섬유강화복합소재와 스포츠용품

김 규 헌_ 부산대학교 재료공학과 석사과정

윤 석 영_ 부산대학교 재료공학부 교수

1. 서 론

최근 들어 치열한 경쟁사회 속에서도 건강한 몸과 마음, 삶의 여유를 찾기 위해 ‘힐링(Healing, 치유)’이라는 키워드가 일상에 스며들기 시작하면서 스포츠와 레저, 취미생활 등을 통해 정신적, 육체적 스트레스를 치유하고자 하는 선순환적인 사고가 싹 트고 있다. 이러한 움직임 속에서 관심을 받고 있는 스포츠와 레저의 종류에 있어서도 헬스, 수영, 조깅과 같은 전통적 종목에서부터 골프, 테니스, 낚시, 익스트림, 요가, 캠핑, 아웃도어/수상 스포츠까지 매우 다양해졌다. 이를 재밌고, 또 안전하게 즐기기 위하여 스포츠 용품의 조성과 그에 따른 성능에 대한 관심으로 이어졌고, 조성 연구를 통해 제품개발에 대한 시도가 많이 이루어지고 있다. 한 예로 자전거의 경우 크로몰리(크롬, 몰리브덴 합금) 프레임, 카본 프레임, 티타늄 프레임 등의 소재에 대한 수식어가 아주 일반적으로 사용되고 있으며, 이외에도 카본 낚싯대와 같이 소재가 그 구분이 되는 용품들을 보면, 스포츠 용품에 있어서 재료에 대한 대중들의 관심과 이해수준이 얼마나 높아졌는지 알 수 있다. 또한 경제적으로도 큰 시장을 형성하고 있는 실정이다.
스포츠용품의 소재가 스포츠 산업 전체에 영향을 미치는 것처럼 ‘소재’는 단순한 구성 물질이 아니라 우리 시대상에도 큰 영향을 미쳐왔다. 실제로도 석기-청동기-철기 등 시대를 구분하는 기준일 정도로 큰 비중을 차지한다. 과학의 발전과 더불어 소재는 그 조성과 구조에 따라 금속, 세라믹, 폴리머로 크게 구분되었으며, 각각 소재가 갖는 특징적인 기능과 물성으로 자동차, 광학, 전자 소재 등에서 고유 영역을 형성하며 발달되어왔으나, 개별적인 소재에 대한 연구가 일정 수준에 도달하게 되면서, 그 경계를 허무는 새로운 개념의 소재에 대한 개발이 주목받기 시작하였고 그 시초가 되는 소재로 ‘복합소재’가 있다.
실제로 주변에서 사용되는 스포츠, 레저용품들은 복합소재를 활용한 다양한 제품들이 출시 되고 있다. 본고에서는 복합소재 중에서도 섬유강화 복합재를 활용한 대표적인 스포츠 용품들에 대하여 소개하려한다.

2. 복합섬유소재

2.1 복합소재

복합소재는 금속, 세라믹, 폴리머 등 서로 다른 종류의 소재들이 필요에 따라 결합 된 형태의 소재이며, 균일한 ‘matrix’ 성분에 강하고 단단한 섬유상 또는 다른 형태의 입자에 의해 ‘reinforced’ 재료이다. 사실 오래 전부터 존재해왔으며, 그 시초는 초가집의 보온성, 강도 등의 만족을 위해 황토와 볏짚을 섞어 만든 황토벽돌이다. 이것이 현대에 이르러 콘크리트와 철골의 복합구조를 이용한 건축으로 대체되고, 이외에도 스포츠용품에서 자동차, 항공우주산업까지 다양하게 사용되고 있다. 최근 들어 나노기술의 발전으로 기존의 복합소재에 대한 ‘복합’정의가 나노필러, 하이브리드, alloy 형 복합 등으로 확장되고 있다 [그림 1 참조]. 이에 따라 복합소재를 통해 단일 소재 영역에서는 불가능 했던 솔루션 제시가 가능해지고 있다.
대부분의 공학적 구조물은 하중을 견디는 능력이 요구된다. 따라서 여러 물성 중에 가장 중요한 인자 중 하나로 ‘강도’가 있다. 강도만이 절대적인 기준이 될 수는 없으며 필수적으로 수반되는 다른 요구 물성들이 있는데, 대표적인 것이 경량성이다. 항공우주산업과 같이 경량성이 필수적인 산업분야 이외에도 자전거와 같이 스포츠산업, 자동차 산업 등 거의 모든 분야에서 경량성은 필수적이며, 그것에 특화된 소재가 복합재료이다. 밀도 대비 강도 그래프인 ‘Ashby plot’을 살펴보면, 대부분의 재료는 무게대비 강도에 있어 선형적 관계를 가지는데. 그 중에서 복합소재의 경우 가벼운 무게에 비해 큰 강도를 가지고 있는 것을 확인할 수 있다.
다음은 복합소재가 가지는 특징을 나열하여 보면, 복합소재는 구조적 금속 합금소재에 비해 높은 강도와 강성, 그리고 인성을 제공한다. 특히 금속에 비해 낮은 무게를 가지기 때문에 결과적으로 철이나 알루미늄에 비해 다섯 배에 달하는 비 강도와 강성을 가지며, 이것은 전체 구조물을 가볍게 하여 항공우주산업과 같이 weight-critical 장비의 경우에서 아주 큰 이점으로 작용한다.
한편, 구조물들이 방향에 따라 다른 하중을 받는 경우가 많다. 따라서 방향에 따라 다른 물성 (이방성)을 갖는 복합재료의 걍우 그 활용도가 매우 효과적이다. 로켓 모터 케이스의 경우에는 수직 방향으로 2배에 달하는 응력차이를 형성하게 되는데, 복합소재를 사용하여 그 요구에 적합하게 설계할 수 있다.
반복적인 응력에 노출되는 경우 피로 하중이 작용한다. 이러한 경우에는 임계값에 미치지 못하는 응력 환경에서도 갑작스러운 파괴가 일어날 수 있다. 복합소재의 경우 다른 합금과 비교하여 우수한 피로저항성을 가지며, 피로에 의한 손상이 나타나기 때문에 치명적인 결함이나 파괴가 발생하기 전에 대체 및 보수가 가능하다.
모든 재료들은 감쇠 특성을 가지고 있다. 진동에 의한 기계적 변형 에너지의 일부는 열로써 제거되는데, 복합재료는 우수한 감쇠 성능을 나타내어 감쇠를 통한 충격 완화에 효과적이다. 또한, 복합재료는 마찰에 대하여 윤활처리 강재 못지않은 우수한 내마모 특성을 가진다.
일반적인 철 합금과 다르게 부식에 대한 저항성이 우수하며, 그로인해 일반적으로 예상되는 다양한 환경 속에서 성능 저하가 적고 우수한 보존력과 수명을 가진다. 특히, 조립 공정 중 복합재료의 경우 공정의 유연성이 높기 때문에, 생산 공정 단순화와 그에 따른 비용절감을 기대할 수 있다.

2.2 섬유강화복합재

두 세기가 넘는 오랜 기간 동안 스포츠 용품부터 항공우주산업까지 섬유강화복합재의 발달에 따른 폭넓고 혁신적인 변화들을 볼 수 있었다. ‘섬유강화복합재’는 균질한 ‘matrix’성분이 강하고 단단한 섬유성 첨가제에 의해 강화된 재료를 의미하며 모재와 섬유에 따라 분류되는데 대표적으로 유리섬유에 의해 강화된 열경화성 폴리에스터를 나타내는 ‘FRP’(fiber-reinforced plastic)가 있다. 모재에 주입된 섬유는 하중을 효과적으로 전달하며, 모재는 섬유의 마모와 환경적 손상으로부터 보호하는데, 이렇게 분리된 고유의 기능으로 섬유강화복합재는 우수한 무게 대비 특성을 제공하게 된다. 금속이나 세라믹의 경우 역시 모재로 활용할 수 있으나, 여전히 개선하지 못한 생산 비용 문제로 R&D 연구에서부터 산업으로 적용까지 많은 제한이 있다. 금속, 세라믹 모재 섬유강화복합재는 여전히 개발단계이며, 현재로서는 고분자가 일반적으로 사용된다. 모재와 섬유에 따른 특징은 다음과 같이 나타난다.
 섬유강화 플라스틱은 advanced engineering structure의 대부분에 적용되는 복합재로 항공기, 우주선부터 보트, 배, 자동차, 스포츠용품, 다리와 건축물에 이르기까지 폭넓게 이용되고 있다. 여전히 가파른 성장세와 확장되고 있는 영역이 두드러지며, 최근에는 레진 시스템의 발달과 탄소나노튜브와 같은 강화를 통하여 생체의료장비 등으로 까지 시장을 확장하고 있다. 일반적으로 얻어지는 특징 [표 1]들은 다음과 같다.
• Higher strength
• Lighter weight
• Higher performance
• Longer lasting
• Rehabilitating existing structures and extending their life
• Seismic upgrades
• Defense systems
• Space systems
• Ocean environments

3. 스포츠용품

3.1 스포츠용품에서 섬유강화복합재

스포츠용품에 있어서 복합재, 그 중에서도 섬유강화복합재의 사용은 비교적 최근에 시작되었다. 그것은 오늘날 장비들의 무게 감소, 내구성 향상, 운송 용이성 등 여러 가지 면에서의 개선으로 이어졌다. 예를 들어 기존 사용되던 나무 소재의 경우에는 우수한 충격 흡수성을 가지고 있었지만 이방성에 의한 물성의 편차와 높은 흡습성 때문에 나타나는 여러 결점들을 가지고 있었다.
1970년대에 이르러 알루미늄이나 티타늄과 같은 금속이 그 가벼운 무게와 강성률로 스포츠 용품에 많이 활용되기 시작했다. 그러나 알루미늄은 피로한계응력이 없어 작은 응력으로도 큰 피로 영향을 나타내었다. 결과적으로 유리/에폭시 또는 유리/카본 등의 다른 복합소재가 금속을 대체하기 시작하였다. 이러한 복합소재는 높은 강성률과 피로강도, 금속에 비하여 높은 감쇠율을 제공하였다. 스포츠용품에서의 복합소재의 사용은 무게 감소를 위하여, 또는 충격저항성, 에너지 손실 최소화 등 각각의 용도에 따라 자전거 프레임, 테니스 라켓 등 다양한 분야에서 활용되게 되었다. 이처럼 섬유강화복합재는 스포츠용품에서 이미 뿌리 깊게 자리 잡고 있으며, 그 종류와 특징에 대해 알아보려한다.

자세한 내용은 세라믹 코리아 6월호에서 확인하실 수 있습니다