극한환경 세라믹 시장 25년 4.5조, 年 5.7% 성장

산업 고도화 고효율·고성능 필연, 탄화규소·초고온 세라믹 등 중요성 확대

소재개발 장시간, 해외 정부지원·대형 프로젝트 진행, 韓 지속·일관 지원 必

■ 초고온 세라믹 소재 기술 국내외 선도기관

초고온 세라믹 분야의 국내외 선도 연구기관 및 주요 연구내용은 <표 1> 및 <표 2>에 정리하였다.

▲ <표1>초고온 세라믹 소재 기술-국내 선도연구기관

▲ <표2> 초고온 세라믹 소재 기술-해외 선도연구기관

■ 산업 및 시장 동향

1. 국내 동향

국내에서는 아직 항공, 우주 및 국방 산업의 시장규모가 충분히 성숙되지 않아 초고온 세라믹 및 세라믹 복합재료 소재와 관련된 국내 시장규모 자료는 매우 제한적이다. 극한환경용 세라믹 소재의 아시아-태평양 지역 2018~2020년 연평균 성장률은 0.3%로 2020년 약 1조 원 규모의 시장을 형성하였다.

세계 최대의 가스터빈 업체인 GE에서 가스터빈용 세라믹 섬유강화 복합재료 소재를 양산함에 따라 국내의 가스터빈 업체인 두산중공업㈜과 한화에어로스페이스㈜도 이 분야의 관련 연구를 수행하고 있다. 두산중공업은 세라믹기술원 등과 국책과제로 1,400℃급 탄화규소계열 세라믹 섬유강화 복합재료 제조 과제를 수행하였다. 한화에어로스페이스㈜는 ㈜데크카본 등과 함께 1,500℃급 탄화규소계열 세라믹 섬유강화 복합재료 제조 과제를 수행하고 있다. 이외에 ㈜코카브, 대양산업㈜ 등 중견·중소 소재업체에서 탄소/탄소 및 탄화규소계 세라믹 섬유강화 복합재료 제조를 진행하고 있다.

2.해외 동향

세계적으로 극한환경용 세라믹 시장은 2020~2025년 기간 연평균 5.7%의 성장을 나타낼 것으로 예측되며, 2025년 세계시장 규모는 약 4조 5천억 원 규모로 성장할 것으로 예상된다(표3).세라믹 전구체 원료시장은 2018년 현재 약 6,750억 원 규모이며 5년 후에는 약 1조 원 규모로 시장이 성장할 것으로 예측되고 있다(표4).

▲ <표3> 산업별 극한환경용 세라믹스의 2025년까지의 시장 예측(단위: 백만 달러)

▲ <표4>세계 세라믹 전구체 시장 규모 및 향후 전망(단위: 억 원)

섬유강화 세라믹 복합체(세라믹 섬유강화 복합재료) 시장은 항공 및 국방 분야가 가장 큰 시장으로 2016~2025년까지 연평균 13.0%의 시장 성장이 예측된다. 세라믹 섬유강화 복합재료 전체 시장에서 탄화규소 기반 세라믹 섬유강화 복합재료가 가장 큰 시장규모를 가지며(약 35%), 연평균 12.9%로 성장할 것으로 예상되는데, 이는 GE에서 상용화에 성공한 항공기 가스터빈용 탄화규소 세라믹 섬유강화 복합재료 적용에 힘입은 바가 크며 향후에도 매우 밝은 성장 전망을 가지고 있다.

미국 GE사는 항공기용 연소기 라이너의 성능을 개선하기 위해 SiCf/SiC 세라믹 섬유강화 복합재료가 적용된 LEAP 엔진을 2017년부터 항공기에 적용하고 있고 이를 위한 세라믹 섬유강화 복합재료 제조 공장을 2018년 애슈빌(Ashville), 헌츠빌(Huntsville) 등에 완공하였다.

현재 LEAP 엔진 8,800대 분량, 160조 원 규모인 민수용 항공 터빈엔진 시장에 적용하기 위한 세라믹 섬유강화 복합재료를 제작하고 있으며, 10만 개 이상의 세라믹 섬유강화 복합재료 슈라우드를 생산하였다. 2021년 최종 성능검사를 통과한 GE9X 엔진은 보잉의 차세대 항공기인 777X 항공기에 장착될 예정이며 이 차세대 엔진에는 세라믹 섬유강화 복합재료 부품이 기존 LEAP 엔진의 슈라우드 한 개 파트에서 다섯 개 파트로 확대 적용될 예정이다.

이 소재에 들어가는 탄화규소 섬유의 양산을 위하여 일본의 Nippon Carbon, 미국의 GE, 프랑스의 Safran이 합자하여 설립한 NGS Advanced Fiber는 2014년 탄화규소 섬유 생산량을 연간 10톤으로 10배 증산하였다. NGS Advanced Fiber와 함께 세계 양대 탄화규소 섬유 생산업체인 일본의 Ube Industries 역시 최근 기존의 고성능 섬유인 Tyranno-SA3보다 성형성이 우수한 Tyranno-SA4 Grade 섬유를 개발하여 시장에 공급하며 세라믹 섬유강화 복합재료 시장의 확대에 대비하고 있다(그림1).

▲ <그림1>UBE의 Tyranno 섬유

이외에 일본의 IHI, 영국의 Rolls-Royce, 독일의 지멘스 등에서 터빈엔진용 블레이드 및 디스크, 세라믹 베어링, 연료 노즐, 슈라우드, 임펠러 등을 기존의 초내열합금에서 세라믹 섬유강화 복합재료로 대체하기 위한 연구를 진행 중이다.

3.국내외 선도기업

두산중공업, 한화에어로스페이스, KAI(한국항공우주산업), 대한항공 및 LIG넥스원 등에서 차세대 우주, 항공 및 방산 체계용 내열/내삭마 소재에 적용하기 위한 초고온 세라믹 소재 개발 연구를 일부 진행하고 있으나 해외 기업들과 연구 격차가 존재한다.

대기업에 내열/내삭마 세라믹스 소재를 공급하는 소재 기업으로는 ㈜데크카본, ㈜화인테크, ㈜단단, ㈜오렌지이앤씨, ㈜코카브 등이 있고, 이들 기업 중 초고온 세라믹 관련 연구를 수행한 기업은 ㈜데크카본 등 소수에 불과하다(표 5).

해외에서는 러시아 및 중국에서 극초음속 미사일의 개발 완료 및 실전배치를 진행하면서 초고온 세라믹스 관련 소재 생산이 진행 중인 것으로 판단되며, 미국은 노스롭그루먼(Northrop Grumann) 및 레이시온(Raytheon)에서 극초음속 미사일 관련 소개 개발이 이루어지고 있는 것으로 추측된다.

탄화규소계 고온소재의 경우 미국의 GE가 프랑스의 SNECMA와 함께 세라믹 섬유강화 복합재료 소재를 상용화하면서 고온 세라믹스의 트렌드를 선도하고 있으며, 영국의 Rolls-Royce, 독일의 Siemens 및 일본의 IHI 등에서도 세라믹 섬유강화 복합재료 소재의 상용화를 위한 활발한 연구 및 투자를 진행 중이다(표 6).

▲ <표5>초고온 세라믹 소재 기술-국내 선도기업

▲ <표6> 초고온 세라믹 소재 기술-해외 선도기업

■ 미래의 연구방향 및 정책 제언

1. 탄화규소 및 초고온 세라믹 소재(SiC, UHTC)

산업의 고도화에 따른 고효율, 고성능 체계는 필연적으로 높은 온도 및 속도 등 극한환경을 요구하게 되며 이러한 극한환경에서 적용 가능한 탄화규소 및 초고온 세라믹 소재는 향후 중요성이 더욱 커질 것으로 예측된다. 따라서 향후 탄화규소 및 초고온 세라믹의 성능과 신뢰성의 지속적인 향상과 더불어 저가격화를 실현함으로써 산업적인 활용을 가능하게 하기 위한 연구들이 이루어질 것으로 예상된다.

국내에서 진행 중인 탄화규소계 세라믹 섬유강화 복합재료 연구의 경우 치밀화나 싱글 레이어(single layer) 코팅, 탄소/SiC의 치밀화공정 분야에서는 1,500℃급 작동온도 구현으로 세계적 수준과 대등하거나 상회하는 수준을 목표로 개발 중이며, 3D 프리폼(preform) 제조기술 및 멀티 레이어(multi layer) 내산화 코팅 기술에 있어서는 선진국과 대등한 수준에 도달하는 것을 목표로 연구를 진행 중에 있다.

탄화규소계 소재는 가스터빈에 활용하기 위한 세라믹 섬유강화 복합재료 제조, 특성 개선 및 특성평가 관련 연구들이 활발히 진행될 것으로 예상되는데, 이에 부응하여 정부도 2016년 1,400℃급 및 2020년 1,500℃급 탄화규소 세라믹 섬유강화 복합재료 개발 과제를 시작하여 국내 탄화규소 세라믹 섬유강화 복합재료 개발을 촉진하고 있다.

그러나 GE의 경우 상용화를 위한 세라믹 복합재료 개발에 1조 원 규모의 R&D 자금을 투입한 반면, 국내 개발과제는 총액 100억 원 내외의 규모로 해외 선진국들에 비하여 매우 작은 규모의 연구비가 지원되고 있다. 미래 고성능 가스터빈 체계의 핵심 소재인 탄화규소 세라믹 섬유강화 복합재료에 대한 국제적 경쟁력을 갖추기 위해서는 정부의 더욱 과감한 지원이 절실히 요구된다.

초고온 세라믹의 경우 러시아, 중국, 미국 등에서는 극초음속 미사일 개발 및 성능개선을 위한 내열, 내삭마 소재 개발이 활발히 진행될 것으로 예상된다. EU에서 산-학-연이 연계된 대규모 프로젝트인 C3HARME 프로젝트가 2021년 마무리됨에 따라 해당 연구 결과들을 산업화에 적용하기 위한 대형화, 복잡형상화 및 저가격화 연구가 진행될 것으로 예상된다. 그러나 국내에서는 현재 초고온 세라믹 관련 프로젝트가 거의 진행되지 않고 있으며 향후 이 분야에 대한 정책적 지원이 시급히 요구된다.

2. 세라믹 섬유강화 복합재료(CMC)

GE에 의하여 성공적으로 내열, 내삭마용 탄화규소계 세라믹 섬유강화 복합재료 소재가 개발, 양산되었고 LEAP 및 GE9X 등 항공기용 가스터빈에 있어 적용도 확대되어감에 따라 향후 세라믹 섬유강화 복합재료 분야의 시장이 크게 성장할 것으로 판단된다. 수송 및 발전용 가스터빈의 세계시장은 연 120조 원대 이상이며 그 중 고온용 소재의 가격은 유지 보수까지 고려할 경우 20% 이상을 차지하고 있다. GE 외 SIEMENS 등 세계적인 가스터빈 업체들도 경쟁적으로 세라믹 복합재료의 양산 및 체계 적용을 위한 활발한 연구와 공격적인 투자를 진행 중으로 향후 가스터빈의 고온부 소재가 세라믹 섬유강화 복합재료로 빠르게 대체될 것으로 판단된다. 현재의 세라믹 섬유강화 복합재료는 1,300℃ 이하의 온도에서 적용이 가능한 MI 공정으로 주로 제조되고 있으나, 추후에는 1,400℃ 이상의 사용온도 확보가 가능한 CVI 및 PIP 공정 적용으로 이동할 것으로 예상된다.

3. 정책 제언

최근 러시아 및 중국은 다양한 극초음속 체계의 개발 및 평가에 성공하여 실전 배치를 진행하고 있는데 이는 수십 년간 초고온 소재 분야에 정부의 지원이 지속적으로 이루어짐에 따라 얻어진 우수한 소재들이 큰 역할을 담당하였다. 이에 비하여 미국 및 EU의 극초음속 체계 개발은 많은 실패가 보고되고 있는데 주된 원인 중 한 가지는 초고속, 초고온의 극한환경에서 견딜 수 있는 내열, 내삭마 소재 분야에 대한 지속적인 투자 부재에 의한 소재의 성능 부족으로 판단된다. 이로 인하여 EU에서는 EU Horizon 2020 프로젝트에서 6개국 12개 산학연이 뭉쳐 차세대 내열, 내삭마 소재를 개발하는 거대 프로젝트인 C3HARME 프로젝트를 진행하였으며 미국에서는 일부 방산업체 중심으로 극한환경용 소재 개발이 시급히 진행되고 있다.

초고온 세라믹 소재 개발에는 십 년 이상의 장시간이 요구될 것으로 예상되나, 세계 최고 수준의 소재 개발에 성공하면 수십 년간 시장에서 독점적인 지위를 누릴 수 있는 특성 때문에 정부로부터의 지속적인 지원이 반드시 필요한 분야이다. 그러나 국내에서는 통상적으로 3년 단위의 소규모 과제 위주로 진행되어 연구의 연속성 및 전문성이 선진국에 비하여 크게 뒤떨어지는 주된 원인이 되고 있다. 국내 우주, 항공 및 군수 분야의 시장이 아직 크게 활성화되지 않았기 때문에 이 분야에 대한 민간 연구는 한계가 명확한 것이 현실이나, 최근 두산중공업의 가스터빈 국산화 및 KAI의 나로호 발사 등 산업 분야에서 초고온 세라믹스에 대한 수요가 새롭게 나타나고 있다. 따라서 초고온 세라믹스 및 세라믹 섬유강화 복합재료가 세계적인 경쟁력을 갖고 향후 우주, 항공 및 군수 분야의 발전을 이끌어나가기 위해서는 정부의 일관되고 지속적인 지원이 반드시 필요할 것으로 판단된다.