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항공기를 위한 기능성 도막의 개발
[플라스틱사이언스] 기사입력 2023-07-26 01:36:45

1. 머리말
국제민간항공기관(ICAO)은 국제항공 분야에서 2050년까지 이산화탄소 배출량을 실질적으로 제로로 만드는 장기목표를 채택했다(2022년 10월). 이에 따라 각 민간항공사는 탄소중립 실현을 위해 혁신적인 항공기술 채택과 합리적인 항공운영, 지속가능한 대체 항공 연료(Sustainable Aviation Fuel: 이하 「SAF」)에 대한 대응을 가속화하고 있다.
그 하나로서 일본항공주식회사(이하 「JAL」), 국립연구 개발법인 우주항공연구개발기구(이하 「JAXA」), OWELL 주식회사(이하 「당사」)에서는 JAL그룹이 보유한 「항공기 운용 경험 및 기체 도장의 지식과 경험」, 당사의 「도막 형성기술」을 이용하여 기체표면의 마찰저항 저감에  의한 연비 개선 기술로서 기대되는 「리브렛 형상 도막」의 실제 적용을 위한 연구·개발을 추진해 왔다.
 
2. 리브렛이란
[상어가죽 형상(그림 1)이 물의 마찰저항을 줄이는 데 힌트를 얻은 공력 기술] 리브렛이란 기체표면에 미세한 세로 홈(여객기의 경우 홈 간격은 약 0.1mm)을 만드는 공력 기술이다. 항공기의 전기(全機) 저항에서 가장 많은 비중을 차지하는 것은 마찰저항이며, 리브렛 형상을 시공함으로써 기체표 면을 흐르는 난류경계층에서의 표면마찰저항을 저감하고 연비를 개선시킬 수 있다<그림 2>
 

 
3. 실제 비행기에서의 내구성 시험에 대하여
2022년 7월부터 JAXA에서 마찰저항 저감효과가 확인 된 리브렛 형상을 당사의 도막형성기술을 이용해 JAL 보유 보잉 737-800기 동체 하부에 국소적으로 시공하고 형상을 정기적으로 측정하면서 내구성시험을 해왔다. 당사 시공방법에 의한 리브렛 형상은 1500시간이 넘는 비행시간에서 충분한 내구성을 갖는 것이 확인되었다<그림 3>.


 
4. 「Refresh (RibiEt Flight RESearcH for carbon neutral)」 프로그램에 대하여 <그림 4>
본 프로그램에서는 JAL, JAXA, 당사, 주식회사 Nikon (이하 「Nikon」)이 각각의 강점을 살려 탄소중립 실현을 위해 친환경 항공기술의 발전을 목표로 하고 있다. 항공분야에서는 연비절약 기자재로의 갱신 및 SAF 활용 촉진 등 다양한 대응이 진행되고 있다. 이 가운데 비행 중의 저항 중 가장 큰 영향을 주는 표면 마찰저항을 저감시키는 연비 개선 기술의 도입이 기대되고 있으며 상어가죽 형상에서 힌트를 얻은 리브렛 기술이 일본 안팎에서 주목받고 있다. 리브렛을 항공기 기체표면에 시공하여 유체 저항을 저감시킴으로써 연비가 최대 2% 정도 개선되고 이산화탄소 배출량 감축에 기여할 수 있다.
리브렛 형상의 연구, 개발을 하는 JAXA가 당사의 도막 형성기술, NIKON의 레이저 가공기술에 주목해 JAL 그룹이 가진 항공기 운용 경험 및 기체 도장 지식과 경험을 이용해 리브렛 실제 비행기 적용을 위한 대응을 추진한다.
 
5. 당사의 리브렛 기술에 대하여
(1) 당사의 리브렛 기술의 특징
① 항공기 기체에서의 사용 승인을 얻은 오랜 기간 실적이 있는 도료를 리브렛 필름화 함으로써 항공기에 요구되는 필요 도막성능을 보유한 리브렛의 성형이 가능하다.
항공기에 사용되는 도료에는 기체 제조사들이 각각 독자적인 규격을 갖고 있으며 요구도막 성능도 「내유성」 ・  「내충격성」 ・  「대기류 접촉에 대한 내식성」 ・  「내후성」 ・  「기체의 굴곡 추종성」 등 항공기 자체의 규격과 검증을 한 도료만이 승인된다.
또한 사용하는 도료뿐만 아니라 사용조건, 도장방법도 엄격하게 규정되어 있어 사용 시 점도조정 등에서의 배합비율 변경 등도 독자적으로 할 수 없다.
② 높은 정밀도로 미세형상 형성 가능
수용성 몰드는 도료에는 용해되지 않고 물에는 쉽게 용해되는 구조이므로 형성된 리브렛 형상에 스트레스를 주지 않으면서 수용성 몰드만을 제거할 수 있어 정밀도가 높은 (*1) 리브렛 형상 도막을 형성할 수 있다.
* 1) : 리브렛 형상의 높이 50㎛에 대해 ± 5% 정밀도의 형상 성형 가능
(2) 리브렛 도막이 완성될 때까지의 공정 <그림 5>
① 리브렛 형상을 시공한 수용성 몰드에 항공기용 도료를 도장하여 필름화 한다.
② 항공기 기체의 기존 도막 위에 리브렛 필름을 압착한다.
③ 수세(水洗)로 수용성 몰드를 제거한다. 
④ 리브렛 형상을 노출시킨다.
 
6. 당사의 「도막형성력」
당사는 1943년 11월에 오사카에서 설립, 공업용 도료 판매로 일본 톱 클래스의 도료 관계 사업과 센서를 중심으로 하는 전기・ 전자부품 사업을 글로벌하게 전개하고 있는 생산재 상사이면서 고객의 제조 공정에서 가치 제공을 하고 있는 것이 특징이다. 그 기반이 되는 것이 도장 공정에서의 과제 해결력이며, 이것을 우리는 「도막 형성력」이라고 정의한다.
구체적으로는  기초연구・ 재료개발・ 공법개발과  같은 R&D기능과 프로세스 진단・ 기술지도・ 평가개선 등 컨설팅 기능을 가진 기술 집단이다<그림 6>.
 
그 특징의 하나로서 기술센터, R&D센터(가나가와현자마시)를 보유하고 도장라인을 본뜬 도장연구소와 도막 검증용 시험기, 각종 도장기로 고객의 과제해결이라는 가치를 제공하고 있다.
당사의 리브렛 기술은 독자적인 「도막형성 기술」을 활용한 것으로 오랜 세월 길러 온 「재료기술」 ・  「공법기 술」에 「표면 형상 제어 기술」을 새롭게 추가함으로써 기존 도막에는 없는 새로운 기능을 부여할 수 있게 되었다.
 
7. 향후의 리브렛에 대해서
2023년도에는 항공기 대(大)면적에 대한 최적의 시공 방법 확립과 작업의 표준화를 도모해 사회를 실현한다. 
당사의 독자적인 「도막 형성 기술」에 의한 리브렛 기술의 우위성을 살리고 진화시켜 항공기 업계의 이산화탄소 배출량 삭감에 공헌하고 싶다.
 
8. 맺음말
이번에는 「항공기 마찰저항 저감을 통한 연비절감」을 목표로 최적의 도막형상 개발에 힘써왔지만 기능성 있는 형상은 자연계에서 많이 확인되며 Biomimetics(생물 모방)로 알려져 있다. 예를 들어 「발수성을 가진 연잎 구조」 ・  「우엉 열매에서 힌트를 얻은 매직테이프 구조」 ・  「나비 날개 구조 색」 등이다.
본 대책을 통해서 당사의 「표면 형상 제어 기술」에 의해 새로운 기능을 발현할 수 있는 「3D 도막」이라는 큰 가능성을 확인했다.
향후 종래의 도막과는 다른 「3D 도막」을 실현함으로써 폭넓은 업계에 대해 새로운 기능성 도막을 전개한다.
 
[참고문헌]
・일본항공주식회사 「JAL CROUP NEWS 2023년 2월 28일 제 22110호」
・국립연구개발법인 우주항공연구개발기구 「JAXA’s 91호 Fan! Fun! JAXA!」
https://fanfun.jaxa.jp/jaxas/no091/05.html・OWELL 주식회사 「IR 뉴스 2023년 2월 28일 당사 리브렛 기술에 관한 알림」
 
[Profile]
하시야다 아키라(橋谷田晃, Hashiyada Akira) OWELL 주식회사 도막형성부 기술개발 그룹리더


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