재료연, 탄소복합재 접합 속도·강도 높인 유도접합 기술 개발

왼쪽부터 한국재료연구원 이재민 선임연구원, 김다영·정채원·김나영 석사후연구원, 백인석 박사후연구원, 김진수 선임연구원, 오영석 책임연구원, 박병호 기술원.

한국재료연구원(KIMS) 융·복합재료연구본부 오영석·김진수 박사 연구팀이 탄소복합재를 빠르고 균일하게 가열·접합할 수 있는 유도접합 기술을 개발했다.

연구팀은 탄소나노튜브(CNT)와 자성 산화철(Fe3O4), 폴리아미드6(PA6)를 결합한 나노복합 에어로겔을 활용했다. 이를 탄소복합재 접합면 사이에 배치해 가열속도와 온도 균일성, 접합강도를 높였다.

열가소성 탄소섬유복합재(CFRTP)는 가볍고 강하면서 열을 가하면 다시 부드러워지는 특성이 있어 자동차와 항공·우주 분야에 활용된다. 기존 유도접합 방식은 탄소섬유 내부의 유도전류와 자기장이 고르게 형성되지 않아 일부 접합부가 과열되거나 충분히 녹지 않는 문제가 있었다.

연구팀은 CNT와 Fe3O4, PA6를 고르게 섞어 미세한 구멍이 많은 나노복합 에어로겔을 만들었다. 동결건조 공정을 이용해 Fe3O4 입자가 CNT 사이에 고르게 퍼지도록 한 뒤 분말 형태로 만들어 접합면 사이에 배치했다.

유도가열 과정에서는 CNT가 전류에 의해 열을 내고, Fe3O4는 교류 자기장에 반응해 발열한다. 이 열로 PA6가 녹아 두 탄소복합재 사이로 퍼지면서 접합을 돕는다.

실험 결과 개발 소재를 적용한 경우 기존 탄소복합재만 사용했을 때보다 초기 가열속도가 최대 94.6% 향상됐고, 목표 온도 도달 시간은 57% 줄었다. 접합강도도 30.8% 높아졌다.

연구팀은 이번 기술을 자동차와 항공기, 도심항공교통(UAM) 등 탄소복합재 부품 조립과 대형 복합재 구조물의 부분 접합·수리에 활용할 수 있을 것으로 보고 있다. 관련 특허도 출원했다.

오영석 한국재료연구원 책임연구원은 “전기적 발열과 자기적 발열을 하나의 나노복합소재에 결합해 가열속도와 온도 균일성, 접합강도를 동시에 향상시킨 데 의미가 있다”며 “자동차·항공 분야의 고속·자동화 복합재 조립공정에 적용할 수 있도록 기술을 고도화하겠다”고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 한국연구재단 연구과제와 KIMS 기본사업을 통해 수행됐으며, 미국 오크리지국립연구소 연구진이 공동으로 참여했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘Advanced Composites and Hybrid Materials’ 9월 2일 온라인판에 게재됐다.

김나혜 인턴기자 kim.nahye1@joongang.co.kr