탄소 섬유(Carbon Fiber) 완전 정복: 특성, 용도, 3D 프린팅 응용

탄소 섬유(Carbon Fiber), 일명 흑연 섬유(Graphite Fiber) 또는 카본 그래파이트(Carbon Graphite)는 여러 분야에서 확실한 인기 소재가 되었습니다. 그만한 이유가 있습니다. 서론에서 다 밝히지 않겠습니다. 이 소재가 무엇인지, 유형은 어떤지, 무엇에 쓰이는지 알아보세요.

탄소 섬유란?

탄소 섬유는 직조된 섬유로 만든 패브릭 매트(Fabric Mat)이며 복합재(Composite)와 섬유 강화 플라스틱(Fiber-Reinforced Plastic) 모두로 분류됩니다. 90%는 폴리아크릴로니트릴(PAN, 탄소 전구체)이고 10%는 피치(Pitch)나 셀룰로오스(Cellulose) 같은 다른 전구체입니다. 이 소재는 탄화(Carbonization), 산화(Oxidation), 흑연화(Graphitization) 공정으로 만듭니다. 먼저 원하는 모양으로 자르고 레진을 함침시킨 뒤 앞서 언급한 방법 중 하나로 가공합니다. 경화되면 인상적인 강도-중량 비율을 가진 가볍고 엄청나게 강한 소재가 됩니다.

이 섬유의 높은 내열성이 1860년 조셉 윌슨 스완(Sir Joseph Wilson Swan) 경이 백열 전구 필라멘트로 사용하게 했습니다. 당시 탄소 섬유 필라멘트는 지금만큼 강하지 않아 텅스텐이 등장하자 전구 필라멘트 분야를 거의 장악했습니다. 50년 넘게 탄소 섬유는 거의 쓰이지 않다가 1960년대에 더 강한 버전이 나와 롤스로이스(Rolls-Royce)가 제트 엔진에 채택했습니다. 다만 취성 때문에 용도가 제한적이었습니다. 이후 탄소 섬유 생산이 훨씬 효과적이 되었고, 오늘날 탄소 섬유는 인장 강도 약 4,000MPa, 높은 탄성 계수 400GPa로 전구뿐만 아니라 수많은 용도에 유용합니다.

크립(Creep), 피로(Fatigue), 화학물질, 부식에 강하고 불연성, 무독성입니다. 적절한 처리로 전기 전도성도 부여할 수 있습니다.

이 소재는 악명 높게 비쌉니다. 강철보다 가볍고 강하지만 높은 비용 때문에 제조업체들은 절대 필요하지 않으면 사용을 꺼립니다(마치 특별한 날을 위해 아껴두는 비싼 향수처럼). 하지만 이제 탄소 섬유 가격이 내려가고 사용처는 늘고 있습니다! 탄소 섬유가 하이엔드 작업만 기다리던 시대는 지났습니다. 이제 공구와 고정구, 스프링과 와이어, 타이어 보강재 등으로 만들어집니다.

탄소 섬유의 다른 용어

탄소 섬유는 흑연 섬유(Graphite Fiber) 또는 카본 그래파이트(Carbon Graphite)라고도 불립니다. 복합재(Composite)나 섬유 강화 플라스틱(Fiber-Reinforced Plastic)이라는 포괄 용어로 불리기도 합니다. '복합재'는 매트릭스(Matrix)와 보강재(Reinforcement)가 있는 소재를 설명합니다. 탄소 섬유의 경우 섬유가 보강재이고 레진이 매트릭스입니다. 섬유 강화 플라스틱은 유리 섬유와 아라미드 복합재뿐 아니라 탄소 섬유도 설명하는 데 쓰입니다.

탄소 섬유 발명 시기

탄소 섬유는 1860년 조셉 윌슨 스완 경이 백열 전구용으로 처음 만들었습니다. 이 섬유들이 매우 높은 내열성을 가졌기 때문입니다. 하지만 당시 탄소 섬유 필라멘트는 그리 강하지 않았습니다. 텅스텐이 전구에 쓰이기 시작하자 탄소 섬유는 50년 넘게 용도가 없었습니다. 그러다 1960년대에 롤스로이스가 제트 엔진용으로 더 강한 탄소 섬유를 생산할 수 있게 되었습니다. 하지만 취성 특성 때문에 오랫동안 용도가 제한적이었습니다. 이후 탄소 섬유 생산이 훨씬 효과적이 되었고, 오늘날 탄소 섬유는 4,000MPa 범위의 인장 강도와 400GPa 탄성 계수로 훨씬 더 많은 응용 분야에 쓰입니다.

탄소 섬유 구성

탄소 전구체인 폴리아크릴로니트릴의 산화, 탄화, 흑연화가 탄소 섬유 소재의 90%를 차지합니다. 나머지 10% 전구체는 피치나 셀룰로오스입니다.

탄소 섬유의 비기계적 특성

1. 전기 전도성
2. 내식성
3. 불연성
4. 무독성

탄소 섬유의 기계적 특성

1. 경량
2. 고강도
3. 크립 저항성
4. 피로 저항성
5. 높은 탄성 계수
6. 취성

섬유가 다른 섬유 위아래로 교차하는 횟수를 크림프(Crimp)라 하며, 일반적으로 크림프가 높을수록 안정성이 높습니다. 하지만 높은 크림프의 탄소 섬유는 드레이프성(Drapability, 복잡한 형상 성형성)이 낮아 유연하지 않습니다.

탄소 섬유는 얼마나 강한가?

탄소 섬유는 표준(Standard), 중급(Intermediate), 고강도(High), 초고강도(Ultra-High Modulus) 등급으로 분류되며 인장 강도 3.55GPa부터 시작합니다.

탄소 섬유는 무거운가?

아니요, 탄소 섬유는 무겁지 않습니다. 탄소 섬유는 매우 가벼운데 이는 가장 원하는 두 가지 특성 중 하나이며(다른 하나는 강도)입니다. 탄소 섬유 무게는 cm²당 섬유 수와 결합 레진에 따라 달라집니다. 예: 레진 없는 평직 트윌 탄소 섬유는 210g/m², 두께 0.28mm입니다. 비교: 강철은 0.5mm 두께로 4kg/m²입니다.

탄소 섬유의 화학적 특성

1. 내화학성
2. 무독성
3. 불연성

탄소 섬유의 첨단 응용 분야

높은 가격 때문에 현재 탄소 섬유는 고성능 응용 분야에만 쓰이며, 그중 몇 가지를 소개합니다.

1. 항공우주 산업

낮은 중량 덕분에 항공기 동체, 꼬리날개, 노즈콘, 로터 블레이드에 적합합니다. 이 부품들을 이 소재로 만들면 항공기 중량을 최대 20% 줄여 수백만 달러의 연료비를 절감합니다.

2. 스포츠 용품

더 가볍고 강하고 빠른 테니스 라켓, 스키, 스노보드, 자전거, 골프 클럽 제작에 쓰입니다. 탄소 섬유 스포츠 용품은 훨씬 비쌉니다.

3. 의료 기기

X선 장치와 임플란트는 주로 방사선 투과성(Radiolucent, X선이 쉽게 통과)이라 탄소 섬유로 만듭니다. 내마모성이 있고 인간 뼈와 비슷한 강성을 가집니다. 일부 임플란트에 쓰이는 금속과 달리 탄소 섬유는 취성으로 부서질 수 있습니다.

4. 에너지 저장 시스템

탄소 섬유 배터리 저장 시스템 계획이 진행 중으로, 전기차 중량을 크게 줄일 수 있습니다.

5. 토목 공학

중량보다 강도가 중요한 교량과 콘크리트 구조물에서 탄소 섬유 인기가 높아지고 있습니다. 강철보다 최대 10배 강해 선호되지만, 훨씬 비쌉니다.

6. 해양 기술

탄소 섬유 가격이 하락하면서 요트와 소형 보트에서 유리 섬유 대용으로 쓰이기 시작했습니다.

7. 군사 및 방위 기술

드론, 헬기, 제트기, 수송기 모두 이 소재로 만들 수 있습니다. 헬멧 설계가 수년간 복잡해지며 무거워졌는데, 탄소 섬유가 해결책입니다(다만 손상 탐지 어려움 문제는 남습니다).

단점 하나: '육안으로 거의 보이지 않는 충격 손상(Barely Visible Impact Damage, BVID)'. 이 소재 손상을 육안으로 발견하기 어려워 결함 검사에 광범위한 훈련과 시험이 필요합니다. 이 요인은 위 산업 대부분, 특히 항공우주, 에너지, 해양, 군수에 영향을 미칩니다.

탄소 섬유를 3D 프린팅과 함께 활용하는 방법은?

탄소 섬유는 3D 프린팅과 호환됩니다. 연속 섬유 층으로 사용하거나 FDM(용융 적층 모델링) 프린터 필라멘트 내 단절 섬유(Chopped Strands) 형태로 프린팅할 수 있습니다. 연속 섬유로 프린팅하려면 프린터에 프린트 헤드가 두 개 필요합니다: 하나는 플라스틱 필라멘트용, 하나는 탄소 섬유용. 필라멘트 내 잘게 썬 섬유를 내장하는 방식을 선택하면 파산하지 않고 출력 부품의 강도와 강성을 개선할 수 있습니다. 이 소재를 3D 프린팅에 쓰면 일반적인 PLA, ABS보다 훨씬 강한 부품을 만들 수 있어 구조적 용도로 사용 가능합니다. 탄소 섬유로 만든 부품은 알루미늄과 강도를 비교할 수 있습니다.

항공우주 산업은 3D 프린팅 탄소 섬유 부품을 일부 활용 중입니다. 안전 규정상 새로운 기술이나 소재는 항공우주용으로 쓰기 전 광범위한 테스트와 자격 인증이 필요하지만, 현재 브래킷과 특수 툴링 등에서 3D 프린팅 탄소 섬유 부품을 찾는 건 드문 일이 아닙니다. 기업들은 엄청난 리드 타임도 줄일 수 있습니다.

탄소 섬유 자주 묻는 질문

항공우주 산업에서 3D 프린팅으로 탄소 섬유를 어떻게 다양한 부품 제작에 활용하나요?

현재 항공우주 산업의 탄소 섬유 3D 프린팅은 제한적입니다. 새 소재와 공정은 항공우주용으로 쓰기 전 광범위한 자격 인증이 필요합니다. 하지만 많은 항공우주 기업이 3D 프린팅 탄소 섬유 부품을 브래킷과 특수 툴링에 사용합니다. 3D 프린팅으로 긴 리드 타임이 필요한 소량 생산 부품을 만듭니다. 많은 수리 및 유지보수 작업에 특수 툴링이 필요한데 비용과 리드 타임이 큽니다. 3D 프린팅 탄소 섬유로 리드 타임과 비용이 대폭 단축되고 있습니다.

자세한 내용은 항공우주 3D 프린팅 전체 가이드를 참조하세요.

다른 3D 프린팅 소재 대비 탄소 섬유의 장점은?

탄소 섬유 출력 부품의 장점은 다른 3D 프린팅 소재 대비 강도 증가입니다. 대부분 3D 프린팅 부품은 상대적으로 약한 PLA나 ABS로 만들어 구조적 용도로 쓸 수 없습니다. 하지만 3D 프린팅 탄소 섬유 소재로 만들면 강도가 알루미늄과 비교 가능합니다. 이는 3D 프린팅 부품 용도를 크게 넓힙니다.

탄소 섬유가 강철보다 강한가?

네, 강도-중량 비율 비교 시 탄소 섬유가 강철보다 강합니다. 강철과 탄소 섬유 모두 탄성 계수 200GPa지만 강철은 탄소 섬유보다 5배 무겁습니다. 이 높은 강도-중량 비율이 많은 응용에서 탄소 섬유를 우대하게 만듭니다.

탄소 섬유가 알루미늄보다 강한가?

네, 탄소 섬유는 알루미늄보다 훨씬 강합니다. 알루미늄은 최대 570MPa지만 초고강도 탄소 섬유는 5.5GPa를 초과하는 인장 강도에 도달합니다.

탄소 섬유와 탄소 섬유 3D 필라멘트의 차이는?

전통적 탄소 섬유와 3D 프린팅 탄소 섬유 모두 강도를 더하고 가볍지만 적용 방식이 매우 다릅니다. 전통적으로 탄소 섬유는 레진을 도포하고 경화시킨 직조 섬유 매트입니다. 전통적 탄소 섬유는 주로 대형 패널과 튜브 섹션으로 만들지만 브래킷도 가능합니다. 3D 프린팅 탄소 섬유는 마이크로 스트랜드로 잘게 썰어 필라멘트에 첨가해 보통 복잡한 형상의 부품으로 프린팅하거나, 3D 프린팅 부품의 개별 층에 단일 연속 가닥으로 프린팅합니다.

캣 드 나오움(Kat de Naoum)

캣 드 나오움은 영국 출신 작가, 저자, 편집자, 콘텐츠 전문가로 20년 이상의 집필 경력을 가졌습니다. 다양한 제조 및 기술 조직을 위해 집필했으며 엔지니어링 세계를 사랑합니다. 집필 외에도 거의 10년간 패러리걸로 일했으며, 그중 7년은 선박 금융 분야였습니다. 다수의 인쇄물과 온라인 출판물에 기고했습니다. 킹스턴 대학교에서 영문학 및 철학 학사, 창작학 석사를 취득했습니다.

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