제1장 내열 및 구조소재-열차폐·내삭마 코팅 소재기술(1)-변응선(재료연)-신소재경제·재료연구원 공동기획 소재기술백서 2019(12)

제1장 내열 및 구조소재-열차폐·내삭마 코팅 소재기술(1)-변응선(재료연)-신소재경제·재료연구원 공동기획 소재기술백서 2019(12) - 극초음속 비행체 개발, 열차폐·내삭마 코팅 소재기술 必

기사등록 2021-04-30 16:00:08
수정 2021-09-17 10:18:00

재료연구소가 발행한 ‘소재기술백서’는 해당분야 전문가가 참여해 소재 정보를 체계적으로 정리한 국내 유일의 소재기술백서다. 지난 2009년부터 시작해 총 11번째 발간된 이번 백서의 주제는 ‘미래국방소재’다. 미래 전장 환경 변화, 병력대상 인구의 감소, 해외 주요국의 국방력 강화 등 미래국방 관련 기술개발의 요인이 갈수록 증가하고 있고, 우리나라 또한 정부 국정과제 및 주요 국방 관련 정책 대응을 위한 기술현황 파악에 적극적으로 나서고 있다. 소재기술백서 2019는 이러한 ‘미래국방을 위한 소재기술’을 주제로, 내열 및 구조 소재, 생존 및 방호 소재, 첨단지능형 방산기능 소재와 관련한 기술동향을 분석하는데 집중했다. 이에 본지는 재료연구소와 공동기획으로 ‘소재기술백서 2019’를 연재한다.

극초음속 비행체 개발, 열차폐·내삭마 코팅 소재기술 必

엔진 고온부 온도 수용성 향상 연구 활발히 진행

냉각기술·열차폐 코팅기술, TIT 향상 결정적 기여

■ 기술의 정의 및 분류

현대전은 정밀 유도무기 및 고속 또는 초음속 비행체의 발달로 재래식 무기에 의한 광범위한 공격보다 신속한 정밀타격전이 우선시 되고 있으며 이러한 경향은 더욱 심화 될 것으로 전망되고 있다.

따라서 전선의 개념과 전·후방 구분이 없이 다수의 분산된 표적을 실시간으로 감시하여 적의 이상 징후를 포착하고 이에 대한 정보 분석과 지휘결심을 통해 원거리에서 동시다발적으로 표적을 정밀 타격하여 적의 전쟁 수행능력을 제거하는 형태가 전형적인 예이다.

이를 위해서는 위성궤도에서 전략자산 전개를 위한 위성 발사체의 연소기부, 고고도에서의 정찰임무 수행을 위한 유·무인기용 터빈엔진의 고온부, 그리고 원거리를 단시간 내에 도달하여야 하는 목적의 초음속·극초음속 비행체의 노즐(nozzle)부나 선단부 등의 열차폐, 열방호 및 내삭마 코팅소재 및 이의 공정기술 확보가 반드시 필요하다.

이와 같은 단열용(열차폐용) 코팅 소재 및 내삭마용 코팅소재는 시스템의 사용환경이 소재 단독으로는 견딜 수 없거나, 견딜 수 있다 하더라도 그 사용 시간을 대폭 늘리기 위하여 소재 위에 코팅되어 소재는 물론 시스템 전체를 보호하는 특수한 목적을 가지게 된다.

이 코팅소재는 크게 항공기 가스터빈 엔진의 고온부를 보호하는 열차폐 코팅 소재와, 초음속·극초음속 비행체의 열방호 및 내삭마로부터 시스템을 보호하는 내삭마 코팅 소재로 분류할 수 있다. 본문에서는 열차폐 코팅 소재와 열방호·내삭마 코팅 소재 두 가지로 나누어 기술하고자 한다.

■ 기술의 원리

열차폐 코팅이란 항공용 엔진이나 발전용 가스터빈 엔진의 고온부품에 쓰이는 초내열 합금 부품 표면에 열전도성이 낮은 세라믹층과 합금과 세라믹 코팅사이의 열응력 완화와 접합력 향상을 위한 금속 본드층을 코팅한 것으로서 고온의 사용환경에서 모재로 전달되는 열을 차폐하여 모재를 보호하는 역할을 한다.

이러한 코팅의 열차폐 성능은 세라믹의 열전달 특성과 기공을 많이 함유하는 미세구조에 의해 결정되며 미세구조에 형태에 따라 적층형(lamellar type)과 주상정형(columnar type) 미세구조로 분류된다. 기동과 정지가 빈번한 항공기 엔진부품의 경우에는 변형저항성(strain tolerance)이 큰 주상정형 미세구조가 유리하며, 장시간 가동으로 지속적인 열응력을 받는 발전용 가스터빈 부품은 적층형 미세구조를 사용하고 있다. 항공기 엔진 부품은 약 80% 정도 코팅이 적용되고 있으며 발전용 가스터빈 부품은 약 50% 정도로 코팅하여 사용하고 있다.

빠른 속도로 비행하는 비행체는 주변 공기와의 마찰로 인해 표면가열이 일어난다. 대부분 초음속으로 비행하는 전투기, 미사일, 로켓 등이 이에 해당하며, 이러한 공력가열(空力加熱)이 가장 큰 경우는 지구 바깥에서 지구로 돌입하는 우주 비행체이다.

이때의 마하수는 10 이상이며, 차세대 운송수단인 초음속 비행기의 경우 통상 마하 4.0을 넘게 된다. 공력가열 현상이 심하면 비행체의 구조 재질 특성이 변하여 기체의 강도가 급감하거나 표면 재질이 녹기도 한다. 초고속으로 비행 시 공기와의 마찰로 고온이 된 환경에서 취약해진 표면이 높아진 열유속에 의해 지속적으로 침식되는 삭마현상이 일어난다.

이와 같은 삭마현상으로부터 부품 또는 시스템을 보호하고 원하는 임무를 수행하기 위해서는 모재를 내열성이 우수한 소재를 이용하거나 내열성이 높은 물질을 침투시켜 모재 자체를 보강하는 방법과 모재 표면에 융점이 3,000℃ 이상인 세라믹 재료(Ultra High Temperature Cermaics, UHTC)를 코팅하여 내산화·내삭마성을 부여하는 방법 등이 있다.

통상 HfC, TaC ZrB2와 같은 융점이 높은 재료를 복합재 내부에 침투시키는 방법은 비용이 많이 들고 무게가 증가한다는 단점이 있으므로 UHTC 분말을 진공 상태에서 순간 용융 및 가속하여 부품 표면에 코팅하는 진공플라스마 용사법이 주목을 받고 있다.

■ 미래 국방소재 관점에서 기술의 중요성 및 전망

미래의 전쟁 양상은 우주전, 정밀 타격전, 입체고속기동전, 비대칭전 등으로 전개될 것이며 이를 위해서는 무기체계의 첨단화가 매우 중요하다. 이를 위하여 항공분야에서는 유인기는 물론 무인기의 고출력화 및 고성능화가 필수적으로 요구되고 있다.

따라서 항공용 가스터빈은 엔진 효율은 높이고 NOx(질소산화물), SOx(황산화물) 등 유해 가스 배출은 억제하기 위해 터빈 동작 온도(Turbine Inlet Temperature, TIT)를 점차 높이고 있으며, 이에 따라 엔진 고온부 핵심 부품들의 온도 수용성을 높이는 연구가 활발히 진행되고 있다.

부품의 온도 수용성 향상을 위한 연구는 주로 부품의 구조적 설계, 온도 수용성이 높은 합금 개발, 그리고 초고온 환경으로부터 모재로 도달하는 온도 감소를 위한 열차폐 코팅 개발에 관한 것이 전방위적으로 진행되고 있다.

미쓰비시 히타치 파워 시스템즈(Mitsubishi Hitachi Power Systems, MHPS)의 경우를 참고해 보면, 1984년에 TIT가 1,100℃인 D-class 가스터빈을 개발하였고 1989년에는 1,350℃급의 F-class를 1997년에는 1,500℃급의 G형을 그리고 2011년에는 1,600℃급의 J-class 가스터빈을 개발 완료하였다.

현재 1,700℃급의 가스터빈 요소기술을 개발 중인 MHPS의 기술보고서에 의하면 TIT 향상에 결정적 기여를 하는 것은 내열합금 기술)보다는 구조적 설계를 통한 냉각기술과 열차폐 코팅기술임을 알 수 있다.

이러한 추세는 발전용 가스터빈에만 국한된 것이 아닌 항공용 엔진에서도 보이며, 이로 인해 기존 이트리아 안정화 지르코니아(Yttria Stabilized Zirconia, YSZ)를 사용할 수 없는 고온 영역에서도 내열성, 열차폐성을 가지는 새로운 코팅소재의 개발이 기술패권을 결정할 것으로 전망된다.

중국이 극초음속 시험을 위한 풍동(wind tunnel)을 건설하고 있다. 최근 중국 언론들은 “극초음속 풍동시험을 통해 최대 마하 25의 속도로 이동하는 비행체 개발이 가능할 것”이라고 보도한 바 있다.

중국은 현재 마하 5∼9의 속도를 내는 비행체 개발을 위한 시험시설을 보유하고 있음에도 새로운 시험시설을 건설하는 것은 극초음속 비행무기 개발의 일환이라는 분석이 지배적이다.

국방 선진국들의 움직임에서 알 수 있듯이 미래 전장에서는 극초음속 비행체가 주도권을 장악할 것이며 이를 위해서는 비강도가 높은 소재의 적용과 내산화·내삭마 코팅소재 및 코팅기술의 중요성은 재론의 여지가 없다.

하지만 융점이 3,000℃를 넘는 소재의 열화학적, 속도론적 반응 기구를 규명하고 이를 토대로 우수한 내열·내산화·내삭마 특성을 발휘하는 코팅을 개발하는 일은 결코 단기간에 이루어질 수 없기 때문에 국가 주도의 장기적인 연구개발 추진이 선행되어야 한다.

■ 열차폐 코팅 연구개발 동향

1) 국내 동향

우리나라는 수백 대의 민항기 및 군용기를 운용하고 있고 100여 기의 발전용 가스터빈을 가동하고 있으나, 현재까지는 상업운전 중인 국산 고유 모델이 없어 모든 엔진을 수입하여 운용하고 있다. 엔진뿐만 아니라 초내열합금을 소재로 하는 소모성 고온부품도 현재 거의 수입에 의존하고 있다. 엔진 고유모델이 없다 보니 그에 따른 소재나 부품도 엔진회사의 선택에 따라 결정된다.

체계종합, 비행체 설계, 기체설계, 지상시험 및 생산 등의 완제기 제작 관련 기술은 선진국 대비 80% 이상을 확보하고 있으나 소재·부품 관련 기술분야(인증, 엔진 및 부품, 항공전자부품, 기계부품)는 선진국보다 매우 낙후되어 있다.

그러므로 한국형 전투기 개발사업인 KFX(Korean Fighter eXperimental)사업 등의 차세대 전투기 사업과 수리온 후속기, KT-1, T-50 등의 국내 항공기 개발에 따라 사용되는 엔진의 핵심 부분인 고온터빈부품에 적용되는 열차폐 코팅기술은 현재 전량 외산 수입품으로 적용되고 있다.

또한, EL(Export License) 품목으로 분류되어 자체제조 및 기술의 대외유출도 제한되어 있어 기술도입을 통해 확보하는 것도 어려운 상황이다. 이로 인해 신규 도입은 물론 유지·보수 관리 시에 필요한 기술지원도 해외 OEM 제작사에 전적으로 의존하고 있다.

열차폐 코팅기술 중 특히 고온 내구성이 요구되는 항공용 엔진부품에 적용되는 전자빔 증착(electron beam physical vapor deposition, EB-PVD) 기술은 군사용 기술의 핵심으로 분류되어 관련기술의 유출이 엄격히 통제되고 있다.

국내에서 열차폐에 관한 연구는 1∼2곳의 대학과 연구기관에서 연구용 장비를 운용하는 수준이었으나 2013년부터 재료연구소에서 중간시험(pilot) 규모의 장비를 확보하고 이를 통해 캐나다 NRC(National Research Council)와 국제공동연구 등을 통해 시험편 베이스의 열차폐 코팅 제조 및 평가 연구를 하고 있다.

가스터빈 엔진용 열차폐 코팅 개발은 가스터빈 엔진 개발에 수년 앞서 이루어져야 하지만 OEM의 독점적 관리방침과 까다로운 감항 인증 때문에 큰 투자가 이루어지고 있지 않다. 하지만 국내의 경우 발전용 가스터빈의 OEM 면허 하에 열차폐 코팅과 보수를 일부 수행하는 과정에서 축적된 요소기술 노하우와 재료연구소를 비롯한 국내 대학의 열차폐 코팅 연구기반 등을 종합하면 머지않아 독자적인 핵심 부품 제조기술 확보가 가능하다고 판단된다.

이렇게 확보된 열차폐 코팅기술은 항공기 엔진 국산화 및 장기운용 항공기 성능개선 사업 등에 필수적으로 활용될 것이며, 현 단계에서 가장 큰 비중을 갖는 애프터 마켓(after market)에서의 파급효과가 막대하므로 시급한 고온부품 보호용 열차폐 코팅에 관한 선행연구에 대한 지원이 절실하다.

열차폐 코팅 기술은 초내열합금 개발과 더불어 재료연구소에서 중점을 두어 연구개발을 진행해 온 강점기술 중 하나이다. 재료연구소는 1990년 초반 대기 플라스마용사 및 고속화염용사에 관한 연구를 시작으로, 이후 산업용 가스터빈 블레이드 등을 대상으로 한 1,350℃급 고온용 열차폐 코팅 개발을 진행해 왔다. 독일로부터는 진공 플라스마용사(Vacuum Plasma Spraying, VPS) 장비를 도입하여 자체 공정기술을 확보하여 다수의 연구과제 수행을 통해 기술력을 축적한 바 있다.

이를 통해 로켓엔진 연소기 내열 세라믹 코팅을 개발(2011∼2014, 우주핵심기술개발사업)하여 한국형우주발사체인 누리호 예비발사체의 75톤급 연소기 내벽에 적용, 시험발사에 성공하였다.

플라스마 용사 이외에도, 우크라이나 제작 대형 EB-PVD 장비를 개조하여 다양한 플라스마 공정과 연계된 전자빔 증착기술 연구도 2012년부터 활발하게 진행하여 오고 있다.

재료연구소의 EB-PVD 장치는 국내 최대 크기이며, 30kW 전자빔 5기가 장착되어 모재의 예열, 본드코팅용 합금 및 열차폐용 YSZ 용융을 동시에 수행할 수 있는 장점이 있고, 로드 락 챔버(load lock chamber)를 구비하고 있어 실제 블레이드의 연속생산이 가능하다.

항공기용 가스터빈 엔진은 잦은 이착륙 및 전술기동에 따른 열피로가 열차폐 코팅의 파손에 지배적인 영향을 미치므로, 전술한 바와 같이 산업용 가스터빈의 열차폐 코팅과 달리 주상정 구조로 되어 있으며, EB-PVD 공정을 이용해 제조되고 있다.

국내에서 실용적 EB-PVD 기술에 대한 연구는 의의가 매우 높은데, 아래 표에 요약한 것과 같이 국내의 열차폐 연구 기관 중에서 실용적 수준의 연구를 수행하고 있는 재료연구소는 항공기용 가스터빈 블레이드 EB-PVD 연구개발을 통해 당해 기술의 국산화에 기여하는 것을 목표로 하고 있다.

2) 해외 동향

항공기용 가스터빈 엔진의 열차폐 코팅 특히 EB-PVD 코팅에 관한 기술개발 동향은 EL로 분류되어 그 내용이 공개되지 않아, 유사 기술인 발전용 가스터빈 열차폐 코팅 기술현황을 참고하여 살펴보고자 한다.

미국의 경우, 가스터빈 제작사와 소재 제조업체와의 긴밀한 협조에 따른 오랜 연구개발과 기술축적을 기반으로 최적의 부품소재 제조공정을 확립하여 오고 있다. 정부, 산업계 및 대학에서 다년간 협력하여 만들어낸 3단계의 ATS(Advanced Turbine System) 프로그램 운영을 통해 시스템 효율 60% 이상, NOx 10ppm 이하 배출, 신뢰성과 보수유지 용이성 개선, 운용비용절감 등을 달성하기 위한 조건으로 가스 터빈의 입구온도를 향상할 수 있는 터빈 에어포일(airfoil)의 열차폐 코팅기술개발을 완료하였다.

산업용 가스 터빈에도 적용하기 위해 필요한 현재 8,000시간이 수명인 가스터빈을 25,000시간으로 향상시키기 위해 블레이드, 베인 등에 열차폐 코팅기술을 적용하는 것을 산업기술국(Office of Industrial Technology, OIT)에서 추진하였다.

에너지부(Department of Energy, DOE)에서는 제너럴 일렉트릭(General Electric, GE), 웨스팅하우스일렉트릭(Westinghouse Electric) 등과 같이 국제적 발전회사들로 연합체를 구성하여 화염온도 1,500℃급, 복합효율 60%인 고효율 가스터빈을 개발하는 정부주도 국책연구사업도 진행하였다.

이러한 정부주도형 연구사업은 ATS 후속 프로그램인 NGTS(Next Generation Turbine System: 2000년-2015년) 프로그램까지 종료한 상태이다. 이후에도 계속해서 가스터빈의 효율 향상 및 NOx 저감, 천연가스와 재생에너지·석탄 연료를 동시에 사용 가능한 가스 터빈 시스템 개발, 분산 발전용 연료전지·가스 터빈 하이브리드(Hybrid) 시스템을 개발하는 것을 목표로 하고 있다.

일본의 연구개발은 신에너지산업기술종합개발기구(NEDO)가 주관하여 산·학·연이 공동으로 참여하는 국가 프로젝트의 형태로 열차폐 코팅 연구가 수십 년간 진행되어 오고 있다. 일본파인세라믹스센터(Japan Fine Ceramic Center, JFCC)에서는 플라스마 용사를 기반으로 한 코팅기술 대신 EB-PVD 기술을 활용한 코팅 연구를 활발히 수행하고 있으며, 일부는 실용화되고 있는 것으로 알려져 있다.

JFCC의 Hideaki Matsubara의 보고에 따르면, 300∼500㎛ 두께의 EB-PVD 코팅에 의해 300∼600℃의 열차폐 효과가 발생하며, 이로 인해 모재의 온도가 900℃ 이하로 유지될 수 있게 된다고 한다. 따라서 낮은 열도율의 세라믹스를 이용할수록 코팅 두께를 얇게 하여도 같은 효과를 얻게 되거나 모재의 작동온도를 더 높일 수 있게 되므로 저열전도도 세라믹 코팅에 관한 연구가 이루어지고 있다.

차세대 가스터빈 엔진의 작동온도가 1,700℃로 높아진 상황에서 현재 열차폐 코팅으로 이용되는 세라믹인 YSZ는 1,100℃ 이상에서 소결, 상변태 등에 의해 현저한 열화가 일어나 사용이 어렵다. 이러한 환경에 적용하기 위해 YSZ 보다 열전도율이 작고 고온안정성이 뛰어난 소재 연구가 활발히 진행되고 있는데, 그중의 하나가 산화란탄(La2O3)이 첨가된 YSZ로서 첨가량에 따라 열전도율이 0.5W/m·K까지 낮아짐을 보고하였다.

이는 현재 가장 많이 연구되고 있는 산화가돌리늄(Gd2O3)이 첨가된 YSZ의 0.7∼0.8W/m·K보다 현저히 낮은 값으로서, La2O3에 의해 막이 제조되는 도중 YSZ의 확산소결현상이 억제되기 때문이라고 보고하였다. 이외에도 페로브스카이트(Perovskite) 구조 세라믹에 대한 연구도 중요한 도전 대상 중의 하나이다.

유럽의 경우 코스트 50 프로그램(COST-50 Program)을 시작으로 독일, 프랑스 등 9개국이 협력하여 차세대 가스터빈 발전을 위한 부품소재 개발 사업을 운영하고 있으며, 특히 우주항공연구소(DLR)가 EB-PVD법에 의한 열차폐 코팅에 대해서 많은 연구실적을 내고 있다.

최근 유럽에서 수행된 가스터빈 관련 대형 연구 과제를 보면, 대부분 연소 불안정성에 집중되어 있다.

연소 불안정성은 압력과 화학반응의 상호작용으로 인해 연소기내의 압력과 온도가 비정상적으로 올라가는 현상을 말한다. 많은 연구자가 이에 관해 연구하고 있다는 것은 유럽의 가스터빈 개발 방향이 연소온도를 높임으로 터빈 작동온도를 높이는 것에 있다는 것을 짐작할 수 있다.

또한, 독일의 정부연구소는 루프트한자(Lufthansa) 항공사와 협력하여 각종 항공운항 조건에서 대기조건과 항공상황을 실시간 측정한 데이터를 구축하고 있으며, 열차폐 코팅의 적용으로 100명의 승객을 1km 수송할 때, 0.1L의 연료를 절약할 수 있다는 결과를 보고하기도 하였다. 독일의 전체적인 연구개발과 수준은 유럽을 리드하고 있다고 판단된다.