기업지원 케이스 스터디

기업지원성과 사례

목록
현재글 생기원과 함께 탄소섬유강화플라스틱 공정기술 국산화 향해 ‘한 발짝 더’
생기원과 함께 탄소섬유강화플라스틱 공정기술 국산화 향해 ‘한 발짝 더’
2021.02.25

생기원과 함께 탄소섬유강화플라스틱

공정기술 국산화 향해 ‘한 발짝 더’ 

청정기술연구소 지능형생산시스템연구부문 최경락 수석연구원 · 자평테크 



지능형생산시스템연구부문 최경락 수석연구원(왼쪽)과 자평테크 정원경 책임연구원. ⓒ한국생산기술연구원 


탄소섬유강화플라스틱(이하 CFRP, Carbon Fiber Reinforced Plastic)은 탄소섬유를 강화재로 하는 플라스틱계 복합재로 소재 경량화 연구에서 가장 뜨거운 주제다. 고강도·고탄성의 경량소재인데, 철과 비교해 강도는 5~10배 높으면서도 부식이 없고, 알루미늄보다 30% 가볍다. 


이러한 특성 때문에 먼저 항공, 자동차 등의 수송산업을 중심으로 각광을 받았고, 최근에는 반도체, 디스플레이 공정에서도 주목하고 있다. 문제는 공정 변수 제어가 가능한 정밀 성형장비 개발 및 공정기술의 국산화였다. 현재 이러한 방식의 신뢰성이 높은 장비는 소수의 외국 선진사가 독점하고 있는데 이러한 외산 고가 장비의 경우 국내 사용자 입장에서는 고가의 생산단가와  유지·보수의 어려움이 있었다.

 

생기원 최경락 수석연구원과 자평테크(대표 전형길)는 용도와 사용자에 최적화한 CFRP 생산 엔지니어링 공정 기술을 개발했다. 공정 변수 제어가 가능한 제조용 기계 장비를 만들어내는 원천 기술을 확보한 것이다.




용도와 사용자에 최적화된 CFRP 생산 엔지니어링


생기원은 제조 장비에 대한 시스템 설계와 주요 장비에 대한 엔지니어링 해석 기반의 설계를 지원했다. 공정을 개발한 자평테크는 반도체장비조립, 소프트웨어, PLC 개발 등이 전문 분야다. 반도체 카세트 정렬 이송 장치, 전선이 자동으로 공급되는 납땜 장치, 배근결속장치, 샤프트에 고정되는 기판 이송용 롤러, 밀폐형 주입 시스템 공정 관련 등 특허를 다수 보유하고 있는 기술 선도 기업이다. 



생기원과 자평테크가 용도와 사용자에 최적화한 CFRP의 생산 엔지니어링 공정기술을 개발했다.  ⓒ한국생산기술연구원 



최 수석연구원은 “대표적 경량화 소재인 CFRP는 자동차와 항공기, 우주 분야는 물론, 반도체와 디스플레이 등 활용 범위가 무궁무진하다”며 “이번 기술 개발은 수요 기업의 요청이 아니더라도 해외 제품 일색인 제조 장비 분야에서 국산화를 이룰 수 있는 좋은 기회였다”고 소개했다. 


이번 연구는 ‘중소기업 지원 선도연구기관 협력기술개발 사업’의 일환이다. 디스플레이용 유리기판의 제조 공정 간 이동 및 보관을 하는 장치인 카세트의 구성품 가운데 하나인 서포트바에 요구되는 물성 특성은 Glass Transfer Robot 팔의 이동시 간섭을 최소화하기 위한 낮은 처짐량과 큰 진동감쇄 효과이다. CFRP는 금속재료에 비해 강도와 비강성이 우수하며 부식에 강점이 있어 카세트 서포트바 에 가장 적합한 소재로 널리 사용되고 있다. 


하지만 국내 CFRP 전문 제조 장비의 90% 가량은 고가의 해외 제품을 수입해 사용하고 있다. 독일 K사 제품은 주입장치만 해도 단가가 10억 원 수준으로 매우 높은 편이다. 생기원과 자평테크는 이번 개발을 CFRP 제조용 주입 장치 원천 기술을 국내에서도 보유해 첨단 신소재 제조 기술 분야에 대한 선진국 종속을 탈피하는 계기로 삼겠다는 의지를 내비쳤다. 




분석과 정량화 통해 용도 다양한 CFRP 고품질 국산화 양산  


최 수석연구원은 “현재 개발된 장비에서는 사각채널 형태의 서포트 바를 시범 생산 중이나 향후 다양한 부품으로 확대 생산할 것”이라며 “자평테크와는 향후 자동차, 항공분야에 적용되는 탄소복합재 전문 성형장비 개발이 최종목표”라고 덧붙였다. 


CFRP는 원자재인 탄소섬유를 부형재(성형재의 모양을 잡아주는 재료)인 혼합수지와 함께 성형해 만들어진다. 성형 공정의 핵심 공정인 함침 공정은 탄소섬유 사이사이에 액체 합성수지를 스며들게 하는 공정으로서 이때 사용하는 혼합수지의 온도, 압력, 혼합 비율, 토출 용량 등의 제어가 매우 중요한데 현재 국내의 제조 방식은 이러한 공정 조건을 관리하는 방식이 아닌 수지가 담긴 욕조에 탄소섬유를 통과시켜 함침시키는 방식이다. 이로 인하여 제품 품질 관리가 어려우며 개방된 욕조에 담긴 수지로 인한 작업 환경 또한 작업자에게는 열악한 방식이다. 자평테크는 이러한 문제를 해결하기 위한 새로운 제조 방식에 대한 아이디어를 가지고 이의 제품화를 위한 기술지원을 생기원에 요청했다.


생기원은 이 요청에 대해 자평테크에서 구성하고자 하는 장치에 대한 시스템 분석과 엔지니어링 해석 및 실험을 통하여 구성 주요 장치에 대한 기술 정보를 전달하였다. 주된 내용은 원재료인 탄소섬유와 수지 원액의 비율, 탄소 섬유의 투입배열, 원액 주제-경화제 혼합 비율, 온도에 따른 경화도 및 이와 관련된 다양한 해석 데이터 등이다. 또한 밀폐 조건에서 탄소섬유 함침율을 높이는 방법과 탄소섬유 적층 방법, 원액 누출 방지 방법 등도 개발해 제공했다. 


자평테크는 이를 받아 적정한 소재를 구입해 탄소섬유 투입 장치, 원액 함침-경화 구간 온도 제어 시스템, 혼합 도구 등을 한 데 합친 ‘밀폐형 함침 주입 장비’를 만들어 냈다. 이 장비를 이용함으로서 현재 개발하고 있는 사각 채널 형태의 바 형상의 제품뿐만이 아니라 용도에 따라 다양하고 품질이 균일한 CFRP 소재를 개발할 제조할 수 있을 것으로 기대된다.




해외 장비보다 훨씬 저렴…성능은 동급,“업체들 ‘신속한 상용화’ 요청 쇄도” 



공동연구에 참여한 생기원 최경락 수석연구원(왼쪽부터). 박형기 수석연구원, 강병수 기술원, 자평테크 정원경 책임연구원, 전형길 대표@한국생산기술연구원 



최 수석연구원은 이번에 개발된 공정의 장점을 이렇게 설명했다. “일단 공정마다 기계마다 발생했던 품질 편차를 낮추고 일정한 품질의 재료를 생산할 수 있게 됐습니다. 이렇게 되면 다용도의 재료를 모듈화 공정으로 생산할 수도 있죠. 또 기존의 개방형 욕조 방식에서 발생하는 방식보다는 작업자들의 위해 요소가 훨씬 줄어든 구조로 공정과 공장을 설계할 수 있게 됩니다. 특히 버튼 몇 개로 제어가 되는 시스템이기 때문에, 완벽하게 구현되는 것을 전제로 마스크를 안 쓰고 일할 수 있는 환경을 조성할 수도 있습니다.”


자평테크 정원경 책임연구원은 “탄소복합 소재의 선진 제조 기반 기술을 확보했다는 점이 가장 큰 수확”이라며 “일반 중소기업이 세계적인 선진사를 상대로 동일한 기술개발이 상당히 어려운 점이 많으나 정부기관의 도움으로 기술력 선진화에 더 가까이 다가갈 수 있어서 많은 도움이 되었다“고 하였으며 “디스플레이 산업 뿐만 아니라 자동차와 항공 등의 분야에 활용되는 소재에도 도전할 수 있는 계기가 됐다”고 말했다. 





평테크 정원경 책임연구원이 이번에 개발된 공정 장비를 조작하고 있다. ⓒ한국생산기술연구원 


생기원과 자평테크는 이번에 인발성형(단면은 일정하고 모양은 길게 성형-편집자 주) 장비 제작을 목표로 4억여원 상당을 투입한 2단계 사업에 참여해 성과를 냈다. 2단계 사업에 이어 CFRP 바(bar)를 양산하는 것을 목표로 한 선도연구기관 협력기술개발 3단계 사업도 양측이 함께 진행 중이다. 


이번에 개발되는 장비는 해외 선진사의 해외 장비보다는 훨씬 저렴하면서도 이에 못지않은 성능을 갖추고 있다. 해외 장비는 특히 사후관리가 어려워 업계의 국산화 요구는 나날이 늘어나고 있다. 자평테크 측은 “개발에 대한 소문을 들은 업체들이 ‘한국에도 독일 수준의 장비가 있으면 구입하고 싶다. 신속하게 상용제품을 만들어 달라’고 요청하고 있다”고 전했다.    


자평테크 전형길 대표는 “국내 최다 분야와 최고의 전문성을 자랑하는 생기원의 기초이론과 탄소 복합재 제조 설비 기술을 보유한 자평테크 합작으로 최적의 성과를 낼 수 있었다”고 설명했다.