탄소섬유복합소재의 다양한 활용

국내 기술로 제작한  ‘누리호’에 사용된 탄소섬유복합소재 

자동차, 전기, 항공 등 여러 산업에서 활용

[위즈덤 아고라 / 김현동 기자] 우리나라 자체적인 기술로 제작한 누리호가 많은 관심을 받게 되면서 이에 사용된 소재인 탄소섬유복합소재에도 주목을 받고 있다.

복합소재란 두 개 이상의 물질들이 결합되어 더 나은 성질을 가지는 소재로 강화재와 모재로 구성되어있다. 강화재는 하중을 견디는 역할을 하고, 모재는 강화 섬유를 서로 결합시켜 주는 접착 재료로 강화 섬유의 강도를 증가시킨다. 강화재의 대표적으로 사용되는 물질들은 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유, 보론 섬유 그리고 세라믹 섬유가 있다. 모재는 수지 모재, 섬유강화금속 모재, 섬유강화세라믹 모재 그리고 탄소-탄소 복합재료가 있다.

누리호의 페어링과 동체를 제작하는 데 사용된 복합소재는 탄소섬유와수지 모재의 에폭시 수지를 조합한 탄소섬유복합소재이다. 탄소섬유는 90% 이상이 탄소 원자로 구성되어있고 육각고리결정 형태로 이루어진 5에서 10 마이크로미터 굵기를 가진 가는 섬유이다. 

탄소 섬유의 장점은 낮은 밀도와 열팽창률, 그리고 물체가 잡아당기는 힘에 견딜 수 있는 높은 인장강도를 지니고 있다. 무엇보다 탄소 섬유는 매우 가벼워서 항공 산업에서 경량화가 중요한 발사체를 만들기 위해 필요한 소재이다. 에폭시 모재는 뛰어난 접착력, 강도, 습기 및 화학적 저항성이 높아 이 역시 항공기 기체에 많이 쓰인다.

탄소섬유의 가장 큰 장점이 가볍다는 것이기 때문에 자동차, 선박 등을 포함한 이동수단, 풍력 발전기의 블레이드의 주요 소재로 사용할 수 있다. 환경규제로 인해 대부분 자동차 회사에서 차량 경량화에 힘을 쏟고 있다. 자동차의 경량화는 1500kg 자동차의 무게를 기준으로 10% 줄일 경우 연비 3.8% 향상, 제동거리 5% 증가, 가속 성능 8% 향상, 차량 수명 1.7배 증가, 그리고 배기가스 배출량을 2.5%에서 8.8%까지 감소할 수 있다. 탄소복합섬유소재는 매우 가벼우면서 강도도 세기 때문에 자동차에 사용하기에 최적화된 소재이고 지구 온난화를 해결하는데도 도움이 된다. 풍력 발전기 역시 블레이드가 가벼워지면서 더 많은 회전을 할 수 있어 결과적으로 더 많은 전기를 생산할 수 있다.  

매우 강한 인장강도는 수소저장탱크에 쓰일 수 있다. 기존에는 알루미늄이나 강철 등을  사용했지만 이제 탄소섬유강화플라스틱으로 대체하는 추세이다. 탄소섬유는 철보다 4배 가벼우면서, 10배 더 강도가 높고 높은 압력에도 잘 버틸 수 있기 때문에 수소저장탱크 터지는 것을 방지하는데 크게 일조할 수 있다. 

인장 강도와 경량화에 더해 잘 녹슬지 않는 탁월한 내부식성으로 건물의 내외벽, 보강재 등 시설물 제작에도 쓰인다.