2022년 시작된 우크라이나 전쟁은 전통적인 고강도 분쟁(High Intensity Conflict)와 달리 저강도 분쟁(Low Intensity Conflict)에 사용되는 드론(Drone)이 전쟁의 양상을 바꿨다는 평가를 받고 있다.

러시아는 이란과 튀르키예로부터 드론을 수입했을 뿐 아니라 중국산 민수용 드론도 전장에 투입했다. 드론은 유인 전투기나 미사일에 비해 저렴하지만 파괴력은 그에 못지않아 이른바 '가성비'가 높은 무기다.

드론은 일반 금속이 아니라 플라스틱이나 종이로 제작할 뿐아니라 크기가 작아 기존 레이더로 탐지가 어렵다. 드론이나 도심항공교통(UAM)이 사용될 수 있는 100% 자기가화복합재료에 대해 알아보자.

◇ 한국과학기술연구원(KIST)의 안보⸱재난안전기술단의 임무 소개

한국과학기술연구원(KIST)의 안보⸱재난안전기술단은 2010년 설립됐다. 국방 연구개발 제도개선, 국방 연구개발 과제화/연구지원, 군에 과학기술 지원 등의 임무를 수행하고 있다.

더불어 안보⸱재난안전기술단 소속 미래국방국가기술전략센터는 2022년 만들어졌다. '국방과학기술 혁신을 위한 국가 연구개발 투자전략 싱크탱크'로 비전을 설정했다.

주요 임무는 △과학기술정보통신부의 국방 연구개발(R&D) 투자정책 수립 지원 △국방적용 가능 민간R&D 역량 발굴-과제기획 △국방R&D 민관군 협력기반 마련 등이다.

이번에 소개할 기술은 KIST의 전자파차폐융합연구단 김재우 책임연구원(jaewoo96@kist.re.kr)이 수행한 '탄소섬유강화복합재료 대체 100% 자기강화복합재료 기술'이다.

◇ 연구 목표... 접착강도, 인장강도 및 충격 저항성 대폭 향상된 자기강화복합재료 개발

김재우 책임연구원은 새로운 공정을 도입해 접착강도, 인장강도 및 충격 저항성 대폭 향상된 자기강화복합재료를 개발했다. 

연구를 시작한 배경은 도심형 항공 모빌리티(UAM)와 같은 미래 이동수단이 현실화되기 위해서는 연료 효율성은 높이면서 탄소 배출을 줄여야 한다는 수요가 제기됐다. 우수한 물성과 재활용이 가능한 새로운 소재 개발이 반드시 필요하다.

자기강화복합재료는 가격이 저렴하고 경량성이 뛰어날 뿐만 아니라 강화재와 기지재가 동일한 성분으로 구성돼 폐기 및 재활용 측면에서 이점이 있다.

이 때문에 항공기 등에 사용되는 탄소섬유강화복합재료를 대체할 차세대 복합재료로 주목을 받고 있다. 기존 탄소섬유강화복합재료보다 30~40% 더 가볍고 기계적 물성이 크게 향상된 차세대 소재다.

◇ 연구내용 및 결과... 기존 탄소섬유강화복합재료 대비 52% 가볍고 비행시간은 27% 증가해 적용 가능성 확인

폴리프로필렌(polypropylene, PP) 고분자 1가지 종류만을 사용한 100% 자기강화복합재료를 개발했다. 기존에는 유동성 및 함침성을 향상시키기 위해 강화재 혹은 기지재에 화학적으로 다른 성분을 혼합해왔다.

하지만 이는 물성과 재활용 측면에서 부정적이다. KIST 연구팀에서는 4축 압출 공정을 통해 폴리프로필렌 매트릭스의 사슬 구조를 조절해 용융점, 유동성, 및 함침성을 제어하는데 성공했다.

새로운 공정이 적용된 자기강화복합재료 물성 실험적 검증 및 차세대 모빌리티에 적용한 결과를 정리하면 다음과 같다.

우선 개발된 자기강화복합재료는 접착강도, 인장강도 및 충격 저항성이 기존 연구결과 대비 각각 333%, 228%, 2700% 향상된 최고 수준의 기계적 물성을 달성했다.

또한 소형 드론의 프레임 소재로 해당 재료를 적용했을 때 기존 탄소섬유강화복합재료 대비 52% 가볍고 비행시간은 27% 증가해 차세대 모빌리티 적용 가능성을 확인했다.