안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
탄소섬유가 강한 이유는 탄소 원자들이 결합하는 방식에 있어요. 탄소섬유 속 원자들은 육각형 벌집 모양의 평면을 이루며 아주 단단하게 결합해 있는데, 이 결합은 원자 사이 거리가 짧고 결합력이 강해서 다이아몬드 결합 못지않게 튼튼해요. 그리고 이 평면들이 섬유 길이 방향으로 가지런히 정렬돼 있어요. 힘을 당기면 원자 결합이 직접 버티는 구조라, 지름 5~7마이크로미터짜리 실 한 가닥이 같은 굵기의 강철보다 훨씬 큰 힘을 견디는 거예요.
가벼운 건 탄소라는 원소 자체가 가볍기 때문이에요. 탄소 원자는 철 원자보다 다섯 배 가까이 가벼워서, 같은 부피의 강철에 비하면 무게가 4분의 1 수준이에요. 강한 결합에 가벼운 원자가 만나니 무게당 강도가 압도적으로 높은 재료가 되는 거죠.
다만 탄소섬유는 실 형태라 혼자서는 쓸 수 없어요. 방향에 따라 성질이 달라서 당기는 힘에는 강하지만 옆으로 누르거나 구부리는 힘에는 약하거든요. 그래서 실을 짜서 여러 방향으로 겹쳐 놓고 에폭시 수지로 굳힌 복합재료 형태로 써요. 대나무 살을 엮어 만든 바구니가 낱개 살보다 훨씬 튼튼한 것처럼요. 항공기 동체나 자동차 부품이 이 복합재로 만들어지는데, 가벼워진 무게가 연료비 절감으로 바로 이어지니 비싼 가격에도 쓰임새가 늘어나는 거예요 :)