PEEK vs PEKK: 미래 항공기 구조물용 최적 열가소성 수지 선택

1차 항공기 구조물 생산을 위해 개발 중인 열가소성 복합소재(TPC) 테이프의 제자리 통합(ISC)에 폴리에테르에테르케톤(PEEK)과 폴리에테르케톤케톤(PEKK) 중 어느 것이 더 나은가? 이 사이드바는 ISC가 진정한 원스텝 아웃오브오토클레이브(OOA) 공정으로서 미래 항공기 생산의 비용과 생산 속도 목표 — 단일 통로 제트라이너 A320 neo 타입 기준 월 60~70대 — 를 충족할 수 있는지에 대한 더 큰 논의의 일부인 PEEK 대 PEKK 논쟁을 다룬다. 대안은 2단계다: 자동화 파이버 배치(AFP)로 열가소성 복합소재 테이프 적층 후 오토클레이브나 가열 프레스에서 통합. "열가소성 복합소재 항공 구조물 제자리 통합, 1부", "2부" 및 제프 슬론의 최근 열가소성 테이프 특집 기사 참조.

PEEK와 PEKK 모두 폴리아릴에테르케톤(PAEK) 계열로, 흔히 폴리케톤(polyketones)이라 불린다. "PEKK는 PEEK와 매우 비슷하고 결정화 거동도 유사하지만 가공 온도는 PEEK의 385°C 대비 375°C입니다."라고 네덜란드 항공우주 센터(NLR, 암스테르담) 구조 기술 부문 선임 과학자 앙리 드 브리스(Henri de Vries)는 말한다. NLR과 GKN 에어로스페이스(영국 레디치) 포커 사업부(네덜란드 파펜드레흐트 및 후거베엔)는 TAPAS 1, 2 프로그램을 포함한 다수 TPC 기술을 개척했으며, 최근 AFP로 제작했으나 오토클레이브에서 통합한 6m 길이, 28mm 두께 CF/PEKK 엔진 파일론 상부 스파를 제작했다("열가소성 복합소재 데몬스트레이터 — 미래 기체 EU 로드맵" 참조).

드 브리스는 PEKK가 AFP에 더 적합하다고 본다. "공정 윈도우가 더 넓기 때문입니다. PEEK는 385~390°C에서 있어야 하므로 360°C 가공은 이상적이지 않습니다. 하지만 PEKK는 355°C에서도 가공이 꽤 잘됩니다. 하한이 낮을 뿐 아니라 소재가 굳기 전 시간이 조금 더 길어 전체 용융 시간이 더 길어져 더 나은 통합이 가능합니다."

드 브리스는 PEKK가 프레스 성형에도 흥미롭다고 덧붙인다. 2단계 통합에서 오토클레이브 진공백킹 사이클 대비 더 빠른 옵션이다. "구형 PEKK 등급(DS)은 프레스 성형에 너무 느렸지만 신형 등급(FC)은 더 좋고 PEEK보다 저렴합니다."

"옥스퍼드 퍼포먼스 머티리얼즈(OPM)는 2000년부터 PEKK를 다뤄왔습니다."라고 드펠리체(DeFelice)는 말한다. "소재와 애플리케이션 기술 모두 개발했습니다. 현재 시판 중인 모든 PEKK 제품은 듀폰 방법으로 만들어집니다." 그는 기본적으로 모든 폴리케톤이 1990년대 항공기 인테리어의 화재, 연기, 독성(FST) 성능 개선 필요성에 대응해 동시에 개발됐다고 설명한다. 그러나 규정이 실현되지 않아 PEEK와 PEKK의 초기 시장이 증발했다. 이에 ICI가 PEEK를 빅트렉스로 분사하고 듀폰이 PEKK를 파이버라이트(Fiberite)에 매각, 이후 사이텍(Cytec) 인수, 다시 솔베이(Solvay) 인수. 드펠리체는 아케마(Arkema)가 OPM과 파트너가 돼 PEKK 전문성을 확보하려 했으며, 결국 듀폰 방법 PEKK 제품을 개발했다고 말한다. 이 파트너십 결과 아케마가 복합소재 산업에서 PEKK 제2 공급원이 됐다.

"헥셀(Hexcel)도 OPM에 투자했습니다."라고 드펠리체는 말한다. (여기서 헥셀의 OPM 항공우주·방위 적층 제조 사업 인수를 간단히 설명: "탄소섬유 강화 PEKK로 선택적 레이저 멜팅(SLM) 적층 제조 기술을 개발해 보잉, 노스롭 그루만 등에서 항공우주 애플리케이션으로 인증받았습니다. 이는 이미 OPM 주요 주주였던 헥셀에 매력적이었습니다." 이에 2017년 12월 헥셀이 OPM 항공우주·방위(A&D) 사업(미국 코네티컷주 사우스윈저)을 인수. OPM은 그러나 항공우주·방위 외 3D PEKK 프린팅 사업을 유지하며 핵심 소재 과학 기술 개발을 지속.)

"모든 PEKK가 동일하지 않습니다."라고 드펠리체는 단언한다. "솔베이와 아케마는 고온 합성(HTS)을 사용하는 듀폰 방법을 실천하므로 약간 더 빠르게 돌아가 비용이 낮아집니다. 하지만 단점도 있습니다." 그는 초기에는 PEKK 폴리머의 용융 안정성과 순도 문제로 듀폰이 부품 제작에 어려움을 겪었으나, 시간이 지나 듀폰 방법이 개선되고 폴리머도 다소 개선돼 부품 재현성이 향상됐다고 설명한다. 예를 들어 앞서 언급한 적층 제조 기술 외에 OPM은 PEKK로 사출 성형과 필름 애플리케이션도 개발했다.

"하지만 PEKK를 다르게 만들어 개선할 수 있다고 항상 봐왔습니다."라고 드펠리체는 말한다. "원래 플레이어로 돌아가면 실제로는 제3의 주체가 있었고, 그게 레이켐(Raychem)으로 바스프에 매각됐으나 바스프가 PAEK를 포기했습니다. 하지만 레이켐 기술은 저온 합성(LTS)이었습니다. 이는 HTS와 매우 다릅니다." 그는 플레이크를 생산해 분쇄한 후 용매 등과 혼합해 프리프레그와 3D 프린팅용으로 쓰는 대신, 특허받은 LTS 기술로 구형 파우더를 생산할 수 있다고 지적한다. 구형 파우더는 제어 가능하며, LTS는 '차가운' 공정이라 완제품 폴리머의 분자량과 분자 구조 제어가 훨씬 더 용이하다. 다만 공정이 느려 약간 더 비싸다. "하지만 분쇄 단계 없이 직접 파우더로 갈 수 있습니다."라고 드펠리체는 말한다. "이게 느린 가공을 상쇄합니다."

이 신제품 OXPEKK®-LTS는 두 세계의 장점을 결합한다: 제어 가능한 공정으로 구형 폴리머 파우더 생산. "분쇄하면 고르지 못한 '바위' 같은 폴리머 조각이 나와 테이프 코팅과 함침 시 균일하게 적층하기 어렵습니다."라고 드펠리체는 설명한다. "OXPEKK-LTS의 둥근 모양은 테이프 제작 시 더 정밀한 제어를 가능케 합니다. 이제 테이프를 개선하고 진정한 OOA 공정을 제자리 통합으로 가능케 할 수 있습니다. 현재 테이프 치수 정밀도가 이를 방해하고 있습니다."

더 나은 테이프를 생산하면서 PEEK 가격과 맞출 수 있을까? "에어버스와 공급사들이 복합소재 1차 구조물 비용으로 논의하는 것은 폴리머 원자재 비용보다 훨씬 복잡합니다."라고 드펠리체는 반박한다. "원자재는 전체 부품 비용의 한 조각이지만, 제조 공정과 성능이 핵심 비용 요소입니다. 첫째, PEKK의 압축 강도가 PEEK보다 훨씬 높습니다 — 상당한 이점입니다. 복합 구조물에서 훨씬 나은 피로 성능을 달성할 수 있어 더 가벼운 구조물 설계가 가능해 더 적은 소재가 필요합니다. 즉, 더 높은 강도-중량 비 달성을 돕습니다. 하지만 우리는 ISC도 가능케 하니 이 더 가벼운 구조물이 이제 한 단계로 생산됩니다, 두 단계가 아닌."

OPM은 여기서 멈추지 않는다. 드펠리체는 항공우주 애플리케이션용 폴리케톤 프리프레그의 모든 탄소섬유가 무사이징으로 사용된다고 주장한다. 이는 사이징이 파이버가 다양한 가공 단계를 예측 가능하게, 손상 감소, 재현성 있게 통과하게 하므로 핵심이다. "항공우주에서 PAEK 열가소성 1차 구조물에 사이징된 탄소섬유를 쓰는 곳은 없습니다. 알려진 모든 사이징이 기계적 물성에 악영향을 미치기 때문입니다."라고 그는 설명한다.

여기서 잠깐 주석: 테이진 카본 유럽 기술 서비스 마티아스 슈베르트(Matthias Schubert)는 동의하지 않는다. "우리는 수년간 PAEK 열가소성 수지용 특수 사이징을 사용해왔습니다."라고 그는 설명한다. "표준 사이징은 에폭시 화학으로 인해 PAEK 가공 온도에서 분해·아웃개싱이 발생하므로 필요했습니다. 우리 사이징은 실제로 수지 접착력을 증가시켜 무사이징 탄소섬유 대비 약 20% 높습니다." 이는 횡방향 4점 굽힘 테스트로 측정됐으며, 섬유-수지 계면에서 결정 구조의 제어된 개시 덕분으로 귀인된다. (이 사이징 개발은 블로그 "PEEK vs. PEKK vs. PAEK"에서 테이진 카본 아메리카 장-필립 카나르가 설명.)

"OXPEKK LTS로 우리는 PEKK를 용액에 넣어 사이징으로 사용하는 독자적 화학도 보유해 가공을 추가로 가속화하고 테이프 성능을 개선합니다."라고 드펠리체는 말한다. 이는 제자리 통합까지 확장된다. "이제 이 기술을 사용한 대형 1차 구조물에 매우 강력한 비즈니스 케이스가 부상하고 있습니다."

더 두꺼운 테이프는? NLR이 0.25인치(약 6.35mm) 두께 테이프를 원한다고 했는데, 이는 월 60~70대 생산 속도 달성을 더 돕는다. "속도는 공정의 정밀도와 최종 구조물 성능에 역행합니다."라고 드펠리체는 말한다. "항상 이 상충 요소 간 균형이 필요합니다. 프리프레깅에서 구형 폴리머 입자의 물리학은 잘 정립돼 있습니다. 우리는 이 입자 제어를 제공해 대형 OOA 1차 구조물 생산에 필요한 균형을 달성하는 더 많은 제어 레버를 제공한다고 믿습니다. 에어버스 등이 원하는 곳에 이 기술을 가져갈 매우 강력한 도구를 보유하고 있습니다."

OPM의 새로운 길 개척 실적이 자신감을 준다. "누구도 탄소섬유 PEKK 3D 프린팅을 우주선에 B-베이스 허용치로 인증받은 적 없고, 누구도 FDA 승인, 생체적합성 및 성능 인증된 두개골, 척추, 정형외과 임플란트를 개발한 적 없습니다. 우리는 항공기용 PEKK 열가소성 복합소재 솔루션을 제공할 수 있다고 확신합니다."

OXPEKK LTS는 올해 말 개발용으로 소개되며, 2019년 초 상업 출시 예정이다.