CNT 필름 기반 줄가열 공정을 이용한 탄소섬유 복합재료 제조공정 및 항공우주 응용.(사진=부산대 제공)

부산대학교 연구팀이 항공우주 부품에 요구되는 경량화와 고내열성, 제빙 및 전자파 차폐(遮蔽) 성능을 동시에 갖춘 탄소섬유 복합재료를 높은 에너지 효율로 제조하는 기술을 개발했다. 이 기술을 적용하면 기존 대비 단 5% 수준의 에너지로도 가볍고 튼튼한 소재를 만들 수 있어, 항공우주를 비롯한 다양한 첨단 산업의 혁신이 기대된다.

부산대는 응용화학공학부 성동기 교수 연구팀이 탄소나노튜브(CNT) 필름을 이용한 줄가열 공정을 개발해, 기존의 고분자 재료가 가진 내열성의 한계를 극복해 고온에서 안정할 뿐 아니라 항공우주 부품에 필수적인 제빙과 전자파 차폐 성능까지 갖춘 항공우주용 경량 탄소섬유 복합재료를 친환경적으로 제조할 수 있는 기술을 확보했다고 23일 밝혔다.

섬유강화 복합재는 가볍고 강도가 우수해 항공기, 우주 구조물, 자동차 등 다양한 산업 분야에서 널리 활용되고 있다. 특히 탄소섬유 복합재는 강철보다 가벼우면서도 높은 비강도(比强度)와 강성을 가져 차세대 항공우주 산업의 핵심 소재로 주목받고 있다.

최근 항공우주 분야에서는 엔진 구조물, 고온 환경에 노출되는 외장재 등 고온에서도 기계적 성능과 구조적 안정성을 유지할 수 있는 복합재에 대한 요구가 증가하고 있다. 그러나, 이를 위해서는 내열성이 우수한 폴리이미드 등 고내열 수지를 사용한 300℃ 이상의 고온 공정이 필요해 에너지 소모가 크고 높은 점도로 인해 고품질의 복합재 제작이 어렵다는 한계가 있다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해, 기존처럼 금형 외부를 전체 가열하는 방식 대신 탄소나노튜브 필름을 탄소섬유에 배치해 전류를 흘려 직접 발열시키는 줄가열 공정을 제안했다.

이 기술은 전기에너지를 열에너지로 변환해 필요한 부위에 열을 직접 전달함으로써, 고온 프레스 장비를 쓰는 기존 공정 대비 약 5% 수준의 에너지만으로도 제조가 가능하고, 수지 함침성(含浸性)을 크게 높여 내부 기공을 효과적으로 억제했다. 그 결과 기계적 강도와 구조적 신뢰성이 향상됐으며, 유리전이온도 약 362 ℃ 수준의 고내열 특성을 확보해 고온 환경에서도 안정적인 성능을 유지할 수 있음을 확인했다.

또한 탄소나노튜브 필름 도입으로 항공기 구조물에 필요한 제빙 및 전자파 차폐 성능을 동시에 확보했다. 특히 성형 공정 중 탄소나노튜브 필름의 균일한 발열 특성은 복합재 두께 방향의 온도 편차를 최소화해 구조적 안정성을 향상시켰으며, 대면적 구조물로의 확장이 가능한 에너지 효율적 공정임을 검증했다.

이번에 개발한 복합재 제조 기술은 항공기 외장재, 엔진 구조물 등 300℃ 이상의 고내열·다기능 특성이 요구되는 항공 우주 분야를 비롯해 에너지 효율적 대면적 구조물 제조가 필요한 다양한 첨단 산업 분야로의 확장이 기대된다.

성동기 부산대 교수는 “탄소섬유 복합재료는 높은 강도를 가진 경량소재로서 다양한 산업에 적용되고 있지만, 내열성이 낮아서 고온 환경에서의 적용성은 제한적이다. 이번 연구에서는 탄소나노튜브 필름을 활용한 새로운 줄가열 공정을 통해 고내열 탄소섬유 복합재료를 기존 기술 대비 낮은 에너지로 제조하는 공정 기술을 제안했다. 특히 유리전이온도 362 ℃ 수준의 고온 안정성과 제빙·전자파 차폐 기능을 하나의 구조 내에 통합함으로써, 항공기 외장재와 우주 구조체 등 극한 환경용 차세대 구조물에 적용 가능한 핵심 기술로 발전할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 부산대 응용화학공학부 성동기 교수가 교신저자, 정미주 석사 졸업생, 김송희 석사과정생, 김다영 석박사통합과정생이 공동 제1저자로 수행했으며, 한국재료연구원의 김태훈 박사, 오영석 박사와 미국 텍사스주립대(The University of Texas at Austin) 윤란 장(Yunlan Zhang) 교수가 공동연구로 참여했다.

해당 연구 성과는 학술지 국제 학술지 『컴포지트 파트 B: 엔지니어링(Composites Part B: Engineering)』 4월호에 게재될 예정이다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노소재기술개발사업 및 미래기술연구실 지원을 받았다.