[복합소재의 이용] 복합소재의 정의와 장점, 이용분야, 발전방향

목차

복합소재의 이용

Ⅰ. 복합소재의 정의

Ⅱ. 복합소재 사용의 장점과 이용분야

1. 복합소재 사용의 이점
2. 복합소재 사용분야
3. 복합소재의 구성요소
4. 구성요소별 특징
1) 모재
(1) 모재의 역할
(2) 모재의 종류
2) 강화재
3) 섬유강화소재의 종류
(1) 유리섬유
(2) 보론
(3) 아라미드
(4) 탄소섬유
(5) 실리콘 카바이드 섬유

Ⅲ. 복합소재의 발전방향

1. 추세와 전망
1) 항공기
(1) 군용기
(2) 민항기
(3) 우주 구조물
2) 자동차
3) 스포츠 레저용품
2. 위험 및 지속적인 기술개발 필요성
3. 최근 복합소재 기술발전 동향

본문내용

되며, 현재 자동차 부품의 복합재료 화에 관한 연구가 일본, 미국, 유럽 등지에서 활발히 진행되고 있다. 미국의 FORD사에서는 이미 1977년 5월 미국자동차공학회(Society of Automotive Engineers Convention; SAEC) 연래회의에서 100% 탄소섬유 강화 복합재료로 제작한 실험용 승용차를 전시 했다. 이 차의 연비는 같은 형의 Ford사의 승용차 LTD와 비교하여 7.2km/에서 9.7Km/l로 향상되었다. 이 실험용 승용차에 있어서의 CFRP부품 사용에 의한 경량화 효과를 다음과 같이 제시하였다. 현재 일반적으로 후드, 그릴, 트렁크, 문, 바퀴덮개 등에 복합소재가 많이 사용되고 있으며 여러 가지 부품을 조합하여 일체성형 한 부품도 개발, 적용되고 있다. 자동차의 하중전달 부품에도 복합재료가 사용되고 있는데, 그 예로는 드라이브샤프트, 현가 스프링, 그리고 프레임을 들 수가 있다.
3) 스포츠 레저용품
스포츠 레저용품의 고급화 및 고성능화 추세에 따라 가격이 높은 탄소섬유, 보론섬유 등을 사용한 테니스 라켓, 골프체, 낚시대, 자전거, 스키, 활 등이 개발되어 기존의 나무나 금속재료를 이용한 제품을 성능 면에서 크게 앞서고 있어 그 응용범위가 크게 확대되고 있다.
테니스 라켓의 경우 탄소섬유나 보론, 유리섬유는 가볍고 강도가 높으며, 진동감쇄 특성이 좋아 기존 재료로는 가능하지 못했던 디자인의 라켓 프레임이 개발됨으로써 테니스 라켓 시장을 섬유 강화 복합재료 라켓이 거의 다 점유한 실정 이다.
골프 샤프트의 경우 비틀림에 강하고 무게분포를 조절할 수 있다는 점 등이 테니스 라켓의 성능 향상과 유사하다. 요즈음에는 골프헤드로 가볍고 튼튼한 탄소섬유 복합재료로 제작함으로써 헤드면적을 크게 하여 약간 정확하지 못한 스윙도 보완될 수 있는 정도에 이르렀다.
복합재료 낚시대는 프리프레그(Prepreg)의 테이프포장(tape wraping)방법으로 제조되는데 종전의 대나무 낚시대와 비교하여 훨씬 가볍고 튼튼하며, 진동감쇄 특성, 변형의 회복성 등이 탁월하여 대나무 낚시대를 거의 대체하였다.
그 밖에 스키, 양궁, 체조기구 등에도 최신 복합재료가 응용되어 그 성능의 우수함이 여러 가지로 입증되었다.
또한 탄소섬유의 X선의 흡수율이 좋다는 점을 이용하여 의료기기의 부품으로도 응용되고 있으며, 탄소섬유 콘크리트(CFRC, carbon fiber reinforced concrete)가 개발되어 신소재의 혁신을 일으키고 있으며, 기존의 콘크리트에 탄소섬유를 4% 정도 포함시켜 인장, 굴곡강도를 2-3배, 연신율을 10배 이상 증가시킬 수 있어서 이에 대한 응용이 활발해지고 있다.
(2) 위험(risk) 및 지속적인 기술개발 필요성
복합재료는 재료 자체로서의 우수한 장점에도 불구하고 적극적인 응용이 아직 이루어지지 않고 있는데, 그 요인은 아래와 같다.
1> 비용: 재료비, 생산비, 신규 설비투자
2> 설계능력: 제품 설계의 어려움, 자료 체계의 부족
3> 소재 및 제조기술, 대량 생산성, 부품 결합 및 가공 기술, 제조공정, 관련기술 협력체계
4> 기타 플라스틱 제품의 내구성에 대한 인식, 수리기술에 대한 일반인의 인식 결여 등 제품을 가볍게 함에 따라 얻어지는 이점과 함께 어느 정도 제조원가가 상승하느냐 하는 점이 경량재의 사용량을 좌우한다.
탄소 섬유가 자동차의 경량계로서 지존 재료를 대체하려면 성능과 가격이 잘 조화를 이루어야 하며, 이를 충족시켜 가볍고 값싸면 더 많이 사용될 것이다. 따라서 현재로서는 가격의 저하가 필수적인데 과거 미국의 자동차 업계에서는 탄소섬유의 가격이 $22/kg 이하로 되지 않으면 자동차에 대한 적용은 어려울 것으로 전망하였으나, 1990년 초에 벌써 가격이 $22/kg이하로 판매되고 있어서 자동차에 대한 복합재료의 응용은 활발히 진행되리라 예상된다.
일반적으로 생산단가가 금속에 비해 높으며, 금속재부품 생산용 설비와 다른 제조 설비 투자가 초기에 필요하다는 점이 복합재료 적용의 또 다른 어려운 점이다. 또한 복합재료 부품은 일반적으로 제작시간이 길어서 현재는 하루에 100-1000대 이하의 생산량일 경우에 복합재료 부품이 우선적으로 적용되고 있는 것으로 알려져 있다. 그러나 앞으로 복합재료 원자재의 가격인하, 생산공정의 개발, 설계와 생산의 연계에 의하여 대량생산 일 경우에도 확대 적용될 것으로 보인다. 최근 복합재료 구조물 성형의 생산성을 향상시키기 위하여 새로운 제조 방법들이 응용되고 있는데 빠른 경화반응을 이용한 고생산성 제조방법의 개발에 대한 활발한 연구가 계속되고 있으며, 이러한 연구가 계속 진행됨에 따라 항공, 우주 분야에 국한되었던 복합소재의 적용분야가 점차 일반 산업분야에도 그 적용범위를 넓혀 가고 있는 추세이다.
(3) 최근 복합소재 기술 발전 동향
탄소섬유 복합소재로 동체제작을 통하여 연료효율을 높이고 습기에도 강한 민항기를 제작한 미국 보잉사 및 전문가들은 민항기 시장을 경쟁력우위를 확보 할 것으로 예측하고 있다.
2007년 7월 9일 보잉사의 차세대 여객기 '보잉 787드림라이너'가 일반인에게 처음 공개 되었다. 기술적인 면에서 보잉787의 가장 큰 특징은 동체 대부분에 복합소재를 사용하여 제작했다는 점이다. 보잉 787에 사용된 복합소재는 탄소섬유 강화플라스틱으로 탄소섬유와 에폭시 수지를 결합한 물질이다.
일반 여객기는 동체 제작 시 알루미늄 50%에 복합소재 12%를 사용했던 것에 반해 보잉787드림라이너는 50%의 복합소재와 15%의 알루미늄, 그리고 12%의 티타늄을 쓰고 있다. 그리고 금속을 사용한 기존의 항공기 동체는 볼트, 너트, 리벳 등을 이용해서 조립하였지만, 복합소재를 사용함으로써 약 5만개의 볼트사용을 줄일 수 있었다는 전문가의 해석이다.
볼트 사용을 줄이면서 비행기 무게는 가벼워지고, 정비비용도 크게 줄일 수 있으며, 복합소재는 알루미늄보다 훨씬 가볍기 때문에 열효율이 크게 상승하는 효과가 나타날 수 있다.
또 일반 금속재료 보다 내습성이 우수하여 쾌적한 습도조건인 40-60%의 습도를 유지 할 수 있는 장점으로 향후 항공기 시장에서 필수 자재로 사용 되어질 전망이다.

키워드

복합소재 이용,   복합소재 정의 장점,   복합소재 이용분야,   복합소재 발전방향,   복합소재,   개념 정의 특징 특성,   문제점 개선과제,   의의 중요성 전망