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CFRTP(열가소성 탄소섬유 복합재료) 소재기술 개발 동향

작성자 : 이용우 2017-11-13 | 조회 : 7065

Ⅰ. 자동차 경량화의 필요성

자동차의 경량화는 현재 수많은 글로벌 자동차 기업들의 화두이자 주요 추진과제이다. 그 이유로는 자동차의 가속력과 제동력 증가, 엔진과 타이어 등의 부품성능 증가 및 수명 연장 등이 있지만 가장 큰 이유는 연비개선에 큰 효과가 있다는 것이다.

미국고속도로 교통안전국(NHTSA)에 따르면, 자동차 무게 10%를 경량화하면 최소 6~8%의 연비개선이 가능하다고 한다. 이러한 경량화에는 대량생산 시 높은 비용과 기술적 한계라는 큰 단점이 있지만, GM, Ford 등 주요 자동차 기업들은 이미 자동차 경량화를 위해 활발한 연구와 노력을 지속적으로 하고 있다. 이런 주요 자동차 기업들의 행보로 보아 자동차 경량화는 전 세계적인 자동차산업의 트렌드로 부각되고 있다.¹

연비개선을 위한 기술은 다양하게 이루어지고 있다. 그 중 하나인 엔진/구동계(파워트레인)의 개발은 높은 연비개선 효과가 있으나 이미 많은 부분에서 완성된 기술로 추가적인 기술개발에 한계점을 지니고 있고, 많은 투자비용, 투자기간, 교체비용이 들어가며 투자 회수기간이 길어 해당기술의 급속한 환경규제강화에 충분한 대응수단으로는 한계점이 있다.

차량의 디자인 단계에서부터 공기저항을 최소화해 연료의 효율성을 높이기 위한 공기저항 감소 디자인은 연비개선기술에 비해 비용은 적게 들어가나, 유선형 형태의 일괄적인 디자인을 모든 차종에 적용해야 하는 문제가 있어 제품의 다양성을 충족하기에 어려움이 존재한다.

대체에너지를 이용한 구동은 전기자동차, 수소연료전지 자동차, 하이브리드 자동차 등을 들 수 있다. 이는 배기가스저감에 가장 높은 효과가 있으나 단기간에 적용하기가 쉽지 않다는 단점이 있으며, 현재 기술을 감안할 때 높은 적용비용과 인프라구축 비용이 필요하다.

반면 차량 경량화는 적용 기간이 짧고 다양한 경량화 방법을 통해 연비개선에 많은 효과를 낼 수 있다. 그래서 자동차 연비개선을 위한 현실적인 대안으로 차량 경량화 기술이 주목받고 있다. 이 기술은 빠르게 차량에 적용하여 연비개선이 가능하다는 장점이 있기 때문에 급속히 진행되고 있는 연비규제강화의 대응책으로 연비개선기술의 선택이 아닌 필수적 요소가 되고 있다.

즉, 가장 현실적이고 효과적인 연비개선 방법으로 조명받고 있는 것이다. 또한 경량화로 인한 연비개선 효과도 명확하다. 일반적으로 승용차 무게 10% 경량화 시 연비는 3.8% 향상되고, 배기가스인 이산화탄소와 질소산화물은 각각 4.5%, 8.8% 감소된다고 보고되고 있다[그림 1].²

[ 그림 1. 자동차 경량화 효율 ]

이는 신차 등록 8백만대 기준, 일평균 60km 주행과 평균연비 12km/L 가정 시 하루 16만 리터의 연료 절감과 20만kg의 온실가스 감소 효과와 동일하다.³

미국의 경우 DOE에서 발표한 Light Duty Vehicles(LDV)의 연차별 경량화 목표를 [표 1]에서 보면, 2020년까지 Body 분야에서 35%, Power-train 10%, Chassis/Suspension 25%, Interior 5%의 경량화를 통해 차량 전체 약 20% 경량화를 목표로 삼고 있으며, 2050년에는 기존 차량대비 약 50% 경량화를 목표로 하고 있다.⁴

[ 표 1. 미국의 LDV(Light Duty Vehicles) 경량화 목표⁴ ]

차량 경량화 방법은 3가지 정도로 구분된다. 최적화된 구조를 구현해 소재의 사용을 최소화하는 구조의 경량화, 기존소재를 보다 정교하게 가공하여 소재 사용량을 줄일 수 있는 공법의 경량화, 기존 철강소재를 경량소재로 대체하거나 부분적으로 결합하는 방식의 소재의 경량화가 있다. 특히 차량소재의 다변화로 초고장력 강판, 알루미늄, 마그네슘 및 탄소섬유 등 경량소재의 수요가 확대될 것으로 전망하고 있다.

Ⅱ. 탄소섬유를 이용한 차량 경량화

1. 탄소섬유를 이용한 열가소성 복합재료

탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)은 고강도 강이나 알루미늄 합금과 같은 기존의 경량 소재보다 비중이 높고 강성이 강하며 자동차의 중량 감소를 위한 금속 재질의 중형 구조물 대체를 위해 연구되고 있다. 1970년대부터 스포츠(낚싯대, 테니스라켓, 골프샤프트)와 항공 분야에서 적용하기 시작하였으며, 자동차 분야에서의 적용은 1979년에 Ford가 발표한 LTD 세단(기존 모델보다 544kg 가벼운)이 세계 최초이다. 이후 GM과 BMW, 도요타 자동차, 닛산 자동차가 이를 적용했지만 열경화성 복합재료의 제조시간, 공정, 고비용 및 열경화성 수지의 낮은 재활용 등 비용과 가공상의 문제로 CFRP의 본격 적용에는 이르지 못했다.

그래서 최근 제조시간, 공정 등 생산성 측면과 원가절감, 재활용 측면에 있어 탄소섬유에 매트릭스 수지로 열가소성 수지를 사용하는 CFRTP(Fiber Reinforced Thermoplastics)가 주목을 받고 있으며, CFRTP 시장은 2016년에서 2026년 사이에 8.66%의 연평균 성장률을 보일 것으로 예상된다.⁵ CFRTP 시장의 성장을 주도하는 주요 요인으로는 연비가 좋은 차량에 대한 수요 증가, 우주항공 응용분야에서의 CFRTP 사용, 복잡한 모양 및 디자인 유연성 등이 꼽힌다. 그러나 높은 원자재 및 생산 비용과 열경화성 복합재 제조업체와의 치열한 경쟁은 시장의 성장을 억제하는 요인으로 대두될 것으로 예상된다.

1.1 사출, 압축 공정을 이용한 열가소성 탄소섬유 복합재료

CFRTP는 “저렴한 비용”이라고 하지만 기존 CFRP(Carbon-Fiber ReinforcedPlastic) 기술보다 생산시설에 더 많은 투자가 필요하며, 장비 구축에 많은 비용이 드는 공법으로 소재보다 제조공정에 중점을 두고 있다.

CFRP 제조는 열경화성 수지인 에폭시의 경우, 에폭시의 두 성분이 혼합하여 반응할 때까지 저분자량 및 저점도의 액체 상태이며, 액체가 탄소섬유로 원활하게 스며들어 손으로 직접 제작할 수 있으나 긴 제조 시간과 높은 비용이 소요된다.

CFRTP의 매트릭스 수지로 사용할 수 있는 열가소성 수지인 폴리프로필렌(PP)은 경화 전의 에폭시보다 약 1,000배 이상 높기 때문에 자동차 프레임과 같은 대형 부품을 형성하려면 메가뉴톤(MN)의 힘을 가할 수 있는 프레스 등 공정 장비들이 요구되나 빠른 성형과 더 낮은 비용의 장점을 가지고 있다.

현재 CFRTP 개발을 선도하는 그룹은 일본의 NEDO가 지원하고 있는 프로젝트로 Toray Industries, Inc., Mitsu-bishi Rayon Co., Ltd., TOYOBO Co., Ltd. 및 Takagi Seiko Corp.의 컨소시엄이 있다. NEDO는 무게가 1,380kg의 경량 자동차를 구상하고 있다. CFRTP를 도전적으로 적용하여 584kg의 금속을 174kg의 CFRTP([그림 2])로 대체하여 총 970kg의 무게로 기존 차체대비 약 30%의 경량화를 달성하였다.⁶

[ 그림 2. CFRTP를 이용한 자동차 바디 및 경량화율⁶ ]

Japan Technology Report에 의하면, CFRTP를 이용하여 차체무게를 약 30% 줄였을 경우 연료 소비량은 22.5%의 저감효과가 있을 것으로 기대되며, 만약 2030년까지 총 388만대의 차량에 적용할 경우 연간 원유 환산량은 507,000kL(약 316만 배럴)에 달할 것으로 예측되고 있다.⁷

2011년 Teijin은 자사의 CFRTP (Carbon Fiber Reinforced Thermo Plastic)를 이용하여 47kg에 불과한 4인승용 컨셉카의 차체프레임([그림 3])을 만들었다. 차체는 1분 만에 성형되었고 탄소섬유복합재료의 대량 생산 및 재활용, 재사용의 가능성을 보여주었다.⁸

[ 그림 3. Teijin의 CFRTP(Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic) 컨셉카⁸ ]

현재 Teijin은 Save the Earth, Re-volutionary & Evolutionary Carbon의 약자인 Sereebo™로서 세계 최초의 CFRTP 기술을 브랜드화했으며, 현재 대량 생산에서 상업적 용도로 확대하고 있고 가전제품 제조업체 및 정밀장비 제조업체와 공동개발도 진행 중이다.

Covestro는 강력한 섬유와 열가소성 소재를 이용한 테이프를 제조하여 약 120㎛ 두께의 복합 UDI(단방향) 테이프([그림 4])를 제조하였으며, 이를 이용하여 특정 성능에 맞게 서로 다른 각도로 라미네이트하여 시트([그림 4])를 제조할 수 있도록 하였다.⁹

[ 그림 4. CFRTP를 이용한 UDI 테이프 및 시트⁹ ]

KraussMaffei는 CFRTP를 이용한 제품의 제조공정에 필요한 장비들을 연구 중이며 이를 이용한 제품개발을 연구 중이다. [그림 5]는 KraussMaffei에서 개발하고 있는 1-step Process의 High-strength lightweight com-ponents 제조 공정도¹⁰를 나타내고 있다.

[ 그림 5. CFRTP를 이용한 제품 제조공정 ]

Injection molding과 Thermofor-ming의 Combination 기술은 우수한 섬유의 배향성을 확보할 수 있으며, 성형시간이 짧고 충격강도가 우수하며, 디자인 자유도가 우수한 제품을 만들 수 있다는 장점이 있다. [그림 6]은 자동차 도어용 impact beam을 Injection molding과 Thermoforming을 조합하여 만든 제품을 보여주고 있다. 구성은 door impact beam(automotive)을 대상으로 하였으며, cycle time : <55s, weight : 580g, steel component : 841g이며, 적용 소재는 laminate : PA6 GF 3mm, injection molding material : PA6 GF를 사용하였다.

[ 그림 6. CFRTP를 이용한 door impact beam¹¹ ]

[그림 7]은 CFRTP를 이용한 자동차부품들을 나타내었다.¹²

[ 그림 7. CFRTP를 이용한 자동차부품 ]

1.2 중합반응을 이용한 열가소성 탄소섬유 복합재료

APA-6 복합재료를 만드는 공정은 진공주입 몰딩을 위해 가장 광범위하게 시행되어 왔다. 활성화제와 개시제를 각각 함유한 ε-caprolactam monomer 용액([그림 8], [그림 9])의 파트 A 및 B는 혼합되어 탄소섬유로 제조된 프리폼 또는 패브릭이 장착된 밀폐된 몰드에 주입하는 공정을 거친다.

[ 그림 8. T-RTM Process for Reactive PA¹² ]

[ 그림 9. T-RTM Process for Reactive PA¹² ]

ε-caprolactam monomer 혼합물이 몰드에 들어갈 때 점도는 3~5cps로 물의 점도와 비슷하며 에폭시, 폴리우레탄의 약 1/2 정도로 낮다. 낮은 점도는 매우 치밀한 섬유형태에 대한 함침을 용이하게 한다.

중합반응의 속도는 선택된 촉매의 유형에 의해 제어된다. C10 촉매의 사용은 즉시 중합을 개시하고, C1 촉매는 약 30분동안 중합의 개시를 지연시킨다. 반응이 시작되면 유리섬유의 표면에서 음이온 중합이 시작되어 섬유와 매트릭스 사이에 화학 결합이 생성된다. 중합 및 결정화는 140℃에서 170℃ 범위의 반응 온도로 동시에 발생한다. 이 공정에서 C10 촉매를 사용하면 최소 3~5분 내에 탈형이 가능하다.

음이온성 폴리아미드-6(APA-6) 수지(AP Nylon, Brüggemann Chemical, Germany)를 사용하여 연구가 진행되었으며, 카프로락탐의 양에 비해 활성화제 1.2몰% 및 개시제 1.2몰%를 함유하는 수지 제제를 사용하였다. 150~190℃의 온도에서 ε-caprolactam monomer는 carbamoylcaprolactam계 활성화제와 caprolactam magnesium bromide initiator(MgBrCL) 개시제의 조합을 통하여 5~20분 내에 고결정성 PA-6으로 중합되었다.¹²

[그림 10]은 T-RTM 공정에 대한 전체적인 프로세스를 나타내었으며, [그림 11]에는 Reactive Polyamide 개념도를 나타내었다.

[ 그림 10. T-RTM 요소기술¹² ]

[ 그림 11. Reactive Polyamide 개념도¹² ]

[ 그림 12. Reactive Polyamide를 이용한 성형공정 모식도¹³ ]

열가소성 플라스틱과 섬유 사이의 화학 결합이 성능을 향상 시키는 특성을 파악하기 위해 APA6를 Matrix로 하는 라미네이트에 대한 물성시험 결과, CFRTP 복합재료는 에폭시를 Matrix로 하는 CFRP와 비교할 때 굴곡강도 및 전단강도가 더 우수함이 밝혀졌으며([그림 13]), ε-caprolactam monomer의 낮은 점도로 인하여 약 85% 이상의 유리섬유가 함유된 부품의 성형이 용이하다는 결과를 확보하였다.

[ 그림 13. Composite Properties : Laminates APA6 vs. Epoxy ]

이 공법은 3~5분의 사이클 타임으로 하루 300~500개의 부품을 생산할 수 있는 잠재력을 지니고 있어 자동차의 오일 팬, 휠 및 기타 부품의 대량 생산에 적합하다.

특히 단섬유를 이용한 사출성형보다 높은 섬유 체적 비율을 확보할 수 있어 APA6를 이용한 복합 재료가 섀시 등 자동차 구성요소를 제조할 수 있는 가능성이 크다.

이러한 연구들은 유리섬유 로빙을 공급하는 PPG Industries Fiber Glass BV(네덜란드 Hoogezand), 첨가제 공급자 Breuggemann(Heilbron, 독일), 사출기 제조업체 ENGEL Austria GmbH(Schwertzburg, 오스트리아), Fraunhoffer Institute for Chemical Technology(Pfinztal, 독일) ; 델프트 대학교(Delft University), 일부 불특정 Tier 1 및 OEM이 주도적으로 수행하고 있다.

Ⅲ. 결언

전세계 자동차 업계는 경량화를 통한 연비개선을 계속 강조하고 있으며, 자동차 경량화에 신소재를 사용하고자 하는 자동차 업계의 노력은 계속될 것으로 분석된다. 원가가 높은 단점이 있는 탄소섬유 등의 신소재를 사용하기 위해 내구성과 경량, 다양한 디자인의 자유도가 높은 장점을 최대한 살리고, 생산성 향상 및 가공공정의 원가를 줄이기 위한 프로세스 과정을 단축시킬 수 있는 기술을 확보해야 한다. 또한 제품의 다양화 및 대량 생산의 기술을 확보하는 것이 절실히 요구된다. 이러한 일환으로 높은 강도와 매우 가벼운 특성을 갖는 탄소섬유를 열가소성 수지로 제조된 열가소성 탄소섬유 복합재(CFRTP)의 활용이 검토되고 있다. 기존 금속에서 알루미늄으로 다시 CFRTP의 대체가 기대된다. 그러나 금속에 비해 탄소섬유가 고가이기 때문에, 저가의 탄소섬유와 생산성 향상을 위한 공정비용 절감이 요구되고 있다. 현재 CFRTP 시트의 프레스 성형에 관해서는 전국적으로 연구가 활발히 진행되고 있고, CFRTP의 성형 후의 2차 가공(트리밍)을 워터제트 가공이나 절삭가공으로 하고 있지만, 가공시간이 길어 생산성이 낮기 때문에 이에 대한 대책도 시급하다.

< 참고문헌 >

1. KOTRA 글로벌윈도우, 2017

2. OYATA Technical review

3. 한국과학기술정보연구원, 유진투자증권, 보고서, 2015

4. Light Duty Vehicles(LDV), DOE

5. http://www.reportlinker.com

6. CDW‐15, Kanazawa, Japan October 18‐19, 2010

7. Nikkei BP Japan Technology Report/A1403-064-006(2014)

8. Teijin Home Page

9. Covestro Home Page

10. KraussMaffei

11. FiberForm Project at K2010