<한국형 4차산업 현장을 가다>탄소섬유는? 鐵 대체할 꿈의 소재… 무게는 4분의1, 강도는 10배

소재 분야에서 기존 소재의 물성을 뛰어넘어 새로운 물성에 대한 요구에 부응하는 소재를 복합소재라고 한다. 다양한 복합소재 가운데 탄소복합소재는 빼어난 전기·기계 물성으로 주목받고 있는데 탄소섬유는 이러한 탄소복합소재의 대표격이라고 할 수 있다.

탄소섬유란 탄소원소의 질량 함유량이 92% 이상인 고부가가치 소재로 철을 대체할 꿈의 소재라는 평가를 받고 있다. 무게는 강철보다 4분의 1 수준으로 가볍지만 강도는 10배 이상 강하다. 고강도, 경량성, 내열성, 내약품성, 낮은 열전도도, 우수한 전기전도도 등 다양한 특성 때문에 등산스틱·골프채 등 레저용 제품, 연료용 압축천연가스(CNG) 압력용기·루프·프레임 등 자동차용 구조재, 우주항공용 소재 등 철이 쓰이는 모든 곳에 사용될 수 있을 정도로 활용 범위가 광범위하다.

탄소섬유는 아크릴(폴리 아크릴로니트릴) 섬유를 고온에서 탄화해 제조한 팬계와 석유, 석탄 공정에서 증류하고 남은 잔류물을 방사한 뒤 고온에서 탄화해 제조하는 피치계로 나뉜다. 탄소섬유는 육각 고리의 탄소 원자가 한 평면에서 평행으로 배열돼 있고 이러한 형태가 켜켜이 쌓이는 이른바 층상격자 구조로 이뤄져 있으며 금속광택이 있고 검은색이나 회색을 띤다. 현재 탄소섬유는 항공기(보잉 B787) 동체에 50% 이상 적용되고 있으며 앞으로 80%까지 증가할 것으로 예상되고 있다. 항공기에 탄소섬유를 적용할 경우 연비를 크게 개선할 수 있다. 가령 항공기에 탄소섬유 강화 복합재료(CFRP)를 50% 적용한 뒤 20∼25년(항공기 통상 수명) 운항할 경우 CFRP를 적용하지 않은 일반 항공기를 한 대 구입할 수 있는 연비 개선 효과를 낼 수 있다.

향후 일반 승용차의 동체와 부품도 CFRP로 대체할 것으로 예상되고 있다. CFRP란 강화재로써 탄소섬유를 이용한 복합 재료를 말한다. 통상 CFRP라고 하면 탄소섬유 강화 플라스틱을 말한다.

유회경 기자 yoology@munhwa.com