Special 우주항공/원자력용 극한소재 개발 현황 및 전망(1)

항공엔진용 섬유강화세라믹 복합소재의 국내 시장 및 기술 현황

김세영_한국에너지기술연구원 고온수전해연구실 책임연구원

1. 서론

섬유강화세라믹복합소재(CMC, Ceramic Matrix Composites)는 세라믹 매트릭스 내에 섬유를 강화재로 사용하여 만든 복합소재로서, 단일세라믹이 갖는 우수한 내열성 대비 취성파손을 나타내는 단점을 보완한 소재이다. 세라믹 매트릭스는 주로 산화물, 탄화물, 질화물 등의 세라믹 재료로 이루어져 있으며, 강화재로는 탄소 섬유, 실리콘 카바이드(SiC) 섬유 등이 사용된다.

  CMC는 최근 국방 및 항공우주 등 다양한 분야에서 주목받고 있다. 특히, 매우 높은 온도에서도 안정적인 성능을 유지할 수 있어 항공우주, 자동차, 에너지 분야 등 고온 환경에서 중요한 역할을 한다. 또한 금속보다 비강도가 월등히 높아 항공기나 자동차의 무게를 줄이는 데 큰 도움이 되며, 이는 연료 효율성을 높이고, 탄소 배출을 줄이는 데 기여한다. 뿐만 아니라, CMC는 마모와 화학적 부식에 강해, 극한 환경에서도 사용이 가능해 원자력 분야에서 활용도 또한 매우 높다.

  CMC 글로벌 시장 동향은 2019년부터 2029년까지 CAGR 9.5%로 증가할 것으로 예상하고 있다. 시장 규모는 2019년에 94억 달러에서 2029년에는 233억 달러로 증가하고 있으며, 가장 규모가 큰 분야는 C/SiC와 Ox/Ox 복합재가 각각 40.2%, 40.0%이다. C/C와 SiC/SiC는 각각 12.0%와 7.8%로 그 시장 규모가 더 작은 것으로 보고된다. CMC 시장의 가장 큰 응용 분야는 항공우주 및 방위산업이 약 60.7%이고 두 번째는 브레이크 시스템과 같은 자동차 적용 분야가 14.9%이다. 이외의 에너지 및 산업 분야가 차지하고 있다. [1]

  국내의 CMC 시장 CAGR은 글로벌 시장 추세와 비슷한 8.2%로 2019년 1억2천만 달러에서 2029년 2억 6천만 달러로 증가할 것으로 예상된다. 국내 CMC 시장도 현재 항공우주 및 방위산업이 CMC 시장을 주도하고 있으나 시장 규모는 세계 시장 규모에 비해 여전히 매우 작다고 할 수 있다. 본 시장 분석은 국외 시장 분석 기관인 Markets and Markets에서 작성되었으며, 실제 국내 시장과 산업 현황을 적절히 반영하였다고 보기 어렵다. 따라서, 현재 국내 CMC 산업과 기술적 관점에서 향후 시장 성장이 더욱더 클 것으로 판단되는 요소들에 대해 나열하고 설명하도록 하겠다.

2. 국내 CMC 시장 성장의 기회

국내 CMC 시장이 더욱더 성장할 것으로 기대하는 데에는 다음과 같은 세 가지 요인이 있다.

(1) 우주항공청 설립

2024년 정부는 우주항공 기술의 집중적 발전과 도약을 위해 우주항공청을 설립하였다. 2,940kN의 추력을 가진 우주발사체 누리호의 성공 이후 새로운 관련 프로젝트가 추진되고 있으며, 유럽 및 미국의 사례를 비추어 보아 우주항공 분야에서 CMC 부품 적용 기술 개발은 필수 추진 사항이다. 또한, 국내 발사체 스타트업 기업들은 재사용 추진시스템 (페리지에어로스페이스)에 대한 연구 개발과 저비용 발사를 위한 무게 감량 기술 등 (이노스페이스)에 대해 연구개발 의지를 크게 보이고 있어 향후 CMC의 우주분야 활용 가능성이 매우 밝다고 할 수 있다.

(2) 국산 전투기 엔진 개발 프로그램

국내 첫 초음속 전투기인 KF-21의 성공적 개발을 통해 국산 초음속 전투기의 생산과 수출 가능성이 매우 커졌다. 다만, 현재 KF-21에 장착된 엔진은 미국 GE사의 F414 엔진을 사용하고 있어 순수하게 국내 기술로 개발했다고 보기 어려운 면이 있다. 이에 정부는 약 5조 원 이상을 투자하여 항공기 엔진의 국내생산을 앞당기기 위해 노력하고 있다. 최근 선진 엔진 개발사들은 성능의 극대화를 위해 대부분 고온 부품에 CMC를 적용하고 있으며, 국내 엔진 개발이 이루어지는 시점에서는 마찬가지로 CMC 고온 부품이 필요할 것으로 예측된다. 다만, CMC 부품 및 소재의 경우 국가 및 기업 간 기술 공개가 엄격히 금지되어 있어 자체적인 기술 개발 이외에는 기술을 보유할 수 있는 방법은 없다.

(3) 세계 방위산업 시장의 성장

2018년부터 2022년까지 한국의 무기 수출 성장률은 70%로 전 세계에서 가장 큰 성장을 보였다. 향후 KF21과 T-50과 같은 전투기가 현재 무기수출 추세를 따르게 된다면, 품질 향상 및 고성능화를 위해 CMC 부품의 적용이 불가피할 것으로 예측되며, 이 또한 국내 CMC 시장의 성장을 이끌 수 있는 큰 요인이 될 수 있다. 또한 최근 무기체계에서는 극초음속 비행체에 대한 관심과 시장이 커지고 있어 이에 대응할 수 있는 극한소재인 CMC 소재와 부품에 대한 연구개발도 크게 증가하고 있다.

  따라서 위에 언급한 이러한 세 가지 긍정적인 요소가 국내 CMC 시장의 성장을 크게 이끌 것으로 판단되며, 정부뿐만 아니라 한화에어로스페이스와 두산에너빌리티와 같은 엔진 제조업체도 CMC 시장에서 긍정적이고 적극적인 움직임을 보이고 있다. [2, 3]

[그림 1] 국내 CMC 시장 및 기술 성장의 기회 요인

3. 국내 가스터빈엔진용 CMC 소재 기술 동향

정부는 항공우주 및 발전 응용 분야에 적용 가능한 CMC 소재 연구에 지속적으로 투자하고 있다. 2007년 소재원천기술개발사업을 시작으로 SiC 섬유와 원료 개발이 시작되었고 SiC 섬유 전구체가 연구되었다. 그 후, 2013년부터 산업부 주관 핵심방산기술개발사업을 통해 SiC 섬유를 이용한 CMC 제조공정의 대표적인 기술인 CVI, LSI와 PIP로 매트릭스를 형성하는 기술의 전반적인 기초연구를 수행하여 부품을 개발할 수 있는 토대를 마련하였다.

  그리고 2017년부터 한국에너지기술연구원의 주요사업을 통해 SiC/SiC 소재의 공정 개선과 특성 평가 연구가 수행되어 데이터베이스를 일부 구축하였고, 이를 토대로 2020년 소재부품기술개발사업을 통해 SiC/SiC 복합소재를 이용한 가스터빈엔진의 베인과 슈라우드가 개발되어 엔진 환경 모사시험까지 현재 수행하고 있다. 

  그리고 최근 정부와 연구자들은 SiC/SiC 특성을 더욱더 개선하기 위해 과기부 주관의 나노소재기술개발사업을 통해 고온 신뢰성을 향상시키는 데에 주력하고 있다.

  이러한 수년간의 SiC/SiC 복합호재 기술 개발 사업을 통해 다양한 연구기관과 학교 그리고 기업들이 참여하였으며 동시에 우수한 기술을 보유할 수 있었다. 이에 국내 CMC 연구개발 프로그램에 참여하여 확보한 대표적인 기술을 섬유, 채움공정 (PIP, CVI LSI)으로 나누어 다음에 설명하였다.

[그림 2] 국내 항공용 CMC 소재 기술 개발 현황

4. 국내 SiC 섬유 기술 개발 현황

국내 SiC 섬유의 개발은 KICET이 초기 기술 개발에 기여하였으며, 이를 DACC Carbon에 기술 이전하여 현재는 DACC Carbon에서 2세대 SiC 섬유의 양산 설비 및 기술을 보유하고 있다. KICET은 SiC 섬유의 전구체인 PCS 개발부터 시작하여 2세대 SiC 섬유기술을 보유하고 있다. 섬유인장 강도는 2.3GPa, 탄성 계수는 230GPa이며 산소 함량은 4wt% 미만으로 PCS에 알루미나 촉매를 사용했고 열처리 공정을 통해 다중 홀 스피닝 기술을 확보하였다.

  KICET은 개발된 SiC 섬유를 구조재인 CMC뿐만 아니라 에너지 및 기능성 소재 분야에 다양한 방식으로 사용할 수 있는 기술을 지속적으로 발전시켜왔다. 에너지 응용 분야에서는 SiC 섬유를 발열체로 활용하였다. 전구체로부터 제조된 SiC 섬유는 b-SiC 및 C가 특정 나노 크기를 가질 때 Joule 가열 및 Arc에 의해 고온의 열을 생성한다. 또한 Zr을 첨가하여 Si-Zr-C-O 섬유를 제조하였고 이는 표면의 고밀도화를 유도하여 높은 내열성을 보였다. 그 외의 응용 분야는 공기정화 시스템으로 기능성 SiC 섬유를 사용한 마이크로파 가열 공기정화 시스템을 개발하였다. TiO2를 첨가한 섬유는 Nox와 CH4의 96% 제거하는 우수한 효율을 보였다. [4, 5, 6]

[그림 3] SiC 섬유 개발 인프라 및 시제품

-----이하 생략

<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2024년 10월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF 전체를 열람하실 수 있습니다.>