재료硏, 나노복합 에어로겔 기반 고효율 유도접합 기술 개발

한국재료연구원(KIMS, 원장 최철진) 융·복합재료연구본부 오영석, 김진수 박사 연구팀이 탄소나노튜브(CNT)와 자성 산화철(Fe3O4), 폴리아미드6(PA6)를 결합한 나노복합 에어로겔을 활용해 열가소성 탄소섬유복합재를 빠르고 균일하게 가열·접합하는 유도접합 기술을 개발했다. 이번 기술은 가볍고 강해 자동차와 항공기 등에 쓰이는 탄소복합재 부품을 보다 빠르고 튼튼하게 조립할 수 있는 기술로, 기존 대비 가열속도를 최대 94.6% 높이는 동시에 접합강도도 향상시켜 향후 자동차·항공 분야의 탄소복합재 조립시간을 줄이고 생산성을 높이는 핵심 접합기술로 활용될 것으로 기대된다.

열가소성 탄소섬유복합재(CFRTP)는 가볍고 강하면서도 열을 가하면 다시 부드러워지는 특성이 있어 자동차와 항공·우주 분야의 차세대 경량 구조재로 주목받고 있다. 특히 유도접합은 소재 전체가 아닌 접합부만 비접촉 방식으로 빠르게 가열해 두 복합재를 붙일 수 있어 고속·자동화 생산에 유리하다. 하지만 기존 방식은 탄소섬유 내부에 유도전류가 고르게 흐르기 어렵고 자기장 역시 위치에 따라 차이가 발생해, 접합부 일부는 충분히 녹지 않거나 특정 부분만 과열되는 문제가 있었다. 이는 접합 품질과 강도를 떨어뜨려 산업적 활용을 확대하는 데 걸림돌이 됐다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 탄소복합재 사이에서 열을 빠르고 고르게 만들어주는 새로운 접합소재를 개발했다. 탄소나노튜브(CNT)와 자성 산화철(Fe3O4), 폴리아미드6(PA6)를 고르게 섞어 미세한 구멍이 많은 나노복합 에어로겔로 만들었다. 특히 동결건조 공정을 이용해 상대적으로 무거운 Fe3O4 입자가 한쪽으로 가라앉지 않고 CNT 사이에 고르게 퍼지도록 했으며, 이를 분말 형태로 만들어 두 탄소복합재의 접합면 사이에 균일하게 배치했다.

이 소재를 넣고 유도가열하면 CNT와 Fe3O4가 서로 다른 방식으로 열을 만들어 접합면을 빠르고 고르게 데운다. CNT는 전류가 흐르면서 열을 발생시키고 주변으로 전달하며, Fe3O4는 교류 자기장에 반응해 열을 낸다. 이렇게 만들어진 열로 PA6가 녹아 두 탄소복합재 사이로 퍼지면서 접합을 돕는다. 즉, 두 종류의 발열소재를 함께 사용해 가열속도를 높이면서도 특정 부분만 과열되는 현상을 줄여 접합면 전체를 고르게 붙일 수 있는 것이 핵심이다.

실제 실험 결과, 개발 소재를 적용했을 때 기존 탄소복합재만 사용한 경우보다 초기 가열속도가 최대 94.6% 향상됐으며, 접합에 필요한 목표 온도까지 도달하는 시간은 57% 단축됐다. 접합강도 역시 30.8% 향상됐다. 접합면이 고르게 가열되면서 녹은 수지가 복합재 사이에 충분히 퍼졌고, CNT는 접합 후에도 두 소재 사이에서 미세한 핀처럼 서로를 붙잡아 접합부를 더욱 튼튼하게 만드는 역할을 했다.

이번 기술은 자동차와 항공기, 도심항공교통(UAM) 등 가볍고 강한 탄소복합재 부품을 빠르게 조립해야 하는 분야에 활용될 것으로 기대된다. 필요한 부분만 선택적으로 가열할 수 있어 대형 복합재 구조물의 부분 접합이나 수리에도 적용할 수 있다. 연구팀은 관련 기술의 특허를 출원했으며, 향후 인공지능(AI)을 활용해 유도가열 과정의 온도분포를 예측하고 최적의 공정조건을 자동으로 찾아 제어하는 기술을 개발할 계획이다.

연구책임자인 KIMS 오영석 책임연구원은 “이번 연구는 전기적 발열과 자기적 발열을 하나의 나노복합소재에 결합해 탄소복합재의 가열속도와 온도균일성, 접합강도를 동시에 향상시킨 데 의미가 있다”며, “향후 관련 기술을 고도화해 자동차·항공 분야의 고속·자동화 복합재 조립공정에 적용할 수 있도록 발전시켜 나갈 계획”이라고 말했다.