서강대 연구팀, 열가소성 복합재 접합 신기술 개발

서강대 기계공학과 김상엽 교수(왼쪽)와 강형우 석사과정생.

서강대학교(총장 심종혁) 기계공학과 김상엽 교수 연구팀이 유도용접 뒤 금속 발열체가 접합부에 남는 문제를 줄일 수 있는 ‘제거형 금속 서셉터(removable susceptor)’ 기술을 개발했다. 제1저자는 강형우 석사과정생이다.

열가소성 복합재(Thermoplastic Composites)는 가볍고 충격에 강하며 재활용이 가능해 항공우주·자동차·미래 모빌리티 분야의 차세대 구조재로 주목받고 있다. 유도용접은 접합면만 선택적으로 비접촉 가열할 수 있는 기술이다. 다만 전자기 에너지를 열로 바꾸기 위해 금속 발열체인 서셉터를 접합면 내부에 넣어야 한다는 한계가 있었다.

기존 금속 서셉터는 용접 뒤에도 접합부 내부에 남아 중량을 늘리고, 계면 불연속성에 따른 피로 균열과 수분 침투의 원인이 될 수 있다. 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 녹는점이 약 62도인 저융점 합금 ‘필즈 메탈(Field’s Metal)’을 임시 발열체로 활용했다.

필즈 메탈은 유도 가열 과정에서 전류가 흐르는 통로 역할을 한다. 이후 가압·압착 공정에서 액체 상태로 변해 접합면 밖으로 빠져나간다. 연구팀은 이를 통해 접합부 안에 남는 금속 잔류량을 2.5wt% 이하로 낮췄다.

또한 연구팀은 합금의 상변화 과정에서 전기저항이 높아지며 발열 효율이 증가한다는 점도 확인했다. 상변화 과정에서 발열량은 최대 35.1% 증가했고, 초당 20도 이상 빠른 가열 속도와 기존보다 8배 균일한 가열을 달성했다.

이 기술을 폴리에테르이미드(PEI) 용접에 적용한 결과, 목표 온도 도달 시간은 기존 메시 방식보다 60% 이상 단축됐고, 접합 강도는 17% 향상됐다. 연구팀은 녹은 금속의 확산 거동을 예측하는 머신러닝 기반 설계 기법도 개발해 복잡한 형상의 접합부에도 적용 가능성을 확인했다.

또한 기존 유도용접으로 가열이 어려웠던 단방향 PEKK 탄소섬유강화 열가소성 복합재(UD CFRTP)에도 기술을 적용했다. 별도 수지층을 추가하지 않고 15.7MPa의 접합 강도를 달성했다.

이번 연구는 한국재료연구원·한국연구재단·현대자동차 정몽구 재단의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 복합재료 분야 학술지 ‘Composites Part B: Engineering’에 게재됐다.

강형우 석사과정생은 “이번 연구는 금속 서셉터를 영구적인 구조재가 아닌 일시적인 가열 매체로 활용한다는 개념을 제시했다는 점에서 의미가 있다”며 “향후 항공우주·자동차·도심항공교통(UAM) 등 경량화가 중요한 산업 분야에서 활용될 것으로 기대한다”고 밝혔다.