탄소섬유란 무엇인가?

‘탄소섬유’와 ‘탄소섬유복합재’에 대한 기초적인 이해와 미래 산업분야를 알려드리는 강의를 진행하기위해 제작한 자료

최대한 가볍게는 써보겠습니다만 자료의 태생이 그러하니 이참에 자주 접하는 카본에 대해 상식을 넓혀간다고 보시면 될듯합니다.

​정보를 제대로 알면 주변 제품의 가치가 달라보이고 제품과 그 가치가 달라보이면 시장과 산업이 보이고 미래가 보인다고 저는 그렇게 생각하며 사업을 하고 있습니다.​

그리고 무엇보다 이런 주변 제품에 대한 상식은 제가 보는 사물과 일상에 해상도를 높여준다고 생각합니다.

지금까지 막연하게 카본이면 다 좋다 가볍다 튼튼하다 이쁘다 비싸다 정도에서 그 이유를 가볍게 알아보고 왜 그렇게 미래의 중심 소재라고 전세계에서 앞다투어 시장의 규모를 키우는지도 간단히

짚고 넘어갔으면 합니다.

​탄소섬유 정의

가볍게라도 보시면 분명 카본, 탄소섬유라는 산업에 대해 작게는 카본 제품에 대해 더 또렷하게 해상도를 올릴 수 있을것이라고 생각됩니다^^

두시간짜리 강의이며 기초와 심화, 응용등 여러 자료를 많이 보유중입니다만.. 내용이 너무 많고 또 어떤 부분은 전문가용이다 보니 선별하여 여러편에 나눠서 올릴 예정입니다.

[카본 = 탄소] 로 만든 섬유

우리가 흔히들 말하는 ‘카본’은 탄소섬유의 ‘탄소’를 말합니다.

일상에서도 그렇고 기자와 유튜버들도 탄소섬유제품을 그냥 ‘카본’이라고 부릅니다.

언어의 특성상 소통만 되면 되기때문에 ‘카본’이라고 탄소섬유복합재 제품을 부르는건 절대 틀린말이 아닙니다만

‘카본’은 정확히 말하자면 그 제품의 아주 기초가 되는 원소이며 그 원소를 활용하여 실을 뽑아낸 것이 탄소섬유

카본섬유가 됩니다.​

여러 공정을 거쳐야만 우리가 보는 카본제품으로 완성이 되는데 그 시작과 끝을 한번 쓰윽 보겠습니다.

​탄소섬유 특징

아주 쉽게 쓰면 탄소 원자재를 실로 뽑고 직조기에 걸고 직조를 하게되면 일반적인 천(패브릭) 처럼 보이는 카본섬유가 되는 겁니다.

이제 직조를 할때 능직이냐 평직이냐 용도에 따라 직조기에 입력하여 디자인을 하여 뽑아내게 됩니다. ​탄소섬유의 종류도 천차만별 만들기 나름입니다. 흔히들 가장 많이 쓰이는 카본은 3K 능직이며 가장 익숙한 카본일겁니다.

이런 탄소섬유의 특징을 간단히 보면 가장 중요한 무게대비 강성입니다. 그리고 내부식성 부식에 내성이 있다는것, 전도성은 전기가 비교적 잘통한다는 것, 특히 내열성이 매우 높아 열에 잘견딘다는 것 정도입니다. 물론 디테일하게 보면 더 많은 장점이 있긴합니다만 가장중요한 부분만 포인트로 쓰겠습니다.

​흔히 비교를 강철에 많이 합니다. 강철보다 얼마나 강하다 또 얼마나 가볍다 이렇게 표현을 많이하는데 쉽게 말씀드리면 같은 무게로 강철실을 만들고 탄소섬유도 같은 무게로 실을 만들었때 1/4가볍고 탄성도 7배나 높고 10배나 강하다는 겁니다.

자세한 내용은 탄소섬유로 만든 제품 즉 탄소섬유복합재 때 다시한번 말씀드리겠습니다.

탄소섬유가 만들어지는 공정

탄소섬유 공장에서 탄소섬유를 뽑아내는 공정입니다. 정확히는 이 공정에서 탄소 ‘실’ 을뽑습니다

​소성이란 말그대로 태우는 거죠. 한마디로 3000도까지 여러단계를 거쳐 전구체( 일종의 플라스틱 계열 )을 시커멓게 태우는 겁니다.

​그냥 더이상 태울게 없을만큼 3000도까지 초고열로 조지면(표준어 이더라고요??) 결국엔 마지막에 탄소가 남게됩니다. 아주 극단적인방식입니다만 이렇게 여러 공정으로 태우기 때문에 만드는 공장을 보면 공장 라인이 비교적 긴편입니다.

​효성 첨단소재 공장(전주)을 보면 건물 길이가 어마어마합니다. 물론 다른 장비도 있겠지만요

카본이라는 어원이 좀 재미있습니다. 그리고 아주 어렷을적 연필을 쥐었을때 부터 카본은 우리와 밀접한 관계에 있었습니다.

​’카르보나라’ 파스타 마지막에 후추를 막 후추후추 해서 올려 먹을때 그 후추가 ‘석탄’ 즉 카르보 같다고 카르보나라 라는 말도 있고 이태리 석탄 광부를 통칭하는 ‘카르보나라’가 자주 먹었다고 해서 카르보나라 라는 어원도 있습니다.

무엇이 되었든 라틴어에서 온 카르보는 현재 카본으로 불리게 되었습니다.

​석탄도 숯도 마찬가지로 엄청난 열에 의해 ‘탄화’ 되어 남은 결과물이기 때문에

원소를 확대해보면 마찬가지입니다. 다이아몬드도 고온 고압 고열에 탄소가 뭐 여차저차해서 투명해지는겁니다

어렷을적에 연필의 흑연과 다이아몬드는 사실 똑같다는 말도 그 뿌리가 같기 때문입니다.

​그래핀은 이런 탄소를 2D로 진짜 한층만 남겨서 활용하게됩니다.

그래핀을 만드는 셀로판테잎에 흑연을 막 여러번 붙였다 떼엇다 분리하면 생기는 이유도 원소를 한층만 깔기 위함이며 그런 그래핀이 전기가 미친듯이 잘통하고 잘 휘어지는건 당연한 겁니다.

그리고 또 막 또 철보다 200배 강하다구! 라고 외치는것도 당연한 겁니다. 보통 비교를 할때는 같은 무게로 비교하게 되는데 강철로는 한계가 명확하기 때문입니다.

​한마디로 더이상 잃을게 없어서 태생자체가 강한 소재입니다. 더이상 갈곳이 없는 탄소 원자들이 밀집되어있어서 그만큼 단단한것입니다,

​탄소섬유복합재 구조

머리카락의 1/10정도로 얇게 뽑아서 그걸 실타래(콘)에다가 감아서 완성 ​여러 공정을 거쳐 원자재를 다 태우고 실로 뽑아서 그 실을 콘에다가 감습니다. 그럼 이제 1차 가공이 끝난겁니다.

​탄소섬유의 산업 분류는 크게 3개로 분류가 가능합니다.

(물론 더 세부적으로 나누려면 얼마든지 나누지만 이해를 쉽게 하기위해..)

  • 1차 가공기업 : 말그대로 원자재를 소성하여 실로 만들어 뽑는 기업입니다. 여러 형태로 가공도 하지만 여기서는 실로만 쉽게 설명하겠습니다. 1차 가공 설비는 굉장히 고가여서 공장부지부터 관련 기계까지 산업 규모가 매우 큽니다.
  • 국내에서는 효성첨단산업이 유명하고 전세계적으로는 토레이가 유명합니다. 대기업 정도의 규모와 투자가 필요합니다.
  • 현 정부에서는 미래 핵심소재로 인정하여 2019년도에 1조원이라는 국비를 효성 탄소섬유에 투자하기도 하였습니다.
  • 암튼 돈이 천문학적으로 든다 라고 생각하시면 됩니다.
  • 2차 가공기업 : 1차가공기업에서 만든 탄소실을 여러 종류의 섬유(천)으로 만드는 기업입니다. 마찬가지로 워낙 다양한 방법으로 가공이 가능하며 직조 하면서 모양을 만들기도 하고 타 섬유와 합쳐서 하이브리드로 직조하기도 하며 응용이 무궁무진합니다. 흔히들 말씀하시는 프리프레그 카본은 (드라이카본은 정식명칭은 아닙니다만.. 그 원자재) 실을 받아서 2차 가공시에 수지(레진)에 담가서 직조를 하는 공법입니다. 뒤에서 또 잠깐 다루겠습니다.
  • 보통 1차가공기업이 2차가공을 함께 하는경우가 많습니다만 1차가공보다 비교적?(어디까지나 비교적) 적은 설비와 비용 투자로 가능하기때문에 2차 가공만 하는 기업의 수도 많습니다.
  • 3차 가공기업 : 제품을 디자인하고 개발하고 응용하여 최종적으로 사용하게되는 엔드아이템을 만들어내는 기업입니다.
  • 현재 가장 필요한 사업군으로 1차와 2차는 이미 1980년도 부터 꾸준하게 발전된 분야고 대량 생산이 가능하지만
  • 3차가공은 1차와 2차보다 더 무궁무진하게 발전 가능성이 남아있는 분야입니다. 그리고 산업 분야도 여기서 엄청나게 세분화 됩니다.
  • 흔히들 말씀하시는 카본제품은 모두 3차가공품으로 그 제작 공정은 1년이다르게 생겨나고 업그레이드 되는 중입니다.
  • 저희는 디자인부터 제작하는 3차가공 업체에 해당됩니다.

마찬가지로 좀더 디테일한 내용은 다음 자료에 ㅎ

​이정도 용어만 알면 전문가 코스프레 실현 가능합니다.

이제 탄소섬유에 대해 쪼오금 지식을 뽑낼수 있을만한 정보가 여기서 부터일것 같습니다.

위 사진에 배열된 탄소섬유 원단의 용어만 알아도 어? 이사람 뭐지?? 카본 덕후인가? 관련 업계 사람인가? 라는 생각을 갖게 합니다. 이미 알고 계셨다면 한번쯤은 전문 자료를 찾아보셨거나 여러 카본제품을 사용하시는 분일거라고 추측합니다.

UD 유니 디렉셔널: 말그대로 한쪽 방향으로만 직조 한 원단으로 장발 귀신 머리카락 같이 생겼습니다. 기름지는 광택을 가져서 2주간 머리 안감은 장발같지만 일반적으로 섬유는 손에 기름이나 끈적이는건 뭍지 않습니다 (프리프레그 제외)

여러장을 겹칠때 섬유 설계를 잘하면 다른 탄소 섬유보다 강할 수 있기 때문에 보통 심미적인것보다 무게와 강도, 탄성, 피로파괴 방지 등 기능이 우선시 되는 산업부분에서 활용됩니다.

가장 쉽게 볼수 있는 제품은 그램단위에 진심인 초경량 고강성 카본 자전거일듯합니다. 카본인데 왜 페인팅을 했을까? 하는 카본 자전거는 이걸로 성형하면 이쁘지는 않기때문에 페인팅을 합니다. 간혹 흔히 아는 카본원단이 보이는건 마지막 1장만 3K능직을 올려서 심미적인 목적으로 카본임을 보여주기도 합니다 (자전거는 전문은 아니라 항상 제가 모르는 예외는 있습니다)

산업종류에 따라 다르지만 보통은 가장 기본이 되는? 섬유라고 봅니다.

스프레드 토우 : UD를 크로스 하여 만든 섬유입니다. 이걸로 윙 스포일러 만들기도 하고 그럽니다. 격자가 겁나게 커서

멀리서도 잘보입니다. 보통은 원단이 뻑뻑한 편이라 디자인이 복잡하거나 디테일한 제품에는 어울리지 않고 큰 제품에 활용되거나 보강용으로 많이 활용됩니다. 이 패턴은 많이 보셨을것이라고 생각됩니다.

꾸준하게 사용되어 왔던 소재 입니다.

3K 평직 : 여기서 K는 킬로 1000입니다. 실이 1000가닥이 들어가면 1K이고 3K는 3000가닥입니다.

그럼 어디가 3000가닥이 들어 갔다는걸까요?

여기 빨간 점 보이시나요?

1mm 안밖의 한 칸에 카본섬유가 3000가닥이 들어갔다는 겁니다. 안그래도 강한 탄소실을 3000가닥으로 뭉치고 그걸로 원단을 직조를 했으니 왜 강할수 밖에 없는지 이해가 가실겁니다.

이제 다시 한번 UD와 스프레드토우를 보시면 얼마나 탄소실이 많이 들어갔는지 감이 오실겁니다.

이미지는 최대한 비슷하게 크기비교 가능하게 배치한겁니다.

자사 공장에서 글을 썼으면 제 손을 찍었을텐데 ㅠ 자택에서 쓰다보니 크기와 설명을 위해서 구글링 해서 가지고왔습니다 출처는 이지콤포지트 입니다.

3K 능직 : 일반인이 가장 흔하게 볼수 있는 원단입니다. 어? 카본이네 라고 하는 제품의 패턴은 대부분이 3K능직입니다.

이미지가 아주 제대로 박혀버려서 다른 원단은 인지도 부분에서는 감히 비빌수도 없습니다. 이런 패턴이 아니면 카본아니야.. 라고도 할정도로 아주그냥 제대로 성공한 케이스입니다. 사실은 디자인과 목적 때문에 능직과 평직을 나눈거고 가격도 거의 차이가 없습니다만 결이 능직 패턴이 확실히 잘보이기때문에 가장 성공한 카본이 되지 않았나 추측해봅니다. (이런 이미지 메이킹의 선두에는 F1과 여러 슈퍼카 브랜드 더불어 BMW도 큰 역할을 했다고 제 개인적으로 생각합니다)

12K능직 : 12,000개가 한칸에 들어간 카본섬유로 패턴이 잘보이는 편입니다만 두꺼워서 디테일한 제품에 사용하기에는 기술이 필요합니다. 크기가 커질수록 당연히 원단 자체의 무게가 늘어나는 편입니다. 저희는 여러 분야에 적극적으로 많이 사용하는 섬유중 하나입니다.

헥사 카본 패턴 원단이 적용된 자사 제품

디자인 패턴 원단 : 요즘에는 여러 디자인 패턴도 많이 연구개발되고 있습니다. 다만 제작 수량이 적고 안정적으로 직조하기 어려워서 ( 대표적으로 기술이 부족하여 패턴이 흐트러지거나 찌그러지는 현상, 손만 닿아도 모양이 토라지는 녀석들.. ) 가격이 일반적인 3K 능직에 비해 적게는 3배 많게는 5배까지도 가격차이가 발생합니다.

저희는 (주)한국카본에서 직조한 헥사 카본원단을 대표적인 디자인 원단으로 사용하고 있으며 카본원소(육각형)의 상징성으로 개인적으로는 가장 좋아하는 패턴이기도 합니다.

또한 비싸기까지한데 최소주문수량 MOQ가 있어서 중소기업에게는 부담이 되는 부분도 있고 인식 자체가 3K에 편중되어 있어 리스크를 안고 도전하기가 쉽지 않은 부분이기도 합니다.

그럼에도 여러 산업 부분에 적용하고자 노력중이며 디자인 피로도가 높은 3K능직 그 이후의 시장을 생각하여 계속해서 원단 업체와 다양한 시도를 진행중입니다.

헥사카본원단으로 제작된 아이템은 다행히 반응이 좋아서 3K능직보다 고가이지만 3배가량 더 많은 판매량을 보여주고 있습니다. 한마디로 미래에는 다양한 패턴으로 제품 제작이 가능한 희망을 보았습니다 ㅎ

그럼 잠깐 퀴즈!

1k, 3k, 6k, 12K 어떤 원단이 m당 가격이 가장 비쌀까요?

​1k, 3k, 6k, 12K 원단이 비교적 쉽게 구할 수 있는 원단 종류입니다( 물론 수량만 맞다면야 요청해서 더 다양하게 제작이 가능합니다)

사진 자료는 설명을 위해 구글에서 가지고 온 자료임을 밝힙니다.​

무게도 12k가 가장 많이 나가고 원사(실)도 가장 많이 들어가지만 m당 가격은 보통 1K가 가장 비싼편입니다.

3K보다 평균 1.5~2배 가량 고가입니다. 1K는 굉장히 촘촘하게 만드는 것도 기술이고 무엇보다 수요가 정해져있어서 쉽게 선택되지 않는 섬유입니다. 가까이서 봐야 카본인걸 알수 있을 정도입니다.

하지만 초경량으로 제작하여 강성이나 무게 등에서 성능이 확실히 필요한 제품에서 더 효과적으로 제작이 가능하여 자전거 휠처럼 그램 (g) 단위에 영혼을 파는 제품에는 아주 딱입니다.

​물론 원단을 만드는 업체마다 모두 가격 차이가 있고 시장에 따라 가격 변동되기는 합니다.

여러 종류의 탄소섬유

자 다음시간에는 여러 종유의 탄소섬유원단들에 대해서 말씀드리겠습니다.

이부분에서 프리프레그가 나오기때문에 이번 1편 내용이 너무 길어질까봐 우선 여기서 잠시 쉬었다가 2편으로 돌아오겠습니다.​

​탄소섬유 제품의 매력은 여러 재료들이 섞여서 하나의 결과물로 만들어지는 그 공정에 있다고 생각됩니다 .

1차 가공인 탄소원사부터 본다면 3차 가공 최종까지 그만큼 공정이 여러개지만 그 이상의 감동적인 결과물이 있기에 아직까지도 레벨이 유지된다고 생각합니다.

아마 마지막까지 보신다면

​-그래서 왜 이렇게 카본제품이 비싼가요?

-진짜 카본과 가짜 카본은 어디서 차이가 나는걸까요?

-컬러 카본을 보았습니다. 컬러 카본원단도 있는걸까요?

-유럽산, 일본산, 중국산, 한국산 카본의 차이가 뭐고 왜 가격차이가 그렇게 많이 날까요?

-중국제품은 핏팅이 맞지 않는 이유가 무엇일까요?

-어떤 부분에서 품질이 갈리는걸까요?

등등에 대해

많은 부분에서 해결이 될것이라고 봅니다. 물론 위의 답변은 지금도 드릴 수 있지만 내용을 빌드업 해서 알려드리면 확실히 더 정확한 답변을 얻어가실것이라 봅니다.

질문은 언제나 환영합니다. 다만 다음 편에서도 내용이 쭈욱 이어지기 때문에 ㅎ 이번편에 대한 질문을 해주시면 감사하겠습니다.

​​보통은 PPT자료를 띄워놓고 말로 설명하였던 자료를 이렇게 글로 써보니 10배는 시간이 더걸리는것 같습니다. 그럼 다음편에서 또 뵙겠습니다.