▲ 고분자 복합재 공정 - 국내 선도연구기관.

◇ 기술경쟁력 분석

한국의 기술수준은 선진국과 비교해 아래 표와 같다.

▲ 고분자 복합재 공정 - 기술격차 및 기술수준.

■ 국내외 주요기업의 생산활동

◇ RTM 기술

RTM 기술은 항공 우주용 복합재 부품에 많이 적용되고 있다.

미국의 V System Composites(VSC)사에서 코만치(Comanche) 헬리콥터의 Air Filtration System용 Manifold Lids, 보잉 CH47 치누크(Chinook) 헬리콥터용 Transmission Support Housing(무게 50% 절감), Aircraft Engine Exit Guide Vane(NASA Glenn/GE 발주)을 개발했다.

Vanguard Composites사는 미국 육군 SMDC/MDA의 Missile Launch Canister를 VARTM 공정을 적용해 개발했다.

Fiber Innovations Inc.(FII)사는 위성의 Toroidal Hub, Toroidal 압력 용기, Actuator Piston & Housing 등의 부품을 제작했다.

Lockheed -Martin Integrated Systems에서는 미국 해군 및 공군과 공동으로 진행한 JASSM(Joint Air-to-Surface Standoff Missile) 프로그램을 통해 미사일 몸체 구조를 Braiding과 VARTM 공정으로 개발해 약 1,900만달러의 비용 절감 효과를 달성했다.

네덜란드 국립 항공우주연구소인 NLR(National Aerospace Laboratory)은 Ariane V Launcher의 복합재 Bracket, A320 Cargo Door, NH-90 헬기 Landing Gear용 Torque Link, F-16 Main landing Gear용 Drag Brace 등을 개발했다.

이스라엘의 IAI(Israel Aircraft Industries)는 유럽의 RTM 관련 대형 프로젝트인 TANGO 프로젝트의 일환으로 Wing Rib Element를 제작했다.

영국의 British Aerospace Airbus Ltd는 Brite-Euram SimRTM 프로젝트에서 3개의 폼 코어를 가지는 부품을 RTM 공정으로 제작했다.

국내에서는 기아 자동차가 엘란 스포츠카의 외장판넬(섬유체적율 20%이하)을 RTM으로 개발한 사례가 있다.

데크와 재료연구소와 공동으로 차세대 전투 장갑차 후방문을 개발해 양산(실전 배치)하고 있다.

KM과 데크항공은 재료연구소와 공동으로 풍력 블레이드를 개발하고 있다.

◇ 오토클레이브 성형기술

오토클레이브는 항공기용 복합재 부품 생산에 주로 많이 사용되는데, 미국의 보잉사와 유럽의 Airbus사 등에서 항공기 동체, 날개 부품을 포함한 다양한 부분에서 오토클레이브 성형기술을 활용하고 있다. 국내에서도 한국화이바·데크·KM과 같은 복합재 부품 업체들과 대한항공·한국항공우주산업(KAI) 등에서 복합재 항공기 부품 생산에 오토클레이브 성형기술을 활용하고 있다.

◇ 자동섬유적층(Automated Fiber Placement) 성형기술

미국은 보잉 777 Empennage, F/A-18E/F Stabilator 및 Inlet Duct 그리고 V22를 위한 다양한 복합재 부품의 생산에 적용 자동섬유적층 장비를 활용하고 있다. 최근에는 B787 동체, JSF X-35의 Inlet Duct 등의 제조에도 활용하고 있다. 유럽의 경우 TAGNO 프로젝트를 통해 항공기의 날개 구조를 개발한 바 있으며, Airbus사는 A350 XWB기의 Fuselage 등의 생산에 자동섬유적층장비를 활용하고 있다. 국내에서도 KAL이 보잉사로 납품할 날개구조 등의 생산에 자동섬유적층장비를 활용하고 있다.

◇ 필라멘트 와인딩

미국의 HyperComp Engineering사에서는 복합재 제품에 대한 설계·해석·제작·시험을 수행하고 있으며 고압탱크·실린더·라이너 없는 탱크·수조저장 탱크·극저온 탱크를 제작하고 있다.

Compositex사에서는 주로 항공/우주용 복합재 제품인 압력용기·로켓 모터케이스·극저온 추진탱크 등을 제조하고 있다.

RMC사에서는 인공위성 부품·항공기 물탱크·소형 항공기 프레임·나셀(Nacelle) 등을 제조하고 있다.

SA사에서는 튜브·압력용기·로봇 팔 등을 제조하고 있다.

Composite Technology Development (CTD)사에서는 경량 라이너가 없는 공기탱크를 상업화했다.

상업화된 공기탱크 중 소방관용 제품은 기존 제품에 비해 10% 가볍고 10% 작게 제조됐으며 강인화(Toughened) 에폭시를 사용해 미세 크랙에 대한 저항이 뛰어나다.

ATK Alliant Techsystem사에서는 Delta II 로켓의 부스터를 복합소재로 대체해 유효탑재량(Payload)를 크게 증가시켰다.

네덜란드의 Advanced Light Weight Engineering사에서는 자동차용 복합재료 LPG 탱크를 최초로 개발했으며, 높은 생산 속도로 제조가능한 드라이(Dry) 와인딩 공정을 개발했다.

노르웨이의 WindTec Winding Tecnol ogies SA사에서는 심해용 실린더형 장비 하우징을 개발했으며 트랜스폰더(Trans ponder) 튜브를 심해 7km 깊이에서 실험했다.

국내에서는 한국화이바와 코오롱에서 연속 와인딩 장비를 사용해 상하수도용 파이프를 생산하고 있다.

길광그린텍에서도 상하수도 파이프를 생산하고 있다.

피코산업에서는 피뢰기 모듈을 제조하고 있다.

CSP와 KCA에서는 벨러스트 파이프(직관 및 곡관)를 생산해 최근 국내외 선급 인증을 받은 바 있다.

테크와 이노컴에서는 CNG 압력용기 Type III를, 일진컴포지트사에서는 Type IV를 각각 제조하고 있다.

삼양컴텍에서는 CNG 탱크, 산업용 롤러, 복합재 전주 등을 생산하고 있다.

이외 몇몇 업체에서도 다양한 산업에 적용하기 위해 복합재 파이프를 개발하고 있다.

◇ 프리폼 제조기술

미국에서 3D 프리폼의 생산이 활발한 기업체로 3TEX를 들 수 있다. 3TEX는 3D 제직 기술을 적용한 폭발보호 구조, 개인 방호용, 차량 방탄용 프리폼을 생산하고 있다. 3D 브레이드 및 3D 샌드위치 구조의 프리폼은 자동차의 범퍼, 보트의 헐 구조, 압력용기 등에 적용된다.

Albany International에서는 항공기 구조물에 적용하기 위한 3D 브레이드 프리폼을 생산하고 있으며, 그 외 Fiber Inno vations Inc., Atlantic Research Corpora tion, Bally Ribbon Mill 등에서는 다양한 원소재(카본/유리/세라믹/석영 섬유)를 사용해 3D 프리폼을 생산하고 있다. 또한, Hexcel Composites, Fiber Materials Inc. 등에서는 3D 제직 및 3D 브레이드 프리폼을 사용해 국방 및 항공/우주 산업에서 사용되는 초고온용 재료인 탄소/탄소 복합재 및 세라믹 복합재를 제조하고 있다.

NASA에서는 컴퓨터로 제어되는 3D 스티칭 기계를 개발했는데, 제조 가능한 크기는 1.2×1.8m 이며 38mm 이상의 두께까지 스티칭할 수 있다. 스티칭 속도는 분당 40-200회이며 평판뿐 아니라 곡면 부위에도 스티칭할 수 있다. NASA ACT(Advanced Composite Technology) 프로그램에서 항공기 동체 구조물 제조에 이 기술을 사용했다.

일본의 경우 3D Composite Research Corporation 컨소시움 내의 Toyoda Automatic Loom Works, Ltd 및 Arisawa Manufacturing Corporation 등에서 3D 제직 및 3D 브레이드 프리폼을 생산하고 있으며 주로 국방/항공/우주 산업에 적용하기 위한 복합재 연구/개발에 중점을 두고 있다. 최근에는 중국의 Changzhou Bolong Three Dimensional Composite에서도 3D 스페이서(Spacer) 샌드위치 프리폼 및 3D 브레이드 프리폼을 생산하고 있다.

우리나라에서는 3차원 직조를 하는 기업체인 동일산자에서 3D 편직 기술로 제조된 다축경편(MWK, Multiaxial Warp Knit) 프리폼을 생산하고 있다. 최근에는 삼우기업에서 독일의 Saertex사의 기술을 도입해 풍력 복합재 블레이드용 다축경편 프리폼(최대 폭 2.5m)을 제조하고 있다.

두께 방향으로도 고강도 섬유가 사용된 3차원 프리폼 개발 및 연구는 학계(서울대)와 연구소(재료연구소)에서 수행하고 있다. 서울대에서는 3차원 브레이딩 기계를 미국 업체에서 제작해 연구하고 있다. 재료연구소(KIMS)에서 개발됐거나 개발 중인 기술로는 3D 제직·3D 브레이딩·스티칭 기술 등이 있다. 재료연구소에서는 이러한 직조 기술을 활용해 항공기 부품, 방탄 복합재 패널, 초고온용 탄소/탄소 복합재 프리폼을 개발하고 있다.

▲ 고분자 복합재 공정 - 국내외 주요 기업의 생산활동.

기술 선진국, 국가 차원에서 지속적인 기술 개발

韓, 선진국 동등수준 기술 전무…기술격차 3~7년

■ 시장규모 및 전망

◇ RTM 공정

RTM공정은 Emerging Technology로 현재의 시장 규모를 추정하기에는 자료가 부족한 상태이나, 전 세계적으로 볼 때 여러 복합재 제조 공정 중에서 약 4%를 차지하고 있는 것으로 보고되고 있다. 앞으로 생산성의 향상·제품의 대형화·고 섬유체적율·수지 유동해석을 위한 프로그램 개발 부문에서 지속적인 연구가 진행될 것이라고 본다.

◇ 오토클레이브 기술

오토클레이브 기술은 고성능 복합소재의 생산을 위한 표준기술로서 대부분의 고성능 복합재료 부품은 이를 통해 생산되고 있다. 오토클레이브 기술에 사용되는 원소재인 프리프레그의 높은 단가와 부자재비 및 장비 비용의 높은 비중 등으로 인해 오토클레이브를 대채하기 위한 다양한 기술들이 개발되고 있지만 궁극적으로 오토클레이브 수준의 신뢰성 및 고성능을 제공하는 기술은 개발되지 않은 상태이다. 복합소재 수요 증가에 따라 성능과 가격의 타협을 통해 기존에는 오토클레이브 성형공정을 이용해 생산됐던 복합소재 구조물 중 일부가 RTM 방식으로 생산될 것으로 전망된다. 그러나 궁극적으로 고안정성 및 고성능이 요구되는 복합재 구조 시장에서 오토클레이브 성형기술에 대한 수요는 당분간 지속될 것으로 예상된다.

◇ 자동섬유적층 성형기술

자동섬유적층 성형기술은 기존의 프리프레그를 사용한 고성능 복합재 구조 생산기술을 자동화하기 위한 노력의 일환으로 개발됐다. 따라서 기본적으로 복합재 기술의 성능 고도화 및 생산성 증대를 위한 기술로 볼 수 있다. 복합재 구조는 현재 항공우주산업에서 일차구조물로 사용되고 있으며, 그 적용범위가 확대됨에 따라서 관련 수요 또한 계속 증가할 것으로 예상된다.

◇ 필라멘트 와인딩 성형기술

필라멘트 와인딩 성형기술의 역사는 복합재료의 산업 응용과 궤를 같이 한다. 필라멘트 와인딩 성형기술을 이용한 복합소재 구조물은 항공우주·선박·군용·자동차 산업·의료 산업·일반산업·스포츠 산업용 등에 널리 사용되고 있다. 2010년 와인딩 제품의 국내 시장은 약 5,000억원 규모이며 전 세계 와인딩 제품 시장의 약 5% 정도를 차지한다. 앞으로 생산성 향상·부품의 성능 극대화·제품 크기의 대형화·형상의 다양화를 위해 기계 설비의 효율화/자동화 기술이 지속적으로 개발될 것으로 전망된다.

◇ 프리폼 제조기술

3D 직조 프리폼을 사용한 복합재료 제조는 주로 RTM 공정을 적용하기 때문에 RTM 시장으로부터 관련 시장 규모를 추정하면 RTM 시장의 약 5% 이내로 볼 수 있다. 3D 제직이나 브레이드 프리폼의 가격 측면에서 보면, 2D 패브릭 보다 가격이 훨씬 높기 때문에 여러 가지 장점이 있음에도 불구하고 아직 활발히 적용되지 못하고 있다.

그러나 3D 스티칭 기술의 경우는 다양한 패브릭을 구조적으로 일체화함으로써 손상허용치를 증가시키는 동시에 생산성도 향상 시키는 장점이 있기 때문에 산업에의 적용이 활발할 것으로 예상된다. 한편, 3D 제직이나 브레이드 프리폼의 경우에도 여러 방향에서 높은 강도와 더 엄격한 무게 감소를 요구하는 복합재료 구조물을 필요로 하고 있다.

따라서 현재 진행되고 있는 응용연구 결과가 충분히 검증된다면 앞으로 3D 프리폼에 대한 수요는 꾸준히 증가할 것으로 전망된다.

▲ 고분자 복합재의 세계 시장 규모(단위 : 조원).

■ 미래의 연구방향 및 국내 산업이 나아갈 방향

◇ 미래의 연구방향

RTM 기술뿐만 아니라 고성능 복합재 제조 기술은 성형 시간이 빠르게는 1시간에서 길게는 12시간 이상이 소요되는 대표적인 저속 공정이다. 향후 기술 트렌드는 CO₂ 저감을 위한 경량 소재 개발로 압축할 수 있으며 복합재의 경우 성형 시간 단축은 극복해야 할 목표 중 하나이다. 이를 위해서는 속경화 수지 개발, 다양한 형상의 프리폼 제조 기술, 고속 성형 기술 등에 대한 집중적 연구가 필요하다.

오토클레이브 기술에서는 복합재 구조의 대형화/후판화에 따른 복합재 내부 온도/잔류응력 모니터링 기술의 개발이 필요하며, 이를 활용한 실시간 공정제어기술이 요구된다. 특히, 수치해석을 통한 공정최적화를 통해 대형 복합재 경화싸이클을 조절할 수 있는 연구가 필요하다.
자동섬유적층 기술은 보다 정교한 적층을 위한 CAD/CAM 기술의 적용이 필수적이다. 이를 활용해 적층공정의 신뢰도 향상과 생산비용의 절감이 가능해질 것으로 예상된다. 자동섬유적층 장비는 보다 넓은 면을 한꺼번에 적층할 수 있는 멀티 테입(Multi-tape) 기술이 필수적이며, 새로운 열원 및 실시간 공정모니터링 기술 등이 개발돼야 한다. 소재에서는 생산 시간을 획기적으로 줄일 수 있는 전자 빔 등의 새로운 경화기법의 개발 등에 대한 연구가 필요하다.

필라멘트 와인딩 기술에서는 고성능 제품을 위한 성형 공정, 구조/해석 기술, 다양한 섬유 배열 방법의 개발이 필요하다. 또한 생산성을 향상시키기 위해 빠른 와인딩 속도로 섬유를 정확하게 배열할 수 있는 패턴 최적화를 위한 프로그램 개발 등에 대한 연구가 필요하다.

프리폼 제조에 있어서는 고성능 보강섬유의 높은 취성 때문에 직조 기계를 거치면서 생기는 섬유 손상을 최소로 할 수 있는 기술을 우선적으로 개발해야 한다. 특히 생산 속도를 높일 수 있는 방법, 프리폼의 크기(두께)에 제한을 받지 않는 새로운 프리폼 제조 기술, 고정된 섬유 배열이 아닌 설계자가 원하는 임의의 방향으로 섬유 배열을 할 수 있는 로봇 암을 이용한 섬유 배열/직조 기술에 대한 연구가 필요하다.

◇ 국내 산업이 나아갈 방향

세계 금융 시스템의 몰락으로 인한 경기 후퇴의 위협 하에서도 복합재료는 약 5% 이상의 성장이 예상되고 있다. 특히, 항공우주 산업 및 풍력산업은 재료 공급자 및 부품제조 산업 모두 지속적으로 성장하고 있다. 복합재료 제품의 전 사용주기에 따른 비용 분석에서 알 수 있듯이 장기 전망은 매우 밝다고 할 수 있다. 복합재료가 현 산업 구조 하에서 더 많이 적용되고 새로운 시장에서 더 매력적인 선택이 될 수 있도록 하기 위해서는 복합재료 성형방법의 슬림화·경쟁력 강화·공정의 자동화·새로운 원소재 개발에 대한 지속적인 노력이 이루어져야 할 것이다.