카본 파이버 형태에 대한 궁극적 가이드: 단절 섬유에서 연속 섬유까지 – 설계 및 제조를 강화하기 위한 올바른 선택 방법은?

카본 파이버는 흔히 현대 산업의 '블랙 골드'로 불리며, 다양한 형태를 가지는데, 이 형태는 곧 가공 방법, 성능 특성, 적용 분야를 결정합니다. 가볍고도 강도가 높은 연속 섬유부터 성형이 용이한 단축 섬유에 이르기까지 각기 다른 형태는 다양한 산업 분야에서 혁신의 가능성을 열어줍니다. 카본 파이버를 올바르게 선택하는 첫걸음은 이러한 핵심 형태들 간의 차이를 이해하는 것입니다.

탄소 섬유는 주로 고온 탄소화 등의 공정을 거쳐 폴리아크릴로니트릴(PAN) 계 섬유로부터 제조된다. 최종 제품의 길이와 후속 가공 형태에 따라 주로 다음과 같은 종류로 분류될 수 있다.

1.연속 탄소 섬유: 고성능의 동의어
연속 탄소 섬유는 수 킬로미터에 달하는 고성능 필라멘트를 의미하며, 일반적으로 실이나 야른(yarn) 또는 토우(tow) 형태로 스풀에 감겨 있다. 각 토우는 1,000개(1K), 3,000개(3K), 12,000개(12K) 또는 그 이상의 개별 필라멘트로 구성된다. K 숫자가 낮을수록 일반적으로 직조성이 우수하여 복잡한 곡면에 적합하며, K 숫자가 높을수록 적층 효율성이 높아 대형 구조물에 이상적이다.

성능 특성: 탄소섬유의 최고 강도와 탄성률을 유지하여 뛰어난 기계적 특성을 제공합니다(예: T300, T700, T800 등급). 이 물질은 고도로 이방성이어서 성능이 섬유 방향에 크게 의존합니다. 설계자는 적층 설계를 통해 특정 방향에서의 기계적 요구사항을 정밀하게 충족시킬 수 있습니다.

적용 분야:
→ 항공우주: 날개 및 동체 구조물, 위성 부품, UAV 암.
→ 고급 스포츠 용품: 자전거 프레임, 테니스 라켓, 낚싯대, 레이싱 보트.
→ 산업 및 에너지: 풍력 터빈 블레이드 스파, 수소 저장 실린더, 로봇 암, 경량 롤러.

시장 포지셔닝: 기술 장벽이 높고 가격이 비싼 고급 시장에 속하며, 가격은 킬로그램당 수십 달러에서 수백 달러까지 다양합니다(등급에 따라 다름). 원가가 점차 개선됨에 따라 고급 자동차 부품(예: 배터리 박스)과 같은 분야로 점차 확대되고 있습니다.

2. 장섬유 탄소: 열가소성 수지 강화의 핵심 소재
장탄소섬유(LCF)는 일반적으로 몇 밀리미터에서 수십 밀리미터 길이의 섬유를 의미하며, 주로 열가소성 폴리머 강화에 사용되며 펠릿 내에서 섬유의 일정한 배열 및 길이를 유지합니다.

성능 특성: 사출 성형 중 섬유 길이 유지를 통해 단쇄 섬유보다 우수한 충격강도, 강성 및 피로 저항성을 제공하며, 3차원 네트워크 구조를 형성합니다. 연속 섬유에 비해 물성의 균형이 더 우수하지만 일부 이방성은 남아 있습니다.

적용 분야:
→ 자동차 부품: 엔진 커버, 시트 프레임, 배터리 트레이
→ 전자 및 전기: 노트북 케이스, UAV 본체, 센서 하우징
→ 소비재: 전동 공구 하우징, 스포츠 용품 액세서리

시장 포지셔닝: 높은 성능과 빠른 가공 능력을 동시에 갖춘 급성장 분야로, 특히 자동차 경량화 및 소비자 전자제품에 적합합니다.

3. 단쇄 탄소섬유: 강화 플라스틱을 위한 스타 필러
일반적으로 0.1–12mm 길이(일반적인 길이는 6mm)의 다듬어진 탄소 섬유는 쌀알 모양 또는 원통형이며 열가소성 수지의 혼합 및 개질에 사용됩니다.

성능 특성: 매트릭스 내 무작위 분포로 인해 등방성을 제공합니다. 기초 소재의 강도, 경도, 내마모성, 전기/열 전도성, 치수 안정성을 기능적으로 향상시킵니다. 우수한 가공 유동성을 제공합니다.

적용 분야:
→ 엔지니어링 플라스틱: 나일론(PA66, PA6), PPA, PP, PC, PPS, PEEK, LCP, LFT 등에 첨가하여 보강재, 항정전재, 내마모성 부품을 제작합니다.
→ 마찰재료: 브레이크 패드, 클러치 플레이트.
→ 기능성 소재: 도전성 코팅/잉크, 콘크리트 보강재(균열 감소, 인장강도 증가).

시장 포지셔닝: 상대적으로 낮은 비용과 높은 생산량을 자랑하는, 어느 정도 상품화된 탄소 섬유 제품입니다. 산업용 및 소비자 분야 전반에서의 광범위한 수요에 의해 주도됩니다.

4. 탄소섬유 직물: 복합재료의 골격
이 구조는 연속 탄소 섬유 토우를 직물 기술을 사용하여 직조하여 만든 2차원 구조로, 연속 섬유의 주요 중간 형태입니다. 평직, 능직, 새틴 조직 등의 직물과 더불어 비크림프 유니디렉셔널(UD) 직물도 포함됩니다. UD 직물에서 대부분의 섬유는 한 방향으로 평행하게 정렬되어 있으며, 90° 방향으로 약하게 스티칭되어 주 방향의 성능이 연속 섬유 자체와 거의 근접한 수준을 제공합니다.

성능 특성: 다양한 직조 방식은 유연성, 안정성 및 기계적 특성 간의 균형을 제공합니다. 복합재 제조를 위한 적층 작업을 용이하게 하며, 특히 수작업 적층, 진공봉지, 오토클레이브 경화 공정에 적합합니다. 다방향 적층을 통해 구조적 기계적 특성의 정밀한 설계가 가능하게 합니다.

적용 분야: 항공기 표피 및 패널; 로봇 팔; 의료용 영상 촬영 테이블 보드; UAV 기체; 자동차 바디 패널.

5. 탄소 섬유 프레프레그: 고품질 공정을 위한 선택
연속 탄소 섬유 토우(tows) 또는 직물이 부분 경화 수지 시스템으로 사전 함침된 중간 소재입니다.

성능 특성: 사용자는 별도의 수지 취급 및 함침 과정을 생략할 수 있어 작업이 간소화됩니다. 단지 절단, 적층, 그리고 열과 압력 하에서 경화하는 과정만 필요합니다. 높은 수준의 일관된 품질과 정밀한 섬유 함량 조절이 가능합니다. 수지 시스템과 복잡한 제조 공정으로 인해 비용이 상대적으로 높습니다. 냉장 보관이 필요합니다.

적용 분야: 고급 자전거 프레임, 라켓, 스키; 항공우주 분야의 보조 구조물(예: 내장 패널, 브래킷); 고성능 자동차 부품.

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전문 분야:
분쇄된 탄소 섬유: PA(PA66, PA6), PPA, PP, PC, PPS, PEEK, LCP, LCP 등 다양한 수지 시스템에 적합하며, 뛰어난 가격 대 성능비를 제공하여 적용 범위를 획기적으로 확대시킵니다.
탄소섬유 직물: 다양한 직조 방식과 면중량으로 제공되며, 맞춤형 요구사항을 지원합니다.
프레프레그 시리즈: 열가소성 및 열경화성 유형 모두를 포괄하며, 고속 프로토타이핑 및 고성능 제품 제조를 지원합니다.

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