미래 항공·UAM 소재,

경량화 및 3D 프린팅 기술 중심 진전

2. 연구개발 동향

2.1 탄소복합재

1) 국내 동향

국내에서는 UAM 기체 시스템과 시스템 경량화를 위한 구조소재와 관련된 기술 개발을 일부 연구기관과 기업이 진행하고 있으며 기초 단계이다. 최근 UAM에 관심이 높아져 지자체를 중심으로 UAM 시스템을 개발하고자 노력하고 있으나 경량화와 관련된 기술과 소재는 기존 항공기나 자동차에 적용되는 경량금속과 탄소복합재를 이용하는 정도이다.

UAM에 적용되는 정도의 탄소복합재 부품 제조기술은 자동차 구조부품을 제조하는 기술보다 난도가 낮게 평가된다. 예를 들어 자동차용 탄소복합재 부품은 대량생산 기술이 요구되기 때문에 HP-RTM(High pressure resin transfer molding), C-RTM(Compression resin transfer molding), PCM (Prepreg Compression molding) 등의 고속성형공정이 필요하나 UAM은 현재 국내 시장의 활성화 정도를 고려하면 항공기에도 적용되는 전통적인 성형공정인 오토클레이브(Autoclave)로도 가능하다.

▲ Autoclave(左) 공정 및 HP-RTM 공정(右)

UAM 시스템 개발과 관련된 연구로는 한국항공우주연구원이 무인기를 개발한 사례가 있으며 UAM 시스템 개발 과제도 현재 수행 중이다. UAM 시스템의 경량화를 위한 구조부품으로는 탄소복합재를 사용하면서 기존 목재, 금속 등을 대체하고 있다. 탄소복합재 제조 공정은 프리프레그를 이용한 오토클레이브 공정으로 제조하였다.

▲ 무인기에 적용된 직경 1.2m 복합재 프로펠러

2) 해외 동향

대부분의 UAM 기체 시스템은 탄소복합재를 이용하여 구조부품을 제조하는 것으로 알려져 있으며, 일부 현재 출시되었거나 전시된 프로토타입(prototype) UAM에서도 탄소 복합재 구조부품 적용 사례를 확인할 수 있다. 적용된 부품의 예시를 살펴보면 주로 추진체에 사용되는 프로펠러(propeller)와 러더(rudder)는 대부분 탄소 복합재로 추정된다. 또한 전체 구조를 이루고 있는 외장, 날개구조, 덕트(duct) 및 트러스(truss) 역시 탄소복합재로 추정되며 자동차와 유사하게 바디 인 화이트(Body in white, BIW)도 탄소복합재로 추정된다.

실제 시스템에서는 먼저 개인용 비행체인 오프너 블랙플라이(Opener BlackFly) 모델에서 캐노피와 연결된 외장에 탄소복합재가 사용된 것이 확인되었다. 드론 택시인 이항 216(Ehang 216)의 경우, 탄소복합재 적용을 명시하였고 본체 외장, 프로펠러 등이 시스템 이미지에서 확인되었다. 탄소복합재 제조 과정도 홈페이지에서 확인할 수 있었는데, 액상 에폭시 수지를 wet lay-up을 이용하여 수작업으로 탄소복합재 부품을 제조하고 있다.

이는 항공기나 자동차와 달리 생산 수요가 많지 않기 때문인 것으로 판단되나 향후 대량생산과 인증이 요구되는 시점이 되면 군용 항공기 수준으로 우수한 탄소복합재 부품제조가 필요할 것으로 예상된다.

에어스페이스 엑스피어런스 테크놀로지(Airspace Experience Technologies, ASX)의 AirspaceX-MOBi 모델에는 전체 스킨, 프로펠러, 러더 등에 모두 탄소복합재가 적용되었음을

확인할 수 있다. 또한 HopFlyt VENTURI5) 모델은 BIW를 탄소복합재로 제조하여 차체 강성과 경량화를 달성한 것으로 판단되며, 특히 벤츄리(VENTURI)는 날개 구조가 독특한데 복잡한

곡면 형상은 탄소복합재 성형공정으로 제조하기 어려우므로 3D 프린팅(printing) 기술로 제조하였다고 주장했다.

미국의 테라푸지아(Terrafugia)의 1세대 모델인 트랜지션(Transition)은 3D 컴포지트 플라이 모델링(composite ply-modelling)을 이용하여 탄소복합재를 설계하였고 일부 구조부품에 적용한 것으로 알려졌다. 들로리언 에어로스페이스(DeLorean Aerospace) DR-76)은 풀 스케일(full scale) 모델은 아직 확인되지 않았으나 1/3 스케일 컨셉 모델(scale concept model)은 전체를 탄소복합재로 제조하여 그 가능성을 확인하였고, 베타 테크놀로지(Beta technology)의 에바(Ava) XC7)는 미국 스케일드 컴포지츠(Scaled Composites)와 공동 개발로 탄소복합재 구조부품을 적용하고자 하였다. 그밖에 PAL-V8)는 루더, Elroy astro9)는 트러스가 탄소복합재를 적용한 것임을 확인하였다.

▲ Opener BlackFly의 탄소복합재 부품

▲ Ehang 216의 탄소복합재 부품적용 및 탄소복합재 성형공정(Wet lay-up)

▲ 탄소복합재 AirspaceX-MOBi

▲ VENTURI 스킨 및 3D printing으로 제조된 날개 구조

▲ Transition (左上), DR-7(左下), PAL-V(右上) 및 astro(右下)

韓 UAM, 오토클레이브 공정 활용 탄소복합재 외장·구조부품 제작

항공 금속소재, 고강도 알루미늄·합금 중심 및 소규모 맞춤 생산

2.2 금속소재

1) 국내 동향

UAM 산업에서는 필요한 금속재의 경우 기존 항공용 금속 소재가 동일하게 적용될 것으로 예상된다. 그 외에 3D 프린팅 기술을 이용한 부품 제조 등이 각광 받을 것으로 보인다. 현재는 항공기 감항인증에 충족하도록 기술적 요구도를 만족해야 하나 UAM 산업이 성장함에 따라 자동차 산업용 소재 등과 같은 일반 산업용 소재의 적용이 점차 확대될 수도 있다.

▲ 감항인증 기준 항공기 분류체계

2) 해외 동향

항공기는 수송기기 중에서 가장 높은 안정성과 신뢰도를 요구되는 시스템이며, 각국 정부는 항공기의 안전 비행을 법적으로 인증하고자 항공기 개발부터 생산, 운용 등 모든 단계에 걸쳐

안전의 증명과 적합성을 심사하는 감항 기준(airworthiness standards)을 제정하여 운영하고

있다. 우리나라 항공기 인증의 단계별 내용은 국토교통부 관련 법규에서 확인할 수 있으며 ‘형식증명’, ‘생산증명’ 및 ‘감항증명’의 3가지 개념으로 구분하여 추진된다.

-항공기 개발 단계 : 항공기의 설계 형식이 적용되는 감항기준 만족 여부를 시험이나 해석적

방법 또는 사전에 습득한 경험 등을 활용하여 확인한다.

- 항공기 생산 단계 : 적합성이 입증된 형식 설계와 합치되는 항공기가 제작되고 있는지 확인한다. 승인된 형식 설계에서 요구하는 감항성을 계속 유지하도록 제반 조치가 수행되고 있는지 관리 감독한다.

- 항공기 운용 단계 : 항공기가 운용 중 감항기준에 적합성을 계속 유지하고 안전한 작동

상태인지 확인한다.

우리나라 항공기 등(항공기·엔진·프로펠러) 인증체계는 형식증명, 형식증명 승인, 제작 증명, 감항증명 등 4가지 증명제도로 이루어져 있으며, 각 제도에 대한 법규는 항공법에 명시되어 있다. 항공용 소재는 항공기의 인증을 구성하는 요소의 하나이다. 일반인들에게도 잘 알려져 있듯이 항공기는 단위부품에 이르기까지 생산 및 품질의 추적관리가 가능한 엄격한 관리체계를 가진다. 기본적으로 항공기에 사용되는 기체구조용 금속소재로는 MMPDS에 등재된 소재만 사용할 수 있다. 즉, 항공기의 설계 시 필요한 물성은 확률적으로 매우 균일해야 하며, 생산에서 이를 보증하는 이력을 가진 소재를 기반으로 항공기가 제작됨을 의미한다.

또한 항공기 기체구조는 부품에 따라 손상허용설계 개념을 따른다. 손상허용설계 개념을 따르는 부품의 경우 이미 소재 및 부품에 일정한 크기의 균열이 존재한다고 가정하며, 균열이 일정 크기를 넘어가는 사용 시간을 예측하여 관리하고 교체하는 방식을 사용한다. 반면, 엔진용 소재는 일정 시간이 지나면 교체하는 안전수명(safe life) 개념에 따라 정해진 시간을 사용하면 교체하는 방식으로 운용된다. 이처럼 항공안전을 위해 요구되는 항공기용 소재 안전기준은 부품의 종류에 따라 다른 개념이 적용되므로 소재·부품·시스템에 이르는 전 주기적인 기술이 필수이다.

▲ 항공 금속소재 기술 분류

2000년대 이후 항공기의 가격경쟁력을 높이는 소재 비용 절감이 항공소재 개발의 핵심 요소로 등장하였다. 2000년 상업비행을 시작한 B787, A350은 복합재 사용량이 50% 수준으로 소재비 비중이 높아 다음 모델에서는 저가인 금속소재 비중을 높이는 방향으로 설계가 진행 중이다.

▲ 시대별 항공소재 요구 조건

항공기 분야에서는 경량화의 필요성이 비용 상승보다 훨씬 상회하기 때문에 오래전부터 알루미늄 합금과 같은 경량 소재가 적극적으로 사용되었다. 항공기 동체 및 날개 등과 같이 일정한 하중을 지탱해야 하는 구조체에 고강도 시효경화형 합금인 2XXX계 (Al-Cu계) 및 7XXX계 (Al-Zn계) 합금과 저밀도 알루미늄-리튬 합금이 주로 사용되고 있다. 민항기 기준 알루미늄 평균 사용량은 무게 기준 ~50%, 소재비 기준 ~25%이며, 항공기용 알루미늄 부품은 기체 벽(Bulkhead), 기체 날개 뼈대(Wing Rib, Spar) 등 주 구조물로서 압연(65~90%), 압출(5~30%), 단조(~5%) 수준이다. UAM에서도 동일한 구성이 예상된다.

항공용 3D 프린팅 기술 개발은 10여 년 전부터 미국 제너럴 일렉트릭(General Electric Company, GE)사가 주도적으로 진행해 왔다. GE는 자사의 GE90 터보팬 엔진의 T25 센서 하우징을 3D 프린팅으로 제조하여 2015년 FAA 승인을 얻어 세계 최초로 3D 프린팅 엔진 부품을 보잉 777 (GE90 엔진)에 적용되고 있다.

다양한 3D 프린팅 기술을 이용한 항공용 부품 개발되고 있으나 3D 프린팅 공정 변수에 따른 시편 물성 평가 등은 기초연구 수준이다. 국내 기술력 수준 및 시장흐름 등을 고려하여 단기적으로 산업용 프린터 기술 개발과 시장 조성을 위한 수요창출을 중점적으로 추진할 필요가 있다. 2023년 7월에 발간될 MMPDS-23에는 3D 프린팅을 포함한 공정에 영향을 받는 소재 물성에 대한 항공기 설계용 소재 물성이 발표될 예정이다.