자동차 연비 높이는 플라스틱 복합섬유 [우리가 몰랐던 과학 이야기] (73)

자동차에는 생각보다 많게 섬유 소재로 이뤄진 부품이 있는데요. 시트 커버나 카펫, 안전 벨트 등 실제 섬유 소재로 이뤄진 제품뿐만 아니라 에어백 등도 섬유로 만들어졌습니다. 섬유 소재가 자동차에 사용되면 무게를 줄일 수 있어 탄소 발생을 줄이고 연비를 낮출 수 있는데요. 철강 소재 대신 엔지니어링 플라스틱이나 섬유 강화 플라스틱, 섬유 강화 복합재료 등을 써 차량의 경량화를 주도하고 있습니다. 연비뿐만 아니라 환경까지 생각한 플라스틱 복합섬유는 과연 어떤 소재인지 알아보도록 하겠습니다.

◆플라스틱 복합섬유, 섬유 강화 플라스틱이란?

출처=plastics.com

섬유 강화 플라스틱은 플라스틱 매트릭스에 유리 섬유나 탄소 섬유, 아라미드 섬유 등으로 강화한 복합재료입니다. 이 매트릭스에는 불포화 폴리에스테르와 에폭시 수지 등의 열경화성 수지 또는 열가소성 수지가 이용되는데요. 유리 섬유 강화 플라스틱(Glass Fiber Reinforced Plastics·GFRP)이나 탄소 섬유 강화 플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastics·CFRP) 등이 주로 활용되고 있습니다.

◆유리 섬유 강화 플라스틱(GFRP)

출처=위키피디아

GFRP는 불포화 폴리에스테르에 지름 0.1㎜ 이하로 가공한 유리 섬유를 보강한 플라스틱입니다. 철보다 강하고 알루미늄보다 가벼운 소재입니다. 단단하지만 가벼우면서도 외부 충격에 강하고 장력(당기는 힘) 강도가 매우 큰 것이 특징입니다. 또한 녹슬지 않고 열에 변형되지 않으며 가공하기 쉽지만, 고온에서는 사용할 수 없다는 것이 단점입니다. GFRP는 건축 자재, 보트, 스키 용품이나 헬멧, 자동차 및 항공기 부품 등에 쓰입니다.

◆탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)

출처=Scuttlebutt Sailing News

CFRP(사진)는 탄소 섬유를 강화제로 하고 매트릭스 수지를 플라스틱으로 해 결합한 복합재료인데요. 즉, 플라스틱에 탄소 섬유를 첨가해 강도와 탄성을 높인 것입니다. 탄소 섬유는 철보다 훨씬 낮은 밀도와 높은 인장 강도(물체가 잡아당기는 힘에 견딜 수 있는 최대한의 응력), 가벼운 무게, 낮은 열 팽창률 등의 특징으로 자동차 및 항공우주 산업, 건축 및 각종 스포츠 용품의 경량화 소재로 각광받고 있습니다.

출처=유로카뉴스닷컴(eurocarnews.com)

CFRP의 무게는 강철 대비 4분의 1이지만, 강도는 철의 10배에 이릅니다. 따라서 자동차 무게를 획기적으로 낮출 수 있어 보디 및 내장재, 시트 등에 주로 이용되고 있습니다.

출처=BMW

BMW는 경량화 소재로 CFRP를 자체 개발해 적용하고 있는데요. BMW ‘i3’의 CFRP 활용량은 1대당 약 150㎏이라고 합니다. 또한 BMW ‘i8’은 강철이 8%, 알루미늄이 20%,, CFRP가 43%에 각각 달합니다.

지구 온실 가스 배출량의 25%를 차지하고 있는 자동차 산업에서 GFRP, CFRP와 같은 플라스틱 복합소재가 좀더 확대 적용된다면 에너지는 물론이고 탄소 배출도 줄일 수 있습니다. 유리 섬유와 탄소 섬유와 결합한 플라스틱은 지구환경을 지키는 소중한 화학 기술이라는 사실을 기억하세요.

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*이 기고는 한화케미칼과 세계일보의 제휴로 작성되었습니다.