컴퓨터 시뮬레이션 이용…기포발생 없는 수지주입법 개발

[산업일보]
기존 복합재료가 가지는 성능을 그대로 유지하면서 생산 단가를 50%까지 낮출 수 있는 복합재 부품 제조기술이 국내 기술진에 의해 개발됐다.
최근 한국기계연구원 재료기술연구소 변준형 박사팀은 과학기술부 21세기 프런티어사업인 차세대 소재 성형 기술개발 사업 지원을 받아 이 기술을 개발하는데 성공했다.
고성능임에도 불구하고 저가형으로 제조된 복합재 부품 제조기술을 집중분석해 본다.

복합재료의 특성

복합재료는 섬유를 겹겹이 겹쳐놓고 그 위에 에폭시 등의 수지를 입혀 만드는것으로, 가벼우면서도 강도가 높아 다양한 분야에 고성능 제품들이 개발돼 활용되고 있다.
복합재료는 거의 모든 재료를 혼합함으로써 얻을 수 있기 때문에 선택할 수 있는 재료에 대한 제한이 없고 그 특성도 매우 다양하게 얻을 수 있으나, 보통 다음과 같은 일반적인 성질을 가진다.

복합재료는 견딜 수 있는 힘 (강도)이 높고 딱딱해 잘 휘지 않는 성질 (높은 강성 혹은 탄성계수)이 있으며, 가벼운 섬유나 기지 재료를 사용할 때 강도 혹은 강성을 밀도로 나눈 값인 비강도 및 비강성이 매우 높다.
예를 들어, 항공기에 많이 사용되고 있는 일반적인 탄소섬유/고분자 복합재료의 경우는 섬유길이 방향의 강성은 강철의 70%이며, 인장강도는 4배 이상 높지만 강도 및 강성을 이 복합재료의 비중 (1.55)으로 나눈 값인 비강성 및 비강도로 비교하면 강철의 3배 및 20배 이상이다. 즉, 강철의 1/3 및 1/20 무게로 같은 강도 및 강성을 가진다는 뜻이며, 특수한 성능을 만족시키기 위한 고성능 탄소섬유를 사용하는 경우에는 더 커다란 특성 향상을 얻을 수 있다.

즉 복합재료는 ‘강철보다 강하고 알루미늄 보다 가벼운 소재’ 라는 말로 간단히 설명할 수 있다. 이와 같은 장점 외에도, 복합재료는 진동흡수 능력이 뛰어나고, 피로강도가 높고, 충격특성이 좋으며 유리섬유를 사용할 때는 전기절연성이나 단열성이 우수하다. 또한, 탄소섬유와 아라미드 섬유는 열팽창계수가 마이너스 값을 가지기 때문에 온도에 따른 재료 변형을 없앨 수 있다.


복합재료의 가격, 성능 결정요건

복합재료를 어떻게 고성능으로 만들며, 또한 어떤 방법으로 값싸게 만들 수 있을까? 우선, 복합재료를 고성능화 하기 위한 방법을 알아보자. 복합재료에서 기계적인 강도를 좌우하는 것은 보강 섬유의 종류, 섬유 포함량 및 섬유 배열방향 등이다. 고분자 복합재료의 보강섬유로는 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유 등이 주로 사용되고 있으며 복합재료가 사용되는 조건이나 제조 조건, 혹은 가격 등에 따라 적절하게 선택된다.

유리섬유의 강도와 탄성계수를 각각 1이라고 할 때 탄소섬유는 약 3배, 1.7배 이며, 아라미드 섬유는 2배 및 1.5배 정도이다.
복합재료의 기계적 특성은 보강섬유의 양에 의해 결정되는데, 탄소섬유/에폭시 복합재료의 경우, 탄소섬유가 에폭시보다 강도 및 강성이 50배 이상이다. 따라서, 복합재료에 들어 있는 섬유량은 높을수록 좋다.
섬유방향도 복합재료의 강도를 좌우하는 큰 요인인데, 예를 들어, 탄소섬유는 섬유 길이 방향의 탄성계수가 폭 방향 보다 10배 이상이며, 섬유가 한 방향으로 배열된 탄소섬유/에폭시 복합재료의 경우 강도나 강성은 섬유 길이 방향이 폭 방향 보다 30배와 15배 이상 차이가 난다.

그러면 이러한 고성능 복합재료를 값싸게 만들기 위해서 어떤 점을 고려해야 할까? 얼핏 보기에는, 복합재료를 구성하는 재료 자체의 가격이 다른 재료에 비해 매우 높기 때문에 이것이 전체 복합재료의 가격을 좌우한다고 생각하기 쉽다. 그러나, 실제로는 복합재료의 가격을 구성하는 70%는 생산공정에 있다. 즉, 빠른 시간에 복합재료를 생산하는 것이 가격을 낮추는 데 가장 중요한 요소인 것이다.

복합재료 제조 방법

대형 복합재료 구조물의 제조법으로 가장 널리 사용해온 방법은 수적층 (hand layup) 작업인데, 이 방법은 마치 벽지를 바를 때 벽지에 폴을 먹여 한 장 씩 바르듯이, 직물형태의 보강재에 수지를 묻혀서 한 장 씩 두껍게 적층해 나가는 기술인데, 단점은 기포가 많이 생길 수 있고 적층하거나 경화시키는 과정에 다량의 휘발성 가스가 공기 중에 방출되기 때문에 매우 나쁜 작업 환경에 놓이게 된다.

최근 들어 환경보호에 대한 전 세계적인 관심이 증가하면서 작업환경에 대해 엄격한 규제가 생겨서 고가의 시설물이 필요하거나 아니면, 환경에 큰 해를 주지 않는 새로운 성형 기술에 대한 요구가 커지고 있다.

기존의 복합재료 제조 방법인 오토클레이브 제조법이나 수적층법으로는 이러한 대형 구조물을 빠른 시간 내에 제조한다는 것은 불가능하다. 또한, 형상이 복잡하거나 대형인 구조물을 제조하기 위해 작은 부품들을 조립하거나 체결하는 과정을 거치게 되면 생산시간이 늘어날 뿐만 아니라 체결나사 등으로 인한 중량이 증가하고 체결 부위에 힘이 집중되면서 성능에 문제가 발생할 수 있기 때문에 구조일체를 통한 성형기술이 필요하다.

변준형 박사팀은 이러한 문제점들을 개선한 방법을 개발했다. 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 금형 안에 있는 섬유 보강재 내부로 수지가 주입될 때 보강재에 수지가 모두 차도록 하고 기포도 거의 없도록 하는 수지주입 방법을 개발, 길이 2.4m의 복합재 빔 구조물과 굴곡 형상의 두꺼운 복합재 (50mm 이상)를 제조하는 데 성공했다.

또 두꺼운 복합재를 제조하기 위해 여러 장으로 겹쳐진 보강재에 두께 방향으로 섬유를 연결시키는 기술을 적용, 기존 단순 적층구조에 비해 충격에 의한 손상 크기를 크게 줄이고 두께 방향의 특성을 10% 이상 증가시켰다.

연구팀은 이 성형법을 적용하면 환경에 유해한 휘발성 가스를 거의 발생 시키지않아 환경에 미치는 나쁜 영향도 최소화 할 수 있다고 설명했다.
변 박사는 "이 방법은 기존 성형법과 비슷한 성능을 유지하면서 복합재 부품 생산 단가를 30~50% 절감할 수 있기 때문에 가격경쟁력을 높일수 있을 뿐 아니라 복합재의 적용 범위도 크게 확장시킬 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.


자료제공 : 한국기계연구원 재료기술연구소 변준형 박사
정리 : 미디어다아라 김원정 기자(news@daara.co.kr)