▲ 재료연이 선보인 탄소복합재를 활용한 일체형 수평꼬리날개 박스

한국재료연구원(원장 이정환)이 소재 경량화의 핵심인 탄소복합재 제작 시간을 단축할 수 있는 기술을 개발, 이를 활용한 부품을 항공기 등 수송기기에 적용해 탄소중립 및 미래 산업 발전에 기여할 것으로 기대된다.

한국재료연구원(이하 재료연)은 ‘탄소소재, 지속가능한 미래를 향해’를 주제로 지난 10월24일부터 26일까지 서울 aT센터 1전시장에서 열린 국내 유일 탄소소재 융복합 산업 전시회인 ‘카본코리아 2023’에 참가해 기업 및 기관 관계자로부터 많은 관심을 받았다.

재료연은 ‘카본코리아 2023’에 부스를 마련하고 고성능 나노탄소소재 및 마이크로 탄소섬유를 기반으로 첨단복합재용 원천소재와 혁신 공정기술 등을 소개했다.

재료연이 소개한 ‘항공기용 섬유 강화 복합재 액상 성형 기술’은 고성능 경량화 소재인 탄소섬유에 액상의 수지를 주입해 액상성형용 금형 설계 및 일체형 복합재 제작이 가능한 기술이다.

소재의 경량화는 다양한 산업에서 필수적으로 추구하는 기술이다. 특히 자동차나 항공기 등과 같은 수송기기 산업에서는 그 중요성이 더 크다. 전세계적인 환경오염 규제 정책으로 인해 연비개선과 이산화탄소 배출량 감소 등을 목적으로 경량화 소재 적용을 통한 수공기기의 경량화를 지속적으로 개발 중이다.

탄소섬유 복합재료는 뛰어난 기계적 강도와 강성을 지니고 있는 경량화 소재로 우주항공·스포츠 등 다양한 분야에서 사용되고 있다. 하지만 탄소섬유를 비롯한 소재 원가와 공정이 비용이 높아 산업 적용에 어려움이 따른다. 복합재료를 제작할 때 사용하는 중간재인 프리프레그의 높은 가격과 긴 시간의 성형공정으로 인해 항공기 적용에 불리한 점을 지니고 있다.

이에 재료연은 건조 상태의 섬유 프리폼에 액상의 수지를 주입하는 기술을 통해 탄소섬유 복합재료의 생산속도 개선을 실현할 수 있게 했다. 또 섬유 및 수지에 대한 성형 물성 정량화 및 분석 기술과 수치 해석 기반 공정 설계 및 함침성 예측 기술로 온도 등 설계에 따른 공정 변수를 최적화 했다.

재료연은 산업통상자원부의 지원으로 한국항공우주산업과 T4L, 경상국립대학교와 함께 항공기 일체형 수평꼬리날개 박스 구조를 제작해 이번 전시회에서 선보였다. 꼬리날개는 비행기에 안전성을 주기 위해 비행기 후미에 붙인 작은 날개부분을 말하며 수평 꼬리날개와 수직 꼬리날개로 구성된다.

5,300㎜×938×304㎣ 크기의 일체형 날개 박스는 기존 각 개별 파트를 따로 제작해 조립하던 것을 탄소섬유와 에폭시 수지를 활용해 제작된 스킨과 스파 프리폼을 금형에 조립후 VARTM(진공보조수지전자성형)으로 One-shot 주입 후 경화해 일체형 구조로 제작했다. 조립공정이 필요 없어 생산 시간과 비용 무게를 감소 시켰다. 재료연은 공동연구기관과 함께 지속적인 연구 개발 및 적용을 통해 탄소섬유 복합재료의 부품 생산과 다른 산업분야로의 전개가 촉진 될 것으로 기대된다.

재료연은 이외에도 △고에너지 밀도 리튬이차전지용 후막 전극 제조 기술 △전기차용 AI-CFRP 하이브리드 배터리 케이스 제조기술 △밀리미터파 전자파 흡수 및 전추기 일체형 스텔스 복합소재 기술 △다기능성 탄소나노튜브 섬유 생산 및 응용 기술 등을 선보였다.

한편, 재료연은 탄소복합재 뿐만이 아니라 우주·국방산업에 활용되는 고온소재부터 금속, 분말, 세라믹 등 다양한 소재분야의 연구개발, 성과확산, 시험평가, 기술지원 등을 통해 국가 소재 연구개발에 박차를 가하고 있다.

또 재료연은 우리나라의 ‘소재강국 실현’을 목표로 소재 국산화를 위한 소재 기초연구부터 실용화, 애로기술 해소까지 소재·부품 전주기 부문을 지원하고, 국내 소재분야 연구 연량 결집과 산학연 협력의 구심점 역할을 수행하고 있다.

▲ 한국재료연구원이 `카본코리아 2023`에 참가해 탄소섬유 및 복합재를 활용한 기술 등을 선보였다.