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블레이드 복합재용 수지기술(1)-제2장 풍력발전용 소재기술-신소재경제신문·재료연구소 공동기획 소재기술백서 2016(12)
재료연구소가 발행한 ‘소재기술백서’는 해당분야 전문가가 참여해 소재 정보를 체계적으로 정리한 국내 유일의 소재기술백서다. 지난 2009년부터 시작해 총 8번째 발간된 이번 백서의 주제는 ‘기후변화대응 소재’다. 태양전지, 풍력발전, 연료전지, 에너지효율화 및 경량화, 수소생산 및 이산화탄소 전환, 공기정화 및 수처리 등으로 나눠 각 분야별로 가치 있고 다양한 정보를 담았다. 이에 본지는 재료연구소와 공동기획으로 ‘소재기술백서 2016’을 연재한다.

풍력 발전 대형화, 에폭시 수지 ‘각광’



■ 블레이드용 수지의 기초원료

풍력발전기 블레이드를 제조하기 위해서는 여러 가지 고분자 재료가 사용되는데, 재료를 알기 위해서는 블레이드 구조를 파악하는 것이 필요하다. 블레이드 표면 및 구조 일부는 열경화성 복합재료로 이루어져 있으며, 이에 사용되는 기재재료로는 주로 불포화 폴리에스터(Unsaturated Polyester), 비닐 에스터(Vinyl Ester), 에폭시(Epoxi) 수지가 사용된다.

1) 불포화 폴리에스터/비닐 에스터 수지

불포화 폴리에스터는 비교적 낮은 점도의 액상 수지이며 촉매의 사용법에 따라서는 실내온도에서도 경화한다. 또한, 경화할 때 열경화성 수지와 같이 가스를 발생시키지 않기 때문에 성형에 거의 압력을 가할 필요가 없다는 것이 특징이다. 따라서 유리섬유에 함침하거나 대형의 성형품을 만드는 것이 용이하여 강화 플라스틱용 수지로 발전하였다. 제조 방법은 무수말레인산(Maleic Anhydride)과 같은 불포화 이염기산과 에틸렌글리콜(Ethylene Glycol)과 같은 다가 알코올과의 축합 생성물을 스틸렌(Styrene) 등의 중합성 모노머(Monomer)에 녹여 만든다. 불포화 폴리에스터는 사용 시 경화 촉매 및 촉진제를 혼합하며, 무용제 바니쉬(Varnish)의 일종으로 건조가 빠르고 작업성이 양호한 것이 장점이다. 가사시간(可使時間)이 길고 경화건조(硬化乾棗)된 것은 광택, 경도, 내약품성이 풍부한 것이 특징이다. 목공용, 가구용 등으로 사용되며, 체질안료를 가하여 하지용 퍼티(putty)로도 사용된다. 그러나 경화 시 스틸렌 모노머 등이 휘발하며 수축이 되므로 정밀한 구조용 재료로 사용하기에는 한계가 있다. 에폭시 수지에 비해 강도가 떨어지는 것도 단점이다. 더불어 스틸렌 모노머의 독성도 문제가 된다. 따라서 블레이드가 점점 대형화 되는 추세에서 그 사용량이 많이 감소하고 있는 실정이다.

2) 에폭시 수지

에폭시 수지는 오랜 역사동안 제조되고 사용되고 있는 열경화성 수지로써 우수한 특성과 다양성으로 각 시대의 산업에 필요한 재료로 각광받고 있다. 열경화성 수지의 특성으로 미경화 수지의 특성, 경화 시의 물성과 경화 후의 특성을 분리하여 생각할 수 있다. 에폭시 수지는 1 분자 내 2개 이상의 에폭시기(Epoxy Group)를 가지는 화합물을 통칭한다. 따라서 수지의 화학구조와 분자량이 다양하고, 용도에 따라 다관능기(Polyfunctional)를 가지는 분자구조 도입도 가능하다. 에폭시의 형상은 저점도 액상부터 열가소성 수지처럼 점도 수준의 고상까지 있고, 점도를 저하시키기 위해 용제를 사용하기도 한다. 에폭시기는 중성에서 안정하므로 취급이 용이한 것이 장점이다. 에폭시 수지는 경화 시 반드시 경화제가 필요하며, 에폭시기의 개환 반응(開環反應)에 의해 경화되므로 경화 시 휘발분이 발생하지 않는다. 유동성이 있는 상태에서 고상의 상태로 경화가 이루어지며, 경화수축이 작아서 성형이 비교적 용이하다. 경화의 조건은 여러 가지 배합 공식(Formulation)이 존재하므로 적용 범위가 넓다. 경화 후에는 고상으로 안정한 결합의 가교 구조를 가지므로 기계적 물성, 열적 특성, 내약품성, 내누성, 전기적 특성 등이 우수하다. 특히 개환 시 발생하는 수산기(Hydroxyl Group)로 인해 접착력이 크게 증대하는 것이 특징이다. 더불어 저온의 내열도부터 300℃ 수준의 내열도를 가지는 다양한 제품들이 있다. 복합재료 분야에서 에폭시 수지가 적용되는 이유는, 인퓨전(Infusion), 프리프레그(Prepreg), 필라멘트(Filament), 와인딩(Winding) 등 공법별로 적합한 점도와 경화 특성을 가지는 배합 공식 개발이 용이하기 때문이다. 따라서 에폭시 수지는 복합재료의 중요한 기지 재료로 자리 잡았으며, 특히 풍력 발전기 분야에서는 에폭시 수지가 오랫동안 사용되었다. 풍력 발전과 관련하여 대형화 추세에 맞게 새로운 에폭시 수지 제품들이 출시되어 사용 중이다.


폴리에스터 대형화 추세에 사용량 감소

에폭시 수지, 역사 길고 신제품 출시 늘어



■ 블레이드 제조 공법에 따라 요구되는 수지의 특성

블레이드를 제조할 때 사용되는 수지 시스템은 인퓨전용, 핸드 레이업(라미네이트)용, 몰드용으로 구분할 수 있고 접착제 시스템이 필요하다. 세계 최대 풍력 발전기 생산업체 중 하나로 알려진 덴마크의 베스타스(Vestas) 같은 경우 프리프레그(prepreg) 공법을 사용하기도 한다. 각 공법에 따라 요구되는 수지의 특성에 대해 다음에서 설명하고자 한다.

1) 인퓨전용 수지

블레이드 제작에서 가장 많은 양이 필요한 시스템 수지이다. 일반적으로 저점도의 주제(主劑)와 경화제로 구성된다. 인퓨전(Infusion)은 주제와 경화제를 각각 수지 저장고에서 지속적으로 디개싱(degassing) 하고, 이를 펌핑(pumping)하여 믹싱 헤드(mixing head)를 통해 혼합 후 사용한다. 인퓨전 수지의 경우 각 제조사의 제조 환경이나 설계에 따라 요구되는 여러 가지 물성이 달라진다. 이러한 공정성을 평가하는 기준으로 주로 요구되는 것이 주제와 경화제의 혼함점도, 가사시간과 특정온도에서 특정점도 도달 시간, 경화시간에 따른 유리전이온도이다. 경화거동은 블레이드 사이즈에 따라 요구되는 범위가 다르지만, 기본적으로 주제와 경화제의 혼합점도가 대략 200~300cps 범위에 있어야 인퓨전이 가능하다. 특히 대형 블레이드일수록 점도가 낮아야 인퓨전이 원활하며, 대체로 250cps 근방의 제품이 요구된다. 가사시간의 경우 블레이드 제조사와 수지 제조사의 협의에 의해 결정되며, 일반적으로 100g 또는 1,000g의 혼합된 수지로 측정한다. 이는 작업성과 상당히 관련이 있고, 품질 측정 면에서도 손쉽게 할 수 있으므로 중요한 수치이다. 점도 상승의 경우, 보통 30℃ 또는 40℃에서 복소 점도(Complex Viscosity)가 1,000cps에 도달하는 시점을 유변학 측정기(Rheometer)로 측정하며, 이를 통해 블레이드의 경화 속도를 어느 정도 예측하게 된다. 유리전이온도는 블레이드의 탈형시간을 결정하는데 중요한 요소이며, 최근에는 거의 70℃에서 시간에 따른 유리전이온도를 측정하여 고객사에서 요구하는 수치가 나오는 시간을 제공한다. 기타 기계적 물성의 경우 블레이드 제조사에서 제시한 수치를 만족시켜야 하는데, 대부분 DNV-GL DNV-GL : DetNorskeVeritas(노르웨이), GermanischerLloyd(독일), KEMA(네덜란드) 3개사가 합병한 세계적인 시험·진단 전문기업이다. 주제로는 비스페놀 A형 에폭시 수지가 주로 사용되며, 점도를 낮추기 위해 반응성 희석제를 사용한다. 또한, 경화제는 대부분 폴리에테르아민(PEA)계 경화제와 사이클로알리파틱 아민(Cycloaliphatic Amine)을 혼합하여 사용한다. 과거에는 비스페놀 F형 수지도 사용되었으나, 현재 가격 경쟁력 등을 이유로 포뮬레이션(Formulation)이 점점 단순화되고 있다. 제조사에 따라 소포제(antifoaming agent), 유리섬유 표면장력 조절제 등이 사용되는 경우도 있고, 경화제를 쉽게 구분하기 위해 경화제에 색상을 부여하기도 한다.

2) 핸드 레이업(라미네이트)용 수지

핸드 레이업(Hand Layup) 수지는 유리섬유로 블레이드 내부를 보강하거나 여러 부품의 접착을 위해 사용된다. 공법의 특성상 유리섬유에 수지를 함침한 후 바로 적용한다. 핸드 레이업 공정에서 수지의 점도가 너무 낮으면 흘러내리는 문제가 발생하고, 경화 시간이 너무 빠르면 작업성이 좋지 않다. 따라서 수지의 점도와 가사시간의 밸런스가 매우 중요하다. 보통 주제와 경화제의 혼합 점도는 1,000cps 수준이 되어야 하고, 가사시간은 100g 기준 최소 10분 이상이어야 적용이 가능하다. 더불어 상온에서도 경화가 잘 되어야 한다. 에폭시 수지는 인퓨전 시스템과 마찬가지로 비스페놀 A형을 기본으로 한다. 경화제는 각 회사마다 다르지만, 빠른 경화와 적절한 점도 유지를 위해 대체로 아민 어덕트(Amine Adduct) 타입이 사용된다.

3) 몰드용 수지

블레이드 몰드 제작에도 인퓨전 공법이 사용되는데, 몰드는 복합재료의 두께가 두껍고 블레이드보다 크기 때문에 인퓨전 수지보다 점도가 낮아야 한다. 물론 동적·기계적 힘은 크게 받지 않지만, 내열도가 우수하므로 일반 인퓨전 수지와 다른 특성의 수지가 필요하다. 몰드용 수지의 혼합점도는 100~300cps 정도이며 유리전이온도는 통상 70℃ 이상이 되어야 한다.

4) 접착제

지멘스(Siemens) 등에서는 접착제를 쓰지 않고 블레이드를 일체형으로 인퓨전 하지만, 대부분의 블레이드 제조사에서는 블레이드를 2 Part 방식으로 만들고 최종적으로 접착제를 도포하여 결합한다. 접착제는 접착제를 다 도포하기 전에 경화되어서는 안 되고, 무거운 반대쪽 면을 덮었을 때 접착제가 새지 않아야 된다. 따라서 칙소성(유동성)을 조절하는 것이 필수적이다. 인퓨전이나 핸드 레이업 수지와 달리 접착제는 유리섬유 파우더와 유동성 조절제가 들어간 불투명한 페이스트(paste) 상태이며, 다음 그림과 같이 특수한 디스펜서(dispenser)가 필요하다. DNV-GL 인증 테스트를 모두 만족하면서 유동성 또한 만족하는 것이 매우 힘들지만, 접착제는 블레이드 내구성에 결정적인 역할을 하므로 블레이드 제조사에서는 검증된 제품을 사용하려는 경향이 있다.

5) 프리프레그용 수지

블레이드 제조사 중 일부는 프리프레그 공법을 적용하며, 이 때 사용되는 에폭시 수지는 인퓨전, 핸드 레이업에 사용되는 것과 전혀 다른 타입이다. 제조된 프리프레그를 몰드 위에 바로 붙여서 만드는 방식의 공법이므로, 현장 프리프레그 제조와 이를 사용하는 것을 원칙으로 한다. 따라서 블레이드 제조 공장 옆에 바로 프리프레그 제조 설비가 갖춰져 있어야 한다. 일반 프리프레그의 적용 분야와 달리 워낙 대형 구조물이므로 용액 타입의 프리프레그는 사용되지 않는다. 대신 핫 멜트 방식(hot melt process)이 사용되는데, 프리프레그를 제조하고 수일 내에 사용하는 구조이므로 가사시간이 길지 않은 타입으로 제조된다. 에폭시 수지는 고점도의 비스페놀 A형이 사용되고, 경화제로는 잠재성 경화제를 사용한다. 일반 프리프레그와 달리 낮은 온도에서 반응이 일어날 수 있도록 설계한다. 이 공법을 적용하는 제조사는 탄소섬유와 유리섬유 프리프레그 모두 사용하며, 탄소섬유 파트의 경우 고하중 구조체에, 유리섬유 파트는 일반 구조체에 적용한다.
<그림 3-2-1-1>풍력발전기에 사용되는 고분자 소재
<그림 3-2-1-2>불포화 폴리에스터 수지의 경화 메커니즘
<그림 3-2-1-3>에폭시 수지의 종류
<그림 3-2-1-4>공법별 블레이드용 에폭시 시스템
<그림 3-2-1-5>인퓨전 공법 공정도
<그림 3-2-1-6>유변학 측정기 예시
<그림 3-2-1-7>핸드 레이업 공법 공정도
<그림 3-2-1-8>블레이드 제작용 몰드의 예시
<그림 3-2-1-9>풍력터빈 블레이드 접착과정 5단계

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