화학저널

KITECH, 3D용 합금분말 기술 확보 … 정부, 탄소복합재 로드맵 발표

국내 석유화학산업은 항공우주 소재 개발의 가속화가 요구되고 있다.
한국생산기술연구원(KITECH)의 박형기 기능성 소재부품그룹 수석연구원 연구팀은 자동차, 항공우주, 의료용 임플란트 등 금속 3D 프린팅 부품의 결함 해결에 기여하는 차세대 티타늄(Titanium) 합금 분말 제조기술 개발에 성공했다. 
연구팀은 나노입자를 티타늄 분말에 균일하게 분포하는 방식으로 소재 성능을 강화해 차세대 복합소재 금속 3D 프린팅 분말 기술을 확보했다. 
열역학 베이스 시뮬레이션을 통해 티타늄과 나노입자의 최적 조성 및 비율을 산정한 후 나노입자를 티타늄 분말 내부에 40-50나노미터 크기로 분포시켜 타노입자 일체형 티타늄 분말을 제조했다.
신기술을 적용하면 합금 분말이 급속하게 응고되거나 열이 빠져나가면서 부품 내부에 기공, 크랙 등이 발생하는 결함을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 생산 과정에서 나노입자가 튕겨나가지 않아 별도 처리 없이 100% 재사용이 가능할 것으로 예상되고 있다. 
박형기 수석연구원은 “나노입자 일체형 티타늄 분말을 사용하면 3D 프린팅 부품의 기계적 특성과 신뢰성을 모두 향상하고 핵심 소재로 활용할 수 있을 것”이라며 “다양한 산업에서 티타늄 부품에 적용할 수 있어 금속 3D 프린팅 시장 선점이 가능하다”고 강조했다.
나노입자 일체형 티타늄 분말은 현재 외국기업이 항공용 부품 소재 적합성 평가를 진행하고 있는 것으로 알려졌다.
미국 마크포지드(Markforged)는 3D 프린팅용 PEEK(Polyether Ether Ketone) 소재를 개발했다.
마크포지드는 고강성·고강도·고내열 소재인 VEGA를 슈퍼 EP(엔지니어링 플래스틱) 대응 대형 3D 프린터 FX20 전용 소재로 신규 공급할 계획이다.
VEGA는 PEEK를 바탕으로 개발한 복합소재로 UL94 난연 등급 V-O와 항공우주용 난연·발연·독성(FST: Fire·Smoke·Toxicity) 기준을 충족하며 로트 관리에도 대응하는 것으로 알려졌다.
마크포지드는 VEGA가 섭씨 160-190도에 대응하는 고내열성과 고내수성, 내용제성, 내약품성을 갖추고 있어 항공우주·내열 용도로 공급을 확대할 방침이다.
VEGA는 탄소섬유를 조합하지 않은 필라멘트의 순수 굽힘강성(Stiffness)이 4GPa, 굽힘 강도(Strength)가 130MPa이며 장섬유 강화 그레이드는 굽힘강성이 50GPa, 굽힘강도가 540MPa까지 상승해 알루미늄(Aluminium) 이상의 강성과 강도를 확보할 수 있는 것으로 나타났다.
마크포지드는 고속 프린팅 및 정밀 성형을 위해 AI(인공지능)·자동화 기능을 탑재한 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) 3D 프린터 FX10도 신규 출시할 계획이다.
3D 프린팅 도입 확대를 위해 무상으로 제공해 현재 12곳의 수요기업이 DigitalSource를 채용했으며 장기적 구독모델 도입을 검토하고 있는 것으로 알려졌다.
정부는 항공·우주용 국산 탄소복합재 기술 확보에 적극적으로 나서고 있다.
탄소복합재는 가볍고 강도가 높은 물리적 특성을 가진 소재로 탄소섬유, 활성탄소, 인조흑연, CNT(Carbon Nano Tube) 등이 있으며 탄소섬유는 도심항공교통(UAM), 우주발사체 등에 사용하고 CNT는 2차전지 등 첨단산업의 핵심 소재로 활용하고 있다.
산업통상자원부는 2024년 5월22일 서울 한국과학기술회관에서 제2차 탄소복합재 점프업 파트너십 회의를 열고 항공·우주용 국산 탄소복합재 기술개발·인증 로드맵을 발표했다.
정부는 2029년까지 RTM(Resin Transfer Molding), AFP(Automated Fiber Placement) 등을 활용한 탄소복합재 생산기술을 개발하고 고인성·속경화수지 등을 개발하며 관련 항공용 복합소재 인증 획득을 추진할 계획이다.
또 관련기업·생산제품별로 차세대 무기체계, 차세대 항공기 구조물, 소형 발사체 미래항공모빌리티(AAV), 수송기 분야에 사용할 탄소복합재 기술을 개발할 방침이다.
정부는 2023년 7월 한국항공우주산업(KAI), 대한항공 등 탄소복합재 주요 수요기업과 효성첨단소재, 국도화학, 한국카본 등 공급기업이 참여하는 탄소복합재 점프업 파트너십을 발족하고 로드맵을 준비해왔다.
이승렬 산업통상자원부 산업정책실장은 “국산 탄소복합재 로드맵을 통해 국산 소재가 항공·우주용 첨단분야로 활발히 진출할 수 있기를 기대한다”고 강조했다. 
정부는 2024년 5월27일 국내 항공우주 분야 정책 수립 및 연구개발(R&D)을 담당하는 우주항공청을 출범했다.
우주항공청은 과학기술정보통신부 소속 중앙행정기관으로 차관급 청장, 차장, 우주항공임무본무장을 포함해 293명 정원으로 신설됐으며 출범 초기에는 약 110명이 부임할 예정이다.
윤석열 대통령은 사천 우주항공청 임시청사에서 열린 개청 기념식에서 “2027년까지 관련 예산을 1조5000억원 이상으로 확대하고 2045년까지 100조원 수준의 투자를 유치해 우주기업 1000사를 육성할 것”이라고 강조했다. (김진희 기자)