“에너지 5%로 항공우주 소재 만든다”…부산대, CNT 줄가열 공정 개발

362℃ 고내열 확보·제빙·전자파 차폐 동시 구현…대면적 구조물 확장 가능성 제시

항공우주 산업은 경량화와 고내열성을 동시에 요구한다. 그러나 300℃ 이상 고온 공정이 필요한 기존 복합재 제조 방식은 높은 에너지 소모와 공정 비용이 걸림돌로 지적돼 왔다. 이러한 구조적 한계를 바꿀 수 있는 제조 기술이 국내 연구진에 의해 제시됐다. 부산대학교 응용화학공학부 성동기 교수 연구팀은 탄소나노튜브(CNT) 필름을 활용한 ‘줄가열(Joule heating) 공정’을 개발해 기존 대비 약 5% 수준의 에너지로 항공우주용 탄소섬유 복합재를 제조하는 데 성공했다고 밝혔다.

기존 공정은 금형 전체를 외부에서 가열하는 고온 프레스 방식이 일반적이었다. 폴리이미드와 같은 고내열 수지를 사용하기 위해서는 300℃ 이상의 고온 환경이 필요해 에너지 소비가 크고, 수지 점도가 높아 내부 기공 발생과 품질 저하 문제가 뒤따랐다. 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 탄소섬유 적층 구조 사이에 CNT 필름을 배치하고, 여기에 전류를 흘려 직접 발열시키는 방식을 적용했다. 전기에너지를 열에너지로 전환해 필요한 부위에만 열을 전달하는 방식이다. 보도자료 5페이지에 제시된 연구 이미지에는 CNT 필름 기반 줄가열 공정을 통해 복합재 내부를 균일하게 가열하는 구조와, 이를 항공기 엔진·전투기·로켓 등 항공우주 분야에 적용하는 응용 예시가 함께 나타나 있다.

이 공정을 통해 연구팀은 유리전이온도(Tg) 약 362℃ 수준의 고내열 특성을 확보했다. 이는 고온 환경에서도 구조적 안정성을 유지할 수 있음을 의미한다. 또한 CNT 필름의 균일 발열 특성으로 두께 방향 온도 편차를 최소화해 기계적 강도와 구조적 신뢰성을 향상시켰다. 기능적 측면에서도 확장성이 확인됐다. CNT 필름 도입으로 항공기 구조물에 필수적인 제빙(De-icing) 기능과 전자파 차폐 기능을 동시에 구현했다. 단일 구조 내에서 고내열성, 경량성, 다기능 특성을 통합한 것이다. 이는 극한 환경에 노출되는 항공기 외장재와 우주 구조체 적용 가능성을 높인다.

이번 연구 성과는 국제 학술지 Composites Part B: Engineering 4월호에 게재될 예정이다. 연구에는 한국재료연구원과 미국 텍사스주립대학교(The University of Texas at Austin) 연구진이 공동 참여했다. 에너지 집약적 고온 프레스 공정을 대체할 수 있는 저에너지 직접 발열 공정이 제시되면서, 항공우주 산업뿐 아니라 대면적 구조물 제조가 필요한 다양한 첨단 산업 분야로의 확장이 기대된다. 고내열 복합재 제조의 에너지 구조를 바꾸는 전환점이 될 수 있을지 주목된다.

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