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[소재탐구] 각광 받는 미래 소재! 카본(탄소)란 무엇일까?

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바로발주

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2023-07-05

목차

    안녕하세요. 소재 탐구 시간입니다.

     

    이번 시간에는 ‘카본’에 대해서 알아보려고 하는데요.

    인류가 카본을 소재나 도구에 본격적으로 활용하기 시작한 지는 40년 남짓으로, 다른 소재들에 비해 역사가 짧습니다. 하지만 그동안 카본은 무엇으로도 대체할 수 없는 필수적인 소재로 자리매김했습니다.

     

    카본의 정의

    탄소로 이루어진 석탄의 모습

    카본을 우리말로 번역하면 탄소입니다. 주기율표에서 6번 “C”에 해당하는 원소로, 우리에게 익숙한 석탄이나 다이아몬드도 탄소로 이루어져 있습니다. 하지만 제조업 분야에서 카본은 일반적으로 탄소 섬유를 의미합니다. 무게가 가볍고 쉽게 부식되지 않으며, 다양한 형태로 제작이 가능하다는 특징이 있습니다.

     

    카본 사용 방법

    카본을 사용하기 위해서는 우선 그림과 같은 카본 원사를 서로 겹치고 에폭시라고 불리는 강력한 접착제를 이용해야 합니다. 그렇게 하면 프리프레그라고 불리는 카본 원단이 만들어집니다. 결국 이 복합재 소재가 최종 부품 형틀에서 열과 압력을 받아 기계적, 열적 물성이 뛰어난 복합재 부품으로 탄생하게 되는 것입니다.

    카본의 장점은 무게가 가벼우면서 강도가 강하다는 것입니다. 탄소 섬유는 철의 25%, 알루미늄의 70% 정도의 무게를 가지지만, 철의 10배에 달하는 강도를 가지고 있습니다. 다양한 분야에 사용할 수 있지만 카본이 주로 쓰이는 분야로는 아무래도 항공, 선박 등을 언급할 수 있습니다.

    분야의 특성상 제품의 무게가 가벼울수록 유리하기 때문에 카본이 입지를 많이 가져갈 수 있고 가볍다는 특성은 승객들의 안전 문제와도 직결되어 있습니다. 특히 항공의 경우 1차 사고뿐만 아니라 추락과 같은 2차 사고까지 고려해야 하는데, 그런 점에서 가볍다는 특징이 엄청난 가치로 다가옵니다.

    카본의 가벼운 특징을 이용한 자전거

     

    또 하나 가볍다는 특징으로 인한 이득을 많이 보고 있는 분야가 자전거입니다. 자전거는 휴대가 간편해야 하고 사람이 직접 힘으로 운전하기 때문에 가벼워야 합니다. 그리고 디자인을 덧붙일수록 무거워지는 다른 철 소재들과 달리 카본은 다양한 디자인, 형태로 변화할 수 있습니다. 주행하면서 탑승자가 느끼는 잔진동, 충격 역시 카본이 효과적으로 흡수해서 탑승자의 피로도를 줄일 수 있습니다. 또한 몇 년 놔두면 녹이 슬고 부식되기 시작하는 알루미늄이나 다른 철들과는 달리 카본은 반영구적입니다. 그래서 소비자들이 일정 주기로 자전거를 교체함으로써 이득을 볼 수 있는 자전거 제조사 입장에서는 오히려 낭패인(?) 부분도 있다고 합니다.

    하지만 이렇게 만능처럼 보이는 카본도 단점이 있습니다.

     

    카본의 단점

    첫 번째 단점은 가격이 매우 비싸다는 것입니다. 카본 소재 자체의 가격은 그렇게 높지 않지만, 문제는 인건비입니다. 카본은 원사가 실 형태로 되어 있어서 알루미늄이나 철처럼 주물이나 틀에 주조할 수가 없습니다. 그래서 재단된 카본 원사를 겹치고 에폭시 등의 접착제를 통해 카본을 겹치는 과정을 사람이 직접 해야 합니다. 이 과정이 귀찮기도 하고 그러면서 상당히 전문화된 기술이기 때문에 인건비가 높습니다.

    두 번째 단점은 생각보다 내구성이 높지 않다는 것입니다. 다른 철들은 큰 충격을 받을 시 구부러지거나 움푹 파이는 등 모양이 변하는 정도로 끝나지만, 카본은 아예 깨지거나 절단되는 상황까지 이르게 됩니다. 게다가 정확히 어디가 파손된 건지 맨눈으로 확인하기 힘들어서 검사를 받아야 하는데 그 비용 역시 50만 원 이상으로 높습니다. 그러므로 물론 수리하는 일도 쉽지 않습니다. 즉, 인장강도가 높긴 하지만 내구성이 그만큼 좋지는 않다고 정리할 수 있습니다.

    세 번째 단점은 카본이 발암물질이라는 것입니다. 카본은 WHO가 지정한 1급 발암물질로 석탄, 석유, 나무 등 탄소를 포함한 물질이 불완전 연소할 때, 그리고 자동차가 배출한 매연과 화력발전소에서 배출되는 연기와 같은 성분인 블랙 카본을 생각하면 이해하기가 쉽습니다. 실제로 블랙 카본은 버스에서 가장 많은 수치가 측정되었고, 2위가 지하철, 3위가 바로 자전거였습니다.

     

    탄소나노튜브

     

    이처럼 단점이 있고 그래서 카본은 다른 금속들처럼 대중적으로 상용화되지는 않았습니다. 하지만 동시에 소재가 지닌 장점과 잠재력도 무궁무진하기에 계속해서 연구되고 개발되고 있는데요, 그 예시로 탄소나노튜브와 같은 나노카본 복합재료는 인류의 미래를 책임질 소재로 각광 받고 있습니다. 2004년 금속기지 내에 탄소나노튜브의 강화 효과가 확인된 이후로 일본과 독일을 중심으로 이에 대한 연구가 진행 중인데요. 최근에는 고강성, 고강도를 얻기 위한 연구와 공정에 들어가는 단가를 절감한다는 목적을 중심으로 연구가 진행되고 있다고 합니다.

     

    오늘은 카본 소재에 대해 알아보았습니다. 이 글이 어떤 소재를 이용할지 결정하는 일에 도움이 되었으면 좋겠습니다.

     

    오늘도 저희 바로발주에 방문해주시고 글 읽어주셔서 진심으로 감사드립니다!

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