(사진. Wikimedia)

*자료 : 화학소재정보은행

<요약>

복합재료란 성분이나 형태가 다른 두 종류 이상의 소재가 거시적으로 서로 간에 구분되는 계면을 가지도록 조합되어 유효한 기능을 가지는 재료를 일컫는다. 그러나 두 종류 이상의 재료가 미시적으로 조합되어 균일성을 가지는 합금들은 복합재료라 하지 않으며, 복합재료는 구성소재들 사이에 거시적으로 경계면을 가지고 있다는 점이 합금과 다르다.

단일 구성소재로서 구현하고자 하는 기능이 발현될 수 없을 경우 이종 간 또는 그 이상의 재료를 조합 및 복합화하여 구현하고자 하는 기능이 부여된 것을 말한다. 복합재료는 사용된 바인더(Binder) 또는 기지(Matrix)에 따라 고분자기지 복합재료, 금속기지 복합재료, 세라믹기지 복합재료 및 탄소기지 복합재료 등으로 분류된다. 이러한 요소들로 구성된 복합재료는 일반적으로 층상 복합재료, 입자강화 복합재료, 섬유강화 복합재료 등으로 구분할 수 있다.

복합재료는 기지재의 종류에 따라 금속, 세라믹, 고분자 등 소재 간 결합에 의해 기존 소재의 한계를 뛰어 넘는 소재를 디자인 하는 것이다. 전형적인 복합재료 제조에 대한 개념에서 최근 새로운 복합재료 제조로 나노고분자 복합재료 등도 이슈가 되고 있다. 복합재료로서 개선할 수 있는 특성은 강도 및 강성도, 내식성, 피로수명, 내마모성, 충격특성, 내열성, 전기 절연성, 단열성, 경량화, 외관 등을 들 수 있다. 이러한 특성이 동시에 모두 개선되는 것은 아니고 목적에 맞게 필요에 따라 선택하여 쓸 수 있으며, 최근 복합재료가 신소재로서 가장 주목 받고 있는 특성은 비강도 및 비강성이라고 할 수 있다. 본고에서는 현재 자동차 분야에서 이슈가 되고 있는 탄소섬유 복합재료 제조에 초점을 맞추어 소개한다.

복합재료 제조 공정 개념도

1. 고분자 성형 공정 개요

(1) 섬유강화 복합재료

고분자 복합 재료 중 가장 중요한 유리섬유(Glass fiber) 강화 플라스틱인 FRP는 약 50여 년전인 1942년에 미국에서 개발되었다. 초기에 불포화 폴리에스테르 수지를 유리섬유로 보강한 재료로서 기존의 금속이나 목재, 석재 등에 대치되는 새로운 소재로서 등장한 것이다.

섬유강화복합재료의 장점은 비강도가 크므로 가볍고 강하며, 성형성이 양호하여 의장설계상의 자유도가 크다. 또한 내약품성이나 내열성이 우수하며 전기 절연성이 있고 전파를 투과한다. 그리고 재료, 성형법 등의 선택에 의해 투광성을 가지게 할 수 있다.

그러나 섬유강화복합재료는 탄성계수가 작으며, 내열성이나 난연성이 떨어진다. 또한 성형속도가 늦으며 표면에 손상이 생기기 쉬운 단점을 갖고 있다. 산업 기술의 고도화 및 정밀화가 진행됨에 따라 새로운 공업 재료가 요구되어 새로운 복합화 기술의 연구가 성행하게 되었고, 그 결과 이러한 복합화 기술을 기반으로 한 신종 복합 재료의 개발이 성황을 이루게 되었다. 즉 1960년대에 들어서면서 텅스텐 섬유(Wfiber), 붕소섬유(Boron-fiber) 혹은 휘스커(Whisker) 등의 금속 및 무기 화합물계와 유기섬 유계인 아라미드섬유(Aramid fiber) 등이 새로운 강화재로서 등장하게 된 것이다.

새로 등장한 강화재들은 종래의 유리 섬유보다 강도, 탄성 등 기타 물성이 월등히 뛰어날 뿐만 아니라 기지재 수지도 EP, PPS, PES, PEEK, PAI 및 PI 등 새로운 것이 나오게 되어 이들을 복합화해서 얻어지는 제품의 성능이 지금까지의 GFRP보다 우수한 성능을 발휘하게 되었다.

형태에 따른 섬유강화재 분류

(2) 섬유강화복합재료의 원재료

섬유강화플라스틱 및 복합재료의 원재료는 보강섬유와 기지재료(Matrix)로 나뉘어진다.

복합재료의 보강재는 주로 연속섬유를 사용한다. 역사적으로 유리섬유가 가장 오래된 보강섬유이나, 최근 그 사용빈도 및 중요성이 증가하고 있는 것은 탄소섬유(Graphite Fiber 또는 Carbon Fiber)라 할 수 있겠다. 그밖에 Kevlar로 대표되는 Aramid 섬유가 널리 쓰이며, 사용빈도가 적거나 특수 목적으로 Boron 섬유와 Silicon Carbide 등의 Ceramic 섬유 등도 쓰이고 있다.

보강섬유가 하중을 견디는 요소라면, 이들 각각의 섬유를 제자리에 고정시켜 구조적인 모양을 이루기 위해서는 기지재료의 필요성이 절대적이다. 또한, 전단하중에는 주로 기지재료가 하중을 지탱하기 때문에 기계적 성질이 매우 중요하며, 파괴진행에 결정적인 영향을 미친다. 또한 대부분의 섬유가 외부요소(열, 화학물질 등)에 대해 안정되어 있어, 이러한 외부요소에 대한 기지재료의 저항성이 중요한 경우가 많다.

기지재로는 에폭시 수지가 최신 복합재료에 쓰이고 있으며, 아직 불포화 폴리에스테르 수지도 일반 복합재료의 상당한 부분을 차지하고 있고, 고온용으로는 Phenol, Polyimide 수지와 알루미늄 등 금속이 쓰이며, 최근에는 열가소성 수지도 많이 사용되고 있다.

수지의 함침을 증가시키기 위해 수지의 낮은 점도와 수지 유동 거리(수지 탄소 섬유에 함침 거리) 단축을 위해 열가소성 수지를 필름이나 분말 형태로 미리 섬유 사이에 배치하는 방법과 열가소성 수지의 전구체 상태에서 탄소 섬유에 함침하는 방법 등이 검토되고 있지만, 비용과 생산성에 문제가 있다.

일반적으로 CFRP에는 수지에 열경화성 수지를 이용한 CFRTS(탄소 섬유 강화 열경화성 플라스틱)과 열가소성 수지를 이용한 CFRTP(탄소 섬유 강화 열가소성 플라스틱)의 두 종류가 있다. 또한 열경화성 수지로는 에폭시, 열가소성 수지로는 PP 나 PA 등이 사용되고 있다.

CFRTP는 CFRTS에 성형 시간이 짧고, 재활용하기 쉬운 것으로 알려져 있으나 열가소성수지는 용융 점도가 높아 탄소 섬유 내에 함침이 어려운 문제가 있다. 일부 열가소성수지는 탄소 섬유와 결합을 형성하는 작용기가 적기 때문에 계면 접착력이 약하다. 이에 따라 CFRTS에 비해 물성(비강성, 비강도)이 낮은 주원인 중 하나로 작용하고 있다. 또한 충격 흡수 및 고강성 부품에 적용하기 위해 많은 연구가 필요하다. 특히 난연성이나 자외선열화 등도 해결해야 할 문제이다.

CFRTS와 CFRTP 비교

(3) 섬유 기재/수지 함침·중간 소재(프리프레그)

CFRP에 사용되는 탄소 섬유에는 연속 섬유 및 단섬유(불연속 섬유)가 있다. 연속 섬유가 기계적 물성 및 경량화 효과는 크지만 수지의 유동 및 성형이 어렵기 때문에 생산성이 낮다. 이러한 문제를 해결하기 위해 테이프 또는 직물에 수지를 함침시켜 사용하고 있으며 이것을 프리프레그(중간 기재)라고 부른다. 프리프레그는 AC, PCM 프레스 방법 등으로 성형되고 있다.

CFRTS의 프리프레그는 도레이, 도호테낙스, 미스비시, SKC 등 여러 업체가 취급하고 있으며, CFRTP의 프리프레그는 독일 Bond-Laminates(독일 LANXESS의 자회사)와 TenCate 이외에 최근에는 테이진, 마루하치 등이 취급을 시작하였으나 적용 실적이 있는 것은 Bond-Laminates과 TenCate의 것이다. TenCate(네덜란드)는 ETEX®(열가소성 복합재료)를 Airbus A350과 A380, Boing 787 등에 적용하고 있다.

2. 최신 성형 공정 개발 동향

CFRP의 성형법에는 오토클레이브(AC), 오븐 성형법(Semi Prepreg, Resin Film Infusion), Filament Winding(FW), Resin Transfer Molding(RTM), Vacuum assisted RTM(VaRTM), Prepreg Compression Molding(PCM), 사출 성형법 등이 있다.

(1) AC 성형법

AC 성형법은 적층한 연속 섬유(한방향 직물(평직·능직) 다축기재)에 열경화성 수지를 함침시킨 중간기재 (프리프레그)를 적층하여 오토클레이브와 오븐 속에서 가열·가압하여 수지를 경화시켜 성형하는 방법이다. AC 성형법은 성형 시간이 2~4시간으로 길고, 연간 몇 만개의 생산 능력이 요구되는 자동차 분야에서의 적용은 다소 어렵다.

Autoclave 성형(Lexus LFA Supercar 제작)

(2) RTM 성형법(하이사이클, HP-RTM, Surface-RTM, T-RTM)

AC 성형법 보다 성형 시간과 설비 투자 비용을 절감 한 것으로, RTM 성형법, VaRTM 성형법이 있다. RTM 성형법은 금형 내에 적층 한 연속 섬유를 넣은 후 금형을 닫고 수지 주입구로 열경화성 수지를 주입하고 열을 더하는 것으로, 탄소 섬유에 수지를 함침시켜 성형하는 방법이다. VaRTM 성형법은 RTM 성형법과 다르게 하형 금형 위에 적층한 연속 섬유를 놓고 이를 플라스틱 필름 등으로 봉인하여 진공 흡입한 후 하형 틀에만 수지를 주입하고 열을 가하는 것으로, 탄소 섬유에 수지를 함침시켜 성형하는 방법이다. VaRTM는 RTM보다 코스트가 낮으나 성형 시간은 길다. RTM 성형 시간이 1~2시간에 VaRTM의 성형 시간은 4시간이다.

일반 RTM 성형법은 AC 성형법 보다는 시간을 단축하고 있지만, 자동차의 양산에 대응하려면 상당한 성형 시간 단축이 필요하다. 성형 시간의 대부분을 차지하고 있는 수지의 함침 경화 시간을 단축하기 위해 새로운 수지 개발 및 수지 주입법 등의 개선 등이 이루어지고 있으며, 성형 시간을 10분 정도까지 단축한 하이 사이클 성형 기술과 최소 2분까지 성형 시간을 단축할 수 있는 HP-RTM 성형법이 등장하고 있다.

VaRTM의 성형 모식도

하이 사이클 일체 성형 기술

하이 사이클 일체 성형 기술은 도레이와 닛산이 공동으로 개발한(2003~2008년) 성형 방법이다. 몰드 당 월 약 3,000개의 제품을 성형할 수 있는 시스템이다. 경화 시간이 짧은수지의 개발과 고속 수지 주입을 위한 다점 동시 주입법, 자동 성형 시스템 등의 개발을 통해 기재 배치부터 탈형까지 약 10분 이내에 제품을 생산 할 수 있는 시스템이다.

RTM 성형은 양산성이 좋은 방법이지만, 성형 시간은 160분 정도 소요된다. 160분 가운데 125분은 수지 함침 및 경화에 소요되는 시간이며, 성형 시간을 10분 이내로 단축하기 위해서는 함침 시간을 3분, 경화 시간을 5분으로 줄일 필요가 있다. 이를 위해 함침에 필요한 유동성을 3분간 유지하면서 5분 내에 경화를 완료 할 수 있는 속경화 수지의 개발이 필요하다.

속경화 수지는 도레이에서 새로 개발한 에폭시를 사용하였다. 일반적으로 에폭시 수지는 CFRP의 함침 수지로서 내열성, 역학 특성의 밸런스가 좋고, 탄소섬유와의 접착성이 좋기 때문에 많이 사용되고 있다. CFRP용 에폭시 수지는 통상 100~180℃에서 60~120분의 성형 조건으로 경화가 이루어지고 있다. 경화시간을 단축하기 위한 속경화형 에폭시 수지도 있지만, 프리폼에 수지를 함침 시키는데 필요한 유동시간이 짧기 때문에 CFRP용으로 이용하기 곤란하다. 도레이는 유동성을 3분으로 유지하면서 5분에 경화를 완료할 수 있는 새로운 에폭시 수지를 개발했으며 수지의 개발 컨셉은 경화 후반의 반응을 빠르게 하면서 경화 초기에 점도 상승을 억제하는 방법이다.

하이싸이클 RTM 개발 컨셉

고압 수지 트랜스퍼(HP-RTM) 성형법

고압 수지 트랜스퍼(이하 HP-RTM) 성형법은 일반 RTM 성형법보다 더욱 고압(6~10MPa)에 수지 주입을 실시하는 것으로, 수지 주입 시간 등을 단축하는 방식이다. HPRTM 성형법은 일반 RTM 성형법보다 평면의 평활성이 우수하다. BMW의 i3의 골격 부품 제조에서 HP-RTM 성형법이 이용되고 있다. 이 성형시스템은 독일 Dieffenbache(프레스) 및 독일의 Krauss Maffei(수지 주입기) 및 Fraunhofer ICT 공동으로 개발한 것이다.

이 시스템은 프리폼 적층, 프레스, 마무리까지의 공정을 자동화 한 것이다. 전후 공정을 포함해 4~5분 주기로 성형이 가능하며, 기존에 비해 대폭적인 단축과 비용 절감을 실현하고 있다. 사용된 수지는 HP-RTM 성형에 적합한 저 점도 수지로 Dow Automotive Systems (Dow VORAFORCE™과 Cytec(XMTR50 : 두 액상 에폭시 수지계)가 사용되었다.

HP-RTM 프로세스

Surface resin transfer molding process (Surface-RTM)

HP-RTM 성형법은 탄소섬유와 수지의 선열팽창률 차이가 크고, 수지 마감 따라 섬유 패턴 표면에 요철이 발생한다. 이 부분을 개량 한 기술로서 Surface-RTM 시스템이 등장하고 있다. 이것은 Dieffenbacher(프레스), Krauss Maffei(수지주입기), Zoltek(탄소섬유 Panex® 35 50K) Henkel(폴리 우레탄 chemistry) Chomarat(중간 기재) Ruhl Puromer(폴리우레탄 코팅) Alpex, Muhlmeier 및 Roding Automotive 등의 공동 개발에 의한 것이며, Dieffenbacher에서 시스템이 판매되고 있다.

Thermoplastic RTM Process(열가소성 수지 RTM 성형)

열가소성 수지를 이용한 RTM 성형 기술은 유럽의 자동차 업체, 기계 제조업체, 재료 업체들 중심으로 진행되어 왔다. 현재 실용화되고 있는 것은 유리 섬유를 이용한 것이지만, 탄소 섬유 적용을 위한 개발도 Krauss Maffei 등이 연구 개발하고 있다. T-RTM 성형법은 열경화성 수지를 주입하는 대신 열가소성 모노머를 촉매 및 활성 물질과 함께 주입하고, 금형 내에서 중합하는 방법이다.

(3) 프레스 성형법(프리프레그, 중간 기재 사용)

프레스를 이용한 압축 성형 기술은 성형 가공에 있어서 일반적인 제조법으로 불연속 섬유+열경화성 수지를 이용 하는 SMC 성형법이나 연속 섬유+열경화성 수지를 사용하는 PCM 성형법 또한 열가소성 수지를 이용하는 성형법 등이 있다.

(4) 프레스 성형법(직접 성형)

프리프레그와 펠렛 등의 중간 기재를 이용하지 않고 직접 성형하는 방법에 D-LFT / LFTD(Direct Long Fiber Thermoplastic Molding Process) 성형법이 있다. 이것은 수지 및 탄소 섬유를 라인에 배합하고 혼합 압출기에서 바로 사출 압축 성형하는 기술이며, 짧은 성형 시간에 부품을 제조할 수 있다.

(5) 사출 성형, 하이브리드 성형

CFRTP 사출 성형에서는 섬유 길이를 유지하면서 어떻게 분산을 올릴 것인가가 중요하게 된다. 탄소 섬유의 사출 성형에 있어서의 강도 유지의 방법으로 장 섬유 펠릿의 사출 성형에 의한 고강도화 직접 성형법에 의한 고강도화 등의 방향으로 개발이 진행되고 있다.독일 MAI carbon project의 MAI Qfast project에서는 범용 부품 제조를 위한 사출 성형 기술의 개발(수지 검토 등)도 이루어지고 있다.

미국 DOE는 PNNL 주도로 Predictive Engineering Tools for Injection-Molded Long-Carbon-Fiber Thermoplastic Composites라는 프로젝트에서 열가소성 복합 재료 제 구조(장섬유 사출 성형)에서 최적의 섬유 배향 및 길이의 분포를 예측하는 연구를 진행하고 있다. 1단계는 장섬유/PP, 장섬유/PA6, 2단계에서는 복잡한 3D 형상을 형성하기 위해 1단계에서 개발한 ASMI package를 이용해 장섬유/PP, 장섬유/PA6에 따라 도요타 자동차 부품을 사출 성형함으로써 예측의 검증을 실시한다.

그 외에 Kurauss Maffei와 ENGEL에서 선보이고 있는 하이브리드 성형기술이 K SHOW 2010(독일)에서 발표되었다. 연속 섬유 열가소성 재료를 IR 히터로 가열하고 이 형태로 이동하여 금형에 넣고 동시에 사출성형을 수행한다. 소요시간은 약 60초이다. 사출성형 시 수지도 함께 용융되기 때문에 접착제 없이 접합되며 강도를 유지하면서 리브나 보스 등을 동시에 형성하고 복잡한 성형을 가능하게 한다.

열가소성 수지를 이용한 사출성형

3. 결론

자동차 환경규제, 자원보호 등 국제환경규제 대응을 위한 자동차산업 전반에 경량화의 필요성이 확대되고 있다. 특히 자동차 경량화 효율이 가장 높은 방안으로 기존 소재 대체 새로운 소재 적용 및 관련된 성형 공법 개발이 활발히 이루어지고 있다.

현재 CFRP의 성형법에는 오토클레이브(AC), Semi Prepreg, Resin Film Infusion, Filament Winding, Resin Transfer Molding, Vacuum assisted RTM, Prepreg Compression Molding, Prepreg Compression Molding, 사출 성형 등 다양한 방법의 성형 공정들이 개발되고 있다.

한편 성형시간 단축, 코스트 저감을 위해서는 속경화형 고분자 수지 개발이 필요하며, 이에 따라 속경화형 에폭시 수지, 음이온중합을 이용한 열가소성 수지 개발 등이 이루어지고 있다.

BMW의 i3 대량생산, i8 적용 및 일부 업체 적용(차체 일부 또는 내·외판 일부 등)에 의해 CFRP 수요도 증가할 것으로 예측 된다. BMW 이외에도 CFRP를 주요 골격에 적용한 차량 (EV)이 등장할 가능성이 크다. 뿐만 아니라 향후 열가소성탄소섬유복합재료(CFRTP) 적용 부품이 기대되며, 성형 시간의 단축, 재료 가격의 절감, 수율 향상에 따라 CFRTS 성형품 가격 하락이 예상된다.