인천대학교와 한국과학기술연구원(KIST) 연구진이 탄소섬유 복합소재의 계면 특성을 규명하고, 전산 역학을 통한 정량 평가 방법론을 개발했다.

이번 연구는 구조용 복합재 설계와 신뢰성 향상에 새로운 통찰을 제공할 것으로 기대된다.

인천대 기계공학과 박형범 교수와 KIST RAMP융합연구단 이성호 박사 연구팀이 공동으로 수행한 이번 연구는, 탄소섬유 제조공정에 따라 나타나는 이방적 계면 물성을 체계적으로 분석하고 이를 정량적으로 평가할 수 있는 방법론을 제시했다.

연구팀은 탄소섬유 표면을 원자힘 현미경(AFM)으로 촬영한 실제 표면 지형 이미지를 유한요소(FE) 시뮬레이션에 직접 도입해, 섬유의 종방향·횡방향·수직 방향에서 계면 거동을 정밀하게 분석할 수 있는 새로운 모델링 접근법을 최초로 개발했다.

이 접근법은 일반 실험으로는 평가가 어려운, 이방적 표면 거칠기로 인한 기계적 맞물림과 계면 화학적 상호작용을 동시에 파악할 수 있어, 복합재료 설계와 공정 최적화에 핵심적 정보를 제공한다.

공동 연구팀은 “이번 연구를 통해 전산 역학 방법론으로 탄소섬유 복합소재 내 계면 특성을 실용적으로 평가할 수 있는 기술을 개발했다”며, “강도와 신뢰성이 높은 복합재 개발을 위한 명확한 방향성을 제시한다”고 설명했다.

또한 “제조 공정, 구조, 물성 간 복합적 상호작용을 이해함으로써, 향후 최적화된 설계 및 가공 전략 수립이 가능하다”고 덧붙였다.

이번 연구는 과학기술정보통신부, 산업통상자원부 지원 사업과 KIST 융합연구단사업, 나노·소재기술개발사업의 일환으로 수행됐다. 연구 결과는 학술지 Composites Part B: Engineering(IF 14.2, 2024 JCR 상위 0.3%)과 Carbon(IF 11.6, 2024 JCR 상위 10.1%)에 각각 게재되며 국제적으로 그 학술적 가치를 인정받았다.

박형범 교수는 “이번 연구를 기반으로, 재활용 가능한 미래 에어 모빌리티와 경량 구조용 복합재 설계에 실질적 기여를 할 수 있을 것”이라고 밝혔다.