2013 탄소복합소재 지식연구회 탄소복합... · 2013년 탄소복합소재...

2013 탄소복합소재 지식연구회

∎일 시 : 2013. 10. 8(화) 10:30 ~ 13:30

∎장 소 : 한국탄소융합기술원 국제탄소연구소 세미나실(3층)

일 정 표

2013년 탄소복합소재 지식연구회

시 간 내 용 진 행

10:30~10:40 접수 및 안내 KISTI 호남지원

10:40~10:45 개회 및 위원 소개KISTI 호남지원

정인수 책임연구원

10:45~10:50 인사말KISTI 호남지원

김은주 지원장

10:50~11:30 항공산업용 탄소복합재료의 개발동향KCTECH

서민강 박사

11:30~11:55 초고온 탄소복합재의 동향과 KISTI활용 방안㈜데크

김정일 소장

11:55~12:10 질의 응답KISTI 호남지원

정인수 책임연구원

12:20~13:30 식사 및 토론(간담회) KISTI 호남지원


항공산업용 탄소 복합재료의 개발 동향

￭ KCTECH - 서 민 강 박사


초고온 탄소복합재의 동향과 KISTI활용 방안

￭㈜데크 - 김 정 일 소장

I. 항공산업 소개 및 국내 항공산업 육성전략

2

항공산업이란?

항공산업은 항공기 제조산업 (항공기의 개발 및 생산활동), 항공 운송산업 *(항공기를 이용한

운송활동), MRO 산업 (항공정비서비스)으로 구분

MRO : Maintenance, Repair and Operations 또는 Maintenance, Repair and Overhaul

3

항공산업 특징

1. 첨단기술이 융․복합된 시스템 산업, 국가의 기술수준과 산업 역량을 종합적으로 구현

* 최신항공기는 경량소재, 전자제어, 인공센서, 무선통신 기술과 항공기술의 융합체

* 항공산업의 국가브랜드 가치는 반도체, 핸드폰, 자동차 등 타산업보다 월등

2. 기계․자동차․IT 등 기반산업*과 연관도 높음

* 우리나라는 기반산업 경쟁력이 우수하여(세계순위 : 기계 9위, 자동차 5위, 반도체/휴대폰 1위 등)

항공산업의 발전 잠재력 충분

3. 제품 개발주기가 길고, 자본 및 기술측면의 진입장벽이 높으나, 진입 성공시 장기간의

안정적 수익을 창출

* B747 : ’70년 이후 40년간 생산을 유지 (대형민항기 평균 30년 생산)

• F-4(팬텀) 전투기: ‘61년 배치 이후 지속적 업그레이드를 통해 현재도 운용 중

* 완제기 판매 후 유지 보수 및 개조 (MRO, 완제기 매출의 2배)로 지속적인 수익 창출

4

대한민국 항공산업 기본계획 (2010)

항공산업 특징

4. 높은 생산유발효과, 高부가가치, 高임금의 선진국형 지식기반 산업

5. 큰 투자규모와 긴 투자회수기간으로 세계적으로 정부지원이 보편화 (전략투자산업) 6. (자주국방의 초석) 항공산업 역량은 국가 방위력의 평가 척도이며, 우주개발에 필요한 핵심기술과 생산기반 제공

* 항공 戰力은 감시정찰, 정밀 유도무기와 함께 미래戰의 핵심 요소 ** 우주는 산업화 초기단계(소형과학위성)로, 우주분야에 대한 업체의 지속적인 투자가 가능토록 하기 위해서는 항공 등 관련분야 민수기반 필수

5

국내 항공산업 현황

1. 우리나라 항공기 산업은 80년대 이후 군수부문 위주로 성장

2. (‘70년대後~‘90년初) 창정비․면허생산 위주의 단순 생산활동

3. (‘90년대後) 국내 독자모델 개발 추진

4. (’00년대~) 완제기 개발 외에도 산업경쟁력 강화를 위한 구조조정 및 부품․소재 개발 등

산업 육성정책 실시

6

2010년 국내 항공사업 육성 전략

7

II. 국내 항공산업 프로젝트

8

항공기 개발

9

군용 항공기 분야: KT-1 (기본훈련기)

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T-50 Golden Eagle 개발

11

스마트(SMART) 무인비행기 (2005~2012)

12

T-50 Golden Eagle 개발

13

진행중인 항공기 개발사업

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- 사단급XX기(KA, 2011~)

- UCXX (KA, 2011~)

- Smart무인기 (KARI개발) 상용화개발 (KA, 2011~)

- KFX (KAI, 2011~) : KA협력

- LAH(KAI, 2011~) : KA협력

- 701사업(KA, 2011~) : 미국 L3참여

- 101사업(KA, 2012~) : 미국 L3참여

- 군단급 XX기(KAI, 2012~)

- 중형기(KC+BA, 2012~)

(KC : KA+KAI+KARI), BA, 탐색개발(지경부)중

근접지원 무인기 개발 (대한항공)

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근접지원 무인기 개발

장기체공 고고도무인기(HUAV)

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(2012 초도비행시험)

중형항공기 형상 및 제원

17

III. 항공산업의 탄소복합재료 적용

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항공기에서의 복합재료 장점

19

항공용 탄소복합재료란?

복합재료란?

- 항공우주용 부품 및 구조체로 사용하기 위하여 고내열성 고분자 매트릭스 수지내에 섬유상

강화재인 고강도 탄소섬유를 복합화시켜 기계적 강도 및 내열성 등을 향상시킨 새로운

개념의 소재

고강도 복합재 특성

초경량

높은 비강도, 비강성

내부식성

내충격성

내피로성

부품 일체화 용이성 등

니즈 지향재료

재료설계 가능재료

기계적 열 적 전기적

특성 부여

20

복합재료

탄소섬유 물성별 응용분야

21

항공용 복합재료

Development of aluminum alloys & Composites for aircraft applications (1903 ~ present)

22

복합재료 항공기 응용

Composite Structural Applications

23


Breakdown of aircraft costs for civil aircraft

24


복합재료 사용 비율

25


민항기(Airbus) 와 군용기 구조 재료의 적용비율

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전체 무게에서 소재가 차지하는 비율

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T800급 탄소섬유 적용 예

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초고-강도급 탄소섬유(T-800 및 T-1000 grade): Boeing 787의 개발 (탄소섬유 35톤 사용)과 더불어 2011년 기준으로 전 세계적으로 약 30만 톤의 새로운 수요 창출과 향후 연간 10% 성장이 지속될 것으로 예측

탄소섬유 복합재료 기술은 미국과 일본이 주도, 군수 분야에서 관련 탄소섬유의 수출을 엄격하게 규제

미국이 추진하고 있는 군용 항공우주 개발 프로그램에서 사용되는 탄소섬유 복합재료는 DFARS(Defense Federal Acquisition Regulation Supplement)의 요구조건을 만족하는 미국 내 업체에서 생산된 것만 사용하도록 규제


B787 Program 해외협력업체

29

B787, T800급 탄소섬유 적용 예

30


복합재료 항공기로 얻는 혜택 (B-787)

31


복합재료 항공기로 얻는 혜택

32


보잉 차세대 항공기 B787 대한항공 설계/제작 참여 부분

33


B787 복합재료 적용시 혜택

34


국내 : B787사업

35

A350, T800급 탄소섬유 적용 예

36


Approximate Price of Materials

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Carbon Product Value Chain Analysis


PAN기반 탄소섬유의 등급 및 적용에 따른 시장구조

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항공기의 미래발전방향 : 경량화 -민간항공기 복합재료 적용

39


World Fleet will more than double over the next 20 years

40

탄소섬유 복합재료 시장예측

41

(2012 Toray Industries, Inc)

치치하얼

서울

대구

부산

평양

후쿠오카

오사카

나고야 요코하마

도쿄

센다이

삿포로

아사히가와

블라디보스토크

하바로프스크

대경

하얼빈

장춘 심양

단동

대련

물란바토르

북경

천진

지보

청도

제남

강소 남경

상해

항주 장사

남창

광주

홍콩

타이베이

대중

카오슝

태원

서안

1,000 km

서울에서 항공으로 3시간대에 갈 수 있는 400만 인구이상의 도시가 18곳이며 100만 인구는 50개 도시가 있음 (중형항공기 개발시급). 대한항공 국제화물수송량이 2011년도에 약 100억 ton-km로 7년연속 세계1위를 차지함. 미국동부/유럽까지 만재상태로 논스톱으로 비행가능. 42

IV. 초고강도 복합재 개발사업

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항 공

로터 및 동력전달장치

추진기관 기체소재 항법/제어 기계/보기류 항공전자/전기 체계종합

복합재료

전기계통 (조명계통)

인수인프라 (BASA 체결)

시험평가 기반구축

체계설계

진단/수리 및 성능평가

통신계통

감시계통

소프트웨어

체계종합

임무계통

시현계통

로 터

동력 전달장치

동적 시스템 (로터+엔진+ 동력전달장치)

금속재료

가스터빈 엔진

하이브리드 추진 시스템

고속추진 시스템

전기추진 시스템

PAV

고정익

회전익

무인기

체계설계

기체구조

공력성능

무인기 항법 및 제어시스템

임무계획/ 통제시스템

센 서

항법시스템

비행제어 시스템

환경계통

유압계통

연료계통

착륙계통

관제계통

[항공산업 전략기술로드맵, 지식경제부, 2010. 01.]

소재의 국산화 국산화 소재의 부품화

44

?

’10년 항공우주 분야 통합기술청사진 기술체계

개발의 필요성

사업 목표 사업 규모

사업 내용 사업 예산

세계 최고 수준의 가격경쟁력을 갖춘 초고강도 복합재 및 부품 국산화 개발

초고강도 복합재 원천 및 응용 핵심기술 개발 및 글로벌 선도제품 사업화

초고강도 복합재 평가, 인증 및 표준화

사업주체 : 산업통상자원부

사업구분 : 순수R&BD + 인프라구축

사업기간 : 2014 ~ 2018년 (5년)

총사업비 : 3,000억원 (국비 1,360, 지방비 40, 민자 1,600)

초고강도 복합재 원천 및 응용 기반기술 개발

(R&BD) : 2,920억원 (97.3%)

R&BD 지원을 위한 인프라구축 : 80억원 (2.7%)

구 분 합계 국비 지방비 민자

R&BD 2,920 1,320 0 1,600

인프라 80 40 40 0

합 계 3,000 1,360 40 1,600

사업 규모

19

사업 전략

46

초고강도 탄소섬유

중간재/ 복합재/

부품

인증/표준화 (MRO포함)

첨단부품소재 (순수 R&D사업)

신뢰성 (서비스 사업)

• 탄소섬유 개발 - 인장강도 6.4GPa급 - 탄성계수 300GPa급

• 350oF 경화형 수지 개발 • 고인성 프리프레그 개발 • 성형 및 가공기술 개발 • 첨단부품 개발

공동개발 & 비즈니스연계

원천 및 응용 기술개발

평가/ 인증/ 표준화

Field

Test

사업화 전략기획

서비스화 제품화

각 지역별 핵심주체들과 공동연구개발을 통한 첨단부품소재산업의 비즈니스 창출

• 평가, 인증 및 표준화 • 기술지원 기반구축 • 기업 집적화 단지 조성

지역 연계협력 전략

47

사업 추진체계

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평가/관리 전담기관

초고강도 복합재 사업단

기존 사업과의 차별성

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가격 (kg당)

특징 물성 본 사업과의

연계성 제조사

성장 동력

수요처

280 ~530$

정점기술, E/L품목

(금수품목)

인장강도 6.4 GPa 탄성계수 300 GPa

초고강도 복합재 개발

(2014~ 2018)

일본 도레이, 도호

중형항공기( 80인승), KFX, KHP, 무인기,

위성체, 발사체, 수소연료전지자동차 등

항공기

미사일

탄소복합소재

및

부품 개발

30~40$ 수입 가능


효성 시제품 완료 및 공장 착공(2008~

2013)

도레이 外 20여개

PAN계 전세계 90% 수요

일반산업

10~20$ 현재

연구개발단계 中


탄소밸리 구축사업 (2011~ 2015)

독 SGL, 도레이 등

3~4개 업체

기술보유

자동차, 토목건축, 풍력산업 등

자동차 풍력블레이드

원재료 수입이 不可하며, 초고강도 탄소섬유 자체양산 없이는 항공기 부품소재 無인증으로 수출이 不可 국내 원천소재 개발을 통한 BMS 등록시 수요기업(대한항공: Level-4)에 납품 가능 – 수요기업의 소재선택시 가격경쟁력이 가장 중요 (국산화를 통한 가격 절감효과)

고부가가치 창출 가능

50

원료에서 부품 및 완제품으로 갈수록 고부가가치 창출 가능

사진출처: 2012 Toray Industries, Inc.

기초원료를 탄소섬유로 제조할 경우 부가가치가 10~20배로 증가

기초원료를 복합재료화 하여 항공 부품에 적용시 최소 350배에서 440배

가격상승과 부가가치 창출

국내 : B787 &A350 사업

보잉 및 에어버스 차세대 항공기 B787과 A350에 대한항공 설계/제작 참여 부분 (Level-4)

‘11년 기준 1억8천만 달러 매출 달성

수소연료전지 자동차의 저장용기 적용

높은 수소저장밀도를 갖는 경량고압 수소기체 저장용기 적용을 통한 수소연료전지 자동차의

에너지 절감 및 장거리주행 가능(‘14년 약 1만대 -> ‘15년 약 5만7천대 예측)

특수산업(원자력, 원유 등) 및 방산분야(고고도 무인기, ICBM, 발사체 등) 사용 가능

국내 초고강도 복합재 사용 분야

51 Primary/Secondary structure

한국형 전투기 개발사업 고고도 무인기 개발사업 ICBM 및 발사체 개발사업

신형원자로 및 해양심해유전개발 차세대 항공기 B787 & A350 수소저장용기

본 자료는 전) 대한항공에 근무하셨던 홍익대학교 최흥섭 교수님 발표자료를 참고하여 작성하였습니다.

경청해주셔서 감사합니다!

2

. 복합재 선도기업 ㈜ 데크

. 초고온 탄소복합재의 기술 및 시장동향

. KISTI 활용의 사례

. 향후 전망

사천공장(CSP)

경남 사천시 소재

항공 사업 부분

3,025평 (’11.08~ )

(주)데 크 [DACC]

창원공장(본사)

경남 창원시 소재

방산 및 압력용기

3,300평 (’88. 08~ )

카본공장(전주)

전북 전주시 소재

탄소 마찰재 및 내열재

750평 (’04.12~ )

한국항공우주산업(KAI) 의 사업부 분사 ( 2001년 11월 9일) 총자산 : 500억, 매출 : 400억, 국내외특허 ( IP ) 120 여건 ( 2011년 12월 기준)

4

’05.12 Boeing 787 FTE 공급계약 체결 (KAI)’06.06 국방품질경영시스템(KDS0050-9000) 인증(기술품질원)’06.11 항공 공장 준공(완주) : 現) 데크 항공㈜’08.07 (주) CSP 설립(GRE PIPE)’08.10 데크 항공[주] - 항공분야 물적분할 설립

사업기반마 련

회사 설립

’01.11 (주) 데크 설립 [*한국항공우주산업에서 분사]

’02.06 방산 업체 지정 (산자부/국방부)

’03.07 ISO 9001:2000/KSA 9001:2001 인증

사업조정및

성장기반구 축

’08.11 차보 장갑차 양산계약 체결 (두산DST)’09.05 발명의 날 지식경제부 장관상 수상 (지식경제부)’10.04 방산분야-협력기업간 상생협력촉진대회 우수기업 수상(DPA)’11.12 항공기 제동장치 정비시험 인프라 기술개발 사업(국토해양부)

5

- 구조 해석

- FEM Analysis

- 해석 S/W

CATIA, I-DEAS

PATRAN/NASTRAN 등

- 원재료

프리폼 제조 기술

- 공정

Autoclave/와인딩

고온고압 함침

- 정하중/피로시험

- 환경시험

- 비파괴시험

- 열분석, 운용시험

- 다이나모 시험

설계/해석 재료/공정 시험/평가

첨단 복합재 소재-부품 최적화 개발/양산 기술 보유

지적재산권 및 시스템인증

구 분 주요 내용 비 고

해외특허(23건)

등록Carbon-Carbom composites for friction production ~ 등 7건

프랑스/미국/터키

출원A clutch for transmission power and method manufacturing ~ 등 16건

일본/독일/미국/국제특허

국내특허(79건)

등록 탄소재의 내산화 처리방법 등 45건

출원 복합재료 밀도화 방법 등 32건

상표권 등록 SECUREX 등 8건

실용신안 등록 자동차용 제동장치 등 4건

합계 112건

분 야 인 증 내 역 인증기관

공 통 품질경영시스템 : ISO 9001 :2008 ICR(2006)

방 산 국방품질 시스템 : (KDS 0050-9000) DTAQ (2006)

항 공항공품질시스템 (AS9100) : FM560673

NADCAP (복합재), GE Special Process

BSI (2010)

PRI (2010), GE

자동차 TS 16949 예정 (2013)

지적재산권

품질인증

7

2002년 05월 우수벤처기업 지정 (중소기업청)

2002년 06월 방산업체 지정 (지식경제부/국방부)

2003년 07월 ISO 9001:2000/KSA 9001:2001 인증(한국능률협회인증원)

2006년 06월 국방품질경영시스템(KDS0050-9000) 인증(국방기술품질원)

2006년 12월 방산분야 우수연구개발업체 표창 (방위사업청)

2009년 05월 발명의 날 지식경제부 장관상 수상 (지식경제부)

2010년 04월 상생협력 우수기업표창 (방위사업청)

2013년 02월 나로호 성공 공훈 장관 표창 (지식경제부)

8

적용분야 : 공기호흡기/CNG탱크LCD 장비-핵심부품

주요고객 : 현대자동차, LG-필립스 매출실적 : 약 30억/년 특기사항 : 최초 국산화, DOT인증

해외수출 증대예상

압력용기/산업용부품

초경량 고강도 탄소복합소재

적용분야 : 장갑차 방탄차체,부품유도무기 발사대(관)

주요고객 : 두산인프라,넥스원,한화 매출실적 : 약 170억/년 특기사항 : 경량,방탄 차체 개발능력

전략/대형 발사관 독점

방산구조/부품

10

적용분야 : 유도무기 핵심부품초고온 히터, 치구등

주요고객 : 국방부, 삼성테크윈 등

매출실적 : 약 50억/년

특기사항 : 국내 독점적 지위

적용분야 : 항공기 및 차세대자동차브레이크/클러치 등

주요고객 : 국방부, 현대자동차 등

매출실적 : 약 60억/년


항공기/자동차브레이크디스크

초고온 탄소복합소재

항공/로케트 내열구조

적용분야 : DACS부품, space Mirror방탄소재, 우주발사체 등

주요고객 : 국방부, 항우연, 한화 등

매출실적 : 40억/년, 국책과제(56억)


적용분야 : SiC 섬유, 민항기엔진부품반도체지그, 브레이크 등

주요고객 : 원자력연, 현대차 등

매출실적 : 20억/년, 국책과제(36억)


민수/항공기부품소재

최첨단 SiC 복합소재

방산/우주 내열 소재

12

13

최첨단 복합재 생산/연구 센터 건설

DACC 카본본부자동차용 세라믹 BD 양산라인 설치초고온 복합재 생산단지 및 연구센터 구축전주 친환경 단지 (토지 4,000평)

국책사업 진행 규모

소재원천개발사업 (지식경제부)- 기간/사업비 : 2011~2017년/80억원- SiC 섬유 양산화 공정 개발

항공선진화 사업 (국토해양부)- 기간/사업비 : 2011~2015년/160억원- 항공기 제동장치 복합시험센터 구축

핵심소재개발사업 (방위사업청)- 기간/사업비 : 2011~2017년/60억원- 초고온용 C/SiC 복합소재 제조 공정 개발

16

SiCm

Cf

(Py.C)i

SiCf or Cf

SiCm

(SiC+Py.C)i

(SiC+Py.C)i

SiCf or Cf

SiBC`+SiCm

18

단위 LPI

-MT

AerospaceEADS DLR SGL

- Cf/C Cf/SiC SiCf/SiC Cf/SiC Cf/SiC Cf/SiC Cf/SiC

g/㎤ 1.7 2.1 2.5 2.1~2.2 1.8 1.9~2.0 2.0

% - 10 12 10~15 10 2~5 2

㎫ 110 350 300 300~320 250 80~190 110

% - 0.9 0.6 0.6~0.9 0.5 0.2~0.4 0.3

㎫ - 500-700 - 450~500 500 160~300 190

vol. % - 45 - 42~47 46 55~65 -

║ < 0.5 3 5 3 1 -1~3 -0.3~2

┴ < 0.5 5 - 5 4 3~7 -0.1~1

║ - 14~21 5~15 14 11~13 17~23 12~23

┴ - 6~7 - 7 5~6 8~10 20~40

J/㎏K 750 620~1400 - - 900-1600 690~1550 -

열팽창계수

열전도도

비열

LSI

10-6/K

W/mK

밀도

기공율

인장강도

연신율

굽힘강도

섬유량

CVI

SPS

항목

제조사

소재

1) CVI: Chemical Vapor Infiltration, 2) LPI: Liquid Polymer Impregnation, 3) LSI: Liquid Silicon Infiltration

1) 2) 3)

19

42%42%

18%18%9%9%

31%31%

0

500

1000

1500

2000

2500

2009 2010 2012 2015 2018

US$ millionUS$ million

972 10301157

1584

2167

Glasses Oxide matrixNon-oxide matrix Others

20

22%22%

17%17%

21%21% 13%13%

15%15%

12%12%

0

500

1000

1500

2000

2500

2009 2010 2012 2015 2018

US$ millionUS$ million

972 10301157

1584

2167

Commercial aircraft Military aviationGround vehicles Medical devicesPowder generation Others

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신기술 개발

애로기술해결

KISTI 박영서원장 방문 : 중소기업 지원 독려

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㈜ 데크의 니즈 분석㈜ 데크의 니즈 분석

탄소/세라믹 복합재 기술로드맵 작성 지원

지식정보활용 교육-맞춤형 교육

탄소/세라믹 복합재 관련 자료 제공

슈퍼컴퓨팅 활용 지원

탄소/세라믹 복합재 제조의 애로기술해결

탄소/세라믹 복합재의 신공정 개발

탄소/세라믹 브레이크의 성능 개선

ASTI 지식 멘토링 지원ASTI 지식 멘토링 지원

사업확대/신규시장 진출: 애로기술 해결:신공정 기술개발 진행

신규 국책과제 진행

업체 경쟁력 확보

성 과

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♣ 슈퍼컴퓨팅 전단팀 운영 => 해석 전문가 지원♣ 상용 프로그램 활용 => CFD 해석 프로그램♣ 결과 협의 및 지속적인 관리

디스크 주변과 표면의 격자생성

회전체의 해석을 위한 설정

탄소/세라믹브레이크 디스크

25디스크 표면상의 오일흐름(Oil Flow)

디스크 주변에 생성된 속도분포

브레이크 디스크 표면의 온도분포

디스크 주변의 유동 방향과 속도분포

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섬유강화

세라믹

복합재료

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국내외 시장 확장 및 진입

국내외 시장 정보 및 분석 지원

마케팅 전략 수립 지원

시장확장을 위한 전략수립 지원

신 기술 개발 및 사업화

세계 기술동향 지원을 통한 신기술 개발

기술로드맵 지원을 통한 사업화 전략 수립

슈퍼커퓨팅 활용을 통한 문제해결 및 제품설계 지원

개발 기술의 신규 사업화 및 아이템 발굴 지원

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책자파일-탄소복합소재 지식연구회.pdf항공산업용 탄소복합재료의 개발동향(탄소복합소재 지식연구회-서민강-2013-0-10-08)초고온 탄소복합재의 동향과 KISTI 활용 방안

2013 탄소복합소재 지식연구회 탄소복합... · 2013년 탄소복합소재...

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