2. 탄소섬유복합재료와 응용분야 - 탄소섬유에 플라스틱 섞어 '21세기 꿈의 신소재' 각광
인류의 문명발달과 함께 각종 산업과 건축, 일상생활에 쓰이는 제품의 재료도 진화를 거듭하고 있다. 인류 역사를 석기시대, 철기시대, 청동기시대 등으로 분류하는 것도 인간이 사용한 도구의 재료와 깊은 연관성을 갖는 것으로 보인다. 석기시대 흙이나 돌, 나무 등 천연의 재료로 그릇 등 생활용품을 비롯해 집과 무덤 등의 구조물은 물론 무기까지 만들던 인간은 이후 광석에서 추출한 철과 구리 등의 광물과 석유류에서 뽑아낸 인조섬유와 플라스틱 등의 재료를 이용해 각종 소재를 개발했다. 근래에 들어서는 기존의 천연재료와 인공재료를 혼합하거나 전혀 다른 재료를 결합하는 방식의 복합재료가 개발되고 있는 중이다. 이른바 신소재의 출현이다. 탄소섬유를 원료로 하는 복합재료 또한 미래산업에서 주목받는 신소재로 떠오르고 있다.■ 더 강하고 더 가벼운 탄소섬유강화플라스틱 실용화콘크리트와 철근이 결합된 철근콘크리트가 건축의 역사를 바꾸었든 탄소섬유로 개발된 탄소섬유복합재료 또한 그 활용 분야가 매우 넓고 방대하다.복합재료의 특징은 압축강도가 높은 콘크리트와 인장강도가 센 철근이 만나 우수한 압축강도와 인장강도를 가진 새로운 재료가 되는 이치다.탄소섬유복합재료도 이와 유사하다. 탄소섬유(Carbon Fiber)에 플라스틱을 섞어 강도를 높인 게 바로 탄소섬유복합재료이기 때문이다.이 재료는 플라스틱의 우수한 성형성과 탄소의 높은 강도가 결합하는 특징을 갖는다.탄소섬유복합재료는 기지재료(Matrix)에 의해 플라스틱계, 탄소계, 시멘트계, 금속계, 세라믹계 등으로 분류된다.그 중에서 플라스틱계가 주종을 이루고 있으며 탄소섬유강화플라스틱(CFRP, Carbon Fiber Reinforced Plastic)은 이미 실용화 단계에 돌입했다.고분자기지재인 플라스틱의 강도를 1이라 치면 유리섬유와 탄소섬유는 각각 2540이며, 강성(stiffness)은 고분자재료에 비해 유리섬유가 20배 이상이고 탄소섬유는 70배가 넘는다.이처럼 물질의 특성이 강철보다 우수하거나 필적하고도 무게가 금속에 비해 매우 가벼워 고분자기지재료와 조합되는 탄소섬유강화플라스틱은 '강철보다 강하고 알루미늄보다 가벼운' 이상적인 경량 신소재로 등장하게 된 것이다.더구나 최근 들어 자동차, 항공기 등 산업 전반에서 경량화에 따른 에너지 절감이 큰 이슈로 대두되면서 기존 금속의 대체재로서 비중이 낮고 경량이면서 고강도, 고탄성을 지닌 탄소섬유복합재료의 사용이 광범위하게 도입되고 있다.이 때문에 내구성이 30년 이상으로 유리섬유 소재보다 두 배 이상 길면서도 가볍고 단단한 특징을 갖는 탄소섬유강화플라스틱은 '21세기 꿈의 신소재'로 각광받게 된 것이다.CFRP(탄소섬유강화플라스틱)의 제조는 주로 그 기지가 되는 고분자 수지에 따라 열경화성(TS, Thermpsetting Resin)과 열가소성(TP, Thermoplastic Resin)으로 분류된다.■ 항공우주부터 스포츠레저산업까지 응용분야 다양당초 군사, 항공우주 분야에서 첨단 신소재로 먼저 쓰이던 탄소섬유복합재료는 1990년대 세계 냉전체제 종식에 따라 수요침체기를 겪는다.이로써 섬유산업에서의 이용 비중이 유리섬유에 비해 낮아지고 그 용도도 스포츠레저 산업 등의 2차 소재로 집중됐다. 그러나 최근들어 탄소섬유의 경량, 고강도, 고내열성 등을 살릴 수 있는 용도가 개발됨에 따라 건재, 콘크리트 구조물, 내진 보강 등의 토목건축분야와 CNG 탱크, 풍력발전용 회전날개와 회전자, 플라이휠 등의 대체 에너지 분야, 선박 및 차량 등의 고속 운송기기 분야, 해양 개발과 심해저 유전채굴 분야, 고성능기기 분야, 의료기 분야, 전기전도 분야, 초내열 분야 등 다양한 산업에서의 적용이 광범위하게 이루어지고 있다.△항공우주 분야 = 세계적 항공기 제조회사인 보잉사는 주 날개, 동체, 중앙 날개 등 구조부품의 50%를 탄소섬유복합재료를 적용한 보잉-787기를 생산하고 있다. 항공기 외에도, 고압과 고열에 견뎌내면서도 무게는 가벼워야 하는 발사체 로켓에도 탄소섬유복합재료가 신소재로 등장하고 있다.△차량운송 분야 = CFRP는 차체 경량화의 핵심소재로, 자동차, 버스, 트럭에서부터 철도차량까지 성능과 내구성을 높이고 경량화를 실현하여 연료를 절약할 수 있는 복합재료다.이 때문에 차체(섀시) 및 금속부품 등 차량에 필요한 다수의 부품을 대체하는 연구와 접목이 진행되고 있다. F1그랑프리에 나오는 경주용자동차의 대부분도 탄소섬유복합재료로 만들어진다.또 CFRP는 차량용 액화천연가스 저장탱크(CNG Cylinder)제작에도 이용된다.△풍력발전 분야 = 최근 대체에너지 개발의 한 해결방안으로 주목받도 있고 앞으로도 매년 30%의 성장이 예상되는 풍력발전분야는 경량화와 내구성을 가진 소재가 필수적이다.회전 날개 등 풍력발전기 부품에 CFRP를 적용하면 기존 유리섬유복합재료가 가지고 날개 길이의 한계(50m) 극복이 가능하고 그 무게도 대폭 줄일 수 있어 발전용량을 약 15배로 늘릴 수 있다.△건설 및 사회간접시설 분야 = CFRP는 내외벽 판넬, 저장탱크, 교량, 파이프 및 보강재 등의 시설물 및 인공조형물, 대형구조물의 제작 등 다양한 형태로 적용되고 있다. 무게가 철강에 비래 약 40%정도 밖에 되지 않지만 철과 달리 녹슬지 않는 탁월한 내부식성으로 수분에도 강하며 균열도 발생하지 않는 특징을 이용하고 있는 것이다.△선박스포츠 분야 = 내구성이 좋고 가벼우며 강성 및 내수성이 좋아 대형선박을 제외한 선박의 일반적인 재료는 물론 제트스키와 낚시보트에도 적용되고 있고 방탄특성을 위해 군함정에도 적용된다. 낚시용구, 골프클럽 샤프트, 테니스 및 배드민턴 라켓, 스케이트 보드, 스노우 보드, 스키, 인라인스케이트 등 다양한 스포츠 분야에서 가볍고 강도, 강성이 우수한 탄소섬유복합재료가 사용된다.
