재료연, 탄소복합재 더 빨리 붙인다…목표온도 도달 57% 단축

초기 가열속도 최대 94.6% 향상

접합강도 30.8%↑…자동차·항공 적용 기대

한국재료연구원은 융·복합재료연구본부 오영석·김진수 박사 연구팀이 나노복합 에어로겔을 활용한 유도접합 기술을 개발했다고 1일 밝혔다. ⓒ한국재료연구원

탄소복합재를 빠르고 튼튼하게 붙이는 기술이 개발됐다.

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

연구팀은 탄소나노튜브(CNT)와 자성 산화철(Fe3O4), 폴리아미드6(PA6)을 결합해 접합부를 빠르고 고르게 가열하는 소재를 만들었다.

열가소성 탄소섬유복합재(CFRTP)는 가볍고 강해 자동차와 항공·우주 분야의 경량 구조재로 쓰인다. 열을 가하면 다시 부드러워지는 특성이 있다.

유도접합은 복합재 전체가 아닌 접합부만 비접촉 방식으로 가열해 붙이는 기술이다. 기존 방식은 유도전류와 자기장이 고르게 형성되지 않아 일부가 충분히 녹지 않거나 특정 부위가 과열되는 한계가 있었다.

연구팀은 동결건조 공정으로 Fe3O4 입자가 CNT 사이에 고르게 퍼지도록 한 뒤 분말 형태로 만들어 접합면에 배치했다.

가열하면 CNT는 전류를 통해, Fe3O4는 교류 자기장에 반응해 각각 열을 낸다. 두 소재가 동시에 발열하면서 접합면을 빠르고 고르게 데우고 녹은 PA6이 복합재 사이로 퍼져 접합을 돕는다.

실험 결과 기존 탄소복합재만 사용했을 때보다 초기 가열속도는 최대 94.6% 빨라졌다. 접합에 필요한 목표온도 도달시간은 57% 줄었고 접합강도는 30.8% 향상됐다.

연구팀은 자동차와 항공기, 도심항공교통(UAM) 등 탄소복합재 부품의 고속·자동화 조립에 활용할 수 있을 것으로 보고 있다. 대형 구조물의 부분 접합이나 수리에도 적용 가능하다.

관련 기술은 특허 출원을 마쳤다. 향후 인공지능(AI)을 활용해 가열 과정의 온도 분포를 예측하고 최적 공정조건을 자동 제어하는 기술도 개발할 계획이다.

이번 연구에는 미국 오크리지국립연구소 연구진이 공동 참여했다. 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 컴포지트 앤 하이브리드 머티리얼즈’에 지난달 2일 온라인 게재됐다.

오영석 재료연 책임연구원은 “가열속도와 온도 균일성, 접합강도를 동시에 높인 기술”이라며 “자동차·항공 분야의 고속·자동화 조립공정에 적용할 수 있도록 고도화하겠다”고 말했다.