세계적으로 차량 연비 규제가 강화되면서 자동차 제조사들이 차량 무게를 줄이기 위해 경량복합소재를 적극 채택하고 있다. 항공 분야에서도 환경 규제 기준이 높아지면서 연료 효율을 높이고 재활용이 가능한 소재 사용이 늘어나는 추세다.
탄소복합소재를 적용한 모빌리티용 경량 부품 개발이 추진된다. '반응중합형 수지 적용 경량화 30% 이상 모빌리티용 열가소성 탄소섬유 복합재료 구조부품 개발' 과제를 통해서다. 과제는 산업통상자원부가 국내 탄소소재 경쟁력 강화를 위해 추진하는 대규모 국책 연구개발(R&D) 사업인 'K-카본 플래그십 기술개발 사업' 일환이다.
열경화성 수지 대비 저비용으로 고속생산이 가능한 반응중합형 수지와 고속성형기술을 개발하고, 이를 적용해 기존 스틸 소재 대비 40% 가벼운 모빌리티용 부품 제조 기술을 확보하는 것이 목표다.
열가소성 수지는 열경화성 수지 대비 내충격성과 내열성이 우수하고 원가가 저렴할 뿐만 아니라 재활용이 가능한 장점이 있다. 그러나 높은 용융점도 때문에 공정 난도가 높아 복합재료로 제조하기 어려웠다. 이를 극복하기 위해 열가소성 고분자 대신 저점도 모노머를 섬유에 함침시킨 후 고분자화하는 반응중합 공정이 대안으로 제시된다.
탄소섬유 복합소재용 열가소성 반응중합형 수지로 낮은 점도(상온에서 100mPa·s 이하) 구현을 위해 최적의 조성과 공정 변수를 찾는 것이 관건이다. 이번 과제를 통해 개발하는 '아크릴 반응중합형 수지'와 '나일론 반응중합형 수지' 역할이 주목된다.
맞춤형 고속 성형을 위해 반응중합 인발성형과 SMC(Sheet Molding Compound) 공정 개발도 추진한다. 인발성형은 수지로 함침된 섬유 보강재를 금형으로 통과시킨 후 잡아당겨 제품을 생산하는 방법이고, SMC는 소재를 금형에 적층한 후 유압프레스를 이용해 압착 가열해 성형하는 공법으로 생산성 향상이 기대된다.
개발한 수지와 성형 기술을 활용해 높은 강도와 40% 이상 경량화율을 갖춘 전기차 배터리 구조부품 2종(하부 프로텍터, 이너프레임)과 도심항공교통(UAM)용 연료전지 구조부품 2종(인클로저, 프레임) 제조기술을 개발해 사업화하는 것이 최종 목표다.
사업에는 주관기관인 신성소재를 비롯해 신아티앤씨, 삼오, 울산과학기술원, 전북대, 부산대, 한국재료연구원, 한국탄소산업진흥원, 한국탄소나노산업협회가 참여한다. 한국탄소나노산업협회는 공동특허 출원과 신기술인증, 연구개발 성과홍보 등을 수행한다. 현대자동차와 한화첨단소재는 수요기업으로 참여해 시제품 평가를 지원한다. 독일 프라운호퍼와 글로벌 협력 체계를 구축한 것도 눈에 띈다.
경량화율을 높인 모빌리티 소재부품이 개발되면 연비 향상과 탄소배출 감소 효과를 볼 수 있다. 모빌리티 외 다른 산업 분야에 확대 적용할 수 있는 발판도 마련된다. 재활용성이 우수한 열가소성 수지 기반 탄소섬유 복합재료를 대량 생산할 수 있는 기술을 확보해 친환경 소재 경쟁력 강화에도 도움이 될 것으로 기대하고 있다.
주관기관인 신성소재의 신윤종 대표는 “전기차와 UAM 부품을 탄소복합재료로 개발함으로써 경량성을 확보해 연비 향상에 기여하며 안전성까지 향상할 수 있을 것으로 기대한다”면서 “우수한 물성의 탄소 복합재료 부품이 양산 적용돼 신규 매출과 고용 창출로 이어지고 국가 산업 발전에 이바지할 수 있도록 연구개발에 최선을 다하겠다”고 밝혔다.
정현정 기자 iam@etnews.com
