부산대, 대형 탄소복합재 빠르게 만드는 공정 개발

공극률 1% 미만·강도 22.7% 향상
재활용 가능한 경량소재 생산 길 열어

부산대 성동기 교수 연구팀이 개발한 반응중합형 나일론 공중합체 기반 탄소섬유 복합재 제조공정 및 적용 분야 개념도.(사진=부산대 제공)

부산대학교 연구진이 물처럼 잘 흐르는 원료를 탄소섬유에 먼저 스며들게 한 뒤 금형 안에서 고성능 플라스틱으로 바꾸는 새 제조법을 개발했다. 대형 부품을 빠르고 균일하게 만들면서 재가공 가능성까지 높인 기술이다.

부산대 응용화학공학부 성동기 교수팀은 점도가 높은 열가소성 수지의 한계를 낮춘 반응중합형 탄소복합재 성형공정을 구현했다.

기존 열가소성 플라스틱은 녹였을 때 점성이 높아 촘촘한 탄소섬유 내부까지 고르게 침투하기 어려웠다. 이 때문에 제조 시간이 길어지고 내부에 기포나 빈 공간이 생겨 대형 구조물 생산에 제약이 있었다.

연구팀은 완성된 플라스틱을 녹여 넣는 대신 PA12 원료인 라우로락탐을 PA6 원료인 카프로락탐에 섞어 90℃의 낮은 온도에서도 주입 가능한 반응성 수지 시스템을 구현했다. 이후 이를 탄소섬유에 함침시킨 뒤 금형 내부에서 고분자로 전환하는 공정을 적용했다.

이 방식으로 만든 복합재의 내부 공극률은 1% 미만이었다. 별도 표면처리 없이도 탄소섬유와 수지 사이에 규칙적인 계면층이 형성돼 층간전단강도는 기존 PA6 복합재보다 22.7% 높아진 72.2MPa를 기록했다.

충격이 한 지점에 집중되지 않고 여러 방향으로 분산되는 특성도 확인됐다. 60도 물속에서 30일간 진행한 시험에서는 수분 흡수량이 기존 소재의 약 3분의 1 수준으로 줄었다.

연구진은 이번 성과가 한 번 굳으면 재성형이 어려운 열경화성 탄소복합재를 열가소성 소재로 대체하는 데 활용될 수 있을 것으로 보고 있다. 항공·우주 구조물과 전기차·수소차 부품, 풍력 블레이드, 고속 운송장비 등 대형 경량 부품 생산이 주요 적용 분야다.

연구에는 성동기 교수가 교신저자로 참여했으며 손승모 석박사통합과정생이 제1저자를 맡았다. 허수정 박사과정생과 정승우 석사졸업생, 장문석 석사과정생, 부산대 안석균 교수, UNIST 박영빈 교수도 공동연구자로 이름을 올렸다.

논문은 복합재료 분야 국제학술지 'Composites Part B: Engineering' 9월호에 실릴 예정이다.

성동기 교수는 "낮은 점도의 원료를 활용해 우수한 물성과 재활용성을 함께 갖춘 열가소성 탄소복합재 제조 가능성을 제시했다"며 "자동차와 항공우주 등 고성능 경량 소재가 필요한 산업으로 적용 범위를 넓힐 수 있을 것"이라고 말했다.

부산=김성욱 기자