▲ 내열구조용 탄소/탄소 복합재 제조공정.

가장 대표적인 탄소/탄소 복합재의 적용부품은 항공기용 탄소브레이크로서, 항공기 제동 시 높은 제동에너지로 인해 브레이크 디스크의 마찰표면의 상승온도는 초당 100℃부터 최대 2,000℃까지 육박하는 것으로 알려져 있다.

또한 탄소브레이크 디스크(밀도 1.7~1.8g/㎤)는 금속소결 디스크(밀도 7~ 8g/㎤) 대비 무게가 25% 수준에 불과하며, 철(Steel)보다 열용량(Specific Heat)이 두배 이상으로 비산화 분위기에서는 2,500℃까지 기계적물성과 제동특성의 저하 없이 상온물성을 유지할 수 있다. 따라서 대부분의 중대형 민항기 및 전투기는 탄소/탄소 브레이크 디스크를 장착 운용하고 있다.

▲ Arian 5의 고체모터부품(左), 항공기용 탄소/탄소 브레이크 디스크.

최근에는 항공우주 분야에서 개발된 이러한 기술의 스핀오프(Spin-off)를 통해 일반 민수산 업용으로 탄소-탄소 복합재가 확대 적용되고 있다.

고순도 및 고온 열처리가요구되는 반도체 제조 공정부품, 자동차 부품의 열처리로 분야에서 기존의 내열합금 또는 세라믹소재로는 한계에 도달한 성능을 향상시키고, 기존 문제점을 해결할 수 있는 고온용 열처리부품, 태양전지의 셀 제조공정용 내열부품, 자동차 및 산업용 가솔린/디젤 엔진의 고온 부위의 구동부품, 열교환기 및 내화학 이송관 등 광범위한 산업분야에 실용화가 적용되고 있는 추세다.

이러한 탄소-탄소 복합재 관련 기술은 방위산업부품에 적용되는 전략소재 기술로서 기술의 해외유출이 엄격히 통제된다. 또한 산업화를 위해서는 독자적인 원천기술 확보가 필수적이며, 우수한 성능에도 불구하고 가격적인 한계를 가지고 있다. 민수산업분야로의 적용을 활성화하기위해서는 가격경쟁력을 갖춘 생산기술의 개발이 요구된다.

▲ 일반 산업용 탄소/탄소 복합재 응용사례.

◇ 탄소-탄화규소 복합재

탄소-탄소 복합재는 우수한 물성에도 불구하고 산소분위기하에서는 약 400℃부터 산소와 반응해 CO 및 CO₂ 로 산화되기 때문에 산소분위기하에서는 적용 한계가 존재한다. 탄소-탄소 복합재의 내산화성을 향상시키는 방법은 탄소-탄소 복합재 표면을 내산화성이 우수한 소재(SiC, Si₃N₄, HfC 등)로 코팅하거나, 탄소기지를 탄화규소(SiC)로 일부 또는 전부를 대체한 탄소-탄화규소 복합재를 제조하는 방법이 있다.

탄소-탄화규소(SiC) 복합재를 제조하는 공정은 아래의 표와 같이 크게 세 가지로 구분할 수 있으며 단독공정 혹은 두 가지 공정 이상을 병행해 복합소재를 제작하기도 한다.

탄화규소(SiCf)-탄화규소(SiC) 복합재 제조 시에도 동일한 공법이 적용되고 있으며, 내산화성 향상을 위해 탄소섬유대신 탄화규소 섬유(SiCf)를 사용하고 있다.

▲ 내열구조용 탄소/탄화규소 복합재 제조공정.

화학증착공정기술을 적용한 복합소재는 SiC 기지상의 물성이 우수한 반면 제조공정비용이 매우 높아 운용조건이 매우 가혹한 우주항공용 내열부품에 주로 적용된다. 수지함침 공정법은 치밀화의 한계로 인해 단독공정보다는 보조공정으로 적용되는 추세다.

액상금속침투법은 물성 및 사용온도한계에서 다른 공정보다는 우수하지 않지만, 경제적인 공정기술로 민수 산업분야에서 제품기술로써 개발 및 적용이 추진되고 있는 기술이다.

우주항공 분야에서 탄소-탄화규소의 적용부품은 1,000℃~1,600℃범위에서 탄소/탄소 복합재의 내산화성 저하 문제로 야기될 수 있는 부분의 성능을 대체 및 향상시키는 부품에 주로 적용되고 있다.

▲ 탄소/탄화규소 복합재의 우주항공 내열부품 적용 예.

탄소/탄화규소 복합재는 자동차나 고속전철의 세라믹 브레이크 디스크, 엘리베이터 마찰재, 발전설비용 열교환기 및 화력발전용 블레이드 등에 적용되고 있으며, 상용화 단계에 있는 제품은 자동차용 탄소/세라믹 브레이크 디스크가 대표적이다.

유럽에서는 2000년도에 포르쉐 및 벤츠 등의 자동차에 출시모델을 선보인 이후 현재는 아우디(Audi) A8과 같은 프리미엄급에도 적용되고 있으며 유럽에서만 10여종 이상의 차량에 장착 운용되고 있다.

하지만 우수한 제동성능 및 주철계 대비 50% 이상의 경량화 (차량 한 대당 20Kg 정도의 무게감량 효과)에도 불구하고 주철계 브레이크 대비 매우 고가의 제품이기 때문에 일반 중형차 및 대형 차량으로 대중화하기 위해서는 저가의 제품생산기술이 요구된다. 세라믹 소재의 고경도로 인한 난가공성 또한 시급히 극복해야 할 분야로서 가공을 최소화 할 수 있는 실형상(Near-net shaping) 제조기술이 요구되고 있다.

▲ 탄소복합재가 적용되는 운송시스템에 따른 제동에너지(A:ICE 1, B:B-777, C:Porsche GT2, D:Schindler 700, E:Mayrroba-stop (1) 75% of Brake Energy, (2) 40% of Brake energy, (3) Emergency(RTO)).

▲ 탄소/탄소 및 탄소/탄화규소 복합재의 마찰재 적용 부품.

◇ 탄화규소-탄화규소 복합재

탄소-탄소 복합재나 탄소-탄화규소 복합재는 복합재 내 탄소소재의 산화현상을 근본적으로 차단하기 어렵다.

탄화규소-탄화규소 복합재는 1,200℃이상의 고온에서 지속적으로 내산화성이 요구되는 환경조건에 적합한 소재로서 일부 항공우주분야의 엔진 노즐이나 초음속 비행체의 연소관 등에 적용되고 있다. 그러나 탄화규소섬유는 현재 파일럿(Pilot) 생산규모로 가격이 kg당 1천~수천달러여서 항공우주 분야에서도 특수한 분야에 한정적으로 적용되고 있는 현실이다.
국내에서도 데크 및 한국세라믹기술원 주관으로 2002년도부터 SiC 섬유 국산화를 추진해 왔으며, 실험실 규모의 제조기술을 확보하고 있다.

또한 원천소재개발사업의 일환으로 고성능의 SiC 섬유 개발을 추진하고 있다. SiC 섬유의 경우, 상용화 단계까지는 많은 시간이 필요할 것으로 예상되나, 세계의 선진기업에서도 연간 생산량이 100여 톤에 불과할 정도의 초기단계의 시장으로 차별화된 SiC 섬유 기술 확보 시 시장선점의 기회를 가질 수 있는 사업분야라 할 수 있다.

▲ 주요 탄화규소(SiC) 섬유의 성능 및 가격.

■ 기술개발의 주요이슈

◇ 탄소섬유의 저가화

탄소계 복합재는 그 구성 물질로 고가의 탄소섬유를 사용할 뿐 아니라 장기간에 걸쳐 많은 에너지를 소모하는 반복 밀도화 공정으로 제조되는 공정의 특이성을 갖고 있어, 다른 고온용 소재에 비해 상당히 고가이며, 이로 인해 일반 산업용으로 널리 확대 적용되는데 어려움이 있다.

탄소섬유의 경우, 출발물질인 프리커서의 저가화 및 탄소섬유 제조공정 신속화를 통한 생산성 향상이 주요 이슈라 할 수 있다. 탄소섬유는 생산속도는 분당 10~20피트(Feet) 수준인 반면 유리섬유의 생산속도는 분당 수백~수천피트 수준의 생산성을 나타낸다.

◇ 제조공정 단축을 통한 가격저감 기술개발

탄소계 복합재 공정에서 탄소섬유로 구성된 프리폼(Preform)에 탄소나 탄화규소 기지를 형성시키기 위해서는 프리폼의 기공을 내열기지재로 밀도화 시키기 위한 동일 공정을 수회 반복하게 되는데 통상 수개월 이상이 소요된다. 따라서 가격상승의 직접적인 요인인 긴 제조공정을 단축하기 위한 고밀도의 단축 제조공정 개발로 제조비용의 대폭 절감이 필요하다.

■ 국가별 동향-미국

◇ 연구개발 현황

미국은 정부 주도로 항공우주용 소재개발 및 열교환기 등의 상용화 연구개발을 추진하고 있다.

NASA는 초음속 비행체 개발을 1965년도부터 수행해 왔으며, 2005년에는 Hyper-X 프로그램에서 X-43 Vehicle로 Mach 10을 돌파하는 비행시험을 성공했다. X-43 비행체의 리딩 에지(Leading Edge)와 꼬리날개부분에 탄소/탄소 복합재를 열차폐소재로 사용했으며, 추진기관에는 C-SiC 및 SiC-SiC 복합재를 적용했다.

ORNL에서는 2009년 에너지 산업분야에 적용하기위해 탄소섬유 복합체 기술에 대한 단·장기 계획을 수립해 진행 중이다.

또한 이미 상용된 항공기용 탄소브레이크 디스크의 세계 5대 제조업체중 3개 업체가 미국업체로 미국은 세계 탄소브레이크 시장을 주도하고 있다.

▲ 탄소계 복합재 공정 - 미국 선도 연구기관.

■ 국가별 동향-일본

◇ 연구개발 현황

일본은 1980년대 우주왕복선 개발 프로제트의 일환으로 HOPE-X 및 H-II 로켓을 개발하면서 궤도진입비행체시험기구(OREX, Orbital Reentry Experimental Vehicle)의 노즈 캡(Nose Cap)에 탄소/탄소 복합재를 장착했다.

OREX에 장착된 노즈 캡은 Mitsubish 및 Tokai Carbon이 개발했으며, 1,600℃조건에서 운용되는 직경 1.7m 크기의 제품이다.

그 이후, 일본의 우주항공 관련 연구는 일본 우주항공연구개발기구(JAXA, Japan Aerospace Experimental Agency)가 주도하고 있는데, 우주왕복선 및 위성체의 운영시스템에 필수적인 로켓추진 발사체에 탄소계 복합재가 적용되고 있다.

민수산업 분야에서는 Toyo Tanso 및 Tokai Carbon과 같은 업체가 주도적으로 저가의 탄소계 복합재 개발을 추진하고 있으며, 실리콘 잉곳 성장로 내열부품 및 태양전지용 치구 등의 부품을 제작 공급하고 있다. ACROSS와 같은 업체는 단일 고압 열간압축(Hot-Press) 공정을 적용해 밀도가 1.6g/cc 정도 되는 탄소/탄소 복합재를 상용화하고 있다.

▲ 탄소계 복합재 공정 - 일본 선도 연구기관.

탄소계 복합재 시장, 2019년 46억8,300만불, 전방산업 확대 기대

방위산업 핵심소재…産·學·硏·官 장기적 중점연구 필요

■ 국가별 동향-EU

◇ 연구개발 현황

독일은 우주항공청인 DLR(German Aerospace Research Center)에서 우주항공 프로그램을 주도하고 있으며, 액상금속반응법(LSI, Liquid Metal Infiltration) 공정을 적용한 탄소/탄화규소 복합재를 노즈 캡(Nose Cap) 및 리딩 에지(Leading Edge)와 같은 우주항공용 부품에 적용하고 있다.

최근에는 2,000℃까지 견디는 궤도 재진입용 초음속 비행체(SHEFEX II)의 보호판넬에 탄소/탄화규소 복합재를 적용 추진하고 있다. 또한 민수사업분야에서 SGL GmbH 사는 자동차용 탄소/탄화규소 브레이크 디스크를 세계최초로 상용화해 2000년 포르쉐 차량에 장착했으며, 현재 10여 종의 고급차량에 장착운용하고 있다.

프랑스는 SNECMA 그룹의 SPS (Snecma Propulsion Solid)사는 30여년 전부터 탄소/탄소 복합재를 개발해 고체 추진기관에 성공적으로 적용하고 있으며, Delta IV 상단부 엔진의 노즐확장부에 길이 2.5M, 직경 2.1M의 대형 탄소/탄소 복합재가 사용되고 있다.

▲ 탄소계 복합재 공정 - EU 선도 연구기관.

■ 국가별 동향-한국

◇ 연구개발 현황

국내는 1980년대 방위산업의 일환으로 국산화를 추진했다가 중단한 바 있으나 1990년대 초부터 국방과학연구소(ADD), 국책연구소 및 기업이 참여해 탄소-탄소 복합재의 국산화를 위한 기초소재 및 제조공정에 대한 연구를 착수했다.

이를 기반으로 1990년대 말부터는 항공기용 탄소-탄소 복합재 브레이크 디스크를 국산화해 국내 F-16 전투기용으로 공급하고 있다. 또한 자동차용 탄소-세라믹 브레이크 디스크도 부품소재 사업으로 2004년부터 4년여에 걸친 개발 노력으로 국산화에 성공해 양산 적용을 준비하고 있다.

2007년 발표된 ’국가 우주개발진흥 기본계획‘에 따르면, 2016년까지 인공위성에 1조8,000억원, 발사체 및 우주센터에 1조6,000억원, 기초연구개발 및 위성활용 등에 1,300억원의 투자계획이 수립돼 있어 국내 우주산업 개발에 대한 정부의 투자규모는 대폭 확대될 것으로 전망된다.

특히, 2011년 탄소밸리 사업이 5년간 2,100억원 규모로 착수됐으며, 탄소섬유의 국산화를 비롯한 탄소복합재 응용부품 개발을 추진하고 있어 앞으로 탄소복합재 인프라 구축 및 연구개발 환경이 더욱 개선될 것으로 기대되고 있다.

▲ 탄소계 복합재 공정 - 국내 연구기관.

◇ 기술수준격차

탄소/탄소 복합재 및 탄소/탄화규소 복합재의 국내 연구개발은 선진국에 비해 여전히 미흡한 점이 많다. 항공기용 탄소/탄소 브레이크 디스크 및 자동차용 탄소/탄화규소 브레이크 디스크 국산화를 통해 주요 제조공정인 프리폼 성형기술, 밀도화 제조공정 및 제동성능평가 기술 등의 관련 기본기술은 확보하고 있는 반면, 탄소섬유를 비롯한 원소재제조기술, SiC CVI 기술, 고온시험평가 등의 관련기술은 선진국 대비 기술격차가 큰 것으로 평가되고 있다. 또한 탄소계 복합재기술의 경우, 제조설비기술 또한 매우 중요한 분야이나 설비는 매우 고가로 수입되고 있는 실정으로 국내의 기술수준 향상이 시급한 분야로 평가되고 있다.

▲ 탄소계 복합재 공정 - 기술격차 및 기술수준.

■ 국내외 주요기업의 생산활동

탄소계 복합재는 우주항공, 국방산업의 특수목적에 부합한 전략소재기술로서 선진국에서는 정부 주도의 기술개발이 이루어지고 있다. 국내 또한 정부 주도로 항공기용 탄소브레이크 등 우주항공분야의 핵심부품 적용을 위해 개발이 추진돼 왔다. 최근에는 국내외 모두 민수산업으로 확대 적용을 위해 저가의 신속 제조공정개발에 주력하고 있다.

미국에서는 Textron이 액상화학증착법(Liquid CVI)을 개발해 몇 개월이 소요되던 제조공정을 8시간으로 단축하는 기술을 보고했으나 공정상 문제점으로 상용화되지는 못했다.

일본의 Across는 반복 밀도화 공정이 아닌 단일 공정으로 밀도 1.6g/cc 수준의 탄소/탄소 복합재를 생산하고 있다. 국내에서는 데크가 열구배 화학증착공정으로 단일밀도화 공정을 개발해 밀도 1.7g/cc 이상 되는 탄소/탄소 복합재 제조공정을 개발해 생산하고 있다.

▲ 탄소계 복합재 공정 - 국내외 주요 기업의 생산활동.

■ 시장규모 및 전망

BCC(2008)에 따르면, 미국의 탄소-탄소 복합재 시장규모는 2008년 6억9,500만달러, 2009년 7억4,200만달러로 추정되며, 연평균 7.0% 성장해 2019년에는 약 14억6,000만달러로 예상된다.

미국의 탄소-탄소 복합재 시장 규모를 바탕으로 세계 시장규모를 추정해보면, 2008년 23억1,600만달러에서 2009년 24억7,100만달러로 추정되며, 미국 시장과 동일하게 연평균 7%로 증가를 가정하면 2015년도에는 36억8,100만달러, 2019년에는 46억8,300만달러의 시장규모를 가질 것으로 예상된다.

탄소-탄소 복합재가 적용되는 산업분야별 대내외적인 동향을 살펴보면 다음과 같다.

첫째, 세계 태양광발전 관련 시장규모는 2008년 약 507억달러에서 2010년엔 1,705억달러로 연평균 83% 성장에 이를 것으로 예측됐며, 2011년 동일본 대지진에 의한 후쿠시마 원전사고로 인해 그 성장성은 더욱 증가할 것으로 전망됐다.

둘째, 세계 반도체 시장은 기존 제품 시장과 산업의 범위가 확대됨에 따라 지속적으로 성장할 것으로 전망된다. 세계반도체 시장규모는 2007년도 기준으로 2,739억달러로 2003년도 이후 2007년까지 11.4%의 높은 연평균 증가율을 보였고, 2007년부터 2011년까지 약 5% 정도의 성장이 예상됐고 2012년 시장규모는 3,479억달러로 추정됐다.

셋째, 항공우주 산업에 해당하는 민항기산업의 세계 시장규모는 2005년 말 현재 약 90억달러 규모에서 2020년에는 140억달러로 증가하고, 시장 증가율은 2000년대에 비해 2010년대에 상대적으로 높을 것으로 예상된다.

기타 일반산업도 역시 큰 성장률을 보일 것으로 예상되는데 적용 분야가 다양하고 적용 가능한 새로운 분야가 계속해서 발굴될 것으로 기대되므로 탄소계 복합재의 수요는 꾸준히 증가할 것으로 판단된다.

▲ 탄소계 복합재 공정 - 국내외 시장 규모(단위 : 억원).

■ 미래의 연구방향 및 국내 산업이 나아갈 방향

◇ 미래의 연구방향

고온에서 사용되는 탄소계 복합재의 연구개발은 주로 고온강도, 내산화성, 내식성 등이 향상될 수 있는 분야에 집중돼 왔다. 그러나 고비용의 제조공정으로 인해 원가에 민감한 민수 산업분야로의 적용에 한계를 가지고 있다.

원소재인 탄소섬유는 생산속도 혁신을 통한 원가절감이 필요하며, 복합재 제조공정은 신속 고밀도화를 통한 생산성 혁신이 요구되고 있다. 또한 탄소복합재의 취약점인 고온 내산화성 향상을 위한 내산화코팅 공정도 매우 시급한 연구개발 분야이다. 1,000℃ 미만의 온도라 하더라도 장시간 사용 시 내산화성을 확보할 수 있는 코팅기술만으로도 열처리 산업 분야 및 내열 산업분야에 커다란 파급효과를 가진다.

◇ 국내 산업이 나아갈 방향

○ 정부차원의 중점지원

탄소계 복합재는 민수산업으로 확대 적용되고 있는 추세지만 현재까지는 우주항공, 국방산업 분야에서 특수한 목적의 복합소재로서 중요한 위치를 차지한다. 따라서 탄소계 복합재 제조기술의 발전을 위해서는 국내 항공우주 산업의 발전이 필요하다. 선진국의 경우도, 국방·항공분야의 기술 확보를 위한 연구개발 프로그램을 통해 기술을 측적해 왔고 이를 기반으로 상용화 시장 역시 독점하고 있는 실정이다. 정부는 2015년 세계 8대 우주항공국가로 발전하기 위한 거시적인 로드맵을 수립한 바 있지만 우주항공산업의 특성상 선진국의 기술이전 기피현상 및 대규모 투자에 따른 성공의 불확실성이 타산업 대비 높은 특성으로 인해 정부의 체계적이고 적극적인 개술개발 정책이 절실히 요구된다.

○ 장기간의 연구개발 투자 및 연구협력기반 확충을 통한 원천기술 확보

탄소복합재의 핵심인 탄소섬유는 현재 전량 해외에서 수입 사용되고 있다. 최근 국내 대기업에서 탄소섬유 국산화 개발을 추진하고 있지만 해외 선진기업제품 대비 성능 및 가격 경쟁력을 가지기 위해서는 향후 장기간의 연구개발 투자가 필요하다.

탄소섬유의 제조기술은 선진국에서 철저하게 보안을 유지하고 있는 분야로 국내에서 독자적 원천기술을 확보하기 위해서는 전문연구기관 중심의 산학연 공동 연구체계의 구축이 필요하다.