다가올 10년: 명확한 비전으로 불확실성 탐색하기

2020년대가 시작되면서 2010년대가 복합소재 커뮤니티에 가져다준 것과 이 혁신들이 미래를 어떻게 형성할지 되돌아볼 가치가 있습니다. 전통적인 복합소재 시장인 항공우주 분야에서 Boeing 787이 2011년 취역했고, 마찬가지로 복합소재 집약적인 Airbus A350 XWB가 2015년 뒤를 이었습니다. 수지 인퓨즈드 날개를 가진 Bombardier의 CSeries 단일 통로기가 2016년 취역했습니다. Airbus는 2018년 CSeries 제품 라인을 인수하여 A220으로 리브랜딩했습니다. 마지막으로 안타깝게도 2019년은 많은 복합소재 혁신을 개척한 Airbus A380의 취소로 기록되었습니다.

자동차 분야에서는 BMW가 2013년 i8과 i3를 출시하며 업계를 뒤흔들었고, 글로벌 수직 공급망을 구축하여 탄소섬유 집약적 차량의 시대가 곧 대중화될 것이라는 추측을 낳았습니다. 2년 후 BMW는 재설계된 7-시리즈를 선보였는데, 약 15개의 구조 부품에 탄소섬유를 사용한 다중 소재 차량으로, 아마도 대중적 채택을 위한 대체 경로를 제시했습니다. 10년 말에는 General Motors가 압축 성형 탄소섬유강화 열가소성 박스를 장착한 Sierra Denali 픽업트럭을, 2019년에는 곡선형 풀트루드 리어 범퍼 빔을 장착한 후방 엔진 코르벳을 공개했습니다.

복합소재 재활용 분야, 특히 탄소섬유 복합소재(스크랩 섬유 이상)의 경우, 10년 시작에는 사실상 공급 기반이 없었으나 10년 말에는 다운스트림 응용 분야에 상업적 양을 공급하는 십여 개 이상의 공급업체로 성장했습니다. 풍력 에너지 산업은 10년간 전 세계 용량을 3배 이상 늘리며 복합소재의 강력한 시장이 되었습니다. 풍력은 다음 달 자세히 다루겠으니 여기서는 항공우주와 자동차에 집중하겠습니다.

저는 미국에 기반을 두고 있지만, 2019년 초 복합소재에 집중하는 영국 연구소 여러 곳을 방문할 기회가 있었고, 12월에는 독일 북부와 남부의 여러 Fraunhofer 연구소와 DLR 시설, 항공우주 및 자동차 시장에 공급하는 여러 생산 시설을 방문했습니다. 이러한 방문과 논의는 2020년을 시작하며 소재와 공정 개발이 어디로 향하는지에 대한 미국 내 관찰을 보완해 주었습니다. 국가별 차이는 어느 정도 존재하지만, 주요 추진 방향은 진정으로 글로벌합니다. 생산 속도 증가와 비용 절감이 지배적이며, 재활용과 지속가능성이 이러한 R&D 노력에 필수적입니다. 모든 것이 국제 협력이 이러한 문제 해결에不仅有益이 아니라 필수적임을 재확인시켜 줍니다. 복합소재가 전통 소재를 진정으로 대체하려면 말입니다.

질문은 남아 있지만, 항공우주 분야에서 복합소재의 미래는 다소 명확해지고 있습니다. Boeing과 Airbus 단일 통로 주력기의 교체에 대한 공식 발표는 없지만, 대형 첨단 복합 구조물을 더 높은 속도로 제조, 가공, 검사, 조립하는 기술을 제공하는 데 많은 항공우주 연구가 집중되어 있음은 분명합니다. 연간 100~140대의 광동체기를 인도하는 것과 연간 700~900대의 단일 통로기에 복합소재 1차 구조물을 적용하는 것은 완전히 다른 차원입니다. 무인 항공기(UAV)와 도심 항공 모빌리티(UAM) 같은 인접 시장을 고려하면 연간 수천 대 규모가 될 것입니다. 열가소성에 대한 관심도 상당하지만, 여객기 대형 구조물은 열경화성(진공 인퓨전 또는 오토클레이브 외 경화 프리프레그)에 남을 가능성이 높으며, 열가소성은 클립, 브라켓, 리브 등 소형 부품에 적용될 것입니다. UAV와 UAM 시장에서는 열가소성과 고압 수지 전이 성형(HP-RTM), 풀트루전, 압축 성형 같은 자동차용으로 개발된 기술도 고려될 것으로 예상됩니다.

반면 자동차 세계는 상당한 불확실성을 보입니다. 탄소섬유에 대한 강한 관심은 여전하지만, 그 가치는 이제 경량화만을 위한 경량화가 아닌 전동화, 모빌리티, 자율주행 같은 다른 동인들을 고려하여 평가되어야 합니다. 지난 10년간 사이클 타임과 탄소섬유 복합소재 비용이 50% 이상 절감되었지만 아직 갈 길이 멉니다. 재활용되거나 저비용 전구체/공정에서 나온 불연속 탄소섬유는 자동화가 높고 스크랩률이 낮은 압축 또는 사출 성형 컴파운드의 보강재로 자리를 잡을 것입니다. BMW가 최근 i3를 2024년까지 계속 생산한다고 발표했지만, 독일 자동차 산업 전반은 연속 탄소섬유의 새로운 응용에서 한발 물러서고 있습니다. 고량산 1차 구조물에서 탄소섬유의 미래는 완제품 부품 비용을 kg당 18유로 미만(약 파운드당 10달러)까지 낮추는 데 달려 있습니다. 중간 단계 솔루션으로는 연속 유리섬유나 하이브리드 유리/탄소 구조, 하이브리드 오버몰딩 부품의 개발 증가가 가능합니다.

앞으로 10년은 복합소재에 무엇을 가져다줄까요? 날아다니는 것들에겐 미래가 밝습니다. 하지만 지상 차량에겐 아직 몇 가지 돌파구가 필요합니다.