재료연, 탄소복합재 더 빠르고 단단하게 붙이는 기술 개발

초기 가열속도 최대 94.6% 향상…접합강도 30.8% 높여

연구팀 모습. 한국재료연구원 제공

한국재료연구원(KIMS)이 자동차와 항공기 등에 쓰이는 탄소복합재를 빠르고 균일하게 가열해 붙이는 기술을 개발했다.

재료연은 융·복합재료연구본부 오영석·김진수 박사 연구팀이 나노복합 에어로겔을 활용한 열가소성 탄소섬유복합재 유도접합 기술을 개발했다고 1일 밝혔다.

열가소성 탄소섬유복합재는 가볍고 강하면서 열을 가하면 다시 부드러워지는 소재다. 유도접합은 접합부를 비접촉 방식으로 가열해 두 소재를 붙이는 기술로 자동화 생산에 유리하지만, 기존 방식은 열이 고르게 전달되지 않아 일부가 덜 녹거나 과열되는 문제가 있었다.

연구팀은 탄소나노튜브와 자성 산화철, 폴리아미드6을 결합해 미세한 구멍이 많은 에어로겔을 만들었다. 이를 분말 형태로 두 복합재의 접합면 사이에 넣어 열이 빠르고 고르게 발생하도록 했다.

탄소나노튜브는 전류가 흐르면서 열을 내고, 자성 산화철은 교류 자기장에 반응해 열을 발생시킨다. 이 열로 폴리아미드6이 녹아 접합을 돕고, 탄소나노튜브는 접합 후에도 두 소재 사이를 연결해 강도를 높이는 역할을 한다.

실험에서는 기존 탄소복합재만 사용한 경우와 비교해 초기 가열속도가 최대 94.6% 향상됐다. 목표 온도에 도달하는 시간은 57% 줄었고 접합강도는 30.8% 높아졌다.

연구팀은 자동차·항공기·도심항공교통(UAM) 부품 조립과 대형 복합재 구조물의 부분 접합·수리 등에 활용할 수 있을 것으로 보고 있다. 관련 특허를 출원했으며, 앞으로 AI를 활용해 온도분포를 예측하고 공정조건을 제어하는 기술을 개발할 계획이다.

미국 오크리지국립연구소 연구진이 공동 참여한 이번 연구 결과는 국제학술지 '어드밴스드 컴포지트 앤 하이브리드 머티리얼즈'에 지난달 2일 온라인 게재됐다.