1. 배경 및 목적1 2. 조사 연구 항목4 제 1 장 탄소섬유 및 탄소복합재 시장6 1.1 탄소섬유 제조, 생산업 및 규모6 1.2 탄소섬유 및 탄소복합재 시장동향과 국내 탄소시장 동향9 1.3 탄소복합재 제조기술12 1.4 탄소복합재 열가소성 수지 및 제조기술15 제 2 장 항공기의 열가소성 복합재 적용부품28 2.1 항공기 기체구조 적용사례28 2.2 복합재료 적용부위 검토29 2.3 최근의 제조 및 실용화 사례33 2.4 적용부위의 제안87 2.5 열가소성 수지 복합재료를 적용시 과제87 제 3 장 항공기 부품의 열가소성 수지 적용재료89 3.1 항공기용 복합재료에 요구되는 복합재 특성89 3.2 기존 복합재료 특성93 3.3 항공기 복합재료에 요구되는 열가소성 메트릭스 수지 특성104 제 4 장 항공기 부품 열가소성 복합재 제조에 관한 조사110 4.1 현재의 제조기술110 4.2 미래의 제조방법125 4.3 제조설비의 요구되는 능력128 제 5 장 항공기 부품의 열가소성 복합재 적용방법130 5.1 복합재 부품 인증방법130 5.2 적용시에 예상되는 과제139 제 6 장 해외 열가소성 복합재 제조사149 6.1 조사업체149 6.2 개요149 6.3 유럽의 열 가소성 수지의 복합재료 현황181 6.4 항공기 제조 탄소복합재 공급망 분석184 제 7장 결론193 7.1 민간 항공기 구조 부재에 요구되는 요건193 7.2 유럽과 미국의 열 가소성 수지 복합재료 현황195 7.3 국내의 현황과 향후 열가소성수지 복합재의 연구개발 필요성197 7.4 국내의 항공기용 열가소성 수지 복합재 개발과제 및 제안199 부록 1. Film Adhesive(Tencate 및 Cytec사) 부록 2. PEEK UD Tape (Tencate 및 Cytec사) 부록 3. 일본 열가소성 수지 복합재 관련 업체 List 및 열가소성 연구동향 부록 4. 국내 항공기용 열가소성 복합재 부품 개발과제 부록 5. 열가소성 복합재 수리공정 [ThermabondTM Process] 표목차 [표 1.1-1] 세계 탄소섬유 생산제조사 및 생산규모 8 [표 1.4-1] 열가소성수지 및 열경화성 수지 점도비교 16 [표 1.4-2] 열가소성수지 및 열경화성 수지 비교 17 [표 1.4-3] 항공기 및 자동차 열가소성 복합재 비요와 적용시장별 열가소성소재 18 [표 1.4-4] 열가소성수지 복합재 제조기술 25 [표 2.1-1] 항공기 열가소성 복합재 부품의 적용부위 28 [표 2.3.1-1] 열 가소성 수지의 장단점 35 [표 2.3.3.1-1] DINAMIT 프로그램 개발기술 및 내용요약 55 [표 2.3.3.2-1] 비용평가 70 [표 3.2.1-1] 열가소성 수지 특성과 복합재 적용 요구특성의 비교 94 [표 3.2.1-2] 판매되는 열가소성 수지 프리프레그 목록 97 [표 3.2.1-3] Tencate사의 PEI/Carbon 및 PPS/Carbon 복합재료의 물성치 98 [표 3.2.1-4] ICI, Cytec, Tencate 회사의 CF/PEEK 복합재료 및 Phoenixx회사의 PPS/Carbon, PA/Carbon 복합재료의 여러 물성치 99 [표 3.2.1-5] Victex 회사의 PEEK/Carbon 복합재료의 물성치 100 [표 3.3.2-1] Victrex사 PEEK의 내약품성 107 [표 5.1.1-1] 복합재료 인증작업 내용 131 [표 5.1.1-2] 경화전 프리프레그의 특성 132 [표 5.1.1-3] 복합재료 패널의 물리적 특성 132 [표 5.1.1-4] 복합재료 패널의 강도 특성 133 [표 5.1.1-5] 복합재료 패널의 내열 특성 133 [표 5.2.1-1] 열가소성 수지 복합재료 부품 인증상의 과제 139 [표 5.2.2-1] PEEK/Carbon (APC-2/AS4)의 patch 수리방법별 평가결과 145 [표 6.2.1.1-1] 비용 추산조건 152 [표 6.2.4.1-1] PEEK/Carbon 복합재료 특성치 173 [표 6.2.4.2-1] Tencate사 Adhesive Film 가격 176 [표 6.2.4.2-2] Tencate사 UD Tape 가격 177 [표 6.2.4.2-3] Tencate사 Semi-preg 및 Prepreg 가격 177 [표 6.2.4.2-4] Tencate사 Laminate 가격 177 [표 6.4-1] 주요 6개 탄소섬유 공급사별 사 항공사 기종 및 공급내용: precursor, fiber, prepreg 및 공급항공사 186 그림목차 [그림 1-1] 해외 환경규제 정책 동향 1 [그림 1-2] 운송기기 CO2 배출량 및 CFRP 적용에 따른 CO2 절감 1 [그림 1-3] 세계 탄소섬유 시장의 성장률과 적용분야별 시장규모 2 [그림 1-4] 세계 탄소복합재 시장의 성장률과 적용분야별 시장규모 3 [그림 1-5] 탄소복합재 매트릭스에 따른 매출규모[2015] 3 [그림 1.1-1] 탄소섬유 제조공정 및 Value Chain 6 [그림 1.1-2] 2015년 기준 탄소섬유 생산업체 및 규모 7 [그림 1.2-1] 탄소섬유 및 CFRP 수요예측 9 [그림 1.2-2] 2014년 기준 탄소섬유 적용시장 10 [그림 1.2-3] 2011~2016년 수출입현황 11 [그림 1.3-1] 매트릭스 종류, 섬유길이, 제조공정에 따른 복합재 제조기술 13 [그림 1.3-2] 열경화성 및 열가소성 수지와 탄소섬유 형태별 제조시간과 방법 15 [그림 1.4-1] Thermoplastic 수지의 유리전이온도(Tg)와 성형온도 20 [그림 1.4-2] Thermoplastic Polymer 종류와 현재 적용되는 Polymer Pyramid 20 [그림 1.4-3] Thermoplastic 가격, 성형, 적용온도 및 적용시장구분 21 [그림 1.4-4] PEEK PRESS 성형구도 22 [그림 1.4-5] 진공백(Vacuum Bag) 구도 22 [그림 1.4-6] PEEK 오토클레브 성형구도 23 [그림 1.4-7] Compression Properties of Thermoset/Thermoplastics 24 [그림 1.4-8] Thermoplastic Composite Matched Molding 25 [그림 1.4-9] Thermoplastic Composite Stretch Draw Molding 26 [그림 1.4-10] Thermoplastic Composite Compliance Molding 26 [그림 1.4-11] Thermoplastic Composite In-situ Consolidation 27 [그림 2.1-1] 항공기의 열가소성 수지 복합재료 부품의 적용동향 29 [그림 2.2.1-1] 각종 수지형 복합재료의 성형조건 30 [그림 2.2.3-2] 성형품 형태와 성형 사이즈를 매개 변수로 한 성형 방법의 관계 31 [그림 2.2.4-1] 용착공정 schematic 32 [그림 2.3.1-1] A380 Leading Edge 34 [그림 2.3.2-1] TPRC members and partners 37 [그림 2.2.2-2] Grid Stiffened Panel 38 [그림 2.3.3.1-1] DINAMIT Consortium Partnership 39 [그림 2.3.3.1-2] 배합기반의 소재개발 개념도 42 [그림 2.3.1.1-3] 다축 패브릭 제조에 따른 기계적 특성 및 제조성 42 [그림 2.3.3.1-4] 새로운 PEEK/Carbon(AS4) tape를 이용한 In-situ Consolidation ATP과 ATP+Autoclave Consolidation 43 [그림 2.3.3.1-5] Glass fabric + adhesive on tooling 및 PEEK/Carbon tape + adhesive 44 [그림 2.3.3.1-6] 특별히 제작된 표면진공홀을 가진 이중곡면 tool과 first ply 진공 흡착상태 45 [그림 2.3.3.1-7] 이중곡면 오븐 성형 자동적층 panel 개발 45 [그림 2.3.3.1-8] 자동적층 변수(parameters) 영향 연구결과 46 [그림 2.3.3.1-9] Eurocopter PPS/Carbon Canopy 격막성형기술 개념도와 시제품 47 [그림 2.3.3.1-10] 적외선가열 모델링 및 변수 영향 47 [그림 2.3.3.1-11] 사출장치 및 PPS/C 사출 라미네이트 48 [그림 2.3.3.1-12] Continuous Forming Machine과 PEEK/Carbon(APC2/AS4) Z contoured stringer 49 [그림 2.3.3.1-13] 열가소성 Roll Forming device 설계 및 Roll Forming Machine 49 [그림 2.3.3.1-14] Stiffened PEEK/Carbon(AS4) rib design & consolidated PEEK/Carbon(AS4) rib & feet 50 [그림 2.3.3.1-15] 레이저에 의해 손상된 표면에서의 PPS/Carbon 의 형태 51 [그림 2.3.3.1-16] PEEK/PEEK adhesive joint 본딩의 Single lap shear 강도결과: 수작업 샌딩, YAG Laser, diode Laser 표면처리 52 [그림 2.3.3.1-17] PEEK/Carbon(APC2/AS4) panel stiffened with PEI welding of stiffeners to skin 52 [그림 2.3.3.1-18] cost analysis flow chart 54 [그림 2.3.3.1-19] 격막성형(Diaphragm Forming) 비용예측 개발 tool(LCAT)의 각각버젼 예 54 [그림 2.3.3.2-1] ALCAS Partnership 56 [그림 2.3.3.2-2] ALCAS 개발 스케줄 56 [그림 2.3.3.2-3] 제조설계 최상화 및 프리프레그 ATL 57 [그림 2.3.3.2-4] Wing과 Center Box 최종조립, 기계적 및 피로시험 57 [그림 2.3.3.2-5] 동체결함 해결 panel 시험 58 [그림 2.3.3.2-6] Wing Box 연구 4 그룹 및 4가지 부품 58 [그림 2.3.3.2-7] Wing Box 시험 59 [그림 2.3.3.2-8] Double Shell 후방동체 59 [그림 2.3.3.2-9] 민항기 Wing 구성 개발업체 및 부품과 성형법 60 [그림 2.3.3.2-10] 각종 리브(rib) 부재와 성형법 61 [그림 2.3.3.2-11] Business Jet Composite Wing 61 [그림 2.3.3.2-12] EU Framework 6 ALCAS Research Program 62 [그림 2.3.3.2-13] 각종 열 가소성 복합재료의 성형성 평가(1) 62 [그림 2.3.3.2-14] 각종 열 가소성 복합재료의 성형성 평가(2) 63 [그림 2.3.3.2-15] AFP에서 성형 경화된 부품을 융착해서 일체 성형하는 방법 64 [그림 2.3.3.2-16] AFP에서 반 경화시킨 성형품을 오토클레이브에서 일체성형 65 [그림 2.3.3.2-17] AFP에서 성형 경화된 부품을 오토클레이브로 접착 강세를 보이고 일체 성형하는 방법 66 [그림 2.3.3.2-18] Atkins-Nedtech의 주 날개 바깥의 설계 66 [그림 2.3.3.2-19] 외판의 AFP 성형 67 [그림 2.3.3.2-20] 스트링거(stringer) 성형방법 67 [그림 2.3.3.2-21] 외판과 스트링거(stringer) 접착 68 [그림 2.3.3.2-22] 성형된 외판/스트링거(stringer) 구조 68 [그림 2.3.3.2-23] 주익 구조시험 69 [그림 2.3.3.2-24] 4가지 접근법의 중량평가 69 [그림 2.3.3.3-1] TAPAS Partners 71 [그림 2.3.3.3-2] TAPAS 1 개발 시제품 2종 72 [그림 2.3.3.3-3] TAPAS 1 ROADMAP 72 [그림 2.3.3.3-4] TAPAS 1 연구개발 Building Block 및 개발목표 73 [그림 2.3.3.3-5] Tancate사 Fabric, UD Tape 73 [그림 2.3.3.3-6] 설계 및 제작 자동화 적층 pattern 및 layup ply 74 [그림 2.3.3.3-7] 자동화 74 [그림 2.3.3.3-8] 공정개발: forming & welding of omega stiffeners 75 [그림 2.3.3.3-9] 공정개발: butt joint stiffened skins 75 [그림 2.3.3.3-10] 공정보강: web 및 skin 군열 Z shape profile 보강 76 [그림 2.3.3.3-11] 공정개발: butt joint stiffened skins & health monitoring 76 [그림 2.3.3.3-12] 조립개발 및 Full Scale 시험 77 [그림 2.3.3.3-13/1] 비용모델링 개발 대상 77 [그림 2.3.3.3-13/2] 비용모델링 개발을 통한 비용분석/최적화 연구 78 [그림 2.3.3.3-14] Fuselage panel demonstrator, skin laid up by Airbus @ EMC2 Nates 78 [그림 2.3.3.4-1] TAPAS 2 Partners 79 [그림 2.3.3.4-2] TAPAS 2 개발 시제품 3종 80 [그림 2.3.3.4-3] TAPAS 2 ROADMAP 80 [그림 2.3.3.4-4] 미래 Thermoplastic fiber placement cell 81 [그림 2.3.3.4-5] 항공기 동체 프레임과 스킨의 접합기술 81 [그림 2.3.3.5.2-1] WALiD 목적과 참여기관 83 [그림 2.3.3.5.3-1] 컨소시움 자동화 RTM Line 84 [그림 2.3.3.5.3-2] 자동화 RTM Line 개발실적 84 [그림 2.3.3.5.4-1] 열가소성 sheet를 이용한 Back Injection Overmolding 자동화 85 [그림 3.1.1-1] 기계적 접합부 파괴 사례 91 [그림 3.1.2-1] 열경화성 탄소섬유 강화 수지와 열가소성 탄소섬유 강화 수지의 내충격성 비교 92 [그림 3.2.1-1] 수지의 파단시 성장과 복합재료 파단시 잔류 압축강도 관계 95 [그림 3.2.1-2] 비행고도와 비행속도에 대한 외표면 온도 96 [그림 3.2.1-3] Victrex사의 PEEK의 동적 점탄성 96 [그림 3.2.1-4] Victrex사의 PEEK의 120℃아래의 인장 피로특성 97 [그림 3.2.1-5] Victrex회사 및 일본 ㈜미스야가 개발한 프리프레그 100 [그림 3.2.1-6] 현장 중합형 열가소성 수지와 열경화성 수지 CFRP의 점탄성 101 [그림 3.2.1-7] semi-crystalline polymer의 heat flow curve 102 [그림 3.2.1-8] PEEK/Carbon(APC2/AS4) prepreg의 heat flow curve 예 103 [그림 3.3.1-1] 공중합 성분변경에 따른 PAEK 105 [그림 3.3.2-1] PEEK/탄소섬유 직물 복합재료 휨 특성온도 의존성 106 [그림 3.3.2-2] PEEK 수지와 PEEK-HT 수지의 인장강도의 온도 의존성 107 [그림 3.3.3-1] 융착부의 파괴 면 108 [그림 4.1-1] Tencate사와 Cytec사의 UD Tape의 용융온도, 탄소섬유 Grade 및 조도와 void 검사 111 [그림 4.1-2] RTL(왼쪽)과 프리프레그(오른쪽) 112 [그림 4.1-3] 탄소섬유 세미 프레그 112 [그림 4.1.1-1] 고온 프레스 성형 공정 113 [그림 4.1.1-2] 열간 프레스 성형 금형 및 성형품의 일례 114 [그림 4.1.1-3] 열간 프레스 성형용 프레스기 114 [그림 4.1.1-4] 연구 개발용 고온 LAB 프레스기 115 [그림 4.1.1-5] 대형 프레스기 115 [그림 4.1.1-6] RocTool사 및 도시샤 대학의 고주파 유도 가열설비 및 연구사례 116 [그림 4.1.1-7] 열간 굴곡성형 전 외판과 굴곡후 외판 116 [그림 4.1.1-8] 샌드위치 패널 끝단의 굴곡성형 117 [그림 4.1.2-1] 열가소성 복합재의 융착원리 118 [그림 4.1.2-2] 저항융착의 원리 119 [그림 4.1.2-3] 저항융착 사례 120 [그림 4.1.2-4] 유도융착 설비의 개요 121 [그림 4.1.2-5] Rib 외판의 유도융착 로봇에 의한 결합 개념 및 산업화 실용화[2014] 121 [그림 4.1.2-6] 초음파 융착 산업화 실용화 122 [그림 4.1.3-1] A340-500/600 Access 패널과 ?형 단면의 Stiffener 결합 사례 123 [그림 4.1.3-2] 플투루전 장치 개요 123 [그림 4.1.3-3] 플투루전 성형 시제품 124 [그림 4.2-1] 자동적층장치의 공정제어원리 126 [그림 4.2-2] 개발된 자동적층장치별 공정제어 127 [그림 4.2-3] 테이프 와인딩 장치의 적용 사례 128 [그림 4.2-4] 성형부터 검사까지 자동화 설비의 구상도 128 [그림 5.1.1-1] 복합재료의 인증시험 항목별로 필요한 재료의 제조 Batch 및 복합재 패널의 제조 수(예) 131 [그림 5.1.1-2] Building Block Approach 135 [그림 5.1.2-1] WSU-NIAR-NCAMP 구도 136 [그림 5.1.2-2] NCAMP 파트너쉽 기업 및 기관들 136 [그림 5.1.3-1] A340-500/600 리딩 에지(Leading Edge) 138 [그림 5.2.2-1] 수지, 접합기술 및 자동화 정치를 통한 고효율 대형 부품개발 141 [그림 5.2.2-2] ATL 및 AFP 장치 외관 142 [그림 5.2.2-3] 복합재 부품 수리방법 143 [그림 5.2.2-4] patch 및 scarf 수리 예 144 [그림 5.2.2-5] Butt-joint panel, Butt-joint 부위, 25 J, 2 mm 두께 panel의 전형적인 충격결함 147 [그림 5.2.2-6] Hot-bonder/Heat blanket를 이용한 patch 수리방법 147 [그림 5.2.2-7] Infrared heater patch 수리방법 및 수리된 butt-joint panel 148 [그림 5.2.2-8] Heat Gun 이용한 patch 수리방법 148 [그림 6.2.1.1-1] 열 가소성 복합재 프레스 기계 151 [그림 6.2.1.1-2] 노즐 헤드 모식도 및 현품 153 [그림 6.2.1.1-3] Thermoplastic RTM 절차 155 [그림 6.2.1.1-4] Thermoplastic RTM 적용 VW Pilot plant 155 [그림 6.2.1.2-1] LAB 머신 157 [그림 6.2.1.2-2] 열 가소성 복합재용 프레스 기계 157 [그림 6.2.1.2-3] 열 가소성 복합재용 시험 및 조립치구 158 [그림 6.2.1.2-4] 열 가소성 복합재 제조 혁신적 line-up QSP 및 생산제품 160 [그림 6.2.2.1-1] Airborne사 보유 자동화 설비 161 [그림 6.2.2.1-2] 전파 망원경 백업 스트럭쳐 163 [그림 6.2.2.1-3] 열가소성 복합재 파이프(내부구조와 Tape Winding 장비 163 [그림 6.2.3.1-1] 프레스 consolidation 및 stamp forming 성형기 165 [그림 6.2.3.1-2] 파이버 플레이스먼트 166 [그림 6.2.3.1-3] 토우(tow)의 곡선배치 166 [그림 6.2.3.1-4] 적용부품 166 [그림 6.2.3.1-5] PPS 혼합(commingled) 탄소섬유 직물 167 [그림 6.2.3.1-6] 인발 성형품 및 금형 167 [그림 6.2.3.1-7] Thermoplastic Pultrusion Line 167 [그림 6.2.3.1-8] 합사프리폼을 통한 장섬유 열가소섬 복합재 제조 168 [그림 6.2.3.1-9] 자동화 Thermoplastic 공정과 열가소성 복합재 Closed Box 제조 168 [그림 6.2.3.2-1] TU Delft 열가소 복합재 개발 170 [그림 6.2.4.1-1] Victrex 공급 열가소성 프리프레그 171 [그림 6.2.4.1-2] Victrex-Tri-Mack사 공동개발 Hybrid Bracket 173 [그림 6.2.4.1-3] TxV Aero Composites 개발 응용제품 174 [그림 6.2.4.1-4] 비용개념도 175 [그림 6.2.4.2-1] Tencate사 CETEX Thermoplastic Sheet 생산 178 [그림 6.3.1-1] JAMCO ADP 제품 및 ADP 6단계 공정 182 [그림 6.3.1-2] JAMCO ADP Profile 제품 183 [그림 6.4-1] 보잉(Boeing)사 항공기 복합재 부품 SCM 예 188 [그림 6.4-2] 에어버스사(Airbus)사 항공기 복합재 부품 SCM 예 189 [그림 6.4-3] 보잉(Boeing)사 및 에어버스사(Airbus)사 항공기 부품 운송 개조화물기 190 [그림 7.1-1] 항공기 구조 무게에서 차지하는 복합재 비율의 변천 국내항공기 현황 및 Boeing사/Airbus사 항공기 추이 194 [그림 7.1-2] 세계 항공기 도태 및 증산 공급추이 195