세라믹섬유융복합소재, 탄소중립·UAM 활성화 핵심 소재

▲ (左부터) 한국세라믹기술원 배성열 세라믹섬유·항공소재센터 선임, 조광연 융합기술사업단장, 세라믹섬유·항공소재센터장

정부는 2021년 3월 31일 과학기술관계장관회의에서 2050 탄소중립 실현을 목표로 10대 핵심기술을 발표했다. 10대 핵심기술은 태양광, 풍력 등 신재생 에너지 분야, 저탄소 제조 분야, 친환경 동력에 의한 미래형 모빌리티 분야로 구성돼 있으며, 정부에서는 탄소중립을 위한 수송분야의 기술개발을 적극 추진 할 것으로 보인다. 국내 수송부문에서의 온실가스 배출량은 전체의 약 20% 수준이며, 수송부문에서 탄소배출을 줄이기 위해서 정부 주도하에 전기·수소와 같은 청정 에너지원을 동력으로 사용하는 미래형 친환경 모빌리티의 개발 및 보급이 활발히 진행되고 있다.

■ UAM 시장 확대, 전용 소재 필요

도심항공모빌리티(Urban air mobility, UAM)는 전기·수소와 같은 친환경 동력을 사용해 도심 상공에서 사람이나 화물을 운송할 수 있는 미래형 교통수단으로써 정부의 탄소중립 정책에 잘 부합되는 신산업 분야다. 미국 투자은행 모건스탠리에 따르면, 2035년에 전세계에 25만대의 UAM이 보급될 것이며, 2040년에 UAM 시장은 1,700조원 규모가 될 것으로 예상되고 있다. UAM 항공기는 하늘을 날아야 하며, 무거운 배터리 등이 탑재되기 때문에 가볍게 만드는게 핵심적인 기술이다. UAM 기체 경량화를 위해서는 기존 금속 소재보다 가볍고, 강한 섬유융복합소재의 적용이 필수적이다. 섬유융복합소재는 플라스틱에 강화섬유가 보강된 형태의 소재로써, 보잉787 기종에 50% 이상이 적용될 정도로 항공·자동차·조선 등 수송기계 분야의 경량화를 위한 핵심소재라고 할 수 있다.

UAM 항공기의 날개, 외장재, 내장재, 프로펠러, 바닥판, 구동장치, 배터리 하우징, 수소연료탱크 등 대부분의 부품에 섬유융복합재가 적용되고 있으며, 향후에도 핵심소재로써 사용될 것으로 예상된다. 현재는 UAM 기체 개발 초기 단계로써 기존 항공기에 많이 적용되고 있는 탄소섬유와 열경화성 소재 조합에 의한 탄소섬유강화복합재(CFRP, Carbon Fiber Reinforced Plastics)가 UAM 재료로써 주로 적용되고 있다. 기존 항공용 CFRP는 금속 소재 대비 가볍고, 강하고, 변형이 적다. 또한 내피로성, 내부식성이 우수한 특징이 있으며, 가격은 금속 대비 매우 높은 수준이고 성형에도 오랜 시간이 소요된다.

현재 UAM 시장 선점을 위해서 국·내외 많은 기업에서 경쟁적으로 UAM 항공기 개발을 진행중에 있으며, 2025년에는 일부 기업에서 UAM 항공기 시스템이 상용화 될 것으로 예상된다. UAM은 기존 항공기 보다 대수가 훨씬 많고, 개인이 이용하기 때문에 가격이 기존 항공기 보다 훨씬 낮은 수준이어야 하며, 소재 재활용 등 많은 고민이 필요하다. 따라서 현재 항공기에 적용되고 있던 소재가 그대로 UAM에 적용되기 보다는 UAM 전용 섬유복합소재의 개발이 필요하다.

▲ 글로벌 UAM 시장 전망치(모건스탠리 예측 자료)

UAM 시장 2040년 1,700조 규모, 전용 소재 개발 필요

가격경쟁력 및 신뢰성 확보·재활용 가능·유지보수 용이 기술

■ UAM 소재 핵심 기술

UAM용 섬유복합소재는 기존 항공용 소재 대비 더 가격경쟁력을 가지고 성형 시간이 짧아야 한다. 또한 자동화 제조장비 적용과 재활용이 가능하며 유지·보수가 용이한 소재이어야 한다. 더불어 탄소중립 실현을 위한 재생원료에 의한 소재의 적용도 고려돼야 하며, 신뢰성 측면에서 부품을 실시간으로 모니터링 할 수 있는 복합재 구조모니터링 기술 등의 적용도 필요하다.

이에 UAM 전용 섬유복합소재 개발이 필요하며, 향후 소재 분야의 많은 기술개발이 이루어 질 것으로 예상된다. 먼저 산업부산물을 활용한 세라믹섬유화 기술은 탄소중립 관점에서 매우 유의미한 기술이 될 것이며, UAM 내장재 등에 적용이 가능한 소재라고 할 수 있다. 둘째로 열가소성 수지에 의한 복합소재 기술은 열을 가하면 다시 성형이 가능한 열가소성 소재의 특징 때문에 소재 리사이클이 용이하며, 탄소중립을 위해 개발이 필요한 기술이다. 셋째로 3D 프린터, 자동화 생산시스템을 활용한 UAM 복합소재 자동화 부품 제조기술은 UAM 부품의 제조 생산성 향상 및 가격경쟁력 확보를 위해 필요한 기술이다. 마지막으로 UAM용 복합소재의 유지·보수, 구조건전성 모니터링, 신뢰성 평가 기술은 UAM용 소재의 장기간 사용 및 신뢰성 확보를 위한 기술개발이 필요한 분야로 생각된다.

정부는 탄소중립 목표 달성을 위해서 청정연료에 의한 수송시스템의 개발 및 보급을 적극적으로 추진하고 있다. 그중 대표적인 UAM은 수송분야의 탄소배출을 저감할 수 있는 미래형 친환경 교통수단이다. 세라믹섬유융복합소재는 기존 금속 대비 가볍고, 강하기 때문에 UAM 항공기의 핵심소재로 적용이 예상되며, 현재는 UAM 기체에 기존 항공용 복합소재가 적용되고 있지만 향후 UAM용 전용 복합소재의 개발이 필요하다고 할 수 있다.

▲ UAM 항공기용 소재 개발의 핵심기술 도출

■ 세라믹섬유융복합소재 개발

한국세라믹기술원은 2018년부터 2022년까지 수송시스템용 세라믹섬유 융복합 기반구축사업을 통해 자동차, 조선, 항공 등 산업에 적용되는 세라믹섬유복합소재의 개발을 진행 중에 있다. 또한 UAM으로 대표되는 친환경 모빌리티 분야용 섬유복합소재의 개발 필요성을 파악하고, 관련 기술개발을 진행중에 있다. 개발된 소재를 수송기계용 부품에 적용하기 위해서는 인더스트리별 소재 단위의 인증이 필수적이기 때문에 소재 개발 및 상용화에 상당한 시간이 필요하다는 것을 몸소 체험하고 있으며, 앞으로도 친환경 미래 모빌리티용 소재 개발 및 상용화에 많은 어려움이 있을 것으로 생각된다. 이에 2040년이라는 가까운 미래에 펼쳐질 1,700조원의 UAM 시장 선점을 위한 UAM용 소재개발에 정부의 연구개발 지원이 필요하다.

섬유강화복합재료는 어떤 물질을 혼합하고 적층하냐와 섬유각도 등에 따라 설계가 가능하다. 또한 기존의 금속 소재로 불가능했던 수송기계용 부품의 경량화, 고기능화를 가능하게 했기 때문에 지금까지 수송기계분야의 ‘희망의 소재’였다라고 평가될 수 있다. 앞으로 펼쳐질 UAM 등 미래모빌리티 신산업 분야의 탄소중립에 세라믹섬유융복합소재가 또다른 하나의 가능성을 열어줄 수 있다고 확신하며, 정부의 지원과 산·학·연 기술융합을 통해서 대한민국이 UAM 산업 소재·부품·장비 분야의 기술선점을 할 수 있을 것으로 기대된다.

▲ 한국세라믹기술원수송시스템용 세라믹섬유 융복합센터(2020년 5월27일 준공)