김해두 한국기계연구원 부설 재료연구소 엔지니어링세라믹연구그룹 책임연구원
이세훈 한국기계연구원부설재료연구소 엔지니어링세라믹연구그룹 선임연구원

1. 서론
초고온 재료는 탄소 재료, 세라믹 재료, 초고온 금속재료 및 초고온 코팅을 포함한다. 2004년 미국의 National Science Foundation과 Airforce Office of Scientific Research에서는 초고온 재료의 연구를 정립하기 위한 workshop을 수행하였으며 비산화물계 세라믹인 ZrB2, ZrC, HfB2, HfC, HfN, SiC, Graphite, 산화물계 세라믹인 Y3Al5O12와 금속인 Rhenium 등을 초고온 재료에 포함하였다. 이들 중 탄소계 재료는 탄소섬유와 이를 이용한 탄소/탄소 복합체가 개발되고 있으며, 비산화물계 재료는 SiC 섬유와 ZrB2, ZrC, HfB2, SiC 및 이들의 복합체 개발에 연구가 집중되고 있다. 또한 세라믹스의 단점인 낮은 신뢰도를 개선하기 위하여 탄소/SiC 복합체, SiC/SiC 복합체 및 탄소/Boride계 복합체 개발을 위한 연구가 진행되고 있다.
초고온 소재는 군사용이나 우주용으로 개발을 시작하여 미국, 일본, 프랑스, 러시아 등의 국가연구소 및 관련 업체에서 정부 주도하에 연구개발을 수행하고 있다. 따라서 기초 소재, 설계 및 제조기술이 MTCR (Missile Technology Control Regime) 및 ITAR (International Traffic in Arms Regulations)의 규제 하에 도입이 통제되고 있다.
최근 항공우주 분야에서 개발된 초고온 재료 기술이 반도체, 원자력/핵융합 및 고성능 브레이크 등 첨단 민수 산업용으로 확대 적용 되고 있으며, 그 차이가 국가 간의 기술력 격차에 영향을 미치고 있다. 세계의 부품·소재 산업은 국제 경쟁의 격화에 따라 과거 다수 기업에 의한 생산 및 경쟁 체제에서 기술력을 보유한 소수 독점 기업 간의 상호협력체제로 전환되고 있으며, 선도 기업을 중심으로 기술, 생산, 판매 등 전 영역에 걸쳐 국제화가 이루어지고 있다. 특히 재료기술의 경우 개발에 장시간, 고비용의 투자가 필요하기 때문에 국내 기업은 기술 개발 투자를 주저하고 있다. 
남북분단과 주위 군사 강대국에 둘러싸인 특수상황에 처해 있는 한반도의 현실에서 국가 안전을 위한 방위 능력 확보는 우선적으로 필요한 요소이다. 또한 우주, 항공, 해양, 방위, 정밀기계, 자동차, 조선, 철강, 비철, 에너지 및 환경산업 분야에서 선진국의 입지를 다지기 위한 기술자립이 필요한 시점이다. 따라서 초고온 세라믹스 섬유, 원료분말 및 복합체 제조 등의 원천기술 확보가 절실히 필요할 것으로 생각된다.
본 보고에서는 초고온 재료 중 탄소재료, 세라믹 재료 및 코팅재료에 관한 국내외의 기술동향, 향후 기술개발 전망 및 산업적 응용에 대해 논의하고자 한다.

2. 관련기술 동향
가. 해외 기술개발 및 연구 동향
탄소섬유는 주된 시장이 전투기 등 군용시장에서 민항기 등 민수 시장으로 전환되면서 급격한 시장의 팽창이 이루어지고 있다. 이에 따라 세계 각국에서 생산이 이루어지고 있으며, 제조원가의 절감과 강도 및 탄성계수의 개선 등 물성 향상을 위한 연구가 진행되고 있다. 제조원가 면에서는 피치계 원료 사용 및 제조공정의 개선을 통해서 가격을 낮추면서도 기존의 고성능 탄소섬유에 근접하는 물성을 구현하기 위한 연구들이 진행되고 있다. 섬유 물성의 경우 PAN계 및 피치계 원료를 사용하여 6.4GPa의 인장응력 혹은 588GPa의 인장계수를 갖는 탄소섬유가 상용화 되어 있다.
지난 20여 년간의 연구개발 투자에도 불구하고 탄소/탄소 및 탄소/SiC 복합재료에 대한 내열성 향상 및 제조 가격 절감을 위한 생산기술 연구가 계속되고 있는데, 미 국방성은 년 2,000만 달라의 연구개발비를 초고온용 탄소/탄소 및 탄소/SiC 복합재 분야에 투자하고 있다.
SiC 섬유는 일본의 UBE와 Nippon Carbon에서 생산중이나 연산 능력이 영세하고 군사용으로 전용될 위험 때문에 생산 및 수출에 제약이 가해지고 있는 실정이다. 이 외에 UBE의 원료 precursor를 사용하여 미국의 Dow Corning과 일본의 IEST에서 SiC 섬유를 제조하고 있으며, 특히 IEST사는 대량생산에 적합한 연속식 furnace를 사용하여 섬유가격의 절감을 이룰 것으로 기대되고 있다. 비산화물 세라믹계 섬유의 경우 가격의 절감 이외에도 열처리로 표면에 100nm 두께의 BN층을 형성시킨 Sylramic-iBN 섬유 등 대기중 사용온도 증가를 위한 연구가 이루어지고 있다.
표 1에 선진국에서 수행중인 비산화물계 세라믹 섬유 및 섬유강화 복합체의 연구동향을 정리하였다.
상용화가 진행 중인 탄소/SiC계와 달리 Zr 및 Hf계 초고온 세라믹스는 아직까지 기초 연구 위주의 활동이 이루어지고 있다. 이들 재료는 용융점이 3200도 이상으로 기존의 고온용 세라믹스를 대체할 경우 소재의 고온물성과 수명을 획기적으로 향상시켜 줄 것으로 기대되고 있다. 분말 합성연구는 저가격과 입도 및 입자형상 제어에 대한 보고가 이루어지고 있다. 섬유로는 MATECH에서 전구체를 사용하여 HfC계 세라믹 섬유를 시험생산하고 있다. 
미국에서는 NASA와 공군, Univ. of Missouri -Rolla가 선도적으로 이 분야에 대한 연구를 수행하고 있다. 주로 ZrB2 혹은 HfB2의 저온소결 및 초고온에서의 산화저항 특성 개선에 개발이 집중되고 있으며 B4C 소결조제를 사용하여 1775℃에서 ZrB2의 상압소결을 달성하고 있다. 유럽에서는 이태리의 Institute of Science and Technology for Ceramics에서 주도적인 연구가 이루어지고 있으며, 다양한 산화물, 질화물 및 silicide계 소결조제를 테스트하였다. 최근 일본의 재료연구소 (NIMS)에서는 ZrSi2 소결조제를 사용하여 1650℃에서 ZrB2의 상압소결을 달성하였다.
초고온 내열코팅 분야에서 일본은 대기권 재돌입체인 HOPE -X 에 적용하고자 1,700℃에서 10분간 사용이 가능한 내열/내산화 코팅기술이 개발되어 있으며, 유럽의 space vehicle 프로그램인 HERMES (프랑스), HOTOL (영국), SANGER (독일) 등에 모두 1,300℃ 상용의  내산화 코팅기술을 개발 중에 있다. 

나. 국내 기술개발 및 연구 동향
국내의 탄소/SiC계 초고온 세라믹스 재료 개발은 2000년 이전까지는 시장의 미비로 많은 연구가 이루어 지지 않았으나 최근 연구소와 기업을 중심으로 산업화를 위한 연구들이 수행되고 있다.
탄소섬유의 경우 (주) 효성과 전주기계탄소기술원이 양산을 위한 연구개발을 진행하고 있다.
탄소/탄소 복합재료의 국내 기술수준은 선진국에 비하여 떨어져 있으나, 최근 활발한 연구가 진행되고 있다. 한국 기계연구원 부설 재료연구소 (KIMS)는 2D/2.5D/3D 프리폼 제조기술을 확보하고 있다. (주) DACC는 2000년 탄소/탄소 복합체 브레이크를 개발하여 KF-16, T-50, F-15K 등 공군이 보유하고 있는 전투기와 훈련기에 회사의 탄소복합소재 브레이크디스크를 공급하고 있으며, 해외에서도 품질을 인정받아 미국 항공기 부품업체인 SIA와 향후 10년간 연 100만 달러 급의 항공기 제동장치부품 공급 계약을 체결하였다.
탄소/SiC계 복합재료의 경우 (주) DACC에서 자동차용 브레이크디스크를 개발하였으며 최근 독일에 수출계약을 체결함으로써 탄소/SiC 브레이크를 독점 공급해온 독일의 SGL과 경쟁체제를 구축하였다.
SiC 섬유의 원료가 되는 규소계 모노머는 2004년 KCC가 생산에 착수하였다. KCC는 현재 전주공장에 양산 시스템을 구축하였으며 2012년까지 이를 더욱 확충할 계획이다.
세라믹기술원 (KICET)은 SiC 섬유 제조 기초기술 개발을 (주) DACC와 함께 수행하였다. 또한 충남대에서는 SiC, SiCN용 폴리머 전구체 연구를 수행하고 있으며 이를 이용하여 SiC foam 제조 및 MEMS 등에 응용하고 있다.
한국에너지기술연구원 (KIER)에서는 탄소/SiC 복합재료 제조기술에 대한 연구를 수행하여 철강 열처리로용 래디언트 튜브 및 래디언트 버너 노즐 시작품 개발을 완료하였으며, 현재에는 상용화를 위한 연구를 수행 중에 있다. 
한국원자력연구소 (KAERI)는 CVD (Chemical Vapor Deposition), CVI (Chemical Vapor Infiltration) 공정 및 SiC 분말을 이용한 고온가압소결 공정, 고분자 함침공정 (PIP) 등을 적용하여 SiC/SiC 복합재료 제조를 위한 기반기술과 세라믹 섬유의 인성강화를 위한 섬유코팅 기술을 개발하고 있다.
국내에서 Zr 및 Hf계 초고온 세라믹의 연구는 (주)포항종합제철소에서 고내식성 ZrB2에 관한 특허를 발표 하였고 (특1997-0042432), 제조 공정 측면에서는 서울대 및 한양대에서 boride계 시스템의 소결에 관한 연구가 수행되었으나 전반적인 기술 수준과 연구 영역은 선진국과 비교할 때 아직 미흡한 실정이다. 재료연구소는 한양대학교와 공동으로 SiC 및 ZrB2계 초고온 세라믹재료 개발에 관한 연구를 수행하고 있으며, 원료분말 합성, 분쇄, 습식공정, 저온소결, 산화 저항성 개선 및 SiC 섬유강화 복합체 제조에 관한 연구를 수행하고 있다.
초고온 코팅의 경우 국내에서는 통상적인 고온 운전조건을 위한 초내열 합금용 TBC 기술이 연구되고 있으며 탄소계 복합재료의 EBC 및 TEBC 기술에 대한 연구는 시작단계에 머물러 있는 실정이다.

3. 향후 기술 개발 및 연구 전망
초고온 세라믹스는 연구의 역사가 비교적 짧은 신소재이며 최근까지 물성 개선 위주로 연구가 진행되어 왔다. 미래에는 성능의 지속적인 향상과 더불어 저가격화를 실현함으로써 산업적인 활용을 가능하게 하기위한 연구들이 이루어질 것으로 예상된다.
일반 산업용 탄소/탄소 복합체의 경우 미국의 NASA 및 전문 업체에서 디젤/가솔린 엔진의 실린더 라이너, 피스톤 및 밸브용 복합체의 상용화를 추진하고 있으며 신속한 제조 공정을 통한 가격혁신 및 내산화성 향상을 목표로 하고 있다.
국내에서 진행 중인 탄소계 복합체연구의 경우 치밀화나 single layer 코팅, 탄소/SiC의 치밀화공정 분야에서는 세계적 수준과 대등하거나 상회하는 수준에, 3D 프리폼 제조기술 및 multi layer 내산화 코팅 기술에 있어서는 선진국과 대등한 수준에 도달하는 것을 목표로 연구를 진행 중에 있다.
Zr 혹은 Hf계 초고온 세라믹스의 경우 당분간 산업화를 위한 연구보다는 물성 및 공정개선 위주로 연구가 진행될 것으로 예상된다. 기존의 저온소결 및 산화저항성 연구 외에 원료 분말의 고품질화, 나노복합화 등에 의한 기계적 물성의 개선, 장섬유 강화 복합체 제조에 의한 신뢰도 향상, 접합특성 향상 및 방전가공 (Electrical discharging machining) 등을 이용한 가공성 개선 등이 이루어 질 것으로 예상된다.
초고온용 EBC 및 TBC 기술은 특수 기능을 가진 다층막 재료를 기반으로 하는 복잡한 코팅 구조물이 될 것으로 전망된다. 현재 국내에는 초고온 코팅기술의 기술의 취약성으로 인해 초고온용 재료의 코팅은 해외에 의존하고 있으며, 상용 수준의 제조기술 확보가 시급히 이루어져야 할 것으로 생각된다.
4. 산업적 응용 전망
산업의 고도화에 따라 고성능 소재에 대한 수요가 최근 크게 증가하고 있으며, 이에 따라 초고온 세라믹스의 산업적 활용 역시 활발히 이루어 질 것으로 예상된다.
탄소섬유의 세계 시장은 2008년 현재 연간 1조 2천억원 정도이며 10년 후 20조원대의 거대 시장으로 성장할 것으로 예상된다.
초고온 구조물 및 열 차폐용 탄소 복합체는 2,000℃ 이상의 고온에서 지속적으로 내열성 및 내산화성이 요구되는 우주항공 분야, 초고온에서 고순도 및 내마모성 등이 요구되는 원자로/핵융합로 분야, 고순도 및 고온 열처리가 요구되는 반도체 제조 분야, 고체/액체 로켓의 엔진부품, 대기권 재진입 비행체의 열 차폐 구조, 항공기 브레이크 등에 적용되고 있다. 2010년 우주항공용 탄소 복합체의 세계 시장 규모는 2조 5천억 원으로 추정되며, 국내시장은 약 900억 원 규모로 예상된다. (주) DACC가 공급하는 브레이크디스크는 향후 10년간 약 1500만 달러 수출이 가능할 것으로 예상된다.
내산화성이 비교적 향상된 탄소/SiC 복합체는 1,500℃ 영역에서 비교적 단시간의 수명을 필요로 하는 미사일/Ram jet/Turbo jet의 고온 부위와 자동차용 브레이크 디스크에, SiC/SiC 복합체는 1200℃ 부근에서 비교적 장기간 사용되는 항공기 및 우주비행체의 엔진부품 및 산업용 엔진 부품 등에 적용되고 있다. 또한 SiC 섬유강화 세라믹 복합체는 고효율 방사형 히터, 열전지용 separator, 엔진 부품, 가스터어빈, 차세대원자로 구조재료, 로켓노즐, 송전선 등으로 응용범위가 확대되고 있다.
Zr 및 Hf계 초고온 세라믹스는 기존의 탄소/탄소 재료보다는 우수한 내산화성 및 부품 수명을, 탄소/SiC 및 SiC/SiC계 소재보다는 우수한 고온물성을 실현시킬 것으로 기대되며, 항공우주 재료분야에서 기존의 고온용 세라믹스들을 대체하기 위한 활발한 연구가 진행되고 있다.
초고온 코팅기술은 우주항공용 제트엔진의 터빈, 슈라우드, 배기노즐, 고온 연소기와 우주왕복선 및 재사용형 로케트 고온부품의 고온부 기체외판, 노즐콘, 가스터빈 등에 활용되고 있으며 산업용으로는 가스터빈의 연소기라이너, 트랜지션닥트, 슈라우드실링, 석유/LNG의 필터, 열교환기튜브, 연소기라이너, LNG, 화학플랜트 등에 활용되고 있다. 국내의 경우 전량 외국에 의존하고 있는 1, 2단 터빈블레이드의 국산화로 제작기간 단축, 경비절감 등을 통한 생산성 향상 및 수입 대체효과가 기대되며, 발전설비 등에서의 터빈블레이드에 적용될 경우 경제적인 파급효과가 클 것으로 예상된다.

5. 결론
초고온 세라믹스는 항공, 우주, 국방, 자동차, 발전 등의 국가 기간산업 전반에 미치는 효과가 클 뿐만 아니라 에너지, 환경산업으로의 응용도 폭넓게 확대될 수 있다. 국내에는 초고온 세라믹스와 그 복합체의 연구 및 산업기반이 아직은 취약하므로 관련 분야의 국내 산업은 단시일 내에 활성화되기는 어려운 측면이 있으나, 산업용 소재로 점차 응용분야가 확대됨에 따라 산업화가 이루어지고 있으며, 향후 기술개발에 대한 수요가 증가할 것으로 예상된다.

표 1. 해외 주요국의 기술 개발 현황

그림 1. 2100도 가열 후에도 섬유 뽑힘 거동을 보여주는 탄소섬유/SiC/SiBCN계 복합체

표 2. 국내 세라믹 섬유 및 복합재료 관련 연구현황
그림 2. SiC/ZrB2 섬유강화 복합체

김해두
연세대학교 세라믹공학과 학사
영국 Sheffield 대학 공학석사
독일 Aachen 공대 공학박사
미국 ORNL 방문연구원
국립창원대학교 겸임교수
국립경상대학교 겸임교수
한국기계연구원(KIMM) 부설 재료연구소(KIMS) 엔지니어링
세라믹스 연구그룹, 책임연구원

이세훈
한양대학교 무기재료공학과 학사, 석사
독일 Stuttgart 대학 이학박사
한국기계연구원(KIMM) 부설 재료연구소(KIMS) 엔지니어링
세라믹스 연구그룹, 선임연구원

< 본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 월간세라믹스를 참조바랍니다.>