새로운 산업 부문이 등장하고 기존 산업 부문이 더 높은 수준의 효율성을 추구함에 따라 부식, 중량 감소, 연료 효율성 및 부품의 소형화와 같은 문제에 대한 효과적인 솔루션으로 복합 구성 요소로 추진되고 있습니다. 전통적으로 이러한 부품은 열경화성 복합재로 만들어졌습니다. 이러한 부품이 점점 더 작아지고 복잡해짐에 따라 다른 유형의 복합 용액이 필요해지고 열가소성 복합 재료가 사용되고 있습니다. 열가소성 복합재로 만든 부품은 더 복잡하게 설계할 수 있으며 대량 부품의 제조를 확장할 수 있습니다.

항공 우주 산업에 의해 촉발 된 복합 재료의 혁신은 이제 다른 산업 및 응용 분야에서 견인력을 찾기 시작했습니다. 우리는 2022년과 그 이후에 열가소성 복합 기술의 영향을 받거나 활성화될 5개 산업 부문을 살펴볼 것입니다.

도심 항공 모빌리티 (UAM)

 

항공우주 산업은 복합 재료 혁신을 주도해 왔습니다. 복합 재료는 인정된 성능, 수명 주기 및 제조 이점으로 인해 새로운 항공우주 플랫폼에서 금속을 계속 대체하고 있으며, Airbus A350 및 Boeing 787은 50% 이상의 복합 함량을 보여주는 두 가지 상업용 항공기의 예입니다[1, 2]. 복합 재료는 일반적으로 중량 감소, 설계 자유 및 서비스 수명의 비용 효율적인 이점을 기반으로 대규모 1차 및 2차 구조 응용 분야에 사용됩니다. 일반적인 예로는 항공기 날개, 풍력 터빈 블레이드 또는 자동차 섀시가 있습니다. 이 부품은 전통적으로 열경화성 복합 재료로 만들어집니다.

전 세계 대도시 지역의 현대적인 교통 혼잡과 일반적인 통근 문제는 지난 수십 년 동안 악화되고 있습니다. UAM 제조업체의 개척자들은 2차원으로 생각하는 대신 대도시 도로의 부담을 덜어주기 위해 3차원으로 생각하고 있습니다.

오늘날 가장 현대적인 상업용 여객기에서 항공 우주 기술을 가져와 도시 환경을위한 소규모 패키지로 가져 오는 것은 간단한 작업이 아닙니다. 무게, 소음, 안전 및 성능은 모두 심각한 고려 사항입니다. 현대 항공기는 수년 동안 열경화성 복합 구조를 사용해 왔습니다. UAM 제조업체는 기존의 열경화성 복합재를 설계에 수용하는 동시에 새로운 열가소성 복합재를 채택하고 있습니다.

열경화성 복합재의 일반적인 응용 분야는 대형 부품이지만 더 작은 상호 연결 부품은 여전히 금속용으로 설계되었습니다. 금속 부품의 복잡성과 부피로 인해 금속에서 기존의 열경화성 복합 재료로 전환하기가 어렵습니다. 이것은 열가소성 복합 재료가 경량화와 강도뿐만 아니라 복잡한 모양을 만드는 능력을 가져올 수있는 곳입니다. Greene Tweed의 Xycomp® DLF 와 같은 열가소성 복합재 플랫폼을 보유한 회사는 항공우주 분야에서 이러한 과제를 해결하고 있으며 항공우주 인증을 받은 열가소성 복합재 제품을 통해 UAM 시장 부문에서 복잡한 형상의 금속 대체에 대한 인식을 계속 변화시킬 것입니다.

우주 응용 분야

 

지난 10년 동안 우주 산업에는 많은 최초가 있었는데, 특히 "SpaceX의 Falcon 9 로켓 첫 번째 단계가 발사 지점 근처에서 지구로 성공적으로 귀환했습니다"[3]. 재사용 가능한 로켓 스테이지와 같은 혁신은 상업용 우주 회사에 의해 개척되었으며 우주 산업을 새로운 차원으로 이끌고 있습니다. 재사용 가능한 로켓은 우주선을 LEO (Low Earth Orbit)로 발사하는 비용을 크게 낮추었으며, 이는 우리가 본 적이없는 규모의 위성 별자리에 대한 비즈니스 사례를 가능하게하기 시작했습니다. 위성과 위성 별자리(하나의 체계로서 함께 작동하는 더 큰 위성 그룹)는 새로운 것이 아니지만, 이 새로운 별자리의 규모와 부피는 과거에 행해진 어떤 것보다 왜소합니다. 라이드 셰어링(로켓의 화물 구역을 여러 회사가 하나의 로켓을 공유할 수 있도록 별도의 구매 가능한 섹션으로 분할)의 출현으로 소규모 조직과 대학이 자체 위성을 궤도에 발사할 수 있는 산업이 열렸습니다. 최근 2021년 1월, SpaceX의 "Falcon 9 로켓은 143개의 우주선을 궤도에 올렸으며, 이는 한 번에 가장 많은 우주선이 발사된 새로운 세계 기록입니다"[4].

이 위성은 발사 시 무게를 줄이고 우주선의 서비스 수명을 연장하는 데 도움이 되는 복합 재료와 같은 고급 재료를 사용하고 있습니다. 복합 재료는 로켓의 탑재량에 추가 위성을 사용할 수 있도록 무게를 줄이고, 조립 시간을 단축하고 CTE(열팽창 계수)를 균일하게 하기 위한 부품 통합, 동일하거나 더 작은 크기로 새로운 구성을 달성할 수 있는 기능을 성형하는 기능과 같은 고유한 가치를 제공합니다. 위성의 여러 구성 요소는 태양 전지판, 안테나, 우주선 / 페이로드 구조, 전력 시스템, 추진 시스템 등과 같은 복합 재료를 사용하여 이점을 얻을 수 있습니다.

향후 10 년 동안 우주 탐사 첫 번째는 무엇입니까? 최초의 상업용 우주 관광 비행, 최초의 상업용 우주 정거장 및 / 또는 화성의 첫 번째 사람이 포함될 수 있습니까? 시간이 지나야 알 수 있지만 열가소성 복합 재료가 함께 할 가능성이 매우 높습니다.

로봇 공학

 

로봇 기술은 항공 우주, 방위, 산업 제조, 석유 및 가스, 의료 및 기타 산업을 포함한 많은 산업과 응용 분야에 영향을 미쳤습니다. 이러한 로봇 기술 애플리케이션에는 인간 동료와 나란히 작업하는 코봇, 극한 조건에 들어가는 인간 제어 로봇(인간이 그럴 필요가 없음), 이전에는 인간이 할 수 없었던 작업을 수행하는 무인 차량이 포함될 수 있습니다. 로봇 공학은 모든 산업 분야의 모든 계층에 영향을 미칠 잠재력을 가진 진정으로 혁신적인 기술입니다.

로봇의 존재감이 커짐에 따라 특정 응용 분야에서 로봇 중량, 탑재하중, 배터리 수명 및 안전이 중요한 설계 기능이 되었습니다. 여기에서 고성능 열가소성 복합재가 가치를 창출할 수 있습니다. 일반적으로 이러한 로봇의 크기와 복잡성은 특히 필요한 부피를 고려할 때 기존의 열경화성 복합재에 적합하지 않습니다.

압축 성형 열가소성 수지로 복잡한 모양의 금속을 교체하면 로봇의 무게를 크게 줄여 더 무거운 페이로드를 운반하거나 배터리 수명을 연장할 수 있습니다. 이러한 이점은 운영 효율성에 도움이 될 수 있으며 때로는 로봇 공학을 가능하게 하는 요소가 될 수 있습니다(특정 애플리케이션에서). Greene Tweeds Xycomp® DLF(불연속 장섬유) 열가소성 복합재 솔루션은 복잡한 형상의 금속 부품을 교체할 때 중량 감소, 부품 통합, 형상 금형 등을 가져올 수 있습니다.

수소 경제

 

새로운 수소 경제는 에너지 세계를 혼란에 빠뜨리고 변화시킬 잠재력이 있지만 수소 경제가 타당한 유일한 방법은 녹색 수소를 기반으로하는 것입니다. 재생 에너지의 부상, 정부와 민간 부문의 넷제로 경제 추진, 그린 수소의 잠재력은 모두 수소 경제의 출현에 중요한 역할을 합니다. 수소의 현재 응용 분야는 로켓 연료, 산업 공정 및 화학 제조이지만 수소의 진정한 잠재력의 미래는 운송 및 발전을위한 청정 연료 원입니다.  수소 처리는 단순히 인프라를 변경하는 것 이상의 과제를 안고 있습니다.

인프라 변경의 가장 큰 과제 중 하나는 수소를 생산에서 사용 지점으로 이동하는 것입니다. 수소는 저분자 가스이며, 기존의 원심 압축기는 팁 속도 제한으로 인해 기존의 금속 임펠러로는 도달할 수 없는 회전 속도를 높여야 하는 금속 취성 및 낮은 압력비 문제로 인해 순수한 수소를 운반할 수 없습니다.

그린 수소 생산에서 수소 에너지 저장 및 연료 전지 전기 자동차에 이르기까지 완전히 새로운 수소 공급망이 개발됨에 따라 고순도 수소를 효율적으로 처리할 수 있는 차세대 원심 압축기에 대한 필요성이 증가할 것입니다. 이 새로운 원심 압축기는 고성능 열가소성 복합 솔루션으로 구현됩니다.

열가소성 복합 미로 씰은 원심 압축기의 효율을 1% 이상 향상시키면서도 부식이나 금속 취성의 희생양이 되지 않습니다. 고강도 대 중량 비율의 열가소성 복합재로 만든 임펠러는 임펠러 무게와 로터에 가해지는 응력을 줄여 원심 압축기가 고순도 수소를 처리할 수 있도록 하여 더 높은 회전 속도를 가능하게 할 수 있습니다. 이러한 기술을 통해 OEM은 에너지 회사와 정부가 화석 연료에 대한 효과적인 에너지 대안으로서 녹색 수소의 이점을 실현하는 데 필요한 장비를 제공할 수 있습니다.

반도체 제조

 

반도체 산업은 COVID-19로 인한 재택 근무 및 공급망 문제의 출현으로 팬데믹 기간 동안 엄청난 양의 수요와 공급 압력을 보았습니다. IC 칩 제조에는 식각, 리소그래피, 증착, 웨이퍼 세척 등을 포함한 많은 단계가 있습니다. 이러한 단계는 이국적이고 가혹한 화학 물질을 사용하여 오늘날의 컴퓨팅 성능 수준을 가능하게 하는 복잡한 노드 구조를 만듭니다.

패턴 피처 크기가 축소됨에 따라 높은 반도체 장치 수율을 달성하기 위해 미립자 및 화학 오염을 제어하는 것과 관련된 문제는 해결하기가 점점 더 어려워지고 있습니다. 챔버 및 세척 공정에 사용되는 부품은 미립자를 저하시키거나 생성하지 않고 더 높은 온도와 열악한 화학 환경을 견딜 수 있어야 합니다. 이러한 조건은 차세대 웨이퍼 처리 장비에 대한 온도 및 내 화학성 요구 사항을 충족하기 위해 기존 재료를 고급 열가소성 복합 재료 및 새로운 제조 방법으로 대체합니다.

참조:

[1] "보잉 787 디자인 하이라이트", www.boeing.com, 2015년 4월 22일 액세스 http://www.boeing.com/, 상업용/787/#/디자인 하이라이트/비전 디자인/복합재/고급 복합 사용/.

[2] 키스 캠벨. "Airbus, '09년 후반에 새로운 A350 XWB용 부품 제조 시작", 엔지니어링 뉴스 온라인, 2009년 5월 11일, http://www.engineeringnews.co.za/article/airbus-to-start-manufacturing-parts-fornew-a350-xwb-in-late-09-2009-05-11.

[3] "SpaceX", britanica.com, 2021년 10월 액세스, https://www.britannica.com/topic/SpaceX.

[4] 마이클 시트. "SpaceX, 143대의 우주선을 탑재한 '라이드쉐어' 임무 시작, 단일 발사 기록", CNBC, 2021년 1월 24일, https://www.cnbc.com/2021/01/24/spacex-launches-rideshare-mission-with-143-spacecraft.html.