직물 기반 PAN 탄소섬유 강화 고성능 열가소성 테이프

첨단 복합소재 산업의 오랜 과제는 이 가치 있고 효과적인 복합소재 보강재를 쓰고자 하는 모든 산업이 쓸 수 있도록 저가 탄소섬유 생산 방법을 찾는 것입니다. 전구체 화학, 기계 혁신, 공정 개선 등 수십 년 노력으로 탄소섬유 비용은 상당히 낮아졌습니다.

큰 가능성을 보인 분야 중 하나는 기존 항공우주급 폴리아크릴로니트릴(PAN) 대체 전구체 사용입니다. 예컨대 미국 에너지부(DOE, 워싱턴 D.C.)와 오크리지 국립연구소(ORNL, 테네시주 오크리지)는 폴리머, 리그닌, 석탄 등 대체 전구체로 탄소섬유 생산 방법을 개발해 왔습니다.

대체 전구체

이 중 가장 유망하고 상용화에 가장 가까운 전구체는 직물 기반 PAN입니다. 아크릴 스웨터 제작에 쓰이는 섬유와 유사합니다. ORNL이 조사한 다른 대체 전구체들처럼 직물 기반 PAN 탄소섬유(TCF)는 특수 항공우주 PAN 탄소섬유와 여러 면에서 다릅니다.

차이점 중 하나는 직물 기반 PAN 전구체가 직물 산업용(커튼, 의류, 가구 직물 등)으로 쓰여 광폭 토우 형태로 공급되므로 특수 항공우주급 PAN 전구체보다 본질적으로 저렴하다는 점입니다. 탄소섬유 생산 중 이는 처리량 증가와 기존 PAN 섬유 대비 전환 비용 절감 효과를 냅니다. 또한 통상 3K~50K인 기존 PAN 탄소섬유 대비 훨씬 큰 토우 섬유 — ORNL 탄소섬유 기술 시설 라인에서 300K~450K급 — 를 생산하는 경향이 있습니다. 게다가 TCF 전구체 처리는 기존 PAN처럼 반응 촉진제가 없고 일반적으로 더 낮은 온도에서 실행(체류 시간과 온도 균형 필요)돼 더 오래 걸리지만, 단위 시간당 훨씬 많은 섬유 처리와 중량·부피 기준 에너지 사용량 저감으로 비용 절감에 기여합니다. 실제로 ORNL은 섬유 전환 기준 총 에너지 ~60% 절감, ~50% 비용 절감 가능하다고 추정합니다.

이는 비정상적으로 대량으로 더 저렴한 섬유 생산 기회를 제공하고, 더 작은 탄소 발자국으로 제품 제작에 활용할 수 있게 합니다. 자동차/육상 운송, 가전, 스포츠용품, 건축/건설, 풍력 등 산업은 강도 중심인 항공우주와 달리 강성 중심 용도라 TCF가 매력적 보강재입니다. 특히 비항공우주 산업은 대량 섬유 소비가 가능합니다.

하지만 TCF는 여전히 기존 PAN 탄소섬유와 다른 제품이므로, 이 섬유를 더 잘 특성화할 뿐 아니라 전환하고 활용하는 방법을 찾는 작업이 필요합니다. 초광폭 토우 밴드로 가공되므로 섬유 생산 공정 전반에 걸쳐 공정 장비 수정이 필요합니다. 표면 처리와 포장도 변경되며, 당연히 테이프·직물·프레프레그·프리폼 제조 등 전환 공정에도 영향을 줍니다.

TCF가 탄소섬유 비용/가용성 문제를 해결할 수 있는 반면 취급·전환·포장 새 문제를 만든다는 점을 인식해, 첨단 복합소재 제조 혁신 연구소(IACMI, 미국 테네시주 녹스빌)는 지난 3년간 회원 지원 연구 프로젝트 다수로 이 문제들을 다뤄왔습니다. 흥미로운 프로젝트 중 하나가 초광폭 토우 밴드 TCF를 열가소성 복합소재 테이프로 전환하는 방법을 연구한 것입니다.

비용 절감

열가소성 복합소재 테이프에 대한 관심이 많은 산업에서 커지고 있지만, 이 제품들은 고분자량·고점도 열가소성 수지를 프리폴리머화된 상태로 섬유에 함침하려면 특수 장비와 노하우가 필요해 비싼 편입니다. 미반응 저점도 열경화성 수지 대비 훨씬 어렵습니다. 보이드 많고 파이버 웨트아웃 불량한 테이프를 만들기 쉬워 최종 부품이 보기에도 안 좋고 조기 파단 위험이 있습니다.

테네시대 녹스빌캠퍼스(UTK) 첨단 복합소재 제조 석좌교수 겸 IACMI 최고기술책임자(CTO) 우데이 바이드야(Uday Vaidya) 박사는 2000년대 초부터 조지 허스만(George Husman, 허스만 컨설팅 대표, 미국 플로리다주 케이프코럴, 졸텍(Zoltek Co. Inc., 미주리주 세인트루이스) 전 이사·CTO)과 열가소성 복합소재 프로그램 협업해 왔습니다. 잦은 교류로 섬유 생산 라인 후단에서 기존 헤비 토우 탄소섬유(24K~50K) 인라인 함침으로 열가소성 복합소재 테이프 생산 아이디어가 나왔습니다. 섬유 생산 직후 테이프를 생산하면 별도 중간 공정과 그에 따른 운송·취급이 사라집니다. 이가 테이프와 테이프로 만든 부품 비용 추가 절감에 도움될 것으로 기대됩니다.

이 컨셉 실현에는 테이프 생산 공정·장비 개발이 필요했습니다. 바이드야와 허스만은 테네시대 연구재단(UTRF, 녹스빌)과 함께 2018년 최대 50K 토우 탄소섬유 강화 열가소성 테이프 인라인 생산 공정 잠정 특허 출원. 이듬해 바이드야와 UTK 팀이 초광폭 TCF(300K~450K 토우) 열가소성 함침으로 확장한 2차 출원.

TCF TP 테이프

예상대로 기술적 과제들이 적지 않았습니다. 파이버 공급·취급에 상당한 장비 수정이 필요했는데, TCF는 기존 탄소섬유보다 폭이 넓고 필라멘트 수가 많습니다. 테이프 생산 중 파이버 함침 단계에서 캐터너리(catenary) 거동 경향도 있습니다. 즉, 토우가 함침 다이로 공급될 때 정현파가 형성돼 토우가 불균등하게 갈라지고 서로 다른 장력으로 다이에 진입해 테이프가 꼬이고 변형되며 파이버 웨트아웃 불량 발생.

"파이버 장력과 유연성 간 균형 유지 방법을 찾는 게 정말 어렵고 많은 작업이 필요했습니다." 바이드야가 설명합니다. "우리 팀은 파이버 무결성 유지가 필라멘트 확산과 높은 웨트아웃 달성에 얼마나 중요한지 깨달았습니다. 이는 물론 품질 좋은 테이프 생산의 핵심입니다."

사이징 이슈도 있었습니다. TCF 토우 밴드는 크릴에서 함침 다이까지 섬유가 부드럽게 이동하도록 헤비 사이징되어 있습니다. 하지만 다이에서 고점도 열가소성 수지로 좋은 웨트아웃을 내려면 사이징이 오히려 함침을 방해해 사이징 제거가 매우 바람직했습니다. 시행착오 끝에 팀은 토우가 함침 다이 진입 직전 사이징을 태워 제거하는 기법을 개발했습니다.

수지 레올로지와 폴리머 다이 공급을 정확히 예측해 좋은 테이프를 만들려면 새로운 시뮬레이션과 검증 작업이 필요했습니다. 팀은 자동차용으로 인성·경제성 좋은 폴리프로필렌(PP)과 폴리아마이드 6(PA6) 두 열가소성 수지로 TCF 테이프 생산에 집중했습니다. 플라스틱 플로우(Plastic Flow LLC, 미국 미시간주 핸콕) 폴리스트루(PolXtrue) 압출 다이 설계 소프트웨어를 사용했는데, 윌리엄스-란델-페리(WLF) 모델 기반으로 측정된 레올로지와 전단율 결과와 우수한 상관관계를 보였습니다.

다이 설계 자체도 중요한 연구 영역이었습니다. 특히 팀이 표준 12K~50K 토우에서 초광폭 TCF 토우로 넘어가면서 다이 완전 재설계와 2단계 공정 적용이 필요했습니다. 1단계에서 파이버 함침, 2단계에서 장력/함침 핀 최적 브레이크 앵글 설정 — 탄소섬유 인장 장력, 파이버 중량 분율(FWF), 품질 관리 제어 — 으로 완성 테이프 목표 물성 달성. 현재 팀은 PP와 PA6 모두에서 30~50% FWF 테이프 생산에 성공했습니다. 헤비 토우에서도요.

다이 출구 후 테이프 급속 냉각용 포스트 함침 공랭 시스템 개발. 제품 폭과 다운스트림 활용 과제 탓에 완성 테이프를 크릴/스풀에 감는 방법도 새로 고안했습니다.

바이드야는 팀이 현재 전자 통합에 집중 중이라고 합니다. 정식 GUI(그래픽 사용자 인터페이스) 구축과 PLC(프로그래머블 로직 컨트롤러) 기반 시스템 개발 포함. 궁극적 목표는 TCF나 기존 탄소섬유 생산 라인 후단에 부착 가능한 열가소성 테이프 생산 모듈 개발로 2차/중간 열가소성 테이프 생산을 용이하게 하는 것입니다.

"우리 팀은 많은 기술적 과제에 직면했지만 성과도 있었습니다." 바이드야가 설명합니다. "이렇게 넓은 토우 밴드 취급과 파이버를 빠르고 성공적으로 — 그리고 보이드 없이 — 함침해 품질 좋은 열가소성 테이프 생산이 어려웠습니다. 하지만 우리 팀은 다이 설계 다중 반복, 다이 폴리머 흐름 시뮬레이션, 파이버 공급·장력·예열 등 다양한 공정 파라미터를 탐구했습니다. 특허 주장 일부를 입증했을 뿐 아니라 분당 12피트[3.7m/분] 인라인 함침 속도로 30% FWF 폴리프로필렌과 PA6 테이프 생산도 달성했습니다."

다음 단계

바이드야에 따르면 이 테이프 기술 관련 지적재산권 보호가 UT 연구재단에 출원됐습니다 — 기존 24K·50K 섬유용 하나, 광폭 토우 섬유용 하나. 상용화는 탄소섬유 라인 내 인라인 함침에 집중될 것입니다. "이게 후공정을 크게 줄이고 쉽게 적응돼 중간재 전체 비용을 추가로 낮출 것입니다."

이 테이프들은 어떻게 적용될까요? 바이드야는 옵션이 많다고 말합니다. "예컨대 소재를 장섬유 형태로 쵸핑해 풀트루전 원료, 대형 탱크 필라멘트 와인딩, 오버몰딩(오가노시트 유사) 프레스 성형, 하이브리드 공정 시트 스톡 — 예: LFT(장섬유 열가소성), SMC(시트 몰딩 컴파운드) 등 시너지 소재와 결합. 이는 형상 가공, 드로잉, 벤딩, 재활용, 가역 화학 등에서 강성 개선, 고충격 인성, 공정성 향상 혜택받는 다양한 제품 유형에 길 엽니다."

용도로는 자동차, 트럭, 풍력 블레이드, 인프라(교량), 건설, 스포츠용품, 해양·오프쇼어 제품 제시. "광폭 토우 탄소섬유 열가소성 중간재가 이전엔 너무 비싸 고려 못 했던 용도에서 탄소섬유 검토 길을 열 수 있습니다." 바이드야가 결론짓습니다.