탄소섬유는 석유/타르에서 어떻게 '검은 금'으로 변하게 되는가?

믿기 힘드시겠지만, 시속 300km로 셔틀콕을 강타하는 올림픽 챔피언 라켓의 핵심 골격, 2.3초 만에 0-100km/h 가속을 견디는 F1 차량의 차체, 대기를 뚫고 오르는 우주 로켓의 외각 구조물까지—이 모든 것의 근간이 정유 후 버려지는 '검은 잔여물'에서 비롯된다는 사실을 알고 계셨나요?

오늘 우리는 재료 과학의 '최강자'인 탄소섬유의 놀라운 부상에 대해 알아봅니다. 익숙한 석유 아스팔트가 수많은 난관을 극복하여 은보다 더 귀한 '검은 금'으로 탈바꿈하는 과정을 확인해 보세요!

왜 탄소섬유를 '흑금'이라고 부를까요?
이 변신의 여정을 시작하기에 앞서, 먼저 기본적인 질문 하나를 살펴보겠습니다. 왜 탄소섬유는 종종 금과 비교될까요?
(1) 가격이 진정으로 '금값'입니다: 일반 탄소섬유는 킬로그램당 수천 위안의 가격에 거래되며, 고급 항공우주용 탄소섬유는 킬로그램당 최대 20,000위안까지도 호가합니다. 이는 그램당 약 5위안인 은보다도 더 비싼 수준입니다.

(2) 성능이 뛰어납니다: 강철 무게의 1/4 수준임에도 불구하고 강도는 강철의 10배에 달하며, 강산에서도 부식에 견디고 -180°C의 극저온에서도 취성화되지 않습니다.

(3) 그 희소성은 진정으로 대단하다: 전 세계적으로 단 열두 개 정도의 국가만이 양산 기술을 보유하고 있으며, 고급 탄소섬유는 '전략 물자'로 분류되어 원한다고 하더라도 조달하기 어렵다.

이 '올라운더'는 석유 정제 과정에서 나오는 부산물인 아스팔트를 원료로 한다. 마치 석탄 더미에서 다이아몬드를 추출하는 것과 같으며, 각 단계마다 놀라움이 가득하다.

아스팔트에서 탄소섬유까지: 한 단계도 놓쳐서는 안 되는 다섯 단계의 '연금술적' 공정!

첫 번째 단계: 소재 선정 — 최고급 중의 최고급, 프리미엄 비트umen
모든 비트umen이 부활할 수 있는 것은 아니다. 도로 시공에 일반적으로 사용되는 비트umen은 불순물이 너무 많고 탄소 함량이 낮아 적합하지 않다. 오직 순도가 높고 탄소 함량(90%)이 높으며 황과 금속 함량이 낮은 '특수 등급 비트umen'만이 탄소섬유 생산에 사용될 수 있다.

엔지니어들은 아스팔트를 정제하기 위해 용매 추출법을 사용합니다. 이는 특수한 용매에 아스팔트를 담그어 황, 질소, 중금속과 같은 불순물을 모래를 골라내는 것처럼 걸러내는 과정입니다. 이후 증류 공정을 통해 분자 구조를 정제하여 고온에서도 견디며 실로 뽑을 수 있는 잠재력을 부여합니다.

이 단계는 운동선수를 선발하는 과정과 비슷합니다. 오직 '견고한 기반'을 가진 물질만 후속의 집중적인 처리 과정을 견딜 수 있습니다.

두 번째 단계: 방사(스피닝) — 머리카락 굵기의 10분의 1에 불과한 '황금 실'을 뽑아내는 과정
정제된 비투멘을 200–300°C까지 가열하면 꿀처럼 끈적한 점성의 '융해물'이 됩니다. 이 융해물을 지름 5–50마이크로미터의 미세한 구멍들이 수없이 뚫린 '방사판(spinneret plate)'을 통해 밀어냅니다. 이 구멍들은 인간의 머리카락 두께(50–100마이크로미터)보다도 작으며, 자수 바늘보다 더 미세합니다!

이러한 노즐을 통해 압출된 아스팔트 필라멘트는 즉시 냉수 또는 냉각 공기 중에 담가서 '냉각 및 경화'시켜 연속적인 '아스팔트 필라멘트 가닥'을 형성한다. 이 과정은 뛰어난 기술력을 요구하는데, 압출 속도가 약간만 높아져도 필라멘트가 끊어지며, 냉각 온도가 약간만 낮아져도 취성화된다. 심지어 단 하나의 노즐이라도 막히면 전체 배치의 필라멘트를 사용할 수 없게 만든다.

이는 마치 '인공적으로 누에고치를 생산하는 것'과 같다고 할 수 있으나, 여기서 압출되는 '필라멘트'는 실크보다 무려 10배 더 가늘다.

세 번째 단계: 예비산화 — 필라멘트에 '내화 옷' 입히기
막 방사된 아스팔트 필라멘트는 매우 약해서 가장 작은 당김에도 끊어지고, 작은 스파크에도 쉽게 불이 붙습니다. 이를 강하고 탄력 있게 만들기 위해 가장 먼저 해야 할 것은 내화성(fireproof) 처리입니다.

원사 필라멘트를 150-300°C로 가열된 오븐에 넣고, 공기 중에서 수 시간 동안 서서히 가열합니다. 이 과정에서 아스팔트 필라멘트로부터 수소와 산소 원소가 점차 빠져나갑니다. 그 결과 분자 구조는 직선형에서 망상 구조로 변화하고, 색상은 검정색에서 짙은 갈색으로 변합니다. 무엇보다도 중요한 것은 내화성이 생긴다는 점입니다!

이 단계는 절대 건너뛸 수 없습니다. 예비산화 과정을 생략하고 고온 처리로 바로 진행할 경우, 아스팔트 섬유가 순식간에 타버려 이전의 모든 작업이 무용지물이 됩니다. 또한, 가열 속도는 반드시 느리게 해야 하며, 이를 서두르면 섬유 내부에 "불균일한 내부 응력"이 발생하여 균열이 생길 수 있습니다.

단계 네: 탄소화 — 고온에서 정제하여 "순수한 탄소 골격" 생성
화염에 견딜 수 있는 "내화 피복"을 입힌 원사 필라멘트는 탄소화로 내에서 "최종 시험"을 거쳐야 한다. 이로는 1000~1800°C의 온도에서 작동하며 산소가 없는 환경을 유지해야 한다(그렇지 않으면 탄소가 이산화탄소로 산화되기 때문이다).

이러한 극한의 온도에서 필라멘트 내 잔류하는 비탄소 원소들(수소 및 질소 등)은 기체 형태로 "탈출"하게 된다. 남아 있는 것은 거의 순수한 탄소(탄소 함량 90%)이며, 그 분자 구조는 정연한 "흑연과 유사한 결정"으로 재배열된다. 이 단계에서 "아스팔트 필라멘트"는 공식적으로 "탄소섬유 프리커서"로 격상된다!

탄소화 온도는 탄소섬유의 가치를 직접적으로 결정한다: 일반적인 산업용 등급의 탄소섬유는 약 1000°C에서 생산할 수 있는 반면, 항공우주 등급은 2000°C가 넘는 온도를 필요로 한다. 이로 인해 더 질서 정연한 탄소 결정 배열이 형성되며 강도가 여러 배 증가하게 되고, 자연스럽게 가격도 상승하게 된다.

단계 다섯: 표면 처리 — 탄소섬유의 접합을 위한 연결 고리 형성
최근에 탄소화된 탄소섬유는 유리처럼 매끄러운 표면을 가지고 있는데, 이는 수지나 금속과 같은 재료와 결합할 때 '미끄러지는' 경향이 있다. 마치 두 장의 매끄러운 유리를 함께 눌렀다가 팍 하고 분리되는 것과 같다. 처리된 탄소섬유는 이후 직물(앞서 언급한 탄소섬유 원단) 형태로 짜거나 짧은 섬유로 절단되어 복합재료의 "핵심 골격"을 형성하게 된다.
이 시점에서 아스팔트로부터 시작된 2~3개월간의 '변신' 여정이 마침내 완료된다.

이러한 알려지지 않은 사실들은 사람들의 90%가 알지 못하는 정보들이다!

1. 모든 탄소섬유가 석유 피치에서 유래하는 것은 아니다: 석유 피치 외에도 폴리아크릴로니트릴(PAN)과 점착성 섬유도 탄소섬유 생산에 사용될 수 있다. PAN 기반 탄소섬유는 세계 생산량의 90%를 차지하지만, 피치 기반 탄소섬유는 고성능·고강도 응용 분야에 더 적합하다.

2. 탄소섬유 1톤을 생산하려면 원자재 20톤이 소요된다: 피치에서 탄소섬유로의 전환 과정에서 수율은 5% 미만으로 떨어진다. 그래서 가격이 비싼 것도 무리는 아니다.

3. 중국이 독점을 깼다: 과거 고성능 탄소섬유는 유럽, 미국, 일본이 장악하고 있었다. 현재 중국은 T1100 등급(항공우주 등급) 탄소섬유의 대량 생산에 성공했으며, 수입 제품보다 30% 낮은 가격을 제공한다.

탄소섬유란 무엇인가 제품 어떤 탄소섬유를 경험해 보셨나요?
탄소섬유는 사실 우리의 일상과 전혀 동떨어져 있지 않다: 항공우주 및 모터스포츠를 넘어 이제 고급 자전거 프레임, 드론 암, 심지어 휴대폰 케이스에도 사용되고 있다.

주변에서 탄소섬유 제품을 본 적이 있나요? 아니면 이 소재의 미래 응용 분야로 무엇을 기대하십니까? 댓글로 여러분의 생각을 공유해 주세요!

평범해 보이던 석유 아스팔트는 수개월에 걸쳐 놀라운 변화를 겪으며 고급 제조업의 기반이 되는 '블랙 골드'로 발전했습니다. 이면에는 수많은 엔지니어들이 밀리미터 단위의 정밀함을 끊임없이 추구한 노력과, 인류가 재료 과학의 한계를 계속해서 확장하고자 하는 열망이 담겨 있습니다. 다음에 탄소섬유 제품을 접하게 된다면, 한때는 버려진 석유 부산물에 지나지 않았다는 사실을 떠올려보세요.