세계 자동차 시장에서는 가볍고 튼튼한 소재 개발이 화두다. 탄소배출량 감축과 탑승객의 안전을 모두 지키기 위함이다. 탄소섬유와 플라스틱으로 구성된 ‘탄소섬유강화복합소재(CFRP, Carbon Fiber Reinforced Plastic)’가 가장 주목받고 있는 가운데 액체에서 고체로 바꾸는 ‘경화’ 공정 시간을 줄이는 것이 관건이다. 

국내 연구진이 전자선을 이용해 탄소섬유강화복합소재를 단시간에 만드는 기술을 개발해 차세대 자동차 부품 대량생산에 근접했다. 

한국원자력연구원(원장 박원석)은 ‘전자선 경화 탄소섬유강화복합소재를 이용한 자동차 부품소재 기술’을 (주)엠에스오토텍(대표 김범준)에 이전하는 기술실시계약을 체결했다고 8일 밝혔다. 기술료 1억원을 받는 조건이다.

엠에스오토텍은 1990년부터 제품설계, 구조·충돌 시뮬레이션, 신뢰성 평가 등의 R&D 역량을 쌓아온 자동차 차체부품 전문기업으로 현재 중국, 인도, 브라질, 미국 등 해외시장에 계열사를 두고 있다.

일반적으로 탄소섬유강화복합소재를 굳히는 방법에는 열경화와 상온경화가 있다. 섬유, 플라스틱, 경화제 등이 혼합된 액상 물질에 열을 가해 경화하면 3~4시간, 상온경화에는 3일 정도 걸린다. 반면 원자력연구원이 자체 보유한 10MeV(메가전자볼트)급 전자선가속기를 활용하면 경화공정시간이 10분 이내로 줄어든다.

전자선은 파장이 짧고 에너지 효율이 높은 방사선으로 물질에 쪼이면 빠르고 단단하게 분자구조를 변화시킨다. 전자선 경화 시 촉매나 경화제도 필요 없다. 원자력연구원은 탄소섬유강화복합소재에 40kGy(킬로그레이)의 전자빔을 쪼였다. 3m 크기 대형 자동차 부품도 한 번에 처리할 수 있다. 

원자력연구원이 개발한 이번 소재는 잡아당기는 힘에 버티는 인장 강도와 꺾으려는 힘에 버티는 굴곡 강도 모두 1GPa(기가파스칼) 이상으로 이는 시중 자동차 부품 소재와 유사한 수준이다. 이에 반해 무게는 기존 대비 89% 수준으로 한층 가볍다는 장점이 있다.

전자선으로 탄소섬유강화복합소재를 경화하는 방식은 이미 존재했지만 금속을 대체할 수준으로 기계적 물성 강도를 높이는 것이 과제였다. 

연구진은 전자선 조사 이전 단계에서부터 복합재료의 구성과 제조방법을 달리해 문제를 해결했다. 조직이 치밀한 T700급 탄소섬유와 액상의 에폭시 아크릴레이트를 결합시킨 새로운 재료 구성을 찾아냈다. 이후 전자선으로 경화해 복합소재의 물성을 높였다. 300MPa(메가파스칼)이었던 기존의 전자선 경화 탄소섬유강화복합소재와 비교해 성능이 약 3배 향상됐다. 

원자력연구원은 개발 기술의 상용화를 목표로 엠에스오토텍, 고등기술연구원(원장 김진균), 충남대학교(총장 이진숙)와 협력해 시제품 제작, 금속접합 실험, 신뢰도 평가 등을 수행한 상태다. 이번 성과는 원자력연구원 방사선연구부 김현빈 책임연구원을 중심으로 2019년부터 과학기술정보통신부 방사선고부가신소재사업의 지원을 받아 이뤄냈다. 

한국원자력연구원 첨단방사선연구소 이남호 소장은 “자동차 산업 외에도 항공·드론, 국방, 해양·선박 등 여러 산업 분야에 적용 가능한 소재 기술”이라며 “앞으로도 국민 일상에 와 닿는 방사선 기술개발에 최선을 다하겠다”고 밝혔다.