서론: 탄소섬유 시장에서 Toray 라인업의 의미
Toray는 전 세계 탄소섬유 시장에서 가장 넓은 라인업을 보유한 제조사입니다.
강도 중심의 T 계열, 탄성률 중심의 M 계열, 특수 목적의 Variant(S/G/J 등)까지 포함하면
항공·우주·스포츠·산업용 부품 설계에서 Toray 라인업은 사실상 표준으로 인정받고 있습니다..
Part 2에서는 Toray의 PAN 기반 탄소섬유 전체 라인업을 기술적 관점에서 정리하고,
각 등급이 어떤 용도에 최적화되어 있는지 명확하게 설명하겠습니다.
Toray PAN 기반 탄소섬유 라인업 개념 구조
Toray 라인업은 크게 두 축으로 구분됩니다.
T 계열 — High Strength Series
T300 → T700 → T800 → T1000 → T1100
인장강도 기반 네이밍
실사용 기준 3,000~7,000 MPa 강도 레벨
항공·자동차·산업용 범용 구조재
M 계열 — High Modulus Series
M35J → M40J → M46J → M55J → M60J
탄성률(Young’s Modulus) 기반 네이밍
350~600 GPa 범위의 고탄성률 설계 목적
우주구조물, 위성 안테나, 정밀 구조부에 필수
이 두 축이 Toray 탄소섬유 제품군의 기본 계열입니다.
Toray 전체 등급 정리 표
아래 표는 Toray Technical Manual(2020) 기준 물성 범위를 기반으로 정리한 것입니다.
(정확한 값은 제품 사양서 기준, 여기서는 대표값을 이용)
T계열은 아래 표 1과 같이 T 이후의 숫자가 커지면서 강도가 증가하는 것을 확인할 수 있습니다. T800S의 인장강도가 5,880 MPa에서 T1000G로 가면 6,370 MPa로 증가하지만 탄성률을 보면 동일한 294 GPa인것을 확이할 수 있습니다.
표 1. T계열 탄소섬유 대표 물성
| 등급 | 필라멘트 수 (K) | 인장강도 (MPa) | 탄성률 (GPa) | 연신율 (%) | Yield (g/km) | 밀도 (g/cc) | 스풀 사이즈 (kg) |
| T300 | 1K | 3,530 | 230 | 1.5 | 66 | 1.76 | 1.0 |
| 3K | – | – | – | 198 | – | 2.0 | |
| 6K | – | – | – | 396 | – | 2.0 | |
| T700S | 6K | 4,900 | 230 | 2.1 | 396 | 1.8 | 2.0 |
| 12K | – | – | – | 800 | – | 4.0, 6.0, 8.0 | |
| 24K | – | – | – | 1,650 | – | 6.0, 8.0 | |
| T700G | 12K | 4,900 | 240 | 2.0 | 800 | 1.8 | 6.0 |
| T800S | 12K | 5,880 | 294 | 2.0 | 515 | 1.8 | 4.0 |
| 24K | – | – | – | 1,030 | – | 4.0 | |
| T1000G | 12K | 6,370 | 294 | 2.2 | 485 | 1.8 | 4.0 |
| T1100G/S | 12K | 7,000 | 324 | 2.0 | 505 | 1.79 | 2.0 |
| 24K | – | – | – | 1,010 | – | 4.0 |
M계열은 아래 표 2와 같이 M이후의 숫자가 커지면서 탄성률이 증가하는 것을 확인할 수 있습니다. 그렇지만 숫자가 커지면서 인장강도는 점차 낮아지는 것을 확인할 수 있습니다.
표 2. M계열 탄소섬유 대표 물성
| 등급 | 필라멘트 수 (K) | 인장강도 (MPa) | 탄성률 (GPa) | 연신율 (%) | Yield (g/km) | 밀도 (g/cc) | 스풀 사이즈 (kg) |
| M35J | 6K | 4,510 | 343 | 1.3 | 225 | 1.75 | 1.0 |
| 12K | 4,700 | – | 1.4 | 450 | – | 2.0 | |
| M40J | 6K | 4,400 | 377 | 1.2 | 225 | 1.77 | 1.0 |
| 12K | – | – | – | 450 | – | 2.0 | |
| M46J | 6K | 4,200 | 436 | 1.0 | 223 | 1.84 | 1.0 |
| 12K | 4,020 | – | 0.9 | 445 | – | 2.0 | |
| M55J | 6K | 4,020 | 540 | 0.8 | 218 | 1.91 | 0.5 |
| M60J | 3K | 3,820 | 588 | 0.7 | 103 | 1.93 | 0.25 |
| 6K | – | – | – | 206 | – | 0.4 |
설계 관점의 탄소섬유 선택 기준
- 빔 구조의 처짐과 같은 하중에 대한 변형이 최소화 되어야하는 강성설계의 상황에서는 M계열을 이용하면 확실한 장점을 얻을 수 있습니다. 반면 파괴에 대한 저항성이 낮은 단점을 인지하여야 합니다.
- 구조물의 파손에 대한 저항성능이 필요한 강도설계의 상황에서는 T계열을 이용하면 더 높은 하중까지 파괴가 일어나지 않는 설계를 할 수 있습니다. 반면 M계열에 비해 탄성률이 매우 낮기 때문에 변형량이 더 크다는 점을 인지하여야 합니다.
- T1100G/S의 경우 가장 높은 인장강도를 가지며, 탄성률도 T계열 중에서 가장 높은 재료입니다. 그렇지만 동급의 탄소섬유를 생산하는 제조사가 없는 독보적인 그레이드로 재료의 수급이 쉽지 않으며 가격이 매우 높게 책정이 되는 것을 고려하여야 합니다.
[Young’s Note]
Yield 값의 활용
Toray의 데이터시트에는 Yield라는 값이 나와 있습니다. 단위는 g/km로 표기되며 탄소섬유 1,000m 길이의 무게가 몇 g인지를 나타내는 단위입니다. Mitsubishi Chemcial의 데이터시트에는 MUL이라고 표기하여 mg/m 단위로 동일하게 단위 길이당 섬유의 무게를 공개하고 있습니다. 그러면 이 값은 왜 알려주는 것이며 어떤 용도로 사용을 할까요?
일반적으로 UD라고 표현하는 unidirectional tape 형태의 프리프레그는 FAW(Fiber Areal Weight)라고 해서 단위 면적(1m2) 당 프리프레그에 투입된 섬유의 중량을 표기하여 구분을 합니다. 탄소섬유 한 가닥 1m에 대한 중량을 알면 특정 FAW의 프리프레그에 탄소섬유가 몇 가닥이 들어가는지 알 수 있습니다.
예를 들어보겠습니다.
FAW 100 gsm(gram per square meter)의 탄소섬유 프리프레그가 있다고 가정을 하겠습니다. 위의 표 1을 보면 T700S 12K는 yield가 800g/km입니다. T700S 12K 탄소섬유 1m의 중량은 0.8g이라고 환산을 할 수 있습니다. 그러면 FAW 100 gsm 탄소섬유 프리프레그 1m2에는 탄소섬유가 100g 들어가 있는 것이고, 국내에서 일반적인 프리프레그의 폭이 1m이므로 프리프레그 1m가 곧 프리프레그 1m2이 되는 셈입니다. T700S 12K 탄소섬유 1m는 0.8g이므로 100g/0.8g으로 계산을 하면 1m 폭의 프리프레그에 탄소섬유 몇 가닥이 들어가는지 알 수 있습니다.
Toray에서는 yield라고 표기하고 g/km 값을 주기 때문에 그것을 1,000으로 나누면 1m에 대한 무게(g)를 얻을 수있습니다.
스풀 사이즈의 활용
스풀 사이즈는 탄소섬유 한 보빈(실타래)에 대한 탄소섬유의 무게가 얼마인지를 나타내는 값입니다. 그러니까 앞서 yield 값을 이용하면 스풀 사이즈를 통해서 한 보빈에 길이로 얼마만큼의 탄소섬유가 감겨있는지를 알 수 있습니다.
예를 들어, T700S 12K로 스풀 사이즈가 4.0 kg에 대해서 한번 계산해 보겠습니다. T700S 12K의 yield가 800g/km인 것을 표 1을 통해 확인할 수 있습니다.
보빈 하나에 5.0 km의 탄소섬유가 감겨 있는 것을 알 수 있습니다.
스풀 사이즈와 yield의 활용
앞서 확인한 정보를 이용하면 1,000mm 폭의 FAW 100 gsm 프리프레그를 생산할 때 필요한 탄소섬유 보빈의 수와 생산 가능한 수량을 계산할 수 있습니다. Yield를 이용하면 T700S 12K 탄소섬유 125 가닥이 필요한 것을 알 수 있고, 스풀 사이즈 4.0 kg의 보빈은 5.0 km의 탄소섬유가 감겨 있는 것을 알 수 있습니다.
프리프레그 제조사 입장에서 FAW 100 gsm의 프리프레그를 만들기 위해 125개의 보빈을 갈아 끼우는 작업을 해야 하는데 생산 효율을 위해서는 한번 걸어 놓은 보빈을 모두 소진할 때까지 연속적으로 생산하는 것이 좋을 것입니다. M40의 경우 yield가 225 g/km로 FAW 100 gsm을 생산하기 위해서 445개의 보빈을 걸어야 합니다.
프리프레그 제조사에서 많이 생산하는 표준 규격의 경우 만들어서 다른 곳에 팔 수 있으니 쉽게 수급이 되고 가격도 안정적이지만 일반적이지 않은 규격의 탄소섬유를 소량 제작할 경우 생산량에 영향을 주기 때문에 수급에 시간도 많이 소요되고 가격도 높게 될 수 있습니다.
그러므로, 복합재료를 설계를 할 때부터 가능한 표준 규격을 기준으로 설계를 하는 것이 효과적입니다. 계산 상 필요한 두께에 맞추면 프리프레그 제조사도 불리하고 프리프레그를 구매하여 사용하는 제작사도 불리한 상황이 발생할 수 있습니다.