Special 고기능성 코팅소재 개발 및 공정기술 동향(1)

열/환경 차폐(T/EBC) 코팅재 개발

이기성_국민대학교 기계공학부 교수

1. 열/환경 차폐 코팅의 정의 및 전체 동향

코팅기술은 그림 1 의 모식도와 같이 모재보다 상대적으로 적은 두께를 표면에 도입하고도 모재의 표면이 받는 영향을 감소시킬 수 있고, 표면성질을 바꾸어 줌으로써 부품소재의 성능과 기능을 향상시킬 수 있는 기술이다. 이 때 표면의 성질은 코팅재의 조성, 두께, 물리적, 화학적 특성에 의존하게 된다. 특히 세라믹스 코팅에 의해 향상이 기대되는 특성으로서는 열적특성(내열성 향상), 기계적 특성(압축강도, 내마모성, 저 마찰 특성 향상), 전자기적 특성(유전, 압전, 절연성)을 예로 들 수 있고 이 밖에도 내부식성 향상, 내산화성 향상을 가져올 수 있으며 코팅재의 소재 및 특성에 따라 광학적 성질, 생물화학적 성능, 장식적인 특징 등을 변화시킬 수 있다.

                            그림 1. 코팅기술의 장점.

세라믹스의 성공적인 코팅사례를 터빈기계에 사용되는 고온부품에 대한 코팅에서 찾을 수 있다. 가스터빈은 압축된 공기가 연료를 만나 연소되고 팽창된 기체의 힘으로 터빈을 돌려 전력을 생산하거나 항공기를 추진시키는 기계이다. 그림 2와 같이 흡기관을 통해 유입된 공기는 압축기를 거치면서 부피가 압축되게 되며, 연소기에서 연료와 만나 연소가 일어나고 그 힘으로 터빈을 돌린 후 배기된다. 마치 자동차의 4행정기관처럼 흡기-압축-연소-배기의 공정을 거치게 된다.
가스터빈 기계에서 온도가 가장 높은 부위는 연소기 부분이다. 연료와 압축된 공기와 만나 연소가 일어나는 부위의 온도는 1400~1900℃로 가장 높다. 또 연소된 기체가 가장 먼저 만나는 1단 노즐의 온도는 약 1100~1300℃로 알려져 있다. 이와 같이 높은 온도에 노출되는 연소기라이너(combustion liner), 트랜지션 피스(transition piece), 노즐(nozzle), 슈라우드(shroud), 블레이드(blade) 등의 터빈 부품류를 고온가스파트(hot gas part)라고 부르며 이러한 터빈 부품류는 높은 온도에 견뎌야 하는데, 개발된 금속계 내열합금은 내열온도가 가장 우수한 일방향 주조합금이나 단결정합금을 사용하더라도 그 한계온도가 900~1000℃로 알려져 있기 때문에 세라믹스 단열코팅이 필수적으로 필요하다.

그림 2. 가스터빈의 작동원리. 

열차폐 코팅(TBC, thermal barrier coating) 기술이란 이와 같은 고온가스파트에 사용되는 터빈 부품류가 접촉하는 높은 온도를 차단하고자, 그 표면에 열전도도가 낮은 세라믹스로 단열층을 도입하는 기술을 말한다. 금속내열합금 소재 위에 일반적으로 500~600㎛정도로 후막으로 코팅하여 외부의 열을 차단한다. 열차폐 코팅을 모재 위에 바로 코팅하게 되면 금속내열합금 소재와의 열팽창계수, 탄성계수 등의 특성불일치로 인하여 쉽게 박리가 일어난다. 따라서 이를 방지하기 위하여 모재와 열차폐 코팅층 사이에 두 소재의 중간정도의 특성을 갖는 본드코트(bondcoat) 코팅층을 먼저 코팅하는 것이 일반적이다. 코팅이외에도 효과적인 단열을 위하여 터빈부품의 내부에 냉각유로를 설계하여 유체를 활용한 지속적 냉각으로 터빈 부품류의 표면온도를 효과적으로 낮추어준다.
고에너지효율의 에너지시스템 개발요구에 의해 국내 발전소들은 가스터빈의 작동온도를 높이기 위한 개발연구가 지속적으로 있어왔다. 국내의 경우, E급(1100℃)과 F급(1350℃)의 가스터빈이 주로 운용되고 있으나, 최근에는 G, H급(1500℃)의 터빈이 상용화되고 있고, J급(1600℃)의 가스터빈이 외국에서 수입되어 국내에 설치, 운용되고 있다. 다음 그림 3에는 가스터빈의 작동온도 향상을 가져올 수 있었던 기술의 개발동향을 정리하여 나타내었다.  1100℃급 가스터빈의 경우 열차폐 코팅(TBC)은 필수적이지 아니하였으나, 냉각기술의 발전과 열차폐 코팅의 적용에 의하여 1350℃급 가스터빈 시스템의 개발을 가져왔고, 그 작동온도는 냉각기술의 지속적인 발전 및 복합재(CMC) 및 내환경코팅(EBC) 소재의 개발에 의해 1500℃~1600℃ 이상의 온도까지 향상시킬 수 있는 추세에 있다. 최근 들어서는 일본의 미쓰비시사가 최첨단 냉각기술과 코팅기술을 도입하여 그 작동온도를 1600℃이상으로 끌어올렸다. 작동온도를 지속적으로 향상시키려는 이유는 터빈기계의 에너지효율을 지속적으로 상승시키기 위함이 목적이다.

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