[특집-미래전쟁] 11. 고온 내열 탄소섬유 복합재... 세라믹 입자 분사 및 고내열층 코팅을 진행해 고온 피로강도와 크리프 저항력 향상
현재 우리나라가 추진 중인 우주개발산업 및 국방 개발 분야 등에 필수적으로 활용되는 기술
2025-07-03
인류가 섬유를 사용한 시기는 기원전 2000년 전부터이며 중국에서 초피작물,마직물이 생산됐다. 한반도에서는 삼한시대부터 견직물을 만들었다는 증거나 다수 남아 있다.
천연 섬유에 이어 새롭게 탄생한 탄소 섬유는 19세기 말 미국 토마스 에디슨이 백열 전구용 탄소 필라멘트를 발명하며 역사가 시작됐다. 1959년 레이온을 원료로 한 GPCF(general purpose carbon fiber)가 개발되며 공업화된 재료로써 탄소 섬유의 가치가 높아졌다.
1962년 일본 오오사카공업시험소의 신도 박사, 1963년 군마대 오오타니 교수 등이 탄소섬유를 개발한 이후 1964년 영국 RAE사가 탄소섬유의 고동도화 제조 특허를 출원했다.
우리나라에서는 태광산업이 1988년부터 탄소섬유를 생산했으며 2013년 효성그룹도 이 사업에 뛰어들었다. 일본 도레이는 경상북도 구미에 생산 공장을 운영 중이다. ◇ 한국과학기술연구원(KIST)의 안보⸱재난안전기술단의 임무 소개
한국과학기술연구원(KIST)의 안보⸱재난안전기술단은 2010년 설립됐다. 국방 연구개발 제도개선, 국방 연구개발 과제화/연구지원, 군에 과학기술 지원 등의 임무를 수행하고 있다.
더불어 안보⸱재난안전기술단 소속 미래국방국가기술전략센터는 2022년 만들어졌다. '국방과학기술 혁신을 위한 국가 연구개발 투자전략 싱크탱크'로 비전을 설정했다.
주요 임무는 △과학기술정보통신부의 국방 연구개발(R&D) 투자정책 수립 지원 △국방적용 가능 민간R&D 역량 발굴-과제기획 △국방R&D 민관군 협력기반 마련 등이다.
이번에 소개할 기술은 KIST의 복합소재기술연구소 구조용복합소재연구센터 이민욱 책임연구원 (mwlee0713@kist.re.kr )이 수행한 '고온 내열 탄소섬유 복합재'다.
◇ 연구 목표 및 배경... 세라믹 입자 분사 및 고내열층 코팅을 진행해 고온 피로강도와 크리프 저항력 향상
열에 취약한 고분자 기반 복합소재를 고온에서 견딜수 있도록 내열성이 뛰어난 세라믹 소재를 열차폐코팅 (TBC; Thermal Barrier Coating)으로 적용하기 위해 연구를 시작했다.
고온 환경에서 열에 의한 손상을 최소화함으로서 고온 피로강도와 크리프 저항력을 향상할 수 있다. 현재까지 탄소섬유복합소재(CFRP)는 대부분 모재가 되는 고분자 특성으로 제한적인 환경(온도, 압력 등)에서 활용에만 국한돼 있다.
고내열 고분자 소재의 개발 및 이를 활용한 탄소복합소재는 항공·우주 및 국방 분야에서 활용 중요성이 크게 증가되고 있는 실정이다.
고내열 고분자 및 이를 활용한 중간재, 탄소복합재 성형기술 등은 현재 우리나라가 추진 중인 우주개발산업 및 국방 개발 분야 등에 필수적으로 활용되는 기술이다.
우선 우주개발은 한국형발사체 개발사업, 달 탐사 개발사업, 액체엔진 고성능화 선행기술 개발사업, 2단형 소형발사체 선행기술 개발사업 등이 대표적이다.
그리고 국방은 KF-X 전투기 개발, 기본훈련기 KT-1, 전술 통제기 KA-1, 군단 정찰용 무인항공기 UAV, UAV-II, MUAV, 초소형 위성 등에 탄소 섬유가 활용된다.
화염 스프레이 코팅법으로 탄소섬유직물 위에 세라믹 입자 분사 및 고내열층 코팅을 진행해 고온 피로강도와 크리프 저항력을 향상시켰다.
▲ 탄소섬유 직물 위 고분자+YSZ층 코팅 [출처=한국과학기술연구원]
▲ 다공성 YSZ층 단면 [출처=한국과학기술연구원]
소재의 구조 및 물성제어와 메커니즘 규명을 통한 새로운 복합소재 개발을 수행. 복합소재의 고성능, 다기능성, 경제성 및 활용도를 제고한다.
응용성을 위한 혁신적 공정개발을 통해 미래수송기기, 항공 우주, 전자, 에너지 환경 등 다양한 분야에 적용 가능한 복합소재의 원천기술개발 및 응용연구를 수행한다.
세부 적인 업무는 △다기능성 스마트 복합소재 개발 △복합소재 제조 및 공정 기술 개발 △멀티스케일 전산 모사 해석 기술 개발 등이다.
- 계속 -
천연 섬유에 이어 새롭게 탄생한 탄소 섬유는 19세기 말 미국 토마스 에디슨이 백열 전구용 탄소 필라멘트를 발명하며 역사가 시작됐다. 1959년 레이온을 원료로 한 GPCF(general purpose carbon fiber)가 개발되며 공업화된 재료로써 탄소 섬유의 가치가 높아졌다.
1962년 일본 오오사카공업시험소의 신도 박사, 1963년 군마대 오오타니 교수 등이 탄소섬유를 개발한 이후 1964년 영국 RAE사가 탄소섬유의 고동도화 제조 특허를 출원했다.
우리나라에서는 태광산업이 1988년부터 탄소섬유를 생산했으며 2013년 효성그룹도 이 사업에 뛰어들었다. 일본 도레이는 경상북도 구미에 생산 공장을 운영 중이다. ◇ 한국과학기술연구원(KIST)의 안보⸱재난안전기술단의 임무 소개
한국과학기술연구원(KIST)의 안보⸱재난안전기술단은 2010년 설립됐다. 국방 연구개발 제도개선, 국방 연구개발 과제화/연구지원, 군에 과학기술 지원 등의 임무를 수행하고 있다.
더불어 안보⸱재난안전기술단 소속 미래국방국가기술전략센터는 2022년 만들어졌다. '국방과학기술 혁신을 위한 국가 연구개발 투자전략 싱크탱크'로 비전을 설정했다.
주요 임무는 △과학기술정보통신부의 국방 연구개발(R&D) 투자정책 수립 지원 △국방적용 가능 민간R&D 역량 발굴-과제기획 △국방R&D 민관군 협력기반 마련 등이다.
이번에 소개할 기술은 KIST의 복합소재기술연구소 구조용복합소재연구센터 이민욱 책임연구원 (mwlee0713@kist.re.kr )이 수행한 '고온 내열 탄소섬유 복합재'다.
◇ 연구 목표 및 배경... 세라믹 입자 분사 및 고내열층 코팅을 진행해 고온 피로강도와 크리프 저항력 향상
열에 취약한 고분자 기반 복합소재를 고온에서 견딜수 있도록 내열성이 뛰어난 세라믹 소재를 열차폐코팅 (TBC; Thermal Barrier Coating)으로 적용하기 위해 연구를 시작했다.
고온 환경에서 열에 의한 손상을 최소화함으로서 고온 피로강도와 크리프 저항력을 향상할 수 있다. 현재까지 탄소섬유복합소재(CFRP)는 대부분 모재가 되는 고분자 특성으로 제한적인 환경(온도, 압력 등)에서 활용에만 국한돼 있다.
고내열 고분자 소재의 개발 및 이를 활용한 탄소복합소재는 항공·우주 및 국방 분야에서 활용 중요성이 크게 증가되고 있는 실정이다.
고내열 고분자 및 이를 활용한 중간재, 탄소복합재 성형기술 등은 현재 우리나라가 추진 중인 우주개발산업 및 국방 개발 분야 등에 필수적으로 활용되는 기술이다.
우선 우주개발은 한국형발사체 개발사업, 달 탐사 개발사업, 액체엔진 고성능화 선행기술 개발사업, 2단형 소형발사체 선행기술 개발사업 등이 대표적이다.
그리고 국방은 KF-X 전투기 개발, 기본훈련기 KT-1, 전술 통제기 KA-1, 군단 정찰용 무인항공기 UAV, UAV-II, MUAV, 초소형 위성 등에 탄소 섬유가 활용된다.
화염 스프레이 코팅법으로 탄소섬유직물 위에 세라믹 입자 분사 및 고내열층 코팅을 진행해 고온 피로강도와 크리프 저항력을 향상시켰다.
▲ 탄소섬유 직물 위 고분자+YSZ층 코팅 [출처=한국과학기술연구원]
▲ 다공성 YSZ층 단면 [출처=한국과학기술연구원]
소재의 구조 및 물성제어와 메커니즘 규명을 통한 새로운 복합소재 개발을 수행. 복합소재의 고성능, 다기능성, 경제성 및 활용도를 제고한다.
응용성을 위한 혁신적 공정개발을 통해 미래수송기기, 항공 우주, 전자, 에너지 환경 등 다양한 분야에 적용 가능한 복합소재의 원천기술개발 및 응용연구를 수행한다.
세부 적인 업무는 △다기능성 스마트 복합소재 개발 △복합소재 제조 및 공정 기술 개발 △멀티스케일 전산 모사 해석 기술 개발 등이다.
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