Advanced
Present Status and Applications of Carbon Fibers-reinforced Composites for Aircrafts
Present Status and Applications of Carbon Fibers-reinforced Composites for Aircrafts
Carbon letters. 2010. Sep, 11(3): 235-242
Copyright ©2010, Korean Carbon Society
  • Received : August 08, 2010
  • Accepted : September 09, 2010
  • Published : September 30, 2010
Download
PDF
e-PUB
PubReader
PPT
Export by style
Share
Article
Author
Metrics
Cited by
TagCloud
About the Authors
Ki-Seok Kim
Young-Sun Shim
Byung-Ju Kim
Long-Yue Meng
Seul-Yi Lee
Soo-Jin Park
sjpark@inha.ac.kr
1. 서 론
고도의 지식적 산업이 기반을 이룰 것이라고 예측되는 21세기에는 국가의 지식 경쟁력, 특히 과학기술 분야의 국제 경쟁력을 갖추어야 하는데, 특히 자원과 자본이 부족한 우리의 여건에서 국가의 과학기술 경쟁력 제고의 수단으로 새로운 소재의 개발 연구가 중요하다. 이러한 관점에서 최근 탄소소재는 우주항공, 에너지, 공해제거용 친환경 소재 등에 직접 응용되고 있으며 반도체, 자동차, 로봇 산업 등에 활용도를 크게 높이고 있는 원천 기반소재로, 탄소소재를 이용한 고기능성 및 친환경적인 소재로의 적용을 위하여 선진국에서 활발한 연구와 공업적인 응용이 시도되고 있다 [1 - 3] .
탄소소재 중 탄소섬유는 1950년대 미국과 소련의 우주 개발 경쟁에 힘입어 본격적으로 개발되기 시작하였고, 그들의 우수한 내열성, 내충격성, 내화학약품성, 항미생물성, 알루미늄보다 가벼우면서도 철에 비해 강한 탄성과 강도로 인하여 탄소섬유를 이용한 복합재료는 골프채, 테니스 라켓, 낚싯대, 보트 등의 스포츠 레저 분야에서 상품화되었다. 그리고, 1970년대 후반에 항공기 분야의 탄소섬유 활용 증대와 1980년대에 블랙 샤프트붐이 다시 일어나 수요가 확대되었다. 하지만, 1990년대에는 세계 정치의 냉전 체제가 종료됨에 따라 군사 및 우주항공 용도에 있어서 탄소섬유 복합재료의 수요는 정체기를 겪었다.
그러나 최근 항공기 및 자동차 시장에서 에너지 절약 및 환경 오염 방지 등을 위한 대책으로 구조물의 경량화에 대한 중요성을 인식하여 탄소섬유 복합재료 시장은 다시 매우 주목받기 시작하였다. 또한, 21세기 우주항공시대를 맞이하여 기계적, 열적 특성이 이제까지의 어느 소재보다도 월등히 우수하고 기능성을 가지며 매우 가벼운 에너지 절약형 소재인 신개념 복합재료의 개발이 필요하며, 이러한 조건을 만족시킬 수있는 소재는 오직 탄소섬유 복합재료라 해도 과언이 아닐 것이다.
탄소섬유를 보강재로 이용한 복합재료는 보강재인 탄소섬유의 물성과 결합재 물질의 특성에 따라 그 성능이 크게 달라진다. 탄소복합재료는 단일 구성소재로서는 구현할 수 없는 기능을 이종간 또는 그 이상 재료의 조합 및 복합화를 통해 달성하고자 하는데 목적이 있으며, 이러한 점에서 탄소섬유 복합재료는 needs 지향형재료 또는 재료설계 가능재료라 말할수 있다. 또한 구조재로서 탄소섬유 복합재료는 강도 특성, 열적 특성, 전기적 특성 등이 섬유의 방향과 섬유의 직경방향과는 커다란 차이를 보이는 이방성을 보이는데, 이것이 섬유강화 복합재료의 기본 특징이라 할 수 있다 [4 - 7] .
최근 항공기를 비롯하여 모든 운송기구들은 전자화, 고급화,안전화 등에 대한 수요자들의 요구가 다양해짐에 따라 부대장비가 늘어나 자체 중량이 계속 증가하는 추세이며, 세계적으로 환경오염 문제가 대두되면서 운송기구의 경량화를 통한 연비 개선 및 환경 오염 방지가 절실히 요구되고 있다. 항공기의 연비개선 대책은 엔진, 구동계의 효율 향상, 그리고 경량화등이 있다. 하지만 엔진 및 구동계의 전달효율은 기술적으로는 거의 한계에 도달하여 연비의 대폭적인 향상은 기대하기어려운 실정이나 구조 변경, 경량재료로의 대체, 부품 합리화등에 의한 경량화는 연비를 대폭적으로 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
항공기에서는 자체 중량의 경량화가 기체의 대형화를 포함하는 수송효율의 향상에 크게 기여한다. 특히 기체구조의 경량화는 엔진의 소형화, 이륙 중량의 감소 등에 기여하기 때문에 제트 수송기의 경우는 기체구조를 1 kg 경량화하면 기체중량 전체로서 2~4 kg 가볍게 된다고 알려져 있다. 이와 같이 항공기에서 경감된 기체구조 향상으로 화물이나 연료의 추가 탑재가 가능해져 수송효율이 향상되기 때문에 기체구조의 경량화에 큰 노력을 경주하고 있다 [8] .
현재까지 항공기용 소재는 알루미늄 합금이 주류를 이뤘으나, 최근 항공기의 추가적인 경량의 필요성이 대두되면서 고경량 및 고기능성 항공기용 소재로 탄소섬유를 사용한 복합재료의 적용이 증가하고 있고 민항기와 군수 부문 모두에서 탄소섬유 복합재료 세계시장은 급격한 증가 추세에 있다 [9 - 11] .
탄소섬유 복합재료의 개발은 국내 산업의 취약 부분인 부품·소재의 국산화뿐 만 아니라 다양한 고부가가치로의 산업응용이 가능하다는 측면에서 체계적인 기술로드맵에 따른 조속한연구가 필요한 기술 분야이다. 이러한 탄소섬유 복합재료는 우주·항공재료, 전기·전자재료, 토목·건축재료, 생체·의료재료및 각종 스포츠용품 재료 등 다양한 분야에서 사용되고 있는첨단 신소재로서, 고내열성, 고강도, 내열충격성을 보유한 재료로 평가되고 있으며, 또한 내약품성, 화학적 불활성 및 생체 친
Lager Image
대표적인 탄소섬유의 형상 (PAN계 탄소섬유).
화성이 매우 우수하여 다양한 분야에서 응용이 되고 있는 원천기술로서 커다란 파급효과를 가져올 것으로 예상된다 [12 - 14] .
따라서, 본고에서는 최근 다시 한번 각광받고 있는 탄소섬유와 항공기용 탄소섬유 복합재료 시장 동향을 알아봄으로써 탄소섬유 복합재료의 중요성을 다시 한번 일깨우고 이를 이용한 기타 응용방안 및 앞으로의 발전 방향에 대하여 논의하고자 한다.
2. 본 론
- 2.1. 탄소섬유
탄소섬유가 최초로 문헌에서 정의된 것은 1969년 미국의 R.Bacon과 W. A. Schlamon에 의해서이며, 이들은 “탄소섬유는 최고 1,000∼1,500℃의 온도에서 열처리한 섬유로서 전구체의 많은 잔류물을 가지고 있으나, 흑연섬유는 2,500℃ 이상으로 가열한 것으로 99% 이상의 탄소함량으로 되어 있다”고 정의하였다.
일반적으로 탄소섬유란 탄소원소의 질량 함유율이 90% 이상으로 이루어진 섬유장의 탄소재료로서, 유기 전구체물질(precursor)로 제조된 섬유를 열분해해서 만드는 것부터 화학기상 증착법에 의해 생성시키는 탄소나노섬유까지 포함한다 [15] . 그러나 일반적으로는 유기물질의 열분해에 의하여 만들어지는 것을 말하며 탄소만으로 구성된 직경 5~15 ㎛의 섬유장인 것을 탄소섬유라 일컫는다 ( Fig. 1 ). 탄소섬유는 전구체에 따라 여러가지로 나누어질 수 있으며, 대표적인 전구체로는 polyacrylonitrile, pitch, rayon 등이 있다. 또한 섬유의 형태에 따라 장섬유 (long fibers)나 단섬유 (chopped strand), 매트 (mat) 또는 직물 (fabric) 형태로 나뉘어 진다 [16 - 18] .
범용 탄소섬유의 대표적인 특성은 가볍고 매우 우수한 기계적 물성 (인장강도: 3.5 GPa, 인장탄성률: 230 GPa)에 있으며, 일반적으로 Fig. 2 와 같이 분류될 수 있다. 이렇게 뛰어난 기계적 특성의 원인으로서는 탄소섬유의 기본적인 구조에 기인한 것으로 PAN계의 높은 인장강도는 리본상의 미세구조에 기인하며, 피치계 탄소섬유의 경우 도메인이 섬유 축 방향으로배열하여 매우 높은 열적, 전기적 특성을 보인다 [19 - 21] .
또한 탄소섬유는 저밀도, 고탄성계수와 낮은 열팽창계수, 높은 전기·열전도도를 가지며 진동감쇄능력, 생체적합성, creep
Lager Image
탄소섬유의 기능적 분류.
저항성, 피로특성, 부식특성, 마찰·마모 특성과 화학적 안정성이 뛰어난 고성능 섬유이고 상대적으로 값비싼 재료이다. 이러한 탄소섬유는 기계적 특성이 우수하고 무게가 매우 가벼워탄소섬유 복합재료의 강화재로서 점차 그 영역을 화학공업, 스포츠용품, 자동차산업, 그리고 우주항공 분야에 이르기까지 넓혀가고 있다 [22 - 24] .
- 2.2. 섬유강화 복합재료
모든 산업 분야에서 향상된 기계적 특성과 기능적 특성을 요구하는 새로운 재료에 대한 필요성이 점점 증가하고 있으며, 특히 연료 절감을 요구하는 우주항공 산업에서는 경량화에 대한 중요성이 더욱 강조되고 있다. 여러 가지 특성에 부합되는 맞춤형 재료의 개발은 현재의 재료 과학기술의 최우선적인 목표이며, 이러한 맞춤형 재료 개발에 매우 활발한 연구가 진행되고 있는 분야가 복합재료 (composites)라 할 수 있다.
복합재료란 성분이나 형태가 다른 두 종류 이상의 소재가거시적으로 조합되어 유효한 기능을 갖는 재료를 뜻한다. 복합재료의 구성요소로는 섬유 (fibers), 입자 (particles), 층(lamina), 모재 (matrix) 등이 있으며, 이러한 요소들로 구성된복합재료는 일반적으로 층상 복합재료, 입자강화 복합재료, 섬유강화 복합재료 등으로 구분할 수 있다 [25] . 복합재료는 경량, 높은 무게비 강도 및 탄성률, 내부식성, 내충격성, 좋은 피로특성, 부품 일체화의 용이성 등의 우수한 장점을 가지고 있다. 이와 같은 우수한 재료 특성을 바탕으로 항공기의 경량화, 내부식성 및 충격, 진동 등의 성능 향상, 금형 가격의 절감 등을 위하여 구조재 외판, 외장 부품, leaf spring 같은 기구부품 및 엔진부품 등에 적용하기 시작하여, 현재 그 사용은 전분야에 걸쳐 증가하고 있는 추세이다.
최근 항공기를 비롯한 운송수단의 경량화에 대한 관심은 점점 증가하고 있는 추세이며, 그 경량화 기술 중 가장 유용한
Lager Image
섬유강화 고분자 모식도 (a)와 탄소섬유 고분자 복합재료 (b).
방법으로는 섬유강화 플라스틱의 (FRP: fibers-reinforced plastics) 적용을 들 수 있다. 이러한 섬유강화 복합재료의 개념도와 탄소섬유 복합재료를 Fig. 3 에 나타내었다. 섬유강화 복합재료는 섬유 같은 강화재와 고분자 수지를 복합시켜, 기계적 강도와 내열성을 좋게한 소재이다. 일반적인 섬유형 보강재로는 유리섬유, 탄소섬유 및 케블라라고 하는 방향족 나일론 섬유가 주로 사용되며, 고분자 수지로는 불포화 폴리에스테르, 에폭시수지 등의 열경화성 수지가 주로 쓰이고 있으며, 최근에는 비행기 부품 등의 제조를 위해 내열성 열가소성수지인 PEEK (polyetheretherketone), PEI (polyetherimide), 그
민항기 산업의 세계시장 전망주) 세계 전체의 경우 시장규모=생산규모, 무역규모는 수출=수입임.
Lager Image
민항기 산업의 세계시장 전망 주) 세계 전체의 경우 시장규모=생산규모, 무역규모는 수출=수입임.
리고 Nylon 12나 공중합체 등의 사용이 신중하게 검토되고 있다 [26 - 28] .
항공기용 복합재료로는 고분자 섬유기지에 유리섬유 혹은 탄소섬유와 같은 강화섬유가 보강된 것이 주로 사용되어 왔으며, 탄소섬유 강화 플라스틱 (CFRP)은 1980년대로부터 주요 기체구조인 꼬리날개에 적용이 검토되어 에어버스사 A 310, 300, 320, 보잉사의 B777 등에 채용된바 있다. 그리고 최근에는 보잉사의 B787에 채용되었고 이제까지 기체구조의 10~20%중량 %정도였던 CFRP의 사용비율이 50% 정도까지 확대되었다 [29] .
섬유강화 고분자 복합재료는 앞으로도 계속 응용범위가 증가될 주요 소재이며, 국내의 경우 섬유강화 복합재료의 역사에 비해 실제 산업에 채용 비율은 극히 초보적인 단계로 향후성장잠재력이 매우 큰 분야 중 하나이다. 현재까지 알루미늄합금이 주류인 항공기용 소재는 최근 폭발적으로 고기능/고경량 복합섬유를 사용한 복합재료의 적용이 증가하고 있어 민수부문과 군수 부문을 아울러 섬유강화 복합재료 세계시장은 급격한 확산 중에 있다 [30] .
- 2.3. 항공기용 탄소섬유 복합재료 시장 동향
- 2.3.1. 세계시장 동향
Table 1 에서 보는 바와 같이, 세계 민항기산업의 시장규모는 N2005년 약 90억 달러 규모에서 2020년에는 140억 달러로 증가할 전망이며, 이에 따라 무역규모는 2005년 63억 달러 수준에서 연평균 2020년에는 총 112억 달러 수준으로 증가할 것으로 예상된다. 민항기산업의 시장 증가율은 2000년대에 비해 2010년대에 상대적으로 높은 성장을 이룩할 것으로 전망되고, 이러한 민항기산업의 품목은 대형 여객기 부품, VLJ, 중형 헬기 등을 포함한다.
군용기산업의 세계 시장규모 ( Table 2 )는 2005년 50억 달러규모에서 2020년에는 120억 달러로 증가할 전망이며, 무역규모는 2005년 25억 달러에서 2020년에는 72억 달러로 증가할 전망이다. 그리고 시장 증가율은 2000년대에 비해 2010년대에 상당히 높은 성장률을 달성할 것으로 예상된다. 시장규모는 2000년대에는 연평균 3.7% 내외로 예상된 반면, 2010년대에는 연평균 7.2%씩의 고성장이 예상되고, 같은 기간 무역규모는 3.7%에서 9.1%로 크게 증가할 전망이다. 여기서 군용기 산
군용기 산업의 세계시장 전망주) 군용 무인기시장 포함
Lager Image
군용기 산업의 세계시장 전망 주) 군용 무인기시장 포함
Lager Image
NASA의 항공승객 수요예측.
업의 주요 품목은 T/A-50 훈련기, 기동형 헬기/공격용 헬기, 미디엄급 전투기, 무인기 등이 포함된 것을 말한다. 경기 회복 및 9.11 테러 영향에서 탈피, 세계 경제성장에 따른 항공운송 수요의 지속적 증가로 민수시장 중심의 상승 안정세 전망이며, 분야별로는 민수시장이 전체 규모의 84% (생산대수 기준, 생산금액 기준 시 76%)를 차지하며 전체 시장을 주도할 것으로 예상된다.
또한, 최근 소형항공기부분의 최대시장인 미국에서는 NASA, FAA, NCAM을 중심으로 2001년부터 새로운 개념의 SATS(small aircraft transportation system) 프로그램을 진행하고 있
Lager Image
탄소섬유를 활용한 개발품의 예시.
다. 이는 소형 항공기의 대거 투입으로 운송수요와 운항체계의 용량 한계간의 차이를 극복하는 차세대 대중 항공교통수단으로 활용하고자 하는 것이다. 이는 항공기 시장에 새로운 개념의 air-taxi 시대를 예고하는 것으로 항공기 제조업체에 있어 항공기시장의 틈새 시장을 제공할 것으로 예상되며, 이러한 사업으로 인하여 향후 항공기 산업은 점점 더 발전할 것으로 판단된다. Fig. 4 는 NASA의 항공승객 수요예측을 나타낸다.
세계 탄소시장은 위와 같은 우주항공 산업의 발전과 함께 수송기기, 풍력, 연료전지 등의 사용에 대한 수용에 따라 물량은 꾸준히 증가추세에 있고 선도기업들의 적극적 생산설비 투자 및 응용제품 생산 확대로 인하여 소재에 대한 가격인하와 응용품은 꾸준히 개발되고 있는 실정이다. 탄소섬유의 시장점유율은 물량기준으로 Torey, Toho Tenax, Mitsubishi Rayon, Zoltek의 순으로 일본기업이 강세이고 세계시장 선두업체들은 신규투자를 통해 생산량을 늘려가고 있어 수요증가에 대응하고 있다. 일본 고기능성 섬유시장은 일상생활품에서 산업용으로 그 축을 점차 넓혀가고 있으며, 특히 고분자, 바이오, 나노기술 등 고도의 첨단기술을 응용해 자동차, 항공기, 우주로켓, 전기전자, 의료소재 등 산업분야에 고기능 소재를 공급하는 신규 사업을 적극 추진하고 있다 [31] .
탄소섬유 시장은 2011년까지 연간 10.3%의 성장률을 보이며 2011년에는 48,000톤 (18억8천만 달러) 규모로 확대되어 특히 항공분야의 성장이 가장 높고 지역별로는 유럽의 성장률이 가장 클 것으로 예측된다. 탄소섬유의 가격은 물성에 따라 다른데 kg당 $15~$187로 가격차가 크고 현재 탄소섬유 가격은 $37/kg이며 2011년 가격은 평균 $39/kg일 것으로 예측하고 있다.
세계 탄소섬유강화 복합재 산업 시장규모 및 전망
Lager Image
세계 탄소섬유강화 복합재 산업 시장규모 및 전망
탄소섬유 복합재료는 열·기계·물리·화학적 특성에 따라 우주항공, 건축, 전자, 화학, 수송, 스포츠 분야 등 다양한 산업에서 사용되어왔다. 기존의 금속 소재보다 가볍고 강인한 특성으로 인하여 하중을 견디는 구조물의 경량화 목적으로 기존 금속구조물을 대체하여 그 이용이 점차 확산되어 가고 있는 추세이며, Fig. 5 는 탄소섬유를 활용한 개발품의 예시를 나타낸다. 이러한 복합재료는 특히 비강도 (specific strength) 및 비강성 (specific stiffness)이 기존의 금속재료보다 우수하고, 내식성 (corrosion resistance) 및 내피로 (fatigue resistance) 특성이 뛰어나 경량화 적용이 필수적인 다양한 군사용 항공기뿐만 아니라 상업용 민간 항공기의 주/보조 구조물 (primary/secondary structure)의 소재로서 주목 받으며 관련 시장 역시 2000년대 이후로 크게 증가하고 있다 [32] .
Table 3 은 세계 탄소섬유강화 복합재 산업 시장규모 및 전망을 나타낸다. 세계의 탄소섬유강화 복합재 시장규모는 연간 7~10% 안팎으로 성장하고 있으며, 2007년도 용도별 수요를 보면, 산업용 30,000~40,000톤, 스포츠용 20,000톤, 항공기용15,000~20,000톤 전후로 예측된다.
최근 탄소섬유 복합재료는 에너지 위기에 따른 석유류 가격의 폭등으로 에너지 효율을 높이기 위해 거의 모든 수송기계시스템의 경량화를 위한 소재로 다시 주목 받기 시작하여 일부 고기능성 탄소섬유 복합재료는 품귀가 될 정도로 그 수요가 폭발적으로 증가하고 있다. 하지만 국내에서 사용하고 있는 탄소섬유 복합재료와 고온용 탄소/탄소 복합재료는 대부분 외국에서 수입하고 있으며, 특히 항공산업과 관련된 소재부품은 ITAR (international traffic in arms regulations) 및 MTCR(missile technology control regime)에 의하여 기술의 해외유출이 정부의 엄격한 통제하에 있으며, 또한 전 세계적으로 미국, 러시아 및 프랑스 등의 일부 업체들만이 독점생산 공급하고 있을 뿐 만 아니라, 응용분야 및 제조의 특성상 상당히 고가로 판매되는 고부가가치 소재이다. 그리고 탄소섬유 복합재료의 다양한 고온 구조물에의 적용성과 세계정치 경제 질서의 변환 등 여러 가지 변수를 감안할 때 탄소섬유 복합재의 개발은 정치, 경제 및 산업적 측면으로 매우 중요한 소재임은 분명한 사실이다.
- 2.3.2. 국내시장 동향
국내 우주항공산업은 ‘06년 전년 대비 40% 증가 (2007년 기준)한 총 수급규모 46 억불을 기록했다. 이러한 큰 증가 요인으로는 첫번째로 ‘T-50 고등훈련기’양산으로 인한 생산물량 증가로 인한 전체 산업 활동의 활성화와 경기 회복세에 따른 민항기, 원자재 수입물량의 증가와 ‘07년도 KHP 사업, 민수 기체부품 사업 물량 증가 및 관련 수입 증가로 총 수급 실적이상승한 것으로 판단되며, 약 50 억불 규모로 전망된다.
국내 항공우주산업의 ‘06년 생산액은 15.2 억불이며, ‘04년이후 꾸준한 성장세를 보여 왔다. T-50 고등훈련기의 양산 본격화가 주원인으로 환율의 소폭 하락도 긍정적 영향을 미쳤다고 할 수 있다. 향후 각종 군수 물량 및 민수 기체부품 사업물량의 증가로 성장세 지속 전망이지만, 수출은 4.7 억불, 수입은 31.2 억불로 만성적인 무역적자를 나타내고 있는 실정이다. 양대 항공사의 노후기종 대체, 신규 민항기 도입, T-50 등의 생산을 위한 부품, 원자재 등의 수입이 주요 원인이며, 이를 개선하기 위해 부품소재 산업의 육성, 국제공동개발사업의 적극적 참여를 통한 수출 증대로 무역수지를 개선하여야 한다. 하지만, 민수 기체부품 수출이 증가 추세에 있으며, 향후 민항기 국제공동개발사업의 본격화로 동 부문의 수출규모가 큰 폭의 성장이 기대됨에 따라 향후 수출시장의 전망을 밝게 하고 있다.
국내의 탄소섬유 시장규모는 2,600 톤/년 규모로 전량 수입에 의존하고 있으며 SK케미칼과 한국화이바가 주요 업체이다. 국내 탄소섬유 시장은 대부분 스포츠 용품 분야에 치중되어 있으며 전량을 일본에서 수입하고 있는 실정이기 때문에 탄소섬유의 국내 생산기술 확보와 함께 다양한 산업분야로의 적용이 필요하다.
탄소섬유는 산업계 각 분야에서 다양한 용도로 개발을 요구하고 있으나 설비 투자 등의 투입비용, 수익기간의 장기성 등을 이유로 가격경쟁력 확보가 불투명하기 때문에 기업들이 투자를 회피하고 있는 실정이다. 국내 탄소섬유 관련 업체수는 약 200여 개 업체 정도이며, 직접 탄소섬유를 수입하여 사용하는 업체는 약 45개 업체 정도, 나머지 약 150개사는 카본 프리프레그를 사용하여 낚싯대, 골프채 건축재료, 구조재 등으로 사용하고 있다.
국내에서 소모하는 탄소섬유 복합재의 양은 1995년 이후 매년 크게 성장하여 2007년 기준으로 약 30배 이상 증가하여 왔다. 그러나 국내 탄소복합재료 시장은 우주항공산업 분야에 국한되어 경제적인 규모를 형성하지 못하고 있는 실정이다. 국내시장의 분야별 탄소복합재료 수요는 지속적으로 증가하고있지만, 자체 생산기술의 부재 및 중간원료인 탄소 프리프레그 조달문제 등의 불안요인이 여전히 존재하고 있다. 그러나 핵심적인 소재산업 중 하나로서 탄소섬유 복합재료 기술 및 관련시장은 단순한 상업성보다는 미래 전략산업의 독자성을 위하여 반드시 확보해야 할 핵심 소재기술로서의 의미가 크다고 할 수 있다.
- 2.4. 항공기 구조재로 탄소섬유 복합재료의 적용 예
19세기말 토마스 에디슨이 발명한 전구의 필라멘트용으로 면섬유와 대나무 섬유를 탄화시켜 만든 최초의 탄소섬유가 만들어진 이후, 탄소섬유는 여러 가지 방법으로 만들어 지면서강도와 탄성률이 크게 향상되어 1960년대에 이르러 탄소섬유가 항공기 구조용으로 적용되기 시작하였다. 국내에서 설계/제작한 T-50 고등훈련기의 수평미익에는 T300급 탄소섬유 복합재료가 적용되었으며 복합재료 항공기인 B787에는 일본 Toray사의 T800급 탄소섬유가 적용되어 항공기의 주 구조물의 기본소재로 활용되고 있으며, 현재는 T1000급의 고강도 탄소섬유도 개발되어 있다.
탄소섬유 복합재료는 알루미늄소재보다 약 40% 가볍고 티타늄보다 탄성률이 높으며, 우수한 내피로 특성과 또한 크립이 거의 없고 열팽창계수가 매우 작아 치수안정성이 우수하여, 위성체 본체나 태양전지판 및 안테나, 우주망원경의 경통 등의 우주구조물의 소재로도 사용되고 있다. 화학약품에 대한 내성이 우수하여 부식이 없으며, 마찰 계수가 작아 마모가 작고 진동감쇠 특성 또한 우수하여 구조물의 진동을 감쇠시키는 역할을 할 수 있다. 한편 기능적 측면에서는 전기전도 특성이 있어 전파를 흡수하거나 차폐하는 스텔스 기능 및 안테나 소재로 사용이 되고 있다. Fig. 6 은 탄소섬유 복합재료가 적용된 대표적인 스텔스기인 F117을 나타낸다.
기존의 금속소재에 비해 원 소재비용부터 설계/성형까지 초기 생산 비용이 많이 들어가 고가의 복합재료를 민간항공기 동체와 날개와 같은 대형 1차 또는 주구조물에 까지 대량으로 적용하는 데는 경제적 이유와 많은 기술적 어려움이 있어 왔다. 이러한 이유로 복합재료의 적용이 2차 구조물로 제한되어 추가로 복합재료의 비율을 높이기가 어려웠다.
대표적인 기술적인 문제점으로는, 복합재료의 결함으로서
Lager Image
스텔스기 (F117)의 탄소섬유 복합재료 적용.
Lager Image
보잉사 제조항공기의 복합재료 적용추세.
Lager Image
보잉 B787 구조물의 재료별 구성도.
가장 많이 알려진 외부 물질에 의한 가격 시에 복합재료 적층판의 층과 층 사이에 발생하기 쉬운 층간분리 현상의 문제점을 들 수 있다. 복합재료를 동체나 날개와 같은 주구조물까지 적용하기에는 이러한 결함을 탐지하기 위한 검사기술이 미성숙 하였고, 이로 인해 항공기의 안전성도 부족한 상태였다.
또한 경제적인 생산 공정 기술도 성숙하지 않은 단계이므로, 2000년대 초기까지는 민간항공기의 경우 주구조물인 날개와 동체를 복합재료로 대체하지 않고는 복합재료로 인한 무게절감 효과를 크게 높일 수 없어 전체 구조물 무게의 20% 정도까지의 적용이 그 한계로 여겨질 정도였다 [33] .
그러나 최근에는 고효율의 ATL (automatic tape lay-up)과 AFP (automatic fiber placement)등의 자동적층 생산 장비의 개발 및 복합재료 날개에 적용된 RFI (resin film infusion) 기술등의 복합재료 생산/공정 기술의 발전과 함께 고인성 수지 기술, 외부 충격에 의한 복합재료 적층판의 층간박리를 예방할수 있는 재봉기술 등과의 융합기술로 발전되어 기존에 불가능하다고 여겨졌던 민간항공기의 대형 동체 및 날개 등의 주구조물까지 복합재료 구조물로 생산하기에 이르렀다.
이러한 결실이 최근 2010년 7월에 미국에서 영국까지 첫 초도비행에 성공한 보잉사의 복합재료 항공기인 B787의 출현으로 이루어 졌다고 할 수 있다. Figs. 7과 8에서와 같이 복합재료 항공기인 B787기는 전체구조물 무게의 50% 까지 복합재료를 적용하여 약 5 톤의 무게가 감소되었다.
3. 결 론
본고에서는 경량성과 우수한 기계적 특성을 가진 고부가가치 재료로서 최근 수년간 그 수요가 예상을 크게 상회하여 첨단재료가 아닌 구조용 범용소재로서도 인지되고 있는 탄소섬유 복합재료의 이해와 시장동향, 그리고 기타 응용분야에 관련하여 대략적으로 기술하였다.
최근 항공기를 비롯한 운송수단의 경량화를 위한 초경량·고성능 소재로서 다시 주목 받고 있는 탄소섬유 복합재료가 부품·소재로서 사용된다면 향후 탄소섬유 시장은 1조원, 복합재료 시장은 10조원 규모가 될 수 있을 것으로 예상된다. 이러한 시점에서 탄소섬유 복합재료가 항공기 분야에 국한되지 않고 기존의 금속과 같은 기타 경쟁재료에 맞서 시장 규모를 더욱 확대하기 위해서는 새로운 용도 개발 또한 매우 중요하다.
탄소섬유 복합재료는 우주항공산업을 위한 고성능 소재분야뿐 만 아니라 자동차, 전자, 광학, 에너지 및 의학 분야 등 거의 모든 산업분야에 응용이 가능하여 국가 경쟁력 또한 향상시킬 수 있다. 기존산업의 고도화에 따른 차세대 신산업 분야로의 응용 가능성으로 인하여 국가 경제 발전에도 기여할 수있을 것이라 판단되므로 국내시장 보호는 물론 국제시장에서의 경쟁력 확보를 위해 관련 분야에 대한 원천기술개발이 절실히 요구된다. 따라서, 일본처럼 국내의 대기업들 또한 기술개발을 통한 원천기술 및 특허확보가 반드시 필요하며, 이에 대한 학계, 연구계 및 정부의 지원이 매우 중요하다고 판단된다. 이러한 산학연정 협력체계 구축을 통해 우리나라가 미래성장을 이끌 꿈의 신소재로 불리며 10조원대에 이르는 세계 탄소소재 시장에서 탄소산업 강국으로 우뚝 서야 할 것이다.
References
Mora E , Blanco C , Prada V , Santamaria R , Granda M , Menéndez R 2002 Carbon 40 2719 -
Herbeck L , Wilmes H , Kolesnikov B , Kleineberg M 2003 Technology and design development for a CFRP fuselage SAMPLE Europe 1 -
Seo M. K , Park S. J 2009 Macromol. Res. 6 430 -
Park S. J , Hsu J. P 1999 “Interfacial Forces and Fields: Theory and Applications” Chap. 9. Marcel Dekker New York
Hage E.; , Cost Jr. S. F.; , Pessan L. A 1997 J. Adhesion Sci.Technol 11 1491 -
Ham M. B.; , Choi H. S.; , Choi W. J 2009 Kor. Associ. Defence Indu. Stud 16 260 -
Hussain M.; , Nakahira A.; , Nishijima S.; , Niihara K 2000 Composites:Part A 31 173 -
Savage G.; , Bomphray I.; , Oxley M 2004 Eng. Failure Anal 11 677 -
Park S. J.; , Seo M. K 2001 Carbon 39 1229 -
Backman B 2005 “Composite Structures Design Safety and Innovation” Elsevier
Park S. J.; , Seo M. K.; , Lee J. R 2002 Carbon 40 835 -
Donnet J. B.; , Bansal R. C 1990 “Carbon Fibers” 2nd ed Marcel Dekker New York
Schwartz M. M 1992 “Composite Materials Handbook” McGraw-Hill New York
Dusek K 1986 “Epoxy Resins and Composites Ⅰ Ⅱ Ⅲ” Springer New York
Seo M. K , Park S. H , Kang S. J , Park S. J 2009 Carbon Lett 10 43 -
Donnet J. B , Bansal R. C 1984 “Carbon Fibers” Marcel Dekker New York
Cato A. D , Edie D. D 2003 Carbon 41 1411 -
Seo M. K , Park S. J 2010 Polym. Sci. Technol 21 130 -
Chung D. D. L 1994 “Properties of Carbon Fibers Carbon Fiber Composites. Butterworth-Heinemann” Newton 65 -
Park K. Y , Choi J. H , Lee D. G 1995 J. Composite Mater 29 1988 -
Spur G , (Eds.) , Lachmund U , (Eds.) , Jahanmir S , (Eds.) , Ramulu M , (Eds.) , Koshy P , (Eds.) 1999 “Turning of Fiber-reinforced Plastics Machining of Ceramics and Composites” CRC Press New York (Eds.) 209 -
Hong L. L.; , Moshonov A.; , Muzzy J. D 1991 Polym. Compos 12 191 -
Drzal L. T.; , Madhukar M 1993 J. Mater. Sci 28 569 -
Kim S.; , Jung Y.; , Park S 2008 J. Colloids Surf. A. Physicochem.Eng. Aspects 220 313 -
Shyha I.; , Soo S. L.; , Aspinwall D.; , Bradley S 2010 J. Mater.Proc. Technol 210 1023 -
Mathews M. J.; , Swanson S. R 2007 Compos. Sci. Technol 67 1489 -
Bijwe J.; , Rattan R 2007 Wear 263 984 -
Zhang X.; , Pei X.; , Wang Q 2008 Eur. Polym. J 44 2551 -
Burton R 2008 “Of Developing Importance. Aerospace Manufacturing”Vol. 3 Vol. 3 MIT Publishing Limited Kent UK 21 -
Calder N 2008 “Advances Composites Applications. Aerospace Manufacturing” Vol. 3 MIT Publishing Limited KentUK 19 -
McConnell V. P 2008 Reinforced Plastics 52 18 -
Jacob A 2006 Reinforced Plastics 50 22 -
Harris C. E , Shuart M. J NASA “An Assessment of the State-ofthe-Art in the Design and Manufacturing of Large Composite Structures for Aerospace Vehicles” TM-2001-210844