김상우 항공공학전공 교수(왼쪽)와 김동협 박사(오른쪽, 항공우주및기계공학과 박사과정 졸업, 현 LIG넥스원 재직)
 

  항공공학전공 김상우 교수 연구팀의 연구 성과가 복합재 공학 분야 국제 저명 학술지 Advanced Composites and Hybrid Materials에 게재됐다. 이 학술지는 Materials Science, Composites 분야 상위 1% 이내에 해당하는 세계적 수준의 저널로 영향력지수(Impact Factor)는 21.8이다.

  이번 연구는 항공기 날개 구조 등에 사용되는 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 복합재 구조물이 제조 과정에서 겪는 공정 유도 변형(PID, Process-Induced Deformation)을 보다 정밀하게 예측할 수 있는 해석 기술을 제시한 성과다.

  CFRP는 항공우주, 방산, 자동차 산업 등에서 구조물의 경량화와 고성능화를 동시에 구현할 수 있는 핵심 소재다. 하지만 제조 과정에서 열팽창과 화학 수축 등 다양한 물리 현상이 동시에 발생하면서 구조물 변형이 나타나는 문제가 있으며, 이는 설계 형상과 실제 제작 형상 사이의 오차를 발생시켜 조립 불량이나 성능 저하로 이어질 수 있다. 특히 항공기 날개나 위성 구조물과 같은 대형 복합재 구조물은 형상이 복잡하고 적층 구조가 다양하여 PID를 정확히 예측하기가 어렵다. 

CFRP 멀티스파 플랩 구조의 공정 유도 변형(PID)을 예측하기 위한 열-기계 연성 해석 개념도와 경화 공정 단계별 변형 해석 결과

  김상우 교수 연구팀은 이러한 항공기 날개 구조에 사용되는 CFRP 멀티스파 플랩 구조의 복합재 경화 공정에서 발생하는 변형을 분석하기 위해 유한요소법(FEM) 기반의 통합 해석 기법을 개발했다. 복합재 경화 과정에서 나타나는 열전달, 경화 반응, 재료 물성 변화, 화학 수축 등 복합적인 물리 현상을 통합적으로 고려하여 PID의 발생 메커니즘을 체계적으로 분석했다. 특히 항공기 구조물에 사용되는 단방향 복합재와 직조 복잡재의 특성을 동시에 반영해 보다 현실적인 해석 모델을 구현해 냈다.

  연구 결과 복합재 구조물의 변형은 경화 공정 단계에 따라 서로 다른 원인에 의해 발생하는 것으로 나타났다. 초기 가열 단계에서는 열팽창이 주요 요인으로 작용하지만, 경화 반응이 진행되면서 화학 수축이 주요 요인으로 전환되며 구조물 변형 양상이 달라지는 것으로 확인됐다.

  연구팀이 제시한 해석 방법은 복합재 구조물 설계 초기 단계에서 변형을 사전에 예측하고 설계에 반영하는 데 활용될 수 있어 항공우주 구조물 개발 과정에서 개발 기간 단축과 제조 비용 절감에도 도움이 될 것으로 기대된다.

  김상우 교수는 “복합재 구조물의 공정 유도 변형을 정확하게 예측하는 기술은 항공우주 구조물 설계와 제조 공정에서 중요한 과제”라며 “이번 연구는 대학 연구실의 기초 연구와 항공우주 산업 현장에서 제기되는 공학적 문제 해결을 연결한 산학 연계 연구 성과라는 점에서도 의미가 있다”고 말했다.

  이번 연구는 김상우 교수가 교신저자로 참여했으며, 당시 박사과정이었던 김동협 박사가 제1저자로 수행했다. 김동협 박사는 2025년 8월 우리 대학에서 공학박사 학위를 취득한 뒤 현재 LIG넥스원에서 근무하고 있다.