카본이란 무엇인가?

2011년 11월호 원고

 

컬럼 제목: 카본과 자전거

 

제목: 카본이란 무엇인가?

소제목: 카본 자전거에 쓰이는 카본에 대한 이야기

 

머리글: 카본자전거가 대량생산됨에 따라서 가격이 저렴해지고 널리 보급됨에 따라 카본자전거를 선택하는 라이더가 증가하고 있는 추세이다. 그러나 카본이 주는 장점과 단점에 대한 이해 없이 비싸니까 좋을 것이라는 막연한 기대감으로는 라이딩 활동과 경험에 있어서 예기치 못한 상황이 다양하게 발생할 수 있다. 카본 복합재(Carbon Composite)라는 신소재에 대한 흥미로운 이해를 바탕으로 자전거 라이딩에 있어서 더욱 큰 즐거움을 찾을 수 있도록 하는데 이 연재글의 의미를 찾고자 한다.

 

Caption. 카본 자전거는 카본 복합재를 주된 재료로 만든 자전거이다.

 

카본자전거의 카본은 무엇인가?

'점점 사람들이 카본자전거를 많이 선택하고 있어. 한강에서 도로에서 카본자전거는 눈에 띄게 늘어난 것 같아.'

우리가 여기서 카본자전거라고 할 때의 카본은 무엇을 말하는가? 필자는 여기서 말하는 카본과 카본 자전거를 엮어서 독자들이 이해하기 쉬운 글을 써보고자 한다. 왜냐하면 카본자전거와 부품을 제조하는 회사에 근무한다는 이유로 카본이 도대체 무엇인지 무수히 많은 질문을 받아왔기 때문이다.

먼저 카본은 우리말로 탄소이다. 원소기호로는 'C'로 쓴다. 자연계에 존재하는 원소이고 안정된 상태를 유지하고 있다. 그럼 요즘 지구온난화의 주범으로 지목 받고 있는 이산화탄소(CO2)의 탄소도 탄소일까? 그렇다! 미술시간에 쓰던 목탄도 탄소고 몸에 좋다고 실내에 두는 숯도, 한강 상수도사업부에서 물을 정수할 때 쓰는 활성탄 재료도 탄소다. 심지어 다이아몬드까지도 탄소다. 지구상에는 탄소가 매우 다양한 형태로 존재한다. 흔히 천의 얼굴을 가졌다는 표현이 잘 들어맞는다. 어릴 때부터 써온 연필심도 탄소다. 마찬가지로 영어로는 카본(Carbon)이다. 그럼 '카본=탄소'라고 일단 정의하자. 카본자전거는 탄소자전거라고 부를 수도 있는 것이다. 그렇다면 탄소는, 아니 카본은 우리 일상생활의 주변에 늘 존재하고 있는 소재가 아닌가? 괜히 카본이라고 써서 위화감 같은 것을 조장한 것은 아닌가 싶지만 이 글에서는 이해를 돕기 위해 탄소라는 단어 대신 카본을 써서 기술하고자 한다.

 

Caption. 연필심과 카본자전거의 유사점을 찾을 수 있겠는가?

 

카본섬유로 자전거를 만든다

우선 자전거에 쓰인 카본과 몸에 좋은 숯과는 유사성을 발견하기가 쉽지 않다. 자전거에 쓰인 카본과 숯을 이루고 있는 원소는 카본이 맞지만 형태는 다를 뿐이다. 자전거에는 섬유형태로 카본이 쓰였다. 카본 섬유, 카본 화이버(Carbon Fiber)라고 한다. 옷감에 쓰이는 실의 형태로 만든 것이 카본 섬유다. 카본 원소가 90%이상을 차지하는 섬유가 카본섬유이다. 카본섬유의 색은 그래서 검은색이다. 모든 검은 실이 카본섬유는 아니지만 검은색이 아닌 카본섬유는 없다. 그렇다면 시중에 나와있는 자전거 부품 중에 은색을 띄며 카본과 똑같은 표면 패턴을 가진 안장이나 스템은  카본섬유로 만든 것일까? 아니다. 그것은 유리섬유로 만든 제품이다. 유리섬유는 흔히 글라스 화이버(Glass Fiber)라고 부르며 카본과 마찬가지로 훌륭한 신소재로 다방면에 쓰이고 있다. 서울남산에서 운행 중인 전기버스를 땅콩버스라고 부르는데 유리섬유로 만든 버스이다. 유리섬유는 카본섬유보다 상대적으로 저렴하여 널리 쓰인다. 유리섬유에 대해서는 다음 기회에 논하고자 한다.

 

Caption. 카본섬유는 검은색이고 유리섬유는 은색을 띈다.

 

카본섬유는 어떻게 만들어지는가

이 카본섬유는 어떻게 만들 수 있을까? 여러분은 다림질을 하다가 옷감 위에 다리미를 놓고 잠시 전화통화를 한다던가 다른 일을 하다가 옷을 태워본 경험이 있을 것이다. 그때 타버린 부분은 검은 색을 띄고 잘 부스러진다. 타기 전에 옷감의 실은 탄소, 수소, 산소로 구성되어 있으나 가열된 다리미의 고열에 의해 산소와 수소는 날아가버리고 탄소만 남게 된 것이다. 이렇게 집에서도 다리미를 가지고 카본섬유를 만들 수는 있다. 그러나 카본섬유는 매우 가늘고 강해야 하므로 옷감을 태우는 것으로는 제대로 된 카본섬유를 만들 수 없다.

현재 비행기와 자전거 등에 쓰이는 카본 섬유는 1960년에야 개발이 되었다. 그전에는 에디슨이 전구의 필라멘트에 사용될 강한 섬유를 얻기 위하여 연구를 했다. 그는 무려 6,000여종의 소재를 태워 실험을 하였는데 일본의 대나무 부채살을 태워 좋은 성분의 섬유를 얻었다고 한다. 카본섬유를 만들기 위해서는 잘 말린 대나무도 하나의 좋은 소재인 셈이다.

최초의 상용화된 카본 섬유는 1958년 레이온이라는 섬유를 태워 만든 UCC사의 제품이 있다. 그러나 비슷한 시기인 1961년 일본의 오사카 공업시험소에서 개발한 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, PAN계 섬유)을 태워 만든 카본 섬유가 세계시장을 제패하게 된다. 팬계 섬유는 스웨터 등에 사용되는 아크릴 섬유이다. 제조방법은 먼저 200~300도의 열을 가해서 안정적인 성질을 갖도록 녹이고 이 섬유를 다시 1500도의 높은 열로 가열하면 섬유에 남아있는 질소와 수소가 제거되고 탄소만 남아 단단히 결합된 카본 섬유가 된다. 말로는 카본섬유제조가 쉬울 것 같지만 다양한 기술적 축적이 있어야만 카본섬유를 생산할 수가 있다. 또한 엄청난 장치 산업이어서 거대한 설비가 필요하며 짧은 기간 동안 기술적으로 따라잡는 것은 쉽지 않은 특성이 있다.

카본섬유를 생산하는 나라는 전세계적으로 몇 개국이 되지 않는데 일본이 가장 기술 발전이 높은나라이다. 일본 카본섬유 생산기업은 도레이(Toray), MRC(미츠비시레이온), Toho tenax(토호)가 대표적인 기업이다. 그중에 도레이는 전세계 시장점유율이 약 30%이며 품질과 제품 물성치의 균일화, 표준화에 있어 선도적인 기업이다. 그 이외에 미국의 헥셀(Hexcel)과 사이텍(Cytec), 일본의 미쯔비시(Mitsubishi), 대만의 포모사(Formosa), 중국의 중국석유지린화학 등이 있다. 최근에는 이란도 카본섬유를 생산하기 시작하였다고 한다. 이는 카본 섬유가 무기를 만드는데 사용되면 치명적이므로 카본섬유는 국가전략물자(MTCR)로 분류된다. 이렇게 이란에 수출할 수 없기 때문에 이란이 독자적으로 개발한 것으로 볼 수 있다. 카본 섬유는 금속이 아니므로 레이다와 엑스레이 등에 잡히지 않아 그 자체로 스텔스(Stealth) 기능을 갖는다. 미국과 일본은 카본섬유가 이란, 북한과 같은 적성국가로 반입되지 않도록 그 흐름을 항상 엄격하게 관리하고 있다. 우리나라에서는 1~2년 안에 효성, 태광, 한국도레이 등에서 카본 섬유를 국내 생산할 예정이다. 국내의 카본 섬유에 대한 자세한 이야기는 앞으로 차차 진행하도록 하겠다.

 

Caption. 카본섬유는 위와 같이 여러가지 공정을 거쳐 생산이 된다.  

 

카본섬유로 만든 카본 섬유 강화 플라스틱(CFRP)

그렇다면 이쯤에서 또 하나의 궁금증이 고개를 들기 시작한다. 카본 섬유는 옷감에 사용된 실처럼 흐느적거리고 부드러운데 어떻게 비행기와 자전거 등에 사용될 수 있는 것일까? 그에 대한 해답은 카본 섬유 강화 플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastic)에 있다. 카본섬유와 함께 에폭시 등의 액체 수지를 함께 넣어서 열에 구운 것이 카본 섬유 강화 플라스틱인데 줄여서 'CFRP'라고 한다. 에폭시 레진(Epoxy Resin)은 문구점이나 철물점에서 파는 것과 유사한데 1:1 또는 2:1로 섞어서 쓰는 강력한 접착제로 상온에서도 8시간용,  24시간용 등 일정한 시간이 지나면 굳어서 플라스틱이 된다. 하지만 이러한 방식의 카본 섬유에 에폭시 레진을 직접 주입하여 만드는 방식은 작업성이 떨어지고 내열성 문제, 환경문제, 수지함량 조절문제, 강도저하 문제 등으로 인하여 중간재인 프리프레그를 만들어 사용한다. 이렇게 카본섬유와 플라스틱이 만나 우리가 타고 있는 자전거에 사용된 카본 섬유 강화 플라스틱이 된다.

카본 섬유와 플라스틱이 합쳐진 재료처럼 두 가지 이상의 재료로 이루어진 재료를 복합재(Composite Materials)라고 한다. 카본이 사용된 복합재를 카본 복합재(Carbon Composite)라고 하는데 이 글에서는 카본섬유 강화플라스틱 대신 카본 복합재라는 용어로 계속 사용하고자 한다. 정리하자면 카본 복합재가 카본섬유 강화 플라스틱보다 더 큰 개념이지만, 이해를 돕기 위해 카본 복합재는 곧 카본 섬유강화 플라스틱을 언급하는 것으로 단순화함에 대해 양해를 구한다.

 

Caption. 카본 원단과 에폭시 레진이 만나 복합재가 되고 이 카본 복합재로 스포츠카와 자전거를 만든다.

 

카본 섬유가 그토록 강한 이유

다시 카본 섬유로 돌아가보자. 카본 섬유는 왜 그렇게 강하면서도 가벼운 것일까? 카본섬유는 철의 25%, 알루미늄의 70%의 무게를 가지며 강도는 무려 철의 10배에 이른다. 카본 섬유 한가닥은 직경이 7 마이크로 미리로 머리카락의 10분의 1 정도로 매우 얇아서 한 가닥만을 놓고 볼 때에 육안으로는 잘 보이지 않고 손으로도 쉽게 끊을 수 있다. 이렇게 얇은 섬유를 일정한 방향으로 모으게 되면 매우 강한 힘을 받을 수 있다. 옛말에 여성의 머리카락은 코끼리도 묶어 놓는다는 말이 있는데 여기서 머리카락은 한 가닥이 아니라 무수히 많은 가닥을 의하는 것을 알 수 있다. 디즈니 만화영화 '라푼젤'의 한 장면을 생각하면 되겠다.

그럼 자전거의 재료로 사용되는 카본 섬유에는 어떤 종류가 있을까? 흔히 자전거 제품 카탈로크나 웹사이트를 보면 카본 UD, 1K, 3K, 12K 등을 발견하게 된다. UD는 Uni-Directional의 약자로 한쪽 방향으로만 카본섬유를 놓은 카본 레이어를 뜻한다. 카본 레이어는 옷을 만드는 옷감과 같은 형태로 원통에 말려서 생산 재료로 제공된다. UD카본 섬유는 단방향으로만 섬유가 배열되므로 표면에는 한쪽 방향의 직선들만 미미하게 보일 뿐이고 선명한 종류의 어떠한 패턴도 보이지 않는다. 3K는 이 옷감(원단이라는 표현이 더 정확하다)에 있어서 3천 가닥을 실 한오라기로 해서 직조한 것을 말한다. 흔히 볼 수 있는 카본의 대표적인 무늬가 체크무늬인데 체크무늬 하나의 사각형 안에 무려 3천 가닥의 카본 섬유가 들어있는 것이다. 12K는 12,000가닥의 카본 섬유를 한 단위로 직조한 것이므로 체크무늬를 이루는 사각형의 크기가 훨씬 크게 된다. 1K의 경우에는 1,000 가닥으로 옷감을 방직기로 짰으니 체크무늬가 가장 촘촘하다.

 

Caption. 카본섬유 수천 가닥을 가지고 직조하면 원하는 형태의 강력한 카본 직물을 얻을 수 있다. 사진은 렉서스 LFA의 A필러를 만들기 위한 직조기(Carbon Fiber Weaving Machine)이다.

 

UD, 1K, 3K, 12K 중에 가장 강한 소재는?

그 다음 궁금증은 1K, 3K, 12K, UD 중에 어떤 재료로 만든 제품이 가장 좋은가 일 것이다. 답은 ‘위의 재료를 잘 섞어서 용도에 맞게 고성능으로 제조한 자전거가 가장 좋은 자전거’이다. 재료의 가격만 놓고 보면 1K, 3K, 12K, UD의 순이다. 가령 1제곱 미터(㎡)의 사각형만큼 1K 카본 원단의 가격은 약 9만원이고 3K는 4만5천원, 12K는 2만5천원, UD는 1만원5천원 수준이 될 것이다. 대략적인 가격비교를 해보면 상대적으로 위와 같으며 카본 원단의 가격은 국제 항공산업의 호황여부에 따라 많이 좌우되며 지금도 가격은 변화하고 있다. 에어버스사의 A380 또는 보잉사의 787 드림라이너 기종의 주문이 폭주하는 등 항공산업이 활황일 때에 가격이 치솟으며 그렇지 않을 때에 상대적으로 저렴하다.

카본 원단의 가격은 에폭시 레진이 발라져 있어 바로 적층 작업을 할 수 있는 형태로도 제공이 되고 있는데 이를 카본 프리프레그(Prepreg)라고 한다. 프리프레그는 에폭시레진이 포함되지 않은 드라이 카본보다 더 높은 가격을 주어야 한다. 이러한 카본 원단은 최소 100미터 이상의 양으로만 제공되고 관련 업체가 아닌 경우에는 판매가 이루어지지 않기 때문에 일반인이 구입하는 것은 쉽지 않다.

그렇다면 3K 카본 자전거는 모든 재료를 3K 원단으로만 만드는 것일까? 그렇지 않다. 일반적으로 카본 원단 4~10겹을 겹쳐서 자전거의 튜빙부분을 만드는데 눈으로 보이는 최종 바깥쪽만 3K이고 내부의 레이어 시트(Layer Sheet)는 모두 UD를 쓰고 있다. 이것은 UD가 가장 저렴하기도 하지만, UD가 끊어지지 않고 연속되어 있기 때문에 제품의 특성을 디자인할 때에 효율적이고 물성에 대한 예측과 시뮬레이션도 용이하기 때문이다. 결론적으로 가장 비싼 1K를 써서 만든 자전거라 할지라도 승차감이 나쁘고 쉽게 부서진다면 좋은 카본자전거라고 할 수 없을 것이다.

 

Caption. 1K시트, 3K시트, 12K시트, UD시트로 각각 만든 자전거 포크 (출처. Stock USA 웹사이트. http://www.storckbicycle.com)

 

카본 복합재는 재활용할 수 없다

카본 복합재(Carbon Composite)에도 치명적인 단점이 있으니 그것은 바로 재활용이 되지 않는다는 점이다. 현재의 기술로는 본격적인 재활용이 이루어지지 않고 있지만 많은 미국, 영국, 독일, 일본 등에서 재활용을 위한 연구를 진행 중이다. 특히 영국의 리사이클드 카본 화이버(Recycled Carbon Fibre Ltd) 라고 하는 업체는 카본 복합재 폐기물을 재가공하여 건축자재, 도로포장재, 재품소재로 만드는 기술을 상용화하였다. 이렇게 폐기물을 재가공한 소재는 그린 카본 화이버(Green Carbon Fibre) 라는 이름을 붙여서 이러한 소재를 필요로하는 산업체에 판매하고 있다. 이러한 재활용에 대한 연구가 활발해지고 재활용 전문업체가 늘어난다면 가까운 미래에 카본 본합재가 유발하는 환경문제가 줄어들 수 있을 것이다.

또한 카본 복합재가 환경에 미치는 영향 중에서 인체에 대한 부분을 빼놓을 수 없다. 완성된 카본 복합재 제품은 인체에 미치는 영향이 미미하겠으나 문제가 되는 점은 생산과정에서 작업자에게 유발되는 측면이다. 먼저 카본 섬유를 자르는 과정에서 나오는 먼지는 매우 가볍고 눈에 보이지 않을 정도로 작아서 많은 양이 호흡기를 통해 폐로 들어갈 경우에는 인체에 나쁜 영향을 미칠 수 있다. 또한 생산과정에 쓰이는 각종 화학물들에 장시간 노출되는 것도 마찬가지이다.

그래서 유럽이나 미국의 자전거 업체에서는 카본자전거 하청공장을 중국이나 대만에서 선정할 때에 공장노동자들의 작업환경이 건강을 해치지 않는지를 우선 고려대상으로 본다. 생산되는 카본 자전거 부품의 가격과 품질 못지 않게 작업환경과 작업자의 인권도 중요하게 생각하는 것이다. 단지 물건만 구입해가는 것이 아니라 다른 나라 사람일지라도 인간의 건강과 환경을 중요하게 생각하는 점은 우리도 생각해보아야 할 부분이다.

 

Caption. 카본 복합재의 재활용 전문업체 리사이클드 카본 화이버의 웹사이트 (출처. http://www.recycledcarbonfibre.com)

Caption. 독일의 PG-Bikes사가 제작하여 판매하고 있는 풀카본 전기자전거 BlackTrail BT-01, 가격이 8만불 정도로 한화로 환산하여 약 9천 만원으로 매우 비싸다. 헐리우드 스타인 올란도 블룸, 코미디언 제이 레노 등이 구입하여 화재가 된 바 있다. (출처. http://www.pg-bikes.com)

 

카본 복합재의 수요는 지속적으로 증가하고 있다

그럼에도 불구하고 카본 복합재라는 소재는 자전거나 자동차, 비행기의 무게를 줄여서 적은 힘과 연료를 쓰면서도 더 멀리 더 빨리 가게 할 수 있는 명백한 장점이 있다. 이러한 경량화는 지구 온난화에 대비하여 모든 운송수단들이 추구하는 바다. 특히 전기자전거나 전기자동차의 경우에 배터리로 갈 수 있는 거리가 짧아서 항상 한계점이 지적되고 있는데 카본 복합재로 경량화를 하게 되면 주행거리가 길어진다는 이점이 있어 전기동력원과 함께 연구가 활발히 진행 중이다. 카본 복합재에 대한 다양한 매력에 대해 연재를 진행하면서 독자들과 함께 알아나가 보도록 하자. 다음 연재에서는 왜 카본복합재가 자전거에 적극적으로 쓰이게 되었는지 기술하도록 하겠다.