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탄소 섬유(carbon fiber)의 성형 방법

작성자 : hes0715 분류 : 시제품 | 표면처리 작성일 : 2018.03.13 09:23:41 조회 : 2667 키워드 : 성형방법,표면처리,탄소섬유,시제품

(요약/배경)

일반 플라스틱 재질보다 성능이 매우 우수한 탄소섬유를 시제품에 적용하려고한다. 탄소섬유를 가공하는 방법과 어떤 분야에 본 재질이 적용되어 지며, 본 재질의 장단점은 무엇인가?


설명

(개요)

탄소섬유는 적어도 92% 이상의 탄소로 이루어진 섬유장의 탄소재료를 말하는 것으로서, 제조방법 및 출발원료에 따른 팬(PAN)계, 피치(Pitch)계, 레이온(Rayon)계 탄소섬유로 구별되어지는데 대표적인 탄소섬유의 제조공정은 아래의 그림과 같다.

 

<그림1> 탄소섬유의 제조공정

 

(탄소섬유의 종류와 활용분야)

개발 초기부터 레이온, 팬, 피치, PVC피치, 페놀 등이 탄소섬유의 제조를 위한 원료로 이용되었으나, 현재 레이온계, 페놀 등은 원료로서 그 이용이 쇠퇴하였고, 지금은 크게 PAN계와 피치계 두 종류가 주종을 이루고 있다. 피치계는 1974년 Union Carbide사(현재 AMOCO사로 합병됨)에서 PAN계와 비슷한 강도와 탄성이 우수한 탄소섬유를 구조재료용으로 기업화하는데 성공한 이후부터 자동차 및 항공기 동체, 브레이크 디스크 등에 실용화하는데, 그 수요가 해마다 두 배 정도의 율로 고성장하고 있다. 피치계 탄소섬유는 스포츠 및 산업용 범용섬유라고 할 수 있다. 피치계 탄소섬유는 다른 계통의 섬유와는 달리 콜타르 및 석유잔류물로부터 얻어지는 저가의 탄소계 물질인 피치를 직접 용융방사하여 얻은 저물성의 피치섬유를 전구체로 하는 섬유이다. 피치는 높은 경제성(저가)과 구조제어의 용이성으로 상업적으로 많이 사용되고 있다.

 

<그림1> 탄소섬유와 자동차에 활용된 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)

 

(개발배경과 응용분야)

항공우주 및 방위산업의 발전과 함께 경량소재로서 전도성, 내열성, 치수안정성 및 내화학약품성 등의 우수한 특성을 가진 고강도/고탄성 소재가 필요했다. 그래서 탄소섬유가 탄생하게 되었다. 항공, 레저, 자동차, 조선, 환경에너지, 특수산업에 고강도/고탄성의 경량화 소재로 활용되고 있다. 최신 민간항공기인 보잉사의 B787 및 에어버스의 A380 등에는 탄소섬유 복합재료를 총중량의 50% 이상 사용되고 있다.

 

Tip

세계의 탄소섬유(CFRP) 수요는 2012년 질량 기반으로 약 6만 7,000톤으로 추정되며, 2012-2020년간 CAGR 15.3%를 유지하여 2020년까지 21만 톤에 달할 전망입니다. 금액 기반으로는 2012년 102억 5,000만 달러로 추정되며, 2012-2020년간 CAGR 11.9%로 성장하여 2020년까지 152억 달러에 달할 전망이다.

 

<참고자료·문헌>

1.(http://www.giikorea.co.kr/report/inde259338-carbon-fibers-carbon-fiber-reinforced-plastics.html)탄소섬유 및 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP) : 세계 시장 개요(Carbon Fibers & Carbon Fiber Reinforced Plastics (CFRP) - A Global Market Overview)

2.(http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=zmanx&logNo=220518765328&parentCategoryNo=&categoryNo=&viewDate=&isShowPopularPosts=false&from=postView)탄소섬유(Carbon Fiber) or 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)?

3.(http://think-tank.tistory.com/m/56)각광받는 미래의 신소재 - 탄소섬유 (Carbon Fiber)

 


목록
  • 토론 ( 1 )
    • pdcman 2018.03.13 09:55:29 댓글입력
      전체적인 탄소섬유의 특성에 대해서는 잘 설명이 되었으나 탄소섬유의 제작공법이나 활용에 대한 구체적인 내용이 부족하여 보완하고자 합니다. 탄소섬유는 내열성, 내충격성이 뛰어나며 화학약품에 강하고 해충에 대한 저항성이 큽니다. 가열과정에서 산소, 수소, 질소 등의 분자가 빠져나가 중량이 감소되므로 알루미늄보다 가볍고 반면에 철에 비해 탄성과 강도가 뛰어납니다.

      <탄소섬유의 장점>
      탄소 섬유는 중량 대비 중량이 매우 높은 저밀도 물질이며, 강철 및 알루미늄과 같은 재료보다 더운 또는 차가운 조건에서 훨씬 더 작거나 팽창합니다. 방사선에 투명하고 x선에서는 보이지 않으므로 의료 장비 및 시설에서 사용하기에 가치가 있을 뿐만 아니라 적절한 수지를 사용하여 자외선 차단 가능하며, 금속에 비해 우수한 피로 특성을 가지므로 탄소 섬유로 만든 부품은 일정한 사용으로 인한 스트레스 하에서 빨리 마모되지 않습니다.

      <탄소섬유의 단점>
      탄소 섬유는 압축되거나, 강도 기능을 넘어 밀려나거나 높은 충격에 노출되었을 때 부서지는데 예를 들어 망치에 맞으면 부서 질 것입니다. 가공과 구멍은 또한 부서 질 가능성을 높일 수 있는 약한 영역을 만들 수 있습니다. 또한 상대적으로 탄소 섬유는 가격에 맞는 고품질 소재여서 수요가 크게 증가하여 공급량도 증가함에 따라 가격 경쟁력이 치열합니다.

      <탄소섬유의 활용분야>
      탄소섬유의 활용분야는 굉장히 넓은데 우서 항공주우 관련 동체 및 부품제작에 많이 쓰이며 자동차 내부부품, 연료탱크, 풍력발전기 회전날개, 건축 재료의 보강재, 골프채, 테니스 라켓, 낚싯대, 요트 의료보조기, X선 투과장치 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다.

      <참고자료>
      1. https://blog.naver.com/energybusan/220788787052
      한국화학연구원 탄소섬유의 이해 동영상
      2. https://www.youtube.com/watch?v=fZB7TfKdsxw
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