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노형도 (한국재료연구원 탄소복합재료연구실)
2022-03-14
복합재(Composite)란, 여러 개의 소재가 하나의 구조를 이루고 있는 재료를 뜻한다. 복합재 중 구조 물성을 강화하는 대표적인 예시로는 섬유강화 플라스틱(Fiber reinforced plastic, FRP)이 있다. 섬유강화 플라스틱은 구조물의 하중을 주로 견딜 수 있는 섬유를 보강재(Reinforcing material)로 사용하고, 이러한 섬유의 모양을 유지해줄 수 있는 고분자 기지(Polymer matrix)로 이루어져 있다. 섬유강화 플라스틱에서 구조적 물성을 증진시키는 강화재 역할의 섬유는 주로 탄소섬유나 유리섬유가 쓰이고, 각각이 사용된 복합재는 탄소섬유강화 플라스틱(Carbon fiber reinforced plastic, CFRP)과 유리섬유강화 플라스틱(Glass fiber reinforced plastic, GFRP)으로 명명된다.  탄소섬유강화 플라스틱과 유리섬유강화 플라스틱의 예시는 각각 Fig. 1(a)와 1(b)에 사진으로 나타나 있다.  탄소섬유는 kg당 약 $20인 반면, 유리섬유는 kg당 약 $2이기 때문에, 금액적으로 경쟁력을 지닌 유리섬유강화 플라스틱이 다양한 분야에 많이 사용된다. 하지만, Table 1에 나타난 것과 같이 탄소섬유는 우수한 물리적 성능을 지니고 있으므로, 고부가가치 산업에 많이 활용된다. 예를 들어, 소재 비용보다 운용 비용이 중요시되는 비행기, 자동차, 선박 등에는 에너지 효율을 위해 경량화가 필요하고, 경량화 조건을 충족시키기 위해 유리섬유보다는 탄소섬유가 더 많이 채택된다. 이 배경에는, 각종 화석 연료에 대한 환경적 규제가 가장 큰 기여를 하였다. 유리섬유의 인장 강도와 강성은, E-glass 기준으로 각각 대략 2000 MPa과 80 GPa이다. 더불어, 탄소섬유의 밀도는 약 1.8 g/cm3인 반면, 유리섬유의 밀도는 약 2.6 g/cm3로써, 탄소섬유 대비 약 50% 높은 밀도를 지니고 있다. 구조적 특성과 밀도를 종합적으로 고려하는 무게 대비 강도나 무게 대비 강성을 비교해보면, 탄소섬유가 유리섬유 대비 굉장히 우수한 물리적 특성을 지니고 있음을 알 수 있다.  복합재에 사용되는 섬유의 형태는 직조 방식에 따라 나뉜다. 기본적으로, 단방향 섬유들이 직물 형태로 있는 단방향 섬유(Uni-directional, UD)가 기본적으로 사용된다. 섬유 가닥들을 직물 형태로 고정하기 위해 Fig. 2(a)와 같이 폴리에스터(Polyester)나 나일론(Polyamide) 계열의 흰색 립(Rib)들이 사용되거나, Fig. 2(b)와 같이 실 소재의 스티치(Stitch)가 사용되기도 한다. 단방향 섬유 직물이 여러 층 포개어져 하나의 직물을 이루기도 한다. 이를 크로스플라이(Cross-ply)라고 명명하는데, Fig. 2(c)와 같이 단방향 섬유들이 0도와 90도로 이루어진 직물을 [0/90]이라고 표기한다. Fig. 2(d)와 같이 단방향 섬유들이 0도와 45도로 이루어진 직물은 [0/45]로 표기한다.  복합재 내부 섬유의 적층 상태를 표기할 때, 괄호 오른쪽 밑 첨자에 숫자를 표기하는 경우도 있는데, 이러한 경우는 괄호 안의 적층 조건이 그 숫자만큼 반복되는 것을 뜻한다. 숫자 뒤에 S도 밑 첨자에 같이 있다면, 대칭(Symmetric)을 뜻하는 것으로써, 해당 적층 조건이 대칭되게 반복되는 것을 나타낸다.  예를 들어, [0/45/90]2s 라고 표기된 직물이 있다면, 이는 가장 밑 혹은 가장 위에서부터 단방향 섬유 직물이 특정 기준점으로부터 0도, 그 위의 직물은 45 도, 그 위의 직물은 90 도, 이어서 90 도, 45 도, 0 도로 적층 되어 있고, 이 세트가 총 2 세트 반복됨을 뜻한다. [0/-45/90/-45]s 에 대한 예시는 Fig. 3에 나타나 있다.  복합재의 기지재는 보강재를 고정하여 물리적 형상을 유지하는 역할을 하며, 보강재가 구조적 하중을 잘 버틸 수 있도록 방향성을 유지해주는 역할도 동시에 소화한다. 본 칼럼에서 다루는 기지재는 고분자(Polymer) 기반의 기지재이다. 고분자 기지재 기반의 복합재이기에, 플라스틱으로 분류되는 섬유강화 플라스틱이 제작된다. 기지재는 열가소성(Thermoset)과 열경화성(Thermoplastic) 고분자로 분류된다. 열가소성 고분자는 녹는점 이상과 이하에서 각각 용융(Melting)과 고화(Consolidation)가 일어날 수 있는 가역적(Reversible) 반응을 지닌다. 고화 될 때 Fig. 4(a)와 같이 고분자 체인이 길어지며 결정을 이루고, 이 결정의 정도를 판단하는 결정화도에 따라 고분자의 물성이 결정되기도 한다. 열가소성 수지는 Polyamide (PA), Polyether ketone ketone (PEKK), Polyether ether ketone (PEEK) 등을 예시로 들 수 있다. 용융-고화가 가역 반응인 열가소성 고분자는 재활용이 가능하다는 장점이 있지만, 복합재 성형을 위한 공정 온도가 약 섭씨 300 도 이상으로써, 열경화성 고분자 대비 높아서 상용화된 제품이 열가소성 대비 비교적 적다.  열경화성 고분자는 경화(Curing)라는 비가역적(Irreversible) 반응을 거치며 고체로 변한다. 비가역 반응이기에, 경화 후에는 다시 액체로 되돌릴 수 없다. 단분자들이 체인 형태의 고분자로 연결되는 열가소성 수지와 달리, 열경화성 수지는 Fig. 4(b)와 같이 경화 과정에서 고분자들이 공유 결합을 바탕으로, 서로 사다리 모양으로 엉키는 크로스 링킹(Cross linking)이 일어난다. 따라서, 열가소성 수지 대비 물리적 특성이 우수하다. 열경화성 고분자의 대표적인 예시로는 에폭시, 폴리에스터, 비닐에스터 등이 있다.  복합재의 구조적 특성은 Rule of mixture라는 식을 바탕으로 결정된다. 복합재와 기지재의 체적율에 비례하여 각각의 구조 특성이 반영되기 때문에, Eqn. 1에 표기된 Rule of mixture를 바탕으로, 복합재의 구조적 요구 사항과 비용 등을 고려한 구조 설계를 수행하는 것이 일반적이다. 더불어, 섬유강화 플라스틱은 섬유의 방향에 따라 물리적 특성이 상이하므로, 각 방향에 맞게 Rule of mixture를 적용하여, 복합재의 방향 별 구조 성능을 설계한다. Table 1과 같은 탄소섬유의 우수한 물리적 특성은 인장 방향에만 해당되므로, 복합재의 구조 설계는 보통 섬유의 적층 각도를 바꾸어 설계한다. 예를 들어, 적층 직물 간의 각도를 45 도씩 혹은 90 도씩 엇갈려 적층하여, 구조물이 필요한 물성을 만족하도록 설계한다. 복합재의 물성 계산을 위한 방향 별 Rule of mixture를 활용 시, 등방성(Isotropic)인 수지의 물성은 차이가 없으나, 길이 방향의 물성만 우수한 탄소섬유의 방향 별 물성을 잘 활용해야 한다.  구조물의 방향 별 물성의 편차를 없애고 등방성 물질을 만들기 위해서, 불연속 보강재를 사용하기도 한다. 불연속 보강재의 예시로는, Macro-scale의 단섬유, Nano-scale의 Carbon nanotube 등이 있으며, 이러한 보강재들이 기지재 안에 불규칙적으로 균일하게 퍼져 있다면, 모든 방향 별 Rule of mixture 결과 값이 동일한 구조물을 얻을 수 있다.  복합재 제조 회사들의 최근 높은 수요 중 하나는, 복합재 제조 공정 스마트화를 위한 스마트 팩토리 (Smart Factory) 구축이다. 제품의 품질 편차를 최소화하고 인사 사고와 인건비 문제의 리스크를 없애기 위해 각종 로봇을 활용하여 복합재를 제조하는 시스템을 구축하려 한다. 따라서, Fig. 5와 같이 복합재 제조를 로봇이 수행하고, 이를 모니터링하는 인력만 투입하는 디지털 트윈 (Digital twin) 시스템을 도입하려 한다. 디지털 트윈이란, 어원 그대로, 디지털 형태로 똑같이 복제된 시스템을 바탕으로, 현장의 상황을 파악하기도 하는 동시에, 현장을 지휘할 수 있는 시스템이다. 디지털 트윈 시스템 구현을 위해서는, 현장의 정보를 수집할 수 있는 각종 센서들의 설치가 첫 번째이다. 그 다음, 이러한 센서들로부터 얻은 정보를 무선 네트워크를 바탕으로 사용자에게 전달할 수 있어야 한다. 마지막으로, 얻은 정보를 분석한 사용자가 현장 지휘를 위해 무선 조종 시스템 또한 구축되어야 디지털 트윈 시스템을 구축하였다고 볼 수 있다.  복합재 고속 성형 기술 중 하나인 High-pressure resin transfer molding (HP-RTM) 공법에도 디지털 트윈이 적용되어, Industry 4.0의 트렌드에 부합하는 연구가 Fig. 6과 같이 활발히 수행되고 있다. RWTH Aachen university에서 제시한 Fig. 6에는 HP-RTM의 디지털 트윈화를 통해 복합재 제조, 제품 평가, 피드백을 바탕으로 설계와 공정 개선의 프로세스가 Closed-loop 형태로 나타나 있다.  RWTH Aachen university에서 개발한 스마트 팩토리 기술은 2019년의 Fig. 6 시스템에서 2020년의 Fig. 7 시스템으로 급속도로 성장 중이다. 분야 별 전문가들과의 협력을 바탕으로 복합재를 더더욱 스마트하게 제조하는 시스템 개발을 위해 나날이 발전 중이다. Fig. 6에 나온 시스템과 Fig. 7에 나온 시스템의 대표적인 차이점으로는, 복합재 설계 공정과 평가 공정이 추가 및 강화되었다는 점이다. 단순 섬유 직물 적층을 통한 복합재 제조가 아니라, 섬유 직물의 효율적인 배치와 적층 후, 파트의 굴곡진 면을 미리 Draping 하는 시스템까지 추가되었다.  비행기 제조 업체인 Airborne 사에서는 Fig. 8과 같이 열가소성 복합재로 이루어지는 비행기 부품 제조 공정에 디지털 트윈 시스템을 도입하려 하고 있다. Siemens 사와 파트너쉽을 맺고, 빠른 시일 내에 제조 공정의 디지털 트윈화를 도입할 것을 예고하였다. Airborne 사에서 주장하는 디지털 트윈 시스템의 장점은 다음 세 가지이다: 1. 제조 공정 전체를 디지털화하여 실시간 모니터링, 2. 디지털화를 통한 가상 세계에서의 디지털 기반 제어, 3. 제조 공정 시뮬레이션 및 개선 사항 반영. 위 장점들을 지닌 디지털 트윈화를 구현하기 위해서는 제조 공정의 디지털 변환이 필요하다. 즉, 공정 상의 모든 변수들을 실시간 모니터링하기 위한 센서들이 필요하다. Fig. 6에서 언급한 열경화성 기반의 HP-RTM의 경우에는 각종 센서들의 설치 및 최적화 시스템이 많이 연구되었지만, 열가소성 기반의 복합재 제조 시스템은 고온 환경이기에, 아직 센싱 시스템 구축과 정보 취득에 있어 도전적인 부분이 과제로 남아있다.  제품 성형 및 가공 개발하고 있는 Ingersoll 사가 Fig. 9와 같이 Siemens 사와 협력하여 디지털 트윈 시스템을 개발하고 있다. Ingersoll 사는 복합재의 강화재인 섬유를 배치하고, 3D 프린팅을 바탕으로 복합재를 제작하는 디지털 트윈 시스템을 개발 중이다.  본 연구는 항공 분야에서도 적용이 가능할 정도의 정밀 성형 및 가공 시스템 개발을 목표로 하고 있다. 더불어, 로봇 팔 끝단에 CNC 툴을 설치하여, 디지털 트윈 기반 가공(Machining) 시스템이 탑재될 수 있다는 가능성을 비쳤다. 디지털 트윈 시스템의 어원 그대로, 복합재의 현 상태를 3D 형태로 스캔하고, 사용자가 원격으로 조종하여 복합재를 제작 및 가공할 수 있는 시스템을 Fig. 9과 같이 구축하려 한다.  CFRP와 같은 복합재의 수요와 활용분야가 넓어짐에 따라, 복합재의 제조에 대한 관심도가 높아지고 있다. 복합재 제조는 다른 소재 대비 제작 비용, 시간, 인력이 모두 많이 필요하므로, 제조 공정의 스마트화가 이윤 창출에 큰 영향을 미친다. 따라서, 복합재 제조를 효율적으로 수행하기 위한 설계와 제조 공정에 대한 연구가 활발히 수행 중이다. 대부분의 복합재 설계는 Rule of mixture를 바탕으로 이루어진다. 복합재란 소위 두 개 이상의 재료가 하나의 구조물을 이루는 것이므로, 두 개 이상의 재료들의 물리적 특성이 하나의 구조물로 합쳐질 때 어떤 영향을 미치는지에 대한 식이 Eqn. 1에 나타난 Rule of mixture이다. 등방성인 수지와 달리 탄소섬유는 방향 별 물성이 상이하므로, 방향에 따른 Rule of mixture를 스마트하게 활용하는 것이 가장 중요하다. 복합재 제조 공정은 점차 자동화가 이루어지고 있는 추세이다. 제조 현장과 사용자를 디지털 기반의 모니터링-작동 시스템으로 연결하는 디지털 트윈이 접목되고 있다. 디지털 트윈 시스템 구축을 위해, 복합재 제조에 필요한 각종 정보를 수집하는 센서 류, 센서들로부터 얻은 데이터를 처리하는 데이터 처리 시스템, 의사 결정을 내린 사용자가 지휘할 수 있는 원격 조종 시스템 등이 모두 구축되어야 디지털 트윈을 구현할 수 있다.  최근 복합재의 큰 커뮤니티 중 하나인 Composites World에서도 디지털 트윈 기반의 복합재 스마트 제조 공정에 대한 연구들이 많이 발표되고 있다. 더불어, 항공기를 제작하는 Airborne 사는 열가소성 복합재의 스마트 제조 공정에 집중하고 있다. 복합재 가공과 관련된 Ingersoll 사는 복합재의 가공과 더불어 연속섬유가 함유된 3D 프린팅 복합재 제조에 디지털 트윈을 접목하는 연구를 수행 중이다. Airborne과 Ingersoll 모두 복합재 제조 자동화를 위해 Siemens 사와 협업 중이다.  향후에는 자동화에 인공지능을 접목한 복합재 제조가 상용화 될 것으로 사료된다. 수집한 데이터를 원격으로 받은 후, 사용자가 의사결정을 내리는 현재 프로세스에서, 의사결정까지 인공지능이 자동으로 수행하는 스마트 제조 공정이 이루어질 전망이다. 구체적으로는, Fig. 10에 나온 Cyber-physical systems와 같이 인공지능 의사 결정 단계가 추가될 가능성이 높다. 다른 예시로는, Fig. 11의 우측에 표기된 Predictive Maintenance 단계에 인공지능이 개입하여 통계 기반의 의사결정을 내려, 제조 설비에 대한 유지 보수를 예측하는 시스템이 도입될 수도 있다. |
- Fiber reinforced plastic, FRP
- Glass fiber reinforced plastic, GFRP
- Carbon fiber reinforced plastic, CFRP
- Predictive Maintenance
- Cyber-physical systems
전체댓글 2
정병규2022.03.16
탄소섬유강화복합재가 강도나 무게면에서 많은 장점이 있긴 한데, 탄소섬유가 매우 비싼 재료인데도 재활용이 어렵다는 내용을 본 거 같습니다. 최근에 할로겐 첨가제 대신 탄닌산을 적용해서 회수가 가능하도록 하는 기술도 KIST에서 개발중인 거 같던데, 기회가 되시면 이쪽으로 이야기를 좀 써주셔도 좋을거 같습니다.
노형도2022.08.02
안녕하세요,
답글이 늦어 죄송합니다.
제가 기계 베이스이다보니 화학 및 재료쪽 연구는 조금 약한데요,현재 진행 중인 연구 결과의 윤곽이 나오면, 한 번 작성하겠습니다.
의견 감사드립니다.
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