수송기기의 경량화, 탄성계수와 강도의 동시 증가가 관건

[산업일보]
석탄이나 석유 등 화석에너지의 한계에 대한 논의가 활발하게 이뤄지면서 다양한 분야에서 이에 대한 대안 마련에 고심하고 있다. 특히, 자동차나 비행기 등 수송기기 분야의 경우 전기 등 내연기관에서 탈피한 새로운 엔진 개발에서 뚜렷한 성과를 내는 한편, 기기 자체의 무게를 줄여서 에너지 효율을 높이려는 연구도 꾸준히 이뤄지고 있다.

이에 KAIST 홍순형 교수는 15일 서울 aT센터에서 개최된 ‘2019 수송기기 경량화를 위한 첨단 경량부품개발 및 복합소재 적용 기술 세미나’의 발표자로 참가해 ‘고강도 다기능성 나노복합소재의 제조 및 응용’이라는 주제로 강연을 펼쳤다.

“경량화가 키워드”라는 말로 발표를 시작한 홍 교수는 “향상된 물성을 얻게 되는 복합소재는 강도와 탄성계수가 모두 상승시키기 위해 기존의 물성을 포함하면서 장점을 확장시키는 한편 디자인 관점에서도 유연한 모습을 보인다”고 말했다.

홍 교수의 발표에 따르면, 과거에도 복합소재를 만들기 위한 다양한 방법이 있었는데, 대표적인 것으로는 분말 형태로 만들어서 기계적으로 섞거나 용해시켜서 분산시키는 방법 등을 들 수 있다.

“나노물질은 서로 강하게 응집하는 성질이 있기 때문에 균일한 분산을 위해 특수처리를 하지 않으면 믹싱 자체가 잘되지 않기도 하고 계면이 잘 붙어 있지 않아 물성이 저하되기도 한다”고 말한 홍 교수는 “이 두가지 문제를 해결하기 위해서는 분자수준에서의 믹싱이 필요하다”고 설명했다.

대표적인 복합소재로 꼽히는 CFRP나 나노복합소재 중 CFRP는 자동차의 바디 팬널이나 카시트 등에서의 폭넓은 활용이 기대되고 있으나 아직은 가격과 공정의 문제로 활발히 적용되지 않고 있다는 사실을 언급한 홍 교수는 “복합소재를 잘 사용할 경우 무게가 최대 1/3수준으로 줄어들 수도 있다. 특히 나노복합소재가 자동차에 활용되면 한 차원 더 높은 경량화가 이뤄질 것”이라고 설명했다.

덧붙여, 홍 교수는 “그래핀을 이용해서 자동차의 외장을 코팅하게 될 경우 이론적으로는 긁힘이나 부식이 발생하지 않는 것도 가능하다”고 밝혔다.



‘탄소섬유 복합소재 기술개발 동향’을 발표한 KIST의 양철민 책임연구원은 “초경량‧다기능성 플라스틱 부품 시장의 급격한 성장에 대비해 고분자 복합소재 제조기술의 확보가 필요하다”며, “특히 CFRP는 탁월한 경량화 효가 및 우수한 기계적 물성을 갖고 있어 이에 대한 고객 요구가 증가하고 있다”고 말했다.

양 연구원에 따르면 CFRP시장의 규모는 2014년만 해도 10조 원 규모에 그쳤으나 2025년에는 27조 4천억 원 규모로 급성장할 것으로 보이며, 이러한 시장 성장의 대부분을 항공 분야에서 이끌어갈 것으로 전망된다.

“항공 분야의 CFRP시장은 2014년에는 4조6천억 원에 불과했으나, 2025년에는 14조 원 규모로 두 배 이상 성장할 것이며, 이 중 98%를 열경화성 수지가 점유할 것”이라고 말한 양 연구원은 “보잉사의 B767의 무게가 60톤을 기록했지만 CFRP가 본격적으로 쓰인 B787은 무게를 48톤으로 줄이는데 성공했다”며 CFRP를 이용해 항공기의 경량화와 이로 인한 운항비용 절감 추이를 실제적으로 언급했다.