Special 극한환경 대응 고온 세라믹 복합소재 기술 개발 동향(1)

초고온 세라믹 내열소재 개발 동향

이세훈_한국재료연구원 우주 국방재료연구실 실장
　
최근 주목받고 있는 ZrB2, ZrC, HfB2, HfC, TaC 및 SiC 등의 초고온 세라믹스 (UHTC, ultra-high temperature ceramics)는 극초음속 미사일 및 차세대 우주왕복선 등에 적용하기 위하여 활발한 연구가 진행되고 있다. 본 리뷰에서는 이러한 초고온 세라믹스의 최근 연구동향을 정리하였으며 특히 초고온 세라믹스의 단점인 취성 문제를 극복하기 위한 방법으로 한국, 미국, EU 및 중국에서 수행중인 초고온 세라믹 섬유강화 복합재료 제조 관련 최근의 연구들을 간단히 소개하였다.
　
　1. 서 론
최근 우크라이나 전쟁에서 극초음속 미사일 킨잘이 실전에 사용되어 세계의 이목을 집중시키고 있으며 이는 극초음속 무기체계가 미래 전투의 주요 수단이 될 수 있음을 보여주고 있다.[1] 미사일, 비행기 및 우주선 등이 마하 5 이상의 극초음속으로 비행할 때 체계의 첨두부와 날개 끝단 및 엔진 노즐부는 초고온, 극초음속의 극한환경에 노출되며, 체계가 이러한 가혹한 환경하에서 파괴되지 않고 성능을 지속적으로 발휘하기 위해서는 초고온 세라믹 (UHTC, Ultra-high temperature ceramics), 초고온 금속 등 극한환경용 소재의 적용이 필요하다. 초고온 세라믹은 초고온 환경에서 우수한 기계적 특성, 산화 저항성, 내부식성, 내열성 및 내삭마 특성을 갖는 세라믹 소재이다.[2]
　체계의 속도가 음속 이상으로 증가 시 그 표면은 공력가열에 의한 온도 증가가 발생한다. Mach 3 이하일 경우 공력가열에 의한 체계 표면온도는 500℃ 이하로 SR-71 black bird의 예와 같이 티타늄 등의 금속소재 적용이 가능하나 속도가 Mach 4로 증가할 경우 표면 온도는 1000℃ 내외로 크게 증가하고 극초음속 영역인 Mach 5에서는 공력가열에 의한 체계 표면의 온도가 1500℃ 이상으로 표면온도 감소를 위한 냉각기술 도입과 함께 고내열성 소재의 적용이 요구된다 (그림 1).
　
　그림 1. 극초음속 환경에서 공력가열에 의한 체계 선단부의 가열[3]
 그림 2에 다양한 고융점 소재의 녹는점을 나타내었다. 단일상 소재로는 탄소와 텅스텐, 탄화물 중에는 HfC, TaC 및 ZrC가 3,500℃ 이상의 초고융점 소재들이다. 이외에 질화물, 붕화물, 산화물 등 다른 초고온 세라믹스들은 대부분 3,300℃ 이하의 녹는점을 갖는다. 이들 중 초고온 세라믹으로써 활발한 연구가 진행중인 소재들로는 ZrC, ZrB2, HfC, HfB2 및 TaC 등이 있다. 
 
 
 그림 3. 태양에 근접하여 특성을 분석하고 있는 파커 호
 
   기존에는 불가능했던 극초음속 환경에서의 내구성을 시스템에 구현하기 위해 초고온 세라믹스를 적용하려는 연구들이 활발히 진행되고 있다. 1960년대부터 초고온 세라믹스 관련 연구를 꾸준히 진행해 온 러시아는 극초음속 미사일인 지르콘과 킨잘 미사일 시스템의 개발을 2010년대 후반에 이미 성공한 반면 미국은 2020년까지 극초음속 체계의 실험에 실패하였으며 미국이 개발에 어려움을 겪은 원인들 중 한가지는 극한 환경에서 장시간 체계를 보호할 수 있는 내열/내삭마 소재로 알려져 있다.[5]
 민간 분야에 적용된 초고온용 세라믹스의 예로는 2018년 미국의 NASA에서 태양 탐사 프로젝트의 일환으로 개발된 탐사선 파커가 알려져 있다. 파커호는 탄소/탄화물계 복합재료 열보호 시스템을 장착하여 태양 표면 1300만 km 지점인 코로나 내부까지 접근하여 태양의 특성을 정밀하게 측정하고 있다 (그림 3).[6] 
 

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