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고분자복합재료 성형공정 기술개발 동향

Ⅰ. 서론 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. [ 표 1. 복합재료와 합금재료의 차이점 ]단일 구성소재로서 구현하고자 하는 기능이 발현될 수 없을 경우 이종간 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.[ 그림 1. 복합재료 제조공정 개념도 ]복합재료는 기지재의 종류에 따라 금속, 세라믹, 고분자 등 소재 간 결합에 의해 기존 소재의 한계를 뛰어 넘는 소재를 디자인하는 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. 본 논고에서는 현재 자동차분야에서 이슈가 되고 있는 탄소섬유 복합재료 제조에 초점을 맞추어 기술하였다.Ⅱ. 고분자 성형공정 개요 1. 섬유강화 복합재료고분자 복합재료 중 가장 중요한 “유리섬유 강화 플라스틱”인 속칭 FRP(GFRP 혹은 GRP : glass fiber reinforced plastics)는 약 50여 년 전인 1942년에 미국에서 개발되었다.초기에 “불포화 폴리에스테르 수지”를 “유리섬유(glass fiber)”로 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 있다그러나 섬유강화복합재료는 탄성계수가 작으며, 내열성이나 난연성이 떨어진다. 또한 성형속도가 늦으며 표면에 손상이 생기기 쉬운 단점을 갖고 있다.산업기술의 고도화 및 정밀화가 진행됨에 따라 새로운 공업재료가 요구되어 새로운 복합화 기술의 연구가 성행하게 되었고, 그 결과 이러한 복합화 기술을 기반으로 한 신종 복합재료의 개발이 성황을 이루게 되었다. 즉 1960년대에 들어서면서 텅스텐 섬유(W-fiber), 붕소섬유(Boron-fiber) 혹은 휘스커(whisker) 등의 금속 및 무기 화합물계와 유기섬유계인 아라미드섬유(Aramid fiber) 등이 새로운 강화재로서 등장하게 되었다. 새로 등장한 강화재들은 종래의 유리섬유보다 강도, 탄성 등 기타 물성이 월등히 뛰어난데다 기지재(matrix) 수지도 EP, PPS, PES, PEEK, PAI 및 PI 등 새로운 것이 나오게 되어 이들을 복합화해서 얻어지는 제품의 성능이 지금까지의 GFRP보다 우수한 성능을 발휘하게 되었다.[ 표 2. 형태에 따른 섬유강화재 분류 ]2. 섬유강화복합재료의 원재료섬유강화플라스틱 및 복합재료의 원재료는 보강섬유와 기지재료(Matrix)로 나뉜다. 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 boron섬유와 silicon carbide 등의 ceramic섬유 등도 쓰이고 있다.보강섬유가 하중을 견디는 요소라면, 이들 각각의 섬유를 제자리에 고정시켜 구조적인 모양을 이루기 위해서는 기지재료의 필요성이 절대적이다. 또한 전단하중(shear stress)일 때에는 주로 기지재료가 하중을 지탱하므로, 그 기계적 성질이 매우 중요하며, 파괴진행에 결정적인 영향을 미친다. 또 대부분의 섬유가 외부요소(열, 화학물질 등)에 대해 안정되어 있으므로, 이러한 외부요소에 대한 기지재료의 저항성이 중요한 경우가 많다. 기지재로는 에폭시 수지가 최신 복합재료에 쓰이고 있으며, 아직 불포화 폴리에스테르 수지(unsaturated polyester resin)도 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 유동거리(수지 탄소섬유에 함침 거리) 단축을 위해 열가소성 수지를 필름이나 분말 형태로 미리 섬유 사이에 배치하는 방법과 열가소성 수지의 전구체 상태에서 탄소섬유에 함침하는 방법 등이 검토되고 있지만, 비용과 생산성에 문제가 있다.계면 접착력 향상을 위해 탄소섬유의 사이징 처리 등 다각적인 방법이 연구되고 있으나 수지의 비용 상승, 탄소섬유 메이커의 기술유출 등 때문에 개발이 쉽지 않은 상태이다.일반적으로 CFRP에는 수지에 열경화성 수지를 이용한 CFRTS(탄소섬유강화 열경화성 플라스틱)과 열가소성 수지를 이용한 CFRTP(탄소섬유강화 열가소성 플라스틱)의 2 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. 그래서 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 자외선 열화 등도 해결해야 할 문제이다.[ 표 3. CFRTS와 CFRTP 비교 ]3. 섬유 기재/수지 함침·중간 소재(프리프레그)CFRP에 사용되는 탄소섬유에는 연속섬유 및 단섬유(불연속 섬유)가 있다. 연속섬유가 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(중간기재)라고 부른다. 프리프레그는 AC, PCM 프레스 방법 등으로 성형되고 있다. CFRTS의 프리프레그는 도레이, 도호테낙스, 미스비시, SKC 등 여러 업체가 취급하고 있다. CFRTP의 프리프레그는 독일 Bond-Laminates(독일 LANXESS의 자회사)와 TenCate 이외에 최근에는 테이진, 마루하치 등이 취급을 시작하였으나 적용실적이 있는 것은 Bond-Laminates과 TenCate의 것이다. TenCate(네덜란드)는 ETEX¢ç(열가소성 복합재료)를 Airbus A350과 A380, Boing 787 등에 적용하고 있다.Ⅲ. 최신 성형공정 개발동향 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), 사출성형법 등이 있으며 [표 4]에 각종 성형법의 특징을 간략하게 나타내었다.[ 표 4. CFRP 성형방법]1. AC 성형법AC 성형법은 적층한 연속섬유(한 방향 직물(평직·능직) 다축기재)에 열경화성 수지를 함침시킨 중간기재(프리프레그)를 적층하여 오토클레이브와 오븐 속에서 가열·가압하여 수지를 경화시켜 성형하는 방법이다. AC 성형법은 성형시간이 2~4시간으로 길고, 연간 몇 만개의 생산능력이 요구되는 자동차분야에서의 적용은 다소 어렵다.[ 그림 2. Autoclaver 성형(Lexus LFA Supercar 제작)]2. RTM 성형법(하이사이클, HP-RTM, Surface-RTM, T-RTM)AC 성형법보다 성형시간과 설비 투자비용을 절감한 것으로, RTM 성형법, VaRTM 성형법이 있다. RTM 성형법은 금형 내에 적층한 연속섬유를 넣은 후 금형을 닫고 수지 주입구로 열경화성 수지를 주입하고 열을 더하는 것으로, 탄소섬유에 수지를 함침시켜 성형하는 방법이다.VaRTM 성형법은 RTM 성형법과 다르게 하형 금형 위에 적층한 연속섬유를 놓고 이를 플라스틱 필름 등으로 봉인하여 진공 흡입한 후 하형 틀에만 수지를 주입하고 열을 가하는 것으로, 탄소섬유에 수지를 함침시켜 성형하는 방법이다. VaRTM는 RTM보다 코스트가 낮으나 성형시간은 길다. RTM 성형시간이 1~2시간에, VaRTM의 성형시간은 4시간이다.[ 그림 3. VaRTM의 성형 모식도 ]일반 RTM 성형법은 AC 성형법보다는 시간을 단축하고 있지만, 자동차의 양산에 대응하려면 상당한 성형시간 단축이 필요하다. 성형시간의 대부분을 차지하고 있는 수지의 함침 경화시간을 단축하기 위해 새로운 수지 개발 및 수지 주입법 등의 개선 등이 이루어지고 있으며, 성형시간을 10분 정도까지 단축한 하이 사이클 성형기술과 최소 2분까지 성형시간을 단축할 수 있는 HP-RTM 성형법이 등장하고 있다.[ 그림 4. RTM 공법을 적용한 쿠페 모노코크로 ]2.1 하이 사이클 일체 성형기술하이 사이클 일체 성형기술은 도레이와 닛산이 공동으로 개발한(2003~2008년) 성형방법이다. 몰드 당 월 약 3,000개의 제품을 성형할 수 있는 시스템이다. 경화시간이 짧은 수지의 개발과 고속 수지 주입을 위한 다점 동시 주입법, 자동성형 시스템 등의 개발을 통해 기재배치부터 탈형까지 약 10분 이내에 제품을 생산할 수 있는 시스템이다.[ 표 5. 하이 사이클 일체 성형기술 ]RTM 성형은 양산성이 좋은 방법이지만, 성형시간은 160분정도 소요된다. 160분 가운데 125분은 수지함침 및 경화에 소요되는 시간이며, 성형시간을 10분 이내로 단축하기 위해서는 함침시간을 3분, 경화시간을 5분으로 줄일 필요가 있다. 이를 위해 함침에 필요한 유동성을 3분간 유지하면서 5분 내에 경화를 완료할 수 있는 속경화수지의 개발이 필요하다.[ 그림 5. 하이싸이클 RTM 개발 컨셉 ]속경화수지는 도레이에서 새로 개발한 에폭시를 사용하였다. 일반적으로 에폭시 수지는 CFRP의 함침수지로서 내열성, 역학특성의 밸런스가 좋고, 탄소섬유와의 접착성이 좋기 때문에 많이 사용되고 있다. CFRP용 에폭시 수지는 통상 100~180℃에서 60~120분의 성형조건으로 경화가 이루어지고 있다. 경화시간을 단축하기 위한 속경화형 에폭시 수지도 있지만, 프리폼에 수지를 함침시키는데 필요한 유동시간이 짧기 때문에 CFRP용으로 이용하기 곤란하다. 도레이는 유동성을 3분으로 유지하면서 5분에 경화를 완료할 수 있는 새로운 에폭시 수지를 개발했으며, 수지의 개발 컨셉은 경화후반의 반응을 빠르게 하면서 경화초기에 점도 상승을 억제하는 방법이다. 즉 경화후반에 반응이 빠른 음이온 중합 연쇄이동반응을 병용하는 방법이었다. 2.2 고압 수지 트랜스퍼(HP-RTM) 성형법고압 수지 트랜스퍼(이하 HP-RTM) 성형법은 일반 RTM 성형법보다 더욱 고압(6~10MPa)에 수지 주입을 실시하는 것으로, 수지 주입시간 등을 단축하는 방식이다. HP-RTM 성형법은 일반 RTM 성형법보다 평면의 평활성이 우수하다.BMW의 i3의 골격부품 제조에서 HP-RTM 성형법이 이용되고 있다. 이 성형시스템은 독일 Dieffenbache(프레스) 및 독일의 Krauss Maffei(수지 주입기) 및 Fraunhofer ICT가 공동 개발한 것이다. [그림 6]에 Dieffenbacher HP-RTM 시스템을 나타내었다. [ 그림 6. HP-RTM 프로세스 ]이 시스템은 프리폼 적층, 프레스, 마무리까지의 공정을 자동화한 것이다. 전후공정을 포함하여 4~5분 주기로 성형이 가능하며, 기존에 비해 대폭적인 단축과 비용절감을 실현하고 있다. 사용된 수지는 HP-RTM 성형에 적합한 저점도 수지로 Dow Automotive Systems(Dow VORAFORCE™과 Cytec(XMTR50 : 두 액상 에폭시 수지계)가 사용되었다.2.3 Surface resin transfer mold-ing process(Surface-RTM)HP-RTM 성형법은 탄소섬유와 수지의 선열팽창률 차이가 크고, 수지 마감에 따라 섬유패턴 표면에 요철이 발생한다. 이 부분을 개량한 기술로서 Surface-RTM 시스템이 등장하고 있다. 이것은 Dieffenbacher(프레스), Krauss Maffei(수지 주입기), Zoltek(탄소섬유 Panex¢ç 35 50K) Henkel(폴리우레탄 chemistry) Chomarat(중간기재) Rühl Puromer(폴리우레탄 코팅) Alpex, Mühlmeier 및 Roding Automotive 등의 공동개발에 의한 것이며, Dieffenbacher에서 시스템이 판매되고 있다. 이것은 이미 A급의 표면 평활성을 실현하고 있으며, 표면처리 없이 도장을 할 수 있다. [ 그림 7. Surface resin transfer molding process 적용 제품, Roadster R1 ](출처 : Krauss Maffei 및 Zoltek Home Page)2.4 Thermoplastic RTM process (T-RTM ; 열가소성 수지 RTM 성형)열가소성 수지를 이용한 RTM 성형기술은 유럽의 자동차 업체, 기계 제조업체, 재료 업체들 중심으로 진행되어 왔다. 현재 실용화되고 있는 것은 유리섬유를 이용한 것이지만, 탄소섬유 적용을 위한 개발도 Krauss Maffei 등이 연구개발하고 있다.T-RTM 성형법은 열경화성 수지를 주입하는 대신 열가소성 모노머를 촉매 및 활성 물질과 함께 주입하고, 금형 내에서 중합하는 방법이다. T-RTM 과정에서 ε-카프로락탐 모노머(epsilon-caprolactam monomer)에서 PA6 중합이 주목 받고 있다. 카프로락탐은 매우 낮은 점도이며, 약 30초 만에 수지를 함침하는 것이 가능하다. ε-카프로락탐 모노머 및 촉매 활성제가 들어간 2개의 탱크를 100℃로 가열하여 특수 믹싱헤드(150℃ 가열)에 의해 RTM 성형용 금형에 주입 시 중합(2~5분)이 이루어진다. 그러나 저 점도수지이기 때문에 금형에서의 누설 및 중합 시의 수분과 산소를차단해야 하는 기술적인 문제점 등이 있다.3. 프레스 성형법(프리프레그, 중간 기재 사용) 프레스를 이용한 압축성형기술은 성형가공에 있어서 일반적인 제조법으로 불연속 섬유 + 열경화성 수지를 이용하는 SMC 성형법이나 연속 섬유 + 열경화성 수지를 사용하는 PCM 성형법, 또한 열가소성 수지를 이용하는 성형법 등이 있다.3.1 열경화성 수지 이용■ SMC 성형법SMC 성형법은 탄소섬유(불연속 섬유) 및 수지로 이루어진 시트 상 물질(sheet molding compound)을 이용하는 프레스 성형기술이며, 도요타 LFA의 C에 적용되고 있다. 성형 사이클이 빨라 양산에 적합하며, 리브, 보스, 인서트 나사 등의 동시 성형이 가능하다는 장점이 있다. 그러나 탄소섬유 본래의 강도, 강성이 충분히 발휘되지 못하고, 또한 평활성이 부족한 문제가 있다.■ PCM 성형법PCM 성형법은 SMC 성형법과는 달리 연속 섬유 프리프레그를 이용하고, 또한 3~10MPa의 고압에서 프레스한다. RTM 성형법은 탈형을 쉽게 하기 위해 재료 자체에 이형제를 함유하고 있다. 따라서 이형제의 작용에 의해 잘 새로운 부품을 접착할 수 없는 경우가 있다. PCM 성형법은 복잡한 형상이나 벌집 성형이 어렵다. 또한 성형품의 크기도 3㎡가 한계이다. 루프, 본넷 등 대형부품의 성형에 사용하고 있다■ 기타Forged Composite(TM) Lam borghini 및 Callaway Golf가 2010년에 공동개발(발표)한 복합 구조 신소재이다. 한 평방인치 당 50만개 이상의 탄소섬유가 합쳐진 성형방법으로는 짧은 탄소섬유를 금형에 핫 프레스하는 방법이다. 복잡한 구조로도 쉽게 성형 가능하다. 이 기술은 Lamborghini의 Sesto Elemento에서 모노콧 구 언더 사이드와 서스펜션 암의 성형에 이용되고 있다.3.2 열가소성 수지 이용■ 테이진 열가소성 프레스 기술테이진은 프레스 성형에서 1분 이내에 성형하는 기술을 개발했다고 발표했다. 또한 이 성형 기술에 적합한 중간기재를 “Sereebo¢簾굡遮Â 브랜드로 출시하였다.모든 방향으로 강도가 동일하고, 모양, 설계 자유도가 높은 I 시리즈, 복잡한 형상부위에 대응하는 사출성형에 적합한 고강도의 펠릿의 P 시리즈가 있다. Teijin과 GM에서 공동 개발한 부품으로 성형시간은 60~80초이며 압축성형기로 성형하였다. 탄소섬유의 길이는 20㎜이상이고 나일론 6 수지를 사용하였다.[ 그림 8. Compression molding process ]■ 기타NEDO에서 2008년~2012년에 실시된 ‘지속 가능한 하이퍼 복합기술 개발’에 있어서, CFRTP 중간기재 및 성형기술의 개발이 실시되었다. CFRTP에서 해결해야 할 과제인 열가소성 수지의 함침성, 접착성을 향상시키기 위해 열가소성 수지 개선, 탄소섬유의 표면처리 기술, 생산성 및 부재로 가공성이 뛰어난 CFRTP 중간기재 재료를 개발했다.독일에서는 MAI carbon project에서 MAI Qfast project가 시작되어, 열가소성 수지를 이용한 프레스 성형기술에 관한 검토, 개발 등이 진행되고 있다. 참가업체는 Audi, BMW, BASF, Fraunhofer Institut für Chemische Technologie(ICT), Krauss Maffei 등이다.4. 프레스 성형법(직접 성형)프리프레그와 펠릿 등의 중간기재를 이용하지 않고 직접 성형하는 방법에 D-LFT/LFT-D(Direct Long Fiber Thermoplastic Molding Process) 성형법이 있다. 이것은 수지 및 탄소섬유를 라인에 배합하고 혼합 압출기에서 바로 사출압축 성형하는 기술이며, 짧은 성형시간에 부품을 제조할 수 있다.[ 그림 9. D-LFT 성형장비 ]5. 사출성형, 하이브리드 성형CFRTP 사출성형에서는 섬유길이를 유지하면서 어떻게 분산을 올릴 것인가가 중요하게 된다. 탄소섬유의 사출성형에 있어서의 강도유지의 방법으로 장섬유 펠릿의 사출성형에 의한 고강도화, 직접성형법에 의한 고강도화 등의 방향으로 개발이 진행되고 있다.독일 MAI carbon project의 MAI Qfast project에서는 범용부품 제조를 위한 사출성형 기술의 개발(수지 검토 등)도 이루어지고 있다.미국 DOE는 PNNL 주도로 ‘Predic tive Engineering Tools for Injection-Molded Long-Carbon-Fiber Ther moplastic Composites’라는 프로젝트에서 열가소성 복합재료제 구조(장섬유 사출성형)에서 최적의 섬유배향 및 길이의 분포를 예측하는 연구를 진행하고 있으며, 1 단계는 장섬유/PP, 장섬유/PA6, 2 단계에서는 복잡한 3D 형상을 형성하기 위해 1 단계에서 개발한 ASMI package를 이용하여 장섬유/PP, 장섬유/PA6에 따라 도요타 자동차 부품을 사출성형하여 예측의 검증을 실시한다.그 외, Kurauss Maffei와 ENGEL에서 선보이고 있는 하이브리드 성형기술이 K SHOW 2010(독일)에서 발표되었다. 연속섬유 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.[ 그림 10. 열가소성 수지를 이용한 사출성형 ](BMW i3, Honeycomb crash absorption structure)Ⅳ. 결론 ◇ 자동차 환경규제, 자원보호 등 국제환경규제 대응을 위한 자동차산업 전반에 경량화 필요성이 확대되고 있다.◇자동차 경량화 효율이 가장 높은 방안으로 기존 소재 대체 새로운 소재 적용 및 관련 성형공법 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, 사출성형 등 다양한 방법의 성형공정들이 개발되고 있다.◇성형시간 단축, 코스트 절감을 위해 속경화형 고분자 수지 개발이 필요하다.◇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 수요가 증가할 것으로 예측된다.◇BMW 이외에도 CFRP를 주요 골격에 적용한 차량(EV)이 등장할 가능성이 크다.◇내·외판 부품 : 소량 생산 차종의 적용에서 대량 생산의 큰 차종으로 CFRP 적용이 될 것으로 예상된다.◇향후 열가소성탄소섬유복합재료(CFRTP) 적용 부품이 기대된다.◇성형시간의 단축, 재료가격의 절감, 수율 향상에 따라 CFRTS 성형품 가격하락이 예상된다. < 참고문헌 >http://www.velocite-bikes.com/carbon-fiber.html車載用 CFRP 世界需要豫測(2014 矢野經濟硏究所)BMW Home PageKrauss Maffei 및 Zoltek Home PageFraunhofer ICTDieffenbacher 및 Kurauss Maffei Home Page 일본 정밀공학회지 Vol 79, No10, 2013http://www.composite-integration.co.uk/about-rtm.php 자료제공 : 소재종합솔루션센터(www.matcenter.org), 화학소재정보은행(www.cmib.org) 지식정보 심층보고서

이용우 2017-09-28

코오롱플라스틱, 건축용 거푸집 보강용 KompoGTe® Woven Sheet 개발

▲ Woven Sheet▲ 거푸집 구조열가소성 재생 소재를 활용하여 환경문제를 해결하는 동시에 건설 비용을 대폭 낮출 수 있어 코오롱플라스틱의 고강성 경량화 소재인 KompoGTe® 소재가 다양한 산업 분야에서 이목을 끌고 있다.KompoGTe®는 고강성 경량화 소재로서 자동차, 항공 우주와 같은 수송 산업과 전기전자 산업, 방위 산업, 건설 산업 등 다양한 Application 개발에 활용 되고 있다. 이러한 다양한 산업군 중 옹벽 구조물, 콘크리트 건물, 등 건축 및 토목용의 각종 콘크리트 구조물을 건설할 때 가장 많이 사용되고 있는 거푸집에 대한 개발도 진행되고 있다. 일반적으로 이러한 거푸집의 재료로는 목재, 철재, 알루미늄 등이 사용되어 왔으나 사용 수명, 가격 및 폐기 비용 등 여러 가지 문제들로 인해 재활용이 가능한 복합재료에 대한 관심도가 증가하고 있다.거푸집의 종류에는 유로폼, 테이블 폼, 갱폼, 터널폼, 알폼 등이 있으며, 코오롱플라스틱에서 개발 진행 중인 거푸집은 조립과 해체가 용이하고 무게가 타 소재의 거푸집보다 가벼워 작업성과 취급성이 우수한 유로폼 거푸집을 목표로 하고 있다. 유로폼 거푸집은 일반적으로 사용 전용 횟수가 10~15회 정도이나 콘크리트 타설, 거푸집의 조립 및 해체 작업 중 파손으로 인해 실제 사용 횟수는 4~5회 정도에 그치고 있다. 이러한 거푸집 수명 단축에 대한 문제점으로 인해 거푸집 폐기 비용과 신규 구입 비용이 발생하고 있고, 전체적인 건설 비용이 증가하고 환경적인 측면에서도 악영향을 미치고 있다. 소재는 열가소성 재생 소재를 활용하여 앞에서 언급한 환경문제를 해결하는 동시에 KompoGTe®의 뛰어난 강성을 더해 중량과 가격을 동시에 낮춰 건설 비용을 대폭 낮출 수 있게 되었다. 더불어 기존 플라스틱 유로폼 거푸집 대비 강도가 높아 건설 현장 작업자의 조립, 해체 작업으로 인한 파손 횟수를 대폭 감소시켜 불필요한 비용을 최소화 할 수 있는 특징이 있다.유로폼 플라스틱 거푸집에 활용되는 KompoGTe®는 재생 소재로 만들어진 제품의 물성을 대폭 증가시키기 위한 보강재로 사용하기 위해 9mm 폭의 UD Tape을 직조하여 시트화한 제품이다. 특히 인발성형(Pultrusion)으로 제조할 수 있는 UD Tape의 경우 수지와 섬유 간 계면접착력이 우수하고 분산이 양호하여 함침 성능이 뛰어난 장점이 있다. 따라서 높은 물성을 띄며 이를 이용하는 직조 시트의 경우 고객사의 요구 사항과 사용 환경에 따라 위사와 경사의 비율을 조절 할 수 있고, 연속 섬유의 특징과 함량 조절이 가능하여 광범위하게 적용할 수 있을 것으로 기대된다.코오롱플라스틱은 이러한 장점을 바탕으로 UD Tape와 Woven Sheet의 제조 기술력이 그 대상이 되는 다양한 산업군의 제품들로 확대할 것으로 예상하고 있다. 특히 자동차와 같은 수송 기계뿐 아니라 전기전자, 각종 산업용 부품의 경량화 트렌드에 맞춰 용도 적용할 수 있을 것으로 보며, 이를 통해 코오롱플라스틱의 비전인 Global Major Player로의 도약이 기대된다.

강민정 2017-09-27

화학(연), 태양광이용 이산화탄소로부터 유용한 화합물을 선택적으로 제조할 수 있는 새로운 탄소나노입자

강민정 2017-09-25

igus, 새로운 플라스틱 프로파일타입 가공 소재 출시

iglidur 재질의 환봉형 소재로 급유와 유지보수 없이 사용이 가능 igus가 고객 사양에 따라 자유로운 가공이 가능한 iglidur* 스톡 바 제품군에 슬라이딩 프로파일을 새롭게 추가했다.iglidur 스톡 바는 iglidur 재질을 활용해 고객이 원하는 디자인의 제품을 빠르고 쉽게 제작할 수 있는 환봉형 소재로 급유와 유지보수 없이 사용이 가능하며, 프로파일타입 출시로 가공비와 재료비도 크게 절감시켜 주는 효과가 있다.

강민정 2017-09-07

코오롱플라스틱, 고기능성 고강성(HS) 소재 개발

- 다양한 포트폴리오 개발을 통한 고객 맞춤형 기술서비스 지원▲ 1. Lumber support, 2. Hanger clip, 3. Seat belt module, 4. Seat bush parts코오롱플라스틱은 현재 보유하고 있는 POM 소재(브랜드명 : KOCETAL¢ç) 중 고강성(High-strength, HS) Grade를 고객들의 요구를 반영하여 다양한 기능성을 첨가하는데 성공했다.코오롱플라스틱의 고강성 Grade에 오랜 기간 쌓아온 소재 개질기술을 접목하여, 종래의 Copolymer POM의 단점인 강도를 보강하였다. 이를 통해 제품에 다양한 기능성을 첨가해도 기계적 특성이 저하되지 않으며, 고객들의 다양한 요구사항에 적합한 기능성을 발현한다.먼저 고강성 저취 소재는 고강성 제품에 코오롱플라스틱의 독자 기술인 저취 기술을 적용한 제품으로써 VOCs가 방출되지 않는 것이 특징이다. 기존에 사용되고 있는 Homopolymer POM의 단점인 VOCs 방출의 문제점을 해결함과 동시에 유사한 강성 발현으로 자동차, 전기전자 분야의 Gear류 등에 폭 넓게 적용될 예정이다.두 번째로 소개할 제품은 고강성 내마모 소재이다. 일반적인 내마모 소재는 기능성 첨가 후 기계적 특성이 저하되었으나, 고강성 내마모 소재는 기계적 특성의 저하를 최소화하여, 부품 적용 시 내구성, 내마모성이 탁월하게 향상된다. 자동차, 전기전자 분야의 기어와 구동 부품에 주로 사용될 예정이다.점점 다양해지는 고객들의 요구사항에 맞추어 코오롱플라스틱은 내광, 내충격 특성 등이 개선된 고강성 소재에 대한 연구를 지속적으로 진행하고 있다. 코오롱플라스틱은 다양한 포트폴리오를 개발하고 고객 맞춤형 기술서비스로 국내를 넘어 세계 시장에서 우뚝 서는 No.1 POM 기업으로 성장하기 위해서 노력할 것이다.

강민정 2017-08-31

이구스의 금속대체, 플라스틱 베어링

금속 베어링대비 최대 40%의 비용절감으로 높은 비용효율과 더욱 긴 서비스 수명을 제공기존 금속 베어링을 플라스틱 베어링으로 바꾸면 어떤 효과가 있을까?독일기업 이구스의 ‘iglidur(이글리두어)’ 폴리머 베어링은 금속 베어링 대비 최대 40%의 비용절감으로 높은 비용효율과 더욱 긴 서비스 수명을 제공한다.공작기계, 충진설비, 공압식 실린더와 같은 산업환경은 물론 주방용 기기나 자전거, 자동차와 같은 일상생활에서도 고성능 플라스틱은 상당부분 금속 베어링을 대체해 이용되고 있다. 윤활과 유지보수가 필요 없는 트리보 폴리머 소재가 주는 이점이 가장 큰 대체의 이유다.

이용우 2017-08-09

타이타늄(Ti) 촉매반응으로 화학소재 ‘올레핀’ 합성 성공

계산화학 활용해 저렴하고 독성 없는 촉매 찾아… 석유화학산업 혁신 기대 기초과학연구원(IBS ; 원장 김두철 www.ibs.re.kr) 연구진이 우리 주변에 흔한 타이타늄(Titanium)1) 촉매를 활용해 플라스틱, 의약품 원료로 사용하는 올레핀(olefins)2) 합성에 성공했다. 석유화학산업분야 주요 소재인 올레핀은 보통 800℃ 고온으로 석유를 증기 분해(steam cracking)3)하여 제조한다. 매우 높은 열과 에너지가 투입되며 이산화탄소 등 온실가스가 발생하는 것이 단점이다. 기초과학연구원 분자활성 촉매반응연구단(단장 장석복) 백무현 부연구단장과 마노즈 마네(Manoj V. Mane) 연구위원은 계산화학*을 통해 타이타늄을 최적의 촉매로 선택했으며, 탄화수소(hydrocarbon)4)의 수소를 선택적으로 없애는 탈수소반응5)을 구현했다. 이로써 기존 공정에 비해 10분의 1정도 낮은 온도(75℃)에서 올레핀을 합성했다. 올레핀은 플라스틱, 고분자 화합물, 의약품 등에 활용하는 기초 원료이다. 활용도가 커 올레핀 합성 과정은 많은 연구자들이 연구주제로 삼고 있다. 올레핀은 탄화수소가 수소를 잃으면서 탄소(C) 두 개가 이중결합(C=C)해 생성되는데 증기 분해방식은 반응 중 탄소-탄소 결합이 끊어져 올레핀 혼합물이나 다른 탄화수소들이 합성되는 단점이 있다. 또 석유 대신 천연가스에서 올레핀을 합성하려면 온실가스가 발생해 오염과 공해 문제가 뒤따랐다. 화학자들은 석유와 천연가스 등 탄화수소 화합물을 가공하거나 분해할 때, 열과 에너지를 적게 사용하고, 환경오염이 덜한 화학반응을 구현하기 위해 다양한 촉매반응을 연구해왔다. 탄소와 수소만으로 결합된 탄화수소는 두 분자 간 결합이 매우 강하기 때문에 결합을 끊고 반응을 유도하는 촉매 개발이 주요 과제였다. 이리듐(Iridium), 로듐(rhodium), 루테늄(ruthenium) 등 전이금속을 촉매로 적용했으나 비용이 너무 비싸 실제 산업에 활용하기는 어려웠다. 백 부단장은 비싼 전이금속 보다 수십 배 저렴한 타이타늄6)을 촉매로 적용했다. 백 부단장은 밀도범함수7)를 활용한 계산화학을 통해 최적의 촉매 후보물질로 타이타늄을 제안했고, 미국 펜실베니아대학 연구진은 약 75℃에서 탈수소반응이 성공적으로 이뤄졌음을 실험으로 확인했다. 지난해 이리듐 촉매로 메탄가스의 강력한 탄소-수소 결합을 분해(사이언스, 16.04)한 데 이어 이번 연구에서도 계산화학으로 정확한 촉매를 예측했다. 또 탈수소반응에 이리듐 촉매를 활용할 때, 탄화수소가 이성질화(isomerization)8)되는 문제도 타이타늄 촉매로 해결됨을 관찰했다. 백 부단장은 “이리듐은 반응성이 매우 크지만 값이 비싸고 구하기 어렵다. 반면 타이타늄은 값이 매우 저렴하고 구하기 쉽다”며, “향후 타이타늄 촉매의 반응성과 효율성을 높인다면9) 기존 올레핀 합성공정의 비용이 줄어들 것”이라고 말했다. 이번 연구는 미국 펜실베니아 대학의 대니얼 민디올라(Daniel J. Mindiola) 교수그룹과 공동으로 진행되었다. 연구결과는 6월 27일 국제학술지 네이처 케미스트리(Nature Chemistry, IF 25.87)10)에 게재되었다. * 계산화학이란? 이론화학의 문제를 컴퓨터를 활용해 다루는 화학의 한 분야. 분자 또는 원자에 대한 양자화학 및 분자동력학 등을 컴퓨터 시뮬레이션으로 구현해 연구한다. 계산화학은 전통적으로 실험화학의 결과를 검증하거나 관찰하는 역할이 주를 이루었다. 하지만 현재에는 기존 역할을 수행하면서 보다 계산화학의 영역을 확장해나가고 있다. 다양한 화학반응과 현상에 이론적 근거를 제시하거나 기존 반응을 개선하거나 새로운 화학 반응과 촉매를 예측하는 등 주도적으로 역할을 수행하고 있다. 1) 타이타늄(Titanium, Ti) : 원자번호 22번 타이타늄은 그리스 신화의 신 이름을 땄다. 지각에 아홉 번째로 많이 함유된 원소이고 금속 중에서 네 번째로 많다. 타이타늄 금속은 강철만큼 강하지만 밀도가 강철의 반이다. 비행기 동체, 항공기 부품, 인공위성의 주요 소재이고 합금을 해 보석, 골프채 등으로도 널리 활용한다. 2) 올레핀(olefins) : 탄소-수소 단일 결합인 알케인(alkene)의 한 종류. 이번 연구에서는 탄화수소 분자의 첫 번째 탄소와 두 번째 탄소 사이에 이중결합(C=C)이 존재하는 알파-올레핀을 합성했다. 대부분 원유를 공업적으로 정제해 얻고 있다.3) 증기 분해(Steam Cracking) : 석유를 고온에서 분해하여 에틸렌 등의 올레핀을 제조하는 방법이다.4) 탄화수소(Hydrocarbon) : 탄소와 수소만으로 이뤄진 결합물로 유기화합물의 모체. 탄화수소는 포화/불포화, 사슬/고리 모양으로 분류된다. 화학공정의 핵심 원료로 원유, 천연가스 등을 예로 들 수 있다. 5) 탈수소반응(dehydrogenation ): 수소를 포함하는 화합물에서 수소가 제거되는 반응. 탄소-수소 단일결합 화합물인 알케인을 활용해 올레핀을 얻을 때 필요하다.6) 이리듐은 1g에 약 40만원, 타이타늄은 1g에 약 1만 7천원에 달한다. 같은 중량 대비 약 24배의 차이가 난다.(출처 : 시그마 알드리치)7) 밀도범함수(Density Functional Theory) : 분자 내부에 전자가 들어있는 모양과 에너지를 양자 역학적으로 계산하는 이론으로 1998년 월터 콘(Walter Kohn)이 해당 이론으로 노벨 화학상을 수상하였다.8) 이성질화(Isomerization) : 화학적 또는 물리적 변화에 의한 한 이성질체가 다른 이성질체로 변화되는 현상이다. 여기서 이성질체(Isomer)란, 분자식은 같으나 분자내의 원자의 연결방식이나 공간배열이 다른 화합물을 말한다.9) 촉매의 반응성 및 효율을 측정하는 지표는 촉매 활성 사이트 당 반응하는 분자수로 계산할 수 있다. 이를 전환수(Turnover Number)라고 한다.10) 네이처 케미스트리(Nature Chemistry) : 세계적인 출판그룹 NPG(Nature Publish Group)에서 발행하는 화학 저널. 화학분야 최고권위 학술지로 꼽힌다. 피인용지수(impact factor)는 25.87이다.

이용우 2017-08-09

한국화학연구원-(주)삼양사, 우수한 성능에 저렴한 가격까지 갖춘 광개시제 생산 확대

국내외 디스플레이 시장 공략본격화▲ 한국화학연구원 그린화학소재연구본부 전근 박사가 -15도에서 옥심 화합물 전구체 합성을 진행하고 있다.한국화학연구원(원장 이규호)과 (주)삼양사는 디스플레이 등에 필수적으로 사용되는 물질로, 감도와 투과율이 뛰어나며 가격 경쟁력을 갖춘 새로운 옥심계 광개시제를 개발하여 상업화를 확대한다고 밝혔다.광개시제는 도료, 코팅액, 잉크, 페인트, 접착제 등의 수지에 소량 첨가되어, 빛을 받으면 수지가 화학 반응을 일으키게 만드는 물질이다. 즉 광개시제가 첨가된 수지에 빛을 쏘아주면 광개시제가 자외선을 받아 수지의 중합 반응*을 시작하게 한다. 수지가 중합반응을 일으키면 단단하게 굳으면서 원하는 형태로 구조를 형성한다. * 분자량이 작은 분자가 연속으로 결합을 하여 분자량이 큰 분자(고분자) 하나를 만드는 것일반적으로 도료, 페인트 등이 들어간 생활 용품 및 다양한 산업에 광개시제가 쓰인다. 그중 옥심 화학구조를 이용한 옥심계 광개시제는 성능이 우수하여 주로 디스플레이 제작에 활용**되고 있다. 이제까지 옥심계 광개시제로 바스프의 OX-01, OX-02 제품이 지난 10여 년 동안 세계(1,000억 원) 및 국내시장(500억 원)을 독점해 왔다.** 디스플레이는 컬러 필터 기판을 포함한 다양한 기능을 나타내는 복합층으로 구성되어 있다. 그중 컬러 필터 기판에는 광을 쏘면 중합되어 패턴을 형성해주는 수지를 활용하는데, 이 수지에 광개시제가 첨가된다.▲ 전근 박사가 컬럼크로마토그래피를 이용하여 옥심계 광개시제 화합물을 분리 정제하고 있다.화학(연) 전 근 박사팀은 이를 대체할 수 있는 새로운 옥심계 광개시제를 ㈜삼양사와 공동 개발하여 상업화에 성공했다.(제품명 : SPI-02, SPI-03, SPI-07) 본 제품은 기존 제품에 비해서 감도 및 투과율이 뛰어나다. 또한 제조원가가 낮은 화합물을 개발하여 가격 경쟁력이 매우 우수하여, 앞으로 시장 점유율이 높아질 것으로 기대된다.옥심계 광개시제는 2002년 바스프에서 원천특허를 출원하여 특허 진입 장벽이 매우 높았으나, 화학연은 새로운 옥심계 광개시제를 개발하여 국내특허등록 4건, 국외특허등록 3건, 국내특허출원 8건, 해외특허출원 6건의 물질특허 등록 및 출원을 완료하였다.화학(연)과 ㈜삼양사는 상업화에 성공함으로써 포토레지스트***(감광수지)에 적용해 품질을 높이고 가격경쟁력을 확보하였다. 2016년에는 약 25억 원 매출을 기록하였다. 향후 수요기업인 포토레지스트업체에서 본 연구로 개발한 광개시제의 수요가 늘어날 것으로 예상되어 매출액은 더욱 증가할 것으로 보인다.*** 빛에 노출됨으로써 약품에 대한 내성이 변화하는 고분자 재료광개시제는 빛을 조사하면 양이온을 발생시키거나 라디칼*을 생성하여 개시제 역할을 하는데, 옥심계 광개시제는 라디칼을 생성하여 중합반응을 일으키는 역할을 한다.* 화학변화가 일어날 때 분해되지 않고 다른 분자로 이동하는 원자의 무리▲ 옥심계 광개시제는 반도체, LCD 및 OLED 등의 디스플레이 제조 공정의 핵심 소재로 폭넓게 사용되고 있다.옥심계 광개시제는 투과도가 좋으며, 자외선 조사에 의한 라디칼 발생 효율이 높을 뿐만 아니라 조성물 내에서 안정성과 상용성이 뛰어나다는 강점을 가지고 있다. 따라서 반도체, LCD 및 OLED 등의 디스플레이 제조 공정에서 구조를 형성하기 위한 포토레지스트(감광수지) 등에 핵심 소재로 폭넓게 사용되고 있다.광개시제 전체 세계시장은 8,000억 정도이며 그중에서 옥심계 광개시제는 세계시장 1,000억 원, 국내시장 500억 원의 규모를 갖고 있다. 향후 연평균 10% 내외의 성장이 예상된다.화학(연) 이규호 원장은 “본 광개시제 기술은 한국의 주력산업인 반도체 및 디스플레이 제조 공정에 꼭 필요한 기술이지만 지금까지 글로벌 해외기업이 독점해왔다. 이러한 상황에서 국내 독자 기술로 광개시제 제품을 상용화한 것은 커다란 의미가 있다. 세계 최고 기술을 보유한 화학(연)과 삼양사의 협력은 디스플레이 제조기술 사업화 분야에서 산-연 협력의 성공적 모델이 될 것”이라고 의의를 밝혔다.연구책임자인 화학(연) 전 근 박사는 “본 옥심계 광개시제는 디스플레이 제조 공정에 필수적인 핵심 소재로서 이번 성과를 통해서 수입대체와 디스플레이 관련 산업의 기술 향상, 제조원가 절감에 이바지할 수 있기를 바란다”고 말했다.한편, 본 성과는 민간수탁개발사업(차세대 광증감제 개발, 고효율성 광개시제 개발)으로 ㈜삼양사와 공동으로 수행되었다. <문의> 화학(연) 그린화학소재연구본부 전근 박사(042-860-7662, 010-5281-9198) 기술마케팅실장 정문근 박사(042-860-7746, 010-8927-0435), 과학확산팀 김대일 팀장(042-860-7823, 010-5024-9764)

강민정 2017-08-07