AOC·졸텍(Zoltek)·아스타르(Astar), 산업용 자동차 부품용 고성능 CF-SMC 혁신

영국 정부 지원 TUCANA 프로젝트... 다론(Daron) 폴리우레탄 하이브리드 기술로 에폭시급 성능·UPR/VER급 가공성 동시 구현

영국 정부 지원 연구 프로젝트 TUCANA 하에서 AOC AG(스위스 샤프하우젠)는 아스타르(Astar, 스페인 비스카이)와 함께 다론 폴리우레탄 하이브리드 기술 기반 신규 시트 몰딩 컴파운드(SMC)를 개발했다. 이 CF-SMC는 절단 탄소섬유 성형 부품을 산업 규모로 생산하면서 에폭시 수지 CF-SMC급 기계적 성능과 불포화 폴리에스터 수지(UPR) 및 비닐 에스테르 수지(VER) SMC급 제조 용이성을 동시에 달성한다. 저밀도, 이코트(E-coat) 도장 가능, 저배출을 유지하면서 복합소재 특유의 설계 유연성을 지원한다. 졸텍(Zoltek, 미국 미주리 세인트루이스)의 저가 분할 토(fiber)도 함께 사용된다.

기존 SMC 수지 시스템의 한계... UPR은 탄소섬유 젖음성·접착력 부족, VER은 점도·증점 어려움, 에폭시는 공정 복잡·비용 고가

최근 몇 년간 탄소섬유 기반 신규 SMC 소재가 상용화돼 알루미늄·강철을 능가하는 초경량 구조 부품 생산에 산업 규모로 적용되고 있다. 여러 열경화성 수지 시스템이 SMC 공정에 사용되며 각각 장단점이 있다.

UPR은 SMC용 주력 수지로 우수한 기계적 물성, 높은 필러 로딩(컴파운드 비용 절감), 금형 공동 내 양호한 흐름을 제공한다. 그러나 탄소섬유와 함께 쓸 때 불완전한 젖음과 탄소섬유 표면과의 낮은 접착력으로 기계적 물성이 낮은 성형품이 된다.

VER은 탄소섬유 성형품의 기계적 물성 향상에 주로 쓰이지만, SMC 성형에 필요한 수준으로 증점하기 어렵고 점도가 높아 고섬유 체적 분율 시 미세 탄소섬유 필라멘트 완전 함침이 어렵다.

에폭시 수지(EPR)도 SMC 부품 고기계적 물성 달성을 위해 미세 조정됐으나, 대량 응용에서 비용 경쟁력 있게 공정 운영하기 어렵다. 주요 단점은 여러 시간 소모적 온도 단계를 요하는 어려운 함침, 숙성, 성형 공정이다.

다론 SMC 기술로 해결... 6개월 실온 보관, 최적화된 흐름, 인장 탄성률 43GPa·인장 강도 300MPa 이상, 극저 VOC

이 문제들을 해결하기 위해 AOC는 다론 SMC 기술을 개발했다. 이점으로는 컴파운드 장기 보관(실온 6개월), 압축 성형 시 최적화된 흐름(인서트·리브 포함 금형 공동 완전 충진), 인장 탄성률 43GPa·인장 강도 300MPa 이상 달성, 스티렌 스캐비징 기술로 최적 라디칼 중합 실현해 극저 휘발성 유기 배출(실내 적용 기준 100μg/g 이하 훨씬 하회) 등이 있다.

"다론 수지의 저점도 특성 덕분에 미세 필라멘트 번들의 탄소섬유가 높은 체적 분율까지 극히 잘 함침됩니다. 또한 다론 SMC 기술은 경화 수지 매트릭스와 탄소섬유 간 이상적인 물리화학적 상호작용을 이끕니다."

졸텍 50K 분할 토 기술로 비용 장벽 낮춰... SMC 컴파운딩 중 개봉돼 3K급 성능 발휘

복합소재 업계에서 CF-SMC의 비용 금지적 성격을 해소하기 위해 탄소섬유 제조사 졸텍은 저가 50K 분할 토 탄소섬유도 개발했다. 이는 SMC 컴파운딩 공정 중 개봉되면서 약 3K급 소형 토 탄소섬유 성능을 제공한다.

두 기술 모두 TUCANA 프로젝트서 개발... 재규어 랜드로버 주도, EV 성능 향상 위한 경량·고강성 차체 구조 목표

졸텍 분할 토 기술과 AOC 다론 SMC 기술 모두 TUCANA 프로젝트에서 개발됐다. 재규어 랜드로버(영국 휘틀리)가 주도하는 이 프로젝트는 학계·산업 컨소시엄을 모아 전기차(EV) 성능 향상을 위한 더 강하고 가벼운 차량 구조 제공을 목표로 한다. TUCANA 프로젝트는 CF-SMC를 포함한 비용 효율적·확장 가능한 탄소섬유 복합소재 솔루션으로 이 비전을 실현하려 하며, CF-SMC는 현재까지 기계적 강도와 성형성을 포함한 모든 프로젝트 사양을 충족했다. CF-SMC 패널이 생산 라인 도장 공정을 통과해 다론 수지 시스템 기반 SMC가 규정 성형 파라미터로 가공 시 탈라미네이션이 없음도 입증됐다.

"구조용 인테리어 자동차 부품 생산 외에도 이 새로운 고성능 CF-SMC의 추가 잠재 응용 분야로는 엔진 서브프레임, 스티어링 너클 등 동적 하중 부품이 있습니다. 이는 향후 자동차 대량 양산 시리즈에 매우 바람직한 소재 시스템이 됩니다."