우주용 고분자 복합재, 원자산소·정전기·극저온 동시 대응

PI·POSS 복합재, 원자산소 침식 억제·나노케이지로 열변형 최소화

CNT·그래핀 적용해 전도성 확보, 위성·탐사선 구조체 경량화 추진

2.2 고분자 복합재

1) 국내 동향

한국항공우주연구원은 다양한 국산 탄소섬유 개발/인증과 더불어 위성 제품보증, 표준개발 및 우주용 소재·부품 인증체계를 구축하였다. 특히 위성체 구조물은 발사 시의 극심한 관성 하중 및 음향진동 등을 견디고 또한 우주 열 환경 조건하에서 요구되는 치수의 안정성, 구조 강성, 열 제어 특성 등을 만족하여야 한다. 이를 위해 경량 탄소섬유 강화 복합재료 허니콤 샌드위치 태양전지판, 전개 기구 설계/제작, 경량 복합재료를 사용한 본체 구조물 설계 및 제작/시험 평가 연구도 오랫동안 진행해 왔다. 또한 한국형 발사체 누리호에 사용된 약 37만 개 부품 중 1, 2단 전방 동체, 2단 후방 동체와 케이블 덕트, 페이로드 페어링 등에 탄소 복합재가 적용됐다. 

서울대학교에서는 탄소섬유 강화 형상기억고분자 복합재를 우주선의 안테나 힌지(hinge)에 적용하여 전개형(deployable) 구조물에 사용할 수 있다는 가능성을 보여주었다. 형상기억고분자는 회복 효과와 변형률이 큰 스마트한 소재이며, 기계적 강성을 높여 회복력을 향상시키는 것이 중요하다. 이를 위해 탄소섬유와 형상기억 에폭시를 복합화하여 온도에 대한 형상 회복 능력을 분석하는 연구도 진행하였다.

▲ <그림 1> 에폭시 레진, 탄소섬유, 형상기억고분자로 만들어진 힌지(자료 : Duc, D.T., et al, Journal of Intelligent Material Systems and Structures)

한국재료연구원과 한국생산기술연구원은 항공기 가스터빈 엔진용 고분자 복합소재 개발 과제를 진행 중이며, 기존의 Ti계 합금을 대체할 사용온도 500℃급 경량 고분자 탄소복합소재를 개발하고 있다. 특히 복합재료 성형 용이성을 보유함과 동시에 고온에서 취약한 열적 특성을 극복할 PI 기반의 고내열 고분자 소재 개발을 한국생산기술연구원에서 담당하고 있다. 또한 복합재료의 고온 내구성을 확보하고자 나노케이지를 이용하여 고분자의 초고내열화를 위한 연구도 한국재료연구원에서 진행하고 있다. 

나노케이지 기반의 고분자 나노 복합소재의 경우 나노 사이즈 기공을 가지는 나노케이지가 고온에서 고분자의 움직임을 물리적으로 제한하여 전체 복합소재의 초고내열화를 이루게 할 뿐만 아니라, 열에 의한 치수 변화도 드라마틱하게 줄일 수 있음을 보였다. 이는 고온용으로 항공기 가스터빈 엔진에만 활용할 것이 아니라 넓은 온도 범위에서 시시각각 변하는 우주 환경에서도 이를 적용할 때 우주 구조물의 변형이 거의 일어나지 않아 기계적 성능을 유지할 뿐만 아니라 고진공하에서도 나노케이지로 인해 휘발성 유기 화합물(volatile organic compounds, VOC) 가스배출(outgassing)이 급격하게 줄어들 것으로 기대할 수 있다.

▲ <그림 2> 나노케이지에 의한 고분자 체인 모빌리티 구속효과

2) 해외 동향

원자산소에 의한 고분자 복합재의 손상을 최소화하고자 선진국의 여러 기관에서 성능이 향상된 PI를 개발하고 있다. 주로 고분자의 AO에 의한 침식을 막기 위해 이산화규소(SiO2) 코팅으로 해결하고자 했지만, 코팅으로 AO 침식을 막는다고 해도 우주에서 운용되는 위성체나 우주비행체의 높은 속도로 인해(hypervelocity impact) 생긴 크랙이나 결함 때문에 AO 침식이 더 가속화될 수 있다. 이러한 원인을 제거하고자 인듐 주석 화합물(indium tin oxide, ITO)을 코팅하는 연구들이 진행되었고, 스페인의 에너지환경기술연구센터(CIEMAT)에서는 ITO 필름을 바로 폴리아미드 캡톤 필름(PI Kapton film)에 적용하면서 고분자의 미세 크랙으로 생기는 AO 침식 가속화 메커니즘을 규명하였다. 

▲ <그림 3> (左)AO에 의한 침식을 모사하고자 고안된 O-atom 발생기, (右) 시간과 코팅 횟수에 따른 PMMA 필름의 질량 변화

AO에 의한 침식을 방지할 또 다른 방법은 원자층 증착(atomic layer deposition ALD)으로 Al2O3나 TiO2 등을 PI Kapton 필름, 아크릴(PMMA) 필름 등에 우주용으로 적용하는 것이다. POSS(Polyhedral oligomeric silsesquioxane) 등의 무기물을 도입한 PI 복합재 개발도 활발하다. 이는 산화환경에서 SiO2 자기-피막(self-passivating)을 유도하여 고분자를 보호하는 원리이다. 이스라엘의 텔아비브대학교(Tel Aviv University)에서는 POSS-PI 나노복합재의 침식 정도를 규명하고 실제 우주 파편들에 의한 충격(~1.7km/s)에서 복합재 파괴는 인성 및 취성 파괴가 동시에 일어난다고 보고하였다. 

흥미롭게도 NASA에서는 지구가 아닌 실제 우주공간인 국제우주정거장(international space station, ISS)에서 POSS-PI 복합재와 함께 여러 종류의 고분자 물질이 고열(hyperthermal)의 AO 공격으로 얼마나 손상을 받는지를 연구한 프로젝트(materials interactions space station experiments, MISSE)도 있었다. 이로써 지상에서 고열 AO 빔 테스트로 얻은 침식 결과와 실제 우주에서 여러 위험 요소를 직접 겪은 물질들의 손상 결과를 비교할 때 큰 차이가 없음을 확인하였고, LEO 환경에서 관찰된 AO에 의한 효과를 지상에서도 시뮬레이션할 수 있음을 확인하였다. 

▲ <그림 4> 우주 환경에 노출 전(上) & 노출 후 여러 종류의 고분자들(下)

특히 POSS-PI 공중합체의 침식을 줄이는 가장 큰 요인은 일산화규소(Si-O) 케이지에 의한 효과였다. 화학적인 공중합이나 그래프팅으로 AO의 침투를 막는 것이 효과적이나 추가적으로 AO를 막을 수 있는 나노케이지의 도입도 개선방법이 될 것이다. 정지위성의 경우 대기권 밖이기 때문에 AO에 의한 침식 문제보다 정전기 방전에 의한 전기장비 손상이 더 큰 이슈 중의 하나이다. 특히 우주용으로 활발히 사용되는 PI 고분자의 경우 그 자체가 전도성이 매우 작은 절연체이기 때문에 전도성을 부여할 수 있는 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), 그래핀(graphene) 등의 1·2차원 물질을 도입하는 연구도 많이 시행되고 있다. 

실제 2011년 NASA에서 발사한 목성 탐사선 주노(Juno spacecraft)의 샌드위치 패널에 적용되었던 CNT 기반 고분자 나노복합재 개발 연구는 미국의 록히드마틴(Lockheed Martin) 우주 시스템사에서 주도적으로 연구하였는데, CNT부터 증기 성장 CNT 나노 섬유(vapor-grown cabon nanofibers), CNT 시트, 그래핀까지 다양한 나노탄소 소재를 이용하여 나노복합재(나노탄소/Cyanate ester)를 제작하여 우주에서의 정전기방전과 전자기에서 탐사선 표면을 보호함과 동시에 기계적인 강도도 향상시켰다.

▲ <그림 5> (左)엔진 커버를 위한 탄소섬유/Cyanate ester 복합 샌드위치 패널

위의 기관에서는 CNT 시트 형태나 CNT 파우더를 탄소섬유강화 복합 프리프레그에 뿌려 코큐어링(co-curing)으로 제작하였고, 대부분은 고분자 매트릭스 내 CNT의 분산도를 높이려고 초음파를 이용하거나 CNT 표면에 기능기를 적용한 나노복합재 개발 연구이다. 또한 처음부터 한 방향으로 정렬된 CNT 내지 CNT 시트에 PI 용액을 함침시켜 복합재화하는 방법으로 CNT 분산 문제를 해결하려는 연구도 많이 수행하였다. 특히 단순히 나노탄소를 혼합하는 것보다 2D(그래핀)나 1D(CNT) 형태의 나노탄소 소재를 3D 형태의 폼(foam)으로 구조체화하여 복합재의 프리폼으로 사용하려는 연구도 진행된 바 있다.

▲ <그림 6> 3차원의 그래핀 폼과 그 기공 사이에 함침된 PI 복합 나노필름(자료: Loeblein, M. et al., Small, v11, 2015)

10년 이상 비교적 오랜 시간 머무를 수 있는 우주용 위성체나 우주비행체 및 우주정거장 등에서 장기간 우주와 행성 탐험을 위해 우주 환경하에 구조체를 새로 만들거나 손상된 부품을 고칠 수 있는 기술이 필요하며 3D 프린팅이라 부르는 적층 제조(additive manufacturing,  AM) 방식이 대안 기술로 떠오르고 있다. AM은 항공우주뿐만 아니라 다양한 응용 분야의 우주 탐사에도 점점 더 많이 사용되고 있는데, 이는 AM을 통해 복잡한 형상을 가벼운 소재로 저렴하고 효율적인 부품을 만들 수 있기 때문이다.

최근 리소그래피 기반 금속 AM 기술을 선도하는 오스트리아의 인커스(Incus)사는 유럽 우주국과 함께 우주의 미소중력 환경에서 고철이나 기존 표면 재료를 사용하여 달 기지에서 부품을 만드는 연구를 진행 중이다. 또한 인공위성을 위한 AM 기술 연구도 활발한데, 현재 보잉(Boeing)사 및 에어버스(Airbus SE)사를 비롯한 여러 회사에서 AM을 사용하여 점점 더 복잡해지고 경량화된 인공위성 부품을 만드는 프로젝트를 진행 중이다. 

에어버스는 2020년에 3D 프린팅된 나노위성 추진기를 위한 무선 주파수 부품을 만드는 데 성공하였다. 최근 초소형 위성 제작업체인 미니 큐브스(Mini-Cubes)사와 북미 최대 3D 프린팅 제작업체인 CRP USA사가 협력해 레이저 소결 방법으로 만든 Windform XT 2.0이라는 탄소섬유 강화 폴리아미드 복합재를 AM으로 50mm×50mm×50mm 사이즈 초소형 위성을 개발하였다.

▲ <그림 7> Incus사에서 제작한 3D 프린팅된 구조체, Incus GmbH

▲ <그림 8> 탄소섬유 강화 복합소재를 이용하여 3D 프린팅으로 만들어진 초소형 큐브 위성

우주에서 가장 큰 광학 망원경인 제임스 웹 우주망원경은 적외선을 이용하여 여러 가지 천문학적인 요소를 관찰하는 우주 망원경으로서 우주의 무중력과 급격한 열사이클 변화 등의 환경적 요소를 모두 경험한다. 특히, 태양열에서 직접적인 빛을 받는 부분은 85℃ 정도 온도에 꾸준히 노출되고, 태양열을 받지 못하는 뒷부분은 –240℃까지 극저온에 노출되기 때문에 여러 단열소재 층으로 이루어져 있다. 

이러한 단열소재의 중요성뿐만 아니라 대형거울과 여러 측정 장치를 이용하여 깊은 우주까지 볼 수 있도록 안정적으로 잡아서 초점을 맞추도록 해야 하는데, 제임스 웹 망원경의 백플레인(backplane)은 극저온에서 고온까지 넓은 범위에서 구조물의 열변형이 일어나지 않는 열팽창률이 매우 적은 구조체로 제작되었다. NASA와 노스롭 그루먼(Northrop Grumman)사는 제임스 웹의 백플레인을 그라파이트 복합재와 타이타늄을 이용하여 –400℃의 극저온에서 구조체가 겨우 32nm 정도 치수변화를 갖는 백플레인 구조체를 개발할 수 있었다. 이는 머리카락 직경의 1/10,000 정도에 해당한다.

▲ 제임스 웹의 태양열을 받는 부분과 태양열을 받지 않는 부분의 온도 차이

▲ <그림 9>탄소복합재와 타이타늄으로 제작된 James Webb 우주망원경의 백플레인(backplane)