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[테크따라잡기]수소경제 감초랍니다 '탄소섬유'

  • 2021.04.11(일) 09:29

수소를 에너지원으로 사용하는 세상이 다가온다고 해요. 이른바 '수소경제' 시대죠. 수소는 화석연료를 대체하면서 효율도 좋고, 무엇보다 환경에 부담이 적어 미래 산업을 이끌 대안으로 꼽히고 있어요. 에너지도 워낙 강력해요. 수소폭탄의 위력이 잘 알려져 있기도 하죠. 잘못 다루면 엄청난 사고로 이뤄질 수 있어요.

그래서 수소경제에 꼭 필요한 소재가 바로 탄소섬유(Carbon Fiber)에요. 탄소섬유는 실처럼 보이지만 원사(실) 속에 탄소가 92% 이상 함유된 섬유를 말해요. 무게는 철의 4분의 1이지만, 10배의 강도, 7배의 탄성을 갖고 있죠. 불에도 강하고 여간에선 삭지도 않아요. 그래서 고압의 수소를 저장하는 용기나 장치에 쓰이는 거죠.

탄소섬유 원사/사진=효성첨단소재 제공

탄소섬유는 어떻게 만들까요? 제조 방법에 따라 크게 PAN(팬, 폴리아크릴나이트, Poly-Acrylonitrile)계와 PITCH(피치)계로 나눠지는데 미국과 일본이 주도하는 소재업계 대부분이 팬계로 탄소섬유를 만든대요. 간단히 설명하면 팬이라는 탄소-질소 화합물을 산소를 차단한 상태에서 고열을 가해 탄소만 남기면 된대요. 그게 바로 탄소섬유라네요.

조금 더 자세히 알아볼까요? 원료는 아크릴로나이트릴(acrylonitrile)이라는 화합물이에요. 화학공장에서 생산되는 독성이 강한 물질인데 플라스틱, 접착제 및 합성 고무 제조에 흔하게 사용돼요. 이걸 열과 압력을 가해 고분자 상태의 팬으로 만들고(중합), 팬을 아크릴 섬유로 만들어(방사), 1200℃ 이상의 고온에서 탄화(소성)하면 탄소섬유가 완성되죠. 

PAN계 탄소섬유 생산과정/자료=효성 제공

끝이 아니에요. 이렇게 만들어진 탄소섬유의 한 가닥의 지름은 7㎛(마이크로미터)에요 100만분의 7미터란 뜻이죠. 머리카락이 50~70㎛인 걸 생각하면 그보다 10분의 1로 가느다랗단 얘기에요. 이걸 수천에서 수만 가닥 모으면 강철보다 단단한 탄소섬유가 만들어지는 거죠. 얼마나 강하냐고요? 단면이 1㎟인 탄소섬유 다발은 700㎏의 중형차를 매달고 버틸 정도로 강하다고 해요. 

가벼우면서도 강한 탄소섬유는 수소경제뿐만 아니라 우리 주변의 다양한 제품과 산업에 이미 적용되고 있어요. 자동차, 건축 등에도 사용되고 우주항공 등 첨단 미래 산업, 낚시 골프 같은 스포츠 ·레저 등 소비재 분야에도 사용되죠. 강하면서도 가벼운 것이 필요한 모든 곳에요. 거의 모두 복합재료화돼 사용되는데 적용 분야나 최종재의 특성에 따라 다양한 가공법이 적용돼요. 탄소섬유강화 플라스틱, 탄소섬유강화 금속 같은 식이죠. 

탄소섬유의 강도 비교 예시/자ㄹ=효성 제공

우리나라에서 가장 먼저 탄소섬유를 생산하기 시작한 곳은 효성첨단소재라는 기업이에요. 2013년부터 '탄섬'이란 브랜드의 탄소섬유를 양산했어요. 이 회사는 작년 생산규모를 배로 늘려 전주공장에서 연 4000톤씩 생산하고 있어요. 앞으로는 2028년까지 1조원을 투자해 연 2만4000톤까지 생산능력을 키울 계획이래요.

효성첨단소재는 이달 초 한화솔루션에 고압용기에 쓰이는 고강도 탄소섬유를 6년간 공급하는 계약을 맺기도 했어요. 2027년까지 6년간 1600억원 규모 고강도 탄소섬유을 공급하기로 했다는 군요. 한화솔루션은 수소 저장탱크를 만드는 사업에 힘을 쏟고 있다고 하네요. ▷관련기사: '니콜라 대박' 멋쩍지만…수소 힘주는 한화솔루션(2020년 12월 30일)

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