열가소성 복합재, 상용 항공기 혁명의 중심에 서다

열가소성 복합재(TPC)는 항공우주 분야에 새로운 소재가 아니지만, 지난 몇 년간 상용 항공기에서의 열가소성 복합재 사용이 티핑 포인트(tipping point)에 도달했다. TPC는 오랫동안 클립, 브래킷, 소형 인테리어 부품 등 작은 부품에 사용돼 왔지만, 점차 더 큰 항공기 구조물로 영역을 넓혀왔으며 이제 상용 항공기의 미래에서 더 큰 역할을 할 태세다.

2018년 3월, 세계 최대 탄소섬유 제조사인 도레이 인더스트리(Toray Industries Inc., 일본 도쿄)가 텐케이트 어드밴스드 컴포지트(TenCate Advanced Composites, 미국 캘리포니아주 모건힐·네덜란드 네이버달)를 9억 3천만 유로에 인수했다(텐케이트는 이후 도레이 어드밴스드 컴포지트로 사명 변경). 이는 차세대 상용 항공기 개발에 대비해 도레이의 열가소성 역량을 강화하려는 의도로 풀이된다. 직후 헥셀(Hexcel, 미국 코네티컷주 스탬포드)과 아케마(Arkema Inc., 미국 펜실베이니아주 킹오브프러시아)가 전략적 제휴를 맺고 항공우주용 열가소성 복합재 솔루션 개발에 나섰다. 헥셀의 탄소섬유 제조 역량과 아케마의 폴리에테르케톤케톤(PEKK) 수지 전문성을 결합한 것이다. 그해 여러 열가소성 퍼즐 조각들이 제자리를 찾아가는 듯했다.

2018년 4월, 프리미엄 에어로텍(Premium Aerotec GmbH, 독일 아우크스부르크)이 에어버스(프랑스 툴루즈) A320용 압력 격벽 데모스트레이터를 공개했다. 탄소섬유를 열가소성 매트릭스로 사용해 개발·제작한 이 데모스트레이터는 8개 용접 세그먼트로 구성되며, 열가소성의 용접성이 더 큰 항공기 부품 제작을 가능케 할 잠재력을 보여준다. (프리미엄 에어로텍 A320 압력 격벽 데모스트레이터 자세히 보기).

2018년 8월, 솔베이(Solvay, 미국 조지아주 알파레타), 프리미엄 에어로텍, 포레시아 클린 모빌리티(Faurecia Clean Mobility, 미국 오하이오주 콜럼버스)가 IRG 코시모(IRG CosiMo, Industry Research Group: Composites for Sustainable Mobility)를 출범했다. 소재부터 기계, 자동차·항공우주 응용까지 열가소성 복합재 공정 체인 전반의 기업들이 참여해 대량 생산을 위한 소재·공정 기술을 개발하는 컨소시엄이다. (IRG 코시모 컨소시엄 자세히 보기).

솔베이는 2017년 6월부터 GKN 포커(GKN Fokker, 네덜란드 호헤벤)와 협력해 대형 항공우주 구조물용 TPC 기술 발전과 채택 확대를 추진해 왔다. 2017년 9월 PEKK 폴리머 생산을 시작하고 2018년 UD 열가소성 테이프 적격 생산 능력을 2배로 늘렸다. 2019년 초에는 미국 조지아주 알파레타에 차세대 소재 개발을 위한 전용 TPC 연구소를 가동했다. 2019년 말 신규 UD 테이프 라인 적격 착수 예정이다.

테이진(Teijin Ltd., 일본 도쿄)은 2019년 1월, 자사의 테낙스(TENAX) 탄소섬유와 탄소섬유/열가소성 단방향 프리임프레그네이티드 테이프(TENAX TPUD)가 보잉(Boeing, 미국 일리노이주 시카고)으로부터 1차 구조 부품용 중간급 첨단 복합재로 적격 판정을 받았다고 발표했다. (전체 뉴스 보기).

이러한 기술과 소재가 발전함에 따라 향후 수년·수십 년간 항공우주 산업이 어떻게 변모할지 윤곽이 점차 드러나고 있다. TPC의 역할은 그 그림에서 점점 더 큰 부분을 차지하고 있다.

제작업체들은 열가소성의 제조 이점과 빠른 공정 시간을 활용하고, TPC로 동체 패널과 리브 같은 더 큰 구조물을 제작하려 한다. 또한 열가소성은 높은 파단 인성, 우수한 기계적 물성, 재활용성, 낮은 난연·연기·독성(FST), 상온 보관 가능 등의 장점을 갖는다. OEM과 항공우주 티어 공급업체들이 열가소성에 익숙해짐에 따라 더 복잡한 부품, 용접 조립체, 1차 구조물로 용도가 확대되고 있다.

토레이 어드밴스드 컴포지트(구 텐케이트) 매니징 디렉터 스티브 미드(Steve Mead)는 "주요 기체 제조사들은 알루미늄의 생산 속도 역량과 탄소섬유 기반 소재의 경량 역량을 겸비한 소재 솔루션을 찾고 있습니다. 열가소성이 그 간극을 메워줍니다"라고 말한다.

TPC의 공정성(Processability)

TPC가 항공기 프로그램에서 입지를 넓히는 큰 이유는 공정성 때문이다. 열가소성은 이미 완전 중합된 상태이므로 경화가 필요한 열경화성보다 생산 속도가 빠르다.

"오늘날 열경화성 부품 제작 시간과 열가소성 복합재 부품 제작 시간을 비교하면, [열가소성이] 약 10배 빠릅니다"라고 복합재 업계 컨설팅 기업 컴포지트테크스(CompositeTechs LLC, 미국 매사추세츠주 에임즈버리)의 마이크 파발로로(Mike Favaloro) 사장 겸 CEO는 말한다.

열가소성 자동 섬유 배치(AFP)의 큰 장점은 경화 사이클이 없어 열경화성 AFP 대비 더 빠른 공정 시간으로 높은 생산 속도를 구현할 수 있다는 점이다. 인시츄 라미네이션(in-situ lamination)과 오토클레이브 외 후경화(out-of-autoclave post-consolidation)에서 비용 절감을 찾을 수 있다. 오토클레이브를 배제하면 더 큰 구조물 개발도 가능해진다.

ATC 매뉴팩처링(ATC Manufacturing, 미국 아이다호주 포스트폴스) 비즈니스 개발 디렉터 데이비드 리치(David Leach)는 열가소성 단가가 열경화성보다 높음을 인정하면서도, TPC 소재 가격은 내려갈 것이며 공정 효율로 현재 비용을 절감할 수 있다고 주장한다. 복합재 업계의 전반적 컨센서스는 현재 OOA 열가소성 공정이 열경화성 대비 30% 이상 비용 절감 효과를 제공한다는 것이다.

"열가소성은 항공기가 양산에 들어간 후에도 프로그램에 채택되고 있습니다"라고 리치는 지적한다. "이는 열가소성의 비용 이점을 입증하는 것입니다."

고성능 매트릭스 폴리머의 잠재력은 현재 시판 중인 것을 넘어선다. 솔베이의 울트라폴리머 소재 총괄 더그 브래드마이어(Doug Brademeyer)는 내부적으로 그리고 파트너들과 함께 다양한 제조 공정에 맞춘 맞춤형 폴리머 개발을 진행 중이라고 밝혔다.

"고객 니즈에 기반해 세계적 규모의 자산으로 이러한 맞춤형 PAEK 솔루션을 신속히 상용화할 수 있어 기쁩니다"라고 브래드마이어는 말한다.

저융점 PAEK(LM PAEK)

항공기 OEM과 공급업체들이 더 높은 생산 속도와 짧은 사이클 타임을 추구하면서 공정성이 핵심이다. 폴리에테르에테르케톤(PEEK)은 가장 방대한 데이터베이스와 가장 폭넓은 적격을 갖춰 오랫동안 선호되는 열가소성 폴리머였다. 하지만 파발로로에 따르면 저융점 폴리아릴에테르케톤(LM PAEK)이 자동화 공정, 특히 ATL(자동 테이프 레이잉)에서 몇 가지 이점을 제공한다.

"PEEK는 스탬프 성형과 연속 성형으로 가공 가능하지만, LM PAEK는 더 낮은 온도에서 가공되고, 더 낮은 작업 점도로 자동화 가공이 더 용이하며, 더 낮은 결정도로 잔류 성형 응력을 줄여줍니다"라고 그는 설명한다. "궁극적 목표는 ATL 머신으로 테이프를 깔고 끝내는 것, 즉 적절한 결정도, 좋은 공정 윈도우, 좋은 레이다운 속도가 필요합니다."

LM PAEK의 공정 온도 윈도우는 350~385°C로 넓다. 참고로 폴리페닐렌 설파이드(PPS)는 330~350°C, PEKK와 PEEK는 각각 380°C와 400°C다.

"이 소재가 이렇게 주목받는 건 공정성 때문입니다"라고 토레이 어드밴스드 컴포지트 CTO 스콧 엉거(Scott Unger)는 말한다. 토레이 어드밴스드 컴포지트는 빅트렉스(Victrex, 영국 랭커셔)와 협력해 LM PAEK를 사용하는 단방향 테이프 세텍스 TC1225(Cetex TC1225)를 개발했다.

"TC1225 개발 의도는 PPS에 가까운 온도에서 쉽게 가공되고, 최종 사용자에게 유리한 비용 위치를 가지며, PEEK의 기계적·내유 특성을 갖춘 제품을 만드는 것이었습니다"라고 엉거는 말한다. "TC1225 LM PAEK로 그 모든 목표를 달성했다고 느낍니다."

세텍스 TC1225는 현재 미국 캔자스주 위치타의 국립 첨단 소재 성능 센터(NCAMP)에서 적격 심사 중이다. 또한 두 주요 기체 제조사 주도의 적격 프로그램과 에어택시·도심 항공 모빌리티 같은 신흥 시장 기반 적격 프로그램도 진행 중이다.

LM PAEK 사용 테이프들이 향상된 레이다운 속도를 보인다고 한다. 빅트렉스 항공우주 SBU 디렉터 팀 헤어(Tim Herr)는 "인시츄 AFP와 오토클레이브 외 경화 AFP 모두에서 달성 가능한 레이다운 속도가 전례 없는 수준"이라고 말한다. 오븐 경화 패널에서 분당 60미터, 인시츄 경화에서는 분당 20미터가 가능하다고 한다.

품질 면에서 엉거는 저융점 PAEK가 인시츄 파이버 배치로 파이버 배치 후 오븐 후경화한 라미네이트와 동일한 라미네이트 품질을 구현할 수 있다고 주장한다.

복합재 접합(Bonding)

TPC의 용접성은 항공기 개발에 큰 장점이다. 융착/용접은 열경화성 복합재 부품 접합에 쓰이는 기계적 체결과 접착제 사용의 대안이 된다.

솔베이 제품 개발 디렉터 스티븐 하인츠(Stephen Heinz)는 "접합과 용접은 미래 조립에서 주요 역할을 하며 항공구조물의 비용 절감과 신뢰성 향상 잠재력을 가집니다. GKN 포커 같은 기업들이 용접 시연을 주도하고 있습니다"라고 말한다.

"열가소성으로 오쏘그리드를 스킨에 '버트 조인트(butt joining)'하면 크게 단순화할 수 있습니다"라고 GKN 포커 열가소성 복합재 기술 개발 총괄 아르네트 오프링아(Arnt Offringa)는 설명한다. "그리드는 이제 스킨 라미네이트와 공동 통합되는 단순 평면 프리폼들로 구성돼 저비용 일체형 보강 셸을 형성합니다. 프레임은 그리드에 용접됩니다. 이 용접들은 전단 하중을 받아 모든 볼트를 생략할 수 있게 합니다."

용접 열가소성 구조물이 항공기에 적용된 지는 꽤 됐지만, 기술이 이제 1차 구조물 적용에 충분히 무르익은 것으로 보인다. 마이크 파발로로는 항공우주 제작업체와 OEM들이 TPC, 특히 공정 제어에 대한 신뢰를 얻고 있다고 본다. "10년 내 훨씬 더 광범위하게 채택되기 시작할 것입니다."

용접 기술에 대한 자세한 내용은 진저 가디너(Ginger Gardiner)의 기사 "열가소성 복합재 용접(Welding thermoplastic composites)"을 참조하세요.

툴리스(Tool-less) 제조

열가소성 사용을 가속화할 또 다른 혁신은 툴리스 복합재 제조다. 이름 그대로 기존 금형과 툴링을 로보틱스로 대체하는 개념이다.

항공우주 제조사 제너럴 아토믹스 에어로노티컬 시스템즈(GA-ASI, 미국 캘리포니아주 샌디에이고)가 열가소성 복합재 구조물 제작용 툴리스 공정을 개발 중이다. 컴포지트 오토메이션 LLC(Composite Automation LLC, 미국 플로리다주 케이프코럴)가 미크로삼(Mikrosam, 마케도니아 프리레프) 장비로 GA-ASI와 협력해 자동화를 개발했다. 이 공정은 두 대의 6축 로봇이 협업해 열가소성 테이프를 배치한다. 한 로봇은 표준 단방향 테이프 배치 시스템으로 레이저 가열을 이용해 열가소성 소재의 인시츄 통합을 수행한다. 다른 로봇은 ATL 반대편에서 이동식 툴링 면을 제공해 ATL이 테이프를 놓을 수 있게 지원한다. (자세히 보기: "제너럴 아토믹스 에어로노티컬, 툴리스 열가소성 복합재 공정 개발").

재활용성(Recyclability)

TPC의 또 다른 이점은 재활용성이다. 열가소성 폴리머는 재용융·재성형이 가능하므로 여러 기업이 TPC를 소재 재사용 수단으로 주목한다.

협력 파트너로는 소재, 제조, 설계, 응용 분야의 여러 산업 파트너가 밸류체인 전반에 걸쳐 참여하며, GKN 포커, 토레이 어드밴스드 컴포지트, 카토 컴포지트 이노베이션(Cato Composite Innovations, 네덜란드 뤼덴), 더치 서모플라스틱 컴포넌츠(Dutch Thermoplastic Components, 네덜란드 알메레), 니도 리사이클링테크닉(Nido RecyclingTechniek, 네덜란드 네이버달) 등이 포함된다.

적재적소에 맞는 소재(The right material for the right job)

이 소재들에 대한 기대감 속에서 드는 질문은, TPC가 정말로 도래했느냐는 것이다. 티어 1, 티어 2 항공우주 공급업체들이 열가소성에 투자하고 있다. 중소형 공급업체들의 관심과 투자도 늘고 있다. IRG 코시모 같은 컨소시엄은 항공우주와 자동차 시장을 모두 겨냥해 공정 기술을 발전시켜 대량 생산을 실현하려 한다.

"이것이 트리펙타(Trifecta)입니다"라고 미드는 말한다. "OEM이 투자하고, 기계 업체들이 투자하고, 적절한 소재가 개발됐습니다. 레시피의 모든 구성 요소가 모여들고 있습니다."

더 큰 관점에서, 이 모든 것이 차세대 항공기의 소재 사용에 어떤 의미일까? 결국 미래 항공기엔 수많은 소재가 경쟁하고 있으며 혁신은 둔화되지 않고 있다. 열경화성 복합재도 계속 진화하고, 알루미늄과 티타늄도 계속 역할을 할 것이다.

"기체 제조사들이 열가소성으로 적격 기반을 구축하면서 이제 선택권이 생겼습니다"라고 엉거는 말한다. "그 선택은 주어진 용도에 맞는, 해당 부품이나 구조물의 생산 속도와 비용 요건을 충족하는 적절한 소재를 고르는 데 기반할 것입니다. 상용 항공의 미래를 볼 때, 기체 제조사들이 '적재적소에 맞는 소재(right material for the right job)'를 쓸 것이라 믿습니다. 가장 적절한 구조를 가장 적은 비용으로 구현하면서 프로그램 빌드 레이트 요건을 충족하는 소재가 비행기에 채택될 것입니다."

상용 항공 산업이 향후 20년간 두 배로 성장할 것으로 전망되는 가운데, 여객기와 화물기 수요를 충족하려면 새로운 기술과 전례 없는 제조 속도가 필요합니다.

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