탄소섬유의 역사와 응용

 

 '탄소섬유 강자'이다라는  신문 기사를 접하고 탄소섬유란 무엇일까라는 순수한 마음으로 접근한 탄소섬유 개발이라는 주제는 생각보다 깊이 있고 전문적인 부분이 많이 차지하고 있었습니다.  매일경제 2022년 10월 13일 자 신문에선 효성이  강도가 철보다 14 이상 높은 초고강도 탄소섬유 개발에 성공했고 앞으로 더욱 발전해 나갈 것이라고 했습니다. 이에 앞서 

탄소섬유의 정의, 탄소섬유의 개발 역사, 우리나라에서는 어떻게 받아들여졌고 어떻게 응용 가능한지에 대해서 알아보겠습니다.

매일경제 20221013.A17면

탄소섬유란 

탄소 섬유(炭素纖維, carbon fibers ) 또는 그라파이트 섬유, 탄소 그라파이트, CF(_ carbon fibers)는 탄소가 주성분인 0.005 0.010mm 굵기의 매우 가는 섬유이다.  한 가닥의 실은 수 천 가닥의 탄소 섬유가 꼬여져 만들어진다. 탄소 섬유를 구성하는 탄소 원자들은 섬유의 길이 방향을 따라 육각 고리 결정의 형태로 붙어 있고, 이 분자 배열 구조로 인해 강한 물리적 속성을 띠게 된다. 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 열팽창률 등의 특성으로 인해 항공우주산업, 토목건축, 군사, 자동차 및 각종 스포츠 분야의 소재로 매우 널리 쓰인다.  반면, 가격에서 유사한 소재인 섬유 유리 소재나 플라스틱 소재보다 상대적으로 비싸고, 압축하는 힘이나 순간적인 충격에는 약하다. 예를 들어, 탄소 섬유로 만들어진 막대는 구부리기 매우 어렵지만 망치와 같은 도구로 쉽게 깨릴 수 있다. 

 간혹 탄소섬유를 CFRP와 혼동하는 경우가 있는데 탄소섬유는 문자 그대로 섬 유고, CFRP는 이름 그대로 플라스틱이다.

CFRP는 탄소섬유로 짠 직물을 이용해 만든 복합재료로서 FRP의 한 종류다.. 탄소섬유의 가장 주된 용도가 CFRP 제조이기 때문에 동의어처럼 사용되는 경우가 많은 것이다.  탄소섬유는 직물로써 보호복을 만들기도 하고, 초소형 전극이나 유연한 열전도체를 만드는 용도로도 사용되므로 탄소섬유=CFRP로 인식하는 것은 잘못된 것이다.

탄소섬유의 개발 역사

 탄소섬유는 19세기 말 에디슨이 백열 전구용 탄소 필라멘트를 발명한 것이 개발의 시초였습니다.  탄소섬유의 역사는 1959년 UCC(현재 AMOCO)에 의해 레이온을 원료로 한 GPCF(general purpose carbon fiber)가 생산되면서부터 공업화된 재료로서 사용하기 시작하였습니다.

  탄소 섬유의 개발은 1950년대부터 미국에서 우주개발과 군수용 로켓 모터, 노즐에 필요한 내열재료의 개발을 요구하면서  처음 생겨났다. 미국은 우주용 기기와 항공기 분야에서 경량 및 고강성 재료의 연구를 연구하였다. 고분자 복합재료를 찾기 위해 연구를 했고  결론적으로 보강재로써 비강도 및 비탄성이 우수한 탄소섬유를 개발하게 되었다.

1964년에는 영국의 RAE사가 PAN(polyacrylonitrile)계 탄소섬유의 고강도화 제조 특허를 출원했고 고강도/고탄성 탄소섬유의 기업화를 이뤘다.  영국이 용도 개발에는 매우 적극적이었지만, Rolls-Royce 사 RB211 터보팬 엔진의 버드 스트라이크 사고로 영국에서는 탄소섬유의 응용개발이 주춤하여 그 중심은 미국으로 옮겨지게 되었습니다. 1976년에 미국의 UCC(현 AMOCO)에서 pitch계의 고탄성 type를 공업화했고 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.

  일본의 오사카 공업 시험소의 신도 박사는  PAN계의 탄소섬유가 개발하였다. 1962년에 카아 본사에 의해 GPCF의 공업화가 되었고 1963년에는 오오타니 교수(-일본 군마대학 소속)가 피치계의 탄소섬유가 개발하였다. 1964년에는 pitch계의 HPCF(high performance carbon fiber)가  개발되었다. 1969년 카이 본에서 PAN계의 HPCF를 공업화했고, 1970년에 pitch계의 GPCF는 오 우화학(일본 회사)에서 생산을 시작하였다.

우리나라에서는 1988년 8월부터 태광산업이 PAN계의 탄소섬유를 ACELAN이라는 상표명으로 생산하기 시작했으며, 고탄성 type(acelan IZ~40)과 고강도 type(acelan TZ-307)을 생산하였다. (주)효성에서는 2013년에 전주공장(현재는 효성 첨단소재(주)전주공장)을 준공하고 탄소섬유를 생산하고 있다. 일본 기업인 도레이첨단소재는 경북 구미에 생산공장을 가동하고 있다. 2017년 국방과학 연수소 민군협력진흥원 부처 연계 협력기술개발사업으로 시작하여 2022년 10월 H3065( T-1000급) 초고강도 탄소섬유를 개발했다. 우주분야에서는 발사체를 적용하면 기존 소재보다 훨씬 가벼우면서 탄성과 강도가 높아 추진력을 상승시키는 효과가 있다. 

 

탄소섬유의 응용

복합 재료로서의 탄소섬유 활용

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

 

섬유

탄소 섬유 필라멘트 실은 주로 수지 침투 가공재, 필라멘트 감기, 풀 트루 전, 실 짜기, 실 땋기 등에 여러 공정 기술에 쓰일 수 있다.  탄소 섬유의 전 단계는 폴리아크릴 로니트릴, 레이온 그리고 피치이다 탄소 섬유 실은 실 개수, 선 밀도 안의 필라멘트 수로 알 수 있다.  예를 들어, 3000개의 탄소 섬유 필라멘트 200 텍스는 1000개의 탄소 필라멘트 실보다 3배 강하지만 3배 더 무겁다. 탄소섬유로 만든 실은 섬유 필라멘트나 옷감으로 쓰일 수 있고  이 섬유 일반적으로 실의 선밀도와 선택된 무늬 즉 능직이나  새틴 방식 그리고 평직으로도 쓰일 수 있다. 또한 필라멘트 실은 뜨개질에 사용하거나 땋을 수도 있어 섬유 전체에 걸쳐 사용 가능하다

 

플렉시블 난방

탄소 섬유는 전도성이 뛰어나 매우 낮은 전류라도 전달할 수 있다. 대형 직물로 직조될 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.

 

마이크로 전극

탄소 섬유는 탄소 섬유 마이크로 전극 제조에 사용된다. 이 공정에서는 보통 직경 5-7μm의 탄소 섬유 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.

 

탄소섬유의 다양한 활용과 응용은 앞으로오 여러 곳에서 선보일 것 같습니다. 탄소섬유의 장점을 살린 옷감과 난방 부분, 탄소섬유와 유리섬유의 마이크로 전극 등의 다양한 활용은 앞으로 탄소섬유의 발전에 더욱 관심을 가져야 되는 이유인 것 같습니다.