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탄소섬유를 이용한 UD TAPE 개발 동향

작성자 : 취재부 2020-11-06 | 조회 : 5427

1. UD(Unidirectional) Tapes 고분자 복합재료 개요

복합재료는 서로 다른 특성을 지닌 두 종류 이상의 재료를 복합화한 것으로, 첨단 고분자 복합재료는 고분자 매트릭스와 고강도 섬유로 구성되며, 고분자 매트릭스의 강도와 강성을 강화시키기 위하여 고분자 매트릭스에 고강도 섬유를 결합시킨 것이다.

매트릭스는 열경화성 수지(폴리에스테르 수지, 비닐에스테르 수지, 에폭시 수지, 폴리에틸렌 수지, 페놀 수지)와 열가소성 수지(폴리페닐렌 설파이드(PPS), 폴리에터 이미드(PEI), 폴리에테르에테르케톤(PEEK)) 등이 있다.

고강도 섬유는 탄소 섬유, 강화유리(S-Glass) 섬유, 아라미드 섬유, 기타 섬유(붕소 섬유, UHMWPE/UTEC 섬유) 등이 일반적으로 사용되고 있다.

첨단 복합재료는 항공우주 및 방위 산업, 운송 산업, 풍력에너지 산업, 스포츠용품 산업, 전기·전자 산업, 해양 산업, 파이프&탱크 산업, 토목 산업, 의료 산업, 기타 산업 등 다양한 산업에 사용되고 있으며, 특히, 첨단 복합재료는 항공기 부품, 자동차 부품, 경주용 자동차, 자전거 프레임, 풍력발전기 블레이드, 연료 전지, 보트 등 고강도/저중량 제품에 주로 적용되고 있다.

복합재료는 항공기뿐만 아니라 자동차, 선박 등 경량화를 통한 연비향상 및 에너지 절약이 필요한 수송 기계 제조 산업에 적용되고 있지만, 주로 열경화성 복합재료 기반의 오토클레이브(autoclave) 성형을 통한 부품 제작방식이 주를 이루고 있다.

오토클레이브 공정은 높은 기계적 물성 및 치수 안정성을 제공하나 장시간(6~12시간)의 성형 시간이 소요되며, 고가의 재료비와 노동 집약적 제조 환경, 그리고 복잡한 형상의 구조물 제작 시 기술적 어려움으로 적용 범위에 한계를 가지고 있다. 이와 같은 한계점을 극복하고, 효율적인 성형공정 기술을 확보하기 위하여 OoA(out of autoclave) 공정 기술에 대한 연구개발이 진행되고 있다.

성형공정으로는 구조물의 형상 및 자재 시스템(열경화성/열가소성 수지) 등을 고려하여 RTM(resin transfer molding) 및 VBO(vacuum bag only) 공정 및 열가소성 복합재료(thermoplastic composite)를 이용한 열 성형공정(thermoforming) 등을 적용하여 복합재 부품을 제작하는 기술이다. OoA 공정을 적용한 부품 제작은 주로 인테리어 부품과 같은 2차 구조물(secondary structure)을 중심으로 많이 개발되고 있으나, 공정 및 자재 기술 향상에 따라 주 하중을 지지하는 1차 구조물(primary structure)에 대한 적용 가능성이 확대되고 있으며 관련 연구가 진행되고 있다.

최근 고속 열성형이 가능하여 대량생산에 적합한 열가소성 수지 복합재료를 이용한 성형기술 개발이 대두되고 있다. 열성형(thermoforming) 공법과 자동 섬유 적층(auto mated fiber placement, 이하 AFP) 기술로 대표되는 열가소성 복합재료 성형기술은 보잉(boeing) B787과 에어 버스(airbus) A350 및 A380 양산 기종의 2차 구조물 및 인테리어 부품에 적용되고 있으며, 향후 주 구조물까지 확대 적용하기 위한 연구가 진행 중이다.

본 기술 동향에서는 열가소성 수지 복합재료 및 열가소성 수지 복합재료를 이용한 대표적인 성형공정인 UD Composite 기술을 간략히 소개하고자 한다.

플라스틱은 금속보다 강도가 낮으므로 탄소섬유와 같이 비강성(specific modulus) 및 비강도(specific strength)가 우수하고 가벼워 고성능과 경량성을 동시에 구현할 수 있는 탄소섬유강화 플라스틱(carbon fiber-reinforced plastics: CFRP)의 연구개발에 관한 관심과 투자가 증가하고 있으며, 특히 자동차부품산업 분야에서 그 중요성은 더 크게 두드러지고 있다.

CFRP 제조에서 프리프레그(prepreg)는 최종 성형품의 중간재(intermediate material)로서 중요한 역할을 한다. 이는 프리프레그의 사용이 CFRP 제조 시 작업성을 용이하게 하고, CFRP에 일정한 섬유배향을 갖게 하고, 보이드(void)를 최소화할 수 있으며, 섬유와 수지 함량 제어가 용이하여 최종 복합재료에 우수한 성능과 품질을 제공할 수 있기 때문이다.

기존 개발된 유리섬유나 탄소섬유 등의 보강재를 단섬유 형태로 수지에 분산시킨 컴파운드 소재인 SFT(Short-Fiber reinforced Thermoplastic)가 주를 이루었으나 이러한 소재들도 금속을 대체하기는 어려운 실정이다.

이를 해결하려는 방안으로 장섬유 또는 연속섬유를 보강한 열가소성 복합재가 사용되는 추세다. 비연속 섬유가 보강된 열가소성 복합재와 연속섬유가 보강된 열가소성 복합재로 구분된다.

비연속 섬유가 보강된 열가소성 복합재는 GMT(Glass Mat Thermoplastic), G-LFT(Granule-Long Fiber reinforced Thermoplastic), 그리고 LFT-D(Direct Long Fiber reinforced Thermoplastic)로 분류되며, 성형방법 상 컴프레션 플로우 몰딩(Compression Flow Molding)은 GMT와 LFT-D로, 인젝션 몰딩(injection Molding)은 LFT-D로 나누어진다.

자동차 분야에서 경량화 이슈가 대두되면서 열가소성 복합재료는 가장 관심이 집중되는 소재이다. 기존 과거의 금속 대체 경량화 대응기술로 개발이 진행되었으나 대부분 강도와 강성이 부족한 문제점들이 있었다. 보강재를 단섬유 형태로 수지에 분산시킨 컴파운드 소재인 SFT(Short-Fiber reinforced Thermoplastic)가 주를 이루었으나 이러한 소재들도 금속을 대체하기는 어려운 실정이다

연속섬유가 보강된 열가소성 복합재는 CFRTPC(Continuous-Fiber reinforced Thermoplastic)가 대표적이다. 연속섬유 강화 열가소성 복합재는 높은 물성에 비해 원가가 높고, 디자인 자유도가 떨어져 강도 보강을 위한 용도로 소량 사용되고 있으며, 복합재의 형상이 0.4㎜ 이하의 필름 형태로만 제조되고 있어 성형 가공이 가능한 상태의 시트로 제조하기 위해서는 별도의 교차 복합적층 라미네이션 공정이 요구된다. 이는 공정추가는 물론 생산성이 떨어지고, 원가상승 요인이 되어 경쟁력을 떨어뜨리는 문제도 발생하고 있다.

UD(Unidirectional) Tape는 열가소성 수지(PP, PA6 등)에 강화 섬유(Glass, Carbon Fiber 등)를 한 방향으로 함침시켜 테이프 형태로 감아 제조된 중간기재이며, 사출 성형품의 물성이 낮은 부분에 국소 보강재로 사용함으로써 우수한 물성 구현이 가능한 복합소재이다.

UD Tape는 연속 공정으로 제조되어 수지 함량을 일률적으로 조정이 가능하며, 균일한 물성 유지가 가능하다. 또한, LFT(Long Fiber Reinforced Thermoplastics)에 비해 강화 섬유 함유율이 높아 고성능의 성형품 생산이 가능한 장점을 지니고 있다. 특히 차별화된 함침 기술로 고강도, 고강성, 내충격성이 매우 우수하여 고객의 다양한 요구를 충족 시킬 수 있는 소재이다.

일방향(UD) 프리프레그는 섬유 방향으로 이방성을 띠고 있기 때문에 탄소섬유의 배향각은 탄소섬유/에폭시 복합재료의 기계적, 열적 특성에 중요한 역할을 한다. 탄소섬유에 수지가 미리 함침되어 있는 프리프레그를 사용하여 제조한 CFRP의 특성은 프리프레그 ply 수, ply 배향각(ply angle), 적층 순서(stacking sequence)에 크게 의존한다.

[0°], [0°/90°], [0°/45°/90°], [0°/30°/60°/90°] 등 적층 순서에 따라 서로 다른 angle-ply를 갖는 크림프가 없는 고강도 섬유/에폭시, 또는 섬유/열가소성 수지 등 복합재료를 압축성형으로 제조가 가능하다. [0°] 복합재료는 가장 높은 동역학적, 인장, 굴곡 및 충격특성을 나타내는 반면, [90°] 복합재료는 가장 낮은 특성을 나타내기 때문에 [0°/90°], [0°/45°/90°], [0°/30°/60°/90°] 등 다양한 적층 각도로 복합재료 제조가 가능하며 일방향 탄소섬유/에폭시 프리프레그 ply를 0°와 90° 방향으로 번갈아 교차하여 적층한 경우에는 탄소섬유가 양쪽 방향에 존재하기 때문에 0° 복합재료와 90° 복합재료가 갖는 특성 사이의 특성을 나타낸다. 즉 프리프레그 angle-ply에 따라 [0°]와 [90°] 복합재료 사이의 특성을 나타내게 제조할 수 있다.

탄소섬유가 무질서하게(random) 배향이 되면 복합재료는 다양한 방향에서 거의 유사한 특성을 나타내기 때문에 복합재료 제조 시 프리프레그 ply 배향각의 변화는 복합재료의 기계적 특성, 충격특성, 층간 전단강도, 파단 거동 등에 큰 영향을 준다.

프리프레그를 이용한 CFRP 성형공정에는 압축성형(compression molding), 진공백 성형(vacuum bag molding), 오토클레이브 성형(autoclave molding) 등이 있으며, 이중 압축성형 공정이 비교적 용이하고, 복합재료의 보이드(void)를 줄일 수 있고, 설계된 두께로 일정하게 복합재료를 제조할 수 있어 널리 사용되고 있다.

프리프레그에는 크게 일방향(unidirectional: UD) 프리프레그와 직물(woven fabric) 형태의 두방향(2-directional: 2-D) 프리프레그가 있다. 경사(warp) 방향의 탄소섬유 토우(tow)와 위사(weft) 방향의 탄소섬유 토우가 교차되면서 직조된 탄소 직물에는 경사와 위사의 교차점에서 많은 수의 크림프(crimp)가 존재한다. 이러한 크림프의 수는 직물의 재직(weaving) 패턴에 따라 차이가 있다.

크림프 부분에서 탄소섬유 토우를 구성하고 있는 각개의 필라멘트들은 교차되면서 물결(wave) 모양으로 구부러진다. 이는 탄소섬유 본연의 성질을 감소하는 원인을 제공할 수 있다. 또한, 크림프 부분에서 섬유 필라멘트들이 매우 인접하게 조밀한 상태로 존재하게 되어 프리프레그 제조 시 크림프 부분에서 수지가 충분히 함침되지 않아 보이드가 발생할 수 있고, 이는 결과적으로 최종 복합재료의 물성을 저하시키는 요인으로 작용할 수도 있다.

2. UD Tape를 이용한 자동차 부품 개발 동향

가. 복합재료 시장

전 세계 첨단 복합재료 시장에서 주요 기업은 Toray Industries, Inc.(일본), Teijin Limited(일본), Mitsubishi chemical Holdings Corporation(일본), SGL Group(독일), Solvay(미국), Koninklijke Ten Cate Bv(네덜란드), Owens Cornig(미국), Huntsman Interational LLC(미국), Hexcel Corporation(미국) 등이 있다.

나. 주요 업체 동향

• Toray Industries, Inc(일본)

합성섬유, 플라스틱 제품을 제조하는 기업으로 탄소섬유, 프리프레그, 복합재료 등 다양한 탄소섬유 복합재료를 제조 및 판매 중

• Sekisui Aerospace(일본)

항공용 복합재료 제조 및 판매 및 고함량 섬유 강화 열가소성 복합재료 제조

• Covestro

Covestro 사의 Maezio® 테이프는 탄소 또는 유리 섬유의 강성과 열가소성 수지의 유연성을 결합하여 약 170미크론의 얇은 두께의 UD 테이프를 제작

• SGL Carbon(독일)

SGL의 UD 테이프는 다양한 폴리아미드 및 폴리프로필렌과 결합 된 SIGRAFIL 50k 탄소섬유를 기반으로 6.35에서 220㎜ 사이의 폭 제품 생산

• Teijin carbon(일본)

Tenax® TPUD는 탄소섬유와 열가소성 고내열 폴리머인 PEEK를 이용하여 제조

TPUD는 6.35㎜~304.8㎜의 폭으로 제조, 프레스 또는 진공 오븐에서 성형 가능

• Aazl-aachen-gmbh(독일)

탄소섬유 및 폴리프로필렌(CF/PP–UD-Tapes)을 기반으로 하는 단방향 섬유 강화 테이프

UD-테이프는 섬유 함량 40~50(v/v %), 폭 600㎜, 두께 0.15㎜로 제공

• Mitsui chemical(일본)

TAFNEX™ CF/PP는 Mitsui Chemical의 고유 기술로 탄소섬유와 폴리프로필렌(PP)으로 구성된 UD 테이프

국소 보강용으로 사용 시 강도를 유지하면서 부품 무게를 줄일 수 있음.

다. UD Tape를 이용한 자동차 부품

• Engine Mount

• TAFNEXTM 제품

3. 결언

최근 자동차업계는 환경공해 문제와 동시에 연비향상을 위해 차량 경량화를 요구하고 있으며 기존 금속 소재 부품을 경량화를 위해 엔지니어링 플라스틱 등 다양한 복합소재를 대체 적용하고자 많은 연구가 진행 중이다.

UD(Unidirectional) Tape는 열가소성 수지(PP, PA6 등)에 강화 섬유(Glass, Carbon Fiber 등)를 한 방향으로 함침시켜 테이프 형태로 감아 제조된 중간기재이며, 사출 성형품의 물성이 낮은 부분에 국소 보강재로 사용함으로써 우수한 물성 구현이 가능한 복합소재로 기대된다. UD Tape는 연속 공정으로 제조되어 수지 함량을 일률적으로 조정이 가능하며, 균일한 물성 유지가 가능하다. 또한, LFT(Long Fiber Reinforced Thermoplastics)에 비해 강화 섬유 함유율이 높아 고성능의 성형품 생산이 가능한 장점을 지니고 있다.

복합재의 형상이 0.4㎜ 이하의 필름 형태로만 제조되고 있어 성형 가공이 가능한 상태의 시트로 제조하기 위해서는 별도의 교차 적층 및 라미네이션 공정이 요구되기 때문에 생산성 저하, 원가상승 요인을 작용하고 있다.

4. 참고문헌