ENLIGHTEN 이니셔티브, 열가소성 복합소재 산업 도입 가속화

차량이 가벼울수록 연료 소비와 CO₂ 배출이 줄어듭니다. 승객 안전을 보장할 만큼 강하면서도 가벼운 소재는 자동차 및 항공기 제조사들에게 매력적입니다. 열가소성 복합소재(가열 시 연화되는 섬유 강화 플라스틱)는 가볍고 강하며 가공과 재활용이 용이합니다. 이미 항공기 동체와 날개 일부 부품에 적용되고 있으나, 아직 광범위하게 쓰이지는 않고 있습니다.

ENLIGHTEN(Enabling Integrated Lightweight Structures In High Volumes) 프로젝트는 이 소재로 신뢰성 높은 구조물을 예측 가능하고 재현 가능하며 비용 효율적으로 대량 생산하는 방법을 찾는 것을 목표로 합니다. 네덜란드 트벤테 대학교(UT)와 UT 소속이자 열가소성 복합소재 연구센터(TPRC) 연구원인 렘코 아커만(Remko Akkerman) 박사가 주도하는 이 5년간 600만 유로 규모 프로젝트는 네덜란드 연구위원회(NWO)와 경제기후부가 설립한 Perspective 프로그램의 일환입니다. 이 프로그램은 과학자들이 진정한 경제적·사회적 영향을 줄 혁신적 연구 라인을 개척하도록 도전합니다. 네덜란드 내 6개 Perspective 컨소시엄이 구성되며, 138개 기업·기관이 1000만 유로를 매칭 펀드로 지원하고 정부가 2200만 유로를 지원합니다.

다중 스케일 세부 사항 개발

CompositesWorld는 아커만 박사와 인터뷰해 ENLIGHTEN의 실체를 파악했습니다. "CW 독자들은 TPRC에서 수행해 온 빠른 열가소성 가공(용접, 오버몰딩, 재활용 등) 연구에 익숙할 것입니다. 우리는 소재, 공정, 성능에 대한 많은 결과를 발표해 왔습니다. 하지만 공정이 복합소재 내 섬유-매트릭스 분포와 기공률에 어떤 영향을 미치는지, 그것이 다시 부품의 기계적 성능에 어떻게 영향을 주는지, 공정이 균열 개시와 성장에 어떤 영향을 미치는지 등은 더 깊이 이해해야 합니다. 그래야 열가소성 복합소재가 더 폭넓은 산업 용도로 성숙할 수 있습니다."

이 때문에 ENLIGHTEN은 폴리머, 복합소재 미시역학, 다중 스케일 디지털 모델링, 디지털 데이터 사이언스 전문가들이 참여하는 대규모 프로그램입니다. "우리의 목표는 이러한 지식을 활용해 열가소성 복합소재 공정을 최적화된 성능을 위해 최적화하는 것입니다. 공정 모니터링(소재 품질은 공정 제어 능력에 달렸음)과 머신러닝을 통합해 이 최적화를 가속화할 것입니다."라고 아커만 박사는 설명합니다.

ENLIGHTEN에는 네덜란드 3대 공과대학(트벤테 대학교, 델프트 공과대학교, 아인트호벤 공과대학교)과 자동차·항공 우주 공급망 기업들(OEM, 1차 협력사, 중소기업)이 참여합니다. 네덜란드 외 기관으로는 영국 CATAPULT 프로그램의 워릭 대학교 WMG 고부가가치 제조 센터, 타타 모터스(인도 뭄바이) 자회사인 재규어 랜드로버도 참여합니다.

"조사 대상 공정에는 유도 가열 용접, 초음파 용접, 오버몰딩(용접 인터페이스 포함)이 있으며, 모두 동일한 물리적 현상이지만 속도가 다릅니다. 따라서 섬유 이동, 응력, 균열 개시 등 동일한 현상이 여기에도 적용됩니다."라고 아커만 박사는 말합니다. "용접 열가소성 복합소재 구조물이 상용 항공기에 30년 넘게 쓰여 왔지 않나요?"라는 질문에 그는 "그렇지만, 그중 어느 것도 단방향 테이프를 이용한 유도/초음파 용접을 사용하지 않습니다. 이는 이해하고 제어하기 훨씬 어렵지만, 완전히 예측만 할 수 있다면 더 경제적으로 생산할 수 있습니다."라고 답했습니다.

다중 스케일 모델링과 물리적 테스트가 ENLIGHTEN 프로젝트의 핵심입니다. "제조 공정을 보지 않고는 복합소재를 이해할 수 없습니다. 디지털 모델링으로 가설을 세우고, 실험과 병행해 결과를 검증하고 이해를 정교화합니다. 예를 들어 미시 수준에서 결정 구조 형성, 중시 수준에서 용접 중 섬유 이동, 거시 수준에서 이들이 상호작용해 응력, 미세 균열, 구조물 극한 하중에 어떻게 영향을 미치는지 살펴봅니다. 이처럼 매우 심층적이면서도 결합된 수준의 조사는 우리 업계에서 아직 보지 못했습니다."

머신러닝은 어디에 쓰이나요? "워크패키지 1, 2의 각 분석 요소는 실행에 수 시간이 걸리고, 소재·부품·공정별로 반복해야 합니다. 이 모든 스케일과 모델 전반을 최적화하려면 수천 시간이 소요됩니다. 하지만 이 과정에서 이러한 현상들이 어떻게 연관되는지에 대한 데이터가 축적됩니다. 이를 바탕으로 신경망을 훈련시켜 기초 물리학과 완전히 일치하는 방식으로 데이터 내 연결고리를 인식하게 할 수 있습니다."

작업 범위를 보면 좌우, 상하로 연결이 생깁니다. 모든 분석을 바탕으로 주어진 부품에 적용해 공정 파라미터와 소재 선택을 최적화하는 알고리즘을 개발하는 것이 목표입니다. 머신러닝을 수많은 변수를 가진 커브 피팅(curve fitting) 같은 것으로 볼 수 있습니다. 완벽한 비유는 아니지만, 결과적으로 다차원 초곡면(hyper-surface)이 상관관계와 인과관계를 보여주며 나아갈 방향을 제시합니다.

소재, 결과 공유, 궁극적 목표

연구 대상 소재 확정은 ENLIGHTEN 프로젝트의 첫 과제 중 하나입니다. "자동차용으로는 폴리아미드 6(PA6, 나일론), 항공우주용으로는 저융점 폴리아릴에테르케톤(LM PAEK)이 유력합니다. 다른 소재도 평가하고 가용 데이터 전체를 검토할 것입니다." 예를 들어 클린 스카이 2(Clean Sky 2)의 MECATESTERS 프로그램은 탄소섬유 강화 LM PAEK UD 테이프로 많은 테스트를 수행했고, STUNNING 프로그램은 다기능 동체 시연기(MFFD) 하부 조립 과정에서 초음파 용접 관련 대량 데이터를 생성할 예정입니다. TPRC에서 수행된 COMPeTE 프로젝트들도 다양한 소재 조합의 오버몰딩을 연구했습니다.

결과 공유 측면에서 ENLIGHTEN 컨소시엄은 연 1회 총회를 열고, 워크패키지별 하위 그룹은 마일스톤 달성을 위해 필요시 회합합니다. 국내외 학회에서 개별 발표를 진행하고, 프로젝트 마지막 해에는 전용 세션이나 국제 컨퍼런스를 개최해 전체 결과를 공유할 예정입니다.

아커만 박사는 궁극적 목표를 이렇게 요약합니다. "금속 산업이 항공기 엔진용 단결정 금속의 소재 설계 접근법으로 달성한 것을 열가소성 복합소재로 이루려 합니다. 그들의 목표는 미래 항공기에 필요한 성능을 확보하는 것이었습니다. 우리는 더 넓은 모빌리티 영역에서 같은 과제를 안고 있습니다. 용접과 오버몰딩 공정을 설계해 항공우주 및 자동차 구조용 경량 열가소성 복합소재의 성능을 최적화하려 하지만, 여전히 변동성이 너무 큽니다. 그 결과 과도한 안전 계수와 기술이 제공하는 것보다 낮은 효율에 머무릅니다. 열가소성 복합소재 부품이 비행하고는 있지만 30년이 걸렸습니다. 유럽은 2050년까지 탄소 중립을 목표로 합니다. 30년도 채 안 남았습니다. 지금 같은 시도와 오류 방식으로는 기후 변화 대응에 필요한 목표를 달성 못 합니다. ENLIGHTEN을 통해 더 효율적인 길을 보고 있으며, 지금 행동해야 할 때입니다."