플라스틱보다 물리적 특성 월등…고온서도 잘 견뎌 / 항공·자동차·풍력에너지 등 다양한 분야 활용 가능

일반적으로 차량 무게가 1% 가벼워지면 연비가 1%씩 향상되는 것으로 알려져 있다. 그런데 자동차는 사양의 고급화와 온실가스 배출규제 등으로 차체의 중량이 크게 증가하고 있다. 철강을 대체할 수 있는 가볍고 우수한 기계적 강도를 지닌 탄소 복합재료가 각광을 받을 수밖에 없는 이유이다.

항공분야에서도 마찬가지다. 항공기의 무게를 줄이면 연비가 향상되고, 탑승인원이 그만큼 증가하게 된다. 또 골프채, 낚싯대, 자전거 등 레저산업은 물론 핸드폰과 OLED TV, 노트북 하우징재로도 탄소 복합재료가 널리 사용된다.

탄소섬유 복합재료는 철보다 강도가 10배 우수하고, 밀도는 1/5 수준으로 가벼우며, 고온에서의 열적 안정성과 내피로성, 내열성, 내부식성, 내화학성 등이 우수하여 우주/항공, 풍력에너지 및 국방용 소재로 각광받고 있다.

△복합재료는

복합재료는 성질이 서로 다른 두 가지 이상의 물질이 거시적으로 혼합되어 보다 유용한 기능성을 발현하는 재료를 말한다. 자연에서는 짚으로 기초를 만들고 점성이 좋은 진흙으로 공간을 채워 만든 제비집이나, 볏짚에 진흙을 섞어서 만든 황토벽 등을 예로 들 수 있다. 또 이불에 풀을 먹여서 빳빳하게 만드는 것도 복합재료의 일종이다.

△기지재의 종류

탄소섬유복합재료의 기지재(Matrix)로는 고분자 물질이 많이 사용된다. 크게 열경화성(Thermalset)과 열가소성(Thermalplastic)으로 나눌 수 있다. 열경화성 수지로는 에폭시 수지, 우레탄 수지 등이 있으며, 주제와 경화제가 혼합되어 경화라는 반응이 일어난다. 반면 열가소성은 나일론 열가소성 폴리에스터, 폴리아세탈 등으로 열경화성 물질과 다르게 단독으로 사용된다.

열경화성과 열가소성의 가장 큰 차이는 경화(가교) 반응의 유무라고 할 수 있다. 열가소성 수지는 열을 가하면 녹아 흐르는 현상(melting)이 일어나지만, 열경화성 수지는 열을 가해도 녹는 현상은 일어나지 않고 고온에서 탄화현상이 발생한다.

또 열경화성 수지는 열에 강하고 내화학성 및 물리적 특성이 우수한 반면에 재활용이 어렵고 생산시간(경화시간)이 필요하다. 열가소성 수지는 녹여서 재활용 할 수 있지만, 열에 약하고 내화학성이 취약하다. 따라서 복합재료의 용도에 따라 사용하는 고분자 물질을 다르게 해야 한다.

△고압 RTM

탄소섬유 복합체 제조에 주로 사용되는 에폭시 수지는 물성 및 내화학성, 특히 열에 강한 내산성이 우수하지만 경화 반응을 하기 위한 추가 시간이 필요하기 때문에 대량 생산에 걸림돌이 되어 왔다. 최근에는 이를 획기적으로 줄일 수 있는 방법인 고압-RTM(Resin Transfer Molding) 성형법이 사용되고 있다. 높은 압력으로 주제 및 경화제를 균일하게 섞어 혼합 시간을 단축하고 경화반응 시간을 줄일 수 있어 생산 단가와 공정비를 획기적으로 줄일 수 있다.

이러한 제품은 공정뿐만 아니라 고분자 물질과 함께 개발 되어야 효과가 있는데, 최근에서 경화시간을 단축시키면서도 기존 제품에 비해 고온에도 견딜 수 있고 화재 때 불에 타거나 번지지 않는 난연성의 고기능성을 부여하였다. 이는 자동차 산업에서 대량 생산뿐만 아니라 전기 전자 분야 등 다양한 분야에 적용될 것으로 예상된다.

△전자제품 활용

최근 전자 제품 트렌드는 모빌리티(이동성)다. 성능은 올라가면서 디자인은 더욱 미려해야 하고, 무게는 가벼워야 한다.

특히 TV, 모니터, 핸드폰, 태블릿 PC 등 디스플레이 분야의 경우, 다양한 기능을 부여하기 위해 많은 부품들이 들어가지만 제품의 무게는 감소하는 경향이 심화되고 있다.

따라서 기존에 사용하고 있는 부품을 가볍고 얇게 만들어야 하는데 그중 주목받고 있는 재료가 탄소섬유복합체이다. 탄소섬유복합체는 철과 비교할 때 무게 및 비중은 낮아도 높은 강도를 가지며, 기존 플라스틱 물질과 비교하면 월등히 좋은 물리적 특성을 가지고 있어 더욱 얇게 적용할 수 있다.

△OLED TV와 울트라 경량 노트북

최근 LG전자에서 발매한 유기발광다이오드(OLED) TV의 경우, 탄소섬유복합체를 적용해 4.3mm의 초슬림 두께와 17kg(55인치 기준)의 경량 디자인을 구현했다. 곡면형 OLED TV에서 탄소섬유복합체의 채택은 더욱 강하고 가벼운 장점을 극대화하는 계기가 되었다.

레노버는 라스베가스에서 열린 CES 2014에서 탄소섬유복합체를 적용하여 세계에서 가장 가벼운 노트북을 공개했다. 화면의 크기는 14인치인데 무게는 1.27kg에 불과한 울트라북 ‘X1 카본’이 그것이다.

현재 출시되고 있는 OLED TV 뒷면 커버에는 프리프레그(Prepreg : 에폭시수지를 탄소섬유에 미리 함침시킨 시트형태의 중간제품)가 사용되고 있다. 그러나 프리프레그를 적층하여 만드는 공법은 성형시간이 많이 소요된다. 기존 휴대전화 및 모니터 하우징도 일반 RTM 공법으로 제품이 생산되고 있으나, 가사 시간 및 경화 시간이 오래 걸려 생산단가가 높고 대량생산에 한계가 있다. 따라서 일부 업체들은 앞에서 언급한 고압-RTM 공법을 이용한 제품 개발을 진행하고 있다.

△앞으로의 과제

전자재료분야에 탄소섬유복합체를 적용하기 위해 에폭시 수지가 가져야 하는 특징은 난연성이다. 난연성은 또 다른 말로 자기소화성이라고 한다. 불이 붙었을 때 몇 초안에 꺼지느냐에 따라 등급을 나눈다.

예전에는 할로겐계열 난연이 일반적으로 많이 사용되었으나, 이는 화재 때 유독 가스가 발생하기 때문에 사용이 점진적으로 제한되고 있으며, 할로겐 함량이 없는 난연이 필수적으로 요구되고 있다. 또한 에폭시 합성 때 에피클로린하이드린이란 화학물질을 사용하여 에폭시화를 하기 때문에 클로린이란 물질이 잔존하게 되는데 이 또한 함량을 제한받기 때문에 클로린이 함유되어 있는 부가 물질을 제거하는 기술이 반드시 필요하다.

이렇게 해결해야 할 문제점이 많음에도 불구하고 탄소섬유복합체는 경량화라는 장점으로 인해 전자제품 부품용으로 사용이 증가하고 있는 추세다. 또 국내 전자제품의 부흥으로 인해 휴대전화 케이스, 테블릿 PC 등 타 제품으로 적용이 확대될 것으로 예상된다.

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