극초음속 무기체계, 내열·내삭마 세라믹스 소재 必

2025년 이후 SiC계보다 우수한 소재 적용 전망

고성능 엔진, 온도 한계 극복 신소재 개발 요구

■ 기술의 정의 및 분류

내열·내삭마 세라믹 소재는 고온 및 고속의 극한 환경에서 기존 소재의 성능한계를 초월하는 열 및 삭마 저항성의 구현을 통해 종래에는 불가능했던 내열성 및 내삭마성을 시스템에 부여함으로써 시스템의 고성능화 및 고부가가치화를 실현하기 위한 핵심 소재기술이다. 일례로 2018년 미국항공우주국(NASA)에서 태양 탐사 프로젝트의 일환으로 발사된 탐사선 파커는 탄소·탄화물계 복합재료 열보호 시스템을 장착하여 기존보다 훨씬 가까운 태양표면 70만km 지점(1,400℃ 이상의 온도)까지 접근하여 태양의 특성을 정밀하게 측정 중이다.

세라믹 소재는 고온, 고속, 고압 및 고부식의 극한환경에서 금속이나 고분자 소재보다 우수한 특성을 나타낸다. <그림 2>에 재료비강도(materials specific strength)와 사용온도 간의 관계를 나타내었으며, 금속계 소재는 사용온도가 최대 1,100℃ 정도로 제한되는 반면 CMC의 경우 1,600℃까지도 우수한 재료비강도 값을 나타냄을 알 수 있다.

탄소계 내열소재는 2차 세계대전 이전부터 연구가 진행되었으며, 탄화규소를 포함한 내열 세라믹 소재의 본격적인 연구는 1980∼90년대에 활발히 이루어졌다. 이 시기에 일본의 S. Yajima 교수가 SiC(silicon carbide) 섬유 제조에 성공하여 세라믹 섬유강화 복합재료(ceramic matrix composites, CMC) 관련 연구도 시작되었다.

내열·내삭마 세라믹은 로켓의 엔진 챔버, 배기 원추, 노즐, 태양판, 레이더 안테나, 우주반사경 및 그 구조물, 초음속 비행체 선단부, 우주왕복선의 열 보호 타일 및 방열판, 고온용 엔진 소재 및 항공기 관측창 및 관측창 보호 코팅 등 상용 및 군용 항공기와 우주 로켓 등에 오랜 기간 적용되어 왔다.

<그림 3>에서는 항공기 가스터빈용 내열 소재로 기존에 적용되어온 소재와 향후 적용이 예상되는 소재를 나타내었다. 2016년부터 본격적으로 SiC계 CMC가 기존에 수십 년간 사용된 초내열 합금을 대체하였으며, 2025년 이후에는 SiC계보다 고온에서의 내산화 특성이 더 우수한 차세대 세라믹 소재가 적용될 것으로 예상된다.

내열·내삭마 세라믹 소재는 크게 탄소계 재료, 탄화규소, 초고온 세라믹 및 세라믹 섬유강화 복합재료 등을 포함한다.

가. 탄소계 재료

탄소계 재료는 흑연과 탄소섬유를 이용한 탄소·탄소복합체를 포함하고 있으며, 우수한 고온 안정성, 저밀도, 저비용, 내충격성 등의 다양한 장점을 바탕으로 소형 미사일이나 로켓의 노즐 및 첨두부, 미사일 발사관의 내열소재, 로켓의 자세제어용 베인 소재 등 다양한 분야에 적용되고 있다.

나. 탄화규소(SiC)

탄화규소는 우수한 내열성, 비교적 낮은 밀도, 높은 강도 및 열전도도 특성 등을 바탕으로 탄화규소 섬유, Cf/SiC 및 SiCf/SiC 섬유강화 복합재료 등에 활발히 적용되고 있다. 특히 최근 항공기용 가스터빈엔진의 고온부 부품으로 적용이 확대되면서 새로운 신규시장이 빠르게 열리고 있는 유망 소재이다.

다. 초고온 세라믹 (Ultra-High Temperature Ceramics, UHTC)

2004년 미국 국립과학재단(National Science Foundation)과 미국 공군 연구소(Air Force Office of Scientific Research)에서는 ZrB2, ZrC, HfB2, HfC, HfN, SiC, Graphite 및 Y3Al5O12 등을 초고온 세라믹으로 정의하였으며 이들은 산화물인 Y3Al5O12를 제외하고 녹는점이 3,000℃ 이상인 소재들로 적용온도 2,000℃ 이상을 목표로 하고 있다.

라. 세라믹 섬유강화 복합재료 (Ceramic Matrix Composites, CMC)

세라믹스의 단점인 낮은 파괴인성 및 신뢰성을 개선하기 위하여 탄소섬유 및 SiC 섬유 등 내열성 세라믹 섬유로 취성 특성을 갖는 세라믹을 보강하는 소재인 세라믹 섬유강화 복합재료는 최근 Cf/SiC, SiCf/SiC, Cf/초고온세라믹 및 산화물/산화물 복합체 개발을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

■ 기술의 원리

탄소, 탄화규소 및 초고온 세라믹스는 고순도, 미분 등 고품위 분말의 저비용 생산 및 이들 소재를 적용한 구조 세라믹스 제조가 이루어지고 있다. 여기에서는 제조에 고도의 기술이 요구되는 세라믹 섬유 및 섬유강화 복합재료 기술 분야에 대해 보다 자세히 다루고자 한다.

비산화물계 세라믹 섬유는 탄소 및 SiC 계열 섬유가, 산화물계 섬유는 알루미나 및 뮬라이트계 섬유가 상용화되어 있다. 탄소 섬유는 전구체 원료에 따라 PAN(polyacrylonitrile), pitch 및 cellulose 계열 섬유로 구분된다. PAN 및 pitch 계열 섬유는 최대 강도 3.5GPa, 탄성율 600GPa에 이르는 고강도, 고탄성율 섬유의 제조가 가능하며 cellulose 계열 섬유는 이보다 상온 물성이 약간 낮아서 강도 2.8GPa, 탄성율 550GPa 정도이나, 고온물성은 우수한 것으로 알려져 있다. <표 1>에 고성능 SiC 섬유의 특징을 나타내었다.

세라믹 섬유강화 복합재료(Ceramic Matrix Composites, CMC)는 세라믹 섬유를 세라믹 기지상 내에 복합화시킨 재료이다. 섬유 표면에 PyC 등의 윤활층을 도입하여 기지상에 균열이 전파될 때, 기지상과 약한 결합을 이루고 있는 섬유 표면을 따라 균열 꺾임 현상과 섬유 뽑힘 현상이 발생하면서 섬유가 에너지를 흡수하는 역할을 하여 세라믹스의 파괴인성을 향상시킨다. 최근에는 PyC 및 BN 등의 코팅이 갖는 단점인 낮은 산화저항성 문제를 해결하기 위한 연구로 SiC/C, SiC/BN, SiC/HfC, SiC/B4C/BN 층 등 다양한 조성을 갖는 다분자층(multi-layer) 코팅을 제조하는 연구가 수행되고 있다.

세라믹 섬유 강화 복합재료를 치밀화 하는 공정은 그 내부에 포함된 섬유나 섬유 코팅의 변형이나 분해가 일어나지 않는 낮은 온도 및 압력의 조건에서 이루어지는 것이 바람직하다. <그림 4>에 일반적으로 적용되는 세라믹 섬유강화 복합재료의 기지상 치밀화 공정을 나타내었으며 화학 기상 침착법(chemical vapor infiltration, CVI), 전구체 함침 및 열분해법(precursor impregnation and pyrolysis method, PIP), 용융 함침법(melt infiltration method, MI) 및 슬러리 함침 가압 소결법(slurry infiltration-sintering method) 등이 있다.

CVI법은 섬유 프리폼 내에 세라믹 기지상을 화학 반응에 의하여 증착함으로써 복합체를 제조하는 공정이다. 외부에서 인가하는 압력이 없이 상대적으로 낮은 온도(1,000∼1,200℃)에서 제조가 이루어지므로 섬유의 손상을 억제할 수 있고, 수축 없이 대형 제품을 만들 수 있다.

또한, 기지상 및 코팅층의 미세구조를 비교적 용이하게 설계할 수 있기 때문에 CVI 공정을 이용할 경우 매우 우수한 특성을 갖는 복합체를 만들 수 있다. 그러나 고가의 원료 및 장비가 필요하고 제조 시간 및 가격이 소재의 두께 증가에 따라 급격히 증가한다는 단점이 있다.

PIP법은 열분해 시 세라믹으로 변환되는 액상 세라믹 전구체를 섬유 프리폼 사이에 함침시킨 후 열분해하는 공정을 반복하여 치밀한 CMC를 제조하는 공정으로, 1960년대 초반 세라믹 전구체로부터 비산화물계 세라믹을 제조하는 방법들이 보고되었다. 다양한 poly-organosilicon 화합물로부터 Si계 세라믹을 제조하는 공정은 1970년대 초반에 탄화규소 섬유 제조과정에서 많이 연구되었다.

산화물계 섬유와 다공성 산화물 기지상으로 구성된 산화물/산화물 CMC는 저렴한 가격 및 우수한 내산화성 때문에 항공기용 및 발전용 가스터빈에 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 대부분 PIP법에 의하여 제작이 이루어지고 있다.

용융 함침법(MI)은 탄소가 함침 되어 있는 섬유 프리폼에 용융 상태의 실리콘을 함침시켜 기지상인 탄화규소로 변환시키는 방법으로 제조 가격이 저렴하고 제조기술이 단순하며 수축율이 작고 대형의 복합체를 비교적 용이하게 제작할 수 있다는 장점이 있다. Si 함침에 의하여 제조된 SiC 기지상의 경우 Si의 융점인 1,400℃에 가까운 1,300℃ 이상에서는 사용이 제한되는 단점이 존재한다.

슬러리 함침 소결법은 기지상 조성의 원료분말로 고농도의 슬러리를 제조하여 이를 세라믹 섬유 사이에 함침 후, 가압 소결하여 치밀한 CMC를 얻는 방법이다. 이 방법은 치밀한 CMC를 얻을 수 있으나, 가압 소결 도중 섬유가 손상되기 쉬우며 소결조제에 의해 복합체의 고온 물성이 열화되는 단점이 있다. <표 2>에 다양한 방법으로 제조된 세라믹 복합재료의 물성을 정리하였다.

■ 미래 국방소재 관점에서 기술의 중요성 및 전망

내열·내삭마 세라믹 소재는 미국, 일본, 프랑스, 러시아 등에서 군사용이나 우주용으로 개발을 시작하여, 현재 국가연구소 및 관련 업체에서 정부 주도하에 체계적인 연구개발을 수행하고 있다. 국가차원에서 중요도가 높은 기술이 많아 기초 소재, 설계 및 제조기술이 미사일기술통제체제(Missile Technology Control Regime, MTCR) 및 ITAR(International Traffic in Arms Regulations)의 규제 하에 도입이 엄격히 통제되고 있다.

최근에는 러시아, 중국 및 미국을 중심으로 극초음속 무기체계의 개발이 매우 활발히 진행 되고 있다. 2018년 러시아가 발표한 5종의 신무기 중 4종이 극초음속 체계이며 일부는 실전 배치 중이다.

2019년 미국에서는 이에 대응하여 극초음속 체계 개발을 최우선 국방 연구 분야로 정하였고 록히드마틴과 극초음속 체계 개발에 관한 대규모 계약을 체결하였다. 이들 극초음속 무기들에 효과적으로 대응하기 위해서 국내에서도 요격용 극초음속 체계의 개발이 시급하다.

또 다른 첨단 무기체계인 차세대 항공기 개발에도 내열 세라믹스는 핵심 소재이다. <그림 6>은 미국에서 개발된 군용항공기 엔진의 이상적인 성능과(녹색 선) 실제 구현된 성능(푸른 점)을 보여주며, 성능이 높아질수록 두 값 사이의 차이가 커지는 것을 알 수 있다. 이는 고성능의 엔진을 가지기 위해서는 엔진 내부 온도가 높아져야 하는데 기존 소재로는 원하는 온도만큼 견디기가 어렵다.

이로 인하여 냉각 등 부수적인 기술을 사용하게 되고 이것은 다시 엔진 효율을 감소시킨다. 따라서 지금보다 훨씬 더 고온의 작동온도가 요구되는 고성능의 차세대 항공기 엔진 내부에서는 내열·내삭마 세라믹스 소재가 필수이다.

▲ <그림 1>태양 탐사위성 파커호와 파커호를 태양열로부터 지켜주는 탄소·탄화물계 열차단막

▲ <그림 2>다양한 소재의 온도 변화에 따른 비강도 변화

▲ <그림 3>가스터빈용 고온 소재의 발전 방향

▲ <표 1>고성능 SiC 섬유의 특징

▲ <그림 4>CMC 제조에 적용되는 일반적인 공정들

▲ <표 2>제조공정에 따른 C/SiC 복합체의 물성

▲ <그림 5>2018년에 발표된 러시아의 극초음속 무기들

▲ <그림 6>고온소재가 군용 항공기 엔진 성능에 미치는 영향