■ 기술의 개요

◇ 기술의 정의 및 분류

세라믹 복합재(CMC, Ceramic Matrix Composites)는 우수한 특성을 발현하기 위해 두 종류 이상의 세라믹을 한 소재 내에 복합화한 소재다. 좁은 의미의 세라믹 복합재는 취성거동을 나타내지 않으며 가혹한 환경에 사용하기 위해 복합화 시킨 내화소재를 의미한다. 복합화를 통해 단상 세라믹 소재 대비 기계적·열적·전기적·화학적·생화학적 등 다양한 물성의 증진효과를 기대할 수 있다.

전통적으로 세라믹 복합재는 고온에서 우수한 기계적, 열적 특성을 요구하는 고온용 구조세라믹스 분야에 핵심 부품소재로 사용됐으며 정밀기계·자동차·방위·우주항공·생활·스포츠 분야에 적용됐다. 최근에는 기능적 특성의 개발을 통해 의료·환경·에너지 산업으로 응용영역을 넓히고 있다.

세라믹 복합재를 구성 요소의 형태 기준으로 분류하면 복합소재를 구성하는 2차상이 입자 형태인 경우, 짧은 섬유상이나 휘스커(Whisker)상인 경우, 다층의 적층 판상인 경우 및 장섬유 형태를 갖는 경우로 나눌 수 있다. 본 보고에서는 다양한 종류의 세라믹 복합재 중 가혹한 환경에서 사용되기 위한 장섬유 강화 세라믹 복합재를 중심으로 기술했다.

장섬유 강화 세라믹 복합재 기술은 크게 생산기술과 기반 기술로 구분하며, 기술적으로는 섬유 특성 최적화 기술, 기지상 치밀화 기술, 가공 및 접합 등 성형기술과 특성평가 기술 등으로 분류할 수 있다. 소재 측면에서는 산화물 및 비산화물계 복합재로 나눌 수 있으며, 섬유의 특성에 따라 단섬유 및 장섬유계 복합재로 구분 가능하다.

▲ 세라믹 복합재 기술 분류.

◇ 작동원리 및 적용부품

섬유강화 세라믹 복합재는 기지상에 응력이 가해져 균열이 전파될 때 섬유가 에너지를 흡수해 세라믹스의 파괴인성을 향상시킬 수 있는 소재다.

취성의 세라믹 기지상에 균열이 전파될 때 기지상과 약한 결합을 이루고 있는 섬유 표면을 따라서 균열의 꺽임 현상과 섬유 뽑힘 현상이 발생하면서 균열 에너지를 흡수하게 된다.
섬유강화 세라믹 복합재 제조 공정은 섬유 사이에 존재하는 빈 공간을 세라믹 기지상으로 채우는 방식을 사용하며, 현재 사용하는 방식으로는 CVI, MI, PIP 및 NITE(Nano-infiltration and transient eutectic phase) 등이 있다.

기체상 혹은 액체상의 세라믹 전구체나 나노미터 크기의 미세한 세라믹 분말을 섬유 사이에 존재하는 미세한 공간에 채운 뒤 열처리를 통해 이를 치밀한 세라믹 기지상으로 변환시킨다.

적용 부품으로는 자동차 및 항공기용 세라믹 브레이크 디스크, 항공기 엔진용 노즐, 군용 방탄장갑 및 우주선용 외피 등이 있으며, 최근에는 고온 가스 터빈용 내화재 및 터빈 블레이드, 차세대 핵발전용 소재 등에 시험적으로 적용하고 있다.

▲ 세라믹 섬유강화 복합재료의 응용 예.

■ 기술의 환경변화 및 중요성

◇ 에너지 관련 CMC 개발 활동 증가

CMC는 고온 및 극한환경에서 사용이 가능한 구조소재로서 첨단의 전략기술임에도 불구하고 응용 영역은 우주 항공 및 군사 분야로 한정돼 있었으며 미국 등 소수의 국가 주도로 개발됐다.

그러나 최근 차세대 핵발전 및 핵융합발전, 태양열 발전, 고효율 가스터빈 등에 CMC의 적용을 위한 연구가 활발히 진행되고 있으며 이들 분야는 향후 거대한 시장을 형성할 것으로 기대된다.

◇ 국가 전략소재로 분류돼 기술도입 및 수입이 용이하지 않음

초고온용 고성능 세라믹 섬유 및 복합소재는 MTCR(Missile Technology Control Regulation) 및 ITAR(Internatio nal Traffic in Arms Regulation)에 따른 무역규제 대상 품목으로 수출이 철저히 통제되고 있으며 관련 연구개발도 비밀리에 수행되고 있다.

◇ 차세대 에너지 산업의 핵심 소재로 중요성 증가

CMC는 기존의 우주항공·방위산업 및 기계구조 소재 뿐 아니라 차세대 발전 기술인 고효율 핵발전·핵융합 발전·태양열 발전·고효율 가스터빈 등의 성능을 결정짓는 핵심소재가 될 것으로 예상된다. 따라서 CMC 기술의 국산화 및 원천기술 확보는 향후 거대한 시장으로 발전할 차세대 에너지 산업 분야의 주도권을 확보하기 위한 핵심이 될 것으로 예상된다.

■ 기술분야별 동향

◇ 세라믹 섬유 소재 기술

CMC용 세라믹 섬유로는 현재 탄소 섬유, 실리콘(Silicon) 계열 섬유 및 알루미나 계열인 산화물 섬유가 상용화돼 있다.

탄소 섬유는 사용되는 전구체 원료에 따라 PAN(Polyacrylonitrile) 계열, 핏치(Pitch) 계열, 재생 셀룰로스(Regenerated Cellulose)계열 섬유로 나뉜다. 현재는 PAN계 섬유가 가장 활발히 생산되고 있다. PAN 계열 및 핏치 계열 섬유는 최대 강도 3.5GPa, 탄성율 600GPa에 이르는 고강도·고탄성율 섬유의 제조가 가능하며, 셀룰로스 계열 섬유는 강도 2.8GPa, 탄성율 550GPa인 소재가 보고됐다. 탄소 섬유는 일본의 Toray와 Toho Tenax에서 생산되고 있으며, 최근 시장의 급격한 확대에 힘입어 독일의 SGL사 등 세계 각국에서 생산이 이루어지고 있다.

실리콘 계열 섬유는 SiC 및 Si-(B)-C-N계 섬유로 나뉜다. SiC 섬유는 CVD법 및 전구체법으로 제조되고 있으며, Si-(B)-C-N계 섬유는 주로 전구체법으로 제조되고 있다. 현재 SiC 섬유만이 상용화가 가능하며, Si-(B)-C-N계 섬유는 연구 개발 단계이다.

CVD법으로 제조되는 SiC 섬유로는 미국의 Specialty Materials사의 SCS 계열 섬유와 유럽의 Tisics사의 Sigma 섬유가 대표적이다. 이들 섬유는 3.5GPa, 300GPa 이상의 높은 강도와 탄성률을 갖는 우수한 소재이나 섬유 직경이 100㎛ 내외로 직조가 어렵고 가격이 매우 고가라는 단점이 있다. SiC 섬유는 현재 전투기의 착륙장치 피스톤(Landing Gear Piston)이나 F1용 자동차의 엔진밸브 등에 사용되고 있다.

▲ SylramicTM SiC 섬유의 제조 공정.

전구체 법으로 제조되는 SiC 섬유로는 일본 Nippon Carbon사의 Nicalon 계열 섬유와 UBE Industry의 Tyranno 계열, UBE의 전구체를 사용해 최근 독자적인 섬유를 제조하고 있는 IEST사의 CefNite 계열, 그리고 미국 COI Ceramics사의 Sylramic 계열 섬유가 상용화돼 있다. 또한 독일의 SGL사에서도 2020년까지 연 20톤 규모의 SiC 섬유를 제조하기 위한 계획을 진행 중이다.

옆 그림에서 SiC 섬유 제조 공정을 나타냈고, 아래 표에서는 상용화된 고성능 SiC 섬유의 특징을 나타냈다.

▲ 상용화 된 고성능 SiC 섬유의 특징.

Si-(B)-C-N계 섬유는 유럽, 특히 독일에서 활발히 연구가 진행되고 있으며 바이로이트 대학, 덴겐도르프 섬유연구소, 막스플랑크 연구소 및 프라운호퍼 연구소 등에서 물성 향상을 위한 전구체 개발이 이루어지고 있다.

산화물계 섬유는 알루미나 혹은 알루미나-실리카 계열이 주를 이루고 있다. 높은 인장강도와 탄성률을 가지지만 1,100℃ 이상에서는 크립 변형이 발생하기 때문에 고온용 CMC로는 사용이 어렵다는 단점이 존재한다. 그러나 조성 상 고온의 공기 중에서도 산화 문제가 없기 때문에 고온 산화 분위기에 사용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 주된 산화물계 섬유 제조회사로는 3M·Sumitomo·Nitivy·Mitsui 등이 있다.

◇ 세라믹 섬유 코팅 기술

세라믹 복합재는 섬유와 기지상 간에 약한 결합을 갖게 해 섬유 뽑힘 현상을 유발함으로써 특유의 높은 파괴인성 거동을 나타내게 된다.

이를 위해 섬유 표면을 다양한 형태로 코팅해 기지상과의 결합 강도를 낮추기 위한 연구가 진행되고 있다. 특히 현재 사용 중인 코팅 소재들은 대부분 대기 중에서 쉽게 산화되는 문제가 발생하기 때문에 이를 해결하기 위한 연구들이 진행되고 있다.

기존의 Pyro-carbon이나 BN 코팅으로는 충분한 산화 저항성을 가지기 어렵기 때문에 미국의 NASA에서는 SiC 섬유 위에 In-situ로 BN을 형성해 코팅의 산화 저항성을 증진시키는 연구를 수행했다. 또한 CVD를 이용해 다양한 조성을 갖는 다층(Multi-layer) 코팅을 제조하는 연구도 수행되고 있다. 그 예로는 SiC/C, SiC/BN, SiC/HfC, SiC/B₄C/BN 층 등이 있다.

다공성 코팅 또한 제조되고 있는데 이들은 주로 산화저항성이 높은 지르콘, 지르코니아 및 희토류계 알루미네이트 조성을 갖고 있다. 그러나 이들 다공성 코팅들은 섬유 직경이 큰 SCS계 섬유 외에는 적용이 어려운데, 이는 기공의 크기가 너무 작을 경우 고온에서 소결기구에 의해 기공이 제거되기 때문이다.

산화에 대해 안정하고 약한 강도를 갖는 산화물 또한 코팅용 소재로 연구되고 있으며 LaPO₄, CaWO₄ 및 NdPO₄ 등이 연구되고 있다.

이들 중 LaPO₄ 연구가 가장 활발하며, 산화물 섬유 표면에 코팅돼 섬유 뽑힘 현상을 발생시킨 연구가 보고됐다.

군용·민수용 등 사용분야 확대…국가전략소재

韓 기술수준, 선진국 대비 70%·상용화 60%

◇ 세라믹 복합재 치밀화 기술

세라믹 복합재 치밀화 기술에는 슬러리 함침 소결법(Slurry Infiltration - Sintering Method), 용융 함침법(Melt Infiltration Method, MI), 전구체 함침 열분해법(Precursor Impregnation and Pyrolysis Method, PIP) 및 화학 기상 침착법(CVI, Chemical Vapor Infiltration Method) 등이 있다.

슬러리 함침 소결법은 기지상 원료 분말로 슬러리를 제조한 후 이를 세라믹 섬유상에 함침 시킨 후 가압, 소결해 치밀한 섬유강화 복합재료를 얻는 방법이다.

이 방법은 매우 치밀한 복합체를 얻을 수 있으나 치밀화 도중 섬유가 손상되기 쉬우며 치밀화를 위해 첨가된 소결조제에 의해 복합체의 물성이 열화되는 단점이 있다.

용융 함침법은 섬유 프리폼에 용융 상태의 기지상 혹은 기지상으로 변환되는 전구체를 함침시키는 방법으로 제조기술이 단순하고 수축율이 작으며 대형의 복합체를 비교적 용이하게 제작할 수 있다는 장점이 있다.

용융 함침법은 융점이 비교적 낮은 유리 계열 및 용융 Si 함침에 의한 SiC 기지상 제조에 주로 사용된다. 기지상의 융점보다 높은 온도에서는 사용할 수 없기 때문에 1,300℃ 이상에서는 사용이 어렵다는 단점이 존재한다.

화학 기상 침착법은 섬유 프리폼 내에 세라믹 기지상을 화학 증착해 복합체를 제조하는 공정으로 비교적 낮은 온도에서 제조가 이루어지므로 섬유의 손상을 최소화 할 수 있고 수축 없이 대형 제품을 만들 수 있다.

또한 기지상의 조성 및 층상 미세구조를 비교적 용이하게 설계할 수 있기 때문에 매우 우수한 특성을 갖는 복합체를 만들 수 있다. 그러나 고가의 원료 및 장비가 필요하고 제조 시간이 소재의 두께 증가에 따라 급격히 증가해 제조가격이 매우 높다. 슬러리 함침 소결법은 일본을 중심으로 Al₂O₃-Y₂O₃계 소결조제를 포함하는 Nano-SiC를 기지상으로 하는 고성능 SiC 장섬유 강화 복합재료를 열간가압(Hot Press)법으로 제조하는 NITE 공정이 활발히 연구되고 있다.

이 공정은 높은 기계적 강도와 우수한 치밀성을 나타내는 것으로 보고되고 있다. 최근 슬러리의 기지상 내부로의 함침을 촉진시키기 위해 EPD(Electropholetic Deposition) 방법을 사용하는 연구가 보고되고 있다.

용융 함침법(MI)에서는 탄소섬유 프리폼에 Si를 함침시켜 제조한 고성능 세라믹 브레이크 디스크(Ceramic Brake Disk)가 상용화돼 있다. 최근의 연구는 대부분 C/C-SiC 및 MI-SiC/SiC 쪽으로 집중돼 있다. 용융돼 함침되는 Si과 반응시키기 위한 탄소 혹은 다른 물질들을 효과적으로 섬유 내부에 채워 넣기 위한 연구가 활발히 진행되고 있고 Si에 의한 섬유의 손상을 막기 위한 방법들이 제안되고 있다.

전구체 함침 열분해법(PIP)에서는 기존의 SiC와 Si-C-N계 기지상 외에 열적으로 더욱 안정한 Si-B-C-N 기지상을 갖는 복합재를 제조하는 연구가 보고되고 있다.

PIP는 반복된 함침 및 열분해 공정에 의한 장시간의 공정이 요구되는데 이를 줄이기 위한 노력으로 액티브-필러(Active Filler)를 기지상에 미리 함침시키거나 열분해 방법으로 전자 레인지(Microwave Oven)를 사용해 전체 공정시간을 수십 일 단위에서 수 일 단위로 줄이기 위한 연구가 진행되고 있다.

화학 기상 침착법(CVI)에서는 프리폼 내의 기지상을 치밀화 할 때 프리폼의 입구가 막혀 치밀화가 중단되는 틈새막힘(Clogging) 현상을 해결하고 증착시간을 단축시키기 위한 다양한 형태의 온도 제어 방법 및 원료물질 공급방법이 개발되고 있다. 열구배 CVI, 압력구배 CVI, 온도-압력구배 CVI 및 펄스 CVI 등이 보고되고 있다.

아래 그림에서 MI, CVI 및 PIP 공정의 예를 나타냈고 아래 표에 다양한 방법으로 제조된 세라믹 복합재료의 물성을 정리했다.

▲ 섬유강화 복합재료 제조 공정의 예.

▲ 제조공정에 따른 C/SiC 복합체의 물성.

■ 기술개발의 주요이슈

◇ 산화 및 부식 저항성 증대

세라믹 복합재는 고온, 극한 환경에서의 사용을 위해 개발되고 있으나 비산화물계 세라믹스는 고온에서의 산화 및 부식에 취약한 약점을 갖고 있다.

치밀한 산화 보호층을 갖는 SiC계 섬유 및 기지상에서는 이런 문제점이 어느 정도 해소될 수 있으나 섬유와 기지상 사이에 약한 결합을 유발시키는 코팅층의 경우 현재 산업적으로 사용되고 있는 열분해 탄소(Pyro-carbon) 및 BN(Boron Nitride) 코팅은 장시간 산화에 취약하며 이들 코팅층의 열화에 의해 고온에서 장시간 사용된 세라믹 복합재료의 물성은 크게 저하된다.

현재 이 문제를 해결하기 위해 산화저항성이 우수한 소재로 다공성 코팅을 제작하거나 산화물계 코팅소재를 사용하는 연구들이 진행되고 있으나 아직까지 뚜렷한 성과가 보고되지 않고 있다. CVI법으로 B₄C를 기지상 내에 층층이 형성시킴으로써 산화 시 이들 상이 SiO₂와 반응해 유리상의 보호층을 형성시키는 자기치유(Self Healing) 공정은 프랑스에서 도입됐으며 이 기술을 적용해 제조된 세라믹 복합체가 현재 우주왕복선의 노즐 등 다양한 분야에서 사용되고 있다.

이 문제를 해결하기 위한 다른 접근 방법으로 우수한 내산화성 코팅 (Environm ental Barrier Coating)을 제조하는 연구가 진행되고 있으며 지르코니아계열, Yttriun Silicate 계열 및 희토류 산화물계열 등 다양한 산화물들과 ZrB₂-SiC 및 Max Phase 등 비산화물 원료들을 플라즈마 용사법이나 CVD법으로 코팅하는 연구가 진행되고 있다.

또한 기지상 및 섬유로 산화 문제가 발생하지 않는 산화물계를 사용하고 기지상을 다공성으로 제조함으로써 코팅을 사용하지 않더라도 섬유 뽑힘 현상을 발생시킬 수 있는 Oxide/Oxide CMC도 활발히 연구되고 있다.

◇ 제조 단가의 절감

CMC의 시장 활성화를 위해서는 제조 단가의 절감이 절실히 요구된다. CMC에 사용되는 고성능 SiC 섬유는 kg당 수천에서 만유로 이상의 고가이며 Nano-SiC 분말을 사용해야 하는 NITE 공정의 개선이 필요하다. 고가의 전구체를 사용하며 함침-열분해 공정을 여러 번 반복해야 하는 PIP 공정과 고가의 원료 및 장비가 필요하고 장시간을 요구하는 CVI 공정의 개선을 통한 CMC 가격 절감 노력이 진행돼야 한다.

이들 고가의 원료들 중 고성능 SiC 섬유의 원가 절감을 위한 연구가 집중적으로 수행되고 있다. 일본의 IEST사는 UBE사의 전구체를 연속식으로 열분해 해 SiC 섬유를 제조하는 공정을 개발해 제조원가를 절감하고 있다.

독일의 SGL사는 현재 kg당 1,000유로 이상인 고성능 SiC 섬유 가격이 2020년에는 kg당 200유로 내외로 안정화 될 것으로 예상하고 있다.

현재 CMC 제조 공정 중 가장 저렴한 공정은 MI 공정으로 이 공정으로 제조된 세라믹 브레이크 디스크(Brake Disk)의 원료가격은 kg당 100유로 내외이다.

■ 국가별 동향-미국

◇ 연구개발 현황

고온용 세라믹복합재의 경우 미국은 1970년대부터 미 공군과 NASA가 주도적으로 우주항공 및 국방용 세라믹 섬유강화 복합소재의 개발을 시작했으며 최근에는 축적된 기술을 일반 산업 분야에 적용하고 있다.

세라믹 SiC 섬유의 개발은 미국의 경우 NASA와 Textron, Dow Corning사가 협력해 고온 영역에서 2GPa의 강도를 유지하는 Sylramic 계열 섬유를 개발해 세라믹복합재 제조에 이용하고 있다.

지난 20여년간의 연구개발 투자에 이어 탄소/탄소 및 탄소/SiC 복합재에 대한 내열성 향상 및 제조 가격 절감을 위한 생산기술 연구가 계속되고 있다.

최근에는 복합체의 특성평가 및 비파괴검사 부문에서 활발한 연구가 이루어지고 있다.

최근 수행됐거나 현재 수행중인 과제들로는 다음과 같은 것들이 있다.

○ Vision 21 프로그램(2001-2015)

- 청정, 저소비 에너지 소재 개발, 고효율 에너지 생산을 위한 새로운 에너지 기술 창출

- 고온 열교환기 시스템용 소재, 석탄 가스화 정화용 고온재료, 고온 내부식성 내화재료 개발

○ High Temperature Heat Exchanger 프로젝트(2003-2008)

- 열교환기용 부품 후보재료 선정/시험과 SI(Sulfur Iodine) 열화학 공정용 수소제조 플랜트 적용을 위한 열교환기 설계 및 Prototype 제조

- 열교환기용 재료로 Carbon Fiber Reinforced Si-SiC, Splint Based Si-SiC, Pitch Based Si-SiC 및 SiC 소재 연구

▲ 세라믹복합재 공정기술 - 미국 선도 연구기관 .

■ 국가별 동향-일본

◇ 연구개발 현황

일본의 경우 SiC 원사 생산에 있어 세계를 선도하고 있으며 UBE, Nippon Carbon 및 IEST 3개 사에서 고성능의 SiC 섬유를 생산하고 있다.

연구소로는 NIMS와 AIST에서 세라믹복합재의 제조 및 특성평가를 보고하고 있으며 JAXA에서는 2,000℃ 내외의 초고온에서의 세라믹복합재 특성평가를 수행하고 있다.

학계에서는 Kyoto대학에서 NITE 공정을 이용한 치밀한 SiC/SiC 세라믹 복합재의 제조 및 접합 분야에서 세계를 선도하고 있으며 동경대학, 동경공과대학, 동북대학 및 요코하마 대학 등에서도 세라믹복합재의 제조 및 특성평가가 이루어지고 있다.

수행된 과제로는 Synergy Ceramics 프로그램을 들 수 있다.

○ Synergy Ceramics 프로그램(1994-2006)

- 고내열성 단열재료, 유체투과 기능재료, 고강도·고인성 구조재료, 고열전도성 재료, 유해성분 선택정화 기능재료, 응력 해석을 통한 재료파괴 예측 기술개발

▲ 세라믹복합재 공정기술 - 일본 선도 연구기관 .

■ 국가별 동향-독일

◇ 연구개발 현황

독일의 경우 막스플랑크 연구소, 프라운호퍼 연구소를 중심으로 세라믹 섬유와 섬유의 원료인 고분자 전구체의 개발에 박차를 가하고 있다. SGL 그룹에서는 SiC 섬유의 양산을 위한 활동을 진행 중으로 2020년까지 연간 20톤의 고품위 SiC 섬유 생산을 목표로 하고 있다.

독일 항공 우주 연구소(DLR)에서 우주 항공용 세라믹 복합재료를 연구하고 있으며 기술을 민간기업에 이전해 자동차용 세라믹 복합재료 브레이크 시스템 제조에 활용하고 있다. 또한 EADS-ST사에서는 우주 항공용 세라믹 복합재 노즐을 개발하고 있다. 유럽에서 최근 수행됐거나 현재 수행중인 과제들로는 다음과 같은 것들이 있다.

○ EPICE(Moteurs et Intėgration Motrice) 프로젝트(2020년 TRL9 예정)

- 프랑스에서 차세대 민간 항공기 엔진용 CMC Exhaust Cone 및 LP Turbine Blade 제조 project

- 2025년까지 연료 소모량 25% 감축을 목표로 하고 있음

○ NACOMAT(Safe Nano-manufacturing of Advanced Ceramic Matrix Composites, 2007-2010)

- 프랑스에서 항공기용 Brake Disk와 엔진에 적용하고자 하는 CMC 과제

▲ 세라믹복합재 공정기술 - 독일 선도 연구기관.

세라믹복합소재, 2015년 시장규모 12억9.500만불 전망

韓, 소재원천기술 확보·치밀화 공정 개선 등 집중해야

■ 국가별 동향-한국

◇ 연구개발 현황

SiC 섬유의 원료가 되는 규소계 모노머는 2004년 KCC가 생산에 착수했다. 세라믹기술원(KICET)은 SiC 섬유 제조 기초기술 개발을 DACC사와 함께 수행했다. 탄소섬유의 경우 효성과 전주기계탄소기술원이 양산을 위한 연구개발을 진행하고 있다. C/SiC계 복합재의 경우 DACC사에서 자동차용 브레이크디스크를 개발했다. 한국에너지기술연구원(KIER)에서는 C/SiC 복합재 제조기술에 대한 연구를 수행해 철강 열처리로용 래디언트 튜브 및 래디언트 버너 노즐 시작품 개발을 완료했다.

▲ 세라믹복합재 공정기술 - 국내 선도 연구기관.

◇ 기술경쟁력 분석

한국의 기술수준은 선진국과 비교해 70% 수준으로 기초 연구 분야에서는 일부 부문에서 선진국 대비 80%의 기술력을 확보한 것으로 판단되나 고성능 세라믹 복합재의 상업 생산은 거의 이루어지지 않았다. 최근 DACC에서 군용 C/C 복합재료 및 민수용 C/C-SiC 복합재의 상용화에 성공하면서 산업 부분에서도 선진국 대비 60% 이상의 기술력을 확보하고 있다.

▲ 세라믹복합재 소재 - 기술격차 및 기술수준.

■ 국내외 주요기업의 생산활동

국내에서는 DACC에서 탄소/SiC계 자동차용 브레이크디스크를 개발했으며 최근 독일에 수출계약을 체결함으로써 탄소/SiC 브레이크를 독점 공급해온 독일의 SGL과 경쟁체제를 구축했다.

SiC 섬유의 원료가 되는 규소계 모노머는 KCC가 전주공장에 양산 시스템을 구축했으며 2012년 이를 더욱 확충했다.

투비엠테크에서는 SiC 섬유제조의 원료가 되는 규소계 폴리머를 세라믹기술원의 기술 협조 하에 제조하고 있다.

해외에서는 일본이 거의 독점하고 있는 고성능 SiC 섬유를 생산하기 위한 연구가 각국에서 진행되고 있다. 또한 기존의 우주/항공용 소재 외에 태양열, 가스터빈 및 핵 발전분야 등 에너지 생산에 사용하기 위한 CMC의 저가격화 공정 개발에도 많은 연구가 집중되고 있다. 선진국에서 수행 중인 비산화물계 세라믹 섬유 및 섬유강화 복합체의 연구 및 생산동향을 다음 표에 정리했다.

▲ 해외 주요국의 세라믹복합재 기술 개발 및 생산 현황.

■ 시장규모 및 전망

고성능 SiC 섬유의 경우 2008/2009년 생산규모는 일본이 연간 10톤, 미국이 연간 3톤 정도이며, 소비 규모는 일본이 연간 3톤, 미국 및 EU가 연간 5톤씩을 소비하고 있다. 이러한 고성능 SiC 섬유의 생산 규모는 향후 2020년에는 일본 연산 30톤, 한국 및 중국 연산 2~5톤, 인도 연산 0~2톤, 미국 연산 7~10톤, 그리고 독일 연산 20톤 규모로 5배 이상 증가할 것으로 예상된다.

SiC 섬유의 시장 규모는 2010년 연 25만유로 정도의 세계 시장 규모가 2020년에는 연 100만유로 규모로, 2030년에는 연 300만유로 규모로 성장할 것으로 기대된다.

세계 CMC 시장의 규모는 2010년 말 8억7,000만달러 규모로 추정되며, 2015년 까지 매년 8.3% 수준으로 성정해 2015년 말에는 13억달러 규모의 시장으로 성장할 것으로 예상된다.
2015년까지 성장을 주도할 분야는 내마모재료와 절삭재료로 대표되는 우수한 기계적/화학적 물성을 이용하는 소재로 2010년 말 현재 전체 분야의 36.1%로 3억1,500만달러 규모이며 2015년까지 연 8.2% 수준으로 성장해 4억6,600만달러 규모로 성장할 것으로 예상된다.

또 다른 중요한 분야들은 에너지/환경 분야와 국방/우주항공 분야로 이 두 분야를 합할 경우 전체 시장의 50.1%를 차지한다. 에너지/환경 분야는 2010년 2억7,700만달러 규모의 시장을 형성하고 있으며 2015년 까지 연 7.3%의 성장으로 3억9,400만달러 규모로 확대 될 것으로 예상된다.

국방/우주항공 분야는 2008~2010년 사이에는 성장률이 높지 않으나 향후 빠른 성장이 예상되며 2015년에는 약 2억1,300만달러 규모로 연간 6.1%의 비율로 시장이 확대될 것으로 기대된다.

2000년 발표된 2020년 항공기 국제 목표에 따르면 소음은 현재의 1/2, NOx 방출량 1/5, CO₂ 방출량을 1/2로 줄이면서도 저렴한 가격을 갖는 엔진을 제조할 예정이다.

기타 분야는 2010년 1억2,000만달러 규모에서 2015년 2억2,200만달러 규모로 연 13.1% 규모로 성장할 것으로 예상된다.

최근의 경제 위기 현상 때문에 향후 5년간 CMC 분야는 완만한 속도의 성장을 유지할 것으로 예상된다.

▲ 세라믹 복합재료의 세계시장 규모(단위 : 백만달러).

■ 미래의 연구방향 및 국내 산업이 나아갈 방향

◇ 미래의 연구방향

최근까지 고성능 세라믹 복합재는 우주항공 및 군사 분야의 제한된 영역에서 주로 사용돼 왔다.

그러나 향후에는 저가격화 및 고성능화를 통해 고부가가치를 갖는 고성능 세라믹 복합재의 적용 범위를 기계·화학·에너지·환경 영역까지 확대시키기 위한 노력이 필요할 것으로 예상된다.

세라믹 섬유 분야에서는 고성능화·장섬유화·저가격화를 중심으로 연구될 것으로 예상된다.

독일의 덴겐도르프 섬유연구소(ITCF) 는 세라믹 구조의 최적화에 의한 산화물계 세라믹 섬유의 고온 Creep 개선, 비산화물계 세라믹 섬유의 내산화성 개선, 새로운 전구체 원료 합성에 의한 세라믹 장섬유 개발 및 새로운 생산방식에 의한 비용 절감 등 네 종류의 차세대 섬유 특성 개선 프로젝트를 진행하고 있다.

에너지 분야에서 세라믹 복합재료의 새로운 시장이 개발될 것으로 기대된다. 현재 차세대 고성능 가스터빈의 세라믹 복합체 사용을 위한 실증연구가 진행되고 있다.

원자력 발전 분야에서도 차세대 재료로 SiC계 세라믹 복합체를 주목하고 있다. 2020년까지 태양 관련 발전은 전체의 5%에도 미치지 못해 현재의 원자력 발전 정도의 용량을 차지하고 화석연료가 발전의 약 80%를 담당할 것으로 예상된다.

그러나 2020년 이후 태양 관련 발전은 급격한 성장세를 나타내서 2050년에는 태양열과 태양광의 복합 발전이 전체 에너지의 약 1/4를 담당할 것으로 예상된다. 화석연료는 현재 약 85%를 차지하나 2050년에는 약 50%로 감소 할 것으로 예측된다.

이러한 태양열 발전 분야에서도 고성능의 세라믹 복합체는 핵심소재로서 역할을 담당할 것으로 기대된다.

복합재료 부분에서는 향후 내산화성 증진을 위한 섬유 코팅재료 및 EBC (Environmental Barrior Coating)의 개발이 더욱 중요해 질 것으로 생각된다. 또한 산업 분야에서의 시장 확대를 위한 저가격화 공정 역시 중요성이 더욱 커질 것으로 예상된다.

◇ 국내 산업이 나아갈 방향

고성능 세라믹 복합재는 첨단 장비의 기술 수준을 결정짓는 핵심 소재이며 전략 소재로서 기술 도입 및 제품 수입에 제한이 큰 소재이다.

향후 세라믹 복합재료의 시장이 우주·항공 분야 뿐 아니라 기계·화학 분야와 에너지·환경 분야로 확대될 것으로 예상되며, 이들 분야의 시장 또한 빠르게 성장할 것으로 전망된다.

따라서 고성능 세라믹 섬유 및 전구체 확보 등 소재 분야의 원천기술 확보와 저가격화를 위한 치밀화 공정 개선 등에 더 많은 연구와 정부 지원이 필요할 것으로 사료된다.