▲ 유도무기 추진기관용 세라믹 복합재 노즐 제품(左), 항공기 제동 장치용 세라믹 복합재 브레이크 디스크 제퓸(中), 차량용 제동장치 세라믹 브레이크 디스크 제품(右)

㈜데크카본(대표 신현규)이 초고온 세라믹 복합재 기술을 개발해 국내 항공기의 엔진 국산화에 기여한다.

탄소복합소재부품 전문회사인 데크카본은 세라믹산업협력단 협력과제를 통해 ‘항공·발전용 SiC 섬유강화 SiC/SiC 복합재’를 개발했다.

데크카본은 1990년대 후반에 전 세계적으로 미사일기술통제체제 및 국제무기거래규정 등으로 전략 무기 체계에 필수적인 초고온 세라믹 복합재 기술 확보가 불가능했던 상황에서 △Cf/C(탄소섬유) △Cf/SiC(탄화규소) △SiCf/SiC(탄화규소섬유) 복합재 등을 30여년에 걸쳐 국산화 개발을 진행했다.

원재료부터 소재·부품·장비, 극한환경 시험평가·인증에 이르는 전 과정을 자체기술로 개발해 국내 공급망 구축을 가능하게 했으며, 이를 통해 산업통상부와 방위사업청으로부터 방산업체로 지정, 유도무기 부품 및 항공기 부품 분야 방산물자를 지정받아 전략물자 국내 공급망을 구축했다.

데크카본이 개발한 3000℃ 이상 초고온에서 사용되는 세라믹 복합재 내열부품은 △높은 기계적 강도 △내열성 △내삭마성 △내충격저항성 △내환경성 등 특성이 우수해 유·무인 전투기 스텔스 구조체, 극초음속 무기체계 엔진 부품, 그리고 우주발사체 및 비행체 열보호 시스템 등에 적용되고 있다.

데크카본은 산업통상부 기술개발사업으로 ’20년부터 ’24년까지 187.7억원의 사업비를 투입해, 1500℃ 이상의 고온·고압 환경 하에서 내열성, 내침식성, 장시간의 내구수명을 가지는 SiC 섬유가 보강된 초고온 SiCf/SiC 복합재를 적용한 항공기 및 발전용 가스터빈엔진 고온부품(Vane, Shroud)을 제조하고 성능을 평가하는 기술개발 사업을 진행했다.

데크카본이 총괄기관을 수행했으며 결정질 SiC 섬유 개발에 △데크카본 △한국세라믹기술원 △정읍방사선연구소 △서울과학기술대학교가 참여했으며, 초고온 SiCf/SiC 복합재를 적용한 가스터빈엔진 고온부품 개발 및 리그 연소시험 개발에 △단단 △데크카본 △한화에어로스페이스△ 한국원자력연구원 △한국에너지기술연구원 △한국항공우주연구원이 참여했다. SiCf/SiC 복합재에 적용 가능한 내환경 코팅기술 개발에는 △세원하드페이싱 △한국세라믹기술원 △국민대학교가 참여했다.

▲ SiC섬유와 SiC 섬유강화 SiCf/SiC 복합재 개발 제품 사진

그 결과 1500℃ 이상의 온도에서 사용 가능한 결정질 SiC 섬유·직물을 개발했다. SiC 섬유의 경우 1500℃ 온도에서 2.4 ㎬의 높은 인장강도와 직경 10 ㎛ 이하 특성을 가지며, SiC 섬유 직물은 인치당 15 yarn의 제직 밀도를 가지는 평직 페브릭 제직 기술을 개발했다. 특히 SiC 섬유용 원료 합성기술, SiC 섬유 제조기술, 관련된 제조장비까지 전 분야에 걸쳐 국내 자체기술로 개발을 완료했다.

개발된 SiC 섬유를 적용해 1500℃ 이상의 온도에서 사용 가능한 SiCf/SiC 복합재 제조기술을 개발하고, 실제 형상·크기의 가스터빈엔진 부품 Vane과 Shroud 부품을 제조해 우수한 열충격 저항성과 내구성능을 확인했다.

또한 항공·발전 가스터빈엔진용 고온 부품으로 개발된 SiC 섬유강화 SiCf/SiC 복합재 기술은 정부에서 추진 중인 항공기 엔진 국산화 개발사업에 적용 가능성을 확인할 수 있었다.

향후 KF21-EX 전투기 엔진에 적용할 경우, 엔진의 터빈 입구온도를 기존 초내열 금속 대비 200~400℃ 이상 증가시킬 수 있고 60%이상 경량화가 가능하다. 또 가스터빈엔진의 연료효율을 10% 이상 증가시키고 CO2와 NOx 배출을 감소시키며, 엔진의 내구수명을 혁신적으로 증가시킬 수 있다.

’32년 이후 KF21 유·무인기 전력화가 추진될 예정으로 국내 시장만으로도 항공기 엔진 사업 경제성 확보가 가능한 시장 구조다. 또한 개발된 SiC 섬유강화 SiCf/SiC 복합재 기술은 우주, 원자력 발전, 방산분야 까지 확대 적용 가능한 기술로 ’29년 기준 27조원 규모 이상으로 성장이 지속될 것으로 예측된다.

데크카본은 개발된 기술을 기반으로 향후 △소재·부품 물성 데이터 베이스화 △초고온 환경 성능시험 △수천시간 이상 내구성능 검증 △항공기 엔진 제조사로부터의 감항인증 과정을 추진해 대한민국의 항공기 엔진 국산화 개발 사업에 기여할 계획이다.

한편, 세라믹산업협력단은 대한민국 소부장 경쟁력 강화를 위해 2020년 한국세라믹연합회 내에 신설된 조직으로, 세라믹산업 협력과제가 사업화로 촉진될 수 있도록 지원하고 있다. 이를 위해 △협력과제 수요기업 협의체 운영을 통한 필요 소개기술 발굴 △협력과제 수요기업 홍보 △세라믹전문가 기술지원 △기술 교류회 및 우수성과 발굴 △GVC(글로벌밸류체인) 구축 등 다양한 활동을 추진하고 있다.

▲ 항공·발전용 가스터빈엔진 초고온 복합재 부품 적용 모식도