도레이(Toray), 신형 난연 CFRP 프리프레그 개발... 항공우주 성능 새 표준 제시

머티리얼즈 인포매틱스 활용... 머신러닝·이론 밀도·시뮬레이션·데이터베이스 결합으로 최적 난연성·기계적 성능 신속 달성

도레이 인더스트리(Toray Industries Inc., 일본 도쿄)는 첨단 항공우주 응용 분야용 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP) 프리프레그를 개발했다. 회사는 머티리얼즈 인포매틱스(materials informatics) 기술, 즉 머신러닝, 이론 밀도, 시뮬레이션, 데이터베이스를 결합한 기법을 활용해 이 소재의 최적 고난연성과 기계적 성능을 신속히 달성했다. 항공기, 자동차, 일반 산업 용도로 CFRP 응용과 수요 확대를 위해 실증 테스트를 추진할 예정이다.

CFRP 금속 대비 기계적 우위 불구 난연성·전도성 한계... 개발 리드타임 단축 난제

도레이에 따르면 CFRP는 기계적으로 금속보다 우수하지만 난연성과 전기 전도성 등 기능적 단점이 있어 이 특성 개선이 바람직하다. 그러나 서로 다른 난연성과 기계적 성능을 엔지니어링·최적화하려면 방대한 실험 데이터가 필요하고 개발 리드타임 단축도 어려웠다.

디지털 트랜스포메이션 일환으로 머티리얼즈 인포매틱스 도입... 역문제 분석으로 요구 물성 기반 소재 설계 정제

데이터와 디지털 기술을 활용해 경쟁력을 높이려는 디지털 트랜스포메이션 이니셔티브 일환으로 도레이는 CFRP 엔지니어링에 머티리얼즈 인포매틱스를 도입하고, 요구되는 물성을 기반으로 소재 설계를 정제하는 역문제 분석(inverse problem analysis)을 활용해 소재를 신속 개발하는 기술을 확립했다.

도호쿠대 공동연구 자기조직화 맵(SOM) 도구로 적합 소재 조합 식별... 매트릭스 수지 엔지니어링 성공

도호쿠대(Tohoku University)와 공동연구로 배치한 자기조직화 맵(self-organizing map)을 이 분석 도구로 활용해 실험을 통해 원하는 물성 달성을 위한 적합 소재 조합을 식별했다. 이로써 섬유 보강용 매트릭스 수지 엔지니어링에 성공해 CFRP 프리프레그를 개발했다.

기존 항공우주 소재 동등 압축 강도·내열성·기계적 물성... 열방출률 35% 낮춰, 열/전기 전도성 등 추가 적용 예정

이 프리프레그는 기존 항공우주 소재와 동등한 압축 강도, 내열성, 기타 기계적 물성을 제공하면서 동시에 열방출률(화재 시 발생 열 비율)을 35% 낮췄다. 또한 도레이는 역문제 분석을 열전도성, 전기 전도성 등 다른 요소에도 적용해 항공기, 자동차, 일반 산업 부품 다양화 니즈에 부응하는 고기능 프리프레그 엔지니어링을 추진할 계획이다.

이 개발 노력 일부는 내각부 과학기술혁신회의(CSTI) 주관 범부처 전략적 혁신 추진 프로그램(SIP) '구조 소재 혁명적 설계 시스템을 위한 소재 통합(Materials Integration)' 일환으로 수행됐다. SIP는 일본 과학기술진흥기구(JST)가 감독한다.