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갑옷과 깃털의 양면성, 탄소를 기반으로 하는 소재

2012.06.04






인류의 발전과 함께해 온 대표적인 소재 중 하나가 바로 화석 연료인 탄소이다. 18C 산업 혁명을 주도적으로 이끌어 온 탄소의 공로가 21세기에 들어서면서 그린 혁명이라는 이름 하에 지구 환경을 오염시키는 대표적인 물질로 퇴물 취급 받고 있다. 탄소 배출량(CO2 Emission)에 따라 제품과 서비스의 친환경도가 평가 받고 있으니 말이다. 그러나 소재 정보를 제공하는 입장에서 소재 분야를 살펴보면 탄소를 기반으로 하는 소재(Carbon-based, 탄소소재)의 비약적이고 혁신적인 발전은 미운 오리 새끼의 변신 이야기에 버금갈 정도로 놀랍다. 1만년 전 인류의 유적에서 목탄의 흔적이 발견된 이후, 인류의 생활과 발전을 같이 해온 탄소 소재이지만 진정한 가치를 발휘하지 못하고 있었다면 최근 나노 기술의 발전으로 융복합 소재의 한 분야로 탄소를 기반으로 하는 소재 기술은 엄청난 발전과 가능성을 품고 진화하고 있다.




탄소소재는 금속, 화학, 세라믹 등 일반적인 소재 분류에 포함되기에는 일반적이지 않은 특성을 가지고 있다. 그래서 탄소를 기반으로 하는 소재는 따로 분류하여 그 발전 정도를 지켜보게 된다. 탄소소재는 금속, 화학, 세라믹과 같은 정통 소재의 특성을 복합적으로 가지고 있다. 금속을 대표하는 철의 5분의 1도 되지 않는 무게에 비해 높은 강도와 탄성력을 가지고, 화학적 내성에 강하면서도 전기가 잘 통하며 성형이 가능하다던 지 하는 것들이다. 탄소가 응용되는 대표적인 소재는 탄소섬유(Carbon Fiber)와 같이 탄소에서 추출한 원사를 이용하여 직조하는 방식으로 생산되는 것, 탄소섬유강화플라스틱(CFRP, Carbon Fiber Reinforced Plastic)과 같이 소재의 강화를 목적으로 만드는 것과 우리에게 익숙한 숯과 흑연처럼 연료용으로 사용하거나 탄화시켜 만드는 것과 같은 형태로 응용되고 있다.


다음의 6가지 소재는 탄소를 기반으로 하여 개발된 소재를 설명한 것이며, 앞으로 소재의 융복합화로 인해 지속적으로 발전할 탄소소재의 발전은 21C를 이끌 핵심적인 소재 산업으로 예측되고 있다. 최근 우리나라도 몇 천억 규모로 탄소소재 개발 관련 분야를 지원하고 있어 앞으로 소재 분야에 있어서도 권리를 선점할 수 있기를 기대해 본다.







위 소재는 아플리케 시트로 사용되는 얇게 직조된 탄소 섬유 라미네이트이다. 탄소 섬유 케블러(Kevlar), 고인성 폴리에스테르 및 유리 섬유를 포함한 고성능 섬유가 투명하고 단단한 폴리머 필름으로 라미네이트되었다. 직조할 때 사용되는 섬유의 종류에 따라 다양한 컬러가 구현된다. 실버 색상을 내기 위해 알루미늄 처리를 할 수도 있으며, 폴리에스테르 섬유로 파란색과 빨간색 구현이 가능하다. 현재 용도로는 장식용 라미네이트, 건축용 패널, 캐비닛 인서트 및 신호등이다. 주방용 조리대 또는 주거용 바닥 마감재로도 사용할 수 있다.









한 방향으로 신축성이 있는 보강용 직물이다. 복합재료성분으로 처리된 카본, 유리, 아라미드 섬유로 만들어진다. 한쪽 방향으로 정렬된 특징으로 인해 이 섬유는 높은 강성률을 갖게 된다. 이 섬유는 경량 (50 - 600 g/sq m) 이며 다양한 (합성)수지와 호환 가능하다. 일반적인 가공 방법으로 습식 라미네이션, 몰딩, RTM, 프리프래그(Prepreg, 유리섬유에 열경화성 수지를 침투시켜 반 경화상태로 만드는 것)등이 있다. 고속 모터보트,항공기의 경량성 구조물에 적용 가능하다.









다양하게 사용되는 탄소섬유 및 유리섬유관 (70% 섬유, 30% 수지). 섬유는 프리프래그 또는 로빙(Roving, 실이 되기 일보직전의 굵고 부드러운 끈 모양의 중간 제품)으로 처리된다. 이러한 탄소섬유 및 유리섬유관의 장점은 가볍지만 강도와 탄성률이 좋으며, 높은 화학저항성과 낮은 열팽창, 뛰어난 절연성 등이다. 다양한 표면(검정이나 직조형식, 다양한 마감)처리
가 가능하다. 자동차산업, 기계공학, 항공, 운동용품, 필기구, 측량, 텐트와 견본(trade fair)구조물에 사용된다.



 
글 / 김선아(Material ConneXion Daegu, 디렉터)


 
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