가볍고 단단한 '탄소섬유복합재'..가공시간 단축기술 개발

이석우 수석연구원(왼쪽)과 김태곤 선임연구원이 유연가공시스템에 들어가는 다관절 로봇을 활용해 탄소섬유복합재에 드릴링 가공을 시도하고 있다.

(서울=뉴스1) 최소망 기자 = 가볍지만 단단한 소재로 골프채부터 항공기까지 사용되는 '탄소섬유복합재'를 기존보다 빠르게 가공할 수 있는 기술이 개발됐다.

한국생산기술연구원은 생산시스템그룹 이석우 박사 연구팀·한국기계연구원 연구팀·연세대 연구팀 등 14개 공동연구팀이 '경량부품 생산을 위한 탄소섬유복합재 가공기술'을 개발했다고 13일 밝혔다. 이 기술은 탄소섬유복합재 가공에 필요한 장비, 검사, 공정·모니터링 기술을 포함한 '패키지형 기술'이다.

탄소섬유복합재는 고강도의 탄소섬유를 금속·고분자 재료에 분산해 만든 재료로, 무게는 철의 4분의 1에 해당하지만 강도는 10배 이상 강하다. 활용성이 높아 일상 운동에 사용되는 골프채부터 자동차, 항공기 등에 다양하게 사용된다.

그러나 소재가 적층구조로 돼있어 절삭할 때 소재가 뜯기거나 갈라지는 결함이 발생한다. 원하는 형태로 가공하기도 어려울뿐만 아니라 공정하는 데 시간이 매우 오래 소요됐다. 연구진은 이번에 개발된 기술로 공정속도를 30~40%까지 단축할 수 있을것이라고 전망한다.

연구팀은 우선 장비분야에서 '복합가공장비'를 개발했다. 기존에 연마재를 첨가한 물로 소재를 절단하는 '워터젯' 방식의 장비와 구멍을 뚫어 절단하는 '드릴링 절삭' 방식의 장비를 하나로 합한 역할을 한다. 복합가공장비는 각각 장비 2개를 활용할 때 보다 공간효율을 1.7배 정도 높였고, 한 공간에서 두 가지 공정이 가능해져 시간을 단축할 수 있었다.

또 가공 후 품질 검사를하기 위해 광학스캐너를 활용해 가공된 부품표면과 내부 불량을 1초만에 파악하는 '3D 광학 고속 검사기술'도 개발했다. 기존에는 탄소섬유복합재 표면에서는 난반사가 이뤄져 측정이 어려웠고, 한번 측정에 3~5분정도가 소요됐다.

워터젯·드릴링·분진흡입 등 각각의 기능을 전담하는 다관절 로봇을 최적 위치 배치를 고려해 생산량을 원활하게 조정할 수 있는 '유연가공시스템'도 개발했다. 이외 극저온·초음파 가공과 같은 첨단 가공공정과 모니터링 소프트웨어를 최적화했다.

연구진은 이러한 연구를 지난 2015년부터 시작했으며 2020년까지 진행할 계획이다. 지금까지 특허출원 53개, 특허등록 10개(국외 2개)를 마쳤다.

이석우 수석연구원은 "이번 기술 개발을 통해 국내 탄소섬유복합재 산업생태계 조성에 꼭 필요한 부품가공 역량을 갖추게 됐다"며 "앞으로 지속적인 성능 테스트를 거쳐 장비 성능을 안정화하고 연구데이터를 축적해 기술 완성도를 높이겠다"고 말했다.

한편 세계 탄소섬유복합소재 시장은 2012년 12조원 규모에서 2030년 100조원 규모로 성장할 것으로 전망된다.

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