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자동광학검사 최강자, 생기원과 미래소재 검사기술에 도전

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자동광학검사 최강자, 생기원과 미래소재 검사기술에 도전

2020.03.06 14:00

 

(왼쪽부터) 탄소섬유복합재 검사장비를 함께 개발한 경대수 기가비스 연구소장과 임홍규 메카파트부장, 신용대 시스템파트부장, 김효영 한국생산기술연구원 생산시스템그룹 박사. 동아사이언스DB
(왼쪽부터) 탄소섬유복합재 검사장비를 함께 개발한 경대수 기가비스 연구소장과 임홍규 메카파트부장, 신용대 시스템파트부장, 김효영 한국생산기술연구원 생산시스템그룹 박사. 동아사이언스DB

탄소섬유복합재(CFRP)는 골프채, 낚싯대부터 항공기, 심지어 미사일 등을 만드는 첨단 소재로 주목 받고 있다. 탄소섬유복합재는 강철보다 강하고 알루미늄보다 가벼운 특성을 가지며, 철에 비해 무게가 5분의 1 수준이지만 10배의 강도를 갖고 있다. 전문가들은 항공기 동체로 사용할 경우 전체 무게를 20%까지, 차량에 사용하면 30% 가량 줄일 수 있을 것으로 보고 있다. 같은 연료로 더 멀리 이동할 수 있어 연료 효율을 대폭 개선할 수 있다는 뜻이다. 또 그만큼 화석 연료 사용을 줄일 수 있어 환경 보전에도 이바지하는 바 크다. 

 

김효영 한국생산기술연구원 생산시스템그룹 박사는 지난 2015년 자동차 광학 검사장비 제조업체인 기가비스와 손잡고 탄소섬유복합재 개발에 사용되는 가공 검사장비 개발에 착수했다. 기가비스는 정부가 지난해 12월 일본 수출규제에 대응하기 위해 선정한 기술경쟁력을 갖춘 소재·부품·장비 강소기업 55개사 명단에 당당히 이름을 올린 기업이기도 하다.

 

이 성과는 생기원이 2015년 산업통상자원부가 지원하는 대형 국책사업 ‘기계산업핵심기술개발사업’ 주관기관으로 선정되면서 본격화되어 올해 마무리를 앞두고 있다. 생기원은 이 가운데 탄소섬유복합재 가공시스템개발을 맡았다. 단순히 탄소섬유복합재 제조에서 그치는 것이 아니라 가공부터 측정 기술까지 전 공정 기술을 확보해 부가가치 높은 산업으로 키우는 것을 목표로 하고 있다. 

 

자동광학검사장비로 탄소섬유복합재의 구멍(홀)을 검사하는 모습이다. 동아사이언스DB
자동광학검사장비로 탄소섬유복합재의 구멍(홀)을 검사하는 모습이다. 동아사이언스DB

 

정밀 검사 기술 개발 위해 의기투합

 

사실 탄소섬유복합재가 첨단 소재로 쓰이려면 제조나 가공 기술도 중요하지만 이를 뒷받침할 검사 기술도 확보해야 한다. 골프채나 낚싯대와 달리 항공기나 자동차에 들어가는 부품은 반드시 안전성을 확인하고 증명해야 한다. 여러 검사 가운데 소재에 홀(구멍) 내는 검사는 필수 항목으로 손꼽힌다. 보통 항공기 뼈대에 다른 부품을 붙일 때는 드릴링 가공 후 리벳으로 체결하는 방법이 사용된다. 문제는 섬유라는 이름 그대로 옷감을 짜듯 소재를 만들기 때문에 홀 가공 후에도 내부에 잔여물이 남는다는 점이다. 이런 이물질이 많으면 동체 진동이 리벳에 영향을 줘서 부서지는 상황이 자주 발생한다. 

 

탄소섬유복합재는 이를 확인 할 때 금속 소재와는 다른 광학 시스템을 활용한다. 구멍 안쪽을 들여다보는 3D 검사 기술도 만만치 않다. 탄소섬유복합재를 많이 쓰는 항공사들은 자체 검사를 수행하면서 더욱이 육안에만 의존 할 뿐 검사에 필요한 기기를 따로 개발하지 않는다. 안전을 위해 가공 조건이 까다로워지면서 현장에서는 드릴 같은 공구를 오래 쓰지 못하는 상황이 벌어지고 있다.

 

생기원이 처음 이 사업을 기획할 때만 해도 함께 기술을 만들어보자고 선뜻 나서는 기업이 없었다. 연구개발(R&D)에 많은 인력과 자원을 투자할 여력이 없는 중소기업이 감당하기에는 벅찼기 때문이다. 김 박사는 “생기원 역시 광학 분야를 보완할 협력 기업이 필요했다”며 “처음 사업 참여 기관을 구성할 때 유일하게 찾지 못한 업체가 검사장비 분야”라고 말했다.

 

생기원은 수소문 끝에 어렵게 기가비스를 찾아내고 공동 개발을 시작했다. 기가비스는 인쇄회로기판(PCB) 분야에서 국내 시장의 75%를 점유하고 있는 1위 업체이다. 세계 시장 점유율도 15%에 이른다. 공동창립자인 김종준 기가비스 의장은 “3D 구멍 검사로 분야를 넓히는 방안을 찾다 제안이 들어왔다"며 "기술의 난제를 함께 극복하는 차원에서 참여하게 됐다"고 말했다.  

 

생기원은 기가비스가 개발한 자동광학검사장비에 로봇 팔과 이송시스템을 결합해 검사의 효율을 높였다. 동아사이언스DB
생기원은 기가비스가 개발한 자동광학검사장비에 로봇 팔과 이송시스템을 결합해 검사의 효율을 높였다. 동아사이언스DB

 

한계 극복, 성능 업그레이드...결함도 바로 해결

 

탄소섬유복합재는 기존 검사 방식과 많이 다르다. 일반 금속 소재처럼 가시광선 조명만을 활용해선 검사하기 어렵다. 흡수하는 빛의 파장과 반사하는 파장이 제각기 달라 고품질 영상을 얻기 어렵기 때문이다. 표면의 거칠기와 반사율도 기존 소재와 다르다. 기업이 이 소재를 써서 제품을 개발하는 동안에는 이런 영향이 더 크게 나타난다. 

 

기가비스는 형광과 가시광을 조합한 자동검사조명기술을 개발해 이 문제를 극복했다. 탄소섬유복합재가 레이저를 쏘면 빛이 나는 형광 현상이 나타난다는 사실에 착안했다. 생기원은 효율적인 검사를 위해 검사 모듈에 이송기계 시스템을 더했다. 다관절 로봇 팔에 광학 검사장비를 달아 원하는 부위로 바로 이동해 검사할 수 있도록 개발했다. 아래에는 이송 장치를 설계하여 대형 가공부품도 효율적으로 검사할 수 있게 하였다. 구멍 크기, 위치, 미세섬유나 돌출 이물 등 10가지 정량적 검사를 1초만에 수행하는 것으로 나타났다. 여기에 초음파 가공스핀들을 달아 검사 후 결함이 있는 홀은 그자리에서 바로 수정할 수 있는 후가공 시스템도 구축했다. 성능평가 결과 탄소섬유복합재의 구멍에서 확인된 10가지 사항의 불량 검출률은 99%에 이른다. 

 

 

기가비스는 생기원과 함께 사업을 수행하면서 제품 개발 뿐 아니라 새로운 파생 기술을 얻고 사업화에도 성공하는 성과를 냈다. 동아사이언스DB
기가비스는 생기원과 함께 사업을 수행하면서 제품 개발 뿐 아니라 새로운 파생 기술을 얻고 사업화에도 성공하는 성과를 냈다. 동아사이언스DB

PCB 검사에 레이저의 초점을 맞추는 기술을 적용해 신뢰성을 높이는 기술도 탄생했다. 경대수 기가비스 연구소장은 “발광다이오드(LED)를 적용한 자외선 형광빔 설비를 적용해 100억원 이상의 매출을 냈다”고 말했다. 김 의장은 “5세대(G) 이동통신에 들어가는 첨단 부품을 검사하는 데 활용하면서 정밀 검사 시장의 80%를 점유했다”고 덧붙였다.

 

하지만 사업이 새로운 상품으로 이어지려면 정부 차원의 지속적인 관심이 필요한 실정이다. 생기원은 항공업체 등과 협력을 통해 중소기업의 제품을 시험하는 작업을 진행 중이다. 김 박사는 “영국 고등생산연구센터(AMRC), 미국 오레곤생산기술혁신센터(OMIC)와 업무협약을 맺고 공동연구를 추진하고 있다”며 “중소기업이 해외 기관과 협업하기는 어려우니 먼저 길을 연 후 해외에 인증받을 방법을 열어줄 것”이라고 말했다.

 

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