열에 강한 우주비행기용 소재 개발됐다
열에 강한 우주비행기용 소재 개발됐다
  • 함예솔
  • 승인 2020.01.05 05:55
  • 조회수 1899
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요약

 

재사용 가능한 우주비행기에서 사용할 수 있는 내열 세라믹 타일 소재 국내 최초로 개발됐습니다. 탄화규소(SiC)보다 열적 안정성이 우수한 탄화 지르코늄(ZrC)과 붕화 지르코늄(ZrB2)를 적용해 사용 온도를 1,700℃까지 증가시켰습니다. 또한 경량 내열 세라믹 타일의 밀도를 0.2g/㎤ 이하로 억제하면서 1,000℃에서 우수한 열적 안정성과 단열 특성을 얻어내는데 성공했습니다. 본 기술이 상용화되면 우주항공 및 군사분야에서 핵심적인 역할을 수행하고 있는 고온 및 초고온용 내열·단열 소재의 국산화와 함께 우주·항공 및 방산 산업의 국제 경쟁력을 높이고 수출에 기여할 수 있을 전망입니다. 

우주비행기용 소재~ 출처: AdobeStock
우주비행기용 소재~ 출처: AdobeStock

재료연구소 분말·세라믹 연구본부 이세훈 박사 연구팀이 재사용 가능한 우주비행기용 1,700℃급 및 1,000 ℃급 내열 세라믹 타일 소재를 국내 최초로 개발하는데 성공했다고 합니다. 이 연구는 <Journal of the European Ceramic Society>에 게재됐습니다. 

 

美, 우주왕복선에 쓰인 RCC 보다 우수한 '고온용 세라믹 타일'

 

'고온용 세라믹 타일'은 미국 우주왕복선에 적용된 RCC(Reinforced-Carbon Carbon) 소재보다 우수한 내열 특성을 보였습니다. '경량 세라믹 타일'은 국내 전문 소재 업체와의 협업을 통해 100% 국산화를 달성하는데 성공했습니다. 

 

미국 우주왕복선의 선단부에 적용된 '고온용 내열 소재'인 RCC(Reinforced-Carbon Carbon) 소재는 1,500℃까지는 열적 안정성을 지니지만 이 이상의 온도에서는 보호층인 탄화규소(SiC)의 산화 및 열분해 현상이 발생해 사용이 제한돼 왔습니다. 

 

한국항공우주연구원의 한국형 우주비행기 개발 사업에 참여 중인 KIMS 이세훈 박사 연구팀은 사업책임자인 KARI 최기혁 박사 연구팀과 함께 탄화규소(SiC)보다 열적 안정성이 우수한 탄화 지르코늄(ZrC)과 붕화 지르코늄(ZrB2)를 적용해 사용 온도를 1,700℃까지 증가시켰습니다. 개발된 소재는 전북대학교의 고온 플라즈마 풍동(Plasma Wind Tunnel)을 이용해 1,700℃에서 소재의 열적 안정성이 증명됐습니다. 

재료연구소에서 개발된 소재의 초고온 내삭마 거동 실험. 출처: 재료연구소
재료연구소에서 개발된 소재의 초고온 내삭마 거동 실험. 출처: 재료연구소

우주왕복선 지구 재돌입 시 파괴 방지해주는 '경량 내열 세라믹 타일'

 

미국 우주왕복선의 하면에 적용돼 지구 재돌입 시 우주왕복선의 파괴를 방지해주는 '경량 내열 세라믹 타일'은 RCC처럼 높은 내열 온도를 요구하지는 않지만 우주 소재라는 특성 상 그 동안 해외로부터의 수입에 제약이 있었습니다. 내열 세라믹 타일 소재는 우주왕복선 등 우주 체계의 외부에 적용돼 대기권 재돌입 시 고온 및 고속입자에 의한 삭마로부터 시스템을 안전하게 보호하는 역할을 합니다. 이에 우주·항공 및 군사 분야 등에서 활용 가능합니다. 

 

KIMS는 국내 소재 전문업체 및 한국세라믹 기술원 김형준 박사와의 협력 연구를 통해 경량 내열 세라믹 타일의 밀도를 0.2g/㎤ 이하로 억제하면서 1,000℃에서 우수한 열적 안정성과 단열 특성을 얻어내는 데 성공했습니다. 

 

기존 우주용 내열 소재인 RCC는 내열 온도가 1,500℃인 한계가 있었고 경량 타일의 경우 국내 도입이 어려웠습니다. 하지만 이번에 개발된 기술을 통해 내열 온도를 1,700℃로 개선하고 경량 타일의 국산화를 이뤄냈습니다. 

 

연구책임자인 재료연구소 이세훈 박사는 "본 기술이 상용화되면 우주항공 및 군사분야에서 핵심적인 역할을 수행하고 있는 고온 및 초고온용 내열·단열 소재의 국산화와 함께 우주·항공 및 방산 산업의 국제 경쟁력을 높이고 수출에 기여할 수 있을 것"이라고 전했습니다. 

 


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