탄소섬유 - 제조, 시장, 재활용

탄소섬유는 탄소가 92% 이상 함유된 섬유이다. 가장 주변에서 흔하게 접할 수 있는 소재인 강철과 비교한다면 무게는 1/4, 강도는 10배, 탄성은 7배 수준이다. 최초의 탄소섬유라고 한다면 에디슨이 백열전구를 만들면서 사용하게 된 탄화된 대나무 섬유 필라멘트라고 할 수 있다. 

아크릴과 레이온과 같은 유기 섬유를 고온에서 가열하여 얻는다. 대량생산은 대개 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN) 이라는 합성섬유를 가열해서 만든다. 이를 고온에서 불활성 기체/무산소 상태로 (Inert) 고온으로 가열하면 대부분이 탄소로 이루어진 필라멘트가 남게 된다. 

이 필라멘트들을 고온에서 가열하여 서로 결합하도록 하면 보다 두꺼운 섬유가 나온다. 이렇게 생산된 탄소섬유를 레진과 같은 합성수지와 합쳐서 사용하게 된다. 

탄소섬유의 제조에 비해 탄소섬유 강화플라스틱의 제조는 상대적으로 용이하다. 제조된 탄소섬유를 이용하여 이를 합성수지와 잘 합치면 되기 때문... 탄소섬유의 경우 정확한 시장점유율은 용도별로 나뉘고 있으나, 주요 적용처에는 일본의 Toray가 높은 점유율을 보이고 있다. 그 외에 중국, 대만 등 다양한 아시아계 업체들이 시장을 점유하고 있다. 

탄소섬유 적용 시장은 가장 큰 곳이 항공, 그리고 풍력발전기이다. 탄소섬유는 다양한 용도에 사용되지만 그중에서도 수요를 많이 차지하는 것은 무거운 중량을 견디면서 동시에 큰 부피에 적용되어야 하는 산업. 그 외에 자동차 및 취미용으로도 다양하게 사용되고 있다. 

탄소섬유는또 Small Tow, Regular Tow, Large Tow등으로 나뉜다. 탄소섬유 한가닥에 몇 개 정도의 필라멘트가 들어있는지를 바탕으로 적은 숫자의 필라멘트로 구성된 경우 Small Tow, 큰 숫자의 필라멘트로 구성된 경우 Large Tow로 불리게 된다. Small Tow의 경우 생산비용 및 난이도가 더 높으나, 더 균일한 품질의 제품을 만들 수 있고 더욱 성능이 좋다. Large Tow의 경우 좀더 생산이 용이하다는 장점이 있다. 

 

탄소섬유강화플라스틱(CFRP)의 사용량이 증가함에 따라 CFRP폐기물도 증가하고 있다. 크게는 가공 과정에서 버려지는 New Scrap과 비행기 및 풍력발전 블레이드의 폐기 과정에서 발생하는 Old Scrap으로 나뉘는데, 가공 과정에서 버려지는 양에 대해 정확히 파악되지는 않았으나 대략 1/3정도가 가공과정에서 버려진다고 한다. 탄소섬유 자체는 버려지면서 환경오염을 크게 일으키지는 않으나, 생산과정에서 동일 중량의 철강 대비 14배의 이산화탄소를 만들어낸다. 

 

탄소섬유 강화플라스틱의 처리방법은 현재로서는 대부분 단순 분쇄, 소각, 매립에 그치고 있다. 탄소섬유강화플라스틱에 사용되는 레진은 열경화성 플라스틱으로 다시 녹여 사용이 어렵고, 다시 합성수지에서 분리해낸다고 하더라도 탄소섬유의 성능은 떨어진다. 물론, 논문에 따르면 재활용한 탄소섬유의 성능이 새로 제조한 탄소섬유의 성능과 유사하게 만드는 것 또한 가능하다고 하지만.... 

 

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