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우주산업 필수템 '초고강도 탄소섬유' 뭘까

  • 2022.10.16(일) 11:00

[테크따라잡기]
효성첨단소재, 미·일 이어 3번째 개발
철보다 강도 14배↑…항공기· 우주발사체 등 활용

최근 효성 자회사 효성첨단소재가 초고강도 탄소섬유 개발에 성공했어요. 초고강도 탄소섬유 개발은 일본, 미국에 이은 세계 3번째라고 하는데요. 특히 이번 개발은 기업과 정부가 함께 협력해 이룬 성과라 더욱 주목받고 있어요.

이번 테크따라잡기에선 '꿈의 신소재'라 불리는 탄소섬유에 대해 알아보려고 해요. 보다 자세한 설명을 위해 효성의 자료를 참고했어요. 

철보다 가볍고 튼튼

초고강도 탄소섬유에 앞서 탄소섬유라는 개념부터 먼저 짚고 갈게요. 탄소섬유는 실(원사) 안에 탄소가 92% 이상 함유된 섬유를 말하는데요. 탄성률에 따라 △표준탄성(SM) △중탄성(IM) △고탄성(HM) △초고탄성(UHM)으로 구분되거나 사용처에 따라 △범용 △중성능 △고성능으로 분류돼요.

탄소섬유는 어떻게 만들어질까요. 크게 제조 방법에 따라 팬(PAN)계와 피치(PITCH)계로 나뉘는데요. 현재 생산되는 탄소섬유 대부분 팬 계열이래요. 효성이 개발한 탄소섬유 역시 팬 계열이고요. 

팬계는 무색·무취 휘발성 액체인 아크릴나이트릴을 중합하고 방사한 팬 섬유를 탄화한 탄소섬유를 말해요. 중합, 방사, 탄화 등 다소 생소한 단어가 포함돼 있으니 차근차근 짚어보도록 할게요. 

중합이란 열과 압력을 가해 고분자 상태를 만드는 과정을 말하는데요. 이렇게 만들어진 고분자 형태를 아크릴 섬유로 만드는 과정을 방사라고 하고요. 탄화는 1200도 이상 고온에서 탄소 성분만 남기는 과정을 말해요. 여러 번의 공정을 거쳐 탄소 성분이 높은 섬유를 만드는 과정인 것이죠.

효성첨단소재의 탄소섬유 /사진=효성 제공

탄소섬유 한가닥 지름은 7㎛(마이크로미터·100만분의 1미터)에 불과한데요. 머리카락(50~70㎛)의 10분의1 크기죠. 이 가느다란 실을 수천에서 수만가닥 모아 탄소섬유로 만들어요.

일반적인 탄소섬유는 철보다 무게가 4분의1 가볍대요. 하지만 강도는 약 10배, 탄성은 7배 높죠. 내부식성, 전도성, 내열성도 철보다 높아 모든 제품과 산업에 적용이 가능할 것으로 보여요. 탄소 섬유를 '꿈의 신소재'라고 부르는 이유에요.

효성 관계자는 "탄소 섬유는 자동차, 건축 등 산업분야에서부터 우주항공 등 미래산업까지 철이 사용되는 모든 제품과 산업에 사용될 수 있다"며 "탄소섬유가 전·후방 산업 효과가 뛰어나단 점에서 신소재로 주목받는 중"이라고 말했어요. 

각기 쓰임 다른 탄소섬유

효성첨단소재는 2008년부터 탄소섬유 개발에 착수한 뒤, 2011년 개발에 성공했는데요. 일본, 독일, 미국 등에 이어 세계 4번째로 개발에 성공한 것이죠. 

이번에 효성첨단소재가 개발한 건 T-1000급인 '초고강도' 탄소섬유에요. 그간 효성첨단소재가 생산해온 건 T-700급 탄소섬유였고요. T 뒤에 붙여진 숫자가 높으면 높을수록 인장 강도와 탄성율이 더 높대요. T-700급 탄소섬유는 철보다 강도가 10배 이상, T-1000급 탄소섬유는 14배 이상 높아요. 

T-1000급 탄소 섬유는 전체적인 공정 난이도가 높고 차별화된 기술이 필요한데요. 그동안 초고강도 탄소섬유 기술을 보유한 국가는 미국, 일본이 유일했지만 이번 효성첨단소재의 개발 성공으로 한국도 관련 기술을 확보하게 됐어요.

효성첨단소재 전주공장 전경. /사진=효성 제공.

그렇다고 T-1000급 탄소섬유가 T-700급에 비해 상품이 우수하다고만 볼 순 없어요. 각자 활용되는 분야가 다르기 때문인데요.

T-700급 탄소섬유는 수소연료탱크, 전선심재, 태양광 단열재 등에 사용되고 있고요. T-1000급 탄소섬유는 최신 항공기 부품, 인공위성 등 우주항공산업에 주로 사용돼요. 

특히 초고강도 탄소섬유는 위성체, 우주발사체 등 개발에 필수적인 소재로 꼽히고 있대요. 기존 발사체에 사용되는 알루미늄과 비교했을 때 무게는 가볍고 탄성은 더 좋기 때문인데요. 최근 발사된 누리호에도 탄소복합재가 사용됐다고 하네요. 

방산 분야에서도 초고강도 탄소섬유를 적용하면 경량화가 가능해 속도, 사거리가 향상되는 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대돼요.

탄소섬유시장의 미래는 밝아요. 일본의 시장조사 전문경제에 따르면 글로벌 팬계 탄소섬유 시장은 2035년까지 연평균 10% 성장할 것으로 보고 있어요. 탄소섬유 생산량은 2021년 8만5790톤에서 2035년 32만7430톤으로 늘어날 전망이에요. 

효성은 그룹 차원에서 탄소섬유를 미래 먹거리로 지목하고 있어요. 효성첨단소재는 2028년까지 총 1조원을 투자해 전주공장 탄소섬유 생산라인을 2만4000톤까지 확대할 계획이고요. 현재는 생산능력을 6500톤에서 9000톤까지 늘리기 위한 3차 증설을 진행하고 있대요.

[테크따라잡기]는 한 주간 산업계 뉴스 속에 숨어 있는 기술을 쉽게 풀어드리는 비즈워치 산업부의 주말 뉴스 코너입니다. 빠르게 변하는 기술, 빠르게 잡아 드리겠습니다. [편집자]

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