미국 항공우주국(NASA) 등에 따르면 지구의 온도가 매년 최고치를 갱신하고 있는 가운데, 지난 133년간(1880~2012년) 지구의 평균기온은 0.85도 상승하였고, 지구온난화의 주범인 온실가스 배출량은 최근 10년간(2000~2010년) 매년 2.2% 증가 하고 있다. 1997년 12월 일본 교토에서 온실가스(Green Gas) 배출량을 줄이기 위해 교토의정서 “기후변동조약 제3회 조약국회의(COP3)” 채택을 시작으로 CO2 배출의 세계적인 배출량 법제화로 생산 및 제조, 운송등에서 발생되는 CO2 를 절감하기 위한 노력이 이루어지고 있다. 특히 운송기기 등에서 발생되는 CO2 절감과 연료효율을 위해 무게절감을 위한 경량소재인 탄소복합재의 적용이 기하급수적으로 증가하고 있는 상황이다. 이에 자동차, 항공기 등의 운송기기의 중요한 소재부품으로 탄소섬유복합재(CFRP)가 각광받고 있으며, 기존 소재와의 대체적용이 날로 증가하고 있다. 본 서는 탄소섬유의 국내외 동향과 최근 항공기 등의 수송 기기에 적용되는 메트릭스 수지 중 파괴인성(fracture toughness), FST(Fire, Smoke, Toxicity), 내약품 특성등이 우수한 열가소성(thermoplastic) 수지와 결합된 항공기용 열가소성 복합재의 소재 및 성형 제조 핵심기술에 대해 연구하였다. 항공기 용도를 목표로 한 최신의 열가소성 수지 재료 기술 개발 동향 및 성형 설비 등은 일본(日本) “ 열가소성 수지 복합재료의 항공기 분야 적용에 관한 보고서”에 기초하여, 탄소 및 탄소복합재의 제조기술과 시장동향을 살펴보고, 유럽 및 미국 등의 항공사 및 기업, 정부지원 컨소시엄 연구 프로젝트에 관한 적용과제를 파악했다. 더 나아가 열가소성 복합재 항공기 부품 제조장치와 핵심기술 조사를 바탕으로, 국내의 항공기용 열가소성 복합재 부품 핵심개발 과제와 기술개발 목표를 제안하였다.
시장조사전문기관으로 『4차 산업혁명을 이끌 미래인쇄전자 산업분석 보고서』, 『국내외 게임시장 산업분석 보고서』, 『사물인터넷 산업분석보고서』, 『조명시장과 OLED 시장보고서』, 『MEMS 기술산업전략보고서』, 『반려동물 산업과 첨단 기술의 만남』, 『방열소재 시장과 기술동향』, 『모바일화에 따른 온라인 문화콘텐츠산업 동향』, 『미세먼지에 관련된 국내시장에 대한 전망분석 보고서』, 『고체산화물 연료전지(SOFC) 정책 및 시장과 개발 업체 동향, 기술현황과 사업아이템』, 『듀얼 카메라 시장조사 보고서』, 『전통문화의 시장 및 기술동향 전통식품』, 『모바일 및 웨어러블 기기용 화학』 등을 저술하였다.
1. 배경 및 목적12. 조사 연구 항목4제 1 장 탄소섬유 및 탄소복합재 시장61.1 탄소섬유 제조, 생산업 및 규모61.2 탄소섬유 및 탄소복합재 시장동향과 국내 탄소시장 동향91.3 탄소복합재 제조기술121.4 탄소복합재 열가소성 수지 및 제조기술15제 2 장 항공기의 열가소성 복합재 적용부품282.1 항공기 기체구조 적용사례282.2 복합재료 적용부위 검토292.3 최근의 제조 및 실용화 사례332.4 적용부위의 제안872.5 열가소성 수지 복합재료를 적용시 과제87제 3 장 항공기 부품의 열가소성 수지 적용재료893.1 항공기용 복합재료에 요구되는 복합재 특성893.2 기존 복합재료 특성933.3 항공기 복합재료에 요구되는 열가소성 메트릭스 수지 특성104제 4 장 항공기 부품 열가소성 복합재 제조에 관한 조사1104.1 현재의 제조기술1104.2 미래의 제조방법1254.3 제조설비의 요구되는 능력128제 5 장 항공기 부품의 열가소성 복합재 적용방법1305.1 복합재 부품 인증방법1305.2 적용시에 예상되는 과제139제 6 장 해외 열가소성 복합재 제조사1496.1 조사업체1496.2 개요1496.3 유럽의 열 가소성 수지의 복합재료 현황1816.4 항공기 제조 탄소복합재 공급망 분석184제 7장 결론1937.1 민간 항공기 구조 부재에 요구되는 요건1937.2 유럽과 미국의 열 가소성 수지 복합재료 현황1957.3 국내의 현황과 향후 열가소성수지 복합재의 연구개발 필요성1977.4 국내의 항공기용 열가소성 수지 복합재 개발과제 및 제안199부록 1. Film Adhesive(Tencate 및 Cytec사)부록 2. PEEK UD Tape (Tencate 및 Cytec사)부록 3. 일본 열가소성 수지 복합재 관련 업체 List 및 열가소성 연구동향부록 4. 국내 항공기용 열가소성 복합재 부품 개발과제부록 5. 열가소성 복합재 수리공정 [ThermabondTM Process] 〈표목차〉[표 1.1-1] 세계 탄소섬유 생산제조사 및 생산규모 8[표 1.4-1] 열가소성수지 및 열경화성 수지 점도비교 16[표 1.4-2] 열가소성수지 및 열경화성 수지 비교 17[표 1.4-3] 항공기 및 자동차 열가소성 복합재 비요와 적용시장별 열가소성소재 18[표 1.4-4] 열가소성수지 복합재 제조기술 25[표 2.1-1] 항공기 열가소성 복합재 부품의 적용부위 28[표 2.3.1-1] 열 가소성 수지의 장단점 35[표 2.3.3.1-1] DINAMIT 프로그램 개발기술 및 내용요약 55[표 2.3.3.2-1] 비용평가 70[표 3.2.1-1] 열가소성 수지 특성과 복합재 적용 요구특성의 비교 94[표 3.2.1-2] 판매되는 열가소성 수지 프리프레그 목록 97[표 3.2.1-3] Tencate사의 PEI/Carbon 및 PPS/Carbon 복합재료의 물성치 98[표 3.2.1-4] ICI, Cytec, Tencate 회사의 CF/PEEK 복합재료 및 Phoenixx회사의 PPS/Carbon, PA/Carbon 복합재료의 여러 물성치 99[표 3.2.1-5] Victex 회사의 PEEK/Carbon 복합재료의 물성치 100[표 3.3.2-1] Victrex사 PEEK의 내약품성 107[표 5.1.1-1] 복합재료 인증작업 내용 131[표 5.1.1-2] 경화전 프리프레그의 특성 132[표 5.1.1-3] 복합재료 패널의 물리적 특성 132[표 5.1.1-4] 복합재료 패널의 강도 특성 133[표 5.1.1-5] 복합재료 패널의 내열 특성 133[표 5.2.1-1] 열가소성 수지 복합재료 부품 인증상의 과제 139[표 5.2.2-1] PEEK/Carbon (APC-2/AS4)의 patch 수리방법별 평가결과 145[표 6.2.1.1-1] 비용 추산조건 152[표 6.2.4.1-1] PEEK/Carbon 복합재료 특성치 173[표 6.2.4.2-1] Tencate사 Adhesive Film 가격 176[표 6.2.4.2-2] Tencate사 UD Tape 가격 177[표 6.2.4.2-3] Tencate사 Semi-preg 및 Prepreg 가격 177[표 6.2.4.2-4] Tencate사 Laminate 가격 177[표 6.4-1] 주요 6개 탄소섬유 공급사별 사 항공사 기종 및 공급내용: precursor, fiber, prepreg 및 공급항공사 186 〈그림목차〉[그림 1-1] 해외 환경규제 정책 동향 1[그림 1-2] 운송기기 CO2 배출량 및 CFRP 적용에 따른 CO2 절감 1[그림 1-3] 세계 탄소섬유 시장의 성장률과 적용분야별 시장규모 2[그림 1-4] 세계 탄소복합재 시장의 성장률과 적용분야별 시장규모 3[그림 1-5] 탄소복합재 매트릭스에 따른 매출규모[2015] 3[그림 1.1-1] 탄소섬유 제조공정 및 Value Chain 6[그림 1.1-2] 2015년 기준 탄소섬유 생산업체 및 규모 7[그림 1.2-1] 탄소섬유 및 CFRP 수요예측 9[그림 1.2-2] 2014년 기준 탄소섬유 적용시장 10[그림 1.2-3] 2011~2016년 수출입현황 11[그림 1.3-1] 매트릭스 종류, 섬유길이, 제조공정에 따른 복합재 제조기술 13[그림 1.3-2] 열경화성 및 열가소성 수지와 탄소섬유 형태별 제조시간과 방법 15[그림 1.4-1] Thermoplastic 수지의 유리전이온도(Tg)와 성형온도 20[그림 1.4-2] Thermoplastic Polymer 종류와 현재 적용되는 Polymer Pyramid 20[그림 1.4-3] Thermoplastic 가격, 성형, 적용온도 및 적용시장구분 21[그림 1.4-4] PEEK PRESS 성형구도 22[그림 1.4-5] 진공백(Vacuum Bag) 구도 22[그림 1.4-6] PEEK 오토클레브 성형구도 23[그림 1.4-7] Compression Properties of Thermoset/Thermoplastics 24[그림 1.4-8] Thermoplastic Composite Matched Molding 25[그림 1.4-9] Thermoplastic Composite Stretch Draw Molding 26[그림 1.4-10] Thermoplastic Composite Compliance Molding 26[그림 1.4-11] Thermoplastic Composite In-situ Consolidation 27[그림 2.1-1] 항공기의 열가소성 수지 복합재료 부품의 적용동향 29[그림 2.2.1-1] 각종 수지형 복합재료의 성형조건 30[그림 2.2.3-2] 성형품 형태와 성형 사이즈를 매개 변수로 한 성형 방법의 관계 31[그림 2.2.4-1] 용착공정 schematic 32[그림 2.3.1-1] A380 Leading Edge 34[그림 2.3.2-1] TPRC members and partners 37[그림 2.2.2-2] Grid Stiffened Panel 38[그림 2.3.3.1-1] DINAMIT Consortium Partnership 39[그림 2.3.3.1-2] 배합기반의 소재개발 개념도 42[그림 2.3.1.1-3] 다축 패브릭 제조에 따른 기계적 특성 및 제조성 42[그림 2.3.3.1-4] 새로운 PEEK/Carbon(AS4) tape를 이용한 In-situ Consolidation ATP과 ATP Autoclave Consolidation 43[그림 2.3.3.1-5] Glass fabric adhesive on tooling 및 PEEK/Carbon tape adhesive 44[그림 2.3.3.1-6] 특별히 제작된 표면진공홀을 가진 이중곡면 tool과 first ply 진공 흡착상태 45[그림 2.3.3.1-7] 이중곡면 오븐 성형 자동적층 panel 개발 45[그림 2.3.3.1-8] 자동적층 변수(parameters) 영향 연구결과 46[그림 2.3.3.1-9] Eurocopter PPS/Carbon Canopy 격막성형기술 개념도와 시제품 47[그림 2.3.3.1-10] 적외선가열 모델링 및 변수 영향 47[그림 2.3.3.1-11] 사출장치 및 PPS/C 사출 라미네이트 48[그림 2.3.3.1-12] Continuous Forming Machine과 PEEK/Carbon(APC2/AS4) Z contoured stringer 49[그림 2.3.3.1-13] 열가소성 Roll Forming device 설계 및 Roll Forming Machine 49[그림 2.3.3.1-14] Stiffened PEEK/Carbon(AS4) rib design & consolidated PEEK/Carbon(AS4) rib & feet 50[그림 2.3.3.1-15] 레이저에 의해 손상된 표면에서의 PPS/Carbon 의 형태 51[그림 2.3.3.1-16] PEEK/PEEK adhesive joint 본딩의 Single lap shear 강도결과: 수작업 샌딩, YAG Laser, diode Laser 표면처리 52[그림 2.3.3.1-17] PEEK/Carbon(APC2/AS4) panel stiffened with PEI welding of stiffeners to skin 52[그림 2.3.3.1-18] cost analysis flow chart 54[그림 2.3.3.1-19] 격막성형(Diaphragm Forming) 비용예측 개발 tool(LCAT)의 각각버젼 예 54[그림 2.3.3.2-1] ALCAS Partnership 56[그림 2.3.3.2-2] ALCAS 개발 스케줄 56[그림 2.3.3.2-3] 제조설계 최상화 및 프리프레그 ATL 57[그림 2.3.3.2-4] Wing과 Center Box 최종조립, 기계적 및 피로시험 57[그림 2.3.3.2-5] 동체결함 해결 panel 시험 58[그림 2.3.3.2-6] Wing Box 연구 4 그룹 및 4가지 부품 58[그림 2.3.3.2-7] Wing Box 시험 59[그림 2.3.3.2-8] Double Shell 후방동체 59[그림 2.3.3.2-9] 민항기 Wing 구성 개발업체 및 부품과 성형법 60[그림 2.3.3.2-10] 각종 리브(rib) 부재와 성형법 61[그림 2.3.3.2-11] Business Jet Composite Wing 61[그림 2.3.3.2-12] EU Framework 6 ALCAS Research Program 62[그림 2.3.3.2-13] 각종 열 가소성 복합재료의 성형성 평가(1) 62[그림 2.3.3.2-14] 각종 열 가소성 복합재료의 성형성 평가(2) 63[그림 2.3.3.2-15] AFP에서 성형 경화된 부품을 융착해서 일체 성형하는 방법 64[그림 2.3.3.2-16] AFP에서 반 경화시킨 성형품을 오토클레이브에서 일체성형 65[그림 2.3.3.2-17] AFP에서 성형 경화된 부품을 오토클레이브로 접착 강세를 보이고 일체 성형하는 방법 66[그림 2.3.3.2-18] Atkins-Nedtech의 주 날개 바깥의 설계 66[그림 2.3.3.2-19] 외판의 AFP 성형 67[그림 2.3.3.2-20] 스트링거(stringer) 성형방법 67[그림 2.3.3.2-21] 외판과 스트링거(stringer) 접착 68[그림 2.3.3.2-22] 성형된 외판/스트링거(stringer) 구조 68[그림 2.3.3.2-23] 주익 구조시험 69[그림 2.3.3.2-24] 4가지 접근법의 중량평가 69[그림 2.3.3.3-1] TAPAS Partners 71[그림 2.3.3.3-2] TAPAS 1 개발 시제품 2종 72[그림 2.3.3.3-3] TAPAS 1 ROADMAP 72[그림 2.3.3.3-4] TAPAS 1 연구개발 Building Block 및 개발목표 73[그림 2.3.3.3-5] Tancate사 Fabric, UD Tape 73[그림 2.3.3.3-6] 설계 및 제작 자동화 적층 pattern 및 layup ply 74[그림 2.3.3.3-7] 자동화 74[그림 2.3.3.3-8] 공정개발: forming & welding of omega stiffeners 75[그림 2.3.3.3-9] 공정개발: butt joint stiffened skins 75[그림 2.3.3.3-10] 공정보강: web 및 skin 군열 Z shape profile 보강 76[그림 2.3.3.3-11] 공정개발: butt joint stiffened skins & health monitoring 76[그림 2.3.3.3-12] 조립개발 및 Full Scale 시험 77[그림 2.3.3.3-13/1] 비용모델링 개발 대상 77[그림 2.3.3.3-13/2] 비용모델링 개발을 통한 비용분석/최적화 연구 78[그림 2.3.3.3-14] Fuselage panel demonstrator, skin laid up by Airbus @ EMC2 Nates 78[그림 2.3.3.4-1] TAPAS 2 Partners 79[그림 2.3.3.4-2] TAPAS 2 개발 시제품 3종 80[그림 2.3.3.4-3] TAPAS 2 ROADMAP 80[그림 2.3.3.4-4] 미래 Thermoplastic fiber placement cell 81[그림 2.3.3.4-5] 항공기 동체 프레임과 스킨의 접합기술 81[그림 2.3.3.5.2-1] WALiD 목적과 참여기관 83[그림 2.3.3.5.3-1] 컨소시움 자동화 RTM Line 84[그림 2.3.3.5.3-2] 자동화 RTM Line 개발실적 84[그림 2.3.3.5.4-1] 열가소성 sheet를 이용한 Back Injection Overmolding 자동화 85[그림 3.1.1-1] 기계적 접합부 파괴 사례 91[그림 3.1.2-1] 열경화성 탄소섬유 강화 수지와 열가소성 탄소섬유 강화 수지의 내충격성 비교 92[그림 3.2.1-1] 수지의 파단시 성장과 복합재료 파단시 잔류 압축강도 관계 95[그림 3.2.1-2] 비행고도와 비행속도에 대한 외표면 온도 96[그림 3.2.1-3] Victrex사의 PEEK의 동적 점탄성 96[그림 3.2.1-4] Victrex사의 PEEK의 120℃아래의 인장 피로특성 97[그림 3.2.1-5] Victrex회사 및 일본 ㈜미스야가 개발한 프리프레그 100[그림 3.2.1-6] 현장 중합형 열가소성 수지와 열경화성 수지 CFRP의 점탄성 101[그림 3.2.1-7] semi-crystalline polymer의 heat flow curve 102[그림 3.2.1-8] PEEK/Carbon(APC2/AS4) prepreg의 heat flow curve 예 103[그림 3.3.1-1] 공중합 성분변경에 따른 PAEK 105[그림 3.3.2-1] PEEK/탄소섬유 직물 복합재료 휨 특성온도 의존성 106[그림 3.3.2-2] PEEK 수지와 PEEK-HT 수지의 인장강도의 온도 의존성 107[그림 3.3.3-1] 융착부의 파괴 면 108[그림 4.1-1] Tencate사와 Cytec사의 UD Tape의 용융온도, 탄소섬유 Grade 및 조도와 void 검사 111[그림 4.1-2] RTL(왼쪽)과 프리프레그(오른쪽) 112[그림 4.1-3] 탄소섬유 세미 프레그 112[그림 4.1.1-1] 고온 프레스 성형 공정 113[그림 4.1.1-2] 열간 프레스 성형 금형 및 성형품의 일례 114[그림 4.1.1-3] 열간 프레스 성형용 프레스기 114[그림 4.1.1-4] 연구 개발용 고온 LAB 프레스기 115[그림 4.1.1-5] 대형 프레스기 115[그림 4.1.1-6] RocTool사 및 도시샤 대학의 고주파 유도 가열설비 및 연구사례 116[그림 4.1.1-7] 열간 굴곡성형 전 외판과 굴곡후 외판 116[그림 4.1.1-8] 샌드위치 패널 끝단의 굴곡성형 117[그림 4.1.2-1] 열가소성 복합재의 융착원리 118[그림 4.1.2-2] 저항융착의 원리 119[그림 4.1.2-3] 저항융착 사례 120[그림 4.1.2-4] 유도융착 설비의 개요 121[그림 4.1.2-5] Rib 외판의 유도융착 로봇에 의한 결합 개념 및 산업화 실용화[2014] 121[그림 4.1.2-6] 초음파 융착 산업화 실용화 122[그림 4.1.3-1] A340-500/600 Access 패널과 ?형 단면의 Stiffener 결합 사례 123[그림 4.1.3-2] 플투루전 장치 개요 123[그림 4.1.3-3] 플투루전 성형 시제품 124[그림 4.2-1] 자동적층장치의 공정제어원리 126[그림 4.2-2] 개발된 자동적층장치별 공정제어 127[그림 4.2-3] 테이프 와인딩 장치의 적용 사례 128[그림 4.2-4] 성형부터 검사까지 자동화 설비의 구상도 128[그림 5.1.1-1] 복합재료의 인증시험 항목별로 필요한 재료의 제조 Batch 및 복합재 패널의 제조 수(예) 131[그림 5.1.1-2] Building Block Approach 135[그림 5.1.2-1] WSU-NIAR-NCAMP 구도 136[그림 5.1.2-2] NCAMP 파트너쉽 기업 및 기관들 136[그림 5.1.3-1] A340-500/600 리딩 에지(Leading Edge) 138[그림 5.2.2-1] 수지, 접합기술 및 자동화 정치를 통한 고효율 대형 부품개발 141[그림 5.2.2-2] ATL 및 AFP 장치 외관 142[그림 5.2.2-3] 복합재 부품 수리방법 143[그림 5.2.2-4] patch 및 scarf 수리 예 144[그림 5.2.2-5] Butt-joint panel, Butt-joint 부위, 25 J, 2 mm 두께 panel의 전형적인 충격결함 147[그림 5.2.2-6] Hot-bonder/Heat blanket를 이용한 patch 수리방법 147[그림 5.2.2-7] Infrared heater patch 수리방법 및 수리된 butt-joint panel 148[그림 5.2.2-8] Heat Gun 이용한 patch 수리방법 148[그림 6.2.1.1-1] 열 가소성 복합재 프레스 기계 151[그림 6.2.1.1-2] 노즐 헤드 모식도 및 현품 153[그림 6.2.1.1-3] Thermoplastic RTM 절차 155[그림 6.2.1.1-4] Thermoplastic RTM 적용 VW Pilot plant 155[그림 6.2.1.2-1] LAB 머신 157[그림 6.2.1.2-2] 열 가소성 복합재용 프레스 기계 157[그림 6.2.1.2-3] 열 가소성 복합재용 시험 및 조립치구 158[그림 6.2.1.2-4] 열 가소성 복합재 제조 혁신적 line-up QSP 및 생산제품 160[그림 6.2.2.1-1] Airborne사 보유 자동화 설비 161[그림 6.2.2.1-2] 전파 망원경 백업 스트럭쳐 163[그림 6.2.2.1-3] 열가소성 복합재 파이프(내부구조와 Tape Winding 장비 163[그림 6.2.3.1-1] 프레스 consolidation 및 stamp forming 성형기 165[그림 6.2.3.1-2] 파이버 플레이스먼트 166[그림 6.2.3.1-3] 토우(tow)의 곡선배치 166[그림 6.2.3.1-4] 적용부품 166[그림 6.2.3.1-5] PPS 혼합(commingled) 탄소섬유 직물 167[그림 6.2.3.1-6] 인발 성형품 및 금형 167[그림 6.2.3.1-7] Thermoplastic Pultrusion Line 167[그림 6.2.3.1-8] 합사프리폼을 통한 장섬유 열가소섬 복합재 제조 168[그림 6.2.3.1-9] 자동화 Thermoplastic 공정과 열가소성 복합재 Closed Box 제조 168[그림 6.2.3.2-1] TU Delft 열가소 복합재 개발 170[그림 6.2.4.1-1] Victrex 공급 열가소성 프리프레그 171[그림 6.2.4.1-2] Victrex-Tri-Mack사 공동개발 Hybrid Bracket 173[그림 6.2.4.1-3] TxV Aero Composites 개발 응용제품 174[그림 6.2.4.1-4] 비용개념도 175[그림 6.2.4.2-1] Tencate사 CETEX Thermoplastic Sheet 생산 178[그림 6.3.1-1] JAMCO ADP 제품 및 ADP 6단계 공정 182[그림 6.3.1-2] JAMCO ADP Profile 제품 183[그림 6.4-1] 보잉(Boeing)사 항공기 복합재 부품 SCM 예 188[그림 6.4-2] 에어버스사(Airbus)사 항공기 복합재 부품 SCM 예 189[그림 6.4-3] 보잉(Boeing)사 및 에어버스사(Airbus)사 항공기 부품 운송 개조화물기 190[그림 7.1-1] 항공기 구조 무게에서 차지하는 복합재 비율의 변천 국내항공기 현황 및 Boeing사/Airbus사 항공기 추이 194[그림 7.1-2] 세계 항공기 도태 및 증산 공급추이 195
