Present Status and Applications of Carbon Fibers-reinforcedComposites for Aircrafts

Present Status and Applications of Carbon Fibers-reinforced Composites for Aircrafts

Ki-Seok Kim, Young-Sun Shim, Byung-Ju Kim, Long-Yue Meng, Seul-Yi Lee and Soo-Jin Park

^♠

Department of Chemistry, Inha University, Incheon 402-751, Korea

♠e-mail:sjpark@inha.ac.kr

(Received August 2, 2010; Accepted September 15, 2010)

1. 서 론

고도의지식적산업이기반을이룰것이라고예측되는

21

세 기에는국가의지식경쟁력

,

특히과학기술분야의국제경쟁 력을갖추어야하는데

,

특히자원과자본이부족한우리의여 건에서국가의과학기술경쟁력제고의수단으로새로운소재 의개발연구가 중요하다

.

이러한관점에서최근 탄소소재는 우주항공

,

^에너지

,

^{공해제거용친환경소재등에직접응용되}

고있으며반도체

,

^자동차

,

^{로봇산업등에활용도를크게높}

이고있는원천 기반소재로

,

탄소소재를이용한 고기능성및 친환경적인소재로의적용을위하여선진국에서활발한연구

와공업적인응용이시도되고있다

[1-3].

탄소소재중 탄소섬유는

1950

년대미국과소련의우주개 발경쟁에힘입어본격적으로개발되기시작하였고

,

그들의우 수한내열성

,

내충격성

,

내화학약품성

,

항미생물성

,

알루미늄 보다가벼우면서도철에비해강한탄성과강도로인하여탄 소섬유를이용한복합재료는골프채

,

테니스라켓

,

낚싯대

,

보 트등의스포츠레저분야에서상품화되었다

.

^그리고

, 1970

^년

대후반에항공기분야의탄소섬유활용증대와

1980

^년대에

블랙샤프트붐이다시일어나수요가확대되었다

.

^하지만

, 1990

년대에는세계정치의냉전체제가종료됨에따라군사및우 주항공용도에있어서탄소섬유복합재료의수요는정체기를 겪었다

.

그러나최근항공기및자동차시장에서에너지절약및환 경오염방지등을위한대책으로구조물의경량화에대한중 요성을인식하여탄소섬유복합재료시장은다시매우 주목 받기시작하였다

.

또한

, 21

세기우주항공시대를맞이하여기 계적

,

열적특성이이제까지의어느소재보다도월등히우수 하고기능성을가지며매우가벼운에너지절약형소재인신 개념복합재료의개발이필요하며

,

^{이러한조건을만족시킬수}

있는소재는오직탄소섬유복합재료라해도과언이아닐것 이다

.

탄소섬유를보강재로이용한복합재료는보강재인탄소섬유 의물성과결합재물질의특성에따라그성능이크게달라진 다

.

탄소복합재료는단일 구성소재로서는구현할 수없는기 능을이종간또는그이상 재료의조합및복합화를통해달 성하고자하는데 목적이있으며

,

이러한점에서 탄소섬유복

합재료는

needs

지향형재료 또는재료설계가능재료라말할

수있다

.

또한구조재로서탄소섬유복합재료는강도특성

,

열 적특성

,

전기적특성등이섬유의방향과섬유의직경방향과 는커다란 차이를보이는 이방성을보이는데

,

이것이섬유강 화복합재료의기본특징이라할수있다

[4-7].

최근항공기를비롯하여모든운송기구들은전자화

,

고급화

,

안전화등에대한수요자들의요구가다양해짐에따라부대장 비가 늘어나자체중량이 계속증가하는추세이며

,

^세계적으

로환경오염문제가대두되면서운송기구의경량화를통한연 비 개선및환경 오염방지가절실히 요구되고있다

.

항공기 의연비개선대책은엔진

,

구동계의효율향상

,

그리고경량화 등이 있다

.

하지만 엔진및구동계의 전달효율은기술적으로 는 거의한계에도달하여연비의대폭적인향상은기대하기 어려운실정이나구조변경

,

경량재료로의대체

,

부품합리화 등에의한경량화는연비를대폭적으로향상시킬수 있을것 으로기대된다

.

항공기에서는자체중량의경량화가기체의대형화를포함 하는 수송효율의향상에 크게기여한다

.

^{특히기체구조의경}

량화는엔진의소형화

,

^{이륙중량의감소등에기여하기때문}

에제트수송기의경우는기체구조를

1 kg

^{경량화하면기체중}

량전체로서

2~4 kg

^{가볍게된다고알려져있다}

.

^{이와같이항}

공기에서경감된기체구조향상으로화물이나연료의추가탑 재가가능해져수송효율이향상되기때문에기체구조의경량 화에큰노력을경주하고있다

[8].

현재까지항공기용소재는알루미늄합금이주류를이뤘으 나

,

최근항공기의 추가적인경량의 필요성이대두되면서고 경량및고기능성항공기용소재로탄소섬유를사용한복합재 료의적용이증가하고있고민항기와 군수부문모두에서탄 소섬유복합재료세계시장은급격한증가추세에있다

[9-11].

탄소섬유복합재료의개발은국내산업의취약부분인부품

·

^{소재의국산화뿐만아니라다양한고부가가치로의산업응용}

이가능하다는측면에서체계적인기술로드맵에따른조속한 연구가필요한기술분야이다

.

이러한탄소섬유복합재료는우 주

·

항공재료

,

전기

·

전자재료

,

토목

·

건축재료

,

생체

·

의료재료 및각종스포츠용품재료등다양한분야에서 사용되고있는 첨단신소재로서

,

고내열성

,

고강도

,

내열충격성을보유한재료 로평가되고있으며

,

또한내약품성

,

화학적불활성및생체친

화성이매우우수하여다양한분야에서응용이되고있는원천 기술로서커다란파급효과를가져올것으로예상된다

[12-14].

따라서

,

본고에서는최근다시 한번각광받고있는탄소섬 유와항공기용탄소섬유복합재료시장동향을알아봄으로써 탄소섬유복합재료의중요성을다시한번일깨우고이를이용 한기타응용방안및앞으로의발전방향에대하여논의하고 자한다

.

2. 본 론

2.1. 탄소섬유

탄소섬유가최초로문헌에서정의된것은

1969

년미국의

R.

Bacon

과

W. A. Schlamon

에의해서이며

,

이들은

“

탄소섬유는최

고

1,000

∼

1,500

^o

C

의온도에서열처리한섬유로서전구체의많

은잔류물을가지고있으나

,

흑연섬유는

2,500

^o

C

이상으로가열

한것으로

99%

이상의탄소함량으로되어있다

”

고정의하였다

.

일반적으로탄소섬유란탄소원소의질량함유율이

90%

^이

상으로 이루어진섬유장의 탄소재료로서

,

^{유기 전구체물질}

(precursor)

로제조된섬유를열분해해서만드는것부터화학

기상 증착법에의해생성시키는 탄소나노섬유까지 포함한

다

[15].

그러나일반적으로는유기물질의열분해에의하여만

들어지는것을말하며탄소만으로구성된직경

5~15

µ

m

의섬 유장인것을 탄소섬유라일컫는다

(Fig. 1).

탄소섬유는전구 체에따라여러가지로나누어질수 있으며

,

대표적인 전구체 로는

polyacrylonitrile, pitch, rayon

등이있다

.

또한섬유의형 태에따라장섬유

(long fibers)

나단섬유

(chopped strand),

매 트

(mat)

^또는직물

(fabric)

^{형태로나뉘어진다}

[16-18].

범용탄소섬유의대표적인특성은가볍고매우우수한기계 적물성

(

^인장강도

: 3.5 GPa,

^{인장탄성률}

: 230 GPa)

^에있으며

,

일반적으로

Fig. 2

와같이분류될수있다

.

이렇게뛰어난기 계적특성의원인으로서는탄소섬유의기본적인구조에기인 한것으로

PAN

계의높은인장강도는리본상의미세구조에기 인하며

,

피치계탄소섬유의경우도메인이섬유 축방향으로

배열하여매우높은열적

,

전기적특성을보인다

[19-21].

또한탄소섬유는저밀도

,

고탄성계수와낮은열팽창계수

,

높 은전기

·

열전도도를가지며진동감쇄능력

,

생체적합성

, creep

저항성

,

^피로특성

,

^부식특성

,

^마찰

·

^{마모특성과화학적안정성}

이뛰어난 고성능섬유이고 상대적으로값비싼 재료이다

.

^이

러한탄소섬유는기계적특성이우수하고무게가매우가벼워 탄소섬유복합재료의강화재로서점차그영역을화학공업

,

스 포츠용품

,

자동차산업

,

그리고우주항공분야에이르기까지넓 혀가고있다

[22-24].

2.2. 섬유강화 복합재료

모든산업분야에서향상된기계적특성과기능적특성을 요구하는새로운재료에대한필요성이점점증가하고있으며

,

특히연료절감을요구하는우주항공산업에서는경량화에대 한중요성이더욱강조되고있다

.

^{여러가지특성에부합되는}

맞춤형재료의개발은현재의재료과학기술의최우선적인목 표이며

,

이러한맞춤형재료개발에매우활발한연구가진행

되고있는분야가복합재료

(composites)

라할수있다

.

복합재료란성분이나 형태가다른 두 종류이상의소재가 거시적으로조합되어유효한 기능을갖는재료를 뜻한다

.

복 합재료의 구성요소로는 섬유

(fibers),

입자

(particles),

층

(lamina),

모재

(matrix)

등이있으며

,

이러한요소들로구성된 복합재료는일반적으로층상복합재료

,

입자강화복합재료

,

섬

유강화복합재료 등으로구분할수있다

[25].

^{복합재료는 경}

량

,

^{높은무게비강도및탄성률}

,

^내부식성

,

^내충격성

,

^좋은피

로특성

,

^{부품일체화의용이성등의우수한장점을가지고있}

다

.

이와같은우수한재료특성을바탕으로항공기의경량화

,

내부식성및충격

,

진동등의성능향상

,

금형가격의절감등

을위하여구조재외판

,

외장부품

, leaf spring

같은기구부품

및엔진부품등에적용하기시작하여

,

현재그사용은전분야 에걸쳐증가하고있는추세이다

.

최근항공기를비롯한운송수단의경량화에대한관심은점 점 증가하고있는 추세이며

,

그경량화기술 중가장유용한 Fig. 1. 대표적인탄소섬유의형상

(PAN

^{계탄소섬유}

).

Fig. 2. 탄소섬유의기능적분류

.

방법으로는 섬유강화 플라스틱의

(FRP: fibers-reinforced

plastics)

적용을들수있다

.

이러한섬유강화복합재료의개

념도와탄소섬유복합재료를

Fig. 3

에 나타내었다

.

섬유강화 복합재료는섬유 같은강화재와고분자 수지를복합시켜

,

기 계적강도와 내열성을좋게한소재이다

.

일반적인 섬유형보 강재로는유리섬유

,

탄소섬유 및케블라라고하는 방향족나 일론섬유가 주로사용되며

,

고분자수지로는 불포화폴리에 스테르

,

에폭시수지등의 열경화성수지가주로 쓰이고있으 며

,

최근에는비행기부품등의제조를위해내열성열가소성 수지인

PEEK (polyetheretherketone), PEI (polyetherimide),

^그

리고

Nylon 12

나공중합체등의사용이신중하게검토되고있

다

[26-28].

항공기용복합재료로는고분자섬유기지에유리섬유혹은 탄소섬유와같은강화섬유가보강된것이주로사용되어왔으

며

,

탄소섬유강화 플라스틱

(CFRP)

은

1980

년대로부터주요

기체구조인꼬리날개에적용이검토되어에어버스사

A 310,

300, 320,

보잉사의

B777

등에채용된바있다

.

그리고최근에

는보잉사의

B787

^{에채용되었고이제까지기체구조의}

10~20%

중량

%

^정도였던

CFRP

^{의사용비율이}

50%

^{정도까지확대되었}

다

[29].

섬유강화고분자복합재료는앞으로도계속응용범위가증 가될 주요소재이며

,

국내의경우 섬유강화복합재료의역사 에비해실제산업에채용비율은극히초보적인단계로향후 성장잠재력이매우큰분야 중하나이다

.

현재까지알루미늄 합금이주류인항공기용소재는최근폭발적으로고기능

/

고경 량복합섬유를사용한복합재료의적용이증가하고있어민수 부문과군수부문을아울러섬유강화복합재료세계시장은급

격한확산중에있다

[30].

2.3. 항공기용 탄소섬유 복합재료 시장 동향

2.3.1.

세계시장동향

Table 1

에서보는바와같이

,

세계민항기산업의시장규모는

2005

년약

90

억 달러규모에서

2020

년에는

140

억달러로 증

가할전망이며

,

이에따라무역규모는

2005

년

63

억달러수준

에서 연평균

2020

년에는총

112

억 달러수준으로증가할것

으로예상된다

.

민항기산업의시장증가율은

2000

년대에비해

2010

년대에상대적으로높은성장을이룩할것으로전망되고

,

이러한민항기산업의품목은대형여객기부품

, VLJ,

중형헬 기등을포함한다

.

군용기산업의세계시장규모

(Table 2)

^는

2005

^년

50

^억달러

규모에서

2020

^년에는

120

^{억달러로증가할전망이며}

,

^무역규

모는

2005

년

25

억달러에서

2020

년에는

72

억 달러로증가할

전망이다

.

그리고시장증가율은

2000

년대에비해

2010

년대에

상당히높은성장률을 달성할것으로예상된다

.

시장규모는

2000

년대에는연평균

3.7%

내외로예상된반면

, 2010

년대에

는연평균

7.2%

씩의고성장이예상되고

,

같은기간무역규모

는

3.7%

에서

9.1%

로크게증가할전망이다

.

여기서군용기산

Fig. 3. 섬유강화고분자모식도

(a)

^{와탄소섬유고분자복합재}

료

(b).

Table 1. 민항기산업의세계시장전망

단위

:

백만달러

, %

2005 2010 2015 2020 2005~2010

^{연평균증가율}

2011~2020

(=

시장규모생산규모

) 9,000 10,000 12,000 14,000 2.1 3.4

무역규모

6,300 7,000 9,000 11,200 2.1 4.8

주

)

^{세계전체의경우시장규모}

=

^생산규모

,

^{무역규모는수출}

=

^수입임

.

업의주요품목은

T/A-50

훈련기

,

기동형헬기

/

공격용헬기

,

미디엄급전투기

,

^{무인기등이포함된것을말한다}

.

^경기회복

및

9.11

^{테러영향에서탈피}

,

^{세계경제성장에따른항공운송}

수요의지속적증가로민수시장중심의상승안정세전망이며

,

분야별로는민수시장이전체규모의

84% (

생산대수기준

,

생

산금액기준시

76%)

를차지하며전체시장을주도할것으로

예상된다

.

또한

,

최근소형항공기부분의최대시장인미국에서는

NASA,

FAA, NCAM

을중심으로

2001

년부터 새로운개념의

SATS

(small aircraft transportation system)

프로그램을진행하고있

다

.

이는소형항공기의대거투입으로운송수요와운항체계의 용량한계간의차이를극복하는차세대대중항공교통수단으 로활용하고자하는것이다

.

이는항공기시장에새로운개념

의

air-taxi

시대를예고하는것으로항공기제조업체에있어항

공기시장의틈새시장을제공할것으로예상되며

,

이러한사업 으로인하여향후항공기산업은점점더발전할것으로판단

된다

. Fig. 4

는

NASA

의항공승객수요예측을나타낸다

.

세계탄소시장은위와 같은우주항공 산업의발전과함께 수송기기

,

^풍력

,

^{연료전지등의사용에대한수용에따라물량}

은꾸준히증가추세에있고선도기업들의적극적생산설비투 자및응용제품생산확대로 인하여소재에대한가격인하와 응용품은꾸준히개발되고있는실정이다

.

탄소섬유의시장점 유율은 물량기준으로

Torey, Toho Tenax, Mitsubishi Rayon,

Zoltek

의순으로일본기업이강세이고세계시장선두업체들은

신규투자를통해생산량을늘려가고있어수요증가에대응하 고있다

.

일본고기능성섬유시장은일상생활품에서산업용으 로그축을점차넓혀가고있으며

,

특히고분자

,

바이오

,

나노 기술등고도의첨단기술을응용해자동차

,

항공기

,

우주로켓

,

전기전자

,

^{의료소재등산업분야에고기능소재를공급하는신}

규사업을적극추진하고있다

[31].

탄소섬유시장은

2011

년까지연간

10.3%

의성장률을보이며

2011

년에는

48,000

톤

(18

억

8

천만달러

)

규모로확대되어특히 항공분야의성장이가장높고지역별로는유럽의성장률이가 장클것으로예측된다

.

탄소섬유의가격은물성에따라다른

데

kg

당

$15~$187

로가격차가크고현재탄소섬유가격은

$37/

kg

이며

2011

년가격은평균

$39/kg

일것으로예측하고있다

.

Fig. 4.

NASA

의항공승객수요예측

.

Table 2. 군용기산업의세계시장전망

단위

:

백만달러

, %

2005 2010 2015 2020 2005~2010

^{연평균증가율}

2011~2020

(=

시장규모^생산규모

) 5,000 6,000 8,000 12,000 3.7 7.2

무역규모

2,500 3,000 4,400 7,200 3.7 9.1

주

)

군용무인기시장포함

Fig. 5. 탄소섬유를활용한개발품의예시

.

탄소섬유복합재료는열

·

기계

·

물리

·

화학적특성에따라우 주항공

,

건축

,

전자

,

화학

,

수송

,

스포츠분야등 다양한산업 에서사용되어왔다

.

^{기존의 금속소재보다가볍고 강인한특}

성으로인하여하중을견디는구조물의경량화목적으로기존 금속구조물을대체하여그 이용이점차확산되어가고 있는

추세이며

, Fig. 5

는탄소섬유를활용한개발품의예시를나타

낸다

.

이러한복합재료는특히비강도

(specific strength)

및비 강성

(specific stiffness)

이 기존의금속재료보다우수하고

,

내 식성

(corrosion resistance)

및내피로

(fatigue resistance)

특성 이뛰어나경량화적용이필수적인다양한군사용항공기뿐

만 아니라상업용 민간항공기의 주

/

보조 구조물

(primary/

secondary structure)

의소재로서주목받으며 관련시장역시

2000

년대이후로크게증가하고있다

[32].

Table 3

^{은 세계탄소섬유강화복합재산업시장규모 및전}

망을나타낸다

.

^{세계의탄소섬유강화복합재시장규모는연간}

7~10%

안팎으로 성장하고있으며

, 2007

년도용도별 수요를

보면

,

산업용

30,000~40,000

톤

,

스포츠용

20,000

톤

,

항공기용

15,000~20,000

톤전후로예측된다

.

최근탄소섬유복합재료는에너지위기에따른석유류가격 의폭등으로에너지효율을높이기위해거의모든수송기계 시스템의경량화를위한소재로다시주목받기시작하여일 부고기능성탄소섬유복합재료는품귀가될정도로그수요 가폭발적으로증가하고있다

.

하지만국내에서 사용하고있 는탄소섬유복합재료와고온용탄소

/

^{탄소복합재료는대부분}

외국에서수입하고있으며

,

^{특히항공산업과관련된소재부품}

은

ITAR (international traffic in arms regulations)

^및

MTCR (missile technology control regime)

에의하여기술의해외유출 이정부의엄격한통제하에있으며

,

또한전세계적으로미국

,

러시아및프랑스등의일부 업체들만이독점생산공급하고 있을뿐만 아니라

,

응용분야및제조의 특성상상당히 고가 로판매되는고부가가치소재이다

.

그리고탄소섬유복합재료 의다양한고온 구조물에의적용성과세계정치경제 질서의 변환등여러가지변수를감안할때탄소섬유복합재의개발

은 정치

,

경제 및산업적측면으로매우중요한 소재임은분 명한사실이다

.

2.3.2.

^{국내시장동향}

국내우주항공산업은

‘06

^{년전년대비}

40%

^증가

(2007

^년기

준

)

한총수급규모

46

억불을기록했다

.

이러한큰증가요인

으로는첫번째로

‘T-50

고등훈련기

’

양산으로인한생산물량증

가로인한전체산업활동의활성화와경기회복세에따른민 항기

,

원자재수입물량의증가와

‘07

년도

KHP

사업

,

민수기 체부품사업 물량증가및관련수입증가로총수급 실적이 상승한것으로판단되며

,

약

50

억불규모로전망된다

.

국내항공우주산업의

‘06

년생산액은

15.2

억불이며

, ‘04

년

이후꾸준한성장세를보여왔다

. T-50

고등훈련기의양산본

격화가주원인으로환율의소폭하락도긍정적영향을미쳤다 고 할수있다

.

^{향후 각종군수물량 및민수 기체부품사업}

물량의 증가로성장세지속전망이지만

,

수출은

4.7

억불

,

수

입은

31.2

억불로만성적인무역적자를나타내고있는실정이

다

.

양대항공사의노후기종대체

,

신규민항기도입

, T-50

등

의생산을위한부품

,

원자재등의수입이주요원인이며

,

이 를개선하기위해부품소재산업의육성

,

국제공동개발사업의 적극적참여를통한수출증대로무역수지를개선하여야한다

.

하지만

,

민수기체부품수출이증가추세에있으며

,

향후민항 기국제공동개발사업의본격화로동부문의수출규모가큰폭 의성장이기대됨에따라향후 수출시장의전망을밝게하고 있다

.

국내의탄소섬유시장규모는

2,600

^톤

/

^{년규모로전량수입}

에의존하고있으며

SK

케미칼과한국화이바가주요업체이다

.

국내 탄소섬유시장은대부분스포츠용품 분야에치중되어 있으며전량을일본에서수입하고있는실정이기때문에탄소 섬유의국내생산기술확보와함께다양한산업분야로의적용 이필요하다

.

탄소섬유는산업계각분야에서다양한용도로개발을요구 하고있으나설비투자등의투입비용

,

수익기간의장기성등 Table 3. 세계탄소섬유강화복합재산업시장규모및전망

분야

(

용도

)

항목 시장규모

(

^톤

)

^성장률

(%)

^현재상태

2007 2010

스포츠및레저용 골프샤프트

,

라켓프레임

,

낚시대

20,000 8-10 >15

성숙화단계

,

안정성장분야

우주

·

항공용 일반항공기

,

우주왕복선

17,000 7-8 20>

보잉

B7E7

비행기

1

대당

100

톤

산업용

압력용기

CNG

^탱크

9,000 10-12 >15

크린에너지라는사회적요청이대두

컴파운드몰딩 전자

,

항공기

,

의료기기

,

자동차분야등

15,000 20-30 >40

기계적

,

열적

·

전기적특성부여

토목건축 고속도로의상판보강

,

빌딩

,

도로교각

,

철도고가교의보강

7,000 7-8 >10

건축보강의본격화

에너지관련 풍력발전용의풍차브레이드

1,000 - >5

지구환경보전

, CO

2삭감이라는관점

을이유로가격경쟁력확보가불투명하기때문에기업들이투 자를회피하고 있는실정이다

.

국내탄소섬유 관련업체수는 약

200

여개업체 정도이며

,

직접 탄소섬유를수입하여사용 하는업체는약

45

개업체정도

,

나머지약

150

개사는카본프 리프레그를사용하여낚싯대

,

골프채건축재료

,

구조재등으로 사용하고있다

.

국내에서소모하는탄소섬유복합재의양은

1995

년이후매

년크게성장하여

2007

^{년기준으로약}

30

^{배이상증가하여왔}

다

.

^{그러나국내탄소복합재료시장은우주항공산업분야에국}

한되어경제적인 규모를형성하지 못하고있는실정이다

.

^국

내시장의분야별탄소복합재료 수요는지속적으로 증가하고 있지만

,

자체생산기술의부재및중간원료인탄소프리프레 그조달문제등의불안요인이여전히 존재하고있다

.

그러나 핵심적인소재산업중하나로서탄소섬유복합재료 기술및 관련시장은단순한상업성보다는미래전략산업의 독자성을 위하여반드시확보해야할핵심소재기술로서의의미가크다 고할수있다

.

2.4. 항공기 구조재로 탄소섬유 복합재료의 적용 예

19

^{세기말토마스에디슨이발명한전구의필라멘트용으로}

면섬유와대나무섬유를탄화시켜만든최초의탄소섬유가만 들어진이후

,

탄소섬유는여러 가지방법으로 만들어지면서

강도와탄성률이크게향상되어

1960

년대에이르러탄소섬유

가항공기구조용으로적용되기시작하였다

.

국내에서설계

/

제

작한

T-50

고등훈련기의수평미익에는

T300

급탄소섬유복합

재료가적용되었으며복합재료항공기인

B787

에는일본

Toray

사의

T800

급탄소섬유가적용되어 항공기의주 구조물의기

본소재로활용되고있으며

,

현재는

T1000

급의고강도탄소섬

유도개발되어있다

.

탄소섬유복합재료는알루미늄소재보다약

40%

^가볍고티

타늄보다탄성률이 높으며

,

^{우수한내피로특성과 또한크립}

이거의없고열팽창계수가매우작아치수안정성이우수하여

,

위성체본체나 태양전지판및안테나

,

우주망원경의경통등 의우주구조물의소재로도사용되고있다

.

화학약품에대한내 성이우수하여부식이없으며

,

마찰계수가작아마모가작고 진동감쇠특성또한우수하여구조물의진동을감쇠시키는역 할을할수있다

.

한편기능적측면에서는전기전도특성이있 어전파를흡수하거나차폐하는스텔스기능및안테나소재

로사용이되고있다

. Fig. 6

은 탄소섬유복합재료가 적용된

대표적인스텔스기인

F117

^{을나타낸다}

.

기존의금속소재에비해원소재비용부터설계

/

^{성형까지초}

기생산 비용이많이들어가고가의복합재료를민간항공기 동체와날개와같은대형

1

차또는주구조물에까지대량으로 적용하는데는경제적이유와많은기술적어려움이있어왔 다

.

이러한이유로복합재료의적용이

2

차구조물로제한되어 추가로복합재료의비율을높이기가어려웠다

.

대표적인기술적인 문제점으로는

,

복합재료의결함으로서

Fig. 6. 스텔스기

(F117)

의탄소섬유복합재료적용

.

Fig. 7. 보잉사제조항공기의복합재료적용추세

.

Fig. 8. 보잉

B787

구조물의재료별구성도

.

가장많이알려진외부물질에의한가격시에복합재료적층 판의층과층사이에발생하기쉬운층간분리현상의문제점 을들수있다

.

복합재료를동체나날개와같은주구조물까지 적용하기에는이러한결함을탐지하기위한검사기술이미성 숙하였고

,

이로인해항공기의안전성도부족한상태였다

.

또한경제적인생산공정기술도성숙하지않은단계이므로

, 2000

년대초기까지는민간항공기의경우 주구조물인날개와 동체를복합재료로대체하지않고는복합재료로인한무게절

감효과를크게높일수 없어전체구조물무게의

20%

^정도

까지의적용이그한계로여겨질정도였다

[33].

그러나최근에는 고효율의

ATL (automatic tape lay-up)

과

AFP (automatic fiber placement)

등의자동적층생산장비의개 발및복합재료날개에적용된

RFI (resin film infusion)

기술 등의복합재료생산

/

공정기술의발전과함께고인성수지기 술

,

외부 충격에의한 복합재료적층판의층간박리를예방할 수있는재봉기술등과의융합기술로발전되어기존에불가능 하다고여겨졌던민간항공기의대형동체및날개등의주구 조물까지복합재료구조물로생산하기에이르렀다

.

이러한결실이최근

2010

^년

7

^{월에미국에서영국까지첫초}

도비행에성공한보잉사의복합재료항공기인

B787

^의출현으

로이루어졌다고할수있다

. Figs. 7

^과

8

^{에서와같이복합재}

료항공기인

B787

기는전체구조물무게의

50%

까지복합재료

를적용하여약

5

톤의무게가감소되었다

.

3. 결 론

본고에서는경량성과우수한기계적특성을가진고부가가 치재료로서최근수년간그수요가예상을크게상회하여첨 단재료가아닌구조용범용소재로서도인지되고있는탄소섬 유복합재료의이해와시장동향

,

^{그리고기타 응용분야에관}

련하여대략적으로기술하였다

.

최근항공기를비롯한운송수단의경량화를위한초경량

·

고 성능소재로서다시주목받고있는탄소섬유복합재료가부 품

·

소재로서사용된다면향후탄소섬유시장은

1

조원

,

복합재 료시장은

10

조원 규모가될수 있을것으로예상된다

.

이러 한시점에서탄소섬유복합재료가항공기분야에국한되지않 고기존의금속과같은기타경쟁재료에맞서시장규모를더 욱확대하기위해서는새로운용도개발또한매우중요하다

.

탄소섬유복합재료는우주항공산업을위한고성능소재분야 뿐만아니라자동차

,

^전자

,

^광학

,

^{에너지및의학분야등거}

의모든산업분야에응용이가능하여국가경쟁력또한향상 시킬수있다

.

기존산업의고도화에따른차세대신산업분야 로의응용가능성으로인하여국가경제발전에도기여할수 있을것이라판단되므로국내시장보호는물론국제시장에서 의경쟁력확보를위해관련분야에대한원천기술개발이절 실히요구된다

.

따라서

,

일본처럼국내의대기업들또한기술 개발을통한 원천기술및특허확보가반드시필요하며

,

이에

대한학계

,

연구계및정부의지원이매우중요하다고판단된 다

.

이러한산학연정 협력체계구축을 통해우리나라가미래 성장을이끌 꿈의신소재로불리며

10

조원대에이르는세계 탄소소재시장에서탄소산업강국으로우뚝서야할것이다

.

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