탄소섬유의 이용및 응용

목차

1.탄소섬유의 개요

2.탄소 섬유의 종류 및 제조 공정

3.탄소 섬유의 성질 및 특성

4.복 합 재 료

5.우주항공분야에 응용

6.탄소 섬유의 시장

본문내용

은 고강성도 섬유를 선택하여, 성능을 더욱 향상시킨 제 2세대 탄소섬유 복합재료라 할 수 있다. <그림 7>은 종래의 F-18C/D 전투기에 제1세대 탄소섬유 복합재료의 대표격인 AS4/3501-6 탄소/에폭시 재료가 전체 중량의 10%를 찾이한 반면, 제2세대 탄소섬유 복합재료라 할 수 있는 IM7/977-3 탄소/에폭시 복합재료가 F-18E/F 개량형 기종에 전체 중량의 22%나 쓰인 예이다.
이와 같은 응용분야의 확대로 미국의 경우, 항공용으로만 소요되는 복합재료의 시장규모는 1992년에 15억불 정도이었으며 2000년에는 약 35억불에 이를 것으로 추산된다. 우리 나라의 경우, 탄소섬유 복합재료와 같은 고급 복합재료는 1980년대에 낚시대나 테니스 라켓, 골프 샤프트와 같은 스포츠 용품으로 다량 쓰이기 시작하였고, 항공기 구조 제조회사들이 80년대 말부터 항공기용 복합재료 부품을 제조하기 시작하여, 현재에는 본격적으로 항공우주용 복합재료 구조물의 생산준비에 와 있다고 볼 수 있다.
< 그림 7 > 탄소/에폭시 복합재료가 전체 중량의 22%나 쓰인 F-18E/F 개량형 기종
(4) 우주 왕복선과 발사체 복합재료 구조물
고성능 복합재료가 개발되어 가장 효과적으로 응용된 구조물이 바로 미국의 우주 왕복선 구조물이다. 하중을 주로 담당하는 주 구조물의 경우, 복합재료를 이용함으로써 알루미늄으로 설계된 초기 구조보다 무게면에서 1633kg이나 줄일 수 있었다. 탄소/에폭시 박판과 하니컴 심재로 구성된 샌드위치 구조와 보론섬유 강화 복합재료 프레임, 연료 및 호흡용으로 용기로 이용되는 30여개의 산소 및 수소 케블라/에폭시 극저온 이중벽 압력 탱크, 내열용 탄소/탄소 복합재료가 기능별로 적절하게 응용됨으로써 우주를 왕복할 수 있는 셔틀 구조물이 개발될 수 있었다.
< 그림 8 >의 화물 탑재칸 문(cargo bay door)은 줄무늬 부분은 탄소/에폭시 면재와 노맥스 하니컴 심재가 적용된 샌드위치 구조재와 프레임이 결합된 세미 모노코우크 구조로 한개의 길이가 18.3m나 된다. 탄소섬유 복합재료가 이용된 가장 주된 이유는 탄소/에폭시 복합재료의 비중이 1.5정도로 가볍고 적층판의 열팽창 계수가 거의 제로에 가깝게 설계/제작되어 태양빛이 비대칭으로 비출 때 뒤틀림을 방지할 수 있었기 때문이다.
<그림 8> 탄소/에폭시, 보론/알루미늄, 탄소/탄소 복합재료가 주 구조재로 이용된
우주 왕복선 구조 형상
탄소/탄소 복합재료는 고온에 강한 탄소 기지재료와 탄소섬유로 구성된 특수 내열 복합재료로 세라믹 재료보다 경량이며 대기권 재돌입 과정에서의 온도인 1482℃에서도 버틸 수 있는 내열성과 내마모성 면에서 매우 우수하여, 우주왕복선의 노우즈 캡 (nose cap)과 날개의 압전(leading edge)에 이용되어 우주왕복선의 성공적인 재돌입을 가능하게 하였다.
현재의 우주왕복선에 이어 NASA가 개발하고 있는 소형 재사용 고공 발사 우주 왕복선 X-34에는 복합재료가 훨씬 더 많이 쓰여서 전체 구조물 중량의 80%이상이 탄소/에폭시 구조가 이용되었다. < 그림 9 >는 X-34 구조물의 형상으로 동체 및 날개 구조물의 대부분이 탄소/에폭시 구조로 이루어져 있다.
로켓이나 미사일의 구조에도 경량의 고강성도/강도 복합재료가 매우 효과적으로 사용되어 성능 개선에 커다란 효과를 내고 있다. 발사체 구조물의 형상은 주로 축대칭 구조로 필라멘트와인딩 공법을 이용하여 제조된 연료 저장 실린더형 탱크 구조나 모터 케이스 구조로 응용되고 있다. 내마모성과 내열성이 우수한 탄소/탄소 복합재료는 발사체의 노즐에도 이용되어 발사체의 경량화는 물론 성능향상에 크게 기여 하고 있다.
<그림 9> 탄소섬유 복합재료가 구조물의 80% 이상 사용된 고공발사
우주왕복선 X-34
Ⅴ. 탄소섬유의 시장
1950년대부터 본격적으로 개발되기 시작한 탄소섬유는 크게 PAN계 탄소섬유와 피치계 탄소섬유가 생산되어 항공우주 분야와 낚싯대, 골프채 및 테니스 라켓 등의 고급 스포츠 용품 분야에 응용되어 왔다. 하지만 1990년대의 냉전 체제 종식과 세계적인 경기 침체 속에서 그 수요가 감소하기 시작하였다. 하지만 최근에는 탄소섬유의 수요를 다시 증대시키기 위한 노력들이 활발히 이루어지고 있기 때문에 앞으로는 수요가 다시 증대하리라 기대하고 있다. 특히, 토목산업 분야의 수요 확대가 이루어질 경우에는 비약적인 발전이 예상된다.
탄소섬유의 수요 확대를 위한 노력들을 살펴보면, 우선 기술적인 면에서는
압축 강도 향상, 고탄성률화, 계면 제어, 가격 저하 및 성형 기술 진화 등의
기존의 PAN계 및 피치계 탄소섬유의 성능을 향상시킬 수 있는 방법 모색
과 함께 고탄성률, 고열전도성 등의 특징을 갖는 메소페이스계 탄소섬유와
흡착 성능을 가진 활성 탄소섬유 및 PAN계 탄소섬유를 내염화처리한 내염
섬유 등과 같이 기존 탄소섬유의 성능을 보다 향상시킨 탄소섬유도 개발되
고 있다. 또한, 응용 면에서는 항공우주 분야와 고급 스포츠 용품 분야뿐만 아니라 건재, 콘크리트 구조물내진 보강 등의 토목건축 분야, CNG 탱크, 풍력 발전용 블레이드, 원심 분리 로터, 플라이 호일 등의 대체 에너지클린에너지 분야, 선박, 차량 등의 고속 운송 기기 분야, 해양 개발심해저 유전채굴 분야, 기기의 고성능화, 의료 복지 기기, 전기 전도 용도, 초내열 용도등의 다양한 산업 분야에 적용하기 위해 각각의 용도에 적합하도록 성능을 개선 또는 향상시키려는 기술 개발이 활발히 진행되고 있다.
< 표 5 >
이러한 노력들을 바탕으로 < 표 5 >에 표시된 바와 같이 세계 시장은 2005
년에는 약 16,000톤 규모의 탄소섬유 수요가 예측된다. 이것은 2,000엔/kg 기
준으로 3,000억 원 규모의 시장이다. 국내의 경우는 현재의 약 702톤/년 규모
에서 2005년 4,200톤, 800억 원 규모의 시장으로 확대될 전망이다. 하지만 국
내의 경우는 탄소섬유 전량을 일본에서 수입하여 사용하고 있고, 응용 분야도 스포츠 용품 분야에 대부분 치중해 있기 때문에, 국내 생산기술 확보와 응용분야의 다양화를 위한 노력이 우선적으로 이루어져야 할 것이라 생각된다.

키워드

탄소 섬유의 종류,   탄소 섬유의 성질,   우주항공분야