탄소 섬유

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탄소 섬유로 제작된 직물

탄소 섬유(炭素纖維, carbon fiber) 또는 그라파이트 섬유, 탄소 그라파이트, CF탄소가 주성분인 0.005 0.010mm 굵기의 매우 가는 섬유이다. 탄소 섬유를 구성하는 탄소 원자들은 섬유의 길이 방향을 따라 육각 고리 결정의 형태로 붙어 있으며, 이러한 분자 배열 구조로 인해 강한 물리적 속성을 띠게 된다. 한 가닥의 실은 수 천 가닥의 탄소 섬유가 꼬여져 만들어진다. 탄소 섬유는 다양한 패턴으로 직조될 수 있으며, 플라스틱 등과 함께 사용되어 탄소 섬유 강화 플라스틱과 같이 가볍고도 강한 복합 재료를 만들어내기도 한다. 탄소 섬유의 밀도는 철보다 훨씬 낮기 때문에, 경량화가 필수적인 조건일 때 사용하기에 적합하다. 탄소 섬유는 높은 인장 강도, 가벼운 무게, 낮은 열팽창율 등의 특성으로 인해 항공우주산업, 토목건축, 군사, 자동차 및 각종 스포츠 분야의 소재로 매우 널리 쓰인다. 가격면에서는 유사한 소재인 섬유 유리나 플라스틱보다 상대적으로 비싸다. 탄소 섬유는 당기거나 구부리는 힘에 매우 강하며, 압축하는 힘이나 순간적인 충격에는 약하다. 예를 들어, 탄소 섬유로 만들어진 막대는 구부리기 매우 어렵지만 망치와 같은 도구로 쉽게 깨뜨릴 수 있다.

역사[편집]

탄소 섬유가 처음 알려진 것은 19세기 말 에디슨이 백열 전구용 탄소 필라멘트 발명했던 것이 계기였다. 공업화된 재료로서의 탄소섬유의 역사는 1959년 UCC(현재 AMOCO)에 의해 레이온을 원료로 한 GPCF(general purpose carbon fiber)가 생산되면서부터 시작되었다.

탄소 섬유의 개발 동기는 미국에서 우주개발과 군수용으로 로켓모터와 노즐에 필요한 내열재료의 개발 요구에 따라 처음 생겨났다. 우주용 기기와 항공기 분야에서 기본으로 요구되는 경량 및 고강성 재료의 연구가 1950년대부터 미국에서 수행되었는데, 이것을 가능하게 하는 재료는 고분자 복합재료라는 결론을 내리고 보강재로서 비강도 및 비탄성이 우수한 탄소섬유를 개발하였던 것이다. PAN계의 탄소섬유는 일본의 오오사카 공업 시험소의 신도 박사에 의해 개발되어 1962년에 일본 카아본사에서 GPCF의 공업화가 이루어졌다.그리고 1963년에 피치계의 탄소섬유가 일본의 군마대학의 오오타니 교수에 의해서 개발되었다. 1964년에는 영국의 RAE사가 PAN(polyacrylonitrile)계 탄소섬유의 고강도화 제조 특허를 출원, 그 후 고강도/고탄성의 탄소섬유의 기업화가 이루어져 용도개발에도 영국이 매우 적극적이었지만, Roll-Royce 사의 날아다니는 새들 때문에 발생한 RB211 터보팬 엔진의 사고로 영국에서는 주춤하고 탄소섬유의 응용개발의 중심은 미국으로 옮겨갔다. 1964년에 pitch계의 HPCF(high performance carbon fiber)가 일본에서 개발되었다. 1969년에는 일본 카이본에서 PAN계의 HPCF를 공업화하였으며, pitch계의 GPCF는 1970년에 일본의 오우화학에서 생산을 시작하였다. 1976년 에 미국의 UCC(현 AMOCO)에서 pitch계의 고탄성 type를 공업화했다. 사실 PAN계의 탄소섬유의 등장으로 rayon계 탄소섬유는 경제적인 관점 및 성능적인 관점에서 경쟁이 어렵게 되어 활성탄소 섬유(activative carbon fiber) 등의 새로운 재료로 모습을 바꾸어 재등장하였다. 현재에 복합재료 강화용으로 주로 PAN계 및 pitch계의 찬소섬유가 사용되고 있다. 우리나라에서는 서울올림픽이 열리던 때인 1988년 8월부터 태광산업이 ACELAN이라는 상표명으로 PAN계의 탄소섬유를 생산하기 시작했으며, 고탄성 type(acelan IZ~40)과 고강도 type(acelan TZ-307)을 생산하고 있다.

탄소섬유보강중합체 재질로 제작된 무선조종 헬리콥터의 수직안정판

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