[단독] “제조 공정도 직접 짠다”…대한항공 항공우주사업본부의 ‘기술 헤리티지’

기초 복합 소재 성형서 자율 주행 로봇 공정까지
지난 23년 간 공장 바닥서 ‘공정 내재화’ 역량 쌓아
불량률↓, 생산 효율↑…현장의 깊은 고민 돋보여

대한항공에서 연구·개발(R&D)과 생산을 담당하는 항공우주사업본부가 인공 지능(AI) 기반 자율 이동 로봇(AMR)부터 오차를 없앤 극한의 자체 시험 장비, 복합 소재 정밀 성형과 설계 자동화에 이르는 제조 공정 전반을 독자 개발·내재화해 온 것으로 나타났다. 이는 단기간에 고가 장비를 도입해 얻은 성과가 아니라 현장의 불량률을 줄이고 생산 효율을 높이기 위해 축적해 온 '기술 유산'의 결실이라는 평가다.

18일 본지 취재 결과, 대한항공 항공우주사업본부는 외부 설계도에 의존한 조립에 그치지 않고 제조 공정 자체를 20년 넘게 직접 고안하고 내재화해 내공을 다져온 것으로 확인됐다. 1975년 설립된 항공우주사업본부는 △민항기 구조물 국제 공동 개발 △군용기 성능 개량 및 창정비 △무인 항공기 체계 △하이브리드 드론 등 4대 핵심 사업을 영위하고 있고, 최근의 첨단 스마트 팩토리 기술부터 2000년대 초반의 기초 소재 성형 기술까지 촘촘하게 축적해와 특허 17건에 이르는 '제조 기술 헤리티지'를 보유하고 있다.

◇ AI와 자율 주행 로봇이 이끄는 '스마트 팩토리'

2024년에서 올해 사이에 공개·등록을 마친 특허 6건을 보면 대한항공의 생산 라인이 어떻게 유연하고 정밀한 '스마트 팩토리'로 진화했는지를 확인할 수 있다. 과거 작업자가 직접 칼을 들고 수행하던 까다로운 부품 자르기나 조립, 대형 복합재 성형 작업은 스스로 생각하고 판단하는 로봇과 첨단 설비의 몫이 됐다.

가장 눈에 띄는 것은 올해 등록된 '자동화 장치용 테이블 및 이를 이용한 작업 방법' 특허다. 요즘 첨단 공장 안에서는 물건이나 가공 로봇을 싣고 스스로 돌아다니는 AMR이 쓰인다. 그런데 공장 바닥은 우리 눈에만 평평해 보일 뿐 실제로는 미세한 굴곡이 있다. 바닥이 단 3mm만 기울어져도 이 로봇의 거대한 로봇 팔 끝에서는 13.4mm 이상의 큰 오차가 생겨 비싼 항공기 부품을 통째로 망칠 수 있다.

이를 막기 위해 대한항공은 자동으로 수평을 맞추는 테이블을 고안해 냈다. 테이블 다리에 스프링과 높이 감지 센서를 달아 로봇이 울퉁불퉁한 바닥에 도착하면 다리 4개가 스스로 길이를 조절해 수평을 찾는다. 식당 테이블이 덜컹거릴 때 밑에 종이를 접어서 괴어주는 작업을 기계가 스스로 판단해 알아서 하는 셈이다. 수평이 맞춰지면 공기압을 이용한 브레이크가 다리 길이를 꽉 물어 고정해 로봇이 흔들림 없이 정밀하게 작업할 수 있게 돕는다.

로봇 팔을 제어하는 소프트웨어도 크게 진화했다. 작년 중 등록을 마친 '복합재 가공용 지그(Jig) 장치 및 이를 포함하는 시스템' 특허에 따르면 다관절 로봇이 부품을 가공할 때 로봇 팔에 달린 센서가 깎이는 저항력을 실시간으로 감지한다. 굴곡진 곳을 자를 때 힘이 너무 많이 걸려 부품이 망가질 것 같으면 로봇이 스스로 칼날의 위치를 살짝 위로 들어 올려 힘을 빼주는 능동 제어 알고리즘이 적용돼 있다. 또한 내부 지그 간격을 조절해 고정바를 적용해 복합재가 움직이지 않도록 꽉 잡아주고, 로봇 작업 시 발생하는 진동을 2중으로 흡수하는 댐핑 구조체까지 내장해 가공 정밀도를 극대화했다.

작업 속도를 높이기 위해 한 번에 수직과 사선 두 가지 각도로 부품을 자를 수 있는 쌍칼 형태의 '복합재 커팅 장치'를 달고, 마찰 탓에 칼날이 열을 받아 변형되지 않게 볼텍스 튜브로 찬 공기를 쏴주는 전용 냉각 시스템까지 갖췄다.

거대한 오븐을 통째로 가열하고 식히는 비효율을 없애기 위한 성형 혁신도 이뤄졌다. 올해 공개된 '항공기 복합재 유연 히팅 에어 몰딩 장치' 특허는 위에서는 공기 압력으로 유연하게 부품을 누르고, 아래에서는 폴리이미드 필름·철판·히팅 패드 등 부위별로 개별 온도 조절이 가능한 '유연 히팅 부재'를 적용했다. 이로써 복잡한 곡면 형태의 대형 복합재라도 툴 전체를 가열할 필요 없이 필요한 부위에만 균일한 열과 압력을 빠르고 정확하게 전달해 고품질로 구워낼 수 있게 됐다.

까다로운 항공기 부품을 작업대 위에서 고정하는 지그 기술도 빼놓을 수 없다. 속이 빈 육각형 벌집 모양의 부품(허니컴 코어)은 진공 청소기처럼 공기를 빨아들여 고정하려 해도 구멍으로 공기가 다 새어나간다. 다른 기업들이 부품 안에 끈적한 이물질을 억지로 채워 넣고 가공한 뒤 다시 파내는 복잡한 방식을 쓸 때 대한항공은 부품 밑바닥에 테이프를 붙여 공기가 새는 것을 막고, 흡입구 쪽에 구멍이 뚫린 분배기를 달아 부품 전체를 골고루 빨아들여 단단히 고정하는 '허니콤 코어용 지그 장치 및 이를 포함하는 코어 가공 시스템'을 만들어 냈다.

또한 아직 굳지 않아 표면이 찰흙처럼 무른 탄소 섬유 원단(프리프레그)을 진공으로 흡입할 때 표면에 흠집 자국이 남는 것을 막기 위해 미세한 구멍이 뚫린 다공성 플라스틱 판을 덧대 표면을 보호하는 '복합재 부품 절단을 위한 지그 모듈 및 이를 포함하는 절단 시스템'도 현장 노하우가 낳은 결과다. 로봇이 부품을 자를 때 허공에 뜬 절단면이 아래로 처지며 지저분한 보풀이 일어나는 것을 막고자 그 밑을 든든하게 받쳐주는 맞춤형 플라스틱 받침대(인서트 부재)를 끼워 넣는 세심함도 돋보인다.

◇ 한계에 도전한 정밀 성형과 극한의 테스트 장비

오늘날의 로봇 자동화는 하루아침에 만들어진 게 아니다. 로봇이 본격 도입되기 전인 2010년대, 대한항공은 이미 항공기 부품을 결점 없이 구워내고, 이를 가혹한 조건에서 시험하는 장비들과 설계 소프트웨어까지 독자적으로 구축했고 8건의 특허를 냄으로써 내실을 다지고 있었다.

소프트웨어 설계와 기초 성형 장비의 내재화도 이미 이 시기에 싹을 틔웠다. 비행기 날개처럼 얇고 넓은 복합재 구조물을 설계할 때는 부품이 찢어지거나 구겨지는 것을 막기 위해 수많은 적층 각도와 순서를 계산해야 했다. 대한항공은 최초 파손·좌굴·베어링 파손 등 여러 조건을 통합해 안전율을 자동 계산하는 알고리즘인 '복합재 구조물의 최적 설계 방법(2015년)' 특허를 통해 기존 엔지니어가 수작업으로 10시간 넘게 매달리던 개념 설계 작업량을 단 1시간으로 대폭 단축했다.

또한 거대한 오븐(오토클레이브)에 의존하던 방식에서 벗어나 부품 형상에 맞춘 전용 몰드 내부에 오일 유로를 내장해 직접 가열·가압을 수행하는 '복합재 제작 장치(2014년)'를 도입해 헬기 날개처럼 크고 두꺼운 부품도 보이드(기포)나 링클(주름) 같은 결함 없이 빠르게 찍어내는 효율화를 이뤄냈다.

얇은 탄소 섬유 원단을 여러 겹 쌓아 두껍게 만들고 곡면으로 꺾어 구울 때 주름이 생기는 문제를 막고자 진공 공간 아래에서는 팽창 고무가 부풀어 오르며 밑에서 위로 부드럽게 밀어 올리고 위에서는 피스톤이 동시에 눌러주는 입체적인 이중 가압 장치인 '프리프레그 절곡 성형 장치 및 그 방법(2011년)'을 고안해 낸 것도 이 시기의 성과다.

속이 텅 빈 벌집 모양의 허니컴 코어를 둥근 곡면으로 구부려 누를 때 얇은 벽들이 구겨지며 무너지는 불량을 막기 위한 기술도 돋보인다. 대한항공은 방탄 조끼 소재로 쓰일 정도로 질긴 케블라 원단 매트와 양옆에서 팽팽하게 당겨주는 스프링 구조를 이용해 누르는 힘을 전체적으로 부드럽게 분산시키는 '허니컴 코어 성형 장비(2014년)'를 만들어 불량 발생을 차단했다. 무거운 금속 부품을 깎는 기계에 부품을 고정할 때 깎이는 힘을 이기지 못하고 밑으로 미끄러지는 위험한 상황을 막기 위해 부품의 위와 아래를 수직 방향에서 강하게 꽉 쥐어주는 'NC 선반의 공작물 공급 장치(2012년)'를 고안해 무거운 물건을 가공할 때의 안전성도 챙겼다.

차세대 무인기나 장거리 비행 드론 등 고도의 안전성이 필요한 비행체를 개발하며 이를 검증할 시험 장비의 오차를 없애는 데에 집중한 것도 이 시기다. 부품을 높은 곳에서 떨어뜨려 충격을 얼마나 잘 버티는지 보는 '임팩트 테스트 머신(2012년)'이 대표적이다. 무거운 추를 가이드 레일을 따라 떨어뜨릴 때 기둥과 추 사이의 물리적 마찰력 때문에 정확한 충격 에너지를 계산하기 어려웠다. 이에 대한항공은 기둥에 고압 공기를 쏴서 얇은 공기층을 만들어 마찰력을 사실상 '0'으로 만들었다.

오락실에 있는 에어하키 게임기 바닥에서 공기가 뿜어져 나와 퍽을 띄우는 것과 유사한 원리를 산업용 테스트 장비에 적용한 것이다. 또한 바닥을 때리고 고무공처럼 다시 튀어 올라 2·3차 충격을 가하면 실험 데이터가 훼손되는데, 이를 막기 위해 튀어 오르는 0.2초의 짧은 찰나에 공기압 실린더나 걸쇠를 뻗어 추를 낚아채는 구조를 적용해 오차 없는 순수한 1차 충격 데이터만 얻어냈다.

무인기나 헬기의 프로펠러 회전축(토크바)이 비틀리는 꼬임 힘을 얼마나 잘 버티는지 한계를 측정하는 '항공기용 복합 재료 토크바 비틀림 평가 테스트 장비(2016년)'도 개발했다. 길이가 긴 부품은 기존에 돌려서 측정하는 회전 방식의 테스트 기계에 들어가지 않았는데 밀어내는 직선 운동을 회전 운동으로 바꿔주는 특수 장치를 달아 부품 길이와 상관없이 비틀림 시험을 할 수 있게 만들었다. 부품 양 끝에 비틀림을 재는 센서와 당겨지는 힘을 재는 센서를 각각 달고 결과값을 서로 비교하게 해 테스트의 신뢰도를 제고했다.

비행 중 겪게 되는 복잡한 힘을 지상에서 그대로 재현하기 위해 위아래로 누르는 힘과 양옆으로 미는 힘을 동시에 가하는 '2축 재료 시험기(2012년)'도 이 시기에 완성됐다. 큰 힘을 가하는 쇠기둥 자체가 망가지지 않게 하중을 분산시키는 지지판 구조를 덧대 고장 없이 장기간 정확한 테스트를 수행할 수 있게 해 준 장비다.

◇ 현장 혁신의 태동기

2000년대 초중반의 특허 3건에는 모든 첨단 공정의 가장 밑바탕이 되는 '효율화'와 '기초 소재 가공'에 대한 초기 현장의 땀방울이 그대로 묻어난다. 사소해 보이는 제조 병목 현상까지 꼼꼼하게 따져가며 해결책을 고안했다는 점은 현재의 기술적 해자가 갖춰지기까지 항공우주사업본부 연구원들이 오랜 시간 동안 상당한 노력을 경주했음을 보여주는 대목이다.

항공기 표면이 구겨지지 않게 안에서 받쳐주는 뼈대(스트링거)를 탄소 섬유 복합 소재로 처음 만들 때에는 뜨거운 오븐에서 다 구워진 뒤 딱딱해진 뼈대 안에서 굽는 동안 모양을 잡아주던 금속 틀(맨드릴)을 억지로 빼내려다 보니 부품에 미세하게 금이 가는 일이 잦았다.

대한항공은 2003년 출원해 2006년 등록된 '스트링거 제작을 위한 형상 유지 공구의 제조 방법 및 이를 이용한 스킨-스트링거 일체형 패널 제작 방법' 특허를 통해 이 오랜 골칫거리를 풀었다. 쇠 대신 '실리콘'으로 틀을 만든 것이다. 실리콘은 온도가 올라가면 부피가 팽창하고 식으면 줄어드는 성질이 있다. 오븐에서 뜨겁게 구울 때는 실리콘 틀이 부풀어 올라 뼈대 모양을 빈틈없이 단단하게 잡아주고, 다 굽고 나서 식히면 본래 크기로 줄어든다. 덕분에 딱딱해진 부품과 틀 사이에 빈 공간이 생겨 부품 손상 없이 부드럽게 틀을 빼낼 수 있게 돼 불량률을 획기적으로 낮췄다.

전투기나 헬기를 완전히 뜯어서 고치는 창정비를 할 때 수많은 부품을 세척하고 약품으로 코팅하는 화공 처리 공정에서도 발상의 전환이 돋보였다. 예전에는 수영장만큼 거대한 약품 수조들을 일직선으로 길게 늘어놓고 크레인으로 부품을 옮겨가며 담가야 해 공장 공간을 많이 차지하고 작업자가 왔다 갔다 하는 시간도 오래 걸렸다.

대한항공은 2004년에 출원한 '연속 화공 처리 장치(2006년)'를 고안해 수조들을 둥그렇게 원형으로 모아 배치했다. 중앙에 빙글빙글 회전하는 기둥과 위아래로 움직이는 승강 장치를 달아 부품이 교대로 다음 약품 수조에 자동으로 담기도록 설계해 냈다. 공장 내 설치 공간을 2.5% 수준으로 줄여 작업 시간도 단축해냈다.

여기에 더해 끈적한 원단 테이프를 자동 적층 장비가 겹겹이 쌓아 올릴 때 테이프가 궤도를 벗어나거나 팽팽함이 유지되지 않아 표면에 쭈글쭈글하게 주름이 지는 것을 막아주는 가이드 슈트 압착 방식의 '프리프레그 공급 장치(2006년)' 기술도 이 시기에 개발돼 현재 운영 중인 첨단 로봇 자동 적층 장비의 토대가 됐다.

박규빈 기자 kevinpark@ekn.kr