일상에 있는 복합재료 예시 - 16가지
복합재료란?
복합재료는 두 가지 이상의 소재를 합쳐서 만든 재료입니다. 가장 큰 특징 중 하나는, 합쳐진 소재는 여전히 각각의 소재로 남아있는 것입니다. A + B → A + B입니다. 새로운 물질이 생기지 않습니다. 만약 A+B → C 라면 화학반응으로 복합소재라 부르기 어렵습니다.
복합재료 예시
복합재료는 주 성분인 모재(Matrix)와 물성을 보강해주는 강화재(substate)로 구성됩니다. 주변에서 많이 접할 수 있는 대부분의 복합재료의 경우, 모재는 플라스틱, 강화재는 무기재료(inorganic)가 많습니다. 그렇다면 복합재료의 예시는 어떤 게 있을까요?
1. 무기재료 복합재(Inorgainc composite material)
무기재료 복합재료는 무기-무기 소재만 사용한 경우를 예시로 들었습니다. 복합재료의 트렌트가 유기-무기 소재의 혼합인 만큼 무기재료만 사용한 복합재료는 우리 주변에서 찾기 어렵습니다. 그럼에도 무기재료가 가진 특성(내구성, 난연성)때문에 건축, 항공, 우주분야 등 고유의 사용 분야가 있습니다.
1) 콘크리트
- 모재 : 시멘트
- 강화재 : 모래, 자갈
시멘트는 물과 반응하여 단단한 고체가 되는 성질이 있습니다. 시멘트만 굳히게 된다면 강도가 약하지만, 모래와 자갈 등 입자가 굵은 강화재를 더해줘 강도가 보강됩니다.
2) 철근/콘크리트
- 모재 : 시멘트
- 강화재 : 모래, 자갈, 철근
콘크리트보다 더 강도가 강화된 복합재료 입니다. 철근이라는 강도가 아주 높은 물질을 모재 속에 넣어주면, 전체 복합재로 전달되는 외력은 강화재에 전달되며 분산되게 됩니다. 이 효과를 극대화시킨 것이 철근-콘크리트 구조입니다. 적절한 배합과 시공이 된다면 철근-콘크리트는 몇 십 년의 수명을 기대할 수 있는 재료입니다.
2. 유기재료 복합재(Organic composite material)
유기재료 복합재는 일상생활과 산업전반에 활용도가 높은 소재입니다. 유기재료의 장점(성형성, 가격경쟁력)과 무기재료의 특성(강도보강, 내구성 등)이 상호보완되어 특색 있는 복합재료가 됩니다.
1) FRP(fiber reinforced plastic)
- 모재 : 폴리머
- 강화재 : Fiber(특히 유리섬유)
섬유강화플라스틱(FRP)은 산업이 발전하던 시기부터 많이 사용되는 소재입니다. 고분자는 만들기가 쉽고 성형이 용이합니다. 하지만 기계적 강도가 부족한 단점이 있죠. 고분자에 유리섬유를 강화재로 사용하면 기계적 물성이 크게 보강됩니다. FRP소재를 이용해 소형 선박, 가정용 욕조 등 굉장히 많은 산업용 재료를 만들 수 있습니다.
2) 합판(Composite panel)
- 모재 : 폴리머(접착제 역할)
- 강화재 : 나무 칩
주변에서 많이 보이는 건축용 소재 합판도 복합재료 입니다. 나무조각이나, 얇은 나무 판들을 폴리머로 단단하게 고정시킨 구조입니다. 복합재료의 장점은 소재 간의 장점을 보강시켜 주는 것입니다. 고분자는 나무 조각들을 결합시켜주며 가구로 만들 수 있는 합판을 만들어줍니다. 하지만 이런 경우 단점도 있습니다. 바인더로 사용하는 폴리머가 Urea-formaldehyde 수지인 경우 합판에서 formaldehyde가 나올 수 있습니다. 사람들의 합판에 대한 인식이 나쁜 이유도 포름알데히드 방출이 걱정되기 때문이라고 생각합니다. 만약 이런 소재를 사용하실 예정이라면, 모재료 사용된 폴리머가 포름알데히드를 함유하는지 확인하는 게 필요합니다.
3) 종이
- 모재 : 펄프
- 강화재 : 돌가루(talc)
종이는 펄프가 대부분이지만 돌가루도 첨가됩니다. 돌가루와 펄프가 혼합되면 종이가 덜 찢어지게 만들어줍니다. 펄프의 주성분은 셀룰로스나 리그닌인데, 해당 유기물 구조보다 돌가루가 스크래치성이 좋기 때문입니다. 그리고 돌가루가 가진 무게감이 종이를 넘길 때 질감을 만들어줍니다.
종이에 손이 베였을 때, 칼에 베인것보다 쓰라리게 느껴지는 이유 중에 하나가 돌가루 때문입니다. 상처에 작은 돌가루 입자가 들어가기 때문입니다.
4) 자동차 내장재
- 모재 : 폴리머(PP etc.)
- 강화재 : 돌가루(talc etc.)
고급감을 느끼게 해주는 인테리어 소재는 '가죽'이라고 생각합니다. 하지만 모든 자동차에 가죽을 사용하지는 못합니다. 그리고 플라스틱 소재를 사용하는 것이 필수적일 때가 있습니다.
자동차 내장재에는 PP복합재가 많이 사용됩니다. PP는 성형이 쉬운 장점이 있지만, 스크래치에 약한 단점이 있습니다. 자동차 내장재는 탑승자들의 손, 특히 손톱이 많이 닿기 때문에 스크래치에 대한 내성이 필요합니다. PP에 보강된 돌가루는 이런 단점을 해결해줄 수 있는 복합재 솔루션입니다.
5) 풍력발전기 블레이드
- 모재 : 폴리머
- 강화재 : 유리섬유
풍력발전기 블레이드는 길이가 10~50m정도가 되며 생각이상으로 굉장히 큰 구조물입니다. 길이가 긴 블레이드를 회전시킬 때 중량이 크다면, 원심력이 너무 커져서 구조물이 버틸 수없습니다. FRP복합재료는 중량대비 강도가 높은 특징으로 풍력발전기 블레이드에도 사용됩니다.
6) 레진 콘크리트
- 모재 : 폴리머
- 강화재 : 모래, 자갈
콘크리트는 시멘트와 자갈의 복합재료이며, 레진콘크리트는 폴리머와 자갈의 복합재료입니다. 시멘트보다 가벼운 폴리머가 모재로 사용되어 무게대비 강도가 높은 특징이 있습니다. 또한 폴리머에서 기인한 내수성 특징도 가지고 있습니다.
7) 난연 단열재
- 모재 : 폴리머(폴리우레탄)
- 강화재 : 난연제
단열재 및 침대 매트리스로 많이 사용되는 폴리우레탄도 필러와 혼합하여 복합재료로 만들 수 있습니다. 특히 난연성이 요구되는 단열재인 경우 난연성을 갖는 필러와 혼합하여 난연 폴리우레탄 폼을 만듭니다.
8) 인조대리석
- 모재 : 폴리머
- 강화재 : 돌(Quartz)
가정집 부엌에 많은 상판들은 폴리머와 필러의 복합재료인 인조대리석입니다. 일반적으로 대리석은 고급감을 느끼게 해 주는 소재입니다. 다만, 가공이 어렵고 가격이 너무 비싼 단점이 있습니다. 폴리머/필러 복합재로 만든 인조대리석은 단점을 보완해 줍니다. 다양한 모양, 길이로 만들기 용이하고 대리석이 주는 감성도 있습니다.
9) 수소 저장탱크
- 모재 : 플라스틱
- 강화재 : 탄소섬유
수소 자동차의 시대에 오면서 수소를 저장할 탱크의 수요도 증가하게 됐습니다. 고압에도 버틸 수 있는 높은 강도를 가지면서도 가벼운 소재가 필요하여 탄소복합재료가 사용됩니다. 일반적으로 가스를 저장하는 용기는 금속제가 많습니다. 성인 한 명이 겨우 굴릴 수 있을 정도로 무겁습니다. 동일한 크기의 탄소복합재료 가스 저장용기는 성인 남성이면 한 손으로도 들 수 있을 정도로 가볍습니다.
10) 자동차 경량화 소재
- 모재 : 폴리머
- 강화재 : 탄소섬유
고강도/경량화만큼 자동차에 어울리는 소재는 없습니다. 자동차 메이커들은 무게를 몇 kg이라도 줄여서 성능향상을 시키고 싶어 합니다. 탄소섬유 복합재료가 갖는 물성적인 특징이 있음에도 아직 까지는 가격이 너무 비쌉니다. 그리고 탄소섬유 복합재에 열경화성 폴리머(비닐에스터, 에폭시)가 사용되는 것도 단점입니다. 재활용이 어려운 점과, 연성이 낮은 단점 때문입니다.
자동차에는 재활용 가능한 소재를 일정 함량 이상 사용해야 됩니다. 열경화성 수지는 가교결합이 되고나면 재활용이 어렵습니다. 추가로 탄소섬유 합재는 연성이 낮습니다. 만약 100% 탄소섬유복합재로 만들어진 자동차를 타고 다니다가 사고가 나면 어떻게 될까요? 자동차가 부서진다기보다 "찢어지게" 됩니다. 일반적으로 금속은 연성이 커서 사고가 났을 때 구부러지거나 찌그러집니다. 카센터에서 다시 고쳐서 타기 용이하죠. 그런데 복합재료는 외력이 한계 이상으로 가해지면 파단이 생기면서 찢어집니다. 찢어진 복합재료는 다시 이어 붙여도 초기의 강도를 유지할 수 없습니다. 이런 이유 때문에 탄소섬유 복합재료를 자동차에 제한적으로 사용하고 있습니다.
3. 다층구조(Multi layered) 복합재
복합재료 중 다른 소재가 균일하게 섞인 것 외에도, 거시적으로 보면 다층으로 이루어진 복합시스템도 복합재료로 구분할 수 있습니다. 여러 가지 소재를 층층이 쌓아 하나로 만든 소재들입니다.
1) 방화문
- Main layer : 철문
- 강화재 : 유리섬유 단열재
건물에 "방화문 상시 닫힘"이라는 문구를 많이 보셨을 거라고 예상됩니다. 방화문은 화재가 났을 때 화재를 견딜 수 있는 내열성이 강화된 문입니다. 철로 만들어진 문 내부에 단열성과 내열성이 높은 유리섬유 단열재를 적용하여 만듭니다.
2) 과자봉지
- Main layer : PP film
- 강화재 : Aluminum
과자봉지도 다층으로 이뤄진 레이어입니다. 지퍼백과 과자봉지의 차이점 중에 투명/불투명이 있습니다. 과자봉지가 불투명한 이유는 투명한 지퍼백 소재에 알루미늄을 증착시켰기 때문입니다. 고분자 필름은 아주 미세한 구멍이 있어 공기와 수분이 어느 정도 투과할 수 있습니다. 고분자의 분자 간 거리가 Gas보다 멀기 때문입니다. 반면에 금속은 원자 간 거리가 가까워 공기 투과도과 굉장히 낮습니다. 과자봉지에는 공기와 수분의 침투를 막기 위해 고분자 필름에 알루미늄을 증착시킨 다층구조 필름을 사용합니다.
3) 접합유리
- Main layer : 유리
- 강화재 : polymer film
접합유리는 유리 두 장 사이에 폴리머 필름이 있는 유리입니다. 폴리머 필름이 들어있는 것만으로도 유리가 산산조각 나면서 깨지는 것을 막을 수 있습니다. 자동차에 사용된 접합유리를 생각해 보면, 자동차 사고가 났을 때 유리컵 깨지듯이 유리가 온 사방에 흩뿌려지지 않습니다. 유리는 깨져있지만 여전히 본래의 위치에 있습니다.
4) 유리섬유
- Main layer : 유리섬유
- 강화재 : polymer binder
유리섬유는 고분자가 존재해야지만 섬유로 부를 수 있습니다. 고분자 없이 유리섬유를 만들면 3cm도 넘기기 힘들 것입니다. 유리섬유는 취성이 있어 조금만 힘이 가해져도 부서져 버립니다. 하지만 고분자 layer가 추가되면, 유리섬유는 수 m를 실처럼 만들 수 있습니다. 유리의 취성을 고분자 구조가 강화해줬기 때문입니다.