CFRP의 생산 과정과 사용 방법

탄소섬유와 탄소섬유 강화 플라스틱은 다른 것입니다. 그러서 CFRP의 정확한 용어와 생산과정 그리고 중요한 사용분야에 대해서 살펴보겠습니다. 

CFRP란 Carbon fiber reinforced plastic 즉 우리나라 말로는 탄소 섬유 강화 플라스틱( CFRP)이 라고 합니다. 즉, 플라스틱안에 탄소 섬유를 넣어 강도를 강화시킨 제품입니다. 지금부터 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 만드는 방법 , 제조사, 사용분야에 대해서 알아보았습니다.

위의 사진같은 결정 구조가  수많은 탄소 원자로 이루어 길게 늘어 분자 사슬로 이루어진 섬유를 탄소섬유(Carbon Fiber)라고  합니다. 이 탄소원자의 섬유 직경은 10μm 내외로 극히 가늘지만 인장강도와 강성도가 특히 높습니다. 길이는 보통사람의 머리카락 길이보다도 가늘지만 고온과 화학물질에 대한 내성이 우수하고, 열팽창이 적다. 이런 장점으로  자동차, 항공기, 각종 스포츠, 담배 필터 등에 널리 사용되고 있다. 특히 에폭시 등의 수지와 혼합하여 중합체(플라스틱)으로 만들어지는 탄소섬유 강화 중합체(CFRP)의 형태로 많이 이용됩니다.

탄소 섬유 강화 플라스틱(Carbon fiber reinforced plastic, CFRP) 만드는 방법

탄소 섬유 강화 플라스틱은 대개 폴리아크릴 로니트릴(polyacrylonitrile, PAN)이라는 화합물을 가열해서 만들어지는데 PAN을 섭씨 300도로 가열하면 서로 결합하면서 고리 형태가 만들어집니다. 이 고리는 아크릴 섬유형태와 동일하다.

이 물질을 섭씨 700도로 더 가열하면 고리의 탄소 원자에 있던 수소가 날아가며, 방향족 피리딘 그룹으로 이루어진 고리가 만들어진다( 이것은 소위 "탄화" 과정이다). 이것이 탄소섬유의 기본 단위이고 탄소 필라멘트라 부르고이다.  이 탄소 필라멘트는 가닥이 하나하나 떨어져 있고 너무나 가늘기에, 서서히 가열해서 (온도 섭씨 400~600도 정도로) 탄소 필라멘트가(수소를 잃어버리면서) 서로 결합을 하도록 만든다. 이렇게 결합한 탄소 필라멘트를 탄소섬유라고 한다. 

 

즉, 탄소 섬유를 만드는 방법을 간단히 설명하자면 가는 플라스틱 섬유에,  고열을 가해 산소를 차단한 상태에서 탄소만 남기는 것이다. 참고로 탄소섬유 제작 공정을 셋업하는 데 많은 비용이 드는 주된 이유가 바로 불활성 기체/무산소 제조 설비를 갖춰야 하기 때문이다.  고열을 가해 탄소만 남기는 과정에서 산소가 들어가면 연소되어 이산화탄소가 되어버리기 때문입니다. 피치나 합성섬유인 레이온을 이용해 만드는 법도 있지만  오늘날 거의 모든 탄소섬유는 PAN으로 만드는 이유는 PAN으로 만든 탄소섬유가 가장  인장강도와 품질이 좋기 때문이다.

 탄소 섬유 강화 플라스틱(Carbon fiber reinforced plastic, CFRP)의 제조사

 탄소섬유 대부분을 2015년까지는아시아에서 생산하였으나 북미, 유럽 제조사들이 생산량을 크게 늘며 생산지가 다양하게 되었다. 과거에는 일본 제조사인  도레이(브랜드명은 토레이 카 TorayCa),  미쓰비시레이온(三菱レイヨン), 토호 테낵스(東邦 Tenax), 등 와 미국 제조사인 헥셀(Hexcel), 졸텍(Zoltek), 사이텍(Cytec) 등 시장을 주도했으나 탄소섬유가 수요가 유럽에서 늘어나면서 유럽 제조사들이 새롭게 등장하였다. 2015년 이후에는 유럽 제조사 탄소섬유에 관심을 보이며( BMW, 폭스바겐 그룹의 지원)  성장하면서 불과 2~3년 만에 독일의 SGL Carbon이 세계에서 2번째로 큰 탄소섬유 제조사가 되었다.  미국의 졸텍을 인수하여 일본 도레이가 세계 최대 제조사가 되었으며  솔베이(벨기에의 화학 회사)가 미국의 사이텍을 인수하였다. 우리나라 기업  효성 첨단소재(주)가 전주공장에서 생산하고 있다. 2019년 말 생산능력은 년 2천 톤 규모이며 2020년 3월에 생산라인 증설이 완공되어 생산능력이 년 4천 t으로 확대되었다.

 CFRP는 탄소섬유로 짠 직물을 이용해 만든 복합재료로서 FRP의 한 종류다.  CFRP는 이름대로 플라스틱이고  탄소섬유는 문자 그대로 섬유이다.  CFRP 제조가 탄소섬유가 가장 주된 용도로 사용되기  때문에 동의어처럼 사용되는 경우가 많지만 다른 것이다. 탄소섬유는 CFRP 외에도 초소형 전극이나 유연한 열전도체를 만드는 용도로 사용되거나 직물로써 보호복을 만들기도 한다.  탄소섬유=CFRP로 인식하는 것은 잘못되었다. CFRP는 탄소섬유와 달리 만들기가 그다지 않고 대규모의 생산설비가 필요하지 않다(대개 수작업이다). 단순하게 말하자면,  제조사로부터 탄소섬유를 사다가 합성수지에 담가 굳혀서 플라스틱으로 만들어 사용하면 된다.그러나 CFRP의 제작에서 중요한 것  축적된 노하우와 숙련된 일손이다. 특히 항공기나 자전거 등에 사용되는 고품질 CFRP를 만들려면 섬유 배열 방향과 다양한 모듈 루스를 가진 섬유의 배합   등을 잘 조절해야 하는데 이런 것은 오랜 경험과 연구로 알 수 있으므로 어찌 보면 탄소섬유 자체보다 만들기가 더 까다롭다고 할 수도 있다. 좋은 CFRP를 만드는 것은 아무나 할 수 있는 게 아니다.

탄소 섬유 강화 플라스틱(Carbon fiber reinforced plastic, CFRP)의 사용분야

CFRP란 탄소섬유, 또는 탄소섬유로 만든 직물과 합성수지를 혼합해 만든 중합체(플라스틱)인 복합재료(composite)다. 탄소섬유 강화 중합체(플라스틱), Carbon Fiber Reinforced Polymer 혹은 Plastic의 약어이다. 플라스틱 안에 탄소섬유가 들어가 있는데 이 섬유는 높은 인장 강도와 강성이 높고 , 폴리머 매트릭스(-플라스틱)가 섬유를 감싸서 구조 재료로서의 형태를 유지하여 내충격성을 부여한다. CFRP는 금속보다 가볍고 금속에 비해서 탄성계수와 인장강도가 높다. 이러한 CFRP는 섬유 부피의 60%선에서 1.5~1.6 g/cm3정도로 대단히 경량이면서 인장강도와 탄성계수는 특수강을 압도한다. 철은 밀도가 7.8 g/cm3를 넘겨버리므로 비강도 측면에서 계산하여도 CFRP가 넘사벽을 자랑한다. 그래서 경량과 강성을 요구하는 자동차, 자전거 등 탈것에 많이 쓰인다. 잘 알려지지는 않았지만 최근 들어 보편화된 전동차의 유선형 전두부(이를테면 뱀눈이 같은 거)도 이 재료로 만들어진다. 이런 장점이 뛰어나나 가격의 문제로 우주왕복선, 항공기, 슈퍼카처럼 아주 비싼 경우에서만 사용되는 경우가 많다. 단점은 압축강도와 충격 강도가 금속 재료에 비해 상대적으로 좋지 않다는 것이다. 탄성계수가 높다는 것은 잘 휘어지지 않는다는 소리가 된다. 자전거 제작에도 CFRP를 많이 이용한다. 가볍고 튼튼하기 때이다. 하나 유연성이 없어 노면의 충격이 핸들바(손잡이)나 시트포스트(안장이 얹혀있는 봉)를 통해 그대로 전달되기 때문에 이런 부분은 알루미늄 재질을 사용하거나, 탄소섬유의 모듈러스를 조절해 특정 방향으로는 유연성이 있도록 사용하고 있다.
CFRP의  섬유 자체만으로는 내충격성이 없어 섬유 수직 평면에서 충격을 받으면 섬유가 그냥 끊어져버리므로 밧줄이나 뽀대용 외장 재료 정도로밖에 쓸 수 없다. 이런 분야로는 나일론이나 케블라가 이미 쓰이고 있으므로 섬유만으로 쓰는 일은 거의 없다. 탄소섬유 자체의 재료비는 그리 비싼 편이 아니다. 하지만 복합소재, 특히 높은 섬유 비율을 뽑아내야 하는 고강도 복합소재 분야의 특성인 더러운 노동집약적 공정으로 인해 성형품의 가격은 재료비를 훌쩍 뛰어넘게 된다. 오늘날에는 자동화된 라미네이팅을 위한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 상당한 성과를 보이고 있고 역시 자유로운 형상의 고강도 성형품은 여전히 사람 손에 전적으로 의지하고 있다. 역시 탄소섬유 수요가 특히나 많은 자동차 업계에서 이것을 대량 생산하고자 하는데, 일단 BMW에서 2015년 이전에 출시할 전기차 부품조달을 위해 1억 달러 규모 공장을 건립할 예정이고, 도요타는 탄소섬유를 생산 중인 도레이와 합작하여 약 1/5 수준으로 낮췄다고 한다.  사실 CFRP를 이용하는 데 있어 가장 큰 걸림돌은 원료의 비용보다도 공정과 품질관리 비용이다.

우리나라에서는  2016년 5월 29일 <탄소소재 융복합 기술개발 및 기반 조성 지원에 관한 법률(탄소소재 법)>이 제정(2016년 11월 30일 시행)되어, 국내 탄소섬유 사업의 기반으로 전라북도에서는 효성(주)(현 효성 첨단소재(주))을 중심으로 전주 탄소 밸리를 구성중이다. 또한 경상북도에서 역시 구미시에 일본 도레이사를 중심으로 탄소 클러스터를 구성중이며, 양 도간의 탄소 산업을 둘러싼 경쟁이 치열한 상황이다. 현재 전북은 탄소 산업, 경북은 탄소 소재를 중심으로 추진하기로 서로 간 합의를 보았지만, 정부 예산을 둘러싼 경쟁은 앞으로도 계속될 것으로 보인다. 

 

오는 2022년 10월 26일 한국탄소산업진흥원은 탄소 소재 융복합 제품을 한자리에서 만나보는 '카본 코리아(Carbon Korea) 26일부터 사흘간 서울 코엑스에서 개최한다고 합니다. 78개 기업이 인조흑연, 탄소섬유, 활성탄소, 탄소 나노튜브, 래핀, 인조흑연 등의 탄소 소재를 이용해 만든 제품들을 선보인다.  우주·항공산업 분야에 쓰이는 고내구성·경량·고강도의 고기능 탄소 소재 및 부품이 적용된 제품 UAM(수송용 무인기)과 대형 민항기용 열가소성 복합재 동체 모듈도 내놓는다. 전북과 경북지역 기업들이 CNT(탄소 나노튜브) 분산제,  탄소 복합재 패널 시제품, 탄소 발열 온열매트,  고분자 도 전재 등을 공개한다. 제16회 국제 탄소페스티벌과 제6회 국제 탄소 포럼도 함께 열린다고 합니다.  CFRP는 다양한 분야에서 사용되고 있었습니다. 실생활에 밀접한 부분에서 다양하게 활용되는 탄소섬유와 탄소섬유 강화 플라스틱을 잘 알고 쓸 수 있도록 해야 될 것 같습니다.