기계공학과 김상엽 교수 연구팀, 국제 저명 학술지 Composites Part B : Engineering에 논문 게재

모교 기계공학과 김상엽 교수 연구팀(제1저자 강형우 석사과정)이 용접 중에는 발열체로 작동하다가 공정이 끝나면 녹아서 빠져나가는 ‘제거형 금속 서셉터(removable susceptor)’ 기술을 개발하여 기존 유도용접의 고질적 문제였던 금속 발열체의 영구 잔존 문제를 해결하고 항공·자동차용 열가소성 복합재 접합의 새로운 경로를 제시하였다.

열가소성 복합재(Thermoplastic Composites)는 가볍고 충격에 강하며 재활용이 가능해 항공우주, 자동차, 미래 모빌리티 분야의 차세대 구조재로 주목받고 있다. 특히 유도용접은 접합면만 선택적으로 비접촉 가열할 수 있어 유망한 접합 기술로 평가받지만, 전자기 에너지를 열로 변환하기 위해 금속 발열체(서셉터)를 접합면 내부에 삽입해야 한다는 한계가 있다. 이러한 금속 서셉터는 용접 후에도 접합부 내부에 남아 불필요한 중량 증가를 유발하고, 계면 불연속성에 따른 피로 균열 및 수분 침투의 원인이 될 수 있다.

연구팀은 녹는점이 약 62℃인 저융점 합금인 필즈 메탈(Field's Metal, In?Bi?Sn)을 임시 발열체로 활용하였다. 필즈 메탈은 유도 가열 과정에서 전류가 흐르는 통로 역할을 수행한 뒤, 가압·압착 공정에서 액체 상태로 변해 접합면 외부로 배출된다. 이를 통해 기존 금속 서셉터와 달리 접합부 내 금속 잔류량을 2.5 wt% 이하로 낮추는 데 성공하였다.

또한 연구팀은 합금의 상변화 과정에서 발생하는 전기저항 상승에 의한 발열 효율 증가를 규명하였다. 상변화 과정에서 발열량이 최대 35.1%까지 증가하며 초당 20℃를 넘는 빠른 가열 속도 및 8배 더 균일한 가열을 달성하였다.

연구팀은 이 기술을 폴리에테르이미드(PEI) 용접에 적용해 목표 온도 도달 시간을 기존 메시 방식 대비 60% 이상 단축하였고 17% 향상된 접합 강도를 달성하였다. 또한 녹은 금속의 확산 거동을 예측하는 머신러닝 기반 설계 기법(U-Net 및 CMA-ES)을 개발하여 복잡한 형상의 접합부에도 균일하게 적용할 수 있음을 입증하였다. 나아가 기존 유도용접으로는 가열이 어려웠던 단방향 PEKK 탄소섬유강화 열가소성 복합재(UD CFRTP)에도 기술을 적용하여 별도의 수지층 추가 없이 15.7 MPa의 접합 강도를 달성하였다.

이번 연구는 한국재료연구원, 한국연구재단(RS-2024-00448445), 현대자동차 정몽구 재단의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 복합재료 분야 세계적 권위 학술지인 Composites Part B: Engineering(IF 14.2, JCR 공학 분야 상위 0.5%) 에 게재되었다.

강형우 석사과정생은 “지속 가능한 차세대 모빌리티 구현을 위해서는 고효율·고신뢰성 열가소성 복합재 접합 기술이 필수적이다”라며 “이번 연구는 금속 서셉터를 영구적인 구조재가 아닌 일시적인 가열 매체로 활용한다는 새로운 개념을 제시했다는 점에서 의미가 있다”라고 소감을 전했다. 이어 “향후 항공우주, 자동차, 도심항공교통(UAM) 등 경량화가 중요한 산업 분야에서 폭넓게 활용될 것으로 기대한다”라고 밝혔다.

▶논문 제목: Removable Metallic Susceptor for Induction Welding of Thermoplastic Composites