복합 재료

복합 재료(複合材料)는 종류가 다른 재료를 짝지우는 것으로서, 단독의 재료로는 얻을 수 없는 특성을 지니게 한 소재이다. 한 가지 물질로 이루어진 재료와 달리 복합재료의 미세구조는 일정하지 않고, 연속적이지도 않으며 상이 두 가지 이상인 다상(multiphase)의 상태이다.

역사 
복합재료는 인조적인 것과 자연적인 것이 있는데, 자연적인 복합재료로는 나무 등을 꼽을 수 있다. 인조적인 복합재료의 역사는 고대 메소포타미아의 찰흙과 짚을 섞은 점토연화에서 시작, 철근 콘크리트 등에 이른다.

복합재료의 상 
대부분의 복합재료는 두 가지의 상으로 이루어져 있다. 두 개 중 하나를 기지(matrix)라고 일컫고, 다른 하나를 분산상(dispersed phase)이라고 부른다. 기지는 연속적이고 분산상을 감싸고 있는데, 복합재료의 성질은 재료를 구성하는 상들과 그것들의 배율, 그리고 분산상의 기하학적 구조와 관련되어 있다. 분산상의 기하적 구조라 함은 입자의 모양과 입자의 크기, 분포, 배향 등을 일컫는 것이다.

종류 
복합재료는 크게 세 가지인 입자 강화 재료, 섬유 강화 재료, 구조 복합재료로 나뉜다. 입자 강화 재료의 분산상은 등축이라 할 수 있다.(어느 방향으로 보아도 크기가 거의 동일하다.) 입자 강화 재료는 다시 큰 입자로 구성된 것과 입자가 분산상으로써 작용하는 것 두 가지가 있다. 섬유 강화 재료는 분산상의 기하적 구조가 길이와 지름의 비가 큰 섬유와 같다. 섬유 강화 재료는 섬유가 연속된 것과 짧게 끊어진 것 두 가지가 있다. 구조 복합재료는 복합재료와 순수한 재료를 구조적으로 결합한 것이다. 래미나(laminar) 복합재료와 샌드위치 패널(sandwich panel)이 대표적인 구조 복합재료이다.

활용 
플라스틱은 일반적으로 강도가 약하거나 내열성이 떨어진다는 등의 결점이 있다. 이 결점을 탄소섬유, 케블러, 파이버글라스(유리섬유) 등의 섬유와 복합시켜서 보충하는 것이 FRP(섬유강화 플라스틱)이다. FRP는 제2차대전 중에 개발되어 지난 30여 년 동안 현저하게 발전해 왔다. 가볍고 강하고 내식성이 뛰어나다는 특징을 지녀 구조재료 분야에서 널리 활용되고 있다. 보트, 낚싯대, 라켓, 욕조 등 생활 용품에도 많이 활용되고 있다. 이 중에서도 최근 복합재료의 꽃으로서 눈길을 끌고 있는 것이 케블라(Kevlar)이다.

케블라 
듀퐁이 1973년에 개발한 섬유로 방향족 폴리아미드에 속해 있다. 이것은 인장강도(引張强度)가 엄청나게 강하여, 직경 1mm의 실로 220kg의 무게에도 견딜 수 있다. 또 하나의 특성은 가볍다는 것이다. 케블라로 로프를 만들면 강철의 5분의 1의 무게면 된다. 케블러 섬유를 에폭시 수지 등의 플라스틱 속에 묻어 두면 케블러 강화 플라스틱이 되어 보트의 선체라든가 스키 판에 사용된다. 항공기는 가볍고 강한 것이 최대의 과제이다. 록히드 트라이스타에서는 유리섬유강화 플라스틱으로 된 모든 좌석을 케블러 강화 플라스틱으로 바꾸어 기체를 360kg 가볍게 하였다. 수하물을 포함하여 승객 4명분에 상당하는 무게이므로, 1플라이트마다 운임을 4인분 더 버는 셈이 된다. 케블라는 신축성도 있으므로 고무에 섞어 넣어서 래디얼 타이어로 쓰면 강하고, 내구성이 좋아진다. 내열성도 있어 용광로의 작업복에도 쓰이고 있다.

탄소섬유 

복합재료 중 철보다 강하고 알루미늄보다 가벼운 꿈의 재료로서 오늘날 특히 주목되고 있는 것이 일본에서 개발된 탄소섬유이다. 탄소섬유는 유기섬유를 질소기류(窒素氣流) 속에서 700 ~ 1800℃로 가열해서 만든다. 섬유는 탄화해서 결정화되며, 가볍고 튼튼해진다. 탄소섬유가 현재 새삼 주목을 끌고 있는 것은 미국항공우주국이 추진하고 있는 우주기지계획에 대량 사용될 가능성이 있기 때문이다. 우주기기의 분야에서는 이미 태양전지 패널과 안테나, 레이다 등에 탄소섬유가 사용되고 있다. 로켓과 스페이스 셔틀의 적재능력에는 한계가 있으므로 인공위성 본체와 탑재 기기는 1g이라도 가벼운 것이 바람직하다. 하지만 탄소섬유는 원료에 따라 품질, 성능에 차이가 있다. 크게 나누어 PAN(폴리아크릴로니트릴)계와 피치(석유, 석탄에서 방향족계 탄화수소)계의 두 가지가 있다. 또한 인장강도, 탄성률 등의 기계적 특성치에 의해서 분류된다. 저탄성률과 고탄성률, 저강도와 고강도 넷으로 나눈다. 보통 고탄성, 고강도의 것을 고성능(HP＝하이 퍼포먼스)탄소섬유라 부르고 저탄성, 저강도의 것을 일반성능(GP＝제너럴 퍼포먼스) 탄소섬유라 부른다.

탄소섬유 복합재료의 활용분야는 광범하지만 장차 큰 수요가 예상되는 주요 분야는 항공우주기기와 자동차이다. 모두 오늘날의 2차구조재료로서의 활용에서 몸의 골격이 되는 1차구조재료로서의 활용이 기대되고 있다. 그를 위해서는 제조 기술상 두 가지의 넘어야 할 장애물이 있다. 하나는 하이 퍼포먼스, 그 중에서도 인장강도를 어떻게 높이느냐의 문제이고, 두 번째는 1kg당의 가격을 어떻게 내릴 수 있느냐의 문제이다. 오늘날 복합소재는 온갖 기기의 경량화에서 마지막 카드가 되고 있다.

참고 문헌 
 William D.Callister, David G. Rethwisch. <Materials Science and Engineering>. SI Version 8th edition. WILEY