휴머노이드 로봇의 폭발적 인기 뒤에는 탄소섬유 복합재가 어떤 역할을 하고 있는가?

테슬라의 옵티머스(Optimus)는 민첩하게 이동하고, UBTech의 Walker 아ーム은 정교한 작업을 수행한다. 이러한 놀라운 성과 뒤에는 알루미늄보다 30% 더 가벼운 신비로운 소재가 로봇 동작의 한계를 재정의하고 있다.

테슬라의 옵티머스 로봇이 앞바퀴를 회전하며 점프하고, 피규어 AI의 기업 가치가 395억 달러를 넘어섰으며, 종칭 로보틱스의 휴머노이드는 무릎을 곧게 펴고 시속 7.2킬로미터로 걷는다... 휴머노이드 로봇 산업은 폭발적인 성장을 향해 가속화되고 있다.

골드만삭스는 휴머노이드 로봇 시장이 2035년까지 약 1540억 달러에 이를 것으로 전망한다. 이를 실현하기 위해 로봇은 자가 중량이 과도하여 이동성 성능을 심각하게 저해하는 근본적인 제약을 극복해야 한다.

경량화 혁명: 30% 경량화를 달성한 획기적인 발전

휴머노이드 로봇 분야에서 경량화란 단순히 '몸무게를 줄이는 것'을 넘어서며, 성능 향상에 핵심적인 핵심 기술적 돌파구이다.

기존의 금속 소재들은 충분한 강도를 가지고 있지만, 높은 밀도로 인해 로봇 경량화에 대한 절박한 수요를 충족시키기에 부적합하다. 알루미늄 합금을 예로 들면, 밀도가 2.63~2.85g/cm³로 강철보다 약 3분의 2 정도 가볍다. 그러나 인간형 로봇처럼 극한의 운동 능력을 추구하는 경우, 이러한 수준조차 여전히 부족하다.

탄소섬유강화플라스틱(CFRP)의 등장은 이 분야의 양상을 바꾸어 놓았다. 수지 매트릭스에 탄소섬유를 보강하여 만든 이 복합재료는 단지 1.5~2.0g/cm³의 밀도를 가지며, 알루미늄 합금보다 약 30% 더 가볍고, 또한 뛰어난 비강도와 비강성을 나타낸다.

국내 기관의 연구에 따르면, 탄소섬유 복합재로 제작된 로봇 팔은 알루미늄 합금 대비 전체 질량을 30% 감소시킬 수 있다. 이를 통해 로봇은 팔을 더 쉽게 들어 올리고, 보다 정밀한 동작을 수행하며, 모터 부하를 줄이고, 작동 지속 시간을 연장할 수 있다.

성능 향상: 금속 소재를 능가하는 종합적 이점

탄소섬유 복합재는 알루미늄보다 가벼울 뿐만 아니라 기존 금속 소재들에 비해 다양한 종합적 장점을 제공한다.
이 소재는 뛰어난 피로 저항성과 충격 흡수 성능을 갖추고 있어 로봇 운동에서 발생하는 반복적인 충격과 진동을 견딜 수 있다. 장시간 작동이 필요한 인간형 로봇의 경우, 이러한 특성은 매우 중요하다.

탄소섬유 복합재는 높은 설계 유연성을 제공하여 엔지니어가 다양한 부품의 응력 조건에 따라 섬유 방향, 수지 배합 및 적층 방법을 조정할 수 있게 하며, 이로 인해 "정밀한 성능 맞춤화"를 실현할 수 있습니다.

UBTECH의 인간형 로봇 팔은 탄소섬유 복합재를 사용하여 전체 무게를 줄일 뿐만 아니라 구조적 안정성과 운동 정밀도를 향상시킵니다. 이 소재는 로봇이 더욱 복잡하고 정교한 작업을 수행할 수 있도록 해줍니다.

동적 성능 측면에서 탄소섬유 복합재로 제작된 부품은 중심이 낮고 진동이 적어 보다 원활한 동작 수행과 향상된 제어 정확도를 직접적으로 가능하게 합니다.

적용 사례: 로봇 본체의 주요 하중 지지 부품

인간형 로봇에서 탄소섬유 복합재는 주로 세 가지 핵심 영역에 사용되며, 각각 고유한 성능 요구사항을 가지고 있습니다.

(1) 조작기 및 팔은 가장 일반적인 응용 이러한 구성 요소들은 높은 유연성을 유지하면서도 상당한 하중을 견딜 수 있어야 합니다. 탄소섬유 복합재의 높은 비강도와 경량 특성은 이러한 용도에 이상적인 선택지를 제공합니다.

(2) 골격 구조는 로봇의 지지 프레임워크를 형성합니다. 이 부문은 전체 무게를 지탱하고 다양한 움직임에서 발생하는 복잡한 응력을 견디기 위해 뛰어난 강성과 강도가 요구됩니다. 탄소섬유 복합재는 뛰어난 강성 대 중량 비율을 제공할 뿐만 아니라 운동 중 충격 에너지도 흡수합니다.

(3) 관절 구성 요소는 인간형 로봇의 움직임을 위한 핵심 지점입니다. 이러한 부위는 빈번한 회전과 하중 변화에 노출됩니다. 탄소섬유 복합재는 우수한 마모 저항성과 피로 저항성을 나타내며, 관절 구성 요소의 수명을 크게 연장시킵니다.

기술 융합: 탄소섬유의 시너지 효과

탄소섬유 복합재는 거의 단독으로 사용되지 않으며, 보통 다른 고성능 재료와 함께 결합하여 시너지 효과를 만들어내며 "1+1이 2보다 크다"는 이점을 제공한다.

탄소섬유 강화 PEEK 소재는 이러한 원칙을 잘 보여준다. 이 복합재는 탄소섬유의 강도와 PEEK의 마모 저항성 및 자체 윤활 특성을 결합하여 로봇 조인트 기어 및 베어링 제조에 특히 적합하다. 이를 통해 부품의 마모를 줄이고 에너지 소비와 소음 수준도 낮출 수 있다.

전자 피부 기술과 통합될 때, 탄소섬유 복합재는 기판층 역할을 하며 유연한 센서에 안정적인 지지 구조를 제공한다. 이 조합을 통해 로봇은 가벼운 몸체와 더불어 인간과 유사한 피부 감각을 갖출 수 있게 된다.

탄소섬유 복합재는 마그네슘 및 알루미늄 합금과 같은 기존의 금속 재료와 시너지 효과를 내며 함께 사용할 수도 있습니다. 다양한 부품의 응력 특성에 따라 가장 적합한 재료 조합을 선택함으로써 전체적인 성능 최적화를 달성할 수 있습니다.

산업 체인 구조: 중국 기업들의 기회와 과제

중국은 탄소섬유 복합재 분야에서 비교적 포괄적인 산업 체인 구조를 이미 구축하였습니다.

휴머노이드 로봇 산업의 급속한 발전에 따라 탄소섬유 복합재에 대한 수요가 빠르게 증가하고 있습니다. 현재 이 소재의 적용은 여전히 높은 비용과 가공의 어려움과 같은 도전 과제에 직면해 있습니다. 그러나 기술 발전과 대량 생산이 이루어짐에 따라 이러한 문제들은 점차 해결될 전망입니다.

보행, 점프, 들어올리기, 조작하기—휴머노이드 로봇의 모든 움직임은 재료 성능에 대한 극한의 시험이다. 탄소섬유 복합재는 뛰어난 경량화 효과와 종합적인 성능 이점을 바탕으로 고급 휴머노이드 로봇에 없어서는 안 될 핵심 소재로 자리 잡고 있다.

실험실 연구를 넘어 상용 응용 분야로 전환함에 따라 휴머노이드 로봇 산업 내 탄소섬유 복합재의 보급률이 빠르게 가속화되고 있다. 이 추세는 로봇 성능의 도약을 촉진할 뿐만 아니라 중국 소재 산업에 새로운 발전 기회를 제공할 것이다.