극저온 복합재료 개발, 국가적 원천기술 경쟁

초전도 소재·수소에너지 등 미래 고부가가치 산업 응용

국내 특수성 고려 LNG 저장·운송 극저온 소재 연구 집중 수행

■극저온 고분자 소재와 고분자 수지

1. 극한환경 소재기술 관점에서 극저온 복합재료 개발의 중요성

극한환경기술(extreme environment technology)은 인간 활동이 불가능한 온도(고온과 저온 환경), 전자파, 유독물질, 방사선, 압력 등의 극단적인 환경에서 활용이 가능한 기술을 뜻한다.

따라서 극한환경기술 개발을 위해서는 무엇보다도 극저온, 초고온, 초고압과 강한 전자파 또는 유독물질의 환경에서도 재료의 변형과 분해가 일어나지 않으면서 구조강도를 유지할 수 있는 기능성 소재 개발이 반드시 선행되어야 한다.

극한환경소재 개발 측면에서 복합재료는 구성 물질 간의 조정과 제조 공정의 최적화를 통해 뛰어난 기계적 물성뿐만 아니라 열전도도, 전기전도도, 가스차단성, 열팽창 계수 등 응용분야에 따라 요구되는 조건을 충족시킬 수 있는 소재 설계가 용이하기 때문에, 극한환경에서 안정적인 활용이 가능한 기능성 소재로 관련 산업계와 학계에서 크게 주목받고 있다.

극한환경 소재기술 중 극저온 복합재료 소재기술은 과거에는 질소, 수소, 헬륨과 천연가스 등을 액화하여 수송과 저장에 주로 사용해 왔지만, 현재는 그 응용 분야가 급격하게 확대되어 미래의 고부가가치 산업 분야로 각광받고 있는 초전도 소재, 우주·항공, 수소에너지, 의료 및 전자 산업 분야 등에서 핵심기술로 고려되어 기술개발의 중요성이 급부상하고 있다. 이에 따라 소재기술 개발과 관련하여 원천기술을 확보하기 위한 치열한 기술경쟁이 전 세계적으로 국가 정책적 차원에서 진행되고 있다.

극저온 소재기술은 기술적 편의성을 위한 보완 기술이 아니라, 다가올 화석 에너지 고갈 상황을 근본적으로 극복하기 위해서 에너지 사회와 스마트 그리드 구축, 그리고 극지에 매장된 자원을 탐색하고 활용하기 위한 인프라 구축과 같은 지속가능한 에너지 활용 생태계 조성과 같은 인류의 생존을 위한 필수 기술로 고려되고 있기 때문에, 극저온 복합재료 개발의 중요성이 급격하게 부각되고 있는 추세이다.

따라서 우수한 내구성과 기계적 물성을 갖는 고성능 극저온 복합재료의 개발과 실용화/산업화 기술의 확보는 극저온 환경 소재기술과 관련된 기술자립도를 달성하기 위해 매우 중요한 사항으로 고려되며, 이는 차후 전 세계적으로 기술경쟁이 치열할 것으로 여겨지는 수소에너지, 우주·항공, 전력(또는 전자)산업 등과 같은 극저온 환경기술과 관련된 광범위한 산업 분야에서 산업적, 사회적으로 큰 파급효과를 가질 것으로 예상된다.

2. 극저온 고분자 복합재료와 섬유강화 복합재료의 연구개발 동향

2.1 국내 동향

천연자원의 매장량이 낮은 우리나라의 특수성을 고려한 에너지 안보확보 측면에서 수소에너지와 액화천연가스(LNG)를 저장과 운송하기 위한 극저온 소재개발 연구가 집중적으로 수행되고 있다. 현재 국내 극저온 고분자 복합재료 소재기술은 효성중공업, 한화솔루션, 에스케이이엔에스(SK E&S)를 주축으로 액화수소와 LNG의 저장과 운송을 위해 내화학성과 내부식성을 가짐과 동시에 우수한 극저온 강도와 인성을 갖춘 경량의 고성능 섬유강화 고분자 복합재료를 개발하기 위한 연구가 추진 중이다.

우주·항공용 극저온 복합소재 개발을 위해서는 한국항공우주연구원에서 외부에서 인가한 하중의 완충 역할을 수행할 수 있는 탄성 나노입자로 개질된 고분자를 함유한 기능성 에폭시 복합 수지를 개발하였으며, 극저온 환경의 모사 실험과 소재의 물성시험을 통해 극저온에서 우수한 강도와 인성을 나타낼 뿐만 아니라 미세균열의 전파를 억제할 수 있는 고내구성 극저온 복합재료를 개발하였다.

또한, 우주발사체 개발(누리호 프로젝트)을 위한 첨단 극한 소재 및 활용기술 개발을 위해 2010년부터 국내 300여개의 기업들과의 컨소시엄을 구성하여 다양한 연구를 수행중에 있으며, 프로젝트 참여기업들은 도출된 파생기술을 바탕으로 극지 환경용 플랜트 건설과 극저온 액체 수송 파이프라인 건설 분야에 적용 가능성을 검토하여 연구 개발 스펙트럼을 확장해 신규시장을 형성해 가고 있다.

이외에도 극저온 고분자 복합재료 개발과 관련하여 극지환경용 해양플랜트와 LNG 운송선 등에 사용되는 다양한 고분자 부속품을 개발하기 위해 한국생산기술연구원과 국내기업인 명진TSR이 공동 연구개발을 수행하여 내유성과 내열성, 그리고 비교적 높은 기계적 물성을 가지면서도 극내한성을 부여한 초극저온용 고분자 탄성 복합재료 시제품을 개발 및 상용화하였다(상품명: NBR 610 ULT).

2.2 해외 동향

가. 미국

미국은 풍부한 천연자원이 매장된 극지환경의 알래스카와 인근의 북극해를 접한 지리적 환경으로 인해 노블드릴링(Noble Drilling), 스탠다드오일(Standard Oil), 로열더치쉘(Royal Dutch Shell)과 같은 자원관련 산업체가 중심이 되어 북극 등 극지개발 사업을 추진하면서, 극지용 선박과 시추작업을 위한 해양플랜트 개발을 위한 극저온 구조형 복합재료 개발과 관련한 다양한 연구개발이 적극적으로 이뤄지고 있다.

극지에 매장된 자원채굴과 활용을 위한 극저온용 소재‧부품 개발 분야 외에도 최근 미국 육군전투력발전사령부 연구소(DEVCOM Army Research Laboratory)에서 탄소나노튜브를 복합화한 폴리우레탄(polyurethane)-우레아(urea) 공중합체(copolymer)를 개발하였는데 열전도가 차단되어 극저온과 고온 환경하에서 사용이 가능한 극한환경용 고분자 복합재료이다.

항공우주국(National Aeronautics and Space, NASA)과 공군연구소(Air Force Research Laboratory, AFRL)는 우주·항공산업 소재부품 분야에서 가장 진보된 기술을 확보하고 있다. 액화산소에서 벗어나 액체추진체 연료로 액화 수소와 액화 헬륨을 적용하기 위한 연구 개발을 수행하여 –253℃ ~ -270℃ 온도 범위에서 사용이 가능한 극저온 고압저장 용기 제작을 위한 고강도, 초경량의 극저온 복합소재제조 기술과, –260℃ ~ 280℃ 온도 범위까지 활용이 가능한 에어로젤 계열의 극한환경용 고분자 복합재료를 개발하였다. 현재 로켓 및 우주항공선용 부품 소재와 극저온 챔버로 적용하는 실용화와 안정성 평가 연구가 중점적으로 수행되고 있다.

나. 일본

소재개발 관련 수많은 원천기술을 보유한 일본은 축적된 기술력을 바탕으로 극저온의 액체연료 저장 용기와 운송 파이프라인, 해저케이블과 해양플랜트 조성을 위한 초경량의 고강도 극저온 복합소재를 개발하고 있으며, 이를 활용하기 위한 인프라 구축과 연관한 다양한 연구를 추진 중이다.

특히 일본우주항공연구개발기구(Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA)의 카쿠다우주센터(Kakuda Space Center)에서는 극저온 평가시설에 관한 기본 인프라를 구축하고 로켓과 인공위성 등에 사용되는 극저온 탄소섬유 강화복합재료를 개발하는데 성공하였다.

현재 이를 적용한 액화산소 및 액화수소와 같은 액체 추진체 저장을 위한 초경량 저장용기를 제작해 우주발사체(H-2A Launch Vehicle)에 탑재하여 시범운행 단계의 실증연구를 수행중이다. 또한, 우리나라와 유사하게 수소에너지 생태계 조성사업에 국가 차원의 연구개발 프로젝트를 추진하고 있다.

일본유센(NYK Line), 도시바에너지시스템(Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation), 가와사키중공업(Kawasaki Heavy Industries), 일본해사협회(ClassNK), 에네오스(ENEOS)와 일본 신에너지·산업기술종합개발기구(NEDO)는 초경량의 극저온 고압 액화수소 저장용기 개발과 이를 활용한 150톤급의 수소선박의 개발과 실증화를 위한 컴소시엄을 구성하여 2024년 시범운행을 목표로 연구개발을 수행중이다.

다. 유럽

유럽은 극지환경의 러시아, 노르웨이와 북극해를 접하는 다수의 유럽연방 국가들이 지리적 환경요인과 북극해 심해 유전개발을 위해 극지 해양플랜트와 선박 개발을 위한 극저온 복합재료 개발 연구를 추진하고 있다. 각 국가의 정부와 자원관련 주요 회사의 긴밀한 협조를 통해 추진되고 있으며, 세계 최고의 극저온 소재 제조 기술과 활용기술을 확보하고 있다.

현재 러시아는 2025년까지 '극지방 사회경제 개발정책'의 연장을 확정하고 야말(Yamal) LNG 프로젝트의 일환으로 LNG 플랜트와 탐베이가스센터(Tambey Gas Center) 개발을 진행하고 있다. 특히 유럽에서 극저온 소재 개발은 국가 기반 기술적 성격이 강하기 때문에 오래전부터 유럽의 핵심연구기관 간의 네트워크를 통한 공동연구와 기술 축적을 통하여 실용화된 극저온 소재활용 기술을 산업계에 제공하는 개발 생태계를 조성한 상황이다.

최근 독일의 엠티에어로스페이스(MT Aerospace)는 유럽우주기구(ESA)의 지원을 받아 탄소섬유강화 고분자 복합재료를 적용한 극저온 액체연료추진체 저장용기를 개발하였으며, 2023년까지 실제 로켓에 탑재하기 위한 상용화급의 액화수소 저장용기 개발을 추진 중이다.

3.극저온 금속 복합재료의 연구개발 동향

3.1 국내 동향

철강과 조선 사업이 주요 국책 산업인 국내 산업체에서 극지에서 운행하기 위한 선박과 LNG 선박 그리고 심해 해저 터널과 액체/기체 연료 수송 플랜트 건설을 위해 반복적인 하중이 가해지는 극저온의 환경하에서 강도와 인성을 유지하는 새로운 금속 복합소재를 개발하기 위한 연구가 소재 개발뿐만 아니라 신규시장 개척을 위한 상용화관점에서 진행되고 있다.

▲ 포스코에서 개발된 극저온용 고망간강 적용 분야

일례로, 포스코(POSCO)는 망간(Mn)을 스테인레스강 중량비 대비 10-27% 첨가한 고망간강을 개발하여, 우수한 극저온 인성을 갖춘 신소재를 개발하는데 성공하였으며(-196℃에서도 성능 유지) 현재 대우조선해양 및 현대미포조선과의 공동연구개발을 통해 개발된 고망간강이 적용된 LNG 저장용기를 개발하는 연구를 진행중에 있다.

이처럼 국내는 철강 산업과 해양조선 사업이 국내 산업시장에서 큰 비중을 차지하는 만큼 극지용 선박 소재와 LNG 저장과 운송을 위한 용기와 플랜트 개발을 중점적으로 수행하고 있다.

이뿐만 아니라 한국기계연구원, 대우조선해양, 포스코, 한국가스안전공사는 '액체수소 저장을 위한 고망간강 탱크개발'을 위한 업무협약(MOU, `21년)을 체결하여 LNG보다 더 낮은 극저온 상에서 활용이 가능한 액체수소 저장 탱크용 극저온 복합재료 개발을 위한 공동연구개발에 착수하였다.

동성화인텍도 패리티, 일진하이솔루스, 동희산업과 컨소시엄을 구성하여 2025년까지 액체수소용기개발을 목표로 극저온 단열소재를 개발하기 위한 연구개발에 착수하였다(산업통산자원부 과제 선정, `21). 이와 같이 최근 극저온 금속복합재료 개발 연구는 다가올 수소에너지 사회의 에너지 공급 플랫폼을 조성하기 위한 연구개발이 국가 정책적 차원에서 집중적으로 진행되고 있다.

현대제철은 극저온 금속 복합재료 개발과 관련하여 –170℃에서도 기계적 물성을 유지하는 극저온 소재개발을 위해 망간(Mn), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 바나듐(V) 등과 같은 이종원소를 첨가하고 열적-기계적 제어방법(Thermo Mechanical Controlled Process, TMCP)을 적용하여 충격특성을 향상시킨 극저온 충격보강 강재를 개발하였다.

이를 적용해 LPG와 LNG 선박용 형강소재까지 개발하는 데 성공하였으며, 이를 통해 일본에 대한 높은 소재 수입의존도를 해결할 수 있는 국내 소재 공급체제를 구축했다.

목포대학교에서는 LNG 운반선 극저온 단열시스템 개발과 관련하여 산업통상자원부의 “친환경선박용 극저온 단열시스템 실증기반 구축사업”의 주관기관으로 선정(`21)되어 2024년까지 현대삼호중공업, 대우조선해양, 삼성중공업의 국내 Big 3 조선사 외 38개의 기관과 컨소시엄을 구성하여 LNG 선박 제작을 위한 플랫폼을 구축하기 위한 연구를 추진할 예정이다.

포항공과대학교의 고엔트로피합금연구단은 바나듐, 크롬(Cr), 망간, 철(Fe), 코발트(Co), 니켈을 일정 비율로 복합화 후 열처리 공정을 통해 –196℃의 극저온에서 견디는 고엔트로피합금(항복강도, 1GPa)을 개발하는데 성공하였다.

이후 우크라이나 과학원 극저온 연구소(B. Verkin ILTPE of NASU)와 공동연구개발을 통해 –272.5℃의 초극저온 환경에서 고엔트로피합금의 미세조직 변화와 기계적 거동에 대한 메커니즘을 규명하였으며 이를 소재화하기 위한 실증 연구를 산업체와 공동연구를 통해 수행중이다.

3.2 해외 동향

가. 미국

미국은 극저온 금속 복합재료 소재 개발과 관련하여 가장 많은 원천 특허를 보유하고 있으며, 우주산업 인프라 조성과 액화 에너지원(LNG, 수소)을 안정적으로 활용하기 위한 운송-저장 플랫폼을 구축하기 위해 초 극저온(-260℃ 이하)의 온도에서 강성과 인성을 유지할 뿐만 아니라 화학적 내구성을 갖는 새로운 합금 소재를 개발하기 위한 다양한 연구를 NASA와 에너지 관련 산업체를 중심으로 추진하고 있다.

최근 미국의 엑슨모빌(Exxon Mobil)은 국내 포스코 기술연구원과 업무협약을 통해 포스코에서 자체개발한 극저온용 고망간강을 LNG 관련 프로젝트의 저장용기로 적용하기 위한 공동연구개발을 수행하고 있다.

나. 일본

일본의 가와사키 중공업은 호주에서 저가에 생산된 수소를 액화하여 일본으로 수입하기 위해 영국의 로열더치쉘과 기술협약을 통해 액화 수소를 저장, 운송하기 위한 수송 파이프라인과 액화수소 선박 제작을 위한 연구개발을 수행중에 있다.

현재 일본은 시스템적 연구보다는 액화수소 저장을 위한 극저온용 원천 소재개발을 위한 연구를 중점적으로 수행하고 있으며, 극저온 소재 기술 관련 선도기업(가와사키 중공업, 이와타니산업 등) 간의 기술협약을 통한 공동 개발 프로젝트를 집중적으로 추진 중이다.

다. 유럽

전 세계적으로 수소액화 플랜트 기술을 보유한 회사(에어리퀴드(Air Liquide), 에어프로덕츠(Air Products & Chemicals), 린데(Linde) 중 2개의 회사가 유럽회사이다.

액화수소를 생산-저장-이송하기 위해 –250℃ 이하에서도 안정적인 활용이 가능한 극저온 소재를 개발하기 위한 연구를 연관 기업이 주축이 되어 상용화 관점에서 체계적으로 수행중이며, 수소플랜트 건설 및 수송 파이프라인 제작을 위해 극저온 하에서 금속재료의 수소취성 현상을 해결할 수 있는 극저온 금속 복합재료를 개발하기 위한 연구가 활발히 수행되고 있다.

그 예로, 독일의 만에너지솔루션(MAN Energy Solutions)는 노르웨이의 선박설계 회사인 멀티매리타임(Multi Maritime)과 공동개발을 통해 수소 선박용 액화수소 연료공급 시스템을 개발하였으며 현재 상용화하기 위한 안정성 검증 연구를 수행중에 있다.