탄소섬유

1 Carbon Fiber

일반적으로 탄소섬유를 재료로 하여 만들어진 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer 혹은Plastic)를 일컬어 말한다. 폴리머(플라스틱) 매트릭스 안에 탄소섬유가 일정한 공정에 따라 침투된 복합 재료(Composite)이다. 탄소섬유는 높은 인장 강도와 강성을 제공하고, 폴리머 매트릭스는 섬유를 감싸서 구조 재료로서의 형태를 유지하는 동시에 내충격성을 부여한다.

CFRP는 금속보다 가벼우면서도 금속에 비해 인장강도와 탄성계수가 뛰어나다. 이러한 CFRP는 섬유부피비 60%선에서 1.5~1.6 g/cm3정도로 대단히 경량[1]이면서 인장강도와 탄성계수는 특수강을 압도하는 성능을 자랑한다. 철은 밀도가 7.8 g/cm3를 넘겨버리므로 비강도 측면에서 계산하면 CFRP가 넘사벽을 자랑한다. 그래서 자동차, 자전거 등 경량과 강성을 요구하는 탈것에 많이 쓰인다. 잘 알려지지는 않았지만 최근들어 보편화된 전동차의 유선형 전두부(이를테면 뱀눈이 같은 거)도 이 재료로 만들어진다.[2] 다만 가격의 문제로 슈퍼카, 우주왕복선, 항공기 처럼 아주 비싼 경우에만 사용된다. 예를 들어 람보르기니나 페라리에서 나오는 차종이나 두카티등의 이륜차 기종등. 이것 때문에 수많은 자덕들이 대륙봉으로 고생을 사서 하고 있으며, 헤어나올 수 없는 지름신의 개미지옥에 빠지는 불상사가 벌어진다.

주의할 점은 CFRP의 압축강도와 충격강도는 금속 재료에 비해 상대적으로 나쁘다는 것이다. 따라서 용도 불문하고 최강의 소재라는 식의 인식은 잘못된 것이다. 더불어 탄성계수가 높다는 것을 잘 휘어지는 것으로 해석하는 일반인들이 있는데, 고탄성계수라는 공돌이 용어를 일반인 표현으로 바꿀 경우 이는 잘 휘어지지 않는다는 소리가 된다.[3]. 자세한 내용은 응력 문서 참조.

일부에서는 초고장력강도 압도하는 물성인 듯 알려져 있지만 이는 순수한 섬유의 물성이지 성형된 CFRP의 물성은 아니다. 섬유 자체만으로는 내충격성이 없고 섬유 방향으로부터 수직 평면에서 충격을 받으면 섬유가 그냥 끊어져버리므로 밧줄이나 뽀대용 외장 재료 정도로밖에 쓸 수 없다. 이런 분야로는 나일론이나 케블라가 이미 쓰이고 있으므로 섬유만 쓰는 일은 거의 없다.

탄소섬유 자체의 재료비는 그리 비싼편이 아니다[4]. 하지만 복합소재, 특히 높은 섬유비율을 뽑아내야 하는 고강도 복합소재분야의 특성인 더러운 노동집약적 공정으로 인해 성형품의 가격은 재료비를 훌쩍 뛰어넘게 된다. 오늘날에는 자동화된 라미네이팅을 위한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 상당한 성과를 보이고는 있지만, 역시 자유로운 형상의 고강도 성형품은 여전히 사람손에 전적으로 의지하고 있다.

그러나 아직 희망은 있다. 역시 탄소섬유 수요가 특히나 많은 자동차 업계에서 이것을 대량생산하고자 하는데, 일단 BMW에서 2015년 이전에 출시할 전기차 부품조달을 위해 1억달러 규모 공장을 건립할 예정이고, 토요타는 탄소섬유를 생산중인 도레이와 합작하여 약 1/5 수준으로 낮췄다고 한다.[5] 그래서 LFA는 그렇게 비싼거였나? 그리고 자전거쪽에서 대량생산을 통해 가격을 낮출 수 있을까? 사실 CFRP를 이용하는데 있어 가장 큰 걸림돌은 원료의 비용보다도 공정과 품질관리 비용이다. 그러니까 대륙애들만 믿자

1.1 제조 방법

원재료가 되는 실(합성섬유 등)을 진공, 고온에서 태워 탄소만 남긴 것을 탄소 필라멘트라고 한다. 이것을 일단 실패에 감아 직조 공장으로 보내 시트 형태로 직조하여 공급한다.

직조 방식에 따라 평직과 능직, UD탄소으로 나뉘어 지며 직조하는 필라멘트의 가닥수에 따라 1K, 3K, 12K 등의 등급이 나뉘어지며 여기서 K는 Kilo 즉 1000가닥을 뜻한다. K수가 높아질수록 탄소 시트지에 특유의 바둑판 모양 무늬가 더욱 크게 보인다. K수가 탄소섬유의 품질을 의미하는 것은 아니고 사용할 부위가 견뎌내야 할 힘의 특성에 따라 다양한 시트지를 사용하며 여러 등급의 탄소 시트지를 적층하여 완성하기도 한다. 직조 무늬가 나타나지 않는 UD(Unidirectional) 탄소 시트도 있다. UD는 한쪽 방향으로 견디는 힘은 가장 강한 대신 측면 강성은 대단히 약한 특징을 가진다.

탄소 시트지 자체는 천에 가까운 성질을 가지기 때문에 그대로 사용하는 경우는 많지 않고 보통 에폭시 등의 수지를 함침시켜 단단하게 만들어 사용한다. 시트지를 몰드에 뭍이고 수지를 주입하는 공정에서 가장 많은 손이 가며 탄소 제품의 가격의 대부분은 이 과정에서 투입되는 인건비가 차지한다. 탄소 제품을 갖고는 싶은데 돈이 없는 위키니트는 직접 탄소 원사와 에폭시 등을 구입해서 DIY하면 돈을 꽤 아낄 수 있다. 물론 만들어진 제품의 품질은 전적으로 본인 손재주에 달렸다. 강성이 요구되는 부품은 DIY해 쓰면 위험하니 자제하자.

간간이 카본 파이버 원단 자체가 강하다고 생각하는 사람들이 있다. 실질적 강도는 고압 고열 프레스로 성형시 생성된다. 유튜브의 카본 파이버 바디 제작사들을 보면 사이클 프레임 바디나 대량생산이 불가한 슈퍼카의 부품등을 알루미늄 틀에 열을 가하는 정도의 제작과 (레고처럼 부품은 다르되 사출 프레임 틀은공용 고열 고압 프레스로 누르기는 한다. 직접 방식보다는 가해지는 열과 압력 떨어지지만) 대형 프레스로 압력과 열을 가하는 제작 (실질적인 카본 파이버의 물성을 재현하는 제작방식 그리고 돈과 전기와 시간,노동력이 갈려 들어가겠지) 심지어 위에 서술한대로 결과 직조에 따른 강도를 위해 아예 3차원 직조기로 꽈베기 실뜨기 처럼 강성과 부하 하중을 고려해서 입체적으로 직조하여 초고압 고압 고열 가공으로 마무리하는 방식까지 발전했다.

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렉서스 LF-A 부품 직조 과정1

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렉서스 LF-A 부품 직조 과정2
무슨 마약을 하길래 이렇게까지 제작할 생각을 했여요?
제작과정이 너무 힘들어서물론 자본도 어마어마하게 든다 로워암과 서스펜션부는 카본 제작을 포기하고 알루미늄 모재를 고압 압착하여 절삭가공으로 만들었다.
F35 메인 동체 제작 방식으로 만드는게 쉽다고?

람보르기니에서는 카본파이버의 단점을 보완한 티탄카본을 선보였다고 하나 신뢰할만한 기술적인 자료를 구하기 어렵다
아시는 분은 티탄 카본의 특성과 성형 사출에 대해 추가 바람.

DIY로 에폭시 함침만 하는 정도는 사실 카본룩 정도이기 때문에 드레스업 또는 세미 경량수준그돈으로 그냥 FRP성형을 하라의 부품이 된다. 물론 그 덕분에 카본파이버 제작 공정 노하우에 따라 강성, 경도, 비틀림 다양한 변수의 품질이 나온다. 참고로 람보르기니에서 카본파이버 제작 노하우를 가지고 독립한 회사가 존다로 유명한 파가니 이다. 다시 한번 말하지만 제작방식과 노하우로 인해 과장을 좀 보태서 엄청나게 크게 품질과 물성 차이가 있기 때문에 DIY제작은 카본룩이나 드레스업으로 한다고 생각해야한다.
실질적인 온라인 제작 업체도 합침 수준에서 카본파츠라고 팔고있다. 무게도 강철에 비해 가볍다고 광고한다.
물론 무게는 같지만 물성이 카본급이란 말은 안했습니다. 열과 압력만 가하지 않아서 그렇지 카본 맞잖아요? 그럼 석탄은 왜 다이아 값으로 안파냐? 에폭시 합침만으로 만든 부위를 이용해 부품제작시 하중을 많이 받는 부위는 많은 고려만들어 쓰는 파츠로 제발 프레임이나 구동부에 적용하지 마시오를 해야할 것이다. 독일의ZF도 카본 파이버 서스펜션을 공개후 양산소식은 2015년 기준 장장 5년째 깜깜 무소식이다.

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최근에는 탄소 섬유에 직접 함침을 하는 대신 공장에서 미리 수지에 함침시킨 프리프레그(prepreg: preimpregnated materials)형태를 사용하는 경우가 많다.

최근 탄소섬유 제품이 친환경적이지 못하다는 이유로 여러 국가에서 산업 자체를 퇴출시키려는 분위기이다. 그 이유는 탄소섬유 먼지가 인간의 폐에 치명적이기 때문. 본문의 렉서스 LF-A 두번째 사진의 작업자를 보면 감이 잡힐 것이다. 이 문제는 BMW i3를 비롯한 풀카본 차체의 차량들이 그대로 안고 있는 문제점인데. 사고 시 탑승자를 무사히 꺼내기 위해선 탑승자를 대형 비닐 팩을 씌워 격리시키고, 그곳에 산소를 공급하는 골때리는 방법을 이용해가면서 꺼내야 한다는 결론을 내린 바 있다.[6] 인건비가 저렴해 노동 집약적 산업인 탄소 제작을 중국에서 해왔지만 그쪽은 산업화만 생각하다보니 환경규제도 덜 하는지라... 어쩌면 자전거 제조업체인 스페셜라이즈드에서는 탄소섬유 자전거를 제작하는 업체다운 책임을 가지고 폐기 대신 재활용을 선택한다고 한다. 이 탄소섬유는 폐기에 드는 비용보다 재활용하는 비용이 수 배는 높게 든다.

2 던전 앤 파이터의 방어구

무직세트
카본파이버 : 20레벨 천 방어구→견습 수행자의 예복

벨트, 머리어깨는 레시피로 제작가능
머리어깨 : 공격속도 + 3%
상의 : 히트리커버리 + 20, 화속성 저항 +4~6
하의 : 히트리커버리 +20, 화속성 저항 + 4~6
신발 : 이동속도 +6%
벨트 : 인벤토리 무게 한도 3 kg

세트효과 :MP 분당 30회복,화속성 저항 + 8~12
  1. ↑ 금속 중 가볍다는 알루미늄이 2.7 g/cm3며, 통상의 플라스틱이 1 g/cm3정도다.
  2. ↑ 잘 알려지지 않은 사실인데, 스마트폰 터치펜 제품군 중 일부는 펜촉 재질이 탄소섬유인 경우도 있다.쓸데없는 고급화 근데 인식률이 고무 펜촉보다 압도적으로 좋다 재질이 재질인 만큼 손톱 크기의 교체용 펜촉 한 개 가격이 어마어마한데, 그 가격으로 스마트폰 케이스를 사도 돈이 남는 수준이다(...)
  3. ↑ 정확히는 휘기위해 많은 힘이 필요하다.
  4. ↑ 물론 어디까지나 탄소섬유 제품을 구입하는 소비자 기준. kg당 20달러정도 한다.
  5. ↑ 출처: 네이버캐스트 http://navercast.naver.com/contents.nhn?contents_id=5435
  6. ↑ BMW와 독일 소방청이 i3가 충돌사고로 파손되었을 시를 가정한 가상 훈련을 실행한 바 있었는데. 이때 파손된 i3에 접근하기 위해 소방관들은 전부 산소호흡기를 끼고 접근해야 했다고 한다.