10개층 내외의 적층수 최소화로 제품 두께 8T 이하, 유연성 동시에 확보
방검·방침 성능 Level 2, 내절단성 9등급, 안전제품 부품소재 국산화 기대
▶개발 소재를 채택해 개발한 방검·방침, 내절단 보호용 시제품들 - 방검/방침용 보호조끼, 목 보호대와 무릎 보호대 및 팔꿈치 보호대, 내절단용 장갑
‘다중직 직조 기술 및 서멀 스프레이 코팅(Thermal Spray Coating) 기술 적용, 면밀도 5kg/m² 급 경량 내절단, 방검·방침 복합소재 및 응용 제품 개발’ 사업이 완료됨에 따라 관련 다양한 수요마켓에서 시너지 효과가 기대된다.
산업부의 ‘안전보호 융·복합 섬유산업 육성사업’의 일환으로 4년 간(2019년 4월~2023년 3월)추진된 이 사업은 ㈜송이실업을 연구개발 총괄주관 기업으로 우양신소재, ㈜뉴테크, ㈜쓰리디코리아, 한국섬유개발연구원, 충남대학교 산학협력단 등이 공동개발에 참여했다.
경량 내절단, 방검·방침 복합소재의 개발은 최근까지 유사 연구개발 관련 다수가 시도됐지만, 이번 연구개발사업을 통해 원단의 수지 함침 접합기술을 적층구조로 변경하는 한편, 무겁고 유연성이 부족한 부분을 경량화 및 방검 성능을 확보하고, 가격경쟁력까지 확보했다는 데 의미가 부여되고 있다.
해당 사업의 목표는 경량화 조건을 만족하기 위한 이종 소재 특성에 따른 다중직 구조설계 및 고밀도 제직기술 개발, 내절단 성능 및 침투하는 Stab 소재의 순간 에너지를 무력화하기 위한 메탈계 금속소재를 적용한 직물소재 개발, 무기소재 적용 미세공극 감소를 통한 성능 극대화를 위한 서멀 스프레이 코팅기술 개발, 외부로부터 오는 순간 충격의 분산을 위한 3차원 구조의 3D 프린팅 기술개발을 통한 면밀도 5kg/m² 급의 복합소재 개발이었다.
참여 기업 및 대학, 연구기관의 유기적 협력을 기반으로 경량성 향상을 위해 이종 소재를 적용한 다중직 고밀도 제직기술 개발과 표면 저항을 높일 수 있는 고강도 코팅기술 개발에 역량을 집중했으며, 당초 목표했던 소재물성의 성능지표·정량적 목표치를 무난하게 달성했다.
▶사업을 총괄 주관한 ㈜송이실업은 이종 원사가 적용된 다중직 일체화 고밀도 직물 개발과 메탈계 원사를 적용한 고밀도 직물개발 및 사업화 전략 수립을 담당했다.
▶㈜뉴테크는 직물에 대한 최적의 서멀 스프레이 코팅 공법 개발과 원단 사이의 공극 최소화 및 방검·방침 성능 향상을 수행했다.
▶㈜쓰리디코리아는 3D 프린터 개발(보드, 펌웨어, 하드웨어)과 유연성을 지니는 충격 분산형 구조체 개발을, ▶우양신소재는 면밀도 설계 및 적층 구조 설계, 시제품 개발, 상용화 제품 개발, 성능분석 및 피드백, 사업화 전략 수립, 국내·외 판로 확보 등을 대응했다.
▶충남대학교 산학협력단은 고성능 복합소재개발, 소재 기초테스트 지원, 표면처리 기술 개발, 계면활성화 기술개발을, ▶한국섬유개발연구원은 시험분석 지원, 이종 융합 고성능 복합사 개발, 원사 표면 코팅 기술 개발, 이종 직물 간 접착력 향상을 위한 연구·개발을 수행했다.
특히, 소재개발의 기술적 차별성 확보를 위해 소재, 공정, 구조의 근본적 변화를 시도했다.
소재의 경우, 다중직·고밀도 원단 소재 개발을 겨냥했으며, 아라미드/메탈계 이종 융합 복합사/코팅사 소재개발과 서멀 스프레이 코팅 소재(텅스텐, 다이아몬드, 알루미나) 및 금속 또는 세라믹이 도입된 3D 프린터 필라멘트용 복합소재 개발을 선택했다.
공정 또한 면밀도 설계에 따른 다양한 기술 적용의 한계를 해결하기 위해 이종 소재 다중직 설계 및 고밀도 제직 기술(적층수 및 수지중량 ⟱)과 서멀 스프레이 코팅 기술을 통한 경량성 및 방검·방침 성능 확보, 3D 프린팅 기술로 고 내절단성 및 유연성을 확보하는 데 집중했다.
또, 기존 소재의 30층에 이르는 복합소재 적층에 따른 유연성 확보 어려움과 응용제품 채택의 제한을 개선하기 위해 내절단/방검·방침 복합소재 적층수 20층 이하 설계로 적층수 감소에 따른 수지 공정 최소화 및 경량성과 유연성을 확보하는 구조변화를 꾀했다.
4년 간의 사업 수행을 통해 최종, 3D프린트 복합소재+SUS 필라멘트/TSC직물+5레이어 파라 아라미드/복합코팅+5레이어 파라 아라미드직물+WC 파라 아라미드 복합사 직물+PMD/RMS 등 방검 지수 산정을 통한 총 10개 적층 구조 설계를 완료했다.
이를 통해, 적층수 최소화로 제품 두께 8T 이하, 경량성(면밀도 5kg/m²) 확보로 보안/구조 활동 시 작업 효율성을 향상시킬 수 있는 복합소재 개발에 성공했다.
개발소재는 5kg/m² 급(기존대비 면밀도 30.5%⟱)으로 기존 대비 30% 이상 경량화, 10개층 내·외의 적층수로 기존 대비 50% 이상 적층 절감, 방검 및 방침 성능 Level2 동시 만족은 물론, 서멀 스프레이 코팅과 3D 프린팅 소재 적용을 통한 이종산업 간 소재 융·복합 제품 개발이라는 결과를 도출했다.
또, 내절단성 최고등급인 9등급 달성과 사인장강도 4GPa 달성이라는 성능개선을 이뤘으며, 논문 및 학술발표 3회, 특허 4건을 출원했다.
한편, 이번 융·복합소재 개발에 따라 최근 주목되고 있는 흉기 강력 사고와 산업현장 안전사고 등 국민 생활안전 증진에 필요한 초경량형 방호제품 개발에도 기여할 전망이다.
내절단/방검·방침 보호소재의 원천기술 확보로 고부가가치 창출은 물론, 수입 의존도가 컸던 안전 제품의 부품소재 국산화로 수입대체 효과도 기대되고 있다.
특히, 다기능성 차별화 복합소재의 개발로 안전 관련 다양한 수요산업을 대상으로 최적의 솔루션을 전개할 수 있는 기반을 구축하게 됐다.
이번 연구개발사업의 종료에 따라 우양신소재를 비롯 4개 기업을 중심으로 사업화 및 홍보/마케팅을 위한 대응도 본격 추진하고 있다.
파리 국제 국방/치안 전시회인 Milpol Paris, A+A, Techtextil 및 국내 ADEX 방위산업전 등 전시회 참가, 국내 경찰 및 군납, 글로벌 보호구 전문기업 등 관련 수요시장을 대상으로 홍보 및 교류를 확대하고 있다.
또, 사업 추진 과정에서 획득한 다양한 융·복합화 원천기술을 기반으로 국방, 건축, 의류/헬스케어 등으로 신수요 마켓을 확대·전개하는 한편, 2024년부터 양산 품질 최적화 기반구축 및 사업 안정화를 본격 추진한다는 계획이다.
<김진일 기자>
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