첨단 복합소재가 전통 소재를 능가하는 3가지 핵심 이유

수많은 과학·공학적 발전 덕분에 복합소재의 특성이 기존 선택지보다 뛰어난 경우가 많다는 결론이 나왔습니다. 복합소재가 그토록 유망한 이점을 소개합니다.

1. 지속가능성 향상

기후 변화와 과도한 폐기물 생산 같은 긴급 과제에 세계의 관심이 쏠려 있습니다. 더 자주 폐기될 기존 소재를 대체할 지속가능한 소재 개발에 관심이 커지고 있습니다. 많은 친환경 복합소재가 이 수요를 충족할 수 있습니다.

수리 가능한 탄소섬유 부품으로 수명 연장

탄소섬유 복합소재는 비행기 부품부터 골프채까지 기존 금속을 대체하는 인기 소재입니다. 하지만 대부분 한 번 깨지면 수리나 재활용이 사실상 불가능합니다.

워싱턴대 연구진의 새로운 발전이 이 단점을 극복할 수 있습니다. 기존 탄소섬유 복합소재만큼 가볍고 강하면서, 금이 가도 쉽게 수리할 수 있는 신소재를 개발했습니다. 기존 방식이나 고주파 가열로 반복 수리가 가능합니다.

이 소재는 탄소섬유 강화 비트리머(vCFRP)라는 비교적 새로운 범주에 속합니다. 다른 탄소섬유 복합소재는 크게 두 그룹으로 나뉩니다. 첫 번째는 에폭시가 들어있어 영구적 경도를 줍니다. 두 번째는 부드러운 접착제를 써서 재가공이 가능하지만 강도와 강성이 떨어집니다. 그러나 vCFRP는 그런 타협 없이 결합, 분리, 재결합이 가능합니다.

자동차 내장용 탄소섬유 부품으로 배출가스 감축

탄소섬유 복합소재 발전으로 지속가능성이 향상된 또 다른 사례에서, 스위스 기업이 모터스포츠 차량의 내장 부품 9개를 천연 섬유로 만든 더 지속가능한 복합소재로 교체했습니다. 그 결과 자재 배출량이 94% 줄었고, 요람에서 게이트까지(cradle-to-gate) 배출량은 90% 감소했습니다.

복합소재의 또 다른 장점은 원래 특성을 뛰어넘을 수 있다는 점입니다. 내열 처리된 재활용 목재가 그 예입니다. 사람들이 잘 안다고 생각했던 흔한 소재의 특성이 복합소재로 어떻게 바뀔지 놀랄 수 있습니다.

이것들은 미래형 복합소재가 전 세계 지속가능성 노력에 기여할 수 있는 수많은 예 중 일부입니다. 비즈니스 리더는 이를 판매 포인트로 삼아 환경 지속가능성이 회사 운영 전반에 스며있음을 보여줄 수 있습니다. 예컨대 복합소재를 쓰는 풍력 터빈 제조사는 조기 폐기 대신 장기 내구성을 우선시합니다.

2. 필수 공정 개선

복합소재를 다루는 사람들은 사용자 공정 개선에 어떻게 도움될지 탐구하곤 합니다. 예컨대 복합소재 나사는 데크 조립에 흔히 쓰이는데, 기존 목재 나사보다 밀도가 높기 때문입니다. 나사산이 더 곱고 머리가 상대적으로 작아 데크에 박기 쉽습니다.

나사 개선은 인건비를 아끼고 훌륭한 결과물을 얻을 확률을 높이며, 이는 한 예일 뿐입니다. 제품을 설계하는 단계부터 품질 검사 단계까지 거의 모든 단계에서 기존 공정을 강화할 길이 열릴 수 있습니다.

로봇이 복합소재 팬 블레이드 생산을 돕다

복합소재 관련 진행 중인 작업 다수는 로보틱스와 머신러닝을 개발에 적용하는 등 미래지향적 접근을 다룹니다.

예컨대 롤스로이스는 신소재 복합소재 개발 전용 시설을 새로 열었습니다. 거기서 로봇을 이용해 제트엔진용 복합소재 팬 블레이드를 만드는 접근법을 연구합니다.

팬 케이스 몰드에 탄소섬유 복합소재를 적층

각 부품은 탄소섬유 소재 약 500겹으로 이뤄지며, 공장 작업자가 감독하는 완전 자동화 공정으로 각 층을 적용합니다. 로봇이 부품을 들어 조립 라인 역 사이를 이동시키며 원활하고 효율적인 작업을 보장합니다.

머신러닝이 복합소재 시험을 개선할 수 있다

연구자들은 머신러닝으로 복합소재 결함 시험에 쓰이는 기존 방법을 발전시키길 희망합니다. 가장 대중적인 전통 방식은 X선과 초음파 기반 시험입니다. 하지만 둘 다 단점이 있어 연구자들이 한계를 극복하려 애씁니다.

호주 제조 연구 시설인 Carbon Nexus의 복합소재 교수 러셀 바클리는 "복합소재 제품의 비파괴 시험을 위한 차세대 분석 방법을 이해하고 개발하는 것은 업계를 변화시킬 큰 잠재력이 있다"고 말했습니다.

한 기관이 이 프로젝트에 연구비를 지원해 머신러닝이 잘 알려진 복합소재 시험 문제들을 겨냥할 수 있는지 확인합니다. 예컨대 X선 기반 방식은 자본과 운영 투자 면에서 비용이 많이 듭니다.

이 사례 연구들이 사람들이 전통 소재 관련 공정 개선을 멈췄다는 뜻은 아닙니다. 하지만 전 세계 소재 전문가들의 복합소재에 대한 지속적인 높은 관심 탓에, 최소 두 가지 구성 소재로 만든 새로운 옵션에 연구가 많이 집중됩니다.

첨단 복합소재, 변형 시 색 변화로 결함 표시

이 섹션의 앞선 두 예는 복합소재가 어떻게 인더스트리 4.0 수용 노력과 맞물리는지 보여줍니다. 하지만 소재 자체가 공장 공정을 앞당기는 매혹적인 연구도 있습니다.

연구자들은 변형에 반응해 색이 변하는 복합소재 라미네이트를 개발했습니다. 이 덕분에 문제를 더 이른 단계에 감지하고 사람들에게 잠재적 소재 고장을 경고할 수 있을 것으로 봅니다. 아직 실험실에서만 썼습니다. 하지만 개발자들이 희망하는 만큼 잘 작동하면, 이 혁신은 여러 방식으로 공정을 개선할 수 있습니다.

예컨대 내부 약점이 있는 복합소재 부품 제조를 막고 향후 리콜을 최소화할 수 있습니다. 연구팀은 신소재가 층으로 이뤄져 파손에 강하고 가볍다고 보고했습니다. 이는 복합소재의 가장 바람직한 특성이므로, 이 발명은 광범위한 응용과 매력을 가질 수 있습니다.

3. 소재 기반 개선 심화

복합소재의 또 다른 장점은 엔지니어와 과학자가 기존 선택지로 해결 못 한 니즈를 충족하는 새로운 옵션을 개발하게 해준다는 점입니다. 사람들은 제품 개선의 실행 가능한 길을 항상 찾습니다. 복합소재가 종종 앞길을 보여줍니다.

부직포로 만든 새로운 복합소재

부직포는 뜨개질이나 직조 없이 섬유를 결합해 만듭니다. 연구자들이 최근 이 범주에 드는 새로운 복합소재를 만들었습니다. 붕대와 마스크 같은 의료 제품에 이상적일 것으로 봅니다.

사람 피부에 장시간 닿을 수 있는 소재를 만들려면 복합소재의 원하는 특성을 신중히 고려해야 합니다. 이 경우 팀은 통기성과 흡수성을 원했습니다. 착용감을 위해 면도 포함시키고 싶었습니다.

시험 결과 신소재가 기존 옵션보다 흡수성이 높았습니다. 신축-회복 시험에서도 우수해 반복 사용에도 잘 견딜 것임을 시사했습니다. 팀은 다른 옵션도 통기성과 신축성이 좋지만, 면을 추가하면 또 다른 눈에 띄는 이점이 있을 것이라 인정했습니다.

첨단 소재가 스마트폰 화면 균열 골칫거리를 줄일 수 있다

화면은 오늘날 스마트폰의 필수 부품이라 많은 이들이 각별히 보호합니다. 제조사가 초내구 유리 장착해도 많은 소유자가 화면 보호필름을 붙이거나 전용 케이스를 씌워 안심합니다. 하지만 복합 유리 관련 혁신이 이런 추가 단계를 줄여줄 수 있습니다.

국제 연구팀의 프로젝트로 화면 파손을 최소화하면서 더 밝은 디스플레이를 제공하는 유리 복합소재가 나왔습니다. 이 소재는 납 할라이드 페로브스카이트 기반으로, 미니 태양전지처럼 에너지를 포착해 저장합니다. 기본 접근법은 나노결정을 다공성 유리로 감싸는 것입니다.

이 방식은 기기 화면에 쓰이는 기존 나노결정 기술을 개선할 것입니다. 이 프로젝트 팀은 기술이 확장 가능하다고 믿지만, 아직 할 일이 많이 남았습니다. 원하는 특성을 가진 소재를 만드는 최적의 방법을 찾아야 합니다.

첨단 소재, 무한한 가능성 보여줘

이것들은 복합소재의 수많은 장점 중 일부일 뿐이며, 미래가 무엇을 담고 있을지 기대하게 만듭니다. 전통 소재도 여전히 많은 경우에 쓰이지만, 이 예들은 특정 결과를 내기 위해 복합소재를 다룰 때의 이점을 보여줍니다.