IACMI: 첨단 복합소재 제조 혁신의 선구자

IACMI 멤버들, CAMX 2019. 출처 | IACMI

2015년 출범 이래, 첨단 복합소재 제조 혁신 연구소(IACMI — The Composites Institute, 미국 테네시주 녹스빌)는 산업계, 학계, 연방·주·지방 정부 네트워크를 구축해 복합소재 기술 개발을 통해 미국의 에너지·경제 안보 향상에 협력해왔습니다. 이 컨소시엄은 31개 주 160개 이상 멤버, 130개 이상 기업, 17개 학술 기관을 포함합니다. 제5차 매뉴팩처링 USA 혁신 연구소로 출범해 미국 에너지부 첨단 제조국의 지원을 받으며, 지난 5년간 첨단 복합소재 개발을 5대 기술 분야에서 가속화했습니다:

• 복합소재 소재 및 공정
• 압축 가스 저장(CGS)
• 차량
• 풍력 터빈
• 설계, 모델링 및 시뮬레이션

출범 당시 이 분야들이 비용·소재·에너지 효율적 복합소재 제조에 큰 영향을 미칠 것으로 식별되었습니다. 이후 IACMI 내 복합소재 커뮤니티는 인프라, 방산, 수송 등 확장 시장을 지원하며 미국 안보 수요 충족에 기여해왔습니다.

2016년 IACMI는 5대 기술 분야에서 저비용·에너지 효율적 복합소재 발전과 상용화를 안내하는 로드맵을 개발했습니다. 산업 이해관계자 참여로 수립된 로드맵은 기술 구현 리스크 저감과 첨단 복합소재 산업의 견고한 공급망 구축에 필요한 유망 R&D를 식별했습니다. 구체적으로 탄소섬유 강화 폴리머(CFRP) 비용 25% 절감, CFRP 구현 에너지 50% 절감, 80% 재활용·재사용이라는 IACMI 기술 목표 달성을 위한 200개 이상 기술 경로를 제시했습니다.

협업 혁신 네트워크

지난 5년간 로드맵은 IACMI와 멤버들의 협업 기술 시연 사업을 촉진하는 촉매제가 되었습니다. 90개 멤버 기업 참여로 50개 이상 산업 주도 R&D 프로젝트에 7,000만 달러 이상 투자되었습니다. 이 프로젝트들은 로드맵 최우선 순위 활동과 연계되어 멤버 니즈 해결과 기술 목표 달성에 실질적 진전을 이루고 있습니다. 2020년을 맞이해 기술 분야별 최근 프로젝트 사례를 되돌아봅니다.

복합소재 소재 및 공정: 속경화 레진과 접착제는 복합소재 부품 대량 생산에 필요한 사이클 타임 단축에 기여합니다. 또한 회수된 불연속 탄소섬유 제품은 버진 소재 생산 에너지의 일부만으로 유사한 기계적 특성을 구현합니다. 애슐랜드 퍼포먼스 머티리얼즈(Ashland Performance Materials, 오하이오주 콜럼버스)와 파트너들은 희석제 없는 비닐에스테르 프리프레그로 압축 성형 자동차 후드 이너를 시연, 제조비 22% 절감, 구현 에너지 33% 절감, 보관 수명 연장, 냉장 보관 불필요, 레진-계면 강도 대폭 향상, 프리프레그 스크랩 재활용·재사용 길을 열었습니다. 미국 복합소재 제조업체 협회(ACMA, 버지니아주 알링턴)와 파트너들(컨티넨탈 스트럭처럴 플라스틱스, CHZ 테크놀로지스, A. 슐만, 오크리지 국립연구소)은 전용/혼합 스트림 복합소재 폐기물에서 유가 물질 회수를 위한 확장 가능한 저열 열분해 공법도 개발 중입니다.

모델링 및 시뮬레이션: 모델링·시뮬레이션 도구는 설계자의 구조 거동 예측, 생산 단계 축소, 설계 최적화, 복합소재 제품 테스트·프로토타입 관리를 지원합니다. IACMI 자체 복합소재 버추얼 팩토리 허브(cvfHUB)는 멤버들에게 설계, 제조, 성능 이슈 해결을 위한 상용 시뮬레이션 도구 웹 기반 보안 접근을 제공합니다. 듀폰(DuPont, 미시간주 트로이), 파이버텍(Fibrtec, 텍사스주 애틀랜타), 퍼듀 대학교(인디애나주 웨스트 라파예트)가 예측 모델링 도구로 파이버텍의 유연 탄소섬유/폴리아미드 복합소재 토우프레그 소재와 듀폰의 신속 패브릭 형성(RFF) 가공 기술이 비용과 탄소섬유 폐기물 30%, 구현 에너지 40% 절감 가능함을 시연했습니다.

차량: 섬유 강화 복합소재는 완성차 업체의 차량 경량화 극대화를 돕지만 고비용, 긴 생산 시간, 불확실한 접합성, 낮은 재활용성, 미성숙 공급망이 제약입니다. 고도 자동화 복합소재 성형 기술로 니어넷셰이프 중간재를 제작하면 설계 유연성 증대와 제조 사이클 타임·폐기물 동시 감축이 가능합니다. 도레이 컴포지츠(Toray Composites, 워싱턴주 타코마)가 프리프레그 공급망 전문가들과 협력해 급속 탄소섬유 프리프레그 성형 기술 개발·최적화로 타깃 자동차 부품 비용 15% 절감을 달성했습니다. 한편 포드(Ford, 미시간주 디어본)는 다우악사(DowAksa, 조지아주 마리에타), 다우 케미칼(미시간주 미들랜드), ORNL, 미시간 주립대, 테네시 주립대, 퍼듀 대와 협력해 연간 10만 개 이상 자동차 부품 양산에 적합한 신규 에폭시 레진 시스템과 다진 탄소섬유 SMC(시트 몰딩 컴파운드)를 개발했습니다.

압축 가스 저장(CGS): 복합소재는 압축 천연가스 용기, 나아가 수소 저장 탱크 수요 충족에 기여하며 가솔린/디젤 대비 저배출 대안이 됩니다. 열가소성 기반 복합소재 CGS 탱크는 폐기 단계 재활용성 개선, 자동화 전략으로 저비용 대량 생산이 가능해 완성차 업체 적용에 유리합니다. 듀폰, 스틸헤드 컴포지츠(Steelhead Composites LLC, 콜로라도주 골든), 컴포지트 프로토타이핑 센터(CPC, 뉴욕주 플레인뷰), 데이턴 대학교 연구소(UDRI, 오하이오주 데이턴)가 신규 제조 공정과 열가소성 레진 시스템 개발로 부품 중량 감소, 재활용성 향상, 내손상성 강화, 생산비 최대 20% 절감을 실현했습니다.

풍력 터빈: 더 가볍고 긴 블레이드가 발전 효율과 용량 증대에 필요하지만, 현 복합소재 기술로는 제작 시간 오래 걸리고, 재활용 경제성 낮으며, 공장에서 현장 운송이 점점 어려워집니다. TPI 컴포지츠(애리조나주 스코츠데일), 아케마(Arkema Inc., 펜실베이니아주 킹오브프러시아), 존스 맨빌(Denver, Colo.), 헌츠만 폴리우레탄(Huntsman Polyurethanes, 미시간주 오번힐스), 스트롱웰(Strongwell, 버지니아주 브리스톨), 다우악사 USA, 쇼마라트 북미(Chomarat North America, 사우스캐롤라이나주 윌리엄스턴), 컴포지츠 원(Composites One, 일리노이주 알링턴 하이츠), 시카악손(SikaAxson, 현 시카 어드밴스드 레진스, 미시간주 매디슨 하이츠), 크리에이티브 폼(Creative Foam, 미시간주 펜턴), 켐트렌드(Chem-Trend, 미시간주 하웰)가 풀스케일 9m 풍력 터빈 블레이드 시연과 열가소성 복합소재용 새로운 진공 보조 레진 트랜스퍼 몰딩(VARTM) 공정 도입으로 생산비 절감과 재활용성 개선을 열경화성 대비 달성했습니다. 또한 아케마와 파트너들(일렉트릭 글래스 파이버 아메리카, SAERTEX USA, GE, TPI 컴포지츠, 테네시 주립대, NREL, 콜로라도 스쿨 오브 마인즈)이 열가소성 복합소재용 새로운 비접착 열용접 공법 개발로 접착 접합 대비 제조 결함 감소와 더 긴 블레이드 현장 조립 잠재적 솔루션 기반을 마련했습니다.

이외 다수 IACMI 협업 프로젝트가 상용화를 견인 중이며, 10개 이상 신제품이 IACMI 협업 결과로 이미 시판 중입니다. 속경화 통한 비용 절감, 제품 수명 연장, 효율적 제조 기술 등이 포함됩니다.

세계적 수준의 R&D 시설, 자원 및 인력 개발

협업 프로젝트 외에 IACMI의 핵심 차별화 요소는 전국 전략적 거점에 구축된 양산 대비 혁신 환경입니다. 예를 들어 디트로이트 소재 IACMI 스케일업 연구 시설(SURF)은 50,000평방피트 이상 협업 공간, 양산 규모 복합소재 제조 장비, 분석·소재 준비 공간을 갖춘 미국 유일의 산업·정부·학계 개방 파일럿 양산 규모 복합소재 제조 시설입니다.

오하이오주 데이턴 대학교 연구소(UDRI) 복합소재 실험실은 풀스케일 제조 워크셀과 중소기업 인큐베이션을 제공합니다. UDRI는 20개 이상 오하이오 소재 IACMI 멤버와 협력해 속경화 프리프레그 및 SMC 소재, 비닐에스테르 레진, 대형 복합소재 에어로스트럭처용 적층 제조 툴링, 탄소나노튜브 생산 기술 등을 발전시켜왔습니다.

NREL의 설계·분석·구조 검증 능력과 연계해 콜로라도주 복합소재 제조·교육 기술 시설(CoMET)은 10,000평방피트 규모로 산업 파트너와 대학 연구자들이 메가와트급 풍력 터빈 블레이드 소재·부품 설계, 프로토타입, 테스트, 제조를 수행합니다. 풀트루전 탄소섬유 스파 캡, 특수 유리섬유 사이징, 신규 열가소성 레진 등이 포함됩니다.

퍼듀 대학교와 협력해 인디애나 제조 연구소가 최근 복합소재 제조·시뮬레이션 센터를 신설했습니다. 차세대 인더스트리 4.0 기술 활용과 제조부터 제품 수명 종료까지 복합소재 구조물 모델링을 위한 종합 시뮬레이션 도구 개발 테스트베드 역할을 합니다.

R&D 수행 외에도 IACMI는 첨단 복합소재 제조 인력 강화에 힘씁니다. 출범 이래:

• 실습 워크숍으로 2,000명 이상 교육
• K-12 학생 9,000명 이상 STEM 활동 참여
• 인턴 100명 이상 배출 — 졸업 6개월 내 100% 산업체 취업 또는 대학원 진학

이 칼럼은 IACMI와 파트너들의 업무를 조명하는 시리즈 첫 번째 글입니다. IACMI는 첨단 복합소재 제조의 미래에 전념하며 산업계 노력을 촉진해 견고한 공급망 구축, 제조사 기술 리스크 저감, 차세대 복합소재 인력 양성을 적극 지원합니다. 하지만 우리의 성공은 복합소재 제조 커뮤니티 참여와 혁신 파이프라인을 채울 지속적 프로젝트 흐름에 달려 있습니다. iacmi.org에서 참여 방법을 확인하세요.

저자 소개

우데이 바이드야(Uday Vaidya)는 테네시 대학교 섬유·복합소재 제조 시설(FCMF) 소장, IACMI 최고 기술 책임자, 테네시 대학교-오크리지 국립연구소 총독 석좌 교수(첨단 복합소재 제조)입니다. 섬유 강화 폴리머 복합소재 제조·제품 개발 전문가. 엘스비어(Elsevier) Composites B: Engineering 저널 편집장. 학부·대학원생 폭넓게 체험 학습 지도.