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첨단소재 탄소섬유란 무엇인가(1)4차산업 시대의 중추 소재 탄소섬유 재료에 대한 고찰
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승인 2019.11.18  
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김해곤 회장

 

김해곤 前 충남방적㈜ 부사장, 기술연구소장
청운대학교 패션섬유공학과 교수
한국섬유기술사회 회장
現 한국시니어과학기술인협회 상임감사
아세아아프리카섬유컨설팅 대표
한국섬유패션협동조합 이사장

초록
오늘날 과학기술은 그 국가의 경쟁력을 좌우하는 기초가 된다고 할 수 있으며 최고가 아니면 살아남기 어려운 산업사회를 지탱하고 있는 과학기술의 각 분야에서는 꾸준한 연구 노력과 첨단기술이 필수적이다. 이를 위해 새로운 기술창조와 기술개발이 절실히 요구된다. 이와 같은 환경에서 각광을 받고 있으며 필요불가결한 신소재의 하나는 탄소섬유 재료이다. 즉 이 섬유를 강화재로 하는 고강도ㆍ고탄성의 경량 구조재로 주목을 받고 있는 첨단 복합 재료이다. 이 탄소 섬유(CF)를 강화재로 하는 플라스틱계 복합재를 일반적으로 CFRP라 한다. CFRP는 경량 구조용 재료로서 뛰어난 특성을 갖고 있으며, 비강도(比强度)는 철강의 6배, GFRP의 2배, 비탄성률(比彈性率)은 철강의 3배, GFRP의 4배로 되어 있다. 또 정적(靜的) 강도뿐만 아니라 뛰어난 피로특성(疲勞特性)을 갖고 있으며, 내마찰(耐摩擦)ㆍ마모성이 뛰어나다. 한편, 기능적으로 열팽창 계수가 작기 때문에 치수 안정성이 뛰어나고, 전기 전도성, 내식성, 진동 감쇠성(振動減衰性), X선 투과성 등이 뛰어난 성능을 갖고 있다. 따라서 탄소섬유는 자동차용 내외장재, 건축용보강재 스포츠레저분야, 우주항공, 의료분야 등 첨단미래산업에 이르기까지 철이 사용되는 모든 산업에 대체 적용될 수 있는 ‘꿈의 신소재’이다, 또한 미래산업의 ‘쌀’이라고도 한다.

 

1. 들어가며
1-1. 탄소섬유란?

탄소섬유의 정의는 ISO(국제표준화기구)에 의하면 ‘유기 섬유를 고온가열 처리(소성)하여 얻어지는 탄소함유율이 90% 이상의 섬유’라고 규정하고 있다. 유기 섬유에는 탄소 원자 외에 수소 산소 질소 원자 등이 함유되어 있는데 이것을 고온가열 처리(소성)하여 거의 탄소 원자만이 남은 섬유 상태를 탄소섬유라고 한다.

탄소섬유의 제품형태를 <그림 1>에서 보인 바와 같이 지름이 5~15㎛으로서 머리카락의 약 1/10의 굵기의 단섬유가 수천본~수만본의 다발이 보빈(bobbine)에 권취되어 있다.

   
 


1-2. 탄소섬유의 특징,
탄소섬유의 제일의 특징은 가벼우면서 강하고, 단단하다는 것이다.

또한 탄소섬유는 섬유상태 그데로는 사용할 수 없고 수지(resine)등에 매립하여 복합재료화하여 조재료로써,사용된다. 구조재료로써 가장 중요한 특성은 강도나 탄성율 등의 역학적 특성이다,  따라서 단위중량당  강도나 탄성율로 써 비강도나 비탄성율이 척도로 사용되고 있다.

 

2. 탄소섬유의 종류
탄소섬유는 원료나 제조방법에 따라서 특성이 다른 탄소섬유가 생성된다.

크게 나누어 PAN계 탄소섬유와 PITCH계 탄소섬유와 RAYON 계 탄소섬유가 있으며. 세계 탄소섬유의 90%를 PAN계 탄소섬유가 점유하고 있으며 Pitch계가 10% 정도를 점유하고 있다.

A; PAN계 탄소섬유

 PAN계 탄소섬유는 PAN(Poly Acrylo Nitrile)을 원료로 하는 탄소섬유이다, PAN계에는 Reguler Tow type 과 Large Tow Type 으로 나누는데 Reguler Tow type 은 섬유속을 구성하는 단섬유의 본수가 1,000본~24,000본의 단섬유로 구성된 비교적 가는 섬유 다발의 탄소섬유이며 높은 역학적 특성을 가진 우수한 고성능 등급으로 분류된다.

Large Tow Type 은 섬유속이 40,000본 이상의 단섬유로 구성된 비교적 큰 다발(섬유속)의 탄소섬유로서 Reguler Tow type 에 비교하면 역학적 특성 및 우수성 등이 떨어지는 범용성등급으로 분류된다.

B; Pitch 계 탄소섬유

 Pitch 계 탄소섬유는 원료 Pitch의 특성에 따라서 이방향성(메소패이스) Type 과 등방향성 Type 으로 분류하고 있다.

등방향성 Type은 석유나 석탄에서 나오는 Pitch를 그대로 원료로 사용하여 제조하며 흑연구조의 성장이 낮고 등방향성 고른 미세구조를 하고 있으며 낮은 성능의 등급으로 구분되고 있다.

메소패이스(이방향성) Type은 Pitch를 열처리하여 얻어지는 Pitch의 분자가 한(같은)방향으로 배열된 메소패미세구조를 하고있기 때문에 역학적 특성 등이 높아 고성능 등급으로 분류하고 있다.

>>다음호에 계속…

 

 

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