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KIST, 서울 상공 ‘에어택시’ 등장 앞당길 신소재 개발

작성자 : 취재부 2023-06-11 | 조회 : 1411


- 도심형 항공 모빌리티(UAM) 등에 적용 가능한 100% 자기강화 복합재료 개발
- 기존 연구성과 대비 접착강도, 인장강도 및 충격 저항성 대폭 향상

도심형 항공 모빌리티(UAM)와 같은 미래 이동 수단이 현실화되기 위해서는 연료 효율성은 높이면서 탄소 배출을 줄여야 하는데, 이를 위해서는 우수한 물성을 띠면서 재활용도 가능한 새로운 소재 개발이 반드시 필요하다. 

자기강화 복합재료(self-reinforced composite, SRC)는 가격이 저렴하고, 경량성이 뛰어날 뿐만 아니라 강화재와 기지재1)가 동일한 성분으로 구성되어 폐기 및 재활용 측면에서 이점이 있다. 이 때문에 항공기 등에 사용되는 탄소 섬유 강화 복합재료(carbon fiber-reinforced composite)를 대체할 차세대 복합재료로 주목받고 있다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 전자파솔루션융합연구단 김재우 박사가 한양대학교(총장 이기정) 김성훈 교수, 전북대학교(총장 양오봉) 김성륜 교수와 함께 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 고분자 한 종류만을 사용한 100% 자기강화 복합재료를 개발하는 데 성공했다고 밝혔다.

지금까지는 자기강화 복합재료의 제조공정에서 유동성 및 함침성2)을 향상시키기 위해 강화재 혹은 기지재에 화학적으로 다른 성분을 혼합해왔기 때문에 물성과 재활용 가능성 모두 떨어지는 문제가 있었다. 공동연구팀은 4축 압출 공정3)을 통해 폴리프로필렌 매트릭스의 사슬 구조를 조절하여 용융점, 유동성 및 함침성을 제어하는 데 성공했다.
1) 기지재(matrix): 혼합비율에 따라 구성 비율이 상대적으로 가장 높은 재료
2) 함침성(impregnation): 물질이나 기체 등이 다른 물질로 흡수되거나, 침투되거나, 묻혀서 그 안에 흡수되는 것
3) 4축 압출 공정: 금속, 플라스틱, 나일론 등의 원료를 사용하여 3차원 형상의 복잡한 구조물을 만드는 제조공정으로, 3축 압출과 달리 회전축이 추가되어 길이, 너비, 높이와 함께 회전축도 제어할 수 있음.

개발된 자기강화 복합재료는 접착강도, 인장강도 및 충격 저항성이 기존 연구 결과 대비 각각 333%, 228%, 2,700% 향상된 최고 수준의 기계적 물성을 달성했다. 소형 드론의 프레임 소재로 해당 재료를 적용했을 때 기존 탄소 섬유 강화 복합재료 대비 52% 가볍고, 비행시간은 27% 증가해 차세대 모빌리티 적용 가능성을 확인했다.

한양대학교 장지운 박사 후 과정 연구원(공동 제1저자)은 “연구에 도움을 주신 모든 분들에게 감사드리며, 앞으로도 대한민국의 차세대 모빌리티 전반에 기여할 수 있는 연구를 수행하길 희망한다”고 밝혔으며, 김성훈 지도교수(공동 교신저자)는 “전북대, 한국과학기술연구원, 남전산업과 현대자동차와 함께 교류하여 값진 연구성과를 창출해 기쁘다”며, “자기강화 복합재료는 탄소중립 주도권을 확보하면서 차기 미래 모빌리티 산업을 선도할 수 있는 소재로써 활용 가능하다”고 밝혔다.

KIST 김재우 박사(공동 제1저자)는 “이번에 개발한 100% 자기강화 복합재료 엔지니어링 공정은 산업계에 즉시 적용될 수 있는 것으로 공동연구팀과 남전산업 및 현대자동차 등 산업계와 지속적으로 협력해 자기강화 복합재료의 글로벌 경쟁력을 확보하겠다”고 향후 계획을 밝혔다.

북대학교 유기소재섬유공학과 이혜성 박사과정(공동 제1저자)은 “박사과정으로서 자기강화 복합재료 연구를 수행하면서 나온 결과가 좋은 논문으로 결실을 맺어 기쁘고, 이러한 연구들이 학술적 및 산업적으로 다양하게 적용되길 희망한다”며, “연구를 지도해주신 지도교수님과 많은 도움을 주신 다른 저자분들께 감사하다”고 밝혔다. 

김성륜 지도교수(공동 교신저자)는 “긴 세월 묵묵히 학업과 연구에 매진하면서 스스로 박사로서 가치를 증명한 이혜성 박사과정에게 박수를 보내고 싶다”면서, “학술적으로는 한국과학기술연구원과 한양대와 인력의 실시간 교류가 가능한 새로운 학술연구 플랫폼에 기초하여 세계적인 연구성과를 창출했다는 것과 산업적으로는 남전산업과 현대자동차와 함께 자기강화 복합재료의 글로벌 리더쉽을 확보했다는 것이 대단히 고무적이다”고 말했다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 국가과학기술연구회(NST)의 ‘미래 모빌리티 동작 신뢰성 확보를 위한 고주파/고출력 전자파 솔루션 소재·부품 기술 개발’ 융합연구단 사업(CRC22031-000), 한국연구재단 기초연구사업(2016 R1A6A1A03013422), 중견연구자지원사업(2021R1A 2C11093839), 교육부(장관 이주호)의 3단계 산학연협력 선도대학 육성사업(LINC 3.0)으로 수행되었다. 연구 결과는 화학공학 분야 세계적인 국제학술지 ‘Chemical Engineering Journal’ (IF:16.744, JCR 분야 상위 2.448%) 최신호에 게재되었다.

 * 논문명: True self-reinforced composites enabled by tuning of molecular structure for lightweight structural materials in future mobility
- (제1저자) 전북대학교 이혜성 박사과정
- (제1저자) 한양대학교 장지운 박사
- (제1저자) 한국과학기술연구원 김재우 책임연구원
- (교신저자) 한양대학교 김성훈 교수    
- (교신저자) 한국과학기술연구원 김민국 선임연구원
- (교신저자) 전북대학교 김성륜 교수
(논문 DOI): https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.142996