빌로 테크놀로지스 우드론 시설 탐방: 혁신적 CNT 파이버 플랜트 내부

자사가 상용화하려던 탄소나노튜브(CNT) 파이버가 잠재 고객(미 공군, 보잉(미국 일리노이주 시카고) 포함)이 필요로 하는 성능을 제공하지 못할 때 어떻게 하는가? 피벗해 도면으로 돌아가 첨단 소재와 복합소재 가공 전문성을 활용해 다른 솔루션을 개발한다. "우리는 나노소재를 자주 사용하지만, 결코 나노소재 회사는 아닙니다."라고 빌로 테크놀로지스(Veelo Technologies) CEO 조 스프렝가드(Joe Sprengard)는 말한다. "우리는 전기 전도성 소재와 비금속 가열 솔루션에 집중하는 첨단 소재 회사입니다. 초기 연속 CNT 파이버와 시트 개발에서 현재 포트폴리오 — 낙뢰 보호(LSP) 및 전자기 차폐, 복합소재 가공용 고효율 가열 블랭킷, 비금속 전기열 제빙 시스템 — 까지 공통점은 새로운 성능 레벨을 제공하면서 중량과 비용 요건도 충족하는 신소재 개발 능력입니다."

회사는 직원 4명에서 24명으로 늘었고, 신시내티 교외 우드론(Woodlawn)에 20,000평방피트(약 1,858㎡) 새 제조 시설로 이전했다. GE 에이비에이션 본부(에벤데일)에서 1마일, 데이턴 라이트패터슨 공군기지 공군연구소(AFRL)에서 남쪽으로 1시간 거리다. 스프렝가드가 CW 투어를 이끌며 빌로 테크놀로지스의 새 생산 현장을 안내, 나노소재 공급업체에서 첨단 브로드 굿즈 전문가로, 미래 복합소재를 위한 혁신 파트너로의 진화를 보여줬다.

나노에서 다기능 복합소재와 가공으로

빌로 테크놀로지스는 연속 CNT 파이버 시트(왼쪽 상단) 개발로 시작했으나 현재 LSP와 복합소재 가공용 비금속 가열 블랭킷, 항공구조물 제빙 시스템 등 다양한 소재를 제품에 활용(아래 및 오른쪽).

CNT 파이버와 시트

빌로 테크놀로지스는 원래 신시내티 대학(UC)에서 제너럴 나노(General Nano)로 스핀아웃됐다. 대학은 2007년 세계 최장 CNT 어레이 — 18mm 길이 — 를 생산했다. "AFRL 소재제조국이 관심 갖고 다년 평가에 착수했습니다."라고 2009년 합류한 스프렝가드는 설명한다. "처음 3년간 이 긴 CNT를 AFRL이 관심 가진 고강도 매크로 스케일 파이버로 변환하는 방법을 찾으려 했습니다. 하지만 물성이 나오지 않았습니다."

회사는 피벗해 CNT를 연속 시트로 변환하는 방법을 개발했다. 보잉이 관심 갖게 됐는데, 복합소재 항공기 구조물의 LSP와 전자기 간섭(EMI) 차폐 니즈의 잠재적 솔루션으로 본 것이다. "상용 항공기는 평균 1,000시간마다 낙뢰를 맞습니다."라고 스프렝가드는 말한다. 탄소섬유는 전도성이지만 복합소재 매트릭스 수지는 아니다. 따라서 보잉이 777과 787 상용기로 기록적 생산하던 CFRP 항공구조물은 전개 금속박 등 금속 솔루션에 의존해 전기 전류를 접지 연결부로 빠르게 전도해 열 손상을 방지했다. "하지만 금속 메시는 무겁고 기생 중량을 많이 만들며 복합소재 부품 가공에 어려움이 있습니다."라고 빌로 테크놀로지스 제품 개발 엔지니어 래리 크리스티(Larry Christy)는 말한다.

2015년까지 보잉은 차세대 LSP 솔루션 개발을 전사적으로 추진했고, 제너럴 나노가 핵심 파트너였다. CW는 2016년 신시내티 기반 비즈니스 인큐베이터 시설(여러 스타트업 입주)에 있던 제너럴 나노를 방문했다. 크리스티가 당시 연구소 투어를 이끌며 진행 중이던 기술 진화를 논의했다. "금속 LSP와 차폐 효과는 주파수가 높아질수록 감소합니다."라고 그는 설명했다. "전도성을 높이고 임피던스를 낮추되 25마이크론 이하 두께여야 합니다. 하지만 CNT-CNT 접합이 시트 내 저항을 더합니다. 2014~2016년 전도성을 12배 개선했고 200MHz 주파수에서 차폐용 드롭인 솔루션을 입증, 금속 대비 25% 중량 절감 달성. 하지만 두께 추가 감소가 필요했습니다."

이 시점에 회사는 5피트 폭 기판에 정렬된 CNT를 수백 피트 길이로 생산하는 능력을 갖췄다. 20g/m², 2mm 두께 CNT 페이퍼와 부직포 소재 — 일종의 CNT 연속 부직포 — 도 톨 제조 파트너 네트워크(제지 설비 유휴 캐파 활용)로 생산했다. "이 접근법으로 유연성을 얻고 고객과 협력해 기능 추가와 제품 물성·포맷 맞춤화에 집중할 수 있습니다."라고 크리스티는 설명했다. 연속 테이프 제작 요청도 받아 톨 네트워크로 제작했다.

고성능 브로드 굿즈로 피벗

이 맞춤화 의지와 고객 요구 기반 제품 수정 의지는 약 10년 차에 회사의 미래가 과거와 매우 다를 수 있음을 깨닫게 된 핵심이었다. 크리스티는 LSP뿐만 아니라 EMI 차폐 니즈도 다수라고 설명했다. "각각에 맞춰 전기적 성능을 조정해야 합니다. 금속 메시 특성은 주파수 의존적이라 구멍 누설로 주파수 증가 시 성능 저하. 우리 제품은 구멍과 누설이 없는 연속 구조라 주파수 증가 시 성능이 향상됩니다. CNT는 고주파에서 금속을 능가하므로 고강도 무선주파수(HIRF)와 고출력 위성 통신 애플리케이션에 탁월합니다. CNT는 스킨 효과도 없습니다." 스킨 효과는 교류가 도체 중심을 피하고 표면 또는 스킨으로만 흐르는 경향으로, 전류 전달 단면적을 효과적으로 줄여 저항을 증가시킨다. 크리스티는 "하지만 CNT는 저주파에서 경쟁할 수 없습니다. 전도성이 충분히 높지 않고 신호 손실이 너무 큽니다. 그래서 하이브리드를 검토 중입니다."

"이로 인해 나노소재 기반이 아닌 다른 시트 소재들이 나왔습니다."라고 스프렝가드는 말한다. "빌로베일(VeeloVEIL)을 개발했습니다. 전개 구리박(ECF) 대비 70% 가볍고 Zone 1A 낙뢰 보호 요건을 충족하는 금속화 탄소섬유 LSP 솔루션입니다." Zone 1A는 레이돔/노즈, 윙팁, 나셀, 항공기 엠페나지 끝단을 포함하며 미 연방항공청(FAA) 요건으로 200,000암페어 전류를 견뎌야 한다("복합소재 항공기 LSP 전략" 및 "복합소재 구조물 LSP" 참조). "빌로베일은 다른 금속화 부직포 대비 4배 더 전도성이 높으면서 절반 무게입니다."라고 그는 계속한다. "우리가 개발한 화학과 소재 가공 덕분에 가능합니다."

항공우주 산업은 현재 탄소섬유 베일을 LSP에 사용하지 않는다고 스프렝가드는 말한다. "Zone 1A 요건을 충족할 만큼 전도성 높은 제품이 없기 때문입니다." 빌로베일은 40~50g/m² 면중량에서 5~10밀리옴 전기 저항률(낮을수록 전도성 높음)로 설계돼 단일 80마이크론 두께 플라이로 항공기 LSP 요건 충족. "이 소재가 매우 드레이퍼블해 ECF 제품에서 흔한 기공 채우기 후처리 없이 매끄러운 표면 마감이 나옵니다."라고 그는 덧붙인다. "이로 인해 제조사가 표면 수지를 덜 사용해 소재와 제조 비용을 절감합니다. 톱3 항공구조물 OEM들로부터 빌로베일로 총 LSP 소재와 공정 시간을 20시간 이상에서 3시간 미만으로 단축할 수 있다는 피드백을 받았습니다."

빌로베일은 ECF와 같은 제품 형태로 공급돼 제조사가 기존 제조 공정 변경 없이 사용 가능하다. "우리의 항공우주 복합소재용 모든 전도성 소재는 [자동화 파이버 배치] AFP 머신으로 가공되도록 설계됐습니다."라고 스프렝가드는 말한다. 빌로 테크놀로지스는 빌로베일을 표준 표면층 제품에 통합하는 작업도 티어 1 항공우주 프리프레거들과 진행 중이다.

전도성 조정으로 가열 구현

빌로베일 개발 중 스프렝가드 팀은 브로드 굿즈 전기 전도성 조정 능력이 전기열 가열 애플리케이션에도 활용 가능함을 깨달았다. 이로 인해 또 다른 제품군인 빌로히트(VeeloHEAT)로 문이 열렸다.

"빌로히트는 항공구조물 제빙용으로 통합되는 탄소 기반 비금속 소재입니다."라고 스프렝가드는 말한다. 이는 탄소섬유가 아닙니다. "현재 항공기 제빙 시스템은 금속 와이어를 많이 쓰는데, 로터크래프트 같은 고피로 환경에서 내구성 이슈가 있습니다. 와이어 하나가 끊기면 시스템이 작동하지 않습니다. 기존 금속 제빙 시스템은 흔히 고장나 수리가 필요하며 시간과 비용이 많이 듭니다. 우리 제품이 훨씬 더 내구성이 입증돼 항공기 다운타임을 획기적으로 줄입니다." 헬기 로터 블레이드에 이미 사용 중이며, 도심 항공 모빌리티와 차세대 교통수단으로 개발 중인 EVTOL(전기 수직 이착륙) 항공기에도 큰 잠재력 있다.

더 가까운 미래에 빌로히트 제품이 2020년 1분기 고정익 상용기에 탑재돼 초기 검증 예정. "이 기술의 매력은 비밀이 아닙니다."라고 그는 말하며, 콜린스 에어로스페이스(구 UTC, 이제 레이시온 합류)가 2017년 1월 CNT 기반 제빙 시스템 독점 라이선스 발표를 언급. "시장을 잘 알고 미래를 대비해 포지셔닝하고 있습니다. 투자가 이 기술의 향방을 잘 보여줍니다."

빌로 테크놀로지스는 모든 빌로히트 블랭킷을 온도 출력과 균일성 테스트한다.

제빙에서 복합소재 가공과 수리로

기존 열 블랭킷은 수십 년간 복합소재 구조물 본드 스카프 수리 시 상대적으로 작은 영역(통상 1평방미터 미만) 경화에 사용됐다. 이 열 블랭킷은 기존 금속 와이어를 실리콘 고무나 기타 소재(필요 경화 온도에 따라)에 임베딩해 사용한다. "금속 기반 제빙 시스템과 유사하게 와이어 하나가 끊기면 열 블랭킷이 쇼트나 더 이상 작동하지 않습니다."라고 스프렝가드는 말한다. "탄소 기반 제빙 제품을 비금속 가열 블랭킷으로 활용해 비교할 수 없는 내구성과 드레이퍼빌리티, 성능을 구현했습니다." 업계 표준은 3% 변동계수(COV)로 가열 제품의 커버투커버, 에지투에지 균일성 척도다. 빌로히트 블랭킷은 일반적인 에너지 출력 5와트/제곱인치에서 이 표준을 초과 달성한다.

빌로히트 블랭킷은 550°F(288°C)까지 온도 생성 가능하며 부품과 툴에 맞춰 넷쉐이핑 가능하다. "우리가 화학을 배합하고 맞춤 저항률의 독자적 첨단 소재를 제조할 수 있기에 가능한 능력입니다."라고 스프렝가드는 덧붙인다. 빌로 테크놀로지스는 이 기술을 15개월 만에 상용화해 현재 풀 생산 중. "이 제품 라인에서 매우 좋은 성장을 보고 있습니다."라고 그는 덧붙이며, "이제 대량 빌로히트 블랭킷을 생산해 오토클레이브 및 오븐 밖에서 대형 복합소재 구조물 본딩에 사용 중이며, 고객 요청으로 다중 온도 존 등 가공 기능 활용 중입니다."

이전과 생산 확대

2018년 10월 빌로 테크놀로지스는 즉각적 생산 확대가 필요한 주요 방산 프로그램 수주 확인을 받았다. "다행히 이미 필요 인프라를 갖춘 거의 완벽한 입주 가능 시설을 찾았습니다."라고 스프렝가드는 회상한다. 우드론 시설은 최첨단 환경 제어, 조명, 벽면 에폭시 바닥재 — 스프렝가드가 고객 운영 투어에서 본 항공우주 표준 사양 — 를 갖췄다. "어떤 지름길도 택하지 않았습니다. 최고 품질 자재와 마감에 대한 투자는 우리의 장기 전략과 미래 비전을 반영합니다."라고 그는 설명한다. 이 투자는 방산 계약에 필요한 출입 통제와 보안 인력에서도 보인다.

필요 시설 구축이 2019년 2분기 완료돼 빌로 생산 라인 이전 시작. "우리 장비 거의 풀 캐파로 가동 중이라 전 라인 새 시설 이전 셧다운 스케줄링이 도전이었습니다."라고 그는 인정한다. 2019년 7월 제조 전환 1단계 완료, 빌로히트 블랭킷 라인 이전해 풀 생산으로 재가동.

새 시설 대형 오픈 생산 홀은 프론트 로비에서 접근. 오른쪽이 빌로히트 블랭킷 제조 구역. 4피트 x 10피트 레이업 테이블 4개로 빌로히트 필름과 다른 소재를 형상 금형 툴에 적층. 이후 JPW 인더스트리얼 퍼네이스(미국 펜실베이니아주 트라우트런) 공급 10x10피트 오븐에서 경화. 완성 블랭킷은 디몰딩돼 전기 공급 와이어 연결, 컴퓨터 제어 유닛(핫 본더)으로 복합소재 라미네이트와 수리 경화에 사용. 각 빌로히트 블랭킷은 온도 출력과 균일성 테스트.

히트 블랭킷 생산 구역 바로 옆이 습식 화학 생산실. 실버슨 머신(미국 매사추세츠주 이스트롱메도우)과 네취(Netzsch, 미국 매사추세츠주 벌링턴) 산업 장비로 빌로 제품용 첨단 화학 포뮬레이션 혼합. 다음은 필름 제조실로 빌로 카본 기반 빌로히트 필름 제조 독자 시스템 보유. 다시 왼쪽으로 빌로베일 생산 구역. 투어 당시 비어 있었으나 15인치와 36인치 폭 롤투롤 제조 라인이 8월 새 시설로 이전. 60인치 폭 라인도 미래 수요 대응 위해 설계 중. 10월까지 빌로 테크놀로지스 전 제품 라인이 한 지붕 아래 가동되며 생산 확대 중.

차세대 솔루션

빌로 테크놀로지스 현재 성공까지 길은 길고 항상 순탄하지 않았다. "네, 나노소재로 시작했고 여전히 이 분야 상당한 전문성을 유지하지만, 고객 누구도 우리가 나노소재를 쓰는지 안 쓰는지 관심 없습니다."라고 스프렝가드는 말한다. "그들은 우리가 성능과 ROI 목표를 충족하는 매력적 솔루션을 공급하는지만 봅니다. 예: 항공기에서 차세대 제빙 시스템이 더 적은 전력을 쓰게 해 새로운 비행체 설계와 운용 효율성 기회를 여는 제품들."

스프렝가드는 3개 빌로 제품군 모두 전진 중이라고 말한다. OEM과 공급사 적격 제품 리스트(QPL)에 최종 등재되거나 "고객 공급망에 파트넘버로 추가되는 중." 현재 대부분 열경화성 복합소재용이지만 열가소성 복합소재와 적층 제조도 보기 시작했다고 언급.

빌로 테크놀로지스 미래 초점은? "최우선은 기존 주문과 전략적 기회 지속 납품입니다."라고 스프렝가드. "시장이 새로운 수요 수준으로 우리를 밀어붙이고 있어 훌륭하면서도 도전적입니다. 집중 유지가 최우선입니다."

빌로가 지금 설정한 목표는 이 지점까지 12년 개발 과정에서 보여준 집념과 인내만큼 인상적이다. "최고 항공우주 복합소재 공급사들 like 에어테크(Airtech)와 A&P 테크놀로지스를 보면 고객 개발 주기 초기에 테이블에 앉습니다. 그런 혁신 파트너가 되려면 시간이 걸립니다."라고 스프렝가드. "그리고 헌신이 필요합니다."

빌로 테크놀로지스는 4명에서 24명으로 확대, 나노소재 공급업체에서 첨단 브로드 굿즈 전문가로, 미래 복합소재 혁신 파트너로 진화, 2015년 보잉 '올해의 공급업체' 선정.