탄소섬유
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↑ 탄소섬유와 사람의 머리카락의 굵기 비교. 검고 가는 쪽이 탄소섬유다.
탄소 원자로 이루어진 섬유.
탄소섬유(炭素纖維, Carbon Fiber)는 수많은 탄소 원자가 결정 구조를 이루어 길게 늘어선 분자 사슬로 이루어진 섬유이다.
섬유의 직경이 10마이크로미터 내외로 극히 가늘지만 인장강도와 강성도가 높으며, 고온과 화학물질에 대한 내성이 우수하고, 열팽창이 적다. 때문에 항공기, 자동차, 각종 스포츠 등에 널리 사용되는 재료다. 특히 에폭시 등의 수지와 혼합하여 중합체(플라스틱)으로 만든 탄소섬유 강화 중합체(CFRP)의 형태로 많이 이용된다.
공업적으로는 대개 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN)이라는 탄소-질소 화합물을 가열해서 만든다.
PAN을 섭씨 300도로 가열하면 시안기가 서로 결합하며 고리 형태를 이루게 된다(아크릴 섬유 형태).
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이것을 비활성 기체 안에 넣고 섭씨 700도로 더 가열하면 고리의 탄소 원자에 붙어있던 수소가 날아가며, 방향족 피리딘 그룹으로 이루어진 고리가 형성된다(소위 "탄화" 과정). 이것을 탄소 필라멘트라 부르며 탄소섬유의 기본 단위이다.
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허나 필라멘트는 가닥이 하나하나 떨어져 있고 너무나 가늘기 때문에, 섭씨 400~600도 정도로 서서히 가열해서 탄소 필라멘트가(수소를 잃어버리면서) 서로 결합을 하도록 만든다. 이렇게 탄소 필라멘트들이 서로 결합하도록 하여 탄소섬유를 만든다.
참고로 탄소섬유는 항상 비활성 기체 안에서 가열하는데, 탄소섬유 제작 공정을 셋업하는 데 많은 비용이 드는 주된 이유가 바로 불활성 기체/무산소 제조 설비를 갖춰야 하기 때문이다. 산소가 들어가면 연소, 즉 타서 이산화탄소가 되어버린다. 탄소 섬유를 만드는 방법을 간단히 설명하자면 가는 플라스틱 섬유를 만들고, 산소를 차단한 상태에서 고열을 가해 탄소만 남기는 것이다.
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필요에 따라 더 고온에서 가열해서 보다 넓은 탄소섬유, 소위 탄소 리본을 만들 수도 있다.
PAN 말고 석유화학공업 부산물인 피치나 합성섬유인 레이온을 이용해 만드는 법도 있지만 오늘날 거의 모든 탄소섬유는 PAN으로 만든다. PAN으로 만든 탄소섬유가 가장 품질과 인장강도가 좋기 때문이다.
2015년까지는 탄소섬유 대부분을 아시아에서 생산하였으나 북미, 유럽 제조사들이 생산량을 크게 늘리며 생산지가 다변화 되었다. 과거에는 미츠비시 레이온(三菱レイヨン), 토호 테낵스(東邦 Tenax), 도레이(브랜드명은 토레이카 TorayCa) 등 일본 제조사와 졸텍(Zoltek), 헥셀(Hexcel), 사이텍(Cytec) 등 미국 제조사가 시장을 지배하는 구조였으나 유럽에서 탄소섬유 수요가 늘어나면서 유럽 제조사들이 새롭게 등장하였다.
2015년 이후에는 탄소섬유에 관심을 보인 BMW, 폭스바겐 그룹의 지원 하에 유럽 제조사가 크게 성장하여 불과 2~3년 만에 독일의 SGL Carbon이 세계에서 2번째로 큰 탄소섬유 제조사가 되었다. 일본 도레이가 미국의 졸텍을 인수하여 세계 최대 제조사가 되었으며 벨기에의 화학 회사인 솔베이가 미국의 사이텍을 인수하였다. 중국 정부의 보조금을 업은 중국 제조사들도 약진했다.
우리나라 기업 중에는 효성첨단소재(주)가 전주공장에서 생산하고 있다. 2019년말 생산능력은 년 2천톤 규모이며 2020년 3월에 생산라인 증설이 완공되어 생산능력이 년 4천톤으로 확대 되었다.
간혹 탄소섬유를 CFRP와 혼동하는 이들이 있는데, CFRP는 탄소섬유로 짠 직물을 이용해 만든 복합재료로서 FRP의 한 종류다. 탄소섬유는 문자 그대로 섬유고, CFRP는 이름대로 플라스틱이다. 탄소섬유의 가장 주된 용도가 CFRP 제조이기 때문에 동의어처럼 사용되는 경우가 많은 것이다. 그러나 탄소섬유는 CFRP 외에도 직물로서 보호복을 만들기도 하고, 초소형 전극이나 유연한 열전도체를 만드는 용도로도 사용되므로 탄소섬유=CFRP로 인식하는 것은 잘못되었다.
탄소섬유 자체와 달리 CFRP는 만들기가 그다지 힘들지 않으며 대규모의 생산설비가 필요하지 않다(대개 수작업이다). 극도로 단순하게 말하자면, 위에 나온 탄소섬유 제조사로부터 탄소섬유를 사다가 합성수지에 담가 굳혀서 플라스틱을 만들면 된다.
그러나 CFRP의 제작에 중요한 것은 축적된 노하우와 숙련된 일손이기 때문에, 어찌 보면 탄소섬유 자체보다 만들기가 더 까다롭다고 할 수도 있다. 특히 항공기나 자전거 등에 사용되는 고품질 CFRP를 만들려면 다양한 모듈루스를 가진 섬유의 배합 및 섬유 배열 방향 등을 잘 조절해야 하는데, 이런 것은 메뉴얼이 따로 있는 것이 아니라 오랜 연구와 경험으로 알아내는 것이기 때문이다.
다시 말하자면 CFRP를 '''만드는 '''것은 누구나 할 수 있지만 '''좋은 '''CFRP를 만드는 것은 아무나 할 수 있는 게 아니다.
'''C'''arbon '''F'''iber '''R'''einforced '''P'''olymer 혹은 '''P'''lastic의 약어.
탄소섬유, 또는 탄소섬유로 만든 직물과 합성수지를 혼합해 만든 중합체(플라스틱)인 복합재료(composite)다.
폴리머(플라스틱) 매트릭스 안에 탄소섬유가 일정한 공정에 따라 침투된 상태로, 탄소섬유는 높은 인장 강도와 강성을 제공하고, 폴리머 매트릭스는 섬유를 감싸서 구조 재료로서의 형태를 유지하는 동시에 내충격성을 부여한다.
엄연히 탄소섬유와 CFRP는 서로 다른 재료지만, 일상적으로 "카본", "카본파이버", "탄소섬유"라 지칭하는 재료는 십중팔구 CFRP이므로 이 문서에서 그냥 함께 다룬다.[1]
CFRP는 금속보다 가벼우면서도 금속에 비해 인장강도와 탄성계수가 뛰어나다. 이러한 CFRP는 섬유부피비 60%선에서 1.5~1.6 g/cm3정도로 대단히 경량[2]이면서 인장강도와 탄성계수는 특수강을 압도하는 성능을 자랑한다. 철은 밀도가 7.8 g/cm3를 넘겨버리므로 비강도 측면에서 계산하면 CFRP가 넘사벽을 자랑한다. 그래서 자동차, 자전거 등 경량과 강성을 요구하는 탈것에 많이 쓰인다. 잘 알려지지는 않았지만 최근들어 보편화된 전동차의 유선형 전두부(이를테면 뱀눈이 같은 거)도 이 재료로 만들어진다.[3] 다만 가격의 문제로 슈퍼카, 우주왕복선, 항공기 처럼 아주 비싼 경우에만 사용된다. 예를 들어 람보르기니나 페라리에서 나오는 차종이나 두카티 등의 이륜차 기종 등. 이것 때문에 수많은 자덕들이 대륙봉으로 고생을 사서 하고 있으며, 헤어나올 수 없는 지름신의 개미지옥에 빠지는 불상사가 벌어진다.
주의할 점은 CFRP의 압축강도와 충격강도는 금속 재료에 비해 상대적으로 나쁘다는 것이다. 따라서 용도 불문하고 최강의 소재라는 식의 인식은 잘못된 것이다. 더불어 탄성계수가 높다는 것을 잘 휘어지는 것으로 해석하는 일반인들이 있는데, 고탄성계수라는 공돌이 용어를 일반인 표현으로 바꿀 경우 이는 잘 휘어지지 않는다는 소리가 된다.[4] 때문에 흔들리지 않아야 하는 고급 삼각대 용도로도 쓰인다. 자세한 내용은 응력 문서 참조.
자전거 제작에도 CFRP를 많이 이용한다. 가볍고 튼튼하기 때문. 허나 탄성계수가 높다보니 알루미늄이나 스틸보다 유연성이 없어 노면의 충격이 핸들바(손잡이)나 시트포스트(안장이 얹혀있는 봉)를 통해 그대로 전달된다는 나쁜 점이 있다. 때문에 이런 부분은 알루미늄 재질을 사용하거나, 탄소섬유의 모듈러스를 조절해 특정 방향으로는 유연성이 있도록 만들기도 한다.
일부에서는 초고장력 강도를 압도하는 물성인 듯 알려져 있지만 이는 순수한 섬유의 물성이지 성형된 CFRP의 물성은 아니다. 섬유 자체만으로는 내충격성이 없고 섬유 방향으로부터 수직 평면에서 충격을 받으면 섬유가 그냥 끊어져버리므로 밧줄이나 뽀대용 외장 재료 정도로밖에 쓸 수 없다. 이런 분야로는 나일론이나 케블라가 이미 쓰이고 있으므로 섬유만 쓰는 일은 거의 없다.
탄소섬유 자체의 재료비는 그리 비싼편이 아니다.[5] 하지만 복합소재, 특히 높은 섬유비율을 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 보이고는 있지만, 역시 자유로운 형상의 고강도 성형품은 여전히 사람 손에 전적으로 의지하고 있다.
그러나 아직 희망은 있다. 역시 탄소섬유 수요가 특히나 많은 자동차 업계에서 이것을 대량생산하고자 하는데, 일단 BMW에서 2015년 이전에 출시할 전기차 부품조달을 위해 1억달러 규모 공장을 건립할 예정이고, 토요타는 탄소섬유를 생산중인 도레이와 합작하여 약 1/5 수준으로 낮췄다고 한다.[6] 사실 CFRP를 이용하는데 있어 가장 큰 걸림돌은 원료의 비용보다도 공정과 품질관리 비용이다.
위에서 언급한 방식에 따라 생산된 탄소 필라멘트를, 실패에 감아 직조 공장으로 보내 시트 형태로 직조하여 CFRP 제조사에 공급한다.
직조 방식에 따라 평직과 능직, UD탄소로 나뉘어 지며 직조하는 필라멘트의 가닥수에 따라 1K, 3K, 12K 등의 등급이 나뉘어지며 여기서 K는 Kilo 즉 1000가닥을 뜻한다. K수가 높아질수록 탄소 시트지에 특유의 바둑판 모양 무늬가 더욱 크게 보인다. K수가 탄소섬유의 품질을 의미하는 것은 아니고 사용할 부위가 견뎌내야 할 힘의 특성에 따라 다양한 시트지를 사용하며 여러 등급의 탄소 시트지를 적층하여 완성하기도 한다. 직조 무늬가 나타나지 않는 UD(Unidirectional) 탄소 시트도 있다. UD는 한쪽 방향으로 견디는 힘은 가장 강한 대신 측면 강성은 대단히 약한 특징을 가진다.
탄소 시트지 자체는 천에 가까운 성질을 가지기 때문에 그대로 사용하는 경우는 많지 않고 보통 에폭시 등의 수지를 함침시켜 단단하게 만들어 사용한다. 시트지를 몰드에 뭍이고 수지를 주입하는 공정에서 가장 많은 손이 가며 탄소 제품의 가격의 대부분은 이 과정에서 투입되는 인건비가 차지한다. 탄소 제품을 갖고는 싶은데 돈이 없는 위키니트는 직접 탄소 원사와 에폭시 등을 구입해서 DIY하면 돈을 꽤 아낄 수 있다. 물론 만들어진 제품의 품질은 전적으로 본인 손재주에 달렸다. 강성이 요구되는 부품은 DIY해 쓰면 위험하니 자제하자.
간간이 카본 파이버 원단 자체가 강하다고 생각하는 사람들이 있다. 실질적 강도는 고압 고열 프레스로 성형시 생성된다. 유튜브의 카본 파이버 바디 제작사들을 보면 사이클 프레임 바디나 대량생산이 불가한 슈퍼카의 부품등을 알루미늄 틀에 열을 가하는 정도의 제작과 (레고처럼 부품은 다르되 사출 프레임 틀은 공용 고열 고압 프레스로 누르기는 한다. 직접 방식보다는 가해지는 열과 압력 떨어지지만) 대형 프레스로 압력과 열을 가하는 제작 (실질적인 카본 파이버의 물성을 재현하는 제작방식) 심지어 위에 서술한대로 결과 직조에 따른 강도를 위해 아예 3차원 직조기로 꽈배기 실뜨기처럼 강성과 부하 하중을 고려해서 입체적으로 직조하여 초고압 고압, 고열 가공으로 마무리하는 방식까지 발전했다.
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렉서스 LFA 부품 직조 과정 1
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렉서스 LFA 부품 직조 과정 2
렉서스 LFA의 부품 제작에 쓰이기도 했는데, 제작과정이 너무 힘들어서 로워암과 서스펜션부는 카본 제작을 포기하고 알루미늄 모재를 고압 압착하여 절삭가공으로 만들었다고 한다.
파가니에서는 카본파이버의 단점을 보완한 티탄카본을 선보였다고 하나 신뢰할만한 기술적인 자료를 구하기 어렵다.
DIY로 에폭시 함침만 하는 정도는 사실 카본룩 정도이기 때문에 드레스업 또는 세미 경량수준의 부품이 된다. 물론 그 덕분에 카본파이버 제작 공정 노하우에 따라 강성, 경도, 비틀림 다양한 변수의 품질이 나온다. 참고로 람보르기니에서 카본파이버 제작 노하우를 가지고 독립한 회사가 존다로 유명한 파가니 이다. 다시 한번 말하지만 제작방식과 노하우로 인해 과장을 좀 보태서 엄청나게 크게 품질과 물성 차이가 있기 때문에 DIY제작은 카본룩이나 드레스업으로 한다고 생각해야 한다.
실질적인 온라인 제작 업체도 합침 수준에서 카본파츠라고 팔고있다. 무게도 강철에 비해 가볍다고 광고한다. 물론 에폭시 합침만으로 만든 부위를 이용해 부품제작시 하중을 많이 받는 부위는 많은 고려를 해야할 것이다. 독일의 ZF도 카본 파이버 서스펜션을 공개후 양산소식은 2015년 기준 장장 5년째 깜깜 무소식이다.
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최근에는 탄소 섬유에 직접 함침을 하는 대신 공장에서 미리 수지에 함침시킨 프리프레그(prepreg: preimpregnated materials)형태를 사용하는 경우가 많다.
최근 탄소섬유 제품이 친환경적이지 못하다는 이유로 여러 국가에서 산업 자체를 퇴출시키려는 분위기이다. 그 이유는 탄소섬유 먼지가 인간의 폐에 치명적이기 때문. 본문의 렉서스 LFA 두번째 사진의 작업자를 보면 감이 잡힐 것이다. 이 문제는 BMW i3를 비롯한 풀카본 차체의 차량들이 그대로 안고 있는 문제점인데. 사고 시 탑승자를 무사히 꺼내기 위해선 탑승자를 대형 비닐 팩을 씌워 격리시키고, 그곳에 산소를 공급하는 골때리는 방법을 이용해가면서 꺼내야 한다는 결론을 내린 바 있다.[7] 인건비가 저렴해 노동 집약적 산업인 탄소 제작을 중국에서 해왔지만 그쪽은 산업화만 생각하다보니 환경규제도 덜 하는지라... 그래서인지 자전거 제조업체인 스페셜라이즈드에서는 탄소섬유 자전거를 제작하는 업체다운 책임을 가지고 폐기 대신 재활용을 선택한다고 한다. 이 탄소섬유는 폐기에 드는 비용보다 재활용하는 비용이 수 배는 높게 든다.
현재 대한민국에서는 전라북도가 적극적으로 탄소섬유 사업을 주도하고 있다. 2016년 5월 29일 <탄소소재 융복합 기술개발 및 기반 조성 지원에 관한 법률(탄소소재법)>이 제정(2016년 11월 30일 시행)되어, 국내 탄소섬유 사업의 기반이 마련되었으며 전라북도에서는 효성(주)(현 효성첨단소재(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 서로간 합의를 보았지만, 정부 예산을 둘러싼 경쟁은 앞으로도 계속될 것으로 보인다. 다만, 문재인 정부가 전라북도의 탄소산업 육성에 긍정적인 상황이라 귀추가 주목된다.
↑ 탄소섬유와 사람의 머리카락의 굵기 비교. 검고 가는 쪽이 탄소섬유다.
탄소 원자로 이루어진 섬유.
1. 개요
탄소섬유(炭素纖維, Carbon Fiber)는 수많은 탄소 원자가 결정 구조를 이루어 길게 늘어선 분자 사슬로 이루어진 섬유이다.
섬유의 직경이 10마이크로미터 내외로 극히 가늘지만 인장강도와 강성도가 높으며, 고온과 화학물질에 대한 내성이 우수하고, 열팽창이 적다. 때문에 항공기, 자동차, 각종 스포츠 등에 널리 사용되는 재료다. 특히 에폭시 등의 수지와 혼합하여 중합체(플라스틱)으로 만든 탄소섬유 강화 중합체(CFRP)의 형태로 많이 이용된다.
2. 만드는 법
공업적으로는 대개 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN)이라는 탄소-질소 화합물을 가열해서 만든다.
PAN을 섭씨 300도로 가열하면 시안기가 서로 결합하며 고리 형태를 이루게 된다(아크릴 섬유 형태).
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이것을 비활성 기체 안에 넣고 섭씨 700도로 더 가열하면 고리의 탄소 원자에 붙어있던 수소가 날아가며, 방향족 피리딘 그룹으로 이루어진 고리가 형성된다(소위 "탄화" 과정). 이것을 탄소 필라멘트라 부르며 탄소섬유의 기본 단위이다.
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허나 필라멘트는 가닥이 하나하나 떨어져 있고 너무나 가늘기 때문에, 섭씨 400~600도 정도로 서서히 가열해서 탄소 필라멘트가(수소를 잃어버리면서) 서로 결합을 하도록 만든다. 이렇게 탄소 필라멘트들이 서로 결합하도록 하여 탄소섬유를 만든다.
참고로 탄소섬유는 항상 비활성 기체 안에서 가열하는데, 탄소섬유 제작 공정을 셋업하는 데 많은 비용이 드는 주된 이유가 바로 불활성 기체/무산소 제조 설비를 갖춰야 하기 때문이다. 산소가 들어가면 연소, 즉 타서 이산화탄소가 되어버린다. 탄소 섬유를 만드는 방법을 간단히 설명하자면 가는 플라스틱 섬유를 만들고, 산소를 차단한 상태에서 고열을 가해 탄소만 남기는 것이다.
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필요에 따라 더 고온에서 가열해서 보다 넓은 탄소섬유, 소위 탄소 리본을 만들 수도 있다.
PAN 말고 석유화학공업 부산물인 피치나 합성섬유인 레이온을 이용해 만드는 법도 있지만 오늘날 거의 모든 탄소섬유는 PAN으로 만든다. PAN으로 만든 탄소섬유가 가장 품질과 인장강도가 좋기 때문이다.
3. 제조사
2015년까지는 탄소섬유 대부분을 아시아에서 생산하였으나 북미, 유럽 제조사들이 생산량을 크게 늘리며 생산지가 다변화 되었다. 과거에는 미츠비시 레이온(三菱レイヨン), 토호 테낵스(東邦 Tenax), 도레이(브랜드명은 토레이카 TorayCa) 등 일본 제조사와 졸텍(Zoltek), 헥셀(Hexcel), 사이텍(Cytec) 등 미국 제조사가 시장을 지배하는 구조였으나 유럽에서 탄소섬유 수요가 늘어나면서 유럽 제조사들이 새롭게 등장하였다.
2015년 이후에는 탄소섬유에 관심을 보인 BMW, 폭스바겐 그룹의 지원 하에 유럽 제조사가 크게 성장하여 불과 2~3년 만에 독일의 SGL Carbon이 세계에서 2번째로 큰 탄소섬유 제조사가 되었다. 일본 도레이가 미국의 졸텍을 인수하여 세계 최대 제조사가 되었으며 벨기에의 화학 회사인 솔베이가 미국의 사이텍을 인수하였다. 중국 정부의 보조금을 업은 중국 제조사들도 약진했다.
우리나라 기업 중에는 효성첨단소재(주)가 전주공장에서 생산하고 있다. 2019년말 생산능력은 년 2천톤 규모이며 2020년 3월에 생산라인 증설이 완공되어 생산능력이 년 4천톤으로 확대 되었다.
간혹 탄소섬유를 CFRP와 혼동하는 이들이 있는데, CFRP는 탄소섬유로 짠 직물을 이용해 만든 복합재료로서 FRP의 한 종류다. 탄소섬유는 문자 그대로 섬유고, CFRP는 이름대로 플라스틱이다. 탄소섬유의 가장 주된 용도가 CFRP 제조이기 때문에 동의어처럼 사용되는 경우가 많은 것이다. 그러나 탄소섬유는 CFRP 외에도 직물로서 보호복을 만들기도 하고, 초소형 전극이나 유연한 열전도체를 만드는 용도로도 사용되므로 탄소섬유=CFRP로 인식하는 것은 잘못되었다.
탄소섬유 자체와 달리 CFRP는 만들기가 그다지 힘들지 않으며 대규모의 생산설비가 필요하지 않다(대개 수작업이다). 극도로 단순하게 말하자면, 위에 나온 탄소섬유 제조사로부터 탄소섬유를 사다가 합성수지에 담가 굳혀서 플라스틱을 만들면 된다.
그러나 CFRP의 제작에 중요한 것은 축적된 노하우와 숙련된 일손이기 때문에, 어찌 보면 탄소섬유 자체보다 만들기가 더 까다롭다고 할 수도 있다. 특히 항공기나 자전거 등에 사용되는 고품질 CFRP를 만들려면 다양한 모듈루스를 가진 섬유의 배합 및 섬유 배열 방향 등을 잘 조절해야 하는데, 이런 것은 메뉴얼이 따로 있는 것이 아니라 오랜 연구와 경험으로 알아내는 것이기 때문이다.
다시 말하자면 CFRP를 '''만드는 '''것은 누구나 할 수 있지만 '''좋은 '''CFRP를 만드는 것은 아무나 할 수 있는 게 아니다.
4. CFRP
'''C'''arbon '''F'''iber '''R'''einforced '''P'''olymer 혹은 '''P'''lastic의 약어.
탄소섬유, 또는 탄소섬유로 만든 직물과 합성수지를 혼합해 만든 중합체(플라스틱)인 복합재료(composite)다.
폴리머(플라스틱) 매트릭스 안에 탄소섬유가 일정한 공정에 따라 침투된 상태로, 탄소섬유는 높은 인장 강도와 강성을 제공하고, 폴리머 매트릭스는 섬유를 감싸서 구조 재료로서의 형태를 유지하는 동시에 내충격성을 부여한다.
엄연히 탄소섬유와 CFRP는 서로 다른 재료지만, 일상적으로 "카본", "카본파이버", "탄소섬유"라 지칭하는 재료는 십중팔구 CFRP이므로 이 문서에서 그냥 함께 다룬다.[1]
CFRP는 금속보다 가벼우면서도 금속에 비해 인장강도와 탄성계수가 뛰어나다. 이러한 CFRP는 섬유부피비 60%선에서 1.5~1.6 g/cm3정도로 대단히 경량[2]이면서 인장강도와 탄성계수는 특수강을 압도하는 성능을 자랑한다. 철은 밀도가 7.8 g/cm3를 넘겨버리므로 비강도 측면에서 계산하면 CFRP가 넘사벽을 자랑한다. 그래서 자동차, 자전거 등 경량과 강성을 요구하는 탈것에 많이 쓰인다. 잘 알려지지는 않았지만 최근들어 보편화된 전동차의 유선형 전두부(이를테면 뱀눈이 같은 거)도 이 재료로 만들어진다.[3] 다만 가격의 문제로 슈퍼카, 우주왕복선, 항공기 처럼 아주 비싼 경우에만 사용된다. 예를 들어 람보르기니나 페라리에서 나오는 차종이나 두카티 등의 이륜차 기종 등. 이것 때문에 수많은 자덕들이 대륙봉으로 고생을 사서 하고 있으며, 헤어나올 수 없는 지름신의 개미지옥에 빠지는 불상사가 벌어진다.
주의할 점은 CFRP의 압축강도와 충격강도는 금속 재료에 비해 상대적으로 나쁘다는 것이다. 따라서 용도 불문하고 최강의 소재라는 식의 인식은 잘못된 것이다. 더불어 탄성계수가 높다는 것을 잘 휘어지는 것으로 해석하는 일반인들이 있는데, 고탄성계수라는 공돌이 용어를 일반인 표현으로 바꿀 경우 이는 잘 휘어지지 않는다는 소리가 된다.[4] 때문에 흔들리지 않아야 하는 고급 삼각대 용도로도 쓰인다. 자세한 내용은 응력 문서 참조.
자전거 제작에도 CFRP를 많이 이용한다. 가볍고 튼튼하기 때문. 허나 탄성계수가 높다보니 알루미늄이나 스틸보다 유연성이 없어 노면의 충격이 핸들바(손잡이)나 시트포스트(안장이 얹혀있는 봉)를 통해 그대로 전달된다는 나쁜 점이 있다. 때문에 이런 부분은 알루미늄 재질을 사용하거나, 탄소섬유의 모듈러스를 조절해 특정 방향으로는 유연성이 있도록 만들기도 한다.
일부에서는 초고장력 강도를 압도하는 물성인 듯 알려져 있지만 이는 순수한 섬유의 물성이지 성형된 CFRP의 물성은 아니다. 섬유 자체만으로는 내충격성이 없고 섬유 방향으로부터 수직 평면에서 충격을 받으면 섬유가 그냥 끊어져버리므로 밧줄이나 뽀대용 외장 재료 정도로밖에 쓸 수 없다. 이런 분야로는 나일론이나 케블라가 이미 쓰이고 있으므로 섬유만 쓰는 일은 거의 없다.
탄소섬유 자체의 재료비는 그리 비싼편이 아니다.[5] 하지만 복합소재, 특히 높은 섬유비율을 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 보이고는 있지만, 역시 자유로운 형상의 고강도 성형품은 여전히 사람 손에 전적으로 의지하고 있다.
그러나 아직 희망은 있다. 역시 탄소섬유 수요가 특히나 많은 자동차 업계에서 이것을 대량생산하고자 하는데, 일단 BMW에서 2015년 이전에 출시할 전기차 부품조달을 위해 1억달러 규모 공장을 건립할 예정이고, 토요타는 탄소섬유를 생산중인 도레이와 합작하여 약 1/5 수준으로 낮췄다고 한다.[6] 사실 CFRP를 이용하는데 있어 가장 큰 걸림돌은 원료의 비용보다도 공정과 품질관리 비용이다.
5. CFRP의 제조 과정
위에서 언급한 방식에 따라 생산된 탄소 필라멘트를, 실패에 감아 직조 공장으로 보내 시트 형태로 직조하여 CFRP 제조사에 공급한다.
직조 방식에 따라 평직과 능직, UD탄소로 나뉘어 지며 직조하는 필라멘트의 가닥수에 따라 1K, 3K, 12K 등의 등급이 나뉘어지며 여기서 K는 Kilo 즉 1000가닥을 뜻한다. K수가 높아질수록 탄소 시트지에 특유의 바둑판 모양 무늬가 더욱 크게 보인다. K수가 탄소섬유의 품질을 의미하는 것은 아니고 사용할 부위가 견뎌내야 할 힘의 특성에 따라 다양한 시트지를 사용하며 여러 등급의 탄소 시트지를 적층하여 완성하기도 한다. 직조 무늬가 나타나지 않는 UD(Unidirectional) 탄소 시트도 있다. UD는 한쪽 방향으로 견디는 힘은 가장 강한 대신 측면 강성은 대단히 약한 특징을 가진다.
탄소 시트지 자체는 천에 가까운 성질을 가지기 때문에 그대로 사용하는 경우는 많지 않고 보통 에폭시 등의 수지를 함침시켜 단단하게 만들어 사용한다. 시트지를 몰드에 뭍이고 수지를 주입하는 공정에서 가장 많은 손이 가며 탄소 제품의 가격의 대부분은 이 과정에서 투입되는 인건비가 차지한다. 탄소 제품을 갖고는 싶은데 돈이 없는 위키니트는 직접 탄소 원사와 에폭시 등을 구입해서 DIY하면 돈을 꽤 아낄 수 있다. 물론 만들어진 제품의 품질은 전적으로 본인 손재주에 달렸다. 강성이 요구되는 부품은 DIY해 쓰면 위험하니 자제하자.
간간이 카본 파이버 원단 자체가 강하다고 생각하는 사람들이 있다. 실질적 강도는 고압 고열 프레스로 성형시 생성된다. 유튜브의 카본 파이버 바디 제작사들을 보면 사이클 프레임 바디나 대량생산이 불가한 슈퍼카의 부품등을 알루미늄 틀에 열을 가하는 정도의 제작과 (레고처럼 부품은 다르되 사출 프레임 틀은 공용 고열 고압 프레스로 누르기는 한다. 직접 방식보다는 가해지는 열과 압력 떨어지지만) 대형 프레스로 압력과 열을 가하는 제작 (실질적인 카본 파이버의 물성을 재현하는 제작방식) 심지어 위에 서술한대로 결과 직조에 따른 강도를 위해 아예 3차원 직조기로 꽈배기 실뜨기처럼 강성과 부하 하중을 고려해서 입체적으로 직조하여 초고압 고압, 고열 가공으로 마무리하는 방식까지 발전했다.
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렉서스 LFA 부품 직조 과정 1
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렉서스 LFA 부품 직조 과정 2
렉서스 LFA의 부품 제작에 쓰이기도 했는데, 제작과정이 너무 힘들어서 로워암과 서스펜션부는 카본 제작을 포기하고 알루미늄 모재를 고압 압착하여 절삭가공으로 만들었다고 한다.
파가니에서는 카본파이버의 단점을 보완한 티탄카본을 선보였다고 하나 신뢰할만한 기술적인 자료를 구하기 어렵다.
DIY로 에폭시 함침만 하는 정도는 사실 카본룩 정도이기 때문에 드레스업 또는 세미 경량수준의 부품이 된다. 물론 그 덕분에 카본파이버 제작 공정 노하우에 따라 강성, 경도, 비틀림 다양한 변수의 품질이 나온다. 참고로 람보르기니에서 카본파이버 제작 노하우를 가지고 독립한 회사가 존다로 유명한 파가니 이다. 다시 한번 말하지만 제작방식과 노하우로 인해 과장을 좀 보태서 엄청나게 크게 품질과 물성 차이가 있기 때문에 DIY제작은 카본룩이나 드레스업으로 한다고 생각해야 한다.
실질적인 온라인 제작 업체도 합침 수준에서 카본파츠라고 팔고있다. 무게도 강철에 비해 가볍다고 광고한다. 물론 에폭시 합침만으로 만든 부위를 이용해 부품제작시 하중을 많이 받는 부위는 많은 고려를 해야할 것이다. 독일의 ZF도 카본 파이버 서스펜션을 공개후 양산소식은 2015년 기준 장장 5년째 깜깜 무소식이다.
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최근에는 탄소 섬유에 직접 함침을 하는 대신 공장에서 미리 수지에 함침시킨 프리프레그(prepreg: preimpregnated materials)형태를 사용하는 경우가 많다.
최근 탄소섬유 제품이 친환경적이지 못하다는 이유로 여러 국가에서 산업 자체를 퇴출시키려는 분위기이다. 그 이유는 탄소섬유 먼지가 인간의 폐에 치명적이기 때문. 본문의 렉서스 LFA 두번째 사진의 작업자를 보면 감이 잡힐 것이다. 이 문제는 BMW i3를 비롯한 풀카본 차체의 차량들이 그대로 안고 있는 문제점인데. 사고 시 탑승자를 무사히 꺼내기 위해선 탑승자를 대형 비닐 팩을 씌워 격리시키고, 그곳에 산소를 공급하는 골때리는 방법을 이용해가면서 꺼내야 한다는 결론을 내린 바 있다.[7] 인건비가 저렴해 노동 집약적 산업인 탄소 제작을 중국에서 해왔지만 그쪽은 산업화만 생각하다보니 환경규제도 덜 하는지라... 그래서인지 자전거 제조업체인 스페셜라이즈드에서는 탄소섬유 자전거를 제작하는 업체다운 책임을 가지고 폐기 대신 재활용을 선택한다고 한다. 이 탄소섬유는 폐기에 드는 비용보다 재활용하는 비용이 수 배는 높게 든다.
현재 대한민국에서는 전라북도가 적극적으로 탄소섬유 사업을 주도하고 있다. 2016년 5월 29일 <탄소소재 융복합 기술개발 및 기반 조성 지원에 관한 법률(탄소소재법)>이 제정(2016년 11월 30일 시행)되어, 국내 탄소섬유 사업의 기반이 마련되었으며 전라북도에서는 효성(주)(현 효성첨단소재(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 서로간 합의를 보았지만, 정부 예산을 둘러싼 경쟁은 앞으로도 계속될 것으로 보인다. 다만, 문재인 정부가 전라북도의 탄소산업 육성에 긍정적인 상황이라 귀추가 주목된다.
[1] 비근한 재료인 파이버글래스를 유리섬유라 부르는 경우가 없음을 생각해보면 이는 좀 이상한 일이다.[2] 금속 중 가볍다는 알루미늄이 2.7 g/cm3며, 통상의 플라스틱이 1 g/cm3정도다.[3] 잘 알려지지 않은 사실인데, 스마트폰 터치펜 제품군 중 일부는 펜촉 재질이 탄소섬유인 경우도 있다. 재질이 재질인 만큼 손톱 크기의 교체용 펜촉 한 개 가격이 어마어마한데, 그 가격으로 스마트폰 케이스를 사도 돈이 남는 수준이다(...)[4] 탄성력의 크기 F=kx (단, k는 탄성계수, x는 늘어난 거리)에서 k값이 커지는 것이므로, 휘기위해 많은 힘이 필요한 것이다.[5] 물론 어디까지나 탄소섬유 제품을 구입하는 소비자 기준. kg당 20달러정도 한다.[6] 출처[7] BMW와 독일 소방청이 i3가 충돌사고로 파손되었을 시를 가정한 가상 훈련을 실행한 바 있었는데. 이때 파손된 i3에 접근하기 위해 소방관들은 전부 산소호흡기를 끼고 접근해야 했다고 한다.