인더뉴스 제해영 기자ㅣ부산대학교는 응용화학공학부 성동기 교수 연구팀이 물처럼 흐르는 저점도 열가소성 원료를 활용해 복잡한 형상의 대형 탄소복합재를 빠르고 균일하게 만드는 반응중합형 성형공정을 개발했다고 20일 밝혔습니다.

이번 기술은 플라스틱을 녹여 탄소섬유에 직접 주입하는 기존 방식과 달리, 플라스틱이 되기 전 단계의 반응성 전구체를 탄소섬유 내부에 먼저 스며들게 한 뒤 금형 안에서 고성능 플라스틱으로 전환합니다.

연구팀은 이 공정을 통해 열경화성 수지 기반 복합재료의 재활용과 재성형 한계를 보완하고, 기존 열가소성 수지가 가진 높은 점도 문제도 함께 해결할 수 있는 가능성을 제시했습니다.

탄소섬유 복합재료는 철보다 가벼우면서 높은 강도와 강성을 구현해 항공기와 우주 구조물, 전기차, 수소 모빌리티 등에 쓰이는 차세대 경량 구조재입니다. 그러나 산업 현장에서 주로 사용하는 열경화성 수지는 한 번 굳으면 다시 녹이기 어려워 재활용과 재성형에 제약이 있습니다.

대안인 열가소성 수지는 다시 녹여 가공할 수 있지만 용융 상태의 점도가 높아 촘촘한 탄소섬유 다발 안으로 균일하게 침투하기 어렵습니다.

높은 점도는 제조 시간을 늘리고 복합재 내부에 기포와 빈 공간을 만들 수 있습니다. 특히 부품 크기가 커질수록 수지가 전체 영역에 고르게 퍼지지 않아 대형 복합재를 빠르게 생산하는 데 한계가 생깁니다.

연구팀은 플라스틱을 직접 녹여 넣는 대신 점도가 낮은 원료를 먼저 주입한 뒤 금형 안에서 고분자로 바꾸는 방식을 적용했습니다. 이 과정은 낮은 점도를 유지한 상태에서 탄소섬유 내부까지 원료를 고르게 함침시키는 데 초점을 맞췄습니다.

구체적으로 PA12인 폴리아미드12의 원료 라우로락탐을 PA6인 폴리아미드6의 원료 카프로락탐에 녹였습니다. 이를 통해 90도에서도 주입할 수 있는 반응성 수지 시스템을 구현했습니다.

PA6와 PA12는 나일론 계열의 폴리아미드 플라스틱입니다. 일반적으로 라우로락탐은 150도 이상의 온도에서 녹여야 하지만, 이번 공정에서는 카프로락탐이 용매 역할을 해 더 낮은 온도에서 제조할 수 있는 조건을 확보했습니다.

금형 안에서는 PA6와 PA12 성분이 함께 형성되면서 조성 분포가 점진적으로 달라지는 구배형 PA6와 PA12 공중합체가 만들어집니다. 이 구조는 낮은 점도에 따른 함침성과 완성된 복합재의 기계적 성능을 동시에 확보하기 위한 설계입니다.

성형 결과 복합재 내부 공극률은 1퍼센트 미만으로 억제됐습니다. 공극은 복합재 안에 남는 미세한 빈틈이나 기포로, 비율이 높아질수록 강도와 내구성이 낮아질 수 있습니다.

연구팀은 초저점도 원료가 탄소섬유 다발의 안쪽까지 균일하게 침투하면서 공극 발생을 줄였다고 설명했습니다. 이는 대형 열가소성 복합재의 고속 성형과 품질 균일성을 함께 확보할 수 있음을 보여주는 결과입니다.

또한 별도의 탄소섬유 표면처리 없이 섬유 표면에 얇고 규칙적인 횡결정성 계면층이 형성됐습니다. 이 계면층은 탄소섬유와 수지를 단단히 연결해 하중을 전달하고 균열이 한 번에 빠르게 퍼지는 현상을 줄입니다.

그 결과 층간전단강도는 기존 PA6 기반 복합재료보다 22.7퍼센트 높아졌습니다. 측정값은 72.2메가파스칼로 연구팀은 세계 최고 수준에 도달했다고 밝혔습니다.

충격 저항성도 개선됐습니다. 기존 PA6 기반 복합재료는 강도가 높지만 충격을 받으면 갑자기 깨지는 취성 파괴가 나타날 수 있는 반면, PA12 성분을 더한 이번 복합재는 변형 과정에서 충격 에너지를 여러 지점으로 분산하고 흡수했습니다.

수분 안정성 시험은 60도 물속에서 30일 동안 진행했습니다. 최종 수분 흡수량은 기존 PA6 기반 복합재료의 약 3분의 1 수준으로 줄어 장기간 수분에 노출되는 환경에서 성능을 유지할 가능성을 확인했습니다.

공극과 계면 결합, 충격 저항, 수분 안정성을 하나의 공정에서 함께 개선한 점은 대형 부품 양산에 필요한 품질 관리 항목을 동시에 다뤘다는 의미가 있습니다. 공정 단순화가 실제 생산비 절감으로 이어지는지는 후속 실증과 규모 확대 시험을 통해 확인해야 합니다.

이번 연구는 성동기 교수가 교신저자를 맡았고 손승모 석박사통합과정생이 제1저자로 참여했습니다. 허수정 박사과정생과 정승우 석사졸업생, 장문석 석사과정생은 공동저자로 연구를 수행했습니다. 부산대 응용화학공학부 안석균 교수와 울산과학기술원 박영빈 교수도 공동연구자로 참여했습니다.

연구진은 재료 조성과 반응 조건, 계면 구조, 기계적 성능, 수분 안정성을 종합적으로 분석했습니다. 연구 성과는 복합재료 분야 학술지 ‘포지트 파트 B 엔지니어링’ 9월호에 게재될 예정입니다. 논문 제목은 ‘반응중합형 탄소섬유와 폴리아미드 복합재의 기계적 물성과 내수성 조절을 위한 횡결정 계면 공학’입니다.

연구는 산업통상자원부 산업기술혁신사업과 과학기술정보통신부 재원의 한국연구재단 나노 및 소재기술개발사업 지원을 받아 수행했습니다.

성동기 교수는 “재가공과 재활용이 어려운 열경화성 고분자 기반 탄소섬유 복합재료의 한계를 극복하기 위해 열가소성 복합재료로 전환하는 기술이 첨단산업에서 계속 요구되고 있다”고 말했습니다.

이어 “높은 점도의 열가소성 수지를 이용해 탄소섬유 복합재료를 만드는 것은 매우 도전적인 기술”이라며 “이번 연구는 우수한 물성과 재활용성을 갖춘 환경친화형 복합재료를 다양한 산업에 적용할 계기를 마련했다”고 설명했습니다.