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첨단소재 탄소섬유란 무엇인가(2)4차산업 시대의 중추 소재 탄소섬유 재료에 대한 고찰
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승인 2019.11.25  
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김해곤 회장

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

Rayon계 탄소섬유는 최초에 개발되기는 했지만 성능 및 Cost 면에서 불리하여 현재는 사용되지 않고 있다.(아래 표1, 그림2.)기타의 탄소섬유 유사품종은 표2와 같다.

   
 

용어설명;
PAN(Poly Acrylo Nitril) : monomer인 Acrylo Nitrile을 중합하여 얻어지는 Polymer.
Pitch: 흑색의 점탄성이 있는 수지, 석유정제 Pitch나 석탄잔류Tar. 
Mesophase: 액체로서 유동성을 가짐과 동시에 결정과 똑같은 광학적이방성을 갖는 물질의 한 상태
Rayon: Pulp 등의 Cellulose 등을 원료로 하는 섬유

 

3. 탄소섬유 개발의 역사 및 공업화 과정은 아래 표3 과 같다
1879년 10월 미국의 토머스 에디슨이 탄소 필라멘트를 이용하여 40시간 이상 꺼지지 않고 빛을 발하는 전구를 만들어냈으며, 이는 에디슨과 영국의 스완에 의하여 실용화되었다. 탄소섬유의 시초라고 할 수 있다.

   

 

 

4. 탄소섬유의 제조공정과 화학적구조의 변화

PAN계 탄소섬유의 제조공정은
(1). 모노마(Monoma)인 Acrylo Nitril (AN)을 중합 제사하여 Poly Acrylo Nitril N)섬유를 연속적으로 만드는 공정과
(2). PAN 섬유를 anti-burning 과 탄화를 하여 탄소섬유를 연속적으로 만드는 소성공정(燒成工程)으로 구분할 수 있다.
(1)의 중합공정에서는 용매에 AN을 용해하여 중합촉매제등을 첨가 가열 처리하여 고분자량의 PAN을 만든다.
제사 공정에서는 위의 PAN을 다수의 fine hole을 갖은 steel nozzle을 통하여 토출시킨 다음 섬유상태로 연신 등의 처리공정을 거쳐 PAN 섬유를 생산한다.
(2)의 소성공정에서는 먼저 PAN섬유를 내염화로(耐炎火爐) 속을 연속적으로 통과시키면서 200℃~300℃에서 가열산화처리를 시행한다. 즉 고온도에서도 용해되지 않는 내염화섬유로 변환시킨다. (내염화공정)

   
 

이 내염화섬유를 탄화로 내에 연속적으로 통과시키면서 불활성분위기 (질소분위기)에서 1000℃~2000℃로 가열처리하여 탄소섬유로 변환시킨다. (탄화공정)  각공정에 있어서의 화학구조변화는 아래그림 3, 4 와 같으며내염화공정에서는 환상(chain state)의 구조가 되며 탄화공정에서 섬유중의 질소원자나 수소원자가 gas화 되어서 분리되어나가고 거의 탄소원자만 남은 섬유가 된다.

일반적인 탄소섬유보다 탄성율이 높은 고탄성율탄소섬유(흑연화섬유)를 생산할 경우는 탄화처리후에 불활성분위기에서 2000℃~3000℃에서 고온열처리를 행한다.

이 열처리에 의하여 질소원자나 수소원자가 완전히 없어지고 흑연결정이 성장한다.

또한 탄소섬유나 흑연화섬유를 복합재료로서 사용하는데 있어서 수지와의 접착력을 높이기 위한 표면처리나 handling을 좋게 하기 위하여 sizing 제를 부착처리하기도 한다.

 

5. 탄소섬유의 이용현황과 전망
탄소섬유의 이용현황과 전망을 표4 및 그림5에 표시한다.

   
 

 

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