Special4차 산업혁명을 주도할 핵심 세라믹 미래기술은? (2)

극한산업환경용 열·화학차폐성 내열세라믹 코팅기술

오 윤 석 _ 한국세라믹기술원 책임연구원

김 성 원 _ 한국세라믹기술원 책임연구원

김 형 태 _ 한국세라믹기술원 수석연구원

이 성 민 _ 한국세라믹기술원 이천분원장

1. 서론

극한산업환경용 열·화학차폐성 내열세라믹 코팅기 술은 초고온, 초고압, 고온산화/부식 등의 극한의 열·화학적 소재열화 환경에 노출되는 산업용 소재 및 부품의 고유기능과 사용안정성 및 사용수명을 담보하기 위한 보호기술로서 ‘코팅’의 형태로서 제공 되는 소재기술이다.

이와 같은 극한의 산업환경에 해당하는 산업분야 로는 전력생산을 위한 발전산업과 석유, 화학약품 등을 생산하는 화학플랜트와 같은 대형장치산업이 있으며, 항공기 제조와 선박건조와 같은 대형제조산 업 및 자동차 제조와 같은 육상수송산업 등을 들 수 있다.

전력생산과 항공운송 서비스를 위한 해당산업의 대표적인 제조시스템은 ‘터빈(turbine)’시스템이다. 터빈시스템은 LNG연료(발전용) 또는 화석연료(항 공기용)를 사용하여 열에너지를 생산하고 이를 전력 생산(전기에너지)이나 항공기를 운행할 수 있는 에 너지(운동에너지)로 전환시키는 역할을 하는 장치이다. 이와 같은 터빈은 투입되는 연료대비 얼마나 많은 유효에너지를 생산하 는가에 따라 전력생산 의 효율이나 항공기 엔진의 고출력(추력) 등이 결정 된다. 또한 최근 들어 이와 같은 에너지 효율성외에 환경에 대한 높은 글로벌 관심도에 기인한 환경친 화적 생산시스템 운영에 대한 이슈도 함께 부각되 고 있다.

발전용 가스터빈시스템은 기존의 석탄과 같은 화 석연료를 사용하는 단일형 화력발전으로부터 진화 된 형태인, LNG를 이용한 가스터빈시스템과 증기터 빈을 결합한 복합화력발전(Combined cycle power plant)에 사용되는 핵심 에너지 생산시스템이다. 발 전용 가스터빈은 최근 들어 터빈입구온도(TIT, tur- bine inlet temperature)가 1500℃ 이상인 초고온 시스템이 상용화되어(GE(미), MHPS(일)) 복합 에너 지 효율이 62% 이상으로 운영되고 있다. 또한 항공 기에 사용되는 터빈엔진의 경우도 최소 1300℃ 이상 의 고온과 높은 압력하에서 운영되는 시스템으로서 추력이 높아질수록, 중량이 무거워질수록 높은 에너 지를 생산하기 위해 터빈입구온도가 상승되므로 이에 대응하기 위해 보다 고성능/고내구성의 소재가 요구된다.

이와 같은 터빈시스템에 사용되는 핵심부품은 주 로 초내열합금으로 제조된 터빈블레이드, 노즐등과 같은 부품으로서 1000℃ 이상의 사용 환경에서는 연소효율을 높이고 부품고유의 요구성능 유지 및 수명 확보가 불가능하므로, 초고온 내열성능이 우 수한 세라믹 코팅에 의한 보호가 필수적이며 대표적 코팅소재로는 고온에서 내열성과 화학적으로 안 정성이 높은 지르코니아(ZrO 2 ) 계열의 소재 등이 적 용되고 있다.

극한산업환경용 열·화학차폐성 세라믹 코팅기술 은 이와 같은 고효율, 환경친화적 제조시스템을 구 현하기 위한 소재기술로서 활용되고 있으며, 이를 위해 각 해당 산업에서의 사용 환경에 대응되는 내열성, 단열성, 고온 내산화성/부식성 등의 특성이 우 수한 코팅 소재를 발굴하고 이를 코팅화 하는 공정 기술의 확보에 노력을 기울이고 있다.

세라믹 코팅소재는 사용 환경에 따라 요구되는 다 양한 특성에 대응 가능해야 하며, 이는 위에서 기재 된 바와 같이 열적특성, 화학적 특성 및 기계적 특성 등으로 나누어 질 수 있다. 그러나 대부분의 제조시 스템에서 요구되는 소재·부품은 위와 같은 물리·화 학적 특성이 복합적으로 요구되는 사용 환경에 노 출되기 때문에 이에 대한 소재 관점에서의 복합특 성 개발이 요구되는 상황이다. 또한 세라믹 코팅 기 술은 코팅소재가 해당부품에 최적화된 코팅으로서 제공될 수 있도록 제어된 공정기술이며, 코팅성능을 극대화할 수 있도록 원료공급, 코팅, 전·후처리 등과 같은 단위공정 기술자체의 최적화와 함께 각각의 단 위공정이 유기적으로 결합된 코팅생산시스템이 확 보되어야 한다.

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<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2019년 7월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>