복합재료 최대 장점인 디자인 유연성 활용

항공기, 철도, 자동차 내외장재로 적용 확대

Mobiltech 섬유소재의 범위

수송용 섬유소재는 산업용 섬유소재 중 자동차, 철도차량, 해양수송 선박, 항공, 우주산업분야에 사용되는 모든 종류의 섬유 및 부직포, 복합소재 통칭이다.

항공기 동체나 자동차 차체에서부터 시트커버, 시트벨트, 타이어코드, 트럭커버, 자동차 헤드라이너, 트렁크 커버링, 에어백, 팽창식 보트, 낙하산, 에어벌룬 뿐 아니라 각종 용도의 필터, 배터리 격리막 등이 있다.

[출처] ''Technical Textiles Market by Technology“, Transparency Market Research

▲ Mobiltech 섬유소재 시장 전망   © TIN 뉴스

Mobiltech 섬유소재의 시장적 가치

자동차, 선박, 열차, 우주항공 등을 포함하는 수송용 섬유산업은 2012년 기준으로 수량 면에서 약 356만톤, 금액 면에서 약 170억달러 규모로 추정되며 12대 산업용섬유 분야 중 수송용 섬유가 약 14.5% 정도를 차지하고 있다. 향후 2018년까지 연평균성장률 3.4%로 200억달러로 성장 전망된다.

세계 복합재료 산업 규모는 2012년 600억달러에서 2022년 1,080억달러로 성장할 것으로 예측되고, 향후 5년간(2012~2017) 연평균 4.8%, 2017~2022년까지 연평균 6.8%에 이를 것으로 보인다. 세계 복합재료 시장에서 약 32%를 점유하고 있는 수송기기 산업은 2011~2017년까지 연평균 7% 성장이 전망되는 가운데 자동차오 풍력 등 일반 산업분야에 시장을 주도할 것으로 예상된다.

[출처] The Composites Market 2012-2022: Glass Fibre, Carbon Fibre & Aramid Fibre,           2010, VisionGain / Future Trends in Composites and Challengers for Textile  Industries, 2012, ITA / Growth Opportunities in Global Composites Industry, 2012  –  2017 , 2012,  Lucintel.

Mobiltech 시장동향

전시참여업체 수는 총 917개 업체로 총 참여업체 1,300개 중 917개사인 약 69%가 관련 제품을 출시했다. 이중 자동차 분야가 가장 많았으며, 그 다음이 항공 관련 업체였을 만큼 매우 중요한 위치에 있다.

Mobiltech 일반 동향

Mobiltech는 자동차, 기차, 조선, 항공(우주) 산업분야에 사용되는 모든 종류의 섬유 및 부직포와 복합재료를 포함한다. 적용분야에 따라 요구특성과 물성이 다르지만 유사한 기능으로 사용되는 소재 및 부품이 매우 많아지고 있으며, 자동차 분야의 경우 용도개발이 가장 활발히 이루어지고 있다.

최근 산업의 메가트렌드인 환경규제, 고유가 등의 이유로 친환경 및 인간친화의 방향으로  진행, 수송기기용 소재에 환경친화성, 경량화 및 고내구성 등에 대한 요구가 급증하고 있다. 이에  대응할 수 있는 고성능 소재부품의 사용이 증가되고 있다.

수송기기의 내외장재 및 구조재의 경량화 추세에 따라 고강도, 고탄성률, 고내구성을 갖는 섬유강화 고분자복합재료는 고성능 섬유소재와 성형기술 발전과 함께, 수송기기 부품의 핵심소재로 적용확대되고 있다.

수송산업에서는 차체 경량화 개발에 주력하고 있다. 연비 효율 향상을 위한 신기술 도입이나 대체 연료 차량 개발보다 비용 면에 저렴하기 때문이다. 또 소비자의 인체친화와 고급화의 요구가 증가함에 따라 수송기기의 실내공간을 구성하는 내장재에서 고기능성 섬유 소재의 사용량이 증가하는 추세이다.

자동차 수요는 세계적으로 인구의 증가, 경제성장, 생활수준의 향상에 따라 계속 확대 기조를 보이고 있다. 세계 자동차 산업은 2012년 약 8400만대 이상의 생산량을 보여 향후 5.3% 성장한 것으로 예측된다. 미주와 유럽 다음으로 중국이 세계 최대 생산량을 보이며, 향후 거의 모든 자동차 메이커(브랜드)들이 중국, 인도, 태국 등의 아시아를 기점으로 생산을 할 것으로 판단되어 아시아 국가들의 성장세가 두드러진다.

환경규제 및 연비 향상 등의 이유로 고성능, 경량화, 안전성, 편의성, 쾌적성, 리사이클 등의 기술 개발 추세로 옮겨가고 있다. 자동차의 차체 무게가 10% 감소하면, 8%의 연비 향상효과와 8∼13% 배기가스 감소효과를 기대할 수 있다. 따라서 차량 경량화는 에너지 절감, 환경보호 측면에서 기술개발의 세계적인 공감대가 형성되고 있다.

자동차 안전 및 안락감과 관련한 수요증가로 섬유소재의 수요량이 2000년 약 20kg/대 수준에서 2010년 현재 약 26kg/대 수준으로 증가하였으며, 최근 경량화 요구에 따라 사용량이 2020년경 약 35kg/대 수준으로 급증할 것으로 전망된다.

독일 Groz-Beckert社의 2013년 발표에 따르면, 자동차용 섬유 소재 혹은 제품은 주로 안전(safety), 쾌적(comfort), 디자인(design) 및 음향 관리(acoustics) 분야에 약 35㎡ 정도 사용된다. 무게로는 약 28kg 정도로 이러한 통계 치에 근거하여 연간 섬유의 사용량을 추산하면 2008년 약 180만톤에서 2012년 현재 약 235만톤으로 급증한 것으로 파악된다.

▶ 2008년: 7075만7,299대 생산×약 26kg/대 = 약 183만9,690톤
▶ 2012년: 8414만1,209대 생산×약 28kg/대 = 약 235만5,954톤

자동차 부품 중 섬유 소재가 차지하는 비중은 카페트류(21%), 트림류(17%), 필터(10%), 복합품(22%), 벨트(9%) 등이 있으며 이들 중 SKIN에 해당되는 섬유 소재는 47% 정도로 많은 비중을 차지하고 있다.

▲ 자동차에 사용되는 섬유의용도별사용현황     © TIN 뉴스

특히 최근에는 자동차 내장재에 한정되어 있던 Mobiltech섬유소재가 전 세계적으로 수송기의 경량화 추세에 따라 바디(body)와 exterior, 구조체(structure)를 구성하는 섬유강화복합재료 시장까지 응용분야가 크게 확대되면서 아라미드, 탄소섬유 등 슈퍼섬유의 수요를 촉진시키고 있다. 특히 바디 및 프레임 부분은 탄소섬유강화복합재료(CFRP)의 연구개발과 실제 적용사례가 급증하고 있으며, 국내 대기업을 중심으로 자동차 hood, roof assy, crank shaft, wheel, lower arm등 탄소섬유 복합소재가 적용된 상용차의 출시가 기대된다.

▲ 자동차 내장재 사용 현황     © TIN 뉴스

▲ 자동차 구조재 및 외장 판낼 사용 현황     © TIN 뉴스

철도차량용 섬유소재

일반 동향으로, 유럽과 미국 등 선진국에서는 탄소배출량 감축과 화석연료 고갈 대비, 도로 투자와 비교해 생산 및 고용 유발효과가 큰 첨단 철도 산업 육성에 집중하여 전 세계 철도시장이 2014년 기준 250조원에 이르렀으며 연 4.5%의 급성장을 보이고 있다. 차량분야는 약 40% 비중을 차지하고 있다.

미국에서는 장거리 교통수단으로 비행기를 선호하였으나, 캘리포니아와 플로리다 주 등에서 연방정부 중심으로 고속철도를 추진하고 있다. 유럽에서도 고속철도망, 도시철도망, 트램 친환경 녹색 철도 구축, 중국도 베이징에서 광저우까지 고속철도를 개통하는 등 다른 지역에서도 계획 중이다. 남미, 중동, 아프리카 등 신흥시장에서는 광활한 지역을 기반으로 전 세계 철도시장이 활성화되기 시작했다.

▲ 세계 철도 시장 - [출처] Worldwide Rail Market, 2013 © TIN 뉴스

섬유소재는 시트커버, 커튼, 바닥재(카펫), 가구용 표피재, 각종 필터류 등에 사용되고 있지만, 대부분이 섬유강화복합재료 형태로 사용되고 있다. 철도차량의 복합재료 시장규모는 2018년에 428.4백만달러로 증가했으며 Glass/Polyester와 Glass/Phenolic 복합재료가 가장 많이 사용되고 있다.

1990년대 후반부터 강재, 스테인레스강, 알루미늄에 이은 3세대 차체 복합재료는 이전 철도차량에 비해 차체 무게 절감 효과가 크고, 내구성, 내식성이 우수해 차량의 전두부, 운전실/객실/부속실 내장재, 후드와 지붕, 스커트 도어 등에 사용되고 있다. [출처] “Opportunities for Composites in the Global Rail Market 2013-2018”, Lucintel

▲ 철도차량에서 복합재료 사용 현황(출처 : Hexcel composites)     © TIN 뉴스

조선선박용 섬유소재

세계 조선 산업은 화물 운반선, 여객선(크루즈 선박 포함)과 원유운반선, LNG 운반선, 석유화학제품 운반선, 냉동화물 운반선 등 등 대형 선박과, 레저스포츠용 요트 및 보트, 어선 등 중소형 선박으로 매우 다양하게 구성되어 있다. 세계 화물 및 여객용 선박 분야의 조선업체는 국내 현대중공업을 필두로 5개 업체가 선두를 달리고 있으며, 일본은 미쓰비시 중공업 등 4개 업체, 중국의 한 개 업체가 그 뒤를 따르고 있다.

부가가치가 매우 높은 초대형 호화 크루즈 선박의 경우 노르웨이의 Aker Yards ASA(우리나   라의 STX 그룹이 대주주)와 이태리의 Fincantieri - Cantieri Navali Italiani S. P. A. 등이 세   계 시장을 석권하고 있다. 그러나 크루즈 선박의 경우 국내 자체 기술력으로 수주를 하거나 생산한 경험이 전무하다.

산업연구원에 따르면, LNG 운반선의 가격은 한 척(12만5000t급)에 3억달러 정도인데 비해, 동급의 크루즈선은 10억달러(1조원)이상이며, 가격의 80% 이상이 인테리어와 기자재 비용이어서 전방산업인 섬유산업에 대한 파급효과가 매우 크다.

▲  세계 화물 및 여객용 선박 분야 10대 조선업체 현황    © TIN 뉴스

                                                                          ※ 해양 플랜트, 수산·어업용 등은 미포함

특히 원유운반선, LNG 운반선, 석유화학제품 운반선 등 대형 선박의 경우 친환경 및 에너지 효율(경량화)이 매우 중요한 이슈로 섬유강화 복합재료의 수요가 크게 증가할 것으로 예상된다. 그러나 호화 크루즈선의 경우 내장 인테리어 소재의 사용량이 매우 크고, 고급화가 요구되고 있어 고기능성 섬유소재의 수요가 크게 증가할 것으로 판단된다.

스피드를 다루는 요트, 카약, 레이스용 보트 등 스포츠용 선박들은 경량화를 위한 섬유강화 복합재료의 수요가 크게 증가하고 있다. 레저용 보트, 요트, 어선, 요트 등 중소형선박에서 복합재료로 전환된 시기는 2차 세계 대전 이후 단단하고, 강하며 내구성이 강하고 수리가 용이해 군용 보트에 유리섬유가 사용된 것이 시초이다. 최근에는 군용 선박 중심으로 탄소섬유 적용을 시작으로  레저 산업용 보트, 요트, 카누, 범선에 이르기까지 모든 선박 종류에 응용되고 있다. 현재 중소형 선박의 구조재료에서 전체 시장에서(약 5억달러) 약 68%가 섬유강화복합재료가 사용되고 있다.

▲ 선박용 복합재료의 적용부위 실례 및 탄소섬유가 사용된 스웨덴 Visby     © TIN 뉴스

우주항공기용 섬유소재

세계 항공시장은 2008년 4,300억달러이며, 2020년 7,000억달러로 고성장이 될 것으로 전망된다. 민항기는(1,344 → 1,843억달러), MRO (1,100 → 1,800억달러), 완제기 시장 (1,744  → 2,485억달러)로 증가 될 것으로 추정된다.

항공기시장 점유율은 대형기 (보잉 48%, 에어버스 52%), 중형기 (봄바르디오 35%, 엠브레어 40%, ATR 7%)로 현재 기종별, 국가별로 독과점 체제로 나뉘고 있다.

▲ 완제기 시장현황 및 전망 (단위 : 억불, 대)     © TIN 뉴스

스위스의 Lantal Textiles社는 1950년대 중반부터 항공용 인테리어 섬유시장에 유일하게 뛰어들어 1990년 초 시트 패브릭 분야에서 독점적 지위를 이용해 최근까지도 항공용 카펫 등의 분야에서 선두를 달리고 있다. Batany Weaving社 항공용 시트 패브릭 시장의 2인자로서, 카펫과 각종 내장재를 공급하고 있다.

항공용 섬유 업계는 자동차 분야와는 달리 시트 원단, 카펫, 커튼, 담요, 가죽제품 등의 단일공급자가 되는 것을 주요 전략으로 삼고 있지만, 몇몇 OEM 업체를 제외하고는 소규모의 특수한 기업들과 대형 생산업체들이 시장을 나눠가지고 있다. 매년 성장세를 보이는 반면에 전체 규모면에서 비교적 작은 편이다.

항공우주용 구조물은 대기 중 또는 우주 공간에서 비행하거나 지상에서 우주로 발사되기 때문에 안정성 및 무게 절감을 통한 우주항공 비행체의 운용상의 경제성을 극대화하기 위해 경량화가 요구되고 있다. 아울러 타수송기에 비해 경량화에 의한 경제적 혜택은 약 150달러/kg로 가장 크다. 이는 자동차의 50배, 철도차량의 10배에 이르는 수치다.

특히 이착륙 과정이나 발사과정, 궤도상에서 구조물에 걸리는 하중, 열 및 진공 환경도가 매우 극심하기 때문에 무게에 비해 비강도 및 비탄성이 높고 고내열성과 열 변형이 적은 안정된 재료가 필수적이다. 대기 중의 항공기나 인공위성과 같은 발사체는 다양한 임무를 수행하면서 점차적으로 대형화되고 있지만 경량화 및 고성능화 요구는 더욱 높아지고 있는 추세이다.

항공기 및 인공위성 구조물의 경량 구조재에 대한 요구가 급증함에 다라 섬유강화복합재료는 보강섬유와 기지재료의 효율적인 조합에 의해 비강도와 강성도가 높다. 동시에 기계적, 물리적, 화학적 특성 등이 우수해 기존 금속계 항공우주용 재료를 대체하고 있다. 또한 요구되는 하중조건 및 용도에 따른 최적 설계를 할 수 있는 유연성을 가지고 있기 때문에 항공우주용 기체구조물 등의 주요 소재로 자리 잡고 있다.

▲ 민항기 분야에서의 섬유강화복합재료 사용량 추세     © TIN 뉴스

1974년 에어버스社가 자사 항공기인 A300에 탄소섬유(Carbon Fiber)와 플라스틱의 복합재료(Composite)를 꼬리날개(Tail Structure)에 탑재한 이후 항공기 제조업체들은 가볍고 내구성이 강하며 내부식성이 좋은 신소재의 사용을 점차 늘려왔다.

2011년 보잉社는 상용기로는 처음으로 복합재료를 알루미늄 합금보다 높은 비중으로 사용해 항공기를 제작한 ‘보잉 787 드림라이너(Boeing 787 Dreamliner)’를 출시했다. 드림라이너의 경우에 전체 재료 중 50%를 탄소섬유 복합재료로 사용해 날개 부분과 방향타를 부착하여, 비행기 전체의 강도를 높이고 안정성을 강화하는 등 경량화에 따른 연비를 향상시켰다.

에어버스社는 2005년 선보인 세계에서 가장 큰 상용기 A380의 전체 재료 중 25%를 탄소섬유 복합재료로 사용했다. 꼬리부분에만 복합재료를 사용한 기존 A300과 다르게 날개 전체에 복합재료가 사용돼 보잉의 대형 장거리 상용기 ‘보잉 747-400’에 비해 연료비를 17% 절감했다.

또한 2013년 파리 에어쇼에서 선보인 ‘A350 XWB’는 보잉 787 드림라이너보다 복합재료를 53%나 사용하여, 경량화 및 신형 엔진 도입을 통해 경쟁사의 장거리 상용기에 비해 약 25%가량 연료비를 저감했다. 보잉사와 에어버스사의 신규 대형 여객기 B787과 A350은 복합재료의 사용량을 확대하면서 대량생산과 재활용이 가능한 복합재 구조물(열가소성수지 및 RTM 등)에 대한 연구가 진행 중이다.

▲ 차세대 민항기 분야에서의 섬유강화복합재료 사용 비중     © TIN 뉴스

미국은 기존 제조 기술을 적용한 고도로 자동화된 성형 장비 개발을 통해 기술적 우위를 확보하고, 이를 토대로 무게 및 비용 감소를 극대화화는 복합재료 부품 제작기술 확보에 주력하고 있다. 또한 최근 범용화된 기술인 높은 압력과 온도로 복합재료를 성형하는 고비용 구조의 오토클레이브 성형 기법에서 벗어나 E-beam cure, UV-cure, VARTM 등의 저비용의 성형 제작기술이 현장에서 직접 적용되는 단계에 이르고 있다.

항공 산업 또한 환경규제 및 연비향상을 이유로 민수기를 중심으로 그린항공기 및 스마트 항공부품의 수요가 확대되고 있으며 향후 무인기가 항공 산업의 성장을 견인할 것으로 전망된다. 특히 연비 제고, 배기가스 및 엔진소음 감소 등의 그린화에 주력하고 동시에 IT, NT, BT 융합을 통한 지능형 무인기 등 스마트화가 빠르게 확산될 것으로 전망된다.

대형민항기의 경우 아시아태평양 지역의 수요가 전체의 33%를 차지할 것으로 예상되는 등 아시아·태평양 시장이 급속적으로 성장하고 있다. 따라서 미국과 EU을 중심으로 한 양강(Boeing 및 EADS) 구도로 글로벌 협업구조 강화에 의한 산업구조 변화가 가속화될 것으로 전망된다.

Textile preforming 기술

섬유강화복합재료(textile composites)는 길이 방향으로 역학적 성능이 극대화된 섬유를 매트릭스 상에 분산(강화)시킨 재료다. 이 중 고분자 복합재료는 비강도가 크고 밀도가 작아 경량화가 가능하며, 내부식성 및 절연특성을 가지고 있다. 또한 섬유 배향과 양에 따라 강도와 강성 등의 다양한 특성을 조절할 수 있는 맞춤형 소재가 가능하다.

복합재료에서 섬유 예비성형체(textile preform)는 수지를 함침하기 전에 섬유집합체, bladder, 그 외 여러 가지 삽입물을 포함하며, 복합재료의 골격을 이룬다. 섬유 예비성형체는 섬유의 형태, 일체화되는 정도와 두께방향의 강화정도에 따라 단섬유, 연속섬유, 평면 2차원, 두께 방향으로 섬유가 배열된 3차원으로 분류된다.

3차원 프리폼은 직편직 기술을 통해 두께 방향의 3차원 섬유 배열 뿐 만 아니라 복합한 3차원 형상을 갖는 첨단 섬유 구조체를 말한다. 특히 구조 일체화로 복합재료의 성능 향상뿐 만 아니라 원단 봉제 및 부품 가공공정을 생략해 경제성 및 성능 향상을 확보할 수 있다.

기존의 성형법을 대체하기 위해서는 생산비 절감을 통해 경제성이 있는 3차원 형상 섬유 예비성형체 직편직 기술 개발과 복합재료 구조물을 고속 생산할 수 있는 액상 성형(liquid molding) 기술 개발이 필요하다. 특히 예비성형체 제조기술은 복합재료 성형기술과 복합재료의 최종 물성을 결정하는 핵심 기술이다.

독일의 ITA 연구소는 double lock stitch 시스템을 CNC controled portal sewing 프리폼밍 자동화 시스템에 적용하는데, 크릴로부터 섬유 자동 공급/인서트(insert) 부품 및 서브 프리폼(sub preform) 자동 공급/3000 stitch/min 고속 sewing/프리폼 자동 재단 및 저장의 장치를 완성했다.

▲ ITA 프리폼 자동화 시스템 개념     © TIN 뉴스

▲ ITA 프리폼 스티칭 유닛 및 프리폼     © TIN 뉴스

독일의 드레스덴 대학은 3차원 직조기술(weaving)을 이용해 3차원 다층구조나 관구조의 프리폼을 제작하여 자동차 조인트 구조물에 적용했다. 특히 다층구조의 위사와 경사를 갖는 3차원 전용 직기를 사용해 섬유의 손상을 최소화하고 제한된 형상의 문제점을 극복했다.

▲ 독일 드레스텐 대학 3D 프리폼 기술     © TIN 뉴스

독일의 Von Baur社는 3차원 세폭 및 원형 직기를 이용GO 다양한 3차원 구조의 프리폼을 구성하여 탄소, 아라미드, 유리 섬유 하이브리드 세폭 직물과 탄성 위사를 사용한 UD원형 직물을 선보였다.

▲ von Baur사 세폭 직물     © TIN 뉴스

▲ von Baur사 원형 직물     © TIN 뉴스

▲ 다양한 3차원 단면을 갖는 프리폼의 직물 © TIN 뉴스

▲ 프리폼의 구조 안정성 향상을 위한 열가소성 파우더 코팅 © TIN 뉴스

독일 Pfeil-naehmaschinen社는 복합재료 프리폼 스티칭을 위한 blind stitch hand sewing machine을 출품했다. 제원은 두께 25mm blind stitch, 마찰 최소화를 위한 곡선 모양의 니들, 스티칭에 의한 프리폼 결합 및 3차원 형상의 프리폼 제조, 수동 및 자동 가능, 한 면(one side)  스티칭, 모듈 디자인으로 구성됐다.

▲ portable blind stitch sewing machine     © TIN 뉴스

독일의 ZSK社와 Tajima社는 3차원 형상의 프리폼을 제조하기 위해 연속적으로 보강섬유를 공급하고 이를 스티칭 바인더 얀으로 고정하여 3차원 형상의 프리폼을 제조할 수 있는 Tailored Fiber Placement 장비를 선보였다. 또한 자수기술(embroidery)을 기본으로 유리, 탄소, 아라미드, 금속 섬유 layup 및 binding 가능성을 제시하며 준정형 프리폼 제조기술도 선보였다.

▲ Tailored Fiber Placement장비 원리 및 프리폼     © TIN 뉴스

EU “3D-Light Trans” 프로젝트에서는 경량 고성능 부품의 대량 생산을 위한 열가소성 복합재료 소재 및 부품 제조 기술과, 열가소성 하이브리드 얀 제조에서 부품 성형 기술의 구성도를 제안했다.

▲   © TIN 뉴스

Step 1 : 제직이 가능한 보강섬유(GF)/열가소성 섬유(PP, PET) 하이브리드 얀 제조

▲  하이브리드 얀  © TIN 뉴스

Step 2 : 하이브리드 얀을 이용한 3차원 제직 프리폼 제조 기술

▲  3차원 제직 기술   © TIN 뉴스

▲ 3차원 제직 기술     © TIN 뉴스

Step 3 : 프리폼의 핸들링 및 일정한 프리폼 변형을 위한 프리폼 고정(fixation) 및  드레이핑 (draping)준형상 프리폼 제조 기술

▲  프리폼 고정 및 드레이핑 자동화 기술   © TIN 뉴스

Step 4 : 3차원형상의 프리폼을 이용한 Thermoforming 열가소성 복합재료 성형기술

▲ Thermoforming 기술     © TIN 뉴스

탄소섬유 부직포 프리폼 기술

최근 BMW社는 탄소섬유 제조회사인 SGL과 합작으로 ‘i-project’를 수행하면서 프리폼밍 자동화 기술과 RTM 기술을 적용해서 세계 최초로 연간 1만대 이상의 양산 차량에 탄소섬유 복합재료를 채용했다.

탄소섬유에서 최종부품까지의 가치사슬을 새롭게 디자인했고, 신규 생산설비와 혁신적인 공정 구축으로 2013년에 i3 전기자동차, 2015년에 i8을 출시했다. 아울러 원단 재단, 프리폼밍, 성형공정, 후가공까지 수작업공정을 자동화공정으로 구축했다.

▲ I-project 신공정     © TIN 뉴스

▲ 재활용 탄소섬유 부직포 및 적용 부품     © TIN 뉴스

독일의 STFI 연구소는 재활용 탄소섬유 부직포 기술을 전시했다. 세부기술로는 탄소섬유 스크랩 절단 및 오프닝 기술/탄소섬유 카딩 기술/탄소섬유와 타 합성섬유 또는 천연섬유 Mixing 기술/스티칭(MALIWATT) 또는 니들펀칭 결합기술/탄소섬유 부직포를 이용한 복합재료 성형기술이다.

▲ STFI 연구소의 탄소섬유 재활용 기술     © TIN 뉴스

고강도 폴리올레핀 컴포지트

네덜란드의 Lankhort社는 내충격성이 강한 Pure® Composites 제품을 출시했다. 재활용이 가능하고, 100% 폴리에틸렌 복합재료/Co-extrusion 및 고연신 필름 기술로서 Tape 또는 직물형태 판매가 가능하고 적용분야로는 방탄, 자동차, 선박, 가방에 응용된다.

▲  Lankhort PureⓇ과 적용제품   © TIN 뉴스

독일 Propex社의 PP/PP Curv® 복합재료는 고연신 필름 기술과 double belt press를 이용한 Hot compaction 기술로서 Tape 또는 직물형태 판매되며 방탄, 자동차, 선박, 가방 등에 적용한다.

일본 Teijin社가 출시한 Endumax® 고탄성률, 고강도 UHMWPE tape은 케이블, 로봇, 방탄, 자동차, 선박, 가방 등에 적용한다.

▲ EndumaxⓇ제조공정     © TIN 뉴스

부직포 기술

프랑스의 Ecotechnilin社에서는 수송용 천연섬유와 유리섬유 부직포를 생산했다. 니들 펀칭과 열가소성 바인더를 사용했다. 100% 천연섬유 부직포인 FibriMat 제품은 소음 감호 천연섬유 부직포 Feutralin, 복합재료 액상성형용 천연유래 섬유 부직포인 FibriMat, 천연섬유 또는 유리섬유와 열가소성 섬유를 혼섬한 FibriPlast를 선보였다. 이 외에도 천연섬유 부직포 프리프레그를 이용한 Fibriboard와 부직포 제조 시 천연유래 열경화성 수지(Bioresin)를 사용했다.

▲     © TIN 뉴스

독일 Fiber engineering社의 Fiber Injection Molding Technologies는 단섬유 injection을 통한 2D 또는 3D 형상 부직포 제조기술로서 재활용 섬유 사용이 가능하며, 성형 시  스크랩 최소화 및 부직포 밀도 조절 가능하고 성형 사이클 시간이 최소 60초이다.

▲ Fiber Injection Molding Technologies     © TIN 뉴스

Fiber Injection Molding (FIM) 구성 기술로는 ▶ (1) fiber opening, (2) mixing, (3) injection, (4) molding by pressure and heat, and (5) demolding and ejection of the part이며  Sliding 및 turn table 방식을 채택했다.

▲ Sliding (좌) 및 turntable(우) FIM     © TIN 뉴스

결론

기존 소재와의 가격경쟁력 확보를 위해 섬유강화 복합재료 관련 신기술 개발 및 상용화가 진행되고 있다.
Mobiltech 핵심소재로 용도가 적용확대되고 있고, 이종소재 하이브리드화는 유리섬유/탄소섬유/아리미드 섬유 간의 하이브리드화, 복합재료와 금속, 단/장섬유 복합재료와 연속섬유와의 혼합 성형에 의해, 요구되는 하중 조건 및 용도에 따른 최적설계를 할 수 있고, 복합재료의 최대 장점인 디자인의 유연성을 최대한 활용하고 있다.

공정 자동화는 보다 나은 가격과 공정 효율화를 위해 프리폼밍 기술과 복합재료 성형기술에서 진행되고 있다.

▲ 경제성 향상을 위한 섬유강화복합재료 관련 신기술     © TIN 뉴스

특히 섬유기술을 이용한 3차원 준정형(near shape) 프리폼밍 기술은 두께 방향의 3차원 섬유 배열 뿐 만 아니라 복합한 3차원 형상을 갖는 3차원 형상 프리폼의 구조 일체화로 복합재료의 성능 향상, 원단 봉제 및 부품 가공공정을 생략해 경제성 및 성능 향상을 확보할 수 있다.

열가소성 복합재료는 열경화성 복합재료와는 달리 다양한 열가소성 공정 (forming, welding, injection molding)을 결합하여 연속공정이 가능하여, compression molding과 injection molding의 조합하여, 자동화된 연속공정으로 단일 부품 공정 사이클을 30~60초로 단축 가능하다.

Biomass에서 유래한 친환경 소재와 리사이클 소재는 천연섬유와 Biomass에서 유래한 우레탄, 나일론, 생분해성 고분자 등을 이용한 바이오 복합재료 또는 그린 복합재료이며, 이러한 복합재료는 항공기, 철도, 자동차 내외장재로의 적용이 확대되고 있다.

참고자료 - 한국섬유산업연합회 발간 (2015.8)
최신 산업용섬유 기술개발동향 조사보고서
한국생산기술연구원 휴먼문화 융화그룹 김기영 수석연구원

* 자료출처 : tinnews 바로가기