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Special 글로벌 시장 선점을 위한 세라믹스 국제표준화 동향(2)

극한 환경용 장섬유 강화 SiC 세라믹 복합체 국제 표준 동향

박지연_세원하드페이싱 기술고문

I. 여는 글

새로운 재료는 설계, 검증, 시험, 검사, 허가 및 운영을 지원하기 위해 정확하고 완전한 설계 코드, 사양 및 시험 방법이 필요하다. 특히 시험 방법의 신뢰성은 후속으로 이어질 설계 코드 개발 및 사양 설정의 완성도에 큰 영향을 미친다. 객관성과 신뢰성이 담보된 표준 절차에 따른 시험 방법으로 확보된 물성 자료 (Data Base: DB)는 기술적인 품질뿐만 아니라 완성도 향상에 따른 경제성 제고에 이바지하게 된다. 시험 방법의 표준은 높은 신뢰성 DB의 확보뿐만 아니라 재료 연구개발의 객관적 검증, 소재 제조 시 품질 보증, 재료의 특성 비교 관점에서 신뢰성을 확보하게 된다.

  저자는 Ceramic Korea 지난 호에 “고온용 연속 세라믹 섬유 강화 세라믹 복합체 개발 동향”[1]과 “섬유 강화 세라믹 복합재 튜브의 diametric 압축 C-ring 강도 평가의 ISO 표준 제정과 파인 세라믹 기술 위원회의 표준화 동향”[2]의 2편의 기고를 통하여 고온 극한 환경용 섬유 강화 세라믹스의 개발 동향 및 물성 평가 표준의 필요성과 ISO 표준 제정 절차를 소개한 바 있다. 후자의 표준문서는 2022년에 표준을 제안하여 올해 9월경 표준문서가 발간될 예정이다[3]. 

  정부는 향후 5년간의 표준화 정책 기본 방향을 설정하기 위하여 2026년 수립된 「제6차 국가표준 기본 계획(‘26~’30)」을 발표하였다[4]. 이를 보면, 미래 핵심 산업 및 AI 기반·융합 표준 선도의 일환으로 그림 1에 나타낸 바와 같이 글로벌 산업 환경 변화 및 우리 산업의 경쟁력, 국내외 산업정책 등을 고려하여 표준화가 필요한 18개 우선 분야를 발굴하였다. 핵심 소재, 원자력, 항공우주 분야도 표준화가 필요한 우선 분야에 포함되었다. 

그림 1.  제 6 차 국가표준 기본 계획에 포함된 표준화가 필요한 우선 분야 [4].

  한편 2025년 7월 2일 우주항공청이 알림을 통하여 발표한 ‘2025년도 항공산업 발전 시행계획’을[5] 보면, 우주항공 5대 강국 도약을 위하여 아래와 같은 7대 핵심과제를 선정하였다.

⓵ [정책] 우주항공 혁신역량 강화

⓶ [산업] 우주항공산업 육성 본격 지원

⓷ [수송] 민간 주도 우주 발사로 우주 수송 혁신

⓸ [위성] 첨단 위성 개발/발사로 위성 산업 성장 촉진

⓹ [탐사] 우주과학을 넘어 우주탐사로 영역 확장

⓺ [항공] 차세대 항공 핵심기술 확보로 산업 경쟁력 강화

⓻ [글로벌] 전략적 파트너십 확대로 글로벌 우주 위상 제고

  이 둘 중에서 차세대 항공 핵심기술 확보로 산업 경쟁력 강화 과제의 일환으로 항공 가스터빈용 구조물 고강도 소재부품 개발을 착수하기로 하였다. 다양한 금속, 고분자, 세라믹 소재가 후보재로 고려되고 있으며, 고온 고압부의 극한 환경에 적용할 소재로 세라믹 섬유 강화 복합

체 (Ceramic Fiber Reinforced Ceramic Matrix Composite : CMC) 소재가 안정성 향상, 경제성 제고 등을 바탕으로 개발을 추진할 예정이다. 새로운 소재의 개발 및 부품화를 위해서 신뢰성을 확보한 물성 평가 자료가 절대적으로 요구된다.

  본 기고에서는 SiC CMC 소재 개발을 위해 미국, 일본, ISO (국제)에서 물성 평가 표준 제정 동향을 기계적 물성, 열적 물성을 중심으로 살펴보고자 한다.

II. 본문

SiC 및 SiC CMC는 기존 금속 합금이 견딜 수 있는 온도보다 훨씬 높은 온도에서도 구조적 안정성을 유지하며, 고온에서도 뛰어난 강도 유지력을 나타낸다. (그림 2 참고 [6]) 또한 탁월한 산화 및 부식 저항성을 가지고 있으며, 높은 비강도(강도 대 중량비) 특성이 있다. 아울러 낮은 중성자 흡수 단면적을 가지고 있고, 우수한 방사선 내성을 지닌다. 따라서 고온, 고방사선 환경과 같은 극한 환경용 소재로 적용할 수 있다.

그림 2.  소재의 온도 증가에 따른 강도 변화 [7] 

  SiC CMC를 고온 가스터빈에 적용하면 기존 초합금 소재보다 밀도가 1/3로 감소하여 경량화를 이룰 수 있으며, 높은 온도 성능/열적 안정성을 향상할 수 있다. 또한 냉각 요구량 감소로 인한 냉각시스템의 단순화 혹은 무설치 등으로 설계를 단순화할 수 있으며, 연료 효율 향상과 배출가스 감소 (NOx 및 CO2)를 도모할 수 있다[8]. 따라서 SiC CMC의 적용 환경을 고려하면 기계 구조적 건전성 평가 자료가 부품 설계를 위하여 주된 특성 자료로 활용되고, 또한 열적 특성과 물리적 특성 자료도 체계적인 설계를 위하여 요구된다.

  미국은 American Society for Testing and Materials (ASTM)에서 장섬유 강화 세라믹 복합 (CMC)의 물성 평가 표준을 주로 ASTM Committee C28 (Advanced Ceramics) 산하의 Subcommittee C28.07에서 관리한다. 일본은 JIS R 16xx 시리즈가 파인 세라믹스(고기능 세라믹)의 기계적 특성을 측정하는 일본 산업 규격(JIS)이다. 주로 고온 및 상온에서의 파인 세라믹 기계적 특성을 만능 시험기(UTM)를 사용하여 평가하는 시험법을 규정한다. 한편, ISO에서는 장섬유 강화 세라믹 복합체의 물성 평가 표준을 파인 세라믹스 기술 위원회 (ISO TC 206)에 속한 working group 4에서 제정, 개정 등의 관리를 주도한다. 반면, 한국은 특별한 위원회 활동을 통한 자체 표준 절차 확보보다는 ISO 표준의 부합화에 중점을 두고 있다.

-----이하 생략

<본 기사는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2026년 7월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 e-북, PDF 전체를 열람하실 수 있습니다.>