frp 유리섬유와 탄소 카본섬유의 차이점

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탄소섬유

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탄소섬유 - 해시넷

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주변에서 쉽게 볼 수 있는 플라스틱은 대부분 강철에 비해 강도가 약해 쉽게 깨지지만, 탄소섬유를 더하면 상황이 달라진다. 강철보다 강하고 상당히 가벼운 물질이 탄생한다. 바로 탄소섬유강화 플라스틱(CFRP)이다.

탄소섬유는 탄소 원자가 규칙적으로 길게 결정을 이뤄서 섬유의 형태를 띠고 있는 물질로, 섬유의 지름은 약 10㎛(마이크로미터, 100만분의 1미터) 수준의 가는 물질이다.

탄소 섬유는 섬유의 수직 방향의 충격에는 약하지만, 잡아당기는 힘에 대해 버티는 '인장강도'가 좋다. 또 열팽창이 적고, 열과 화학약품 내성을 가지는 등 좋은 물성을 가지고 있다.

CFRP는 플라스틱 안에 탄소 섬유가 일정하게 섞여 있는 구조지만, 플라스틱과 탄소섬유의 장점을 극대화하는 시너지 효과가 일어난다.

현대 고층 건물은 철근콘크리트를 이용해 지어진다. 콘크리트는 인장강도가 약한 것이 단점인데, 철근이 이를 보완해준다.

CFRP도 마찬가지로 플라스틱에 부족한 인장강도를 탄소섬유가 보강해준다. 또 플라스틱은 탄소섬유에 대한 충격 보호 효과를 낸다.

플라스틱과 탄소섬유의 시너지 효과로 CFRP는 강철보다 가벼우면서 강한 성질을 가지게 돼, 가볍지만, 튼튼한 부품이 필요한 수많은 분야에 활용된다.

대표적인 것이 무게는 곧 비용으로 연결되는 항공우주분야다. 1980년대 이후 민간에서 응용이 활발히 시작된 이후, CFRP는 자전거, 자동차, 풍력발전기 날개(블레이드) 등으로 활용처가 넓어지고 있다.

특히 자동차의 경량화는 연비와 연결되고, 궁극적으로는 탄소 발생 감축과도 연관되어있다. 가벼울수록 연료 소모가 줄어들어 같은 거리를 이동해도 탄소를 덜 발생 시킬 수 있는 것이다.

국내 연구소 중에는 한국과학기술연구원(KIST)의 복합소재기술연구소가 활발히 관련 연구를 진행하고 있다. 복합소재는 CFRP나 철근콘크리트와 같이 여러 소재의 장점을 살릴 수 있도록 고안된 혼합 소재를 말한다.

연구소에서는 Δ탄소섬유 Δ탄소나노튜브 섬유 ΔCFRP Δ붕소나노튜브(BNNT) 등의 소재 연구와 함께, 복합소재 활용 분야 확대 및 재활용 기술 연구도 이뤄지고 있다. #. 섬유의 종류 =탄소섬유, 아라미드계열, 스판덱스,  )

탄소섬유 왜 뜰까?…우리가 몰랐던 ‘탄소섬유’

기사승인 2019-08-28 01:00:00

세계적으로 4차산업혁명의 바람이 부는 21세기, 세계 선진국을 중심으로 탄소섬유 개발에 속도가 붙고 있다. 탄소섬유는 가벼우면서도 강철처럼 강한 소재로 강철을 대체해 산업 소재의 패러다임을 바꿀 꿈의 소재로 불리고 있다. 특히 국내에서는 효성을 중심으로 개발되고 있으며 한국의 미래 경제를 이끌어갈 핵심 신성장동력으로 꼽히고 있다. 4차산업혁명의 물결을 타고 미래 먹거리로 급부상하고 있는 탄소섬유의 이모저모를 Q&A 형식으로 알아본다.

◇탄소섬유란?

탄소섬유는 원사(실) 안에 탄소가 92% 이상 함유된 섬유다. 철에 비해 무게는 1/4에 불과하지만 10배의 강도, 7배의 탄성을 갖고 있다. 또한 내부식성, 전도성, 내열성이 높아 철이 사용되는 모든 제품과 산업에 적용이 가능해 ‘꿈의 신소재’라고 불린다.

특히 강한 소재는 무겁다는 상식을 깨며, 가벼우면서도 더 강한 탄소 소재로 산업 소재의 패러다임을 어디까지 바꿀 수 있을지 단언하기 어렵다는 게 산업계의 평가다.

현재 탄소섬유는 자동차와 건축 등 산업분야에서부터 우주항공 등 첨단 미래 산업, 스포츠·레저 등 소비재 분야에 이르기까지 철이 사용되는 모든 제품과 산업에 사용되고 있다.

게다가 원료인 탄소는 석유에서 비교적 쉽게 구할 수 있는 소재이지만, 탄소섬유를 활용한 제품은 수백배의 부가가치 효과가 있다. 이러한 점 때문에 전·후방 산업효과가 뛰어나, 경제 활성화 및 일자리 창출 효과가 뛰어나다는 점에서 신소재로 주목받고 있다.

◇탄소섬유의 종류와 생산과정은?

탄소섬유는 탄성률에 따라 표준탄성(SM), 중탄성(IM), 고탄성(HM), 초고탄성(UHM)으로 구분된다. 다른 분류로는 사용처에 따라 범용, 중성능, 고성능으로 구분되기도 한다. 제조 방법에 따라서는 크게 PAN(팬)계와 PITCH(피치)계로 나눠진다.

먼저 PAN계는 아크릴나이트릴(Acrylonitrile)을 중합(아크릴로니트릴(AN : acrylonitrile)에 열과 압력을 가해 고분자 상태로 만드는 과정)한 후 방사(중합과정을 통해 만들어진 고분자 중합체(PAN : Poly-Acrylonitrile)를 아크릴 섬유로 만드는 과정)해 얻은 PAN(Poly-Acrylonitrile) 섬유를 고온에서 탄화해 제조한 것이다. PITCH계는 석유, 석탄 공정에서 증류하고 남은 잔류물(Pitch)을 방사한 후 고온에서 탄화해 제조한 것이다.

2012년 기준 전 세계 탄소섬유 시장에서 PAN계 96.2%, Pitch계 3.8%의 시장점유율을 차지하고 있다. 효성은 지난 2011년 국내 최초 개발에 성공한 이후 2013년부터 PAN계 탄소섬유를 생산하고 있다.

◇탄소섬유는 어디에 쓰일까?

탄소섬유는 100% 복합재료로 사용된다. 적용분야와 최종재의 특성에 따라 다양한 가공법이 적용되고 있다. 예컨대 탄소섬유강화복합재료는 탄소섬유를 강화 섬유로 사용한 복합재료다. 탄소섬유와의 복합적으로 사용되는 소재에 따라 탄소섬유강화 플라스틱, 탄소섬유강화금속, 탄소복합재료 등으로 표현된다.

기타 용도로는 인체 생체 적합성이 우수해 인공 뼈, 및 장기 등에 탄소섬유를 적용하는 연구 중이다. 무게가 가볍고, 마모와 부식에 강하다는 장점이 있어 의족으로도 사용되고 있다.

◇탄소섬유와 수소경제의 연관성은?

탄소섬유는 현 정부가 추진하고 있는 수소경제 시대의 핵심소재가 될 전망이다. 정부는 지난 1월 수소경제 활성화 로드맵을 발표했다. 탄소섬유는 가벼우면서도 일반 공기보다 수백배의 고압에 견뎌야 하는 수소연료탱크 핵심소재로서 수소 에너지의 안전한 저장, 수송, 이용에 필수적이다.

미래 친환경 에너지 자동차인 수소차는 지난해 약 1800대 수준에서 2022년까지 약 8만1000대, 2040년에 약 620만대로 확대될 예정이다. 이러한 수소경제의 활성화에 따라 국내 탄소섬유 시장의 급성장도 예상되는 상황이다.

◇탄소섬유가 가져올 변화는?

전 지구적으로 지구온난화 등으로 환경 규제가 강화되면서 친환경적인 소재의 수요가 증가 추세에 있다. 이러한 측면에서 가볍고 강도가 높은 탄소섬유는 항공기 동체, 자동차 차체 등에 적용돼 경량화에 따른 연비 개선 효과와 CO2 배출 감소 효과가 큰 친환경 소재다.

탄소섬유가 항공기 및 자동차 등에 적용되면, 기기 자체의 무게를 크게 줄일 수 있어 연비 향상 및 배기가스 감축 등으로 친환경적 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

경제적 파급 효과도 기대된다. 현재 탄소섬유는 쓰임새가 다양해지고 있으며, 기술 개발 여지도 많이 남아 있다. 최근까지 탄소섬유의 수요는 우주 항공 분야가 가장 많지만, 점차적으로 자동차 분야로 바뀌고 있다. 2021년에는 자동차 분야가 최대 수요처가 될 것으로 전망된다. 이에 따라 세계 자동차 생산국 6위인 한국으로서는 탄소섬유의 시너지 효과를 극대화할 수 있을 전망이다.

일상 및 레저소재로써 활용도 기대된다. 가볍고 열에 강하다는 성질을 활용해 소화기에 적용할 경우, 노약자도 가볍게 사용할 수도 있다. 이외에도 서핑보드, 스노우보드, 골프 샤프트 등 스포츠 레저용품으로 활용돼, 일상생활에서 쉽게 접할 수 있는 소재로 주목받고 있다.

이와 함께 산업현장과 일상의 안전성 확대도 기대된다. 탄소섬유는 내열성, 내충격성, 내화학성을 갖추고 있어 산업분야의 안전성을 높일 수 있다. CNG 탱크, 소방관의 산소통, 건축 보강재 등에 쓰이며, 자동차용 소재로도 사용돼 강성과 내충격성을 높일 수 있다. 고강도 및 고탄성율 특성으로 엘리베이터 케이블 등 산업용 케이블 및 로프로도 활용할 수도 있다.

◇탄소섬유 시장의 현황과 전망은?

먼저 올해 국내 탄소섬유 시장은 글로벌 시장의 약 4% 규모에 불과하다. 다만 앞으로 수소경제 등에 힘입어 향후 5년간 17%에 달하는 높은 성장률을 기록할 전망이다. 현재 세계 탄소섬유 시장은 일본기업이 전체 글로벌 시장의 60%를 차지하고 있으며, 우리나라는 미국, 중국, 일본 등에 이어 세계 7위 소비국이다.

탄소섬유 산업의 고용 효과는 국내에서 탄소섬유를 유일하게 개발 및 상업화에 성공한 효성을 통해 엿볼 수 있다. 현재 효성은 탄소섬유 사업의 연구개발, 제품 생산, 인력양성 등을 포괄하는 인프라 형성으로 현재 약 400명을 고용 창출했으며, 2028년까지 약 2300명의 고용효과가 기대된다.

건축에서도 구조보강에 사용이 많이 됩니다. 특유의 높은 인장력으로 높은 인장력이 필요한 슬래브 보강이나 보 보강할때 많이 사용됩니다. 다만 탄소섬유 자체는 화재에 대한 대응력이 강하지만 탄소섬유를 콘크리트 구조체 혹은 가공하여 자동차에 붙을 수 있도록하는 레진과 프라이머가 화재에 취약하여 내화뿜칠이나 퍼라이트 뿜칠등으로 내화구조를 생성해주게 됩니다. 또한 레진과 프라이머 아크릴계 수지이며 탄소섬유시트지까지 장시간 자외선에 노출될시 인장강도 약화등 문제가 발생합니다. 그리고 같은 두께 철에 대비해서 인장강도가 높으나 가장 인장력이 높은 탄소섬유시트지는 a4 용지 한장 두께에 불과하므로 기본적으로 0.6t-1t정도의 철판보다 인장력이 떨어질 수 밖에 없습니다. 카본사는 300도에서 1500도 고열에 실을 뽑아 냅니다. 그리고 원단을 만들때 수지(에폭시)와 함께 배합하여 카본원단이 만들어지죠 지금 불을 붙힌 카본섬유는 전혀 수지가 들어가지 않은 탄소섬유입니다. 탄소섬유도 고열1500도 이상이면 아마 타버릴 수도 있다.

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GW COMPOS, 상반기 중국 국방산업 탄소섬유 매출 36% 증가작성자 한국화학섬유협회 20-07-10 18:22 조회814회

화섬정보 7. 10

7월 8일 GW COMPOS의 예상실적 공시에 따르면, 금년 상반기 순이익은 3.4-3.7억원으로 전년동기대비 10%이상 증가할 것으로 예상됨. 동사의 상반기 매출액은 전년동기대비 20% 증가했으며, 그중 국방산업용 탄소섬유는 36%, 풍력발전 산업용은 4% 증가함.

동사는 범용성 탄소섬유(T300) 176톤, 중성능 탄소섬유(T700) 276톤, 고성능 탄소섬유(T800, M40J) 125톤의 연간 생산능력을 보유하고 있으며, 현재 T1100과 M65J급의 연구개발을 진행하고 있음. 중국의 3, 4세대 전투기인 Chengdu J-10과 J-20에는 탄소섬유 복합재의 함유량이 각각 6%, 27%로, 향후 약 절반가량의 2세대 전투기를 신형으로 교체하면서 탄소섬유의 국방수요는 더욱 증가할 것으로 보임.

한편, 동사는 작년부터 탄소섬유의 자국화와 경쟁력 강화를 위해 VESTAS와 총 3기에 걸쳐 총 연간 1만톤의 탄소섬유 공장 증설에 돌입했으며, '21년 6월까지 제1기 투자로 연간 2,000톤의 공장이 완공될 예정임. H

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