▲ Cincinnati Machine사의 7-axis Viper 3000 FPS 장비.

○ 필라멘트 와인딩 성형기술

이 성형법은 수지에 함침된 섬유나 프리프레그를 회전하는 맨드렐 위에 장력을 가하면서 균일하고 규칙적으로 배열하는 것으로, 섬유배열이 끝나면 맨드렐과 함께 경화시킨 후 맨드렐을 빼내면 복합소재가 된다.

경우에 따라서는 맨드렐을 빼내지 않고 제품의 일부가 될 수도 있으며 복잡한 형상의 경우 분리할 수 있는(Collapsible) 맨드렐을 사용하기도 한다.

필라멘트 와인딩 성형기술을 사용해 파이프나 압력용기와 같은 단순 형상에서부터 항공기 동체나 자동차 프레임 등과 같은 복잡한 형상을 제작하는 것이 가능하다.

복합재의 강도는 감는 패턴(Winding Pattern)에 의존한다. 감는 패턴은 원주감기(Hoop Winding), 나사선 감기(Heli cal Winding), 인플레인 감기(Inplane Win ding), 폴라 감기(Polar Winding)로 분류되며 이 방법들을 단독 혹은 조합해서 사용한다. 원주 감기는 가장 간단한 방법으로 축방향의 하중에 약하다는 단점이 있다.

나사선 감기는 원주 감기의 결점을 보완한 것으로 감는 각도를 10~850로 바꿀 수 있고 각도에 따라 원주 및 축 방향의 강도를 바꾸는 것이 가능하다. 인플레인 감기는 양끝을 막는 원통용기의 성형에 사용되며, 폴라 감기는 구체(Sphere)의 성형에 사용된다.

▲ 필라멘트 와인딩 공정의 개략도.

○ 프리폼 제조 기술

복합소재 성형 방법과 밀접한 관계를 가지는 프리폼 제조기술은 대부분 직조기술을 기반으로 하고 있다.

일방향 프리프레그 테이프에 비해 직물(Textile) 프리폼이 가지는 장점은 복잡한 형상의 부품 성형이 가능하고 생산성이 향상되며 손상허용치가 증가한다는 것이다.

직물 프리폼은 아래 그림에서 보는 것처럼 섬유가 일체화되는 정도와 두께방향 강화 정도에 따라 2차원 및 3차원 구조로 구분된다.

예를 들어, 기존의 제직(Weaving), 편직(Knitting), 브레이딩(Braiding)을 보면 두께 방향의 섬유가 단지 섬유 직경의 2~3배 정도 깊이로 연결되기 때문에 섬유 관통으로 인한 강화효과는 일방향 적층 복합재료보다는 높은 수준이지만 일반적으로는 비교적 적은 편으로 볼 수 있다.

이런 직조 형태를 2차원 프리폼이라고 한다.

한편, 최근에 관심을 끌고 있는 3차원 프리폼의 경우에는 여러 방향의 섬유가 일체화된 구조이며 두께방향으로 현저한 보강효과를 줄 수 있다.

이런 2차원 혹은 3차원 직물 프리폼에 대한 다소 느슨한 정의는 프리폼의 실제 치수와는 무관한 것이다.

▲ 직조기술과 직조형 프리폼((a) 2차원 프리폼, (b) 3차원 프리폼).

■ 기술의 환경변화와 중요성

◇ 환경규제 강화에 따른 경량화 요구 증대

화석 연료의 고갈과 지구 온난화에 따른 CO2 저감에 효율적으로 대처하기 위한 다각적 노력이 전 세계적으로 진행되고 있다. 수송 기기의 경우, 경량화를 통한 연료 효율의 증대와 CO2 저감을 추구하고 있다.

항공 산업의 경우, 민항기의 경량화를 위해 기존의 금속 기체 대신에 고성능 복합재를 무게 대비 약 50% 정도 적용한 Boeing 787이 2011년 초도 운항을 시작했으며, 2∼3년 내에 동급의 Airbus 350도 운항을 개시할 것으로 예상된다. 자동차의 경우, 고성능 복합재의 사용 비중이 향후 약 10년 내에는 자동차 중량의 25% 수준으로 급격하게 증가할 것으로 예상된다.

◇ 복합재료 제품의 가격 경쟁력 강화 요구

가격 경쟁력과 대량 생산이라는 산업계의 요구를 충족하기 위해 기존의 소량 부품 생산 한계를 극복할 수 있는 생산성 향상, 즉 생산 시간 단축과 고속 성형 기술 개발이 선결 과제로 부상하고 있다.

복합재료를 구성하는 재료 가격이 높지만 복합재료 제품 가격의 60-70%는 제조 공정에 의해 결정되기 때문에 제조 공정의 자동화, 고속 제조 공정 개발 등을 통해 가격 경쟁력을 강화할 수 있다.

◇ 전략소재로서의 중요성 증대

단위 질량당 강도를 의미하는 비강도(Specific Strength)가 뛰어난 고성능 복합재료에 대한 수요는 기존의 항공우주산업으로부터 고성능 자동차 프레임, 모바일 전자기기 케이싱 등의 생산에 관련된 일반산업으로 점차 확대되고 있다.

따라서 과거 방위산업 분야를 포함한 일부 국가전략산업에서만 발생하던 복합재 구조 개발용 소재 수급 문제가 새로이 복합재를 적용하는 산업의 미래를 좌지우지할 수 있는 병목 기술이 됐다.

예를 들면 차량용 복합재 기술은 미래의 자동차 경량화의 핵심 기술로 대두 되고 있다. 고성능 탄소섬유 및 고분자 수지의 국산화, 생산성 높은 복합재 제조 공정 개발이 미래 자동차의 핵심기술이다. 또한, 높은 치수안정성이 요구되는 고정밀 전자산업에서 고강성 탄소섬유는 현재 전량 수입에 의존하고 있다. 따라서 향후 복합재료 산업에서는 새로운 소재의 개발 또는 국산화, 이를 뒷받침할 수 있는 공정개발이 매우 중요한 이슈로 부상할 전망이다.

■ 기술분야별 동향

◇ RTM 기술

RTM 기술은 기존 RTM 기술과 인퓨전(Infusion) 기술(RIM, VARI, SCRIMP 으로도 불림)로 크게 대별할 수 있다. 기존 RTM 기술은 암수 금형을 사용하고, 수지에 압력(통상 1~20atm)을 가해 섬유매트 내부로 함침시키는 공법이다.

기존 RTM 기술은 섬유 매트를 금형으로 압착할 수 있고, 높은 수지 주입 압력을 함침에 활용하기 때문에 상대적으로 섬유 체적율이 높은 고성능 제품을 성형할 수 있으나, 제품의 크기는 통상 1m 내외로 제한된다. 제품의 품질 향상을 위해 진공을 사용한 VARTM(진공 RTM)도 이용된다.

RTM 기술은 고성능이지만 상대적으로 크기가 작은 부품을 요구하는 항공/우주 분야, 방산, 자동차 등에 활용할 수 있다. 기존 RTM 기술 및 인퓨전(Infusion) 기술과 관련해 프리폼 제조, 수지/보강재 성형 물성 정량화, 금형 충전 수지유동 해석, 구조 일체화 설계/해석, 공정 설계 및 최적화 기술 등에 대한 연구가 꾸준히 진행되고 있다.

새로운 인퓨전 공정은 암수가 아닌 한 면의 금형을 사용하고, 수지 주입시 고압이 아닌 섬유 매트 내부에 걸어준 진공(1 atm 이하)에 의해 대기압에 노출된 수지가 섬유 매트 내부로 빨려 들어가 함침되는 공정이다.

인퓨전 공정은 기존 RTM에 비해 섬유 체적율이 5-15% 정도 낮지만, 제품의 크기에는 제약이 거의 없기 때문에 대형의 복합재 구조물을 저가로 성형할 수 있는 혁신적 공정이다. 따라서 풍력 블레이드, 특수선 선박, 복합재 교량, 해양 구조물 등 대형 경량 복합재 제조에 적용을 확대하고 있다.

수송기기 경량화 통한 연비 증대 해결책 복합재료

생산시간 단축, 고속 성형기술 개발 선결 과제

◇ 오토클레이브 성형기술

오토클레이브 성형기술은 항공우주 산업분야에서 이미 표준으로 자리 잡은 기술이다. 최근 복합재료 구조물의 응용 분야가 확대되면서 다양한 형태와 크기 및 요구도를 가지는 복합재 제조기술의 개발이 요구되고 있다.

특히, 항공우주분야에서 복합재 구조가 항공기의 일차 구조재로 사용되면서 복합재 부품의 크기가 커지는 데 따른 성형품의 치수안정성 개선을 위한 공정해석 및 성형공정 개발의 필요성이 대두되고 있다.

구조물의 일부분은 매우 두꺼운 치수를 가지게 되므로 두꺼운 복합재의 성형에 필요한 공정해석, 내부 온도/잔류응력 모니터링 및 최적화 기술이 개발되고 있다. 또한 주요 소재인 프리프레그에서도 흐름성이 개선된 수지를 사용하거나 수지함유율이 최소화된 소재가 사용되기도 한다.

◇ 자동섬유적층(Automated Fiber Placement) 성형기술

복합재 구조물의 수요가 커지고 그 활용분야가 넓어짐에 따라 복합재 프리프레그 적층작업의 자동화에 대한 요구가 높아지고 있다.

특히 CAD/CAM 기술을 복합재 적층기술에 응용하는 연구가 활발하게 진행되면서 CATIA 등의 상용화된 3D CAD장비를 이용한 기술도 개발됐다. 자동 섬유적층 장비는 적층에 소요되는 시간과 비용을 절감하기 위해서 헤드가 다수의 프리프레그 테이프를 자유 곡면 위에 적층할 수 있도록 하는 기술이 개발되고 있다. 또한, 복합재료의 적층에 필요한 열원(Heat Source)의 다양화, 실시간 경화, 건전성 모니터링 등의 기능을 추가해 제조 단가를 최소화하고 공정의 신뢰도를 높이기 위한 기술들이 개발되고 있다.

최근에는 열가소성수지 복합재료를 소재로 사용하기 위한 실시간 접합기술을 구현해 복합재 구조의 생산단가 및 기간을 최소화하는 연구도 진행되고 있다.

◇ 필라멘트 와인딩 기술

다양한 와인딩이 가능한 프로그램 개발과 컴퓨터 수치제어 기술이 발달하면서 제조 가능한 복합재 형상과 크기는 과거에 비해 크게 확대됐다.

최대 6축 모션(Motion) 제어에 의한 와인딩 기계를 사용해 고성능 압력용기와 비대칭 부품(파이프 엘보(Elbow)나 굴곡 형상)을 개발하고 있으며, 더욱 복잡한 형상의 제품을 제조하기 위해 로봇 기술을 접목한 8축 모션 제어 기계도 개발되고 있다. 생산성을 극대화하기 위해 기존의 12K 카본 섬유 대신 다량의 섬유를 가지는 50K 카본 섬유를 사용할 수 있는 와인딩 보조 장치도 개발됐다.

한 기계에 스핀들(Spindle)이 여러 개 있는 와인딩 기계로부터 같은 형상의 제품을 동시에 여러 개 생산하는 기술도 적용되고 있다. 기존의 일반 산업뿐 아니라 항공/우주/심해 등 극한 환경에서 사용될 수 있는 고성능 제품이 필라멘트 와인딩 기술을 적용해 개발되고 있다.

◇ 프리폼 제조기술

복합재료에 주로 사용되는 프리폼은 2차원적으로 섬유가 배열된 형태이다.

가장 많이 사용되는 형태는 평직이나 주자직과 같은 직물(Woven Fabric)이며 제품 형상에 따라 Braided Fabric(섬유 표면을 심어서 융을 만든 직물) 혹은 Knitted Fabric(경위사가 아니라, 루프형태의 고리로 연결돼가며 만드는 원단)을 사용하는 경우도 있다.

그러나 이런 2차원 프리폼은 두께를 증가시키기 위해 적층을 하게 되면 층간 전단에 의한 파손이 생기기 쉽기 때문에 두께 방향으로 섬유를 보강하는 방법에 대해 다양한 3차원 프리폼 제조기술을 개발하고 있다.

복합재 고생산성 성형법인 수지충전 기술의 상용화와 더불어 고성능 및 실형상(Near-net-shape)의 3차원 프리폼에 대한 기술적 요구가 생기면서 1980년대 중반부터 선진국에서는 이에 대한 기술개발을 지속적으로 해오고 있다. 다음의 표는 현재까지 개발되고 있는 다양한 3D 직조 기술의 특징을 정리한 것이다.

▲ 첨단 프리폼 제조기술 특징 .

■ 기술개발의 주요 이슈

◇ 고속성형기술 개발

RTM 기술의 주요 이슈는 생산성 향상 즉 생산 시간의 단축 혹은 고속 성형 기술의 개발이다. 고속 성형은 크게 사용 재료의 물성 변화와 장비의 성능 개선을 통한 고속 수지 주입으로 달성할 수 있다. 사용 재료의 물성 향상을 통해 고속 성형을 달성하기 위해 수 시간~수십 분 정도인 현재의 수지 경화 시간을 수 분 이내로 단축하는 연구가 수지 제조사를 중심으로 진행되고 있다.

장비 개선의 경우 수지의 사출 속도를 현재의 10기압 정도에서 수백 기압으로 올려 수지 사출 시간을 수십 초 단위로 단축시키기 위한 연구가 진행됐으며 현재는 장비 개발이 거의 완료된 상태다.

이 밖에도 공정별 생산 시간을 단축하기 위한 방법으로 Moving Mold System을 적극 활용하는 방안도 활발하게 연구되고 있다.

◇ 자동화를 통한 고신뢰도 공정 기술 개발

최근 대형 항공기 부품의 제조와 관련해 섬유자동적층 성형기술과 오토클레이브 공정을 결합한 기술 개발이 활발히 진행되고 있다. 이러한 움직임은 생산성 제고를 위한 기술융합의 결과이다. 구체적으로는 섬유자동적층장비의 시간당 적층량의 증대, 실시간 경화, 건전성 모니터링 등의 기능 추가를 통해 제조 단가를 최소화하고 공정의 신뢰도를 높이기 위한 기술 개발이 진행되고 있다.

◇ 대형 프리폼 제조기술 개발

복합재료의 적용 범위가 대형 구조물로 확대되면서 구조 일체화 기술개발에 대한 필요성이 증가하고 있다. 기존에는 리벳이나 볼트 등을 사용하거나 접착해 구조를 일체화했으나 최근에는 스티칭 기술을 적용한 구조 일체화를 통해 생산성 향상 및 구조 특성 향상을 도모하고 있다.

미국에서는 항공기 부품(중앙 동체 스킨 및 날개 부품)에 적용하기 위해 최대 크기 1.2 x 1.8m, 최대두께 38mm의 프리폼을 스티칭하는 기술이 개발되고 있으며, 유럽에서는 A380 항공기의 후방압력 벌크헤드(크기 5.5m x 6.2m) 에 스티칭 기술을 적용하고 있다.

최근에는 3D 편직 기술을 사용해 풍력 복합재 블레이드용 다축경편(최대 제직 폭 2.4m)을 제작하고 있다. 구조 대형화에 따른 제조시간 절감을 위해 대형 프리폼을 적용하거나, 구조물 신뢰성 향상을 위한 일체화 스티칭 기술 개발에 대한 요구가 커지고 있다.