 섬유'는 유리섬유, 철, 석면 등의 대체재로써 산업용 소재와 방탄복 등에 사용되고 있다. '메타 아라미드 섬유'는 400℃ 이상의 고온에서도 쉽게 녹지 않으며, 전기절연성도 뛰어나기 때문에 소방복, 구조복, 용접복, 건축자재 등으로 그 용도가 늘어나고 있다.
방탄복에 주로 쓰이던 아라미드는 최근 5세대(5G) 광케이블과 전기차 타이어 등에 쓰이면서 없어서 못 파는 수준으로 수요가 폭증하고 있다.
아라미드는 강철보다 5배 단단하고 가벼운 데다 약 500도의 고온에서도 견디는 특성을 지니고 있다. 5㎜ 정도의 가느다란 실이 2톤 트럭을 들어올릴 정도다. 그동안 방탄복과 소방복 등 각종 보호장비에 주로 쓰였는데 최근 산업용 보강재로 각광받으면서 전 세계적으로 수요가 폭증했다. 대표적으로 5G광케이블 수요가 폭발적으로 늘어나면서 아라미드 수요가 함께 증가했다. 아라미드는 케이블 내 강도를 높이기 위해 쓰이는데 최근 북미 지역을 중심으로 통신망 확충에 나서면서 아라미드가 불티나게 팔리고 있다. 전기차 시장이 커진 것도 아라미드 수요를 이끈 요인이었다. 전기차는 내연기관차와 비교해 무거운 단점을 해소하기 위해 아라미드를 타이어 보강재로 쓰고 있다. 아라미드를 적용한 타이어는 무거운 차체도 버틸 수 있는 높은 강도와 탄성을 지니고 있다.
환경 규제를 맞추기 위해 브레이크 패드에 대한 아라미드 펄프의 사용도 늘어나고 있다. 아라미드가 적용된 자동차 브레이크 패드의 경우 분진이 70% 감소해 친환경적이고 소음 저감, 우수한 제동력 등의 강점을 가진다.
- 탄소섬유
탄소 섬유는 최첨단 신소재 중 하나로 중량은 강철의 20%, 알루미늄의 70%에 불과하지만 강도가 강철의 10배 이상이다. 동일한 굵기를 기준으로 일반 나일론 섬유가 성인 남성(60kg)을 들어 올릴 때 탄소 섬유는 440kg까지 들 수 있다. 이 같은 고강도 소재이기 때문에 탄소 섬유는 주로 항공우주, 자동차 분야에 사용된다.
- 탄소나노튜브 섬유 (Carbon nano tube fiber)
탄소나노튜브 섬유는 탄소만으로 구성된 미세한 원통형의 나노 구조체 섬유다. 탄소나노튜브 섬유는 타 슈퍼섬유 대비 높은 기계적 강도와 전기전도율, 그리고 고유연성을 갖고 있기 때문에 차세대 웨어러블 디바이스 등에도 응용이 가능하다.
슈퍼섬유 시장 동향
탄소섬유는 주로 일본 기업(도레이, 토호테낙스, 미쓰비시레이온 등)이 생산하고 있으며, 도레이가 세계시장의 40%를 차지하고 있다. 도레이는 1971년 상용화 초기에는 스포츠 용품에 주로 납품하다가 2006년부터 보잉의 항공기, 최근에는 미국의 우주개발 기업인 스페이스 X와 고성능 탄소섬유의 장기 공급 계약을 하고 공급하고 있다. 도레이그룹은 2025년까지 5000억원을 투자해 경북 구미공장을 증설하기로 했다. 이번 투자를 통해 도레이그룹 한국 지사인 도레이첨단소재는 약 1655억원을 들여 구미1공장에 연산 3000t 규모의 아라미드 생산설비 2호기를 증설한다. 증설이 마무리되면 도레이첨단소재의 아라미드 생산 규모는 연 5000t으로 늘어난다.
한국은 동양제철화학, 효성, 태광산업, 애경케미탈 등이 상업적 생산을 하고 있고 현재는 몇몇 다른 업체도 검토 중이다. 2019년에 일본 수출규제로 전략물자로 분류되는 탄소섬유의 안정적 공급이 불투명해진 가운데 효성은 2019년, 1조 원을 투자하여 현재 1개 라인, 연산 2,000t인 생산 규모를 10개 라인 연산 2만 4,000t까지 확대키로 했다. 이를 통해 효성은 글로벌 3위권 탄소섬유 기업으로 도약할 구상을 하고 있다. 애경케미칼(13,200원 ▲ 30 0.23%)은 2025년까지 아라미드의 주원료로 쓰이는 TPC(테레프탈로일 클로라이드) 양산 체계를 구축한다는 방침이다. 지난 2010년 중반부터 TPC 국산화 연구를 해온 애경케미칼은 2020년 데모플랜트 가동에 이어 2023년 11월 시제품을 생산하는 데 성공했다. 코오롱인더스트리는 2023년 구미공장을 증설해 아라미드 생산량을 기존 연간 7500t에서 1만5310t으로 확대했다.
탄소섬유와 더불어 중요한 슈퍼섬유로 아라미드섬유는 파라아라미드와 메타아라미드가 있는데, 미국의 듀폰이 1971년 케블라 라는 이름으로 1982년에 양산화하였고, 네덜란드의 악소가 생산한데 이어서 한국의 코오롱인더스트리가 2005년에 헤라크론, 효성이 2009년 알켁스라는 이름으로 생산에 성공하여 현재 방탄조끼, 방탄방패 등에 적용되고 있다.
고강력폴리에틸렌섬유는 분자량 600만 이상의 초고분자량폴리에틸렌 섬유를 이용하여 만드는 것으로 네덜란드의 DSM사가 1979년 세계 최초로 실용화 하였으며, 일본의 도요보도 이 특허를 이용하여 1988년부터 생산하고 있으며, 미국의 하니웰사도 특허를 받아 생산하고 있다.
슈퍼섬유는 아직도 그 물성이 개선되고 있으며, 가격도 크게 내려가고 있다. 탄소섬유의 경우 kg당 10$ 이하로 될 때 자동차 등에도 광범위하게 사용될 것으로 기대된다.
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참고자료
- 〈슈퍼섬유〉, 《두산백과》
- 〈슈퍼섬유 제품 Line-up〉, 《휴비스》
- 한성수 교수, 〈미래산업과 국방의 밀알, 슈퍼섬유를 말한다.〉, 《한국국방기술학회》, 2020-04
- 권유정 기자, 〈가볍고 단단하고 안 타는 ‘슈퍼섬유’… 화학사 잇단 투자〉, 《조선비즈》, 2024-05-26
- 최경민·박미리·이세연·강주헌 기자, 〈총알 막고 화염 견디는 '슈퍼섬유'…"미래를 걸었다"〉, 《머니투데이》, 2024-03-07
- 박민주 기자, 〈"공장 짓기도 전에 70% 팔렸다"…불티난 '슈퍼섬유' 정체는?〉, 《서울경제》, 2023-06-22
- 〈300℃에도 타지 않는 슈퍼 섬유가 있다?!〉, 《SK이노베이션》, 2019-09-25
- 산업통상자원부, 〈강철보다 단단한 신소재 섬유 '슈퍼 섬유'〉, 《네이버블로그》, 2013-02-20
같이 보기
