이번 시간에는 ‘카본’에 대해서 알아보려고 합니다. 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.
탄소 개요
탄소(카본)의 정의
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. 탄소 섬유는 가볍고 쉽게 부식되지 않으며, 다양한 형태로 제작이 가능하다는 특징이 있습니다. 무게가 가볍다는 것은 카본의 큰 장점 중 하나로, 철의 25%, 알루미늄의 70% 정도의 무게를 가집니다. 그러나 강도는 철의 10배에 달합니다. 이로 인해 항공, 선박, 자전거 등 다양한 산업 분야에서 카본이 사용되고 있습니다.
카본 사용 방법
카본을 사용하기 위해서는 우선 카본 원사를 서로 겹치고 에폭시라는 강력한 접착제를 사용해야 합니다. 이렇게 만들어진 프리프레그는 복합재 소재로, 열과 압력을 받아 기계적, 열적 물성이 뛰어난 복합재 부품으로 탄생하게 됩니다. 카본은 주로 항공, 선박, 자전거 등의 분야에서 많이 사용되며, 그 이유는 가벼우면서도 강도가 뛰어나기 때문입니다.
항공 분야에서의 카본 사용
항공기 부품에 카본을 사용하면 비행기의 무게를 줄일 수 있어 연료 효율이 높아집니다. 무게가 가벼우면 비행기의 성능과 안전성 모두에 긍정적인 영향을 미칩니다. 가벼운 항공기는 연료 소비가 줄어들어 경제적 이점이 크고, 환경에도 덜 부담이 됩니다. 또한, 가벼운 무게는 사고 발생 시에도 큰 장점으로 작용합니다. 항공기 사고 시 충격을 줄여 승객의 안전을 보장할 수 있으며, 비상 상황에서 기동성을 높여 빠르게 대처할 수 있습니다.
자전거 분야에서의 카본 사용
자전거는 가벼울수록 주행 성능이 향상됩니다. 카본으로 만든 자전거는 철 소재의 자전거에 비해 무게가 가볍고, 잔진동과 충격을 효과적으로 흡수하여 탑승자의 피로도를 줄여줍니다. 또한, 카본은 부식되지 않아 반영구적으로 사용할 수 있습니다. 자전거는 휴대가 간편해야 하고, 사람이 직접 힘으로 운전하기 때문에 가벼운 것이 중요합니다. 디자인의 자유도가 높아 다양한 형태와 색상으로 제작할 수 있으며, 이는 사용자에게 다양한 선택지를 제공합니다.
카본의 장점
카본의 가장 큰 장점은 무게가 가벼우면서도 강도가 높다는 것입니다. 이러한 특성 덕분에 다양한 산업 분야에서 카본이 중요한 소재로 사용되고 있습니다. 카본은 다양한 형태로 가공할 수 있어 디자인의 자유도가 높습니다. 또한, 내구성이 뛰어나고 부식에도 강합니다.
경량성과 강도
카본은 철보다 가볍지만 강도는 10배에 달합니다. 이로 인해 자동차, 항공기, 자전거 등에서 카본을 사용하여 경량화와 성능 향상을 동시에 추구할 수 있습니다. 경량화는 연료 효율성을 높여 경제적 이점을 제공하며, 제품의 성능과 수명을 향상시킵니다.
부식 저항성
카본은 부식에 강해 알루미늄이나 철과 달리 장기간 사용해도 녹이 슬지 않습니다. 이로 인해 장기간 유지보수가 필요 없는 부품 제작에 유리합니다. 부식 저항성은 특히 해양 환경에서 사용되는 부품에 큰 장점을 제공합니다. 부식으로 인한 손상을 방지하여 안전성과 내구성을 높일 수 있습니다.
카본의 단점
카본은 다양한 장점이 있지만 단점도 존재합니다. 첫 번째 단점은 가격이 비싸다는 것입니다. 카본 소재 자체의 가격은 그렇게 높지 않지만, 제조 과정에서 인건비가 많이 들기 때문에 최종 제품의 가격이 높아집니다.
제조 비용
카본은 원사가 실 형태로 되어 있어, 알루미늄이나 철처럼 주조할 수 없습니다. 재단된 카본 원사를 겹치고 에폭시 등의 접착제를 통해 카본을 겹치는 과정을 사람이 직접 해야 합니다. 이 과정이 귀찮기도 하고 전문화된 기술이 필요하기 때문에 인건비가 높습니다. 또한, 이러한 제조 방식은 시간이 많이 소요되며, 대량 생산에 어려움을 겪을 수 있습니다.
내구성의 한계
카본은 인장강도가 높지만 내구성이 그만큼 좋지는 않습니다. 큰 충격을 받으면 구부러지거나 움푹 파이는 정도로 끝나는 철과 달리, 카본은 아예 깨지거나 절단될 수 있습니다. 파손된 부분을 확인하고 수리하는 데에도 비용이 많이 듭니다. 이는 제품의 신뢰성을 저하시킬 수 있으며, 사용자가 수리나 교체를 자주 해야 하는 불편을 겪을 수 있습니다.
발암물질 관련 우려
카본 섬유 자체는 발암물질로 분류되지 않습니다. 그러나 카본 섬유의 제조 과정이나 불완전 연소 시 발생할 수 있는 미세 입자들이 건강에 영향을 줄 수 있습니다. 특히 WHO가 1급 발암물질로 지정한 블랙 카본은 카본 소재의 불완전 연소 시 생성될 수 있으며, 이는 인체에 유해한 영향을 미칠 수 있습니다. 버스, 지하철, 자전거와 같은 교통수단에서 이러한 미세 입자들이 높은 수치로 측정되는 경우가 있어 주의가 필요합니다. 이는 사용자의 건강과 환경에 잠재적인 영향을 미칠 수 있으므로, 카본 소재의 적절한 관리와 처리가 중요합니다.
미래의 카본 소재
카본은 현재 다양한 연구와 개발이 진행되고 있는 소재입니다. 특히 탄소나노튜브와 같은 나노카본 복합재료는 인류의 미래를 책임질 소재로 각광받고 있습니다. 2004년 금속기지 내에 탄소나노튜브의 강화 효과가 확인된 이후로 일본과 독일을 중심으로 연구가 진행되고 있습니다. 최근에는 고강성, 고강도를 얻기 위한 연구와 공정에 들어가는 단가를 절감하는 연구가 활발히 이루어지고 있습니다. 나노카본 복합재료는 항공우주, 전자, 의료 등 다양한 산업 분야에서 혁신적인 변화를 이끌고 있습니다.
