Special  창조경제 실현을 위한 핵심소재 세라믹원천기술 개발 동향

열・환경 차폐성 마이크로/나노 복합구조 세라믹코팅기술

김 형 태_ 한국세라믹기술원 이천분원장

그림 1. 열차폐 코팅의 구조 및 적용부품 : 코팅층을 통한 내열온도 150~200℃ 향상

1. 개요 및 국내외 현황
열·환경차폐성 세라믹코팅기술은 기본적으로 열차폐코팅(TBC,Thermal Barrier Coating)기능을 근간으로 하고 가혹한 분위기의 환경 견딤성(durability)을 부가한 기술로서 그림과 같이 연료가 연소되어 고속으로 이동하는 엔진, 가스터빈, 연소기 등과 같이 고온환경에서 사용되는 금속부품에 적용하여 부품의 고온 내구성능과  신뢰성을 높이는데 사용되는 기술이다.
핵심적인 구현기술은 그림과 같이 표면코팅재료의 단열효과에 의해 터빈블레이드와 같은 내열금속부품의 사용온도를 외부온도보다 수백도 낮게 유지하는 것이다. 이 기술은 복합화력발전, 열병합발전, 우주/항공기용 터빈엔진, 미래형 자동차 등에 사용되며, 특히 이들 소재의 시스템 적용 온도 증가는 에너지 효율 향상 및 CO2 배출량 저감과 밀접한 관계를 가지고 있다.
국내 복합화력발전 설비도입 현황을 보면, 기존 미국의 GE社(7-series) 시스템의 우월한 시장점유 상황에서 점차 미쓰비시중공업(MHI, 일), 지멘스-웨스팅하우스(Siemens-Westinghouse, 독) 등이 제공하는 1350℃(F급)에서 1500℃(G급)급 까지 고효율 설비의 증설이 확대되는 상황이다. 실제 군산, 영월 등지의 복합화력발전소는 MHI社의 M501 series 시설이 도입되어 기 가동 중이거나 가동 준비 중에 있으며, 인천중부 복합화력발전은 향후 3기의 Siemens-Weatinghouse社의 F급 시설을 확충할 예정이다. 또한 광주 수완의 열병합 발전소의 경우 Siemens社로부터 소형 가스터빈장치가 도입된 것으로 알려져 있다.
항공기 분야의 국방산업에서의 경우 고정익 항공기 엔진, 회전익용 엔진, 고속함정용 터빈엔진 등에 적용되며 민수용 항공기 엔진 등에 확대 적용될 수 있다. 현재 F16 block52에 적용되는 Pratt&Whitney사의 F100PW-229의 경우 터빈로터 입구온도는 1480℃(2700°F), F22에 적용되는 F119엔진의 로터 입구온도는 1650℃(3000°F)에 달하고 있다.

즉 엔진의 작동온도 향상기술은 고성능 엔진개발의 핵심 요소로서 현재 EB-PVD(electron beam physical vapor deposition)기술이 주로 적용되고 있는 것으로 알려져 있다.
열차폐 코팅은 1980년대 미국 GE 등지에서 단순히 저열전도성 세라믹(Zirconia 등)을 플라즈마 용사법으로 밀착코팅 적용한 1세대로부터, 열전도도의 개선보다는 내구성이 향상된 2세대로 발전하였다. 그러나 현재의 기술로는 작동온도가 1350℃에 머물고 있어, 작동온도를 보다 향상시키기 위해서는 내산화성이 우수하고, 고온 기계적 안정성이 보장되고, 열전도도를 보다 낮출 수 있는 나노/복합구조 등 새로운 미세구조의 설계와 강한 밀착력을 보장하는 새로운 기술의 개발이 필요하며 아울러 생산단가를 낮출 수 있는 저가 공정의 개발도 수반되어야 한다.

그림 2. 터빈 블레이드의 모식도

그림 3. 복합화력 발전용 터빈시스템: 1350℃급 WD501F/ Siemens-Weatinghouse / 1600℃급 J-series 터빈(일, MHI)

그림 4. 항공기용 엔진 열차폐 코팅 적용: P&W 엔진, 보잉747

2. 핵심 기술
열차폐코팅 기술의 핵심은 궁극적으로 1400℃ 이상에서 작동가능 한 터빈 rotor 및 stator, vane 등의 코팅부품제조를 위한 것이며, 이를 위해 금속모재의 초내열성을 증진시킴과 동시에 고온환경에서의 열・화학적 안정성이 높은 세라믹 소재를 기반으로 나노기공이 포함된 주상형의 견고한 구조를 형성하는 복합조성 세라믹 보호막을 제조하기 위한 증착기술을 개발하는 것이다. 이와 같은 증착 기술은 선진국에서도 핵심기술로 분류하고 있어 대외수출이 금지되어 있는 기술이며, 특히 항공기 엔진의 경우 군사용 기술의 핵심이며 국내에서는 라이센스 생산을 하고 있지만 열차폐 코팅부분은 수출통제품목(EL)으로 분류되어 있으며 제조 자체와 생산기술의 대외 유출이 통제되고 있는 상황이다.

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더 자세한 내용은 세라믹코리아 2월호 참조