항공·우주·국방 시장 확대, 초고온 고분자 산업 성장 기대

초경량·일체화·탄소배출 제로·재활용, 연구 개발 진행

韓 후발주자, 원천특허 활발히 획득 위한 多투자 필요

■ 초고온 고분자 산업 및 시장 동향

1. 국내 동향

(1) 시장규모 및 전망

국내 초고온 고분자 산업 시장규모는 정확히 확인할 수 없었으나, 한국항공우주연구원에서 작성한 2020년 우주산업실태조사에 따르면, 2019년 우주산업에 참여한 359개 기업체의 우주산업 분야 매출은 약 3조 2,610억 원이며, 전년 대비 298억 원(0.9%p)감소한 것으로 조사되었다.

(2) 기업 현황

국내에서는 ㈜한국화이바가 시장을 선도하고 있는데, 초고온 내열재용, 항공기 부품 및 발사관 등에 고분자 복합재를 공급하고 있으며, 우리나라 첫 우주발사체인 ‘나로호’의 페어링을 복합재 구조체로 제작하였다. 한국형 발사체 ‘누리호’에도 복합재 구조체를 페어링 및 단열재에 적용하였다.

코오롱데크컴퍼지트㈜는 항공·방산·민수 사업에 참여하고 있고, 탄소섬유-고분자 복합재로 만든 항공기용 외부연료탱크를 수출하고 있다. 또한, 항공기 부품 중 엔진에 들어가는 엔진 베인(vane)의 경량화를 위한 고분자 복합재 제작 기술을 보유하고 있다.

2. 해외 동향

(1) 시장규모 및 전망

항공·우주 분야나 국방에 사용되는 초고온 고분자 및 고분자 복합재 산업 시장규모 관련 자료는 없으나, 한국항공우주연구원에서 작성한 2020년 우주산업실태조사에 따르면 2019년 세계 우주산업 규모는 전년 대비 1.7%p(60억 달러) 성장한 3,660억 달러였다. 이는 항공·우주 및 국방용 초고온 복합재에 대한 시장규모를 예측한 것보다(그림 1) 훨씬 큰 규모이다.

▲ <그림1>항공·우주&국방용 시장규모 예측 (자료:Markets And Markets, High-temperature composites materials market, 2016, 71)

(2) 기업 현황

미국의 레니게이드 머터리얼즈(Renegade Materials) 사는 세계 최대 비독성 PI 프리프레그 제작회사로, 군용기/민항기 구조물 및 발사체 시스템 등에 적용하는 고분자와 프리프레그를 판매한다. AFR-PE-4, RM-1100, MVK-14 등의 제품군의 프리프레그가 대표적이며 향후 고온용 열경화성 PI 프리프레그가 북미 시장에서 큰 영향력을 미칠 것으로 예상된다. 미국 내에만 공장을 가지고 있으며, 프리프레그뿐만 아니라 열경화성 수지, 항공·우주용 접착제 등도 생산하고 있다.

일본의 우베 인더스트리즈(UBE Industries)도 PETI-340M 이라는 370℃ 경화용 PI 프리프레그를 생산하고 있으며, 초고온 고분자 복합재 분야 연구·개발에도 투자를 아끼지 않아 세계적으로 성장할 것으로 예상된다.

미국의 사이텍 인더스트리즈(CYTEC Industries)는 세계 최고 군사기술 회사인 록히드마틴(Lockheed Martin)에 Cycom이라는 고온용 고분자 프리프레그를 납품하였고, F-35 Lightning II 제트기에 적용하여 42%의 경량화를 달성했다.

3. 국내외 선도기업

국내외 항공·우주용 고분자 및 고분자 복합재 기술 분야 선도기업은 <표 1>과 <그림 2>, <표 2>에 나타내었다.

▲ <표1>항공·우주용 초고온 고분자 관련 기술 - 국내 선도기업

▲ <그림2> 2019년 국내 지역별 우주산업 참여기관 (자료:자료: 한국항공우주연구원, 2020 우주산업 실태조사, 2020, 24)

▲ <표2>항공·우주용 초고온 고분자 및 고분자 복합재 관련 기술 - 해외 선도기업

4. 미래 연구방향 및 정책 제언

(1) 미래의 연구방향

우주나 항공분야에서 적용될 소재는 초고온 또는 초저온, 초진공의 극한환경에서 물성 저하 없이 구조물의 형태를 유지할 수 있어야 한다. 그러나 현재까지 개발된 초고온용 고분자는 유기물 고유의 특성 때문에 고온에서 산화 반응으로 사용온도의 제한이 있다.

따라서 현재 초고온용 고분자를 기지재로 사용하여 고온에서 더욱더 안정적인 무기물을 분산시킨 복합재 형태가 많이 개발되고 있고, 산업에도 활용되고 있다. 지금까지는 초고온 고분자 복합재를 활용하여 항공기나 발사체로의 사용가능성을 확인했다면, 미래에는 효율적이고 안정적인 시스템 도입을 위해 초경량, 탄소배출 제로, 재활용 특성 향상 방향으로 연구가 진행될 것으로 보인다.

특히, 전체 기체 중량을 줄이기 위해서는 개별 부품 단위의 중량뿐만 아니라 조립 중량까지 경량화되어야 전체 중량을 획기적으로 감소시킬 수 있기 때문에 각 부품을 금속 체결류 없이 일체화하는 기술 개발이 필요하다. 따라서 초고온 복합재가 부품 결합의 계면소재까지 대체할 수 있는 기술 개발의 방향으로 나아가는 것이 바람직 할 것으로 보인다.

(2) 정책 제언

항공기의 경우, 이미 앞에서 탄소섬유 고분자 복합재로 일체 성형과 접합 기술에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있는 것을 확인하였다. 경량화를 달성한 만큼 기계적 물성 또한 충분한지에 대한 연구가 충분히 이루어져야 할 것이며, 고분자 복합재 내 사용되는 필러를 나노탄소소재를 사용할 수 있도록 나노기술과 항공·우주 기술이 융·복합하는 정책도 필요하다.

나노탄소소재는 연구에 있어서도 소재 특성상 개별 물성은 매우 뛰어나나 고분자 기지재에 분산이 어려워 충분한 기계적, 전기적, 열적 물성을 얻기가 힘들기 때문에 이러한 문제들을 해결하는 방향으로 이루어져야 할 것이다.

항공·우주 산업용 초고온 고분자 소재 분야는 해외보다는 상대적으로 후발주자이고, 초고온용 새로운 고분자 합성 개발에 대한 연구 또한 대학, 연구기관에서 주로 이루어지고 있어 우리나라에서도 원천특허를 활발히 획득할 수 있도록 많은 투자가 필요할 것으로 보인다.