탄소 소재란 구성 원자 대부분이 탄소 원자로 이루어진 소재를 의미하며 최근에는 그래핀, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유 등과 같은 초고온, 초경량, 초내마모성, 초전도 등 극한의 물성을 가진 고부가가치 첨단 소재를 지칭하는 말로 사용된다. 탄소 원자는 다른 원소에 비해 작고 가벼우며 매우 강한 결합력을 가질뿐만 아니라 4개의 결합자리로 무한한 조합이 가능하기 때문에 탄소 소재는 극한의 물성을 갖는다.

 탄소 소재의 일종인 탄소나노섬유는 탄소를 90%이상 포함하고 굵기가 1μm 미만인 섬유상 물질을 뜻한다. 탄소나노섬유는 탄소 소재 중에서도 높은 인장강도, 낮은 열팽창률, 높은 열전도율, 전기전도성, 내화학성, 내식성으로 인해 항공우주, 토목건축, 무기, 자동차, 패션 등 광범위한 분야에서 활용되고 있다. 또한, 탄소섬유는 그 자체로 이용될 뿐만 아니라 여러 가지 소재와 융합을 통해서 새로운 가치를 창출하기 쉽다. 따라서 탄소섬유의 새로운 응용 분야를 끊임없이 만들 수 있다는 점과 그 적용 가능성이 매우 크다는 점, 타 물질에 비해서 뛰어난 물성에 주목할 필요가 있다.

 그러나 이러한 탄소나노섬유의 많은 장점에도 불구하고 탄소/탄소 복합재는 산화 분위기에서 대략 500․℃ 정도에 도달하면 탄소 물질이 이들 기체와 반응을 일으켜 일산화탄소나 이산화탄소로 산화되므로 물성이 급격하게 저하되는 문제점을 갖는다. 이러한 문제점은 높은 온도를 요구하는 곳에서의 응용과 수증기, 산소, 이산화탄소와 같은 환경처럼 급격한 온도의 변화가 반복되는 곳에서는 더욱 두드러진다. 따라서 구조적 응용 측면에서 가장 중요한 문제 중 하나는 탄소의 산화를 막는 것이다.

 탄소는 우리 주변에서 가장 흔한 원소 중 하나로, 자원 고갈에 직면한 현대 문명이 의지할 유력한 곳이다. 1·2차 산업혁명의 주역이 철과 강철이었다면 3차 산업혁명과 4차 산업혁명의 중심은 탄소소재가 될 것이다. 앞으로 탄소나노섬유의 단점을 보완한다면 극한의 물성을 가진 탄소나노섬유가 4차 산업혁명의 주역으로 성장할 것이다.

[문경여자고등학교 1학년 학생들(박소영, 이어진, 손한나, 전가영)으로 구성된 화학 R&E팀이 대구대학교에서 탄소나노섬유를 만들고 있는 모습]