탄소섬유 종류 – 카본이란?

다양한 탄소섬유 복합재 에대해서 알아보도록 하겠습니다. 먼저 카본이란 무엇인지 알아볼까요?

다양한 탄소섬유 종류

탄소섬유를 직조하고 가공하는 단계에서 정말 여러종류의 탄소섬유가 만들어질 수 있습니다.

무궁무진하고 매년 새로운 소재도 개발되기 때문에 위에 보여드리는 탄소섬유는 극히 일부분이며 비교적 보편적인 섬유임을 말씀드립니다.

​위 섬유들의 원천 재료는 모두 탄소원사(실)로 제작됩니다. 왼쪽부터 차례로 말씀드리겠습니다.

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촙(촵,찹) 카본 섬유

말그대로 촙촙촙 잘게 잘게 잘린 카본섬유입니다. 많이 보시지 않았습니까? 자동차를 좋아하시는 분이라면 익숙하실겁니다. 이 촵카본을 베이스로 하여 여러단계로 가공하여 제작하게 되면 그 유명한

포지드 카본이 됩니다. 사실 포지드 카본의 핵심은 ‘찹카본’이 아니라 ‘포지드’ 입니다. 자세한건 저~어 뒤에서 한번더 말씀드리고 암튼 이건 람보르기니 마케터에게 상을줘야하는 그런 결과물입니다.

아직은 복합재를 설명드리는 단계는 아니기에 간단히 말씀드리면 찹카본을 시트로 만들거나 여차저차 여러 가공을 통해 만든 결과물이며 그 시작은 카본섬유를 잘게 잘라서(촵!) 만드는 것에서 부터입니다.

​사실 왜 마케팅이 예술이냐면 상식적으로만 생각해도 위빙(직조)된 일반적인 섬유와 불특정하게 마구 잘린 촵 카본이랑 비교했을때 강성부분에서는 어쩔수 없이 강도와 탄성이 약할수 밖에 없습니다.

​장점은 섬유의 결이 존재하지 않는 카오스 수준으로 믹스되어 있어 능직에서 생기는 불량 예를 들어 결이 틀어져서 발생하는 불량이 없습니다. 그리고 양산성이 타 탄소섬유복합재에 비해서 비교적 높습니다. 즉 심미성에서 이미 카본결이 혼돈의 카오스기 때문에 오히려 편안합니다.

​단점은 말씀드린대로 힘과 탄성이 필요한 높은 스펙의 구조물에는 적합하지 않을 수 있습니다.

전문적으로 말씀드리면 UD카본처럼 일정한 방향을 가지고 셋팅해야하는 강성과 탄성 등 힘을 받는 구조물로 셋팅할수가 없습니다.

그래서 보통은 자동차의 인테리어와 엔진 커버종류등에 사용되고 내부에 다른 종류의 섬유와 함께 보강을 더 올려서 (제대로 만든다면 다른 섬유와 혼합하여) 스포일러 등을 제작하기도 합니다.

쉽게 설명드리면 카본 프로펠러샤프트를 찹카본으로 ‘만’ 써서 만들면 힘의 방향과 카본이 견뎌야하는 직조 방향 셋팅이 불가능하여 그냥 박살이 날 수 있습니다.

​하지만! 예외는 항상 있어서 엄청난 고압 고열로 높은 스펙의 기계 부품을 만들기도 합니다(같은 계열이지 완전히 촵카본은 아닙니다)

​제일 중요한 ‘포지드’에 대한 부분은 다음에 또 말씀드리겠습니다.

앞으로도 그렇겠지만 저는 ‘통상적으로 그렇습니다’ 라고 말씀드립니다. 분명 세상에는 제가 모르는 신기술도 있을거고 모양만 똑같고 스펙이 또 무서운 결과물이 있을 수 도 있기 때문입니다.

브레이딩 카본 섬유

브레이딩 : 끈이나 가모를 이용해 땋은 머리 (네이버 사전)

​한국말로 직역하면 땋는 카본섬유입니다. 이건 볼때마다 소름돋는 방식인데 직조를 하면서 1차적으로 모양을 만드는 겁니다.

휠 모양으로 직조를 해서 1차적으로 형태를 잡고 프레스를 포함 각종 성형을 하여 최종 완성을 하는 방식입니다.

​직조기가 생각보다 많이 커서 실제로 가동되고 있는 모습을 보면 정말 소름이 돋는 간지나는 방식입니다.

(가동 소음도 좀 심한편입니다) 보통 콘(원사 실타래)가 규칙적으로 움직이면서 로봇팔 혹은 기계장치와 함께 형태를 쭈우욱 만들어 나갑니다.​

이걸로 한번에 원통형이나 휠같은 모양으로 카본직조를 하고 다시 몰드에 넣어서 가공하거나 여러 방식으로 최종 아이템을 만듭니다. 한마디로 2D가 아닌 3D로 직조를 하는 대표적인 방식이라고 할 수 있습니다.

​저만 소름돋을수 없기때문에 모터사이클 휠을 브레이딩으로 직조하는 영상을 첨부합니다.

프리프레그 카본 섬유

​이제 그 유명한 프리프레그 섬유입니다. 말그대로 미리 섬유에 레진(수지)를 함침시켜서 만드는 섬유입니다.

통상적으로는 실을 직조하여 섬유로 만드는 그 시작 부분에 레진에 실을 담갔다가 빼서 레진의 양을 목적에 맞게 조절한뒤에 직조를 하게 됩니다. 그래서 프리프레그 섬유를 손가락으로 만져보면 레진때문에 살짝 꾸덕꾸덕하면서도 찐득한 느낌이 느껴집니다. 종류가 100가지가 넘고 요즘도 계속해서 개발중이기에 새롭고 신기한 프리프레그 원단도 많이 있습니다. 정말 여러종류가 있고 저희가 사용했던 종류만해도 5종은 넘기 때문에 우선은 가장 통상적이고 보편적인 섬유를 말씀드리겠습니다.

레진이 상온에 짧게는 몇시간 길게는 몇일 (조건에 따라 천차만별입니다)만에 경화가 천천히 진행되어 못쓰게 될수 있기에 산업용 냉동고에서 냉동 상태로 보관합니다. 보관만해도 돈이 지속적으로 나가는 섬유입니다. FM대로라면 냉동해도 보통은 6개월이내에 모두 사용해야하는 유통기한이 있는 까다로운 조건을 가지고 있습니다.

하지만 요즘에는 관련 기술이 지속적으로 발전하고 있어 상온보관이 가능한 프리프레그 카본원단도 나오고 있습니다.

다만 가격이 아직은 고가일것 이라고 추측합니다. 여기 산업시장도 신상 아이템은 고가입니다. 그리고 무엇보다 셋팅값을 사용하는 업체에서 돈과 시간을 들여 개발해야하는 어려움도 있어서 새로운 섬유, 레진은 상용화까지 비교적 시간이 걸리는 편입니다.

섬유를 여러방식의 공법으로 딱딱하게 (경화성이나 가소성으로) 복합재를 만들어야하는데 보통 액상으로 된 레진(에폭시나 폴리, 비닐 등으로 만든 수지) 을 함침하여 만들게 됩니다. 최종적으로 탄소섬유복합재 (CFRP)가 되는건데 여기서 이 레진의 양을 정말 필요한 최소한의 양만 남긴다면 더 가볍고 높은 강성의 제품이 되는 겁니다.

원단에 맞춰서 더도말고 덜도말고 최소화로 딱 적셔질정도만 ‘미리 = Pre’ 액체를 이 실에다가 함침시켜 놓은겁니다. 그리고 원단으로 직조를 한거죠

가볍고 강한 탄소섬유에 너무 많은 레진은 무게와 탄성 강성등 그 장점을 깎아먹게 되니 이런 방식으로 제작한것입니다. (point 기억해주세요)

최소화로 레진을 썼으니 엄청 가볍고 강성은 최대화로 나오겠지만 조건이 안맞다면 불량률이 높을 수 있습니다.

한마디로 제품으로 만들때는 기술과 전용 가공 기계가 필요합니다. 대표적인 예로는 복합재용 오토클레이브가 있습니다.

레진과 섬유가 함께있는 프리프레그의 특성상 알맞는 조건을 맞춰주지 못하면 섬유와 섬유끼리 박리 현상이 나타나거나 잉여수지( 남은 여벌 수지)를 빨아줘야하는데 또 너무 이걸 빨아내버리면 완전 성형에 실패하게 됩니다.

뱀파이어에게 피를 다 빨려서 스킨만 남은 그런 느낌으로 제품이 만들어집니다.

​그리고 함침 불량이나 셋팅 불량이 생기면 몰드에 완벽하게 밀착되지 않아서 보이드(미 함침 구간) 혹은 핀홀이라고 미세한 구멍이 수도없이 많이 뚫려서 사실상은 불량제품이 나오게 됩니다.

​그래서 진공, 가압, 온도를 올리는 오토클레이브를 사용하는데 오토클레이브 내에 압력을 알맞게 올려서 수지가 함침된 섬유와 섬유끼리 몰드에 더 밀착하여 눌러주고 적당한 온도를 올려서 제품을 완성하게 됩니다. 정말 간단하고 쉽게 설명드렸지만 셋팅은 전혀 쉽지 않습니다.

​즉 여러 불량요소를 최소화 하기위해 고가의 오토클레이브 성형을 합니다.

CFRP 제조 방식: 오토클레이브

​아직도 최고의 물성이 필요한 우주항공의 복합재 핵심부품은 이렇게 오토클레이브와 프리프레그카본, 프리프레그 아라미드(케블러)등을 사용하여 제작합니다. 그리고 수십억에서 100억가까이하는 F1 레이싱카도 여전히 프리프레그 카본으로 제작합니다.

즉 최고의 물성치 즉 무게대비 강성과 탄성은 최고치라고 할 수 있습니다.

의심의 여지 없이 최고의 카본제품으로 제작될것입니다.

(하지만 요즘 BMW도 그렇고 여러업체에서 HPRTM이나 PCM등 대량생산 + 고스펙 제품을 다른 공법으로 찍기 시작했습니다 무조건 프리프레그 + 오토클레이브가 최고다 나머지는 진짜 카본제품도 아니야! 라고 말하는건 BMW에서 제작하는 카본루프를 포함하여 여러 기업들의 결과물도 진짜 카본제품이 아닌겁니다. )

그만큼 초기 설비도 고가고 오토클레이브 유지비 전기세 등도 많은 자금이 필요합니다.

그럼 당연히 유지비때문에 최종 제품은 당연히 고가입니다.

비행기와 전투기, F1, Moto GP 레이스, UAM 처럼 몇개만 만들어도 최고 수준의 높은 물성이 필요한 제품에는 당연히

오토클레이브 + 프리프레그 카본 조합이 맞습니다. 비행기 날개처럼 강성과 탄성이 많이 필요하고 가벼워야하는 또 안전에 직결된 제품도 가격이 높더라도 무조건 프리프레그로 제작해야하는 아이템은 고가의 프리프레그로 제작하는 것이 당연합니다.

그럼 프리프레그로 만든 제품은 그 물성지표가 다른 성형 공법에 비해 몇 십배가 차이가나나요?

​이부분은 뒤에서도 다루겠지만 간단히 진공과 열로 성형하는 인퓨전으로 말씀드리면 10% 미만입니다.

두 제품다 각자의 공법으로 최상의 제품으로 만들었다는 가정하에 강성 탄성 무게 표면 경도 등 비교하여도 10%미만이 차이가 납니다. 관련 정부 과제를 여러번 하며 만들어낸 데이터로 증빙이 가능합니다.

​마찬가지로 오토클레이브를 쓰고 FM대로 제대로 만든 프리프레그 카본결과물과 인퓨전 성형 결과물의 가격은

5배이상 차이가 발생합니다. (금형 종류, 품질 난이도에 따라 50배에서 100배까지도 차이가 날 수 있습니다.)

​즉 10%를 위해 5배이상의 비용을 투자가 필요한곳 생명과 직결되고 0.1초 차이로 승패가 갈리는 곳에는 5배가 아니라 50배의 자금투자를 하여 프리프레그 제품을 만들어 내는것이 맞습니다.

단지 1%의 높은 수치를 위해 1000배가 넘는 자금을 투자하는것이 우주 항공, 레이스 산업이라 생각합니다.

​자 그럼 이제 핵심입니다.

얼마나 제대로 만들었고, 제작 단가를 어떻게 감당했을까? 입니다.

​FM대로라면 프리프레그 제품위에 왁스성분만 제거하고 바로 클리어(표면코팅)을 해야합니다.

이유는 아까 제가(point 기억해주세요) 이부분을 보시면 프리프레그를 쓰는 이유는 최소한의 레진에서 얻는 무게와 강한 압력으로 완성되는 높은 강성입니다. 근데 거기다가 코팅을 여러번 올리면 비싼 프리프레그의 장점이 점점 없어집니다.

​그럼 코팅을 한번만 하도록 표면이 메끄럽게 제품이 나오기가 쉬운가? 셋팅이 어렵다고 했듯이 기술이 필요하고 쉽지 않습니다. 그렇다고 조오금 잘못나온 B급품의 고가의 프리프레그 제품을 버리기도 힘듭니다.

​그래서 실러( 핀홀이나 보이드 등을 메꾸는 수지 계열 )를 여러번 올려서 샌딩하고 마지막에 클리어를 올립니다.

이렇게 되면 사실상 내부 강성은 둘째로 치더라도 최종 클리어가 두꺼워져서 무게가 올라가고 충격에 카본은 멀쩡해도 클리어가 손상되는 경우가 많습니다.

​(A급과 B급등은 기업마다 기준 차이가 많이 나기때문에 자세한 스펙을 말하지는 않겠습니다)

​코팅을 안하는 엔드아이템도 나오고 있지만 외부( 태양 빛)에 노출되는 카본복합재는 레진의 황변으로 5년~10년사이에 레진이 부스러지거나 카본 자체도 외부 충격에 점점 파손될수 있습니다. 즉 외장재에 사용되는 카본제품은 코팅이 필수이고 굉장히 중요한 조건입니다.

​우리가 만지는 카본의 대부분은 카본이 아니라 카본을 코팅한 코팅면을 만지는 겁니다.

세차할때도 코팅이 제대로 되어 있지 않다면 카본제품에 강력한 카샴푸등의 화학반응으로 화학적인 데미지가 갑니다. 이론적으로 중성세재를 권하는 이유이기도 합니다.

저희도 꼭 필요한 프리프레그 제품은 오토클레이브로 제작합니다. 지금 개발 추진중인 UAM (유인드론)의 경우 프리프레그 오토클레이브 성형은 필수이기 때문에 한국 탄소산업진흥원의 오토클레이브 설비와 교수와 연구원분들과 함께 제작을 추진합니다. 1%조차 강성과 탄성, 내구성으로 타협이 불가능한 분야입니다. 사람 목숨이 위험하면 안되기 때문입니다.

하지만 그정도의 스펙이 필요없는 제품은 인몰드 코팅 인퓨전 공법으로 자사가 개발한 자체 기술로 제작합니다.

그래도 5~10% 미만의 스펙만 차이가나는데 5배~10배의 가격을 더 지불하신다면 당연히 그렇게 만들어 판매하겠지만 보통은 그 프로젝트가 가격 때문에 망합니다.​

눈에 보이는 표면은 똑같은데 200g 짜리 카본쉘이 190g~180g 정도로 만든다고 해도 체감이 안됩니다. (탄성이 오히려 20~30% 늘어나서 일상에 사용하기 어려워집니다)

자사에서 개발한 인퓨전 인몰드 코팅기술로 제작한 카본 제품의 소비자 가격이 100만원이라면 오토클레브 + 프리프레그로 제작하면 400만원정도에 판매해야 손해가 안나고 단가가 맞습니다. (정말 FM대로 금형제작을 하고 오토클레이브를 사용한다는 조건입니다.)

Out Of Autoclave

그리고 최근에는 OOA (Out Of Autoclave) 라고 오토클레이브 밖에서 즉 오토클레이브를 쓰지 않고 사용하는 프리프레그 섬유도 개발중입니다.

이미 시판된 제품도 있어서 저희도 테스트를 여러번 하였으나 코팅을 두껍게 올릴 수 밖에 없는 문제가 있습니다.

OOA 전용 섬유로 해야 보이드나 핀홀문제가 적고 강성문제도 가능한데 이마저도 아직은 안정적인 섬유가 해외 제품이고 아직은 고가입니다.

​저희 협력사인 대기업 계열사가 열심히 개발중이고 제품이 나올때마다 저희가 테스트 중입니다만 아직은 품질이 불안정합니다.

간혹 OOA의 의미를 정확히 모르고 오토클레이브로 성형한 OOA로 쓰거나 오토클레이브 성형제품이라고 쓰고

OOA제품이라고 출시하는 사례가 있어서 이부분은 혼선이 있어서 확인하시는게 좋아보입니다.

​OOA보다는 오토클레이브 제품이 어쩔수 없이 비교적 고가 일 수 밖에 없고 스펙도 오토클레이브에 넣고 안넣고는 차이가 어찌되었든 발생은 하기때문입니다.

​여기서 중요한건 최종 스펙이 문제가 아니라 정확한 정보를 잠정적 구매자에게 제대로 전달하고 제작한 성형 방식을 정확한 정보로 알리는게 중요하다고 봅니다. 누군가는 분명 프리프레그+오토클레이브로 제작한걸 구매하고싶어서 찾는 사람도 있을 것이기 때문입니다.

이 프리프레고 섬유로 만든 제품이 누군가( 어떤 기업, 혹은 개인이 ) 재미있는 말을 만들어내면서 일반인들도 프리프레그 혹은 오토클레이브 성형 제품이라는 말보다 더 유명해 졌습니다.

Dry Carbon 제조 방식

​드라이카본 이거 누가 만든말인지도 모르겠습니다. 어원도 불분명한데 너무 많이 퍼졌습니다. 뭔가 드라이하다 = 가볍다 가벼운 카본 좋다 라는 이미지가 기가맥히게 잘먹힌거 같습니다. 존경합니다.

관련 업계 종사자분들은 안쓰고 판매쪽, 마케팅쪽에서 쓰기 시작한 좀.. 이상한 단어 입니다만.. 그래도 이정도로 많이 퍼졌으니 한편으로는 존경합니다.

​옛날에 유튜브 버퍼링이 30초가 걸리던 시절에 일본 영상에서는 본 기억이 있어서 국내가 아닌 일본에서 넘어온 단어일 수도 있습니다. 일본은 특이한 갈라파고스같은 본인들만의 단어가 존재하니까요.. 하지만 100% 잘못된 단어라고 말하기는 힘들지만.. 암튼 저는 알맞는 단어라고 보기에는 힘듭니다.

​위에 글을 읽어보셨으면 아시겠지만 드라이카본일수가 없습니다. 기본적으로 레진이 함침되지 않는 다면 제품이 만들어질수 없으니까요. 그만큼 레진이 저스트하게 함침되어서 드라이하다!! 라는 의미라면… 글쎄요

​제대로 만들어진 인퓨전 제품과 오토클레이브 두제품을 보여드려도 뭐가 더 확실히 가볍다고는 정말 알기 어렵습니다.

30cm x 30cm 로 제작된 카본 판재 기준으로 30g~50g 정도를 손으로 느끼는건 그렇게 쉬운건 아닙니다.​

오히려 코팅을 얇게 잘 올려서 피니쉬가 깔끔한 제품을 더 드라이하다고 말할겁니다. 그건 제가 장담할 수 있습니다.​

왜냐면 평생 연구하신 분들도 아주 잘만들어진 두 제품을 표면보고 들어보고는 판단하기 어렵습니다.

(어디까지 둘다 잘만들어진 제품이여야만 합니다)

한마디로 더 비싸게 팔기위한 마케팅 단어라고 조심스럽게 말합니다. ​저희가 매년 (작년에 코로나로 인해 프랑스 JEC는 참가 못했지만) 참가하는 국제 복합소재 박람회 JEC에서 여러 나라에서 미팅을 해보고 대화해보면 드라이카본이라고 광고하거나 관련 제품, 원자재를 소개하는건 듣지도 보지도 못했습니다. 일반적인 소비자 사이에 돌아다니는 단어이지만 언어의 특성상 이정도로 흥행한다면 또 받아들여야 하나 싶습니다. 그래도 저는 프리프레그 카본 혹은 오토클레이브 CFRP 라는 말이 더 좋아보입니다.