0. 목차
- '복합 재료'란?
- '복합 재료' 산업
- '복합 재료'는 '기지재'와 '강화재'로 구성된다.
- '제조 공정'에 따라 최종 제품의 특성이 결정
- 나노카본 복합 재료
- '복합 재료' 관련 기업
1. '복합 재료'란?
'복합 재료(Composite Material)'는 성분이나 형태가 다른 두 종류 이상의 소재가 물리적·화학적으로 원래의 상을 유지하면서도 서로의 특성을 상호보완하여 우수한 특성을 갖도록 한 재료이다. 크게 '기지재(Base Materials, 기지 재료)'와 '강화재(Reinforcement, 강화 재료)'로 구분할 수 있으며, 사용되는 소재의 종류에는 '금속(Metal)', '세라믹(Ceramic)', '고분자(Polymer)', '고무(Rubber)', '시멘트 유리', '탄소', '직물' 등이 있다. 형태별로는 '입자', '섬유', '판상 형태' 등이 있다. 제조·합성 기술의 첨단화로 각종 재료의 성능은 획기적으로 발전하고 있으며, 그 가운데 '복합 재료'는 우수한 구조적 성능 및 경량으로 다양한 용도로 개발되어 산업에 활용되고 있다. 특히, 항공·우주 분야의 주요한 구조재료로 적용되어 왔으며, 내부식성으로 인하여 '해양플랜트(Off-shore Plant)' 등에 확장 적용되었고, 스포츠 레저 산업 등의 다양한 분야의 제품에서도 쉽게 찾아볼 수 있다.
2. '복합 재료' 산업
'복합 재료' 산업의 특징은 '제조 기술', '배합 기술', '제품화 공정기술' 개발·조합을 통해 기존 제품 성능 대비 우수한 특성을 발현시켜야 하는 기술집약형 산업이다. 고부가가치 소재의 구현 가능한 대표적인 품목이다. 다만, 수요에 의한 공급 탄력성이 낮아, 가격 변동성이 다소 존재하며, 소수의 해외 대행업체들이 기초 소재의 연구개발 및 지식 재산권 확보를 통해 높은 시장 진입장벽을 구축하고 있다.
- 기술집약형 산업: '금속(Metal)', '플라스틱(Plastic)', '유리 세라믹(Glass-Ceramic)' 등 다양한 소재를 취급하므로, 소재별 특성에 대한 높은 이해도가 필요하다. 도한 전후방 산업의 소재 기술력과 높은 연계성을 가지고 있다.
- 고부가가치 산업: '자동차', '항공·우주', '방위', '의료', '바이오', '레저스포츠', '헬스케어' 등 매우 다양한 산업군에 적용할 수 있다.
- 가격 변동성이 높은 산업: 주요 글로벌 기초 소재 제조업체가 공급망을 장악하고 있어, '복합 재료'의 생산단가에 영향을 끼칠 수 있다.
- 시장 진입장벽이 높은 산업: 대량 생산을 통한 가격 절감이 가능하므로, 초기 설비 투자비 및 운영비에 대한 부담이 큰 편이다.
3. '복합 재료'는 '기지재'와 '강화재'로 구성된다.
3-1. '기지재(기지 재료)'의 종류
'기지재(Base Materials, 기지 재료)'는 강화 재료를 둘러싸고 있는 소재이다. '기지재'는 '응력(재료에 압축·인장·굽힘·비틀림 등의 하중을 가했을 때, 그 크기에 대응하여 재료 내에 생기는 저항력)'이 강화 소재에 골고루 전달되도록 하여, 강화재료의 표면이 손상되지 않도록 감싸주는 역할을 담당한다. 그리고 하중에 의한 '크랙(Crack)'이 발생되었을 시, 진전되지 않도록 하는 역할을 담당한다. '복합 재료'에 사용되는 기지 소재들은 '우수한 기계적 물성', '접착 성능', '인성(Toughness, 재료의 파괴에 질긴 정도)', 환경적 측면에서 분해 거동에 대한 '내저항성' 등의 특성이 요구되고 있다.
'복합재료(Composite Materials)'는 소재의 종류에 따라 크게 '고분자 기지 복합 재료(Polymer Matrix Composite Materials)', '금속 기지 복합 재료(Metal Matrix Composite Materials)', '세라믹 기지 복합 재료(Ceramic Matrix Composite Materials)'로 구분할 수 있다. '고분자 기지 복합 재료'는 '낮은 가격'과 '우수한 물성', '다양한 분야에 적용하다는 특징이 있고, '금속 기지 복합재료'는 고온에서 주로 사용하며, 압축강도가 우수하다. '세라믹 기지 복합 재료'는 강화 콘크리트 형태로 사용된다.
실제로 항공기 소재용 기지재로는 '고분자 기지(Polymer Matrix)'인 '에폭시(Epoxy)'와 '열경화성 폴리에스터(Thermosetting Polyester)' 소재가 가장 많이 사용되고 있으며, '세라믹 기지'의 경우 '인성(Toughness)'을 제공하기 어렵다는 단점이 있다. '에폭시' 소재는 항공기 개발 분야에 있어서 광범위하게 적용되어 온 대표적인 고분자 기지 소재이다. 수분에 민감하지만, '폴리에스터(Polyester)'와 비교하였을 때 우수한 물리적 강도를 나타낸다. 대부분의 '경화 에폭시' 소재의 경우 연신 물성이 낮으나, 복합 재료의 기조로 사용되었을 때 다양한 물성의 조절이 가능하다. 이에 가격 측면에서 경쟁력이 매우 높아 많이 사용되고 있다.
| 기지재의 종류 | 소재 | |
| 고분자(Polymer) |
열경화성 수지 |
에폭시 (주로 항공기에 사용) |
| 폴리에스터, 비닐에스터 (자동차 선박, 화학에 사용) | ||
| 페놀 (기능성 복합 재료에 사용) | ||
| 폴리이미드 (높은 온도의 우주용으로 사용) | ||
| 열가소성 수지 | 나일론, 열가소성 폴리에스터 (PET, PBT), 폴리아세탈 | |
| 금속(Metal) | 알루미늄, 타이타늄, 합금, 마그네슘 합금 | |
| 스테인레스강 - 고온에서 사용 (300~500℃) | ||
| 세라믹(Ceramic) | 산화 알루미늄, 탄소, 실리콘 카바이드 | |
3-2. '강화재(강화 재료)'의 종류
'강화재(Reinforcement, 강화 재료)'는 사용되는 재료의 형상에 따라 '입자', '섬유', '판상 형태' 등이 이용 가능하며, '기지재(기지 재료)'에 포함되는 응력을 주로 받아내는 역할을 담당한다. 이 중 '섬유 강화 재료'가 항공기용 소재로써 개발되고 있으며, 다용한 종류의 섬유 강화 복합체가 이용 가능하다. '강화재'가 '복합 재료'로써 성능을 구현하기 위해서는 다음과 같은 조건을 만족해야 한다.
- 첫째, '복합 재료' 전체에 걸리는 응력보다 '강화재(강화 재료)'에 걸리는 응력이 높아야 최적의 강화 효과를 낼 수 있다.
- 둘째, 섬유 강화 복합재료의 경우, 섬유의 길이가 길어야 하며, 단섬유를 사용했을 때는 최소 길이가 보장되어야 한다.
- 셋째, 강화재는 각각이 상이한 물성을 가지고 있다. 따라서 '금속 기지', '고분자 기지', '세라믹 기지' 등 기지재의 종류에 따라 적용할 수 있는 강화재의 종류를 달리하여야, 기지재-강화재간 이탈이나 파괴 현상을 방지할 수 있다.
| 구분 | 특징 |
| 유리 섬유(Glass Fiber) | 가장 널리 사용되는 강화재로, 다양한 산화물 유리로 제조한다. |
| 탄소 섬유(Carbon Fiber) | '예비체' 또는 '전구체'라고 불리는 섬유를 탄화시켜 제조하며, '폴리아크릴로니이트릴'의 열분해 또는 피치로부터 제조 가능하다. |
| 고분자 섬유(Polymer Fiber) | 나일론, 폴리에스터, 케블라, 아라미드 등이 대표적이며, 분자의 배열이 잘 되어 있어 높은 탄성계수와 높은 강도를 나타낸다. |
| 세라믹 섬유(Ceramc Fiber) | '알루미나 섬유', '탄화규소 섬유', '탄화규소 휘스커' 등을 이용하여 제조하며, 제조 방법에 따라 물성이 달라진다. '취성'이 높아 섬유의 직경을 작게 제작하는 것이 중요하다. 세라믹 섬유의 경우, 고온용 터빈 엔진에 적용하기 위하여 광범위하게 개발이 진행되고 있다. |
| 보론 섬유(Boron Fibers) | 알루미늄 강화재로 사용하며, 표면에 탄화규소층을 코팅하면 파괴강도를 향상시킬 수 있다. |
4. 제조 공정에 따라 최종 제품의 특성이 결정
'복합 재료(Composite Material)'를 다양한 산업 분야에 활발하기 적용하기 위해서는 '최고의 성능', '낮은 제품 가격', '높은 생산성'을 만족하는 균형 잡힌 선택을 해야 한다. '복합 재료'의 구성 재료인 기지재·강화재 등의 선택뿐만 아니라, 적용되는 제조 공정에 따라 최종 제품의 특성이 결정되며 생산 비용도 크게 달라진다. '고분자 복합 재료' 제품을 제조하는 방법은 매우 다양하나, 모든 공정은 다음과 같은 몇 가지 공통적·기본적 단계를 포함한다.
- 특별한 제품 형상과 미세구조를 가지도록 보강 섬유로 형태를 갖추는 단계: 섬유 보강구조는 크게 일방향 섬유인 '선형'과 2차원·3차원 구조의 '직조형'으로 분류할 수 있다. 복합재료 제조 방법에 따라 서로 다른 형태를 사용하며 최종 제품의 특성도 달라진다.
- 이러한 섬유 보강재를 고분자 수지로 함침 시키는 단계: '보강 섬유'의 함침은 제품을 만들기 이전에 수지로 미리 함침된 '프리프레그(Prepreg)' 형태로 이루어지거나, 제품을 성형할 때 수지 주입에 의해 일어난다. 많이 사용하고 있는 '열경화성 프리프레그'는 약간 끈적거리며 부분적으로 경화된 '토우(Tow)', '테이프(Tape)', '시트(Sheet)' 형태이다. 함침 과정에서는 원하는 제품 형상과 두께를 가질 때까지 적층하는 공정을 사용한다.
- 금형 등에 의해 형상이 유지되면서 수지가 경화되는 단계: 열경화성 수지를 사용하는 경우, 함침 공정에서는 제품 형상에 맞게 보강 섬유로 제품 형태를 갖춘 후 수지·경화제·첨가제 등을 섞어 함침하거나 주입을 한다. 수지가 함침된 섬유 보강재를 고체화하는 과정은 '열경화성 수지'의 경우에는 화학반응 공정에 의해서 일어나고, '열가소성 수지'의 경우에는 냉각 공정에 의해서 일어난다. 복합재 제품을 성형하는 방법은 '보강 섬유 구조' 및 '수지 선택'에 따라 매우 다양한 제조 공정이 일어난다.
4-1. 복합재 성형 기술
아래의 표는 대표적인 '복합재 성형 기술'의 특징을 요약한 것이다. 대표적인 '복합재 성형 기술'에는 'RTM(Resin Transfer Molding)', '오토클레이브(Autoclave)', '자동 섬유 적층(AFP: Automated Fiber Placement)', '필라멘트 와인딩법(Filament Winding Method)', '프리폼(Preform)' 등이 있다.
| 공정 기술 | 특징 |
| RTM(Resin Transfer Molding) |
액상 수지를 Dry Mat에 주입하는 기술 |
| 높은 생산성, 낮은 설비비, 높은 성능 | |
| 오토클레이브(Autoclave) |
적층한 프리프레그에 높은 압력과 진공을 가하여 성형 |
| 낮은 생산성, 높은 설비비, 고성능 | |
| 자동 섬유 적층(AFP: Automated Fiber Placement) |
일정한 폭을 가지는 프리프레그를 연속적으로 적층 |
| 비교적 높은 생산성, 자동화 공정, 오토클레이브 성형 | |
| 필라멘트 와인딩법(Filament Winding Method) |
섬유 다발을 수지 함침시킨 후, 맨드렐 위에 와인딩 |
| 높은 생산성, 자동화 공정, 오븐 성형, 비교적 높은 성능 | |
| 프리폼(Preform) |
섬유 보강재를 최종 제품과 가까운 형태로 성형 |
| 비교적 낮은 생산성, 자동화 공성, RTM 성형 |
5. 나노카본 복합 재료
'지진' 등으로 인한 극한 충격하중 작용과, '이상기후' 등으로 온도 조건의 변화에 대응하려면, '고성능 소재'의 개발이 요구된다. 이러한 극한 환경에서 대응할 수 있는 고성능 소재 개발의 필요성에 대한 인식과 수요가 크게 증가하고 있다. 이러한 필요성에 의해 등장한 대안 중 가장 주목받는 분야가 '탄소 소재'로 만든 '나노카본 복합 재료(NCCM: Nano Carbon Composite Material)'이다. '나노 카본 복합 재료(NCCM)'의 핵심인 '탄소나노튜브(CNT: Carbon Nano Tube)'는 입자형·섬유형 강화재에 비해 '강도(Strength)', '탄성계수(Elastic Modulus)', '내마모(Abrasion Resistance)' 성능이 우수하고, '전기 전도율(Electrical Conductivity)'과 '열 전도율(Thermal Conductivity)'이 뛰어나 미래의 신소재로 주목받고 있다. '탄소나노튜브(CNT)'는 우수한 물리적 특성과 화학적 안정성으로 인해 '복합 재료'의 '강화재'로 사용될 경우, 기존의 재료의 한계를 극복할 수 있을 것으로 기대된다.
6. '복합 재료' 관련 기업
'복합 재료(Composite Material)' 시장은 해외의 업체들이 시장을 선점하고 있다. 국내 기업의 경우 '제조 기술', '배합 기술', '제품화 기술' 부분에서 경쟁력을 확보하기 위해 연구개발을 지속적으로 추진하고 있다.
6-1. 오웬스 코닝(Owens Corning)
- 국적: 미국
'오웬스 코닝(Owens Corning)'은 '주거용·상업용 건축자재', '유리섬유 강화재(Glass Fiber Reinforcement)', '복합 재료(Composite Material)' 시장의 글로벌 선두 기업이다. '포춘(FORTUNE)'지가 선정한 60년 연속 500대 기업이며, 전 세계 27개국에 생산·영업·연구 시설을 두고 있다. 친환경 유리섬유 단열재, 건축용 복합소재 등을 주력으로 생산하고 있으며, '항공기', '헬리콥터', '자동차', '전기', '통신', '산업기반시설', '레저' 등 다양한 분야에 공급할 수 있는 제품군을 확대하고 있다.
6-2. 헥셀(Hexcel)
- 국적: 미국
'헥셀(Hexcel)'은 '산소 섬유', '직물', '접착제', '건축자재' 등을 생산하는 업체로, '탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastic)' 기술을 활용하여 '자동차의 경량화'와 '탄소 배출 감소' 등을 선도하고 있다. '우주항공', '항공기' 부품 분야에도 집중하고 있어, 2017년의 경우 영업이익의 72%가 우주항공 분야였다.
6-3. 테이진(Teijin)
- 국적: 일본
'테이진(Teijin)'은 '탄소섬유 공중합체(Carbon Fiber Copolymer)', '프리프레그 압축 성형(Prepreg Compression Molding)', '열가소성 플라스틱(Thermoplastic)', '유리섬유매트(Glass Fiber Mat)' 등을 생산하는 기업이다. 또한 '바디패널(Body Panels)', '구조 부품(Structural Parts)', '언더바디(Underbody)' 부품 등을 유럽 자동차 제조사들에게 공급하고 있다. '테이진'은 자동자 분야에서 '열가소성 수지'를 '탄소 섬유'에 혼합하여, 가열시 녹고 냉각시 급속히 굳어져 1분 이내에 자동차 부품을 성형할 수 있는 기술을 개발하였다.
6-4. 바스프(BASF)
- 국적: 독일
'바스프(BASF)'는 '플라스틱 복합 재료(Plastic Composite Material)', '나일론 섬유', '산업용 코팅제' 등을 생산하는 업체로, '기초 유기화학물질', '고분자 수지', '복합 재료', '플라스틱 제품' 등의 제조사업을 영위하고 있다. '바스프(BASF)'는 기존 '콘크리트 전신주'보다 더 '가볍고 강하면서 유연한 탄성을 지닌 전신주'를 성공적으로 개발하였다. 개발한 '전신주'는 재난 취약 국가인 일본의 대형 전신주 제조업체에 복합소재 전신주 '볼더(Boldur)'를 판매하였다.
6-5. 대한유화
- 국적: 한국
'대한유화'는 '에틸렌(Ethylene)', '프로틸렌(Propylene)', '고밀도 폴리에틸렌(High Density Polyethylene)' 등 기초 석유화학 물질부터, '합성수지(Synthetic Resin)'까지 생산하는 업체이다. 우수한 기술력과 품질 경쟁력을 바탕으로 세계시장에 제품을 공급하고 있다. 산학연 공동 연구를 통해 금속 와이어 대비 인장 강도가 10배 높고, 내화학성과 내마모성이 우수하며, '아라미드 섬유(Aramid Fiber)'보다 30% 이상 가벼운 '초고분자량 폴리에틸렌 섬유(Ultra High Molecular Weight Polyethylene Fiber)' 등을 개발하였다.
6-6. 동성화학
- 국적: 한국
- 설립: 1967년 9월
'동성화학'은 '신발창', '인조피혁', '섬유코팅' 등의 산업에서 사용되는 '폴리우레탄 수지(Polyurethane Resin)' 등을 제조하는 업체이다. 연결대상 종속회사로 화합물 및 화학제품 제조업을 영위하고 있는 '인도네시아(JDS)', '중국(GDJ, SDJ)', '베트남(VDS)' 현지법인을 보유하고 있다. 매출의 70% 이상이 수출을 통해 발생되고 있으며, '자동차', '항공',' 조선', '건축' 분야까지 범위를 확대하고 있다. '친환경 소재', '고기능성 신소재' 연구를 수행하고 있으며, 자체 기술 연구소를 운영하여 '열가소성 탄소섬유 강화 복합 재료(Thermoplastic Carbon Fiber Reinforced Composite Material)' 등을 개발하고 있다.
6-7. 위스컴(WISCOM)
- 국적: 한국
'위스컴(WISCOM)'은 '합성수지(Synthetic Resin)', '폴리염화비닐(PVC: Polyvinyl Chloride)', '폴리에틸렌(PE: PolyethylEne)', '마스터배치 컴파운드(Masterbatch Compound)' 등을 제조하는 업체이다. 중국에 소재한 종속기업 또한 '엔지니어링 플라스틱(Engineering Plastic)' 및 '플라스틱 합금(Plastic Alloy)' 제품을 제조·판매하고 있다. '위스컴(WISCOM)'과 해당 기업의 종속기업은 LG화학의 협력업체로 '고분자 수지' 기반의 제품을 생산하여 '전력', '통신', '자동차' 등의 다양한 산업으로 영업력을 확대하고 있다.