위브3D(WEAV3D) 자동 직조 시스템, 고성능·대량 복합소재 제조 실현

자동차 산업 등에서 복합소재 보급의 오랜 걸림돌은 기존 복합소재 제조 공정으로는 달성하기 어려운 대량 생산과 낮은 비용의 필요성이었습니다. 스타트업 위브3D(WEAV3D Inc., 미국 조지아주 노크로스)는 폐기물 없는 자동 직조 공정으로 제조되는 연속 열가소성 복합소재 보강 격자 구조체로 이 문제들을 해결하려 합니다. 이 공정은 비용 효율적이며, 위브3D는 대량 생산을 가능하게 할 것으로 예측합니다.

컨셉에서 상용화까지

위브3D 창업자 겸 CEO 크리스토퍼 오버스트(Christopher Oberste)는 2014년 조지아 공과대학(Georgia Tech, 애틀랜타)에서 재료과학공학 박사 과정을 밟으며 초기 컨셉을 개발했습니다. 폴리머와 섬유 공학 연구, GKN 에어로스페이스 북미(GKN Aerospace North America, 미국 앨라배마주 탈라시) 코옵 인턴십이 열가소성 수지와 프레스 성형, 항공우주 복합소재 같은 대량 공정에 대한 관심을 자극했습니다. 이 연구가 열가소성 복합소재 보강 격자 구조체용 고속 자동 직조 공정의 첫 번째 버전 개발로 이어졌습니다. 박사 지도교수 벤 왕(Ben Wang) 박사의 도움으로 조지아 연구 연합(Georgia Research Alliance)과 미국 국립과학재단 혁신단(NSF I-Corps) 프로그램의 연구비를 받아 아이디어 개발과 상용화에 나섰습니다.

이후 2년간 오버스트는 MBA·법학도들과 조지아 공대의 협업 프로그램 TI:GER(Technological Innovation: Generating Economic Results)를 통해 기술 상용화에 힘썼습니다. 2017년 메가와트 벤처스(Megawatt Ventures) 추가 출자와 미국 에너지부 클린테크 대학 상(청정기술 대학상) 수상으로 오버스트와 공동 창업자 루이스 모션(Lewis Motion, 전 미 해안경비대 헬기 조종사)이 위브3D를 설립했습니다. 현재 정규직 3명, 시간제 4명을 고용 중입니다.

오버스트와 모션의 항공우주 배경을 고려해 초기 계획은 위브3D 열가소성 복합소재를 항공우주 부품 보강 구조물로 인증받는 것이었습니다. 하지만 NSF I-Corps 연구비의 일환으로 100여 잠재 고객사와 인터뷰를 진행하며 방향을 틀었습니다. "항공우주 분야에서 많은 탐색 인터뷰를 했지만, 스타트업이 새로운 제조 공정으로 항공우주에 진입하는 길은 매우 어렵다는 말을 반복해서 들었습니다. 채택까지 시간이 너무 오래 걸리고 비용도 막대합니다. 시장에 진입하기도 전에 문을 닫는 기업이 많습니다." 오버스트가 설명합니다.

다른 산업군 기업들과 대화한 후 오버스트 팀은 자동차와 건설 시장으로 초점을 옮겼습니다. "자동차 쪽 사람들과 얘기하기 시작하자 정말 큰 미충족 수요가 있음을 깨달았습니다. 자동차 업계는 경량화 니즈가 절실하지만 가격에도 민감합니다. 기존 복합소재 제조 공정 대부분이 원하는 물량과 비용을 맞춰주지 못한다고 하더군요." 거기서 오버스트는 대량 복합 부품을 저비용으로 생산하는 인에이블링 솔루션으로 기술을 진화시켰습니다.

그 결과가 위브3D의 상표 '플라스틱을 위한 리바(Rebar for Plastics)' 컨셉입니다. 자동 직조·압착 공정으로 치수 조절 가능한 열가소성 복합소재 격자 구조체를 제조해, 프레스 성형, 사출 오버몰딩 등 일반적인 대량 공정으로 플라스틱이나 콘크리트 부품에 보강재로 쉽게 통합되도록 설계했습니다. 시뮬레이션 모델에 따르면 이 접근법으로 오가노시트, 자동 테이프 적층(ATL), 핸드 레이업 공정 대비 30~75% 저렴한 비용으로 강철이나 알루미늄 판금과 동등한 성능의 자동차 부품을 더 가볍게 생산할 수 있다고 합니다.

위브3D 공정

위브3D 공정은 시판 열가소성 단방향(UD) 테이프로 시작합니다. 오버스트에 따르면 모든 종류의 열가소성 수지와 보강 섬유를 처리할 수 있습니다. "우리가 자동차와 건설 분야에서 주로 다루는 최적 영역은 폴리프로필렌(PP), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리아마이드(PA) 계열입니다. 보강 섬유 측면에서도 매우 중립적이며, 물론 유리섬유와 탄소섬유가 가장 대중적입니다." 전도성 금속 테이프 작업도 일부 수행했고, 광섬유 내장 테이프도 연구 중입니다.

위브3D 풀스케일 파일럿 장비는 표준적으로 25mm(1인치) 폭 테이프를 처리하지만, 어댑터 사용 시 5mm(0.2인치) 폭까지, 리툴링 시 더 넓은 테이프도 가능합니다. 현재 장비로 최대 1.5m(60인치) 폭, 최대 5층 두께, 용도별 필요 길이만큼 격자 생산이 가능합니다.

2017년 11월 특허 출원은 위브3D 시스템을 '제어 가능한 내부 직물 형상으로 직조 복합소재를 연속 제조하는 기계'로 설명합니다. 장비에 장착된 스풀에서 UD 테이프가 독립 제어 가능한 워프 헤드 어레이로 공급됩니다. 각 헤드는 다중 테이프 채널을 포함해 워프 셰드(위사 방향 테이프가 통과할 워프 테이프 사이 공간)를 형성합니다. 인서터 스택이 위사 방향 단방향 테이프를 워프 셰드를 통해 공급해 복합 직조를 형성합니다. 직조된 격자는 적외선(IR) 광원을 통과한 뒤 압착 롤러를 거쳐 교차점에서 테이프 층들을 압착·접합합니다. 고객 요구에 따라 평판 시트나 롤 형태로 공급하거나, 위브3D가 추가 트리밍과 프리포밍 서비스를 제공합니다.

오버스트가 꼽는 위브3D 공정의 가장 중요한 이점 중 하나는 용도별 격자 구조의 높은 튜닝 가능성입니다. 서로 다른 위치에 다른 소재를 혼합하거나 격자 구조의 밀도(테이프 간 거리)를 조절할 수 있습니다. "최종 제품 요구사항에 맞춰 격자 구조를 최적화하면서 전체 비용을 최소화할 수 있습니다."

고객에게 납품된 격자는 폴리머 콘크리트 부품에 통합되거나, 프레스 성형, 열성형, 사출 오버몰딩을 거쳐 최종 자동차 복합 부품이 됩니다. 위브3D 공정은 다양한 복잡도에도 대응 가능합니다. 오버스트 설명에 따르면 비교적 단순한 부품은 "이 격자를 라미네이션 공정과 결합해 열성형하면 단순한 공동 성형 단계가 됩니다. 중간 복잡도 부품은 열가소성 프레스 성형이나 SMC 프레스 성형에서 공동 성형이나 프리포밍이 가능합니다. 아주 복잡한 부품은 격자를 필요한 형상으로 프리포밍해 금형에 넣고 사출 오버몰딩하면 됩니다."

"복합소재 생태계에서 우리의 핵심 포커스는 대량 생산의 게임체인저가 되는 것입니다." 그가 덧붙입니다. 정확한 물량은 용도마다 다르지만, 오버스트는 자동차 도어 패널 보강용 격자 부품 기준 위브3D 장비로 연간 20만~50만 개 생산이 가능하다고 추정합니다.

또한 위브3D 제품은 복합소재나 플라스틱 부품 보강 시 기계적 물성 향상도 입증했습니다. "위브3D 격자를 기존 단섬유 플라스틱이나 장섬유 복합소재와 결합하면 결과물의 강도, 강성, 인성을 크게 높일 수 있습니다." 오버스트가 말합니다. 다만 향상 폭은 사용 소재와 부품 설계에 따라 크게 달라집니다. "일부 용도에서는 이 성능 향상 덕분에 부품 두께나 리브를 대폭 줄일 수 있어 경량화로 이어집니다."

철근 콘크리트 트렌치: 첫 상용 적용 사례

창업 초기 몇 년간 위브3D는 자동차 산업에 특화된 제조 공법과 소재 개발에 집중했지만, 오버스트는 상용 항공기 인테리어 부품, 무인 방위 항공기, 철도, 화물 운송, 해양 용도 등으로 확장 구상도 가지고 있습니다.

2020년 11월 발표된 첫 상용 적용 사례는 건설 시장입니다. 올드캐슬 인프라스트럭처(Oldcastle Infrastructure, 미국 조지아주 애틀랜타)가 제조하는 폴리머 콘크리트 트렌치 시스템에 유리섬유/PET 보강재를 적용했습니다.

올드캐슬의 트렌치 시스템은 도심, 역, 산업 플랜트 내 유틸리티 케이블 배관용으로, 위를 주행하는 차량의 16,000파운드 하중을 견뎌야 합니다. 기존에는 맞춤 제작된 강철 와이어 케이지를 콘크리트에 매립해 보강했습니다. 하지만 오버스트에 따르면 이 강철 케이지는 맞춤 제작 비용이 비싸고, 올드캐슬이 여러 크기의 트렌치를 생산하므로 배수구 보강에 적합한 치수의 케이지를 항상 확보하기 어려웠습니다. "우리 공정은 용도 요구사항에 맞춰 격자를 최적화할 수 있어, 예를 들어 트렌치 바닥 배수구 주변에 보강을 추가하고, 취급 시 충격으로부터 보호하기 위해 트렌치 양단에 보강을 배치할 수 있었습니다."

또한 프로젝트에서 가장 까다로웠던 점 중 하나는 폴리머 콘크리트와 접착 결합을 형성하는 열가소성 테이프 소재를 찾는 것이었습니다. 강철 케이지 보강은 기계적 물림에 의존하기 때문입니다. 위브3D가 선정한 폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜(PETG) 소재는 두 소재 간 진정한 접착 계면을 형성해 응력 전달을 돕고 파단 가능성을 낮춥니다. "설령 파단이 발생하더라도 접착 계면을 극복해야 하므로 구조 전체로 파단이 전파될 가능성이 훨씬 낮습니다."

위브3D는 이 용도용 격자를 U채널 프리폼으로 생산해 올드캐슬에 공급하며, 올드캐슬은 이를 주형에 넣고 폴리머 콘크리트를 부어 경화·탈형해 최종 철근 콘크리트 구조물을 만듭니다.

건설 분야에서 위브3D는 인클로저와 뚜껑 등 다른 폴리머 콘크리트 용도로 격자 적용을 확대할 계획입니다. 2020년 10월 위브3D는 웨스턴 온타리오 대학, 구조 엔지니어링 기업 엔투이티브(Entuitive)와 공동 제안으로 캐나다 자연과학공학연구위원회(NSERC) 연구비를 받아 위브3D 격자를 일반 포틀랜드 시멘트 기반 콘크리트 보강재로 활용하는 연구를 수행 중입니다. 목표는 비주거용 건물 슬래브와 파사드 보강용 격자 개발입니다.

차세대 위브3D: 자동차 양산 속도

자동차 제조 니즈를 충족할 차세대 위브3D 장비가 NSF 연구비 지원으로 개발 중입니다. 오버스트에 따르면 2022년 가동 예정입니다. 신형 시스템의 개선점은 현재 시스템 대비 생산 속도 3배 향상을 목표로 하며, IR 가열과 압착 롤러를 더 효율적인 초음파 용접으로 대체하는 것 등이 포함됩니다.

동시에 오버스트 팀은 미국과 유럽의 1차 공급사(Tier 1)와 OEM들과 자동차 내장재부터 픽업 트럭 테일게이트까지 플라스틱 패널 보강용 위브3D 제품 적용 논의를 시작했습니다. "목표 중 하나는 성형 플라스틱 부품 내부에 격자를 구조적 골격으로 추가해 강도와 강성을 높이고, 현재 설계자들이 의존하는 금속 브래킷과 보강재를 대체하는 것입니다." 오버스트가 말합니다. 위브3D는 자동차 차체 패널 등 시연용 부품도 제작해 소재 이점을 홍보 중입니다.