자동차 정보 이슈 채널 - 자동차 신소재 카본 파이버

 

탄소섬유, 카본 파이버

 

 

카본 파이버(탄소섬유)

탄소 섬유라고 불리는 Carbon firber는 탄소가 주성분이며 굵기가 0.005~0.0010mm 정도 되는 매우 얇은 섬유이다. 카본 파이버를 구성하고 있는 탄소의 원자들은 섬유의 길이방향을 따라서 육각형 모양의 고리 결정 형태로 붙어 있고, 이 분자 배열 구조로 인해서 매우 강한 물리적 속성을 가지게 된다. 수천 가닥의 탄소 섬유가 꼬여서 한 가닥의 실이 만들어진다. 카본 파이버는 다양한 패턴으로 짜일 수 있으며, 플라스틱과 함께 사용되기도 하여 탄소 섬유 강화 플라스틱과 같은 가볍고 강한 복합 재료로 만들어지기도 한다. 또한 탄소 섬유는 밀도가 철보다 매우 낮은 편이라 필수적으로 경량화를 해야 하는 조건에서 사용하기 좋다. 카본 파이버는 인장 강도가 높고, 무게가 가벼우며, 열팽창률이 낮아 항공우주 산업, 군사, 토목건축, 자동차와 스포츠 분야에서 각종 소재로 널리 사용되고 있다. 반면에 가격이 섬유 유리나 플라스틱과 같은 유사 소재에 비해 높고, 순간적인 충격이나 압축하는 힘에는 약한 편이다. 

자동차 업계가 탄소섬유에 집중하는 이유

자동차 개발 업계는 오랜 시간동안 가벼우면서 단단한 소재를 찾아왔다. 왜냐하면 자동차는 가벼울수록 더욱 빠르고 멀리 달릴 수 있기 때문이다. 현재에 이르러서도 자동차의 무게를 줄이는 일은 기술자들을 매우 고심하게 만들고 있다. 갈수록 안전과 편의 품목이 늘어나고, 전장품 비중이 높아지면서 차 한 대를 제작할 때 들어가는 부품수가 끝도 없이 올라가기 때문이다. 이 이유로 인해서 자동차 소재가 다시금 주목받는 것이다. 부품 패키징을 개선하고 공기저항을 줄이는 접근은 이미 기술적 한계에 도달했다. 더 가벼우면서 튼튼한 자동차를 만들기 위한 소재를 찾기 위해 자동차 업계는 물론 화학, 철강 등 관련된 업계가 엄청난 노력과 자금을 쏟아붓고 있다. 가장 먼저 자동차의 기본이 되는 뼈대를 만드는 재료가 철에서부터 다양한 비철합금으로 옮겨졌다. 이것보다 조금 빠른 시기에 금속 소재를 대체할 대안이 등장했다. 바로 카본 파이버, 탄소섬유이다. 1950년대 후반에 골프채나 낚싯대의 원재료로 범용 카본 파이버(GPCF)가 양산되었는데, 보잉과 에어버스 등의 항공업계는 카본 파이버의 가볍고 질긴 물성 덕분에 1960년대 이후 비행기, 우주선의 재료로 이 카본 파이버의 개발에 박차를 가했다. 카본 파이버는 같은 부피일 경우에 무게가 철의 25%의 불과하나 인장강도가 10배 이상이나 된다. 부식 위험도 적고 열팽창률이 낮아 자동차용 재료로 매우 적합하다. 플라스틱 수지를 카본 파이버와 혼합하여 만들어낸 것이 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)이다. 이러한 경량화 소재를 개발하는데 앞장선 브랜드는 영국의 맥라렌이었다. 맥라렌의 디자이너 존 버나드는 1980년대 카본 파이버의 소재를 눈여겨보았다. 그는 레이싱용 경주차를 더 가벼우면서 단단하게 제작하기 위해 당시에는 획기적이었던 탄소섬유 모노코크를 제안하였다. 모노코크 방식이란 별도의 프레임이 없이 차 표면의 그 자체로 지지대 역할까지 하는 구조를 말한다. 이러한 탄소섬유 모노코크라는 기술적 진보가 맥라렌이 황금시대를 이루어낼 수 있었던 밑거름이 되었다. 최근 브랜드 플래그심 라인업 720S에서는 카본 파이버 모노제이지 2가 새로 개발되어 적용되었다. 차량의 중량이 1283kg이 될 정도로 극한 경량화가 성공한 자동차이다. 국내의 한 자동차 업계에서는 카본 파이버의 가격이 아직은 비싼 편이지만, 고효율과 친환경이 현대 자동차 시장의 대세가 된 만큼 계속적으로 적용 범위가 늘어날 것이라고 보았다. 영국과 독일과 비교하여 우리나라도 탄소 섬유 분야에서 절대 뒤처지지 않는 기술력을 가지고 있어 자동차 소재 분야에 충분히 잠재력을 보유하고 있다고 설명하였다.