“쓰리, 투, 원 발사!”
관제센터의 발사 명령과 함께 거대한 우주선의 엔진이 점화됐다. 후미 노즐에서 엄청난 화염이 사방으로 분출되는 가운데 탄력을 받은 우주선은 빠른 속도로 상승을 시작했다. 
우주선이 대기권을 돌파하면서 받는 중력가속도는 거의 4.3G. 이 중력을 이기기 위해 거의 초속 7.9km로 우주선은 가속된다. 시속으로 환산하면 2만8천440km. 이때 우주선의 선수 부분에 가해지는 공기저항은 상상을 초월한다.
이런 가혹한 환경에 사용되기 위해 개발된 것이 바로 특수소재(special material)다. 지난 1월 30일 3차 발사 시도에 성공한 나로호(KSLV-I)의 경우, 상단 기체에는 벌집 모양으로 만들어진 고강도 탄소섬유가 사용된 것으로 알려져 있다.
탄소섬유, 탄소나노튜브(CNT), 카본블랙 등 특수한 용도로 개발되고 있는 탄소를 중심으로 한 복합소재들은 항공기, 자동차, 선박 등 운송기관을 정점으로 안전성, 경제성 등을 위해 활발한 연구가 이뤄져왔다.


항공기에 먼저 쓰인 복합재료


60년대부터 복합소재는 강도 대 중량비가 뛰어나 무게에 민감한 민간 항공기 개발 분야에서 가장 빠른 발전을 해왔다. 그 견인차 역할을 한 것이 바로 ‘탄소복합소재(C/C)’다.
원자탐침현미경(SPM)으로 보면 탄소섬유를 구성하는 탄소(C) 원자들은 섬유의 길이 방향을 따라 육각 고리 결정의 형태로 붙어 있다. 이러한 분자 배열은 보통의 금속보다 강한 물리적 결합력을 만든다. 수천 가닥으로 꼬여진 탄소 섬유 실의 경우, 두꺼운 쇠막대기보다 훨씬 더 단단하고 질기다.
이 탄소섬유가 플라스틱 등의 다른 재료와 만나면 탄소 섬유 강화 플라스틱처럼 가벼우면서도 강력한 복합 재료를 만들어낸다. 전문가들은 “복합재료는 기지재와 강화재로 나뉘는데 강화재를 연결시켜주는 기지재에는 금속, 세라믹, 탄소 등이 쓰이고, 응력 전달을 담당하는 강화재에는 섬유나 와이어류 등이 쓰인다”고 설명한다.
초창기엔 안전성 문제로 1차 재료로는 부적격 판정을 받고 내부 장식재로 쓰였지만 재료 혁명이 일어나면서 복합재료는 꼬리날개, 랜딩기어 등과 같은 보조구조물로 외연을 넓혀갔다. 보잉과 민항기 개발의 두 축을 이루는 맥도널드 더글러스사의 DC 10기의 경우, 복합소재는 꼬리날개의 안정판과 방향키에 사용됐다.
비행기의 날개는 스파(날개 좌우로 가로지르는 긴 뼈대)와 리브(스파에 직각으로 연결된 여러 개의 뼈대) 구조로 되어 있으며, 양력(Lift) 발생 시나, 플러터(flutter, 고속 비행 중에 날개에 가해지는 큰 진동), 고기동 선회 등에서 강한 모멘트를 받기 때문에 매우 큰 강성이 요구된다.
DC10의 외판, 스파, 리브 등에는 초경량 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)이 고무를 이용한 열팽창성형법(열팽창계수를 같게 만들어 고온에서 분리 방지)에 의해 일체화된 구조가 적용됐다. B727의 승강키, B737의 수평꼬리날개, B757기의 플랩(flap), B767의 수평꼬리날개 등에도 이 탄소섬유 복합소재가 사용됐다.


경량화의 화두, 탄소 복합소재


지난 2011년 10월 17일 ‘아덱스(ADEX) 2011’이 열린 성남공항 활주로. 군용기 일색의 활주로에 푸른 빛깔의 여객기 한 대가 사뿐히 내려앉았다. 이 여객기가 바로 ‘꿈의 비행기’ B787 드림라이너이었다.
이보다 앞서 한국을 방문한 제작사 보잉(Boeing)의 데이비드 W 맥키나(David W McKenna) 홍보이사는 “B787 드림라이너는 더 많이 싣고, 더 높이, 더 멀리 날 수 있다”고 홍보에 열을 올린 적이 있다.
그에 따르면 이 비행기는 안전성 못지않게 경제성이 중시됐는데 추력대 중량 비를 크게 개선, 동일한 수송 인원을 더 적은 연료로 같은 항속거리를 유지할 수 있다는 것.
B787 드림라이너의 경우 복합재료가 동체, 날개 메인박스 등의 주구조물로 확대되면서 거의 50%를 넘어섰고, 항공기 전체의 비용과 무게에 결정적 영향을 끼쳤다는 설명이다.
최근에 복합재료는 자동차에도 적용되기 시작했다. 자동차의 경우, 복합소재의 적용이 항공기보다 좀 늦었다. 그 이유는 소비자들이 안전성, 쾌적성 등을 강조했기 때문이다.
그러나 점점 자동차에도 경제적, 환경적 문제들이 대두됐다. 자동차 바디 구조에서 플라스틱이나 알루미늄 소재의 비율이 높아지는 가운데 더욱 가볍지만 수송 능력이나 안전성 그리고 연비 등은 똑같은 재료에 관심이 쏠릴 수밖에 없는 것.
일례로, 지난 2010년 10월 첫 선을 보인 국내 굴지의 H사의 신차에는 차체부분인 후드, 루프, 테일 게이트, 도어와 브레이크 디스크 등 총 8개 부분에 탄소섬유가 적용됐다. 회사 관계자에 따르면 차체에 탄소섬유 강화플라스틱을 적용, 강철에 비해 70%의 경량화를 이뤘으며, 탄소세라믹 브레이크 디스크는 무게를 44% 줄이는 데 성공, 총 80㎏의 무게를 줄였다. 연비 개선효과는 2.2%로 나타났다.
하지만 회사 관계자는 “탄소섬유 가격이 Kg당 30달러를 웃돌아 양산이 어렵다”고 밝혔다. 한마디로 가격경쟁력이 없다는 설명. 따라서 기술개발을 통한 가격 하락은 다시 불붙은 탄소 섬유 시장의 화두로 떠오를 전망이다.