Update2024.05.19 (일)
현재와 미래의 핵심소재 SiC섬유와 복합재
■ 고강도의 경량소재 SiC섬유와 복합재
초고온 복합소재의 후보소재 중 탄소섬유 또는 SiC 섬유로 강화시킨 Cf/SiC, SiCf/SiC 복합체는 고온 고강도 및 고내열 특성을 겸비한 경량 소재로 기존의 고온 금속소재의 문제점을 해결할 수 있어 이들 소재개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
더욱이 SiC 섬유는 탄소섬유에 비해 고온의 산화분위기에서도 고강도·내열특성이 탁월하여 1500℃ 이상 고온의 산화분위기에서 장시간 견딜 수 있다.
다만, 섬유제조 및 직조기술의 난이성(difficulty)으로 인해 SiC 섬유 생산기술을 보유하고 있는 나라가 일본, 미국을 포함한 극소수의 선진국에 불가하고 더욱이 상용판매되는 SiC 섬유는 전무한 상태여서 SiC 섬유의 산업화 적용에 제한이 있다.
국내에서는 한국세라믹기술원에서 정부 차세대신기술개발사업 및 소재원천기술개발사업의 일환으로 (주)데크와 함께 SiC 섬유개발을 시작했고 이로부터 원료기반기술과 함께 SiC 섬유제조의 핵심기술을 확보하였다.
최근 (주)효성의 탄소섬유 국산화 개발 성공과 더불어 SiC 섬유 및 그 복합소재 개발에 대한 국내 연구진들의 다양한 노력들이 국내 기술로 축적되고 있어 미래 항공우주 산업발전 전망이 밝다고 할 수 있다.
■SiC섬유 제조공정에 따른 기능
SiC 섬유의 제조공정은 크게 (1)분말압출법, (2)CVD법, (3)전구체법 등으로 구분할 수 있는데, (1)분말압출법은 SiC 분말을 바인더와 혼합하여 방사 후 2000℃ 이상 소결하지만 섬유가 굵고 (100um이상) 치밀함이 떨어져 물성이 매우 취약하다.
(2) CVD 법은 탄소섬유를 선심으로 표면에 SiC CVD 코팅하여 만들게 되는데, 역시 섬유가 매우 굵고 공정단가가 매우 높기 때문에 특수용도에 일부 사용되고 있다.
현재 상업화에 성공한 방법인 (3)전구체법은 Yajima법이라고도 일컬어지는데, 이는 1970년대 일본 동북대의 Yajima 박사가 최초로 카보실란계 고분자전구체(프리세라믹폴리머)를 합성하고 이를 용융방사(melt spinning)한 후 다시 고온에서 열처리하여 SiC 섬유를 만들어 1980년 상업생산에 성공하였기 때문이다.
유기규소계 폴리머인 폴리카보실란(PCS)은 주골격(backbone)에 실리콘과 탄소가 포함되어 있어 이를 고온에서 열처리하게 되면 SiC 세라믹으로 변하게 된다.
사실, Yajima 이전에 Kipping 등이 이미 실란계 폴리머 합성을 진행한바 있으나, 분석기술이 발달되지 않아 그 결과물을 제대로 분석할 수 없었고 결국 쓸모없는 물질로 취급받기도 했다. 오늘날 초고온 복합소재의 주축을 이루고 있는 일본의 Nippon carbon사의 Nicalon 계 SiC 섬유와 UBE사의 Tyranno SiC 섬유가 이러한 프리세라믹폴리머로부터 출발하였다.
이때, SiC 섬유의 고온 물성을 좌우하는 인자 중 프리세라믹 폴리머의 물성이 매우 중요한 비중을 차지한다. 관련 기술 선진국인 일본의 경우 1970년대 이미 폴리카보실란 합성기술을 개발하였고 이를 바탕으로 초고온 SiC 섬유기술 상용화에 성공한 반면, 동시대에 기술개발이 진행된 미국의 경우 원료기술을 확보하지 못했기 때문에 현재까지도 SiC 섬유의 완전한 상용화가 이루어지지 못했다.
SiC 섬유는 적용되는 프리세라믹폴리머와 더불어 방사 및 안정화 공정, 열처리 조건에 따라 물성에 큰 차이를 보이는데, Ceramic grade Nicalon 섬유의 경우 원사를 산화안정화 후 1200℃에서 열처리하면 나노결정구조를 갖는 SiOC 섬유가 된다.
이러한 섬유는 상온물성은 비교적 우수하나 고온에서 열화에 의해 물성이 급격히 떨어지지 때문에 1300℃ 이하의 비교적 중온에서 사용할 수 있다.
Tyranno SA3 섬유의 경우 추가공정을 통해 원료 폴리카보실란에 1% 이하의 알루미늄을 첨가한 후 알루미늄이 소결조제의 역할을 하여 1800℃ 이상의 고온소결시 완전 결정화된 섬유를 얻을 수 있다. 이 경우 1500℃ 이상의 고온에서도 섬유의 미세구조를 안정하게 유지할 수 있다.
세라믹기술원, SiC섬유제조 핵심기술 확보
복합재 강국…적극적 제품화,수요산업 확대 必
한국세라믹기술원에서는 UBE사에서 채택한 방법과 다르게 초기 원료합성시 알루미늄 원소를 도핑하는 방법을 개발하여 특허화 하였고 이로부터 초고온용 SiC 섬유의 미세구조제어에 관한 연구를 지속적으로 행하고 있다.
최근 SiC 섬유의 미세구조와 형상구조 등을 다양하게 하여 그 응용분야를 확대하려는 노력들이 이루어지고 있는데, 예를 들어 폴리카보실란을 적당한 용매에 녹여 전기방사 후 열처리를 하게 되면 1마이크론에서 나노미터 사이즈를 갖는 섬유를 얻을 수 있다.
또한, 폴리카보실란을 200㎛ 사이즈로 용융방사하여 제조된 섬유에 대해 적당한 조건에서 안정화/용해공정을 거치면 PCS 중공사를 만들 수 있다.
만들어진 중공사를 1200℃ 이상의 고온 소결하게 되면 소결조건에 따라 치밀한 벽구조를 갖거나 또는 나노기공을 갖는 SiC 중공사를 제조 할 수 있다. 이때 소결과정에서 중공사 내벽에 기체반응으로부터 SiC 나노 와이어를 형성시킬 수 있어 비표면적을 크게 향상시킬 수 있다.
나노기공이 잘 조절된 중공사 섬유의 경우 초고온에서 수소가스 분리막의 지지체로서 연구가치가 크다.
■원천기술 확보… 다양한 제품 창출로 시장 선도해야
이에 10여년 전부터 SiC섬유의 중요성을 파악하고 정부차원에서 SiC섬유에 대한 연구개발을 꾸준히 지원해왔다.
그 결실로 SiC섬유 제조에 대한 원천기술을 보유할 수 있게 되었고 최근엔 SiC섬유를 활용한 복합재의 높은 응용성과 잠재적 시장확장성이 기업들을 통해 실용화되고 상업화될 수 있도록 세라믹섬유실용화센터라는 기반구축사업이 진행되고 있어 매우 바람직하다 할 수 있다. 하지만 아쉬운 것은 SiC섬유 복합재에 대한 정부차원의 지원은 기존의 연구개발(R&D)방식을 따라 진행되었기에 원천기술개발과 기반구축 후에 업체들이 수동적으로 찾아오고 활용하기를 바라고 있는 것이다.
복합재 부품소재의 세계적인 경쟁력을 가지기 위해서는 정부차원에서 수동적 후속지원에 그치지 않고 능동적 후속지원, 예를 들어 SiC섬유 제조인프라를 이용한 적극적인 제품화지원과 적극적인 활용유도 지원이 뒷받침되어야 비로서 완벽한 복합재 세계강국으로 자리메김 할 수 있을 것으로 판단된다.
최근 SiC섬유가 이종소재와 융복합화하여 특정형상 부품가공이 가능하고, SiC섬유의 기능성(고온내열성)이 필요해지면서 우주항공, 국방산업 외에 산업용, 가정용, 건물용 청정/친환경의 열교환기 발열체 등 응용분야가 증가하고 있다.
향후, SiC섬유를 포함한 세라믹섬유 복합재는 매년 6% 성장이 지속적으로 진행되어 세계복합재 시장이 1,145억불(126조원)에 이를 것이다. 복합재의 사용은 민총생산(GDP)에 비례하여 사용량이 증가하는 경향을 보이며, GDP 45,000불의 미국은 9kg/인으로 세라믹섬유복합재 최다 사용국이다.
따라서, 국가차원의 SiC섬유 복합재에 대한 관심을 가져야만 하고 특히, 능동적 제품화지원 및 능동적 활용유도를 지원해야 완벽한 SiC 복합재강국으로 세계를 리드할 수 있을 것이다.
