재료硏, 우주비행기용 열 보호 세라믹타일 개발

재료연구소에서 개발된 소재의 초고온 내삭마 거동 실험(자료제공: KIMS)

우주시대를 앞두고 지구 재돌입 우주왕복선용 초내열 세라믹타일 소재 개발로 우주항공소재 국산화 및 수출에 기여할 전망이다.
재료연구소(KIMS, 소장 이정환) 이세훈 분말/세라믹연구본부 박사 연구팀은 재사용이 가능한 우주비행기용 1700℃급 및 1000℃급 내열 세라믹 타일 소재를 국내 최초로 개발하는데 성공했다고 지난달 11일 밝혔다.
‘고온용 세라믹 타일’의 경우 미국 우주왕복선에 적용된 RCC(Reinforced-Carbon Carbon) 소재보다 우수한 내열 특성을 나타냈고, ‘경량 세라믹 타일’은 국내 전문 소재 업체와의 협업을 통해 100% 국산화를 달성하는데 성공했다. 미(美) 우주왕복선의 선단부에 적용된 ‘고온용 내열 소재’인 RCC 소재는 1500℃까지는 열적 안정성을 가지지만, 이 이상의 온도에서는 보호층인 탄화규소(SiC)의 산화 및 열분해 현상이 발생해 사용이 제한되어 왔다.
한국항공우주연구원(KARI, 원장 임철호)의 한국형 우주비행기 개발 사업에 참여 중인 KIMS 이세훈 박사 연구팀은 사업책임자인 KARI 최기혁 박사 연구팀과 함께 탄화규소(SiC)보다 열적 안정성이 우수한 탄화 지르코늄(ZrC)과 붕화 지르코늄(ZrB2)을 적용해 사용온도를 1700℃까지 증가시켰다. 개발된 소재는 전북대의 고온 플라즈마 풍동​(Plasma Wind Tunnel)을 이용해 1700℃에서 소재의 열적 안정성이 증명됐다.
미(美) 우주왕복선의 하면에 적용되어 지구 재돌입 시 우주왕복선의 파괴를 방지하는 ‘경량 내열 세라믹 타일’은 RCC처럼 높은 내열 온도를 요구하지는 않지만 우주 소재라는 특성상 그동안 해외로부터의 수입에 제약이 있어 왔다.
KIMS는 국내 소재 전문업체 및 한국세라믹기술원(KICET, 원장 유광수) 김형준 박사와의 협력 연구를 통해 경량 내열 세라믹 타일의 밀도를 0.2g/㎤ 이하로 억제하면서 1000℃에서 우수한 열적 안정성과 단열 특성을 얻어내는데 성공했다.
기존 우주용 내열 소재인 RCC는 내열 온도가 1500℃인 한계가 있었고, 경량 타일의 경우 국내 도입이 어려웠지만, 이번 기술을 통해 내열 온도를 1700℃로 개선하고 경량 타일의 국산화를 이뤘다는 측면에서 의미가 크다. 특히 경량 단열 타일의 경우 국내 소재 전문 업체와 전문연구소와의 협업으로 우주 소재의 국산화를 달성한데 큰 의의가 있다. 내열 세라믹 타일 소재는 우주왕복선 등 우주 체계의 외부에 적용되어 대기권 재돌입 시 고온 및 고속 입자에 의한 삭마로부터 시스템을 안전하게 보호하는 역할을 하며 우주․항공 및 군사 분야 등에서 활용이 가능하다.
우주용 내열 및 단열 소재 분야의 국내 시장은 아직 활성화되지 않았다. 하지만 해당 분야의 소재가 전량 해외로부터 수입하거나 수입 규제로 적용에 어려움을 겪고 있어 향후 중요성이 빠르게 증가할 것으로 예상된다. 이번 기술 개발을 통해 국산화에 의한 수입 대체 효과는 물론, 해외로의 수출도 가능할 것으로 전망된다.
재료연구소 이세훈 박사는 “본 기술이 상용화되면 우주․항공 및 군사 분야에서 핵심적인 역할을 수행하고 있는 고온 및 초고온용 내열․단열 소재의 국산화와 함께 우주․항공 및 방산 산업의 국제 경쟁력을 높이고 수출에 기여할 수 있을 것”이라고 전했다.
이번 연구는 한국항공우주연구원의 ‘우주비행기 기술 개발 과제’의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 ‘저널 오브 유로피언 세라믹 소사이어티(Journal of the European Ceramic Society)’ 등에 게재됐다.