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연구성과 사례
占쏙옙占쏙옙占쏙옙 코팅 한 번에 5가지 기능 부여, ‘다기능성 슈퍼코팅막 기술’ 개발 |
占쏙옙占쏙옙占� 경량부품 생산을 위한 '탄소섬유복합재 공정기술'개발 |
#연구책임자 : 동남지역본부 이석우 본부장,
청정생산시스템연구소 생산시스템그룹 김태곤 선임연구원
고급 자전거와 골프채, 낚시대 등에 사용되어온 탄소섬유복합재(CFRP, Carbon Fiber Reinforced Plastics)가 항공, 자동차 등의 수송산업을 중심으로 미래 산업을 이끌 핵심 부품소재로 각광받고 있다. 하지만 국내에는 대기업 중심의 소재산업과 항공 및 자동차를 생산하는 완제품 산업을 이어주는 가공장비 개발 및 공정기술이 전무한 상황이다. 독일, 미국, 일본 등이 앞서고 있지만 기술보안 문제로 진입이 어려운 이 분야의 국산화를 위해 생기원을 중심으로 15개 기관과 기업이 손을 잡았다.
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장비-공구-공정기술 최적화를 위한 연구
고강도 탄소섬유(Carbon Fiber)와 플라스틱 수지(Plastic Matrix)로 구성된 탄소섬유복합재는 일반적인 금속(Steel) 소재와 비교할 때 밀도는 1/4 이하이면서 강도는 2배 이상이다. 그 만큼 가볍고 강하다. ‘초경량·고효율’이라는 특성은 CO2 규제로 연비 개선 필요성이 높아지고 있는 항공, 자동차 분야에서 특히 절실한 요소. 보잉사는 B787 모델에서 전체 기체 무게의 약 50%를 탄소섬유복합재 부품을 적용해 기체 중량을 약 20% 줄였고, 이를 통해 약 1,400톤의 CO2 배출 감소 효과가 있을 것으로 기대하고 있다.
‘탄소섬유복합재 가공시스템 개발’ 사업은 산업통상자원부의 지원 아래 2020년 개발을 목표로 2015년 시작됐다. 탄소섬유복합재라는 유망한 소재를 중심으로 가공을 위한 시스템(생산라인), 공구, 공정기술을 하나의 패키지로 묶어 개발함으로써 국내 중소·중견기업이 부가가치 높은 산업에 진입할 수 있도록 돕는 것이 목표다.
“탄소섬유복합재는 가공에 필요한 공정 노하우가 많이 요구되는 분야입니다. 해외의 리딩업체들은 그 노하우를 뺏기지 않으려 보안에 공들이고 있어요. 전 세계적으로도 관련 논문이 얼마 안 될 정도입니다.”
이 사업의 총괄책임자인 동남지역본부 이석우 본부장은 ‘장비-공구-공정기술’의 최적화를 통해 앞으로 한국이 탄소섬유복합재 절삭가공 분야에서 중국은 넘보지 못할 경쟁력을 지니게 될 것이라고 자신했다.
수만 번 깎고 기록하다
탄소섬유복합재는 소재 가격과 생산공정 비용이 높아 고품질을 요구하는 고가 제품에 주로 적용되고 있다. 다만 적층구조라는 소재 특성상 갈라짐, 미절삭 섬유, 섬유 뜯김과 같은 결함을 지니고 있어 결함을 최소화하기 위한 가공조건과 공구 선정에 어려움이 있다. 또한 공구 마모율이 높아 생산단가가 증가하고 생산성은 낮아지면서, 장비의 하드웨어 성능을 높여 고품질·고생산성·저비용 가공이 가능한 가공공정기술 연구가 필요한 분야다.
탄소섬유복합재의 소재 특성을 연구한 데이터가 전혀 없는 상황에서 연구팀은, 기초부터 시작해야 했다. 절삭 매커니즘 및 특성, 온도와 진동 등 외부조건에 따른 변화를 하나하나 테스트했다.
“조건을 바꿔가며 수만 번 깎았습니다. 힘들었지만 최적화된 공정기술을 찾기 위해 반드시 필요한 과정이었죠. 기초부터 연구하다보니 30개월 만에 논문을 28편이나 발표하기도 했습니다.”
시장진입을 위한 두 대의 장비
사업 기간은 아직 2년 여 남았지만, 공작기계 전문기업인 ㈜한국정밀기계에서 제작한 1차 장비가 이미 완성됐다. 앞으로 지속적인 성능 테스트를 거쳐 장비를 안정화하고, 한편으로는 관련 부품기업들이 생기원을 방문해 원하는 부품을 직접 가공할 수 있게 된다.
“사업이 끝날 때쯤엔 1대의 장비가 더 만들어져 있을 것입니다. 첫 번째 장비가 시장진입을 위한 것이라면, 두 번째 장비는 완성도를 더 높인 파생장비인 셈입니다.”
연구 과제가 끝난 뒤 기업이 상용화에 애를 먹지 않도록 아예 처음부터 2대의 장비 제작을 목표로 사업을 추진해왔다. 앞으로 남은 기간은 장비를 안정화하고 기업 입장에서 신뢰도를 높이는 시간이 될 전망이다.
이번 개발 사업은 소재기업과 공구기업은 물론 수요기업인 항공 및 자동차 업계도 참여해 수시로 방향을 점검하고 신뢰를 쌓아가며 진행하고 있다. 아직은 더 기반을 닦고 데이터를 쌓아야 하지만, 탄탄한 소통과 신뢰가 국내 산업의 부가가치를 높이고 해외 시장으로의 진출을 격려하는 초석이 될 것으로 보인다.