일반적인 탄소 섬유 프레프리그 성형 방식

항공우주 및 고급 제조 산업의 정교한 세계에서 탄소섬유 프리프레그 성형 기술은 일종의 '보이지 않는 장인'과 같으며, 강도와 경량성을 결합한 극도로 정교한 공법으로 고품질 소재를 형성한다. 복합소재 분야에서 전통적인 공정인 탄소섬유 프리프레그 성형 기술은 수십 년에 걸친 반복 개선을 거쳐왔으며, 오늘날까지 고급 제조업의 '핵심 축'으로 자리 잡고 있다. 이번 시간에는 이 기술의 핵심 원리를 자세히 분해해보고, 수지가 함침된 탄소섬유 천 한 장이 어떻게 해서 우주선의 핵심 부품이자 레이스카의 차체 골격으로 변모하는지를 살펴보도록 하겠다.

탄소섬유 프리프레그란 무엇인가요?

성형 방법을 이해하기 위해서는 먼저 "프리프레그(prepreg)"의 기본 개념을 이해해야 한다. 간단히 말해, 탄소섬유 프리프레그란 탄소섬유 토우(tow)와 수지의 "완벽한 조합"인데, 엄격하게 통제된 온도와 압력 환경에서 에폭시 수지, 페놀 수지 등의 매트릭스 재료가 탄소섬유 원단에 균일하게 함침되어 일정한 점성을 가진 복합재 코일 또는 시트 형태로 만들어진다.
이러한 "사전 함침" 특성은 드라이 섬유 성형 공정과 구별된다. 즉, 수지 함량과 분포가 미리 결정되어 있으며, 이후 성형 과정에서는 단지 재료를 몰드에 정확하게 적합시키고 완전히 경화시키는 데만 집중하면 되므로 현장 작업의 복잡성이 크게 줄어든다. 마치 베이킹 전에 미리 반죽된 반죽처럼, 레시피는 이미 조정되어 있고, 이제 필요한 것은 오븐의 온도와 시간을 잘 조절하는 것뿐이다.

일반적인 성형 방법

（1）오토클레이브 성형
항공우주 등급의 고품질 복합재 제조를 위한 금본위적 공정입니다. 탄소섬유 프리프레그 적층물과 몰드를 진공 백 안에 밀봉한 후 고온·고압의 대형 압력용기인 핫프레스 탱크 안에 넣는 방식으로 진행됩니다. 경화 과정에서 여러 기압에 달하는 균일한 고압과 고온이 동시에 탱크에 가해져 수지가 충분히 흐르면서 섬유들이 조밀하게 압축되며, 이로 인해 매우 높은 섬유 함량과 낮은 다공성을 가진 부품이 생성됩니다.
이 공정의 장점은 뛰어난 기계적 특성과 일관성을 지닌 복잡한 구조 부품을 만들어낼 수 있다는 점입니다. 그러나 단점 또한 명백합니다. 핫프레스 장비 자체가 매우 비싸고 에너지 소모가 크며 생산 사이클이 길고 비용이 많이 들기 때문에, 일반적으로 극한의 성능이 요구되는 항공우주 및 F1 레이싱카 분야에만 제한적으로 사용됩니다.
（2）컴프레션 몰딩
중에서 대량 생산에 적합한 고도로 효율적인 공정입니다. 사전 점착 처리된 재료 또는 성형 컴파운드(예: SMC)를 미리 가열한 금속 몰드에 정량 투입한 후, 몰드를 닫고 고압과 고온을 가하여 재료가 몰드 내부 공동 안으로 흐르며 채워지게 하고, 그 후 보온 및 압력 유지 상태에서 경화 및 성형을 완료합니다.
이 공정의 장점은 높은 수준의 자동화, 빠른 생산 속도, 제품의 치수 정확도가 높으며 양면이 매끄럽다는 것입니다. 그러나 고압을 견딜 수 있는 강성 몰드가 필요하기 때문에 초기 투자 비용이 높습니다. 자동차 바디 패널, 배터리 케이스, 고효능 스포츠 용품 등 표면 품질이 요구되는 대량 구조 부품 제조에 매우 적합합니다.
（3）진공 백 성형
대기압을 이용하여 복합재료를 압축하는 기본적이고 널리 사용되는 공정이다. 보조 재료 여러 겹 위에 수작업으로 접착하거나 프레프레그 층을 덮은 후, 전체 시스템을 진공 백으로 밀봉하고 진공 펌프로 계속해서 공기를 빼내 음압을 만든다. 이를 통해 대기압이 제품 표면에 균일하게 작용하여 공기를 제거하고 구조를 압축한다.
이 방법은 섬유 함량을 크게 증가시키고 기공률을 줄이며 수지 분포의 균일성을 향상시킬 수 있으며, 비용도 열가압탱크 대비 훨씬 낮다. 그러나 최대 약 0.1MPa의 압력만 제공할 수 있어 고압 공정만큼의 성능 한계에는 미치지 못하지만, 조선, 프로토타입 제작 및 중간 수준의 성능을 요구하는 복합재 부품에 널리 사용된다.
（4）롤 래핑
고성능 얇은 벽면 튜브 생산에 특화된 방향성 공정입니다. 탄소섬유 프리프레그를 특정 각도로 절단한 후 장력 하에서 정밀하게 마드릴 위에 감아 감으며, 일반적으로 압축 밴드를 감아 압축력을 가하고, 그 후 오븐에서 가열하여 경화시킨 다음 탈형하여 파이프를 얻습니다.
이 공정을 통해 섬유 배향(예: 0°, ±45° 조합)을 정밀하게 제어할 수 있어 우수한 축 방향 왕복 기계적 특성과 높은 치수 정확도 및 표면 품질을 달성할 수 있습니다. 그러나 프리프레그와 마드릴에 의존하며 생산 효율이 낮고, 주로 골프클럽 샤프트, 낚싯대, 자전거 포크 다리 등의 고급 스포츠 용품에 사용됩니다.
（5）필라멘트 와인딩
회전형 고강도 부품을 제조하는 자동화 공정입니다. 연속 탄소섬유 토우는 수지 욕에서 함침된 후, 컴퓨터 제어 와인딩 헤드에 의해 회전하는 마드릴 위에 미리 설정된 프로필과 각도로 정밀하게 적층되어 설계 두께에 도달할 때까지 감겨지고, 이후 원하는 형상으로 경화됩니다.
이 공정의 가장 큰 장점은 섬유가 연속적이며 균일한 장력을 가지므로 매우 높은 섬유 체적 함량과 강도 활용이 가능하다는 것입니다. 특히 내압을 받는 용기류에 매우 효과적입니다. 그러나 볼록한 회전 성형 형상으로 제한되며 장비 비용이 비쌉니다. 일반적인 제품 예로 고압 가스 실린더(CNG/수소), 배관 및 로켓 모터 케이스가 있습니다.
（6）프레스트루전
일정한 단면을 가진 복합재 프로파일을 연속적으로 생산하는 매우 효율적인 공정입니다. '스파게티'처럼 연속된 탄소섬유 토우(tows) 또는 직물을 수지 욕조를 통과시켜 함침한 후, 가열된 정밀 강철 몰드를 지나며 성형되고 압축되며 연속적으로 경화되며, 최종적으로 트랙터에 의해 끌어내와 일정한 길이로 절단됩니다.
이 공정은 자동화된 연속 생산이 가능하고 원자재 활용률이 높으며 비용 효율성이 뛰어나 매우 생산적입니다. 그러나 제품은 선형의 일정 단면 프로파일로 제한되며, 종방향 강도가 횡방향보다 훨씬 높습니다. 일반적인 제품으로는 트러스 교량 부재, 케이블 브리지, 사다리 폴대 및 다양한 막대와 프로파일이 있습니다.
（7）압력 백 성형
진공 백 성형의 향상된 버전으로 간주할 수 있다. 진공 백 시스템을 기반으로, 전체 캡슐화된 몰드를 밀봉 가능한 압력 탱크 안에 넣는데, 내부를 진공 상태로 만들 뿐 아니라 탱크 내부에 압축 공기를 주입하여 진공 백 외부에 더 높은 양압(일반적으로 0.4-0.6MPa)을 가하게 되어 순수 진공 방식보다 훨씬 높은 성형 압력을 제공한다.
이 방법은 고온고압 프레스 장비에 큰 투자를 하지 않고도 부품의 섬유 함량과 밀도를 크게 향상시킬 수 있으며, 진공 백만 사용하는 공정보다 우수한 성능을 발휘한다. 소형에서 중형 선체, 열차 차량 부품, 대형 레이돔 등과 같이 고온고압 프레스 탱크에 들어가지 않는 큰 부품 제조에 이상적이다.

탄소섬유 프레프그 성형 방법 비교

미래: 유산 속의 혁신

전통이라고 해서 정체를 의미하지는 않는다. 오늘날 산업계는 '미세 혁신(micro-innovations)'을 통해 한계에 도전하고 있다. 예를 들어, 경화 시간을 2시간에서 30분으로 단축시키는 저온 고속 경화 수지의 개발; 수작업 적층을 대체하여 효율을 향상시키는 자동 적층 장비의 도입; 그리고 금형 설계에 AI 알고리즘을 적용하여 압력 분포를 최적화함으로써 결함을 줄이는 사례 등이 있다.
이러한 개선 덕분에 기존 공정은 성능상의 이점을 유지하면서 점차적으로 '고효율·저비용' 방향으로 전환되고 있으며, 복합재료 분야에서 여전히 중요한 역할을 하고 있다.
우주선에서부터 스포츠 장비에 이르기까지, 전통적인 탄소섬유 프리프레그 성형 방식은 견고한 제조 기술로 '천천히 그러나 확실하게'라는 제조 철학을 표현한다. 가장 첨단 기술은 아닐 수 있으나 극도의 신뢰성이 요구되는 상황에서는 바로 이러한 '전통'이 가장 소중한 품질 보증이 된다.