Special  우주항공 등 극한환경 대응 고내열 코팅 및 복합재 기술개발 동향(2)

우주항공방산용 탄소복합재 기술동향

박 성 민_ DYETEC연구원 복합소재연구센터 센터장

1. 서론 (Introduction)

21세기 항공우주산업은 경량화와 고성능 소재 확 보가 경쟁력의 핵심으로 부상하고 있다. 민간 항 공기의 연비 향상과 탄소 배출 저감, 군용 항공기 의 고기동성과 작전 범위 확대, 우주 발사체 및 위 성 시스템의 신뢰성 확보는 모두 경량화와 고성능 소재 확보와 직결된다. 이에 따라 기존 알루미늄·티 타늄 합금 등 금속 중심의 구조재는 점차 한계를 드러내고 있으며, 이를 대체할 수 있는 첨단 소재 로서 섬유기반 복합재, 특히 탄소섬유강화 복합재(Carbon Fiber Reinforced Plastics, CFRP)가 주목받고 있다. 발사체 1kg 경량화는 수천만 원의 발사비 절감으로 직결되며, 군사 플랫폼에서는 탑재량 증가와 사거리 확장을 가능케 한다. 이에 따라 탄소복합재는 발사체 동체·위성 구조체·항공기 동체와 날개 등 필수 부품에 적용되고 있다. 그러나 탄소섬유 시장은 일본·미국이 87% 이상을 점유하는 독과점 구조로, 고성능 탄소복합재는 전략물자로서 안정적 수급에 큰 제약이 존재한다. 탄소섬유는 높은 인장강도(>3.5GPa), 낮은 밀도(1.75~1.95g/cm³), 우수한 내열성과 내화학성을 동시에 갖춘 대

표적 첨단 섬유 소재이다.

표 1. 탄소섬유에 따른 성능 및 적용분야

그림 1. 탄소섬유 기술로드맵(산업통상자원부2022.12)[1]

  CFRP는 이러한 탄소섬유를 고분자 매트릭스(에폭시, BMI, PEEK, PEKK 등)에 보강하여 만든 구조재로, 항공기 동체, 날개, 위성 본체, 발사체 연료탱크 등 다양한 부품에 적용되고 있다. Boeing 787 Dreamliner[2]와 Airbus[3] A350 XWB[3]는 전체 구조 중 50% 이상을 복합재로 제작하여 기존 대비 20% 이상의 연료 효율 향상을 달성한 대표적 사례이다. 또한, 우주항공 분야에서는 극한 환경에 대한 대응 능력이 소재 채택의 핵심 요인이 된다. 발사체는 발사 단계에서 최대 6g 이상의 가속도와 강한 진동을 견뎌야 하고, 위성과 우주선은 –150°C에서 +130°C에 이르는 급격한 열사이클, 태양풍·은하우주선(Galactic Cosmic Rays, GCR)·Van Allen Belt로 대표되는 우주 방사선 환경에 노출된다.[11] 기존 금속 소재는 열팽창·열충격·방사선 열화에 취약하여, 장기 운용 임무에서는 복합재의 필요성이 더욱 부각되고 있다. 특히 최근에는 극초음속 비행체(Hypersonic Vehicle) 및 재사용 우주발사체 개발이 본격화되면서, 2000°C 이상의 고온 환경을 견딜 수 있는 세라믹 매트릭스 복합재(CMC, Ceramic Matrix Composite), 초고온 세라믹(UHTC, Ultra-High Temperature Ceramics) 기반 복합재가 연구되고 있다. 이러한 차세대 복합재는 단순한 경량화뿐 아니라, 열차폐·방사선 차폐·구조 건전성 모니터링과 같은 다기능성을 요구받고 있다.[11], [12]

그림 2. 우주항공용 탄소섬유복합재 3대 실증 프로젝트(산업통상자원부2022. 12)[1]

  따라서 본 글은 우주항공 분야에서 활용되는 탄소섬유강화 복합재의 최신 기술 개발 동향을 산업적 배경, 우주환경 조건, 임무 고도별 요구 특성, 섬유기반 복합재 개요, 주요 소재 및 제조공정 기술, 적용 사례, 미래 전망의 순서로 체계적으로 정리하고자 한다. 이를 통해 항공우주 산업이 직면한 극한 환경 요구 조건을 충족할 수 있는 복합재 기술의 발전 방향을 제시하고, 차세대 민군 겸용 플랫폼 개발에 기여할 수 있는 기초 자료를 제공하고자 한다.

-----이하 생략

<본 기사는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2025년 11월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF 전체를 열람하실 수 있습니다.>