발간 현황

탄소섬유 토우프리프레그가 로켓의 모터케이스, 위성 발사체용 모터케이스, 수소연료전지용 고압 압력용기, 자동차용 Drive Shaft 등 높은 물성을 요구하는 부품의 소재로 채택됨에 따라, 토우프리프레그의 물성 요구사양도 매우 높아졌다. 기존의 탄소섬유 토우프리프레그에 주로 T700급의 탄소섬유가 적용된 반면, 최근에는 T700은 물론 T800, T1000 급의 고강도, 초고강도 탄소섬유가 적용된 제품 개발이 이뤄지고 있으며, 토우프리프레그 제조 공정에서 탄소섬유 단사를 최소화 하여, 탄소섬유 물성의 95% 이상의 강도 전이율을 달성한 토우프리프레그가 출시되고 있다. Table 1은 다양한 탄소섬유가 적용된 TCR Composites 토우프리프레그의 기계적 물성을 나타낸 표이다.

또한 고성능 탄소섬유 토우프리프레그에 적용되는 수지는 기본적으로 고인성 에폭시 수지(Toughened Epoxy Resin)가 적용되고 있으며, 특히 초고압을 요하는 로켓 모터케이스와 700 bar의 압력을 주기적으로 충/방전하는 수소자동차용 연료탱크에 적용되는 토우프리프레그에는 고강도(High Strength)/고신율(High Elongation) 수지 시스템의 적용이 필수적으로 인식되고 있다.

Fig. 3은 영국 Red Composites의 토우프리프레그 제품에 적용된 보강섬유와 수지시스템으로, 고성능 복합재 압력용기에 적용되고 있는 수지 요구조건으로 고인성, 고신율 및 높은 강도전이율이 필요함을 확인할 수 있다[5].

Fig. 3 
Example of tow prepreg product range [RED Composites].

토우프리프레그의 적용 분야가 방산 및 항공 우주 용도에서 산업용, 선박용, 자동차용, 스포츠/레져 용으로 확대되면서 부품의 사용 요구 조건에 부합하는 다양한 수지 시스템이 적용되고 있다. 특히 산업용 토우프리프레그에는 내열성, 난연성, 도전성, 내충격성 등의 다양한 특성이 부여된 수지 시스템이 적용되고 있으며, 에폭시 뿐만 아니라 Cyanate Ester, BMI와 같은 고성능 열경화성 수지 적용 제품들이 출시되고 있다. 주요 토우프리프레그 제조사인 TCR社는 상온에서의 6개월 이상 보관 가능한 수지시스템이 적용된 토우프리프레그를 출시하여 주력 제품화하였는데, 이는 기존의 에폭시 수지가 적용된 토우프리프레그의 일반적인 상온 저장 가능 기간인 1개월을 훨씬 상회하는 것으로, 제품의 보관/운송/사용 안정성을 확보하여, 엄격한 이력관리를 요하는 항공/방산용도에 국한되어 사용하던 토우프리프레그의 용도를 산업용 부품에 까지 확대할 수 있는 기틀을 마련하였다.

최근에 자전거, 악기, 요트 부품 등 다양한 스포츠/레져 용도에 토우프레프레그가 적용된 제품들이 출시되고 있다. Fig. 4는 Advanced Composite Solution에서 출시한 토우프리프레그를 이용한 격자형 프레임이 적용된 자전거의 사례이다.

Fig. 4 
Example of sports / leisure application of tow prepreg [Advanced Composite Solutions].

탄소섬유는 섬유다발(Tow)을 구성하는 필라멘트(Filament)의 개수를 기준으로 레귤러토우(Regular Tow) 탄소섬유와 라지토우(Large Tow) 탄소섬유로 나뉜다. 레귤러토우는 섬유다발이 1,000~24,000개 (1 K ~ 24 K)의 필라멘트로 구성되어있는 비교적 얇은 다발의 탄소섬유로, 높은 기계적 특성 및 우수한 취급성으로 일반적으로 고성능 탄소섬유를 의미한다. 반면 라지토우 탄소섬유는 섬유다발이 48,000에서 320,000개 이상(48 K ~ 320 K)의 필라멘트로 구성된 두꺼운 다발의 탄소섬유로, 레귤러토우에 비해 기계적물성이나 취급성은 다소 떨어지나 가격이 저렴한 범용등급의 탄소섬유를 의미한다[6].

Fig. 5는 라지토우 탄소섬유가 적용된 토우프리프레그의 예이다. 먼저 Toray社의 라지토우 탄소섬유(Large Tow Carbon Fiber) 제조 자회사인 Zoltek社에서는 라지토우 탄소섬유와 범용 에폭시 수지가 적용된 저가형 토우프리프레그를 개발하여 출시하였으며, 독일의 탄소섬유 제조사인 SGL社도 자사의 라지토우 탄소섬유를 적용한 토우프리프레그를 출시하였다. 이들 제품의 목표시장은 기존 토우프리프레그가 적용되던 항공/방산과 같은 고품위 부품 시장이 아닌, 기존의 습식와인딩 공정이 적용되는 CNG (Compressed Natural Gas) 압력용기를 비롯한 산업용 부품시장으로, 중간재 제조에 따른 비용 상승을 공정 시간의 단축, 수율의 향상, 제품 성능 향상으로 극복하는 것을 목표로 하고 있다.

Fig. 5 
Large tow carbon fiber based tow prepreg [Zoltek (U), SGL (D)].

토우프리프레그의 제조 공법은 용제에 녹인 수지를 보강섬유에 함침 후 건조시키는 솔벤트 공정(Solvent Process), 수지를 파우더화 시킨 후 보강섬유에 정전기적 인력으로 부착시켜 용융/합침시키는 파우더 공정(Powder Process), 수지를 열로 용해시켜 점도를 낮춘 상태에서 보강섬유에 함침시키는 핫멜트 공정(Hot Melt Process) 등이 있다. 이 중 핫멜트 공정을 통해 제조된 토우프리프레그는 잔류용제가 없으면서도 수지의 함침율이 높아 고품위 복합재 부품 성형에 주로 이용된다. 그러나 핫멜트 토우프리프레그 제조공정은 아직도 개발 중인 공정으로, 선진 토우프리프레그 제조사에서는 노하우(Know-how)로 규정하면서 외부에 기술유출을 금지하며 기술을 보호를 하고 있다[7].

토우프리프레그 제조 관련 특허는 1980년 이후 24건이 출원 및 등록 되었으며, Toray 9건, Mitsubishi Rayon 5건, JX Nippon Oil & Energy Corp 4건 등으로 주로 일본의 프리프레그 제조사에서 주요 특허를 보유하고 있으며, 국내에서는 최근 이지컴퍼지트, 현대자동차 등에서 관련 특허를 출원하고 있다.

공개된 특허 정보를 통해 핫멜트 토우프리프레그 제조공법의 기술 동향을 살펴보면, 초기에는 일방향(Uni-directional, UD) 프리프레그를 슬리팅하여 Tape 형태의 토우프리프레그를 만드는 방식이 제안되었으며, 이후 롤코터/슬롯다이 코터 등을 이용하여 탄소섬유에 직접 수지를 공급하는 다이렉트 코팅법이 제안되었다. 최근에는 증가하는 토우프리프레그의 수요에 대응하기 위해, 다이렉트 코팅법에 기초한 양산 개념의 고속 생산 방법 및 제품의 품질 향상에 대한 제조공정 특허가 출원되고 있다. Freddy 등[8]은 2롤 코터를 이용한 다이렉트 코팅 방식의 토우프리프레그 제조공정에 대한 특허를 출원하였으며, Fig. 6은 Park 등[3]이 제안한 토우프리프레그 제조공정으로 정밀한 수지 함량 제어를 위해 3롤 코터를 도입하였으며, 보강섬유의 입사각 조절을 통한 개섬(Spreading) 특성향상 효과를 얻을 수는 것으로 알려져 있다.

Fig. 6 
Example of hor-melt tow prepreg manufacturing Process [EZ Composites].

필라멘트와인딩 공법 외 토우프리프레그가 적용되는 공법인 Automatic Fiber Placement(AFP)을 이용한 복합재 부품의 제조 사례가 늘어나면서, AFP 공법에 적합한 수지가 적용된 토우프리프레그가 출시되고 있으며, 특히 다양한 열가소성 프리프레그 제조공법의 개발로 열가소성 수지가 적용된 토우프리프레그의 상업화도 진행되고 있다.

독일의 자동화 장비 제조사인 Compositence에서는 에폭시 수지가 적용된 라지토우 토우프리프레그를 AFP 공정에 활용하여 압축성형공법(Compression Molding Process)을 위한 프리폼(preform) 대량생산 기술을 제안하였다. Fig. 7은 Compositence의 토우프리프레그/AFP 적용사례로 1,800 x 1,800 x 2.5 mm급의 [0/90/+45/-45]_s 구조의 프리폼을 제작하는데 11분 36초의 시간이 소요되며, 새로운 프리폼 적층을 위한 준비시간이 6초에 불과해 효율적으로 프리폼을 제작할 수 있다는 장점을 강조하고 있다[9].

Fig. 7 
Automatic fiber placement process using tow prepreg [Compositence].

국내 토우프리프레그 제조사인 이지컴퍼지트社와 중국의 토우프리프레그 제조사인 ATA社에서는 토우프리프레그를 일정한 길이로 잘라 무작위 분산(Random Distribution)을 시켜 만든 절단형 프리프레그 몰딩 컴파운드(Chopped Prepreg Molding Compound, CPMC)를 상업화하였다. 가장 널리 알려진 미국 Hexcel사의 CPMC 제품인 HexMC가 프리프레그를 길이방향으로 스리팅 한 후, 다시 일정한 길이로 절단하여 제조하는 것으로 원소재와 제작방법에 일부 차이는 있지만, CPMC 자체의 사용방법은 완전히 동일하다. Fig. 8은 CPMC의 성형 공정로도, 등방성 장섬유 소재인 CPMC의 압축성형공정을 통해 단조 알루미늄 수준의 고성능 CFRP 부품의 제조가 가능하다. 최근에는 성형시간 2분 미만의 속경화형 수지가 적용되어, 대량생산 공정과 접목된 자동차용 부품의 소재로 큰 주목을 받고 있다[10].

Fig. 8 
Chopped prepreg molding compound (CPMC).