기획특집: 극한 환경용 소재 - cheric · 타늄 합금 등의 금속 재료가 로켓...

12 공업화학 전망, 제17권 제5호, 2014

극한환경용 복합재료의 개발 현황

원종성⋅이승구†

충남대학교 유기소재⋅섬유시스템공학과

State of the Art of Composite Materials under Extreme Condition

Jong Sung Won and Seung Goo Lee†

Department of Advanced Organic Materials & Textiles System Engineering,

Chungnam National University, Daejeon 305-764, Korea

Abstract: 다양한 산업분야의 부품소재를 비롯하여 일상용품에 이르기까지 새로운 특성을 지닌 복합재료에 대한 수요

가 증가하고 있으며, 특히 산업이 점차 고도화, 세분화됨에 따라 극한환경에서 요구되는 엄격한 규제조건을 충족시킬

수 있는 차세대 소재에 대한 필요성이 증대되고 있다. 이러한 문제의 극복은 복합재료의 개발로 인하여 해결되고 있으

며, 이 중 섬유강화 복합재료가 많은 비중을 차지하고 있다. 복합재료란 특수한 기능향상을 위해 2개 이상의 물질을

물리적, 화학적으로 혼합한 재료로써 단일소재에서는 볼 수 없는 복수의 기능 및 목적에 적합한 특성을 실현한 재료라

할 수 있다. 본고에서는 극한환경에서 사용되는 섬유강화복합재료와 최근 대두되고 있는 바이오복합재료의 제조공정,

특성, 적용분야와, 그리고 주요 선진국과 우리나라의 최신개발현황을 살펴보았다. 또한, 국내외 기술동향 분석을 통하

여 국가의 전략 소재의 독자적인 개발과 일반산업으로의 상용화에 대하여 복합재료가 나아가야 할 방향을 제시하고자

하였다.

Keywords: Fiber, Composite, Fiber Reinforced Composite, Extreme Environment

1. 서 론

1)

현재 모든 재료는 금속, 세라믹, 고분자 재료로

나누어지게 되지만 현대 과학 기술의 발달로 인해

이런 재료 단독으로는 얻을 수 없는 성질을 가진

재료가 필요하게 되었다. 예를 들면, 비행기, 전투

기 우주선을 포함한 우주항공 분야와 잠수함, 자

동차 부품을 비롯한 운송 분야에서는 강하고 강성

이 뛰어나면서 가벼운 재질이 필요하다. 그러나

강한 재료는 상대적으로 높은 밀도 때문에 모순되

는 성질을 요구하는 것이다. 특히 자원의 고갈로

인한 에너지절약과 환경문제에 관한 규제 등은 환

경 친화적인 소재개발의 필요성을 가속화시키고

있다. 이러한 추세는 항공기, 철도, 선박뿐만 아니

저자 (E-mail: [email protected])

라 자동차산업도 예외가 아니어서 최근 환경변화

에 대응하기 위한 신규 소재개발이 시급한 실정이

다. 따라서 단순히 성능이 좋으면서도 값이 저렴

한 제품이 아니라, 이제는 에너지소비 및 환경보

호 차원까지 산업 환경 변화에 대응하기 위한 다

양한 요건을 충족시킬 수 있는 소재개발이 요구되

고 있다. 이러한 요구에 가장 적합한 소재가 복합

재료로서 현재 많은 기술개발이 진행되고 있다

[1-2].

복합재료란 특수한 기능향상을 위해 2개 이상

의 물질을 물리적, 화학적으로 혼합한 재료로써

단일소재에서는 볼 수 없는 복수의 기능 및 목적

에 적합한 특성을 실현한 재료라 할 수 있다. 두

가지 상중 하나는 기지재(matrix)이고, 기지재가

분산상을 둘러싸고 있다. 나머지 하나의 상은 강

화재로 섬유, 금속, 세라믹, 고분자 재료 등이 이용

기획특집: 극한 환경용 소재


KIC News, Volume 17, No. 5, 2014 13

Figure 1. 구조용 복합재료.

Figure 2. 다양한 분야의 복합소재 제품들.되며 이를 조합시켜 복합재료를 제작할 수 있으며

재료를 구성하는 분산상 또는 강화재와 기지재의

상 그리고 이들 사이의 계면상의 조합에 따라 다

양한 기능을 부여할 수 있다. 강화재와 기지재 상

과의 관계에 의해 높은 파괴인성을 갖게 되고 점

진적이고 안정적인 파괴현상을 유도하므로 재료

의 파괴에 대한 높은 신뢰성이 요구되는 분야에

적용된다[3-4].

이러한 복합재료는 여러 가지 기준으로 분류될

수 있다. 기지재의 종류에 따라 고분자 복합재료

(polymer matrix composites, PMC), 금속 복합재

료(metal matrix composites, MMC), 세라믹 복합

재료(ceramic matrix composites), 및 고무 복합재

료(rubber matrix composites, RMC), 시멘트 복합

재료(cement matrix composites, CMC) 등으로, 강

화재의 형상에 따라 입자 강화 복합재료(particle

reinforced composites), 단섬유 강화 복합재료

(short-fiber reinforced composites) 및 장섬유 강화

복합재료(continuous fiber reinforced composites)

등으로 분류되며, 또한 강화재의 종류에 따라서

탄소섬유강화 복합재료(carbon fiber reinforced

composites, CFRC), 유리섬유강화 복합재료(glass

fiber reinforced composites, GFRC), 세라믹섬유

강화 복합재료(ceramic fiber reinforced compo-

sites, CFRC) 및 금속섬유강화 복합재료(metal fi-

ber reinforced composites, MFRC) 등으로 분류된

다. 그리고 강화재에 모재까지 포함시켜 조합하면

탄소섬유강화 플라스틱(carbon fiber reinforced

plastics, CFRO), 유리섬유강화 플라스틱(glass fi-

ber reinforced plastics, GFRP), 아라미드 섬유강

화 플라스틱(aramid fiber reinforced plastic,

AFRP), 금속섬유강화 플라스틱(metal fiber re-

inforced plastics, MFRP) 등과 같이 다양한 이름

으로 분류된다. Figure 1은 경량구조용으로 사용

되는 복합재료의 전형적인 구성 예를 나타낸 것이

다[5].

가장 널리 이용되는 복합재료는 강도가 높고 고

탄성률의 연속섬유를 보강재로 이용한 것이다. 이

러한 것으로 먼저 고분자 복합재료가 있는데 이는

열경화성 수지(에폭시, 불포화 폴리에스터, 페놀

포름알데히드, 폴리이미드 등)나 열가소성 수지

(폴리에스터, 나일론, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌

등)에 유리섬유와 탄소섬유, 유기섬유, 세라믹섬

유 및 금속섬유를 보강한 것이다. 이러한 복합재

료는 원료 섬유의 가격이 높고 제조공정이 복잡하

여 제조비용이 높은 단점이 있어 응용분야가 우주

항공용, 국방용 등으로 극히 제한적이었으나 최근

에는 원료소재 가격의 하락과 더불어 응용분야가

확대되어 우주항공, 운송 분야뿐만 아니라 스키

보드, 골프채, 테니스 라켓과 같은 레포츠 용품까

지 많이 이용되고 있다. Figure 2는 복합소재의 응

용분야를 보여준다[6].

이러한 섬유강화 복합재료들은 기존의 금속재

료들보다 강도(strength)와 강성(modulus)이 높다.

복합재료는 낮은 비중 때문에, 높은 비강도

(strength/density)와 비강성(modulus/density)을 가

지게 되며, 일반적으로 우수한 피로(fatigue) 특성

을 가지고 있기 때문에, 무게를 줄여야 하는 우주

항공 재료나 자동차의 재료로써 많이 사용되고 있


14 공업화학 전망, 제17권 제5호, 2014

Figure 3. 단섬유 복합재료의 섬유 배향[7].

다. 고분자 물질을 기지로 하는 섬유강화 복합재

료는 기지재가 높은 감쇠(damping) 특성을 지니고

있어 구조재료로 사용할 경우에 구조의 높은 고유

진동수를 가져오며, 외부의 요인에 의해 진동이

발생할 경우 쉽게 진동을 흡수하므로 동력전달축

등에 사용된다. 또한 섬유로 강화된 복합재료는

낮은 열팽창계수를 가지므로, 우주선과 같이 높은

온도와 낮은 온도에서 동시에 사용되는 구조재료

로 이용되면, 치수의 안정을 가져오게 된다[7].

복합재료는 여러 가지 방법으로 성형되며 고분

자를 기지재로 사용하는 복합재료는, 진공백 성형

(vaccum bag molding), 압축성형(compression

molding), 펄트루전(pultrusion), 필라멘트 와인딩

(filament winding), RTM (resin transfer molding)

방법 등이 있다[8].

섬유는 이방성 재료로 섬유길이 방향에서 가장

강한 강도를 나타낸다. 따라서 복합재료의 내부에

섬유가 어떤 분산 또는 배열형식을 취하게 할 것

인지는 복합재료 구조의 설계의 기본이 되는 중요

한 문제이다. 섬유장이 짧은 섬유는 Figure 3과 같

이 기본적인 배열향식으로서 일방향 배향, 2차원

불규칙 배향, 3차원 불규칙 배향의 3종류가 있다.

일방향 배향을 갖는 복합재료는 섬유의 탄성률과

강도가 섬유배향 방향에서 가장 높게 나타난다.

하지만 섬유는 섬유의 수직방향에서 외력에 대하

여 전혀 저항을 하지 않으며 모재만 저항하므로

기계적 성질이 매우 낮다. 따라서 일방향 복합재

료는 역학적인 이방성이 매우 크다. 또한 복합재

료의 역학적 성질은 섬유가 2차원 불규칙 배향을

하고 있는 경우 섬유 배열면 내에서 등방성을 지

니며, 3차원 불규칙 배향을 하고 있는 경우는 3차

원적 등방성을 지닌다.

복합재료의 역학적 성질은 섬유의 체적함유율

에도 크게 의존하며 최대한 충전 가능한 섬유체적

함유율은 섬유의 배향과 섬유의 종횡비(aspect ra-

tio)에 따라서 변화하게 된다. 이론적으론 일방향

배향의 경우 섬유를 가장 치밀하게 충전하는 것이

가능하고, 충전 가능한 섬유 함유율은 섬유의 종

횡비에 의존하지 않는다. Figure 3에 나타나는 3종

류의 배향 중 (c)의 경우가 가장 섬유를 치밀하게

충전하기 어려우며, 섬유의 종횡비가 클수록 충전

가능한 섬유 함유율은 작아진다. (a)의 경우가 섬

유의 함유율이 가장 최대가 되며 이에 따라 연속

된 장섬유를 일방향으로 배열하는 경우 복합재료

는 섬유방향으로 최대의 강도와 탄성률을 지니게

된다[7].

본고에서는 극한환경(초고온, 극저온 등)의 상

황에서 그 성능을 유지할 수 있는 섬유강화 복합

재료의 종류와 특성에 대해 알아볼 것이며, 이에

따른 성능과 현재의 개발 현황 그리고 미래의 전

망에 대하여 서술하고자 한다.

2. 극한환경에서의 복합재료

극한환경에서의 섬유강화 복합재료의 시장방향

은 전구체 섬유의 개발속도와 고기능화 그리고 경

제적인 제조기술의 개발과 밀접하게 관련되어 있

다. 2000년대까지는 1200 ℃ 이상의 고온용 섬유

의 상업적 적용이 어려웠으나 1600 ℃ 이상의 고

온용 섬유들이 개발되고 상업화되며 복합재료의

제조방법 및 공정상의 문제점들이 해결되면서 보

다 고온의 응용범위로 확대될 수 있는 길이 열렸

다. 섬유강화 복합재료는 2000 ℃ 이상의 고온에

서 지속적으로 내열성 및 내산화성이 요구되는 우



Figure 4. 로켓발사에 이용되는 초고내열성 탄소 복합재료와 브레이크 디스크[자료: NASA NRPTA].

Figure 5. 극저온용 복합재료로 만들어진 액화산소저장용기

[자료: Aviation Week].

Figure 6. 복합재료의 다양한 이용분야.

주항공 분야, 초고온에서 고순도 및 내삭마성이

요구되는 원자로/핵융합로 분야, 고순도 및 고온

열처리가 요구되는 반도체 제조 및 진공 열처리로

분야에서 기존 재료로는 한계에 도달한 성능을 획

기적으로 향상시킬 수 있는 재료이다. Figure 4는

고내열성 복합재료 제품을 보여준다.

또한 극저온과 관련된 재료 기술로는 질소, 수

소, 헬륨 등의 가스를 수송, 저장, 액화하는데 주로

이용되었으나, 최근에는 그 응용분야가 확대되어

초전도 산업에 필수적일 뿐만 아니라 군사, 우주,

항공, 의료, 진공, 에너지, 전자, 수송, LNG 관련

분야 등에서 널리 활용되고 있다. 그중 극저온에

노출되어 구조 및 기능적 역할 수행이 필요한 응

용분야에서는 섬유강화 복합재료의 사용이 가능

성을 보이고 있다. Figure 5는 극저온용 복합재료

제품을 보여준다[9-12].

이러한 초고성능 섬유복합재료들은 일반 산업

분야에서의 수요 또한 빠르게 증가하고 있을 뿐만

아니라 자동차나 선박부품, 전기, 전자, 스포츠⋅

레저 분야까지도 그 범위를 넓히고 있다. Figure 6

은 복합재료로 만들어진 다양한 제품들을 보여준

다. 따라서 이러한 복합재료는 경제, 산업적 파급

효과와 그 중요성이 매우 크며, 그 적용분야 또한

향후 더욱 확대될 것으로 예상된다. 하지만, 국내

에서의 기술기반은 특정분야에 치우쳐져 있을 뿐

만 아니라, 이와 관련된 시장규모 또한 매우 취약

하여 향후 소재분야에서의 경쟁력 확보를 위한 연

구개발이 시급한 상황이다. 이를 위해서는 이미

확보된 전문 인력 및 기초기술을 이용하여 상용화

및 응용기술 개발에 필요한 적극적인 연구 지원과

더불어 산업계와의 협력이 필요할 것으로 판단된

다[12-14].

2.1. 초고온용 섬유 강화 복합재료

미국, 러시아 및 유럽의 몇 개국에서는 우주항

공과 국방 분야에 적용하기 위하여 수십 년 전부

터 초고온용 재료의 개발을 진행해왔다. 수백, 수

천도의 초고온환경 하에서 수 초부터 수천 시간까

지 견딜 수 있는 초고온내열성과 동시에 구조성도

지닌 소재를 집중적으로 개발하여 오늘날 실용화

가 이루어졌으며 계속해서 개발을 진행하고 있다.


16 공업화학 전망, 제17권 제5호, 2014

Figure 7. 여러 재료의 온도에 따른 비강도[17].

우주항공용으로 많이 알려진 일반적인 복합재

료는 고분자 복합재료이지만, 이는 고온에서 사용

하기 어렵다는 단점이 있다. 따라서 니켈, 크롬, 티

타늄 합금 등의 금속 재료가 로켓 모터나 터빈엔

진의 고온내열이 필요한 부위에 사용되어 왔다.

그러나 최근에는 세라믹 복합재료를 사용하여 내

열성은 물론 50% 정도의 경량화도 이루어내고 있

다. 일반적인 세라믹 소재는 고온내열성 재료로서

고강도, 저밀도, 내마모성을 비롯해 화학적 안정성

등을 지닌 장점이 있으나, 결함에 취약하고 특히

취성 파괴가 일어나기 쉬워 직접적인 사용이 어렵

다는 단점이 있다. 또한 이러한 소재는 사용온도

의 한계를 가지고 있다. 특히, 산화성 분위기하에

서의 내산화성 부족, 무거운 중량, 낮은 파괴인성

과 낮은 기계적 강도 등의 단점을 가지고 있다. 이

러한 점을 극복하기 위해 세라믹 매트릭스에 고강

도의 탄소섬유나 실리콘카바이드(SiC) 섬유를 강

화재로 하는 섬유 복합재료 개발이 이루어졌다.

Figure 7은 온도에 따른 다양한 재료의 비강도를

나타낸다[15-17].

섬유강화 복합재료는 일본, 미국, 유럽 등 각국

에서 다양하게 기술개발의 방향이 추진되어 왔다.

미국은 우주왕복선의 발사와 재귀환에 필요한 내

열소재 및 초고온 극한 환경용 소재로 개발이 시

작되었고, 일본은 세라믹 가스터빈을 대표로 하는

엔진의 에너지 및 열효율을 향상시키는 에너지소

재의 관점에서 진행되었으며 유럽의 경우 전투기

및 극초음속 항공기용 소재로서 개발이 추진되어

왔다. 따라서, 섬유강화 복합재료는 자연스럽게 극

한 환경 및 초고온 고강도의 소재로 인식되어 왔

으며 지난 수십 년 동안 이와 같은 고온용 복합재

료는 선진국만이 사용하는 전유물로 인식되었다.

우리나라도 최초로 우주발사체 나로호(KSLV-Ⅰ)

를 성공적으로 발사하는 등 이제 우주개발 경쟁에

뛰어들게 되었다. 하지만 우리나라는 2013년 나로

호 발사시 러시아 기술에 의해 제작된 추진체를

사용하는 등 엔진 노즐 관련 내열재 제작 등 설계

기술을 확보하지 못하였으며, 2018년 한국형 발사

체(KSLV-Ⅱ) 발사 사업을 진행함으로써 이러한

초고온용 내열 복합재의 개발이 더욱 중요한 시점

이다. 또한 미래에 우리나라가 우주강국에 합류하

게 된다면 미국, 유럽 그리고 중국과 같이 우주 왕

복선의 개발이 진행될 것이다. 우주왕복선이 대기

권으로 재진입시에 비행체의 nose-cone이나 날개

의 leading-edge 부위는 수천 도에서 수 분 동안

극한환경에 노출되기 때문에 우리나라도 이 같은

고온내열구조재의 개발 없이는 우주강국 진입이

용이치 않다.

우주발사체 개발 이외에도 2025년 전력화를 목

표로 한 한국형 전투기(KF-X) 사업 추진을 위해

서도 이러한 고온용 내열구조재의 개발은 필수적

이다. 전투기에 사용되는 제트엔진은 대기에서 공

기를 압축하고 이 압축공기와 연료를 혼합하여 연

소시켜 고온, 고압의 연소가스를 압축기 구동용

터빈에 분출시켜 터빈을 구동하는데, 이때 연소실

과 터빈블레이드는 1000 ℃ 이상의 고온 산화성가

스에 노출되므로 내열성과 구조성, 내산화성 그리

고 내삭마성의 특성을 갖는 소재가 요구된다. 최

근에 민간항공기와 군수용 항공기 엔진 제작 업체인

미국의 GE사와 프랑스의 SAFRAN 그룹의

SNECMA사는 각각 Boeing 737, 그리고 Airbus사

의 A320 계열에 사용할 차세대 LEAP-X 엔진을

공동으로 개발하기 위하여 CFM International사를

합작 설립하였으며, 그들은 엔진의 추력을 높여

연료 효율을 증가시킴으로써 경제적 이익과 함께



친환경성을 갖는 엔진 개발을 위하여 고온 내산화

성이 우수한 SiC섬유를 강화재로 하는 SiC 세라

믹 복합재료를 개발하여 엔진에 적용하고 있다.

이와 같이 향후 항공기를 비롯한 각종 엔진 분야

에서의 성능 증진을 위한 중요 기술의 하나로 고

온 내열소재의 개발이 점점 더 중요해지고 있다.

민간항공기, 전투기와 더불어 고속전철에 있어

서도 고온내열성과 함께 추가로 내마찰성을 갖춘

소재의 개발이 이루어지고 있고, 상당 부분은 실

용화가 되어 적용이 되고 있다. 항공기의 경우에

있어서 가장 중요한 것은 비상 착륙으로 인한 급

제동이나, 이륙 시 엔진을 최대로 가동하는 동안

에 이륙을 포기하는 즉, Rejected Take-Off (RTO)

의 비상사태가 발생하는 경우에 항공기를 안전하

게 정지시켜야 한다. RTO 상황이 발생하는 경우

에 다판으로 구성되는 브레이크는 고온 마찰로 인

하여 디스크 판 계면의 온도는 3000 ℃까지, 디스

크 자체는 1400 ℃ 이상으로 상승하게 되는데, 이

와 같은 극한 온도에 견디면서 마찰력을 유지할

수 있는 고온용 내열 내마찰성의 소재는 대단히

중요하다. 고온용 섬유강화 세라믹 복합재료가 개

발되기 전에는 항공기의 브레이크 소재는 모두 주

철계를 사용하였으나, 이 소재는 낮은 사용온도와

고온에서의 불안정한 마찰거동을 나타내어, 오늘

날 항공기의 브레이크디스크는 세라믹 복합재료

가 적용되고 있다.

2012년에 우리나라는 자체 기술로써 시속 430

km까지 주행할 수 있는 고속전철(HEMU-430X)

을 개발하였다. 고속전철의 선두주자인 프랑스의

TGV는 이미 2007년도에 시속 574.8 km를 주파하

였고 중국도 금년도에 이보다 더 빠른 시속 605

km의 기록을 달성한 고속전철을 선보였다. 이와

같이 고속전철의 주행속도가 급속하게 증가함에

따라서 안전하고 신속한 제동을 위한 브레이크 디

스크의 개발이 요구되고 있다. 이미 프랑스는 오

래전부터 이에 대비하여 고온 내마찰성을 갖는 세

라믹 복합재료를 개발하고 있는 것으로 알려져 있다.

이와 같이 고온 내열성 소재는 우주항공에서부

터 고속전철 등 모든 분야에서 요구되는 핵심소재

가 되었다. 미국과 유럽에서는 1960년대부터 국방

분야에 적용하기 위하여 개발이 이루어졌으며, 개

발된 기술은 민수분야에까지 적용이 이루어지고

있다. 앞에서 언급한 고온내열성 소재는 무엇보다

도 1000 ℃∼3000 ℃까지의 초고온 환경에서 불

활성⋅산화성 분위기에서 장, 단시간 사용을 할

수 있어야 하며, 또한 이 소재는 경량성이 요구되

며 초고온도에서도 높은 기계적 물성을 유지하는

구조성도 갖추어야 한다. 이러한 요구특성을 만족

하는 소재로써 오늘날 개발이 진행되거나 이미 실

용화가 이루어진 소재로는 첫째 앞서 언급한 C/C

(Carbon fiber reinforced Carbon)복합재료, 둘째로

는 탄소섬유강화재에 SiC를 매트릭스로 하는

C/SiC (Carbon fiber reinforced Silicon carbide)복

합재료, 마지막으로 SiC 섬유 강화재에 SiC를 매

트릭스로 한 SiC/SiC (Silicion carbide fiber re-

inforced Silicon carbide)복합재료의 3종류가 있다

[14].

탄소기지에 탄소섬유가 보강된 탄소-탄소(C/C)

복합재료는 2000 ℃ 이상의 비산화성 환경에서 고

내열성⋅고강도⋅내열 충격성을 보여주며, 비강

성이 높아서 경량화 측면에서도 우수한 재료이다.

따라서 고온 산화분위기에서 사용하기 위하여

C/C 복합재료 표면에 산소와 접촉을 차단할 수 있

도록 내산화 코팅기술과 내산화성이 우수한 SiC

로 탄소 기지재를 대체하기 위한 SiC 복합재료 제

조기술 등이 중요한 연구개발 분야이다. 이제 3종

류의 고온내열구조 복합재료를 중심으로 이들의

제조공정, 특성 및 적용분야와 기술 현황을 알아

볼 것이다[17].

탄소복합재료는 일반적으로 1500 ℃ 이상의 고

온에서 지속적으로 내열성⋅내산화성⋅내식성을

갖으며, 주로 우주항공의 고속비행체 및 엔진의

내열구조 분야, 원자로, 핵융합로 분야, 반도체 제

조 및 진공 열처리로 분야 등의 핵심 전략부품으

로 이용된다. 탄소복합재료는 고온 내열금속이 감

당할 수 없는 1500 ℃ 이상의 고온 영역을 견딜

수 있는 필수소재로 각광받고 있으며, 기존의 내

열합금 또는 세라믹 재료의 기술적 한계를 해결할


18 공업화학 전망, 제17권 제5호, 2014

저탄성률

타입(LM)

고탄성률

타입(HM)

초

고

탄

성

률

타

입

(UH

M)

표준탄성률타입(SM)

중탄성률타입

(HM)

Figure 8. 탄소섬유의 기능적 분류[18].

수 있는 초고온 재료로 평가되고 있다.

또한 탄소복합재료는 고온에서의 우수한 내열

성, 강도, 내열충격성 뿐 아니라 온도가 증가할수

록 강도가 증가하는 특성을 가지고 있다. 이는 탄

소재료의 특징적 구조에 기인한 것으로, 탄소복합

재료는 고온의 열처리를 받게 되면 무질서한 결정

구조가 흑연구조로 변환되면서 각종 특성이 변화

하게 되기 때문이다. 이에 따라 고온 처리된 흑연

은 2000 ℃의 열에도 변성이 없으며, 기계적 강도

가 온도상승에 따라 최고 2배까지 증가하는 특성

을 보인다. 이러한 특성으로 인하여 초고온 용도

에는 최적의 재료로 사용되며 특유의 윤활성, 내

열성, 내식성, 전기 및 열전도성 등으로 인해 철강

재료에 이어 현대산업의 중요한 소재 중 하나로

인식되고 있다. 또한 내약품성, 화학적 불활성 및

생체 친화성이 우수하며, 비강도가 기존의 구조재

에 비하여 월등히 높아 경량화 소재로도 매우 뛰

어나다.

그러나 탄소복합재료의 이러한 강성은 산소 분

위기 하에서 약 400 ℃부터 탄소가 산소와 반응하

여 산화되는 문제 때문에 온도범위에 따른 적용의

한계를 가지고 있다. 따라서 탄소복합재료는 주로

고체로켓의 엔진부품, 대기권 재진입 비행체의 구

조재 등 주로 무산소 분위기 및 2000 ℃ 이상의

고온에 적용되고 있으며, 내산화 코팅으로 표면산

화특성을 개선한 소재만이 나머지 분야에 사용되

고 있다. 이에 적용범위를 확대하기 위한 방안으

로 장시간 고온 산화환경 및 급격한 온도변화 조

건에서도 안정적일 수 있는 코팅기술, 탄소섬유와

매트릭스의 결합력을 조절하여 열응력에 의한 크

랙 발생을 줄일 수 있는 프리폼 설계기술, 탄소섬

유 프리폼 내부로 복합재료 기지를 신속히 침투시

켜 증착할 수 있는 고밀도화 공정 등이 최근 기술

개발의 핵심 현안이다.

탄소섬유는 흔히 출발원료에 따라 PAN계,

Pitch계, 레이온(rayon)계 탄소섬유로 구별하며 성

능에 따라 범용 탄소섬유와 고성능 탄소섬유로 분

류하기도 한다. 고성능 탄소섬유는 고강도(high

tensile, HT), 중탄성률, 고강도(intermediate mod-

ulus, IM), 고탄성률(high modulus, HM)섬유의 통

칭으로, 탄성률과 강도로 표현되는 탄소섬유의 기

능적 분류는 Figure 8과 같다. 일반적으로 탄성률

300 GPa 이상의 탄소섬유는 고성능 탄소섬유로

분류되며, 기계적 특성이 우수하여 주로 항공기용

복합재료로 사용된다[18].

초고온 탄소복합재료용 원료로 사용되는 고성

능 탄소섬유는 대부분이 제조공정상 소성⋅탄소

화 반응의 제어가 용이한 PAN계, Pitch계를 원료

로 제조되고 있다. 이러한 탄소섬유는 인장강도,

인장탄성률이 다른 섬유에 비해 월등히 높아 보강

재로서 매우 우수한 성능을 보이며, 특히, 비강도,

비탄성률이 우수하여 경량화가 필요한 항공, 우주,

스포츠 산업에 바람직한 복합재료로 이용되고 있

다. Table 1은 특성에 따른 탄소섬유의 활용분야

를 보여준다.

현재 복합재료용 강화재 중 탄소섬유는 30∼

50%의 비중을 차지하며, 소재의 안정성에 주요

연구가 집중되어 있다. 개발 초기 PAN, Pitch, 레

이온, 페놀 등이 탄소섬유의 원료로 이용되었으나,

현재는 크게 PAN계와 Pitch계 두 종류가 주를 이

루고 있다. 대부분의 복합재료용 구조재는 PAN계

가 사용되고 있으며, 높은 강성이 필요한 구조물

에는 Pitch계 탄소섬유가 적용되기도 한다.

PAN계 탄소섬유의 제조공정을 살펴보면, PAN

전구체는 섬유를 한 개의 축 방향으로 배향한 상

태에서 소성⋅탄소화하는 경우에 전 과정에서 배



특성 응용분야

고강도, 고탄성률 우주 항공재료, 스포츠 레저기구, 구조재료

치수안정성 우주기구, 전파망원경, 정밀기구

내피로성 헬리콥터 블레이드

진동감쇠성 음향기구

내열성 단열재, 브레이크재료

내부식성, 내화학성 패킹, 필터류

전기적 특성 각종 전극재료, 전자파 차폐, 정전기 방지

생체적합성 인공골재

X선 투과성 X선기구

Table 1. 고성능 탄소섬유의 특성에 따른 활용분야[18]

Figure 9. PAN계 탄소섬유 제조과정.

Figure 10. Pitch계 탄소섬유 제조과정[18].

향상태가 보존되기 때문에 최종적으로 섬유구조

를 갖는 탄소섬유를 쉽게 얻을 수 있다는 장점을

가지고 있다. Figure 9에서와 같이, PAN계 섬유는

내염화 처리를 통해 안정화시킨 후, 불활성 분위

기 하에서 탄화소성 또는 흑연화 처리하는 방법으

로 만들어진다. 이때 가장 중요한 공정은 내염화

공정이며, 이 공정에서 PAN 분자는 탄소화 반응

을 제어하기 쉬운 피리미딘 고리를 주성분으로 하

는 래더형 고분자 형태가 되며, 이 단계의 제어형

태에 따라 탄소섬유 최종물성이 결정된다. 내염화

처리를 거치는 동안 분자배향이 열수축으로 인해

붕괴되므로 고성능 탄소섬유의 제조방법에는 연신

과정을 통한 내염화 처리방법이 포함되어 있다.

Pitch계 탄소섬유의 경우, PAN계 탄소섬유 제조

과정과 유사하지만 원료가 되는 Pitch의 광학적

성질로 인해 차이점을 보이는데, 이는 방향족 탄화

수소의 혼합물인 Pitch의 이방성 특성에 기인한다.

Figure 10에서와 같이 일반적으로 무정형, 등방

성인 Pitch를 불활성 가스 분위기 하에서 적당한

온도(350∼500 ℃)로 가열할 경우, 여러 반응경로

를 거쳐 mesophase의 이방성 Pitch A와 B, 두 가

지 형태로 전환되게 되며, 이러한 전구체 차이에

의해 최종 제조되는 탄소섬유의 물성이 결정되게

된다. PAN계에서는 공정상 제어를 통해 범용 탄

소섬유와 고성능 탄소섬유를 모두 제조할 수 있었

으나, Pitch계의 경우에는 전구체에 따라 최종 섬

유의 물성범위가 정해지며, 등방성 Pitch로부터 범

용 탄소섬유가, 이방성 Pitch (A 및 B)로부터는 고

성능 탄소섬유가 얻어진다.


20 공업화학 전망, 제17권 제5호, 2014

grade 인장탄성률(GPa) 인장강도(MPa) 연신율(%) 밀도(g/cm3)

PAN계

TR50S 240 4,900 2.0 1.82

MR40 295 4,410 1.5 1.76

MS40 345 4,610 1.3 1.77

HR40 390 4,610 1.2 1.82

HS40 450 4,410 1.0 1.85

SR40 490 4,210 0.9 1.88

Pitch계

K633 440 2,600 0.6 2.06

K637 640 2,600 0.4 2.12

K13A 790 2,600 0.3 2.15

K63B 860 2,600 0.3 2.17

Table 2. PAN계 및 Pitch계 탄소섬유의 물성 비교

자료: MITSUBISHI RAYON

이처럼 Pitch계 섬유는 전구체에 따라 최종 물

성이 결정되기 때문에 원료의 성상이 중요하며,

Pitch계 탄소섬유의 탄성률은 방향족 축합고리 정

도와 결정화 정도에 따라서 결정된다. 메소페이스

의 Pitch계 탄소섬유는 원료단계에서 결정성이 높

고 흑연으로 되기 쉬운 구조를 갖고 있기 때문에

비교적 저온에서 단시간에 탄성률이 향상된다. 따

라서 PAN계 탄소섬유에 비해 비교적 저가로 고탄

성률 탄소섬유를 제조할 수 있다는 장점을 가진다.

일반적으로 상용화된 PAN계 및 Pitch계 탄소섬

유의 물성을 비교해 보면 Table 2와 같다. 산업계

에서는 보통 PAN계 탄소섬유의 400 GPa 이상의

고탄성 제품을 복합재료분야의 구조재로 활용하

고 있다. 특히, PAN계 탄소섬유는 Pitch계에 비하

여 인장 및 압축강도가 우수하지만 밀도는 상대적

으로 작아 경량화 구조재료로 적합한 특성을 가진

다. 반면, Pitch계 탄소섬유는 대체적으로 인장탄

성률은 높은 반면, 인장강도가 현격히 낮고 밀도

가 상대적으로 높아 주로 고강성을 필요로 하는

기능성 구조물에 Pitch계 탄소섬유를 적용하는 사

례가 증가하고 있다.

탄소섬유는 모든 타입의 기지재, 즉 고분자, 세

라믹 그리고 금속과 함께 복합재료를 제조할 수

있다. 그러나 이 같은 우수한 기계적, 열적 특성을

이용하여 고온용의 소재를 제조하기 위해서는 매

트릭스 또한 고온에서 사용할 수 있어야 한다.

1960년대 미 공군연구소에서 탄소섬유에 페놀릭

수지를 함침한 복합재료 연구 시 연구원의 실수로

이 시편이 고온에 노출되었는데 시편이 검은 숯의

탄소로 변하고 형상을 유지하고 있음을 관찰할 수

있었던 것을 시작으로 고분자 물질의 탄화에 대한

연구를 시작하였다.

C/C 복합재료의 밀도는 1.6∼2.0 g/cm3로 금속

과 세라믹에 비하여 낮은 밀도를 갖기 때문에 우

주비행체에서 가장 중요하게 고려되는 경량성이

뛰어나다. C/C 복합재료는 불활성 분위기에서

3000 ℃까지의 초고온에서도 높은 강도를 유지하

고, 열팽창계수가 낮으며 열전도도 및 열 충격 저

항성이 높고, 고압⋅융삭 환경에서의 삭마성이 낮

다. 이는 C/C 복합재료가 가진 가장 중요한 물성

이다. C/C 복합재료의 기계적 강도는 온도에 따라

증가하는데 이는 금속과 세라믹에서는 찾을 수 없

는 중요한 성능이다.

C/C 복합재료는 Figure 11에서와 같이 열경화

성 고분자의 열분해, 열가소성 Pitch를 이용하는

액상침투(LI) 그리고 메탄이나 프로판 등의 탄화

수소 가스를 이용하는 화학기상증착(CVD) 및 침

착(CVI)에 의해서 제조될 수 있다. C/C 복합재료



Figure 11. C/C 복합재료 제조 공정도[14].

Figure 12. 다양한 형상의 탄소섬유 프리폼[14].의 제작은 탄소섬유 프리폼 제작으로부터 시작되

며, Figure 12와 같이 프리폼은 섬유를 한 방향으

로 배열한 1차원 구조(UD)에서부터 2D, 3D 및 다

차원 구조(MD)로 이루어진다. 이 프리폼은 기공

의 한 종류로 볼 수 있는 유니셀 구조를 갖고 있으

며 유니셀은 다양한 형상과 크기를 갖는다. 이 유

니셀 공간을 탄소 매트릭스로 채워 밀도를 증가시

키는 공정을 고밀도화(densification) 공정이라 칭

한다. 메탄, 프로판 등의 탄화수소 가스를 사용하

는 CVI공정은 프리폼을 1000∼1400 ℃로 가열하

여 탄소 매트릭스로 기공과 탄소섬유-탄소섬유 공

간을 채워 나간다. 또한 프리폼은 액상의 페놀릭

수지나 피치로 함침하고 탄화하고, 1000∼2700

℃ 까지 고온에서 흑연화를 한다. 피치나 고분자

수지의 열분해는 상압 혹은 고압함침(HIP)에 의해

서 이루어진다. 함침 후나 상압 탄화 후 중간 공정

에서 흑연화 공정이 이루어지는데 이는 추가적으

로 폐기공을 깨트려서 탄소 매트릭스를 기공 안에

다시 채우기 위함이다[14].

C/C 복합재료는 사용하는 탄소 매트릭스의 종

류, 미세구조, 밀도 그리고 복합재료 형태의 선택

에 따라 물성이 크게 달라진다. 제조 공정 및 탄소

전구체는 밀도, 결함, 기공과 크랙 및 그라파이트

방향 같은 매트릭스 미세구조의 형성에 큰 영향을

미친다. 흑연화 정도를 나타내는 매트릭스 미세구

조 또한 C/C 복합재료의 물성을 좌우한다. CVD

또는 Pitch 공정으로부터 결정성 매트릭스 구조를

얻을 수 있으며, 열경화성 고분자로부터는 무정형

매트릭스 구조를 얻으며 이는 최종적으로 고온하

에서의 강도에도 영향을 미친다.

C/C 복합재료의 주요 물성은 강도, 강성, 파괴

인성, 마찰특성, 열전도도, 그리고 고온에서의 산

화저항성으로써, 이러한 기계적 성질은 사용하는

탄소섬유와 매트릭스의 종류, 부피함유율, 접착력

과 크랙 전파기구에 의존하며, 열적 성질은 열전

달현상에 의해서 지배받는다. 강력한 결합력을 갖

는 복합재료는 섬유의 인발(pull-out) 없이 급격하

게 파손이 일어나며, 계면이 조절되는 경우에는

고강도의 물성을 보여주는 인장과 전단 혼합모드

로 파단이 일어난다. C/C 복합재료는 불활성 분위

기하에서 2000 ℃ 고온에 노출되면 강도가 약 10

∼20% 증가하며, 반면에 공기 중에서는 온도와

시간에 따라서 중량감소가 일어나 약 10∼20% 물

성이 감소된다. 또한 탄소섬유는 450 ℃ 이상에서

산소와 반응하기 쉽다. 따라서 고온에서 장기간

사용을 위해서는 Si, Zr, Ta, Al 등의 탄화물, 질화

물 및 산화물질로 코팅을 하여야 한다.

C/C 복합재료는 무엇보다도 우주항공 및 국방

분야에서 매우 중요한 역할을 하고 있으며, 특히

추진기관 내열부품으로써 개발이 이루어져 이 분

야에 큰 기여를 하고 있다. 이외에도 C/C 복합재

료는 우주왕복선 및 미사일 분야에서 leading

edge, 극초음속 비행체의 구조부품, 연소실 라이

너, 노즐 목 및 exit-cone, 제트엔진 부품, 베인


22 공업화학 전망, 제17권 제5호, 2014

Figure 13. 580 ℃ 공기 중 노출 시 탄소섬유의 중량 감소[14].

(Vane), 일반산업 분야에서는 발열체, 금속성형용

금형, 고온용 볼트 및 넛트, 내연 기관의 피스톤

연결 로드, 고온용 용기, 경주용 차 및 고속전철의

브레이크디스크, 전극, 그리고 의료 및 원자력 분

야에서는 인공 뼈, 인공심장 밸브와 핵 반응로의

열교환 튜브 등에 적용되고 있다.

앞서 말했듯이, Figure 13에서와 같이 탄소섬유

는 공기 중에서 450 ℃ 이상의 온도에 노출되면

산화가 일어나기 시작하여 강도가 매우 저하된다.

C/C 복합재료는 불활성 혹은 진공 분위기에서 매

우 높은 내삭마성을 가지며, 2700 ℃ 이상의 온도

에서 높은 기계적 강도, 열 충격 저항성, 인성과

피로성 등 우수한 기계적 손상 저항성을 갖추고

있으나, 400∼500 ℃의 산화성 분위기에 매우 민

감해 산화가 발생하기 때문에 사용에 제한을 받고

있다.

따라서 산화로부터 탄소섬유와 탄소 매트릭스

의 보호를 위해 세라믹으로 표면 코팅을 한다.

SiC는 높은 열 안정성, 고온에서의 우수한 강도와

낮은 밀도로 인하여 코팅재로써 최적의 소재라 할

수 있다. SiC매트릭스를 C/C 복합재료나 탄소섬

유에 코팅하기 위한 공정으로 CVI 공정, PIP

(Polymer Infiltration and Pyrolysis) 공정, 그리고

LSI (Liquid Silicon Infiltration) 공정이 개발되어

사용되고 있다.

LSI 공정은 세라믹 슬러리를 용침하는 것으로,

고온 소결과 가압 프레스 작업을 요구한다. 그러

나 이 공정은 고온 소결과 고압 프레스 작업으로

인한 탄소섬유의 기계적, 열적 및 화학적 손상을

주어 제한을 받는다. 또한 SiC의 점성적인 유동성

이 없기 때문에 1차 혹은 2차형 프리폼에 한정된

다. 2차형 프리폼은 직물, 단섬유, 필라멘트 와인

딩 혹은 브레이딩(Braiding)에 의해서 제작되며,

이들은 페놀릭 수지 등의 고분자를 이용하여

RTM, 오토크레이브 및 프레스 등의 공정으로 탄

소섬유 성형체를 제작한다. PIP 공정에서는 유기

계 실리콘 고분자인 폴리카보실란(PCS)을 용침하

고, 1000 ℃에서 열분해하여 SiC로 전환한다. 이

공정은 높은 수축율과 낮은 SiC 전환율로 제한을

받는다. CVI 공정은 균일한 코팅을 위해 제조비용

이 비싸고 시간이 많이 걸리는 단점을 가진다. 이

같은 공정을 통하여 C/SiC 또는 C/C-SiC 복합재

료를 얻을 수 있다.

산화저항성 측면에서 SiC는 우수한 산소 차단

제이다. C/C-SiC 복합재료에서 SiC는 LSI 공정에

의해서 만들어지는데, 이는 고온산화성 분위기에

서 실리콘 침착이 없는 소재에 비하여 비교할 수

없을 정도의 낮은 중량감소를 나타낸다. 가열과

냉각이 반복되면 횡 방향 크랙이 일어나는데, 이

때 산소는 SiC와 C의 큰 열팽창 차이로 인하여 크

랙 사이로 확산하게 된다. 실리콘 침착 시 SiC/C

계면의 내부는 탄소로, 밖은 SiC로 형성되는데, 이는

열팽창 차이를 감소시켜 크랙의 형성을 방지함으

로써 산화저항성을 증가시켜준다. 또한, C/C-SiC

는 열전도도, 비열용량, 분광방사율과 열팽창계수

면에서 열적 물리적 성질이 우수하다.

세라믹 복합재료는 금속이나 탄소섬유 복합재

료 보다 원료와 제조비용이 고가이므로, 선택의

여지없이 고온 환경에 노출되어야만 하는 우주항

공 분야에 집중적으로 적용된다. C/SiC 소재는 구

소련 Buran우주왕복선의 열 차폐 시스템(TPS:

Thermal Protection System)인 노즈-캡에 최초로

적용되었다. 오늘날 C/C-SiC는 X-38 시제기의 노

즈-캡에 적용되었는데, 대기권 재진입이 일어나는

20여 분 동안 이 부위의 온도는 최대 1800 ℃에

달하게 된다. 또한 이 소재는 구조물의 lead-

ing-edge는 물론 예리한 형상을 갖는 노즈-팁에도



Figure 14. 각종 복합재료의 사용온도에 따른 사용시간[14].

적용되어 극한 열하중에 견디고 있다. 로켓 모터

분야에서 가장 극심한 열적 및 기계적 하중에 견

디면서 가스의 방향을 바꾸는 역할을 하는 TVC

(Thrust Vector Control)의 Jet vane에도 C/C-SiC

가 적용되며, 이는 몇 초간의 시간 동안 최대온도

2800 ℃까지 도달하는 가열속도를 버티며, 속도

2000 m/s의 알루미나 입자에 의한 삭마에도 견딘

다. 또한 금속이나 기타 다른 내화성 소재를 적용

하는 것이 비해 중량을 90%까지 경량화 시킬 수

있다.

앞서 살펴본 대로 C/C 복합재료는 3000 ℃의

불활성 분위기에서 사용 가능하며, C/SiC 소재는

2000 ℃ 이하의 산화성 분위기에서 장, 단시간 사

용이 가능하다. 그러나 우주항공 비롯한 여러 분

야에서는 강력한 고온 산화성 분위기에서도 장시

간 사용이 가능한 복합소재의 개발을 필요로 하였

다. 이에 가장 적합하고 유망한 소재가 SiC 섬유

에 SiC를 매트릭스로 하는 SiC/SiC 복합재료이다.

Figure 14에서 볼 수 있듯이 SiC/SiC 복합재료는

1000 ℃ 이상에서도 수천 시간 사용이 가능하다.

C/C와 C/SiC 복합재료의 출현에 큰 기여를 한

소재가 탄소섬유라 하면, SiC/SiC 복합재료의 핵

심적 역할을 하는 소재는 SiC 섬유이다. 탄소섬유

가 낮은 온도에서의 산화가 일어나는데 비하여

SiC 섬유는 산화에 강한 저항성을 가지고 있다.

항공기, 전투기, 로켓 및 미사일, 일반산업 및

미래의 극초음속항공기 분야에서는 지난 수십 년

동안 가스터빈을 사용하여 에너지를 생성하거나

추력을 극대화하기 위한 연구개발이 진행되어 왔

다. 가스터빈은 고온, 고압의 공기를 흡입하여 연

소기에서 분사된 연료와 혼합한 뒤 연소시켜 터빈

을 가동하는 Air breathing형의 제트 엔진이다. 가

스터빈의 성능개선에 있어서 연소 온도를 높이기

위한 시도가 추진되고 있는데 이 경우에 연소실이

나 터빈블레이드 및 노즐 파트는 산화성이 높은

고온의 연소가스에 노출된다. 따라서 이에 이용되

는 부품들은 장시간 노출 시 변형과 크립 및 피로

응력이 발생하며, 고온에서의 산화 또한 가속된다.

또한 다량의 냉각이 필요하므로 터빈의 흡입 온도

를 낮추게 되어 열효율이 감소된다. 이러한 부품

에 SiC/SiC 복합재료의 사용은 열효율의 증가시키

며 냉각시스템 또한 제거할 수 있게 한다.

SiC/SiC 복합재료에서 가장 핵심이 되는 소재

는 SiC 섬유의 개발이다. SiC 섬유는 1975년에 일

본 동북대학의 Yajima 교수에 의해서 개발이 되었

다. 그 이후 일본을 중심으로 개발이 되어 오늘날

에는 미국, 영국, 중국이 상용화를 하였으며, 독일

과 우리나라는 개발 단계에 있다.

SiC 섬유는 기본적으로 PCS를 출발물질로 하

여 PCS 섬유를 용융방사하고, 불융화를 위한 가교

결합 후 소결을 거치는 공정과, 탄소섬유 혹은 텅

스텐 코어에 CVD 공정을 적용하여 SiC 섬유를

얻는 2가지 공정이 있다. SiC/SiC 복합재료의 제

조에는 C/SiC와 동일한 공정을 기본적으로 사용

한다. 한편 일본은 CREST-ACE (Core Research

for Evolutional Science and Technology,

Advanced Composite Systems for Energy

Conversion) 프로그램을 통하여 공정시간을 단축

한 저가의 공정으로 높은 기계적 물성, 고열전도

도, 복잡한 형상 및 얇은 두께를 가지며 내방사성

이 우수한 NITE (Nano-Powder Infiltration and

Transient Eutectoid) 공정을 개발하여 원자력 발

전소에 적용 연구를 하고 있다. PIP 공정은 가장

높은 섬유분율을 가져 구조적으로 안정한 복합재

료를 얻을 수 있으며, 반면에 이 공정으로는 탄성

률이나 강도가 다소 다른 공정에 비하여 낮은 단

점을 갖고 있다. 열전도도 측면에서는 CVI 혹은

CVI-PIP 혼합공정이 높은 값을 나타내고 있다.


24 공업화학 전망, 제17권 제5호, 2014

Syl-iBN MI Syl-iBN CVI Syl-iBN CVI-PIP Syl-iBN PIP

Density (g/cc) ∼ 2.75 ∼ 2.65 ∼ 2.70 ∼ 2.65

Fiber Volume Fraction (Vf) ∼ 38 ∼ 38 ∼ 38 ∼ 50

Modulus (GPa) ∼ 250 ∼ 250 ∼ 210 ∼ 160

Tensile strength (MPa) ∼ 450 ∼ 450 ∼ 400 Up to ∼ 400

Stress on fibers at failure

(MPa)∼ 2400 ∼ 2400 2100 to 2400 800 to 1600

ILT Strength (MPa) 17 7 10 23

K33 (25 ℃), W/mk 25 18 28 8

K33 (1400 ℃), W/mk 5 10 4

Permeability, Mtorr/m 25 2000 150 1200

Table 3. 2-D 직물 SiC/SiC 복합재료의 공정별 물성 영향[14]

Figure 15. 고온하에서의 각 제조공정별 크립 파단 강도[14].

(a)

(b)

Figure 16. 1500℃에서 잔류 실리콘 유무에 의한 복합재료

의 크립거동[14].

(a) Sylamic-iBN PIP/CVR, Sylrmaic-iBN CVI/PIP, (b) 공기 중

Table 3은 SiC/SiC 복합재료의 각 공정에 따른 물

성을 보여준다.

고온에 장기간 노출 시 내열복합재료의 크립 및

피로거동은 대단히 중요하다. 고온하 크립(Creep)

파단시험 시에 섬유에 가해지는 크립 파단강도는

제조공정으로부터 큰 영향을 받는다(Figure 15).

1315 ℃ 하에서 제조된 복합재료는 800 시간 후에

파단되어 가장 우수한 크립 저항성을 나타내는 반

면에 PIP나 CVI-PIP 공정에 의한 복합재료는 낮

은 크립 저항성을 나타내었다. 이는 기공이 실리

콘으로 잘 채워져서 응력 집중이 제거됐기 때문이

다. SiC/SiC 복합재료에서는 잔류 실리콘 유무에

따라서 크립물성에도 큰 영향을 미친다. 잔류 실

리콘 존재시에 크립강도가 낮게 나타나며, 고온

및 공기 중에서의 크립시험 결과 크립 파단시간이

잔류실리콘이 존재하지 않는 경우에 비하여 매우

짧다(Figure 16).

SiC/SiC 복합재료는 앞서 살펴본 바와 같이 우

수한 고온내열구조 특성으로 인하여 에너지, 로켓

및 미사일 등의 국방, 항공기 및 전투기, 미래의

극초음속 여객기, 우주발사체 및 비행체, 그리고

원자력 발전 분야 등으로의 적용이 활발하게 진행

될 것으로 보인다. 특히 SiC/SiC 복합재료는 핵융



특성 (A)

C/C C/SiC SiC/SiC

High ablation resistance Oxidation resistance Long life oxidation resistance

High mechanical properties at high

temperature levels (> 3000 K)Ersoion resistance Resistance to thermal shock and cycling

Thermal shock resistance Thermal shock resistance and cycling Mechanical damage (toughness, fatigue)

Mechanical damage (toughness, fatigue) Mechanical damage (toughness, fatigue)High mechanical properties at high

temperature levels (∼2000 K)

Possible very high thermal conductivityHigh mechanical properties at high

temperature levels (> 2000 K)Medium thermal conductivity

Biocompatibility High thermal conductivity

very low density (< 2) Low density (∼2.3) Low density (< 3)

물성 (B)

Graphite C/C C/SiC SiC/SiC

Mechanical

properties

Density 1.9 1.75 2.1 2.3

Tensile stress (Mpa) in plane at RT 40 35∼200 50∼250 300

Tensile stress (Mpa) in plane at 1000 ℃ 55∼250 60∼300 300

Tensile modulus (Gpa) in plane at RT 15 10∼50 30∼80 250

Thermal

ExpansionRT to 1000 ℃ CTE (10-6/ ℃) in plane 5 2 2 4∼5

Thermal

conductivity

RT to 1000 ℃ Thermal conductivity in plane

at RT (w/m k)120 10∼250 20∼50 5∼15

적용분야 (C)

C/C C/Sic SiC/SiC

Strategic and tactical missiles

- Reentry nose cones

- Nozzle components

Missiles

- TVC systems (TVC)

- leading edges, air inlets

- Ramjet and scramjet combustion chamber

- Hot gas valve

Aeronautics

- Engine nozzle (flaps)

- Chambers

Space Rockets

- Solid propellant

- Liquid propellant

Space Rockets

- Liquid: Nozzle components

(throut and exit cones)

- Thermal protections

Industry

- Energy

- Nuclear fusion

Industry

- Friction (aeronautics,cars,trucks,trains)

Aeronautics

- Engine nozzles (flaps)Ramjet combustion chambers

Heat Treatment

Nuclear fusion

Table 4. C/C, C/SiC 및 SiC/SiC 내열구조성복합재료의 특성(A), 물성(B) 및 적용분야(C)[14]

합 중성자 조사 후에도 낮은 반응성, 우수한 파단

강도 그리고 우수한 고온 기계적 성질을 나타내기

때문에 원자력발전소 핵반응로의 벽과 Blanket 소

재로써 미국, 프랑스 및 일본에서 많은 연구가 진


26 공업화학 전망, 제17권 제5호, 2014

Figure 17. 초고온 내열구조성 복합재료의 적용분야[14].

Figure 18. 탄소섬유/탄화규소(Cf/SiC), 탄화규소섬유/탄화

규소(SiCf/SiC) 복합재료의 적용 사례[19].

행되고 있다.

앞에서 살펴본 주요 3가지 고온 및 초고온 내열

구조성 복합재료의 특성과 적용분야 그리고 물성

을 종합적으로 Figure 17과 Table 4에 나타내었다.

고온 및 초고온내열 구조성 복합재료인 C/C,

C/SiC 및 SiC/SiC 복합재료는 우주항공, 국방, 에

너지, 수송 분야, 원자력 분야 그리고 일반산업 분

야에서 지난 수십 년 동안 핵심 소재로써 적용되

어왔고, 앞으로도 가까운 미래에 이 소재의 중요

성은 더욱 증가하리라 예상한다[14]. Figure 18은

C/SiC, SiC/SiC 복합재료의 적용사례를 보여준다

[19-21].

2.2. 고내충격성 및 초경량성 섬유강화 복합재료

최근 군사용, 개인용 및 자동차용 등에 응용가

능한 고내충격성이면서 초경량성의 보호소재와

구조소재에 대한 요구가 크게 증대되고 있다. 먼

저, 내충격성 보호소재 분야에서 사용되는 섬유고

분자 복합재료 중 가장 많이 사용되고 있는 것은

파라아라미드(p-Aramid)섬유와 고성능 폴리에틸

렌섬유를 이용한 섬유복합재료이다. 파라아라미

드섬유는 최고강도가 3.62 GPa, 최고탄성률은

131 GPa로 철에 비해 5배 이상 뛰어난 인장강도

와 탄성률을 지니고 있다. 일반적 금속복합재료인

SAE 1010 steel의 경우 비강도가 4.72, 비탄성률

이 2.68인 것에 반해 파라아라미드섬유/에폭시 복

합재료는 비강도 101.8, 비탄성률 5.60을 나타내

고 있다. 따라서 복합재료에서 이러한 고성능 섬

유의 사용으로 경량성과 더불어 우수한 내충격성

을 얻을 수 있다[22-23].

파라아라미드섬유는 방향족 고리 사이에 아미

드결합(-NHCO-)이 적어도 85% 이상 결합한 분자

구조의 섬유로 정의되어 있으며 이와 같은 특징이

아미드결합을 가진 나일론 섬유와 구별된다. 파라

아라미드섬유는 아미드결합이 벤젠고리의 파라

(para) 위치에 결합한 poly (para–phenylene ter-

ephthalamide)와 같은 분자구조를 갖는다. 파라아

라미드 계열의 제품으로는 미국 듀폰(Du Pont)사

의 Kevlar, 네덜란드 Akzo (현재는 일본 테이진

그룹에 소속)사의 Twaron, 일본 테이진(Teijin)사

의 Technora가 3대 제품이다. 파라아라미드섬유는

다양한 용도로 사용되고 있으며 용도별 시장점유

율은 Table 5와 같다[24]. 아라미드섬유는 여러 가

지 유형으로 생산되고 있는데 특성 면에서 보통

Kevlar 29 (고강도), Kevlar 49 (고탄성률), Kevlar



사용용도 점유율

마찰재, 봉지재, 패킹류(packings) 20∼25%

타이어 보강재(tyre reinforcement) 20∼15%

기타 산업용 고무 보강재 15∼20%

공업용 섬유(방탄복, 방검복, 차용용 텐트 등) 15∼20%

섬유 강화 복합재료(우주항공 및 전자 재료) ∼10%

광섬유케이블, 로프, 네트 5∼10%

Table 5. 파라아라미드 섬유의 용도별 시장 점유율[24]

강도 탄성률 신도 밀도 분해온도/융점비고

GPa GPa % g/cc ℃

Dyneema

/DSM

SK25-750dTex 2.2 53 4.4 0.975 144-152 일반용

SK60-440dTex 2.9 88 3.6 0.975 144-152 일반용

SK65-110dTex 3.3 100 3.6 0.975 144-152 일반용

SK76-1760dTex 3.5 115 3.6 0.975 144-152 방탄용

Dyneema/

Toyobo

SK60 2.6-3.2 65.8-139.6 3-5 0.97 144-152 일반용

SK71 > 3.5 > 123 3-5 0.97 144-152 고강도용

Spectra/

Honeywell

Spectra 900 2.2-2.6 62-66 3.6-4.4 0.97 144-152 일반용

Spectra 1000 2.95-3.25 101-113 2.9-3.4 0.97 144-152 고강도용

Spectra 2000 2.91-3.34 79-124 2.9-3.1 0.97 144-152 우주 항공용

Table 6. UHMWPE섬유의 물성[자료: Dyneema]

149 (초고탄성률)로 구분된다. 복합재료 강화재용

으로 가장 널리 쓰이는 것은 Kevlar 29이다. 이러

한 아라미드섬유의 복합재료로 가장 많이 쓰이는

부분은 방탄복이다. 방탄복은 뛰어난 내충격성을

가짐과 동시에 유연한 구조를 가지고 있어야 한다.

한편, 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE) 섬

유는 화학구조상으로는 간단한 폴리에틸렌 구조

를 가지며 분자량이 100만 이상으로 젤방사법과

초연신법을 사용하여 제조되는 고성능 섬유이다.

UHMWPE섬유는 밀도가 0.97 g/cm3으로써 비강

도와 비강성이 매우 우수하면서 내부식성과 내약

품성 등이 좋기 때문에 초경량성이 요구되는 항공

기의 내부구조나 해양 구조물 등 여러 분야에서

이용되고 있다. 특히 우수한 내충격성을 이용하여

고속충격에 대한 저항용 재료로서 방탄복합재료

에 많이 이용된다[25]. UHMWPE섬유는 네덜란드

의 DSM사에서 1980년대에 상업화되어 현재 파라

아라미드섬유와 더불어 고내충격성 섬유로써 많

이 응용되고 있으며, 우수한 방호성능을 나타낸다

(Figure 19). Table 6이 나타내는 바와 같이

UHMWPE섬유의 물성은 3 GPa 이상의 인장강도

와 100 GPa 이상의 탄성률을 가지며 내충격성과

화학저항성, 내부식성이 매우 우수하며, 초경량성

을 이용하여 군사용 헬멧, 방탄복, 차량 방탄재 등

의 고내충격용 소재 및 해양용 구조재, 로프 등 여

러 분야에 응용되고 있다(Figure 20).

최근 연구된 방탄재료 중 섬유강화재와 세라믹

또는 금속소재를 적층복합한 방탄재를 한 예로 들

수 있다. 이 방탄복의 전면재는 탄이 충격할 때 에

너지의 일부를 흡수시키는 동시에 탄두의 형상을


28 공업화학 전망, 제17권 제5호, 2014

항목 강(kg) CFRP (kg) 무게 감소율(%)

차체 209.1 94.3 54.9

프레임 128.3 94.4 26.4

전면부 43.5 13.3 69.4

후드 22.2 7.6 65.8

데크리드 19.4 6.3 67.5

범퍼 55.8 20.1 64.0

차축 41.7 22.4 46.3

문 70.6 27.7 60.8

브래킷, 좌석 등 31.4 16.2 48.4

합계 622.0 301.9 51.5

Table 7. Ford 시작차의 탄소섬유 강화 복합재료 부품사용에 의한 경량화 효과[27]

Figure 19. 섬유 종류별 방호성능. Figure 20. UHMWPE섬유의 방탄 응용 제품.

무디게 하는 효과를 지닌 세라믹 재료나 알루미늄

합금과 티타늄 합금 재료를 사용한다. 후면재는

경량이면서 충격흡수 특성이 우수한 아라미드섬

유강화 복합재료를 사용하여 고속탄자 충격 시 방

탄성능을 향상시킬 수 있다. 섬유강화 금속적층재

는 고강도 금속과 섬유강화 복합재료를 적층한 하

이브리드 복합재료로 일반적으로 기지재료에 고

강도 섬유를 함침시켜 만든 프리프레그와 고강도

금속을 적층, 경화시켜서 만든다[26].

최근에는 미국, 일본의 자동차 업계에서 경량화

효과를 증대시키기 위하여 탄소섬유를 사용한 복

합재료 부품의 사용을 추진 중에 있다. 예를 들면,

미국의 Ford사에서는 100% 탄소섬유강화 복합재

료 시작차를 제조하여 SAEC (The Annual Society

of Automotive Enginners Convention)에 전시하였

다. 이 차의 연비는 같은 형의 Ford TD의 7.2 km/l

에서 9.7 km/l로 향상되었다. 이 시작차에 있어서

의 탄소섬유강화 복합재료 부품 사용에 의한 경량

화 효과를 Table 7에 나타내었다[27].

이와 같이 탄소섬유 복합재료는 뛰어난 내충격

성을 지니면서 경량화 효과까지 볼 수 있는 장점

을 지닌 재료이다. 탄소섬유 복합재료 강화재로



Figure 21. VARTM 공정 모식도[19].

Figure 22. 자동차의 현가장치를 지지하는 스트럿 타워[28].

사용되는 섬유는 탄소나 SiC 섬유가 주로 사용되

고 있는데, 이는 프리폼 제작을 위한 직조가 비교

적 쉽고, 순도 및 결정성이 높아서 가격 및 내방사

선 특성 등에서 다른 섬유 보다 우수하기 때문이

다. 탄소섬유 및 SiC 섬유는 세라믹스 기지상 복

합재료의 강화재로 사용되며, 일정한 형태로 직조

되어 제조된다. 직물의 preform들은 3차원 끈의

형태(braiding), 3차원의 엮는 형태(weaving), 뜨개

형태(contour warp knitting, net-shape weft knit-

ting) 등 다양한 방법으로 직조된다. 3차원의 구조

를 이루는 복잡한 모양의 기반은 2차원적 직물구

조로서, 다단계 preform 제조공정의 기본으로 사

용된다[19].

이와 같이 제조된 세라믹 섬유 직물을 이용하여

3차원 형상의 프리폼을 제작하게 된다. 직조된 2

차원 섬유를 몰드 등에 적층한 후 페놀과 같은 고

분자 수지(resin)로 함침, 경화시켜 고분자 섬유강

화 복합재료를 형성한 후, 이를 불활성가스 분위

기 내에서 탄화(carbonization) 처리하여 3차원 형

상의 섬유 프리폼을 얻는 방법이 주로 사용되고

있다. 열경화성 수지(thermosetting resin)를 이용

하여 섬유강화 복합재료 프리폼을 형상화하는 공

정은 필라멘트 와인딩 및 RTM 등 여러 가지 기술

이 있으나, 이 가운데 RTM 공정을 기본으로 한

형상화 기술에 대하여 상용화가 활발히 진행되고

있다.

RTM 기술은 강화제로 이용되는 섬유상을 일정

형상의 금형에 배열시켜 놓은 후, 금형의 한쪽 입

구에서 폴리에스터 페놀, 에폭시 또는 아크릴 수

지 등을 일정한 압력(0.35∼0.7 MPa)을 가하여 몰

드 내에 주입시키고, 일정 온도에서 수지를 경화

시켜 형상화하는 기술이다. 이 기술은 높은 섬유

상 분율로 복잡한 형상 제품을 성형하는 기술로

항공기 부품 산업에서 일반적으로 이용되고 있던

방법이다.

VARTM (Vaccum Assisted Resin Transfer

Molding) 기술은 아래의 경우에 있어서 일반적인

RTM공정과 다른 기술이다. 첫째, 한쪽 면이 열린

상태의 한면 몰드를 사용하여 제작한다. 둘째, 한

면 몰드에 섬유를 적층하고, 진공압을 가하기 위

한 bagging을 한 후, 진공에 의한 압력차를 이용하

여 수지를 적층된 섬유에 함침 시킨다. VARTM의

일반적 공정 모식도는 Figure 21에 나타내었다.

탄소섬유 복합재료의 한 예로는 스트럿 타워를

들 수 있다(Figure 22). 스트럿 타워는 자동차의

현가장치를 지지하는 기능을 수행하는 차체의 한

부분으로써, 주행 시 노면으로 발생하는 충격 하

중과 피로하중에 의하여 영구변형이 발생될 수 있

다. 스트럿 타워의 주요한 영구변형 인자로써 잔

류 충격을 들 수 있는데, 이는 자동차가 불규칙한

노면을 주행 시 발생하게 된다. 불규칙한 노면에

서 받는 잔류 충격이 스트럿 타워에 전달되어 항

복강도를 초과하였을 때, 마운트 상단이 위로 불

룩 솟아오르는 형태의 영구변형이 발생하게 된다.

반면 고속주행성능을 향상시키기 위하여 강직한

현가장치를 사용하는 경우, 차량의 하중 이동이

적으며 타이어와 노면의 접지력을 강화할 수 있

다. 하지만 상대적으로 충격흡수 능력이 저하되기

때문에 상기와 같은 영구변형의 위험에 대한 노출


30 공업화학 전망, 제17권 제5호, 2014

산업 제품 또는 공정

우주 주/부 구조물, Grid

에너지, 수송산업 LNG, 자기부상열차, 핵융합

전자산업 CMOS, GaAS, HEMT Computer, Amplifier, Mixer, Fast AD-DA Converter

통신산업 초전도 필터

초전도산업 MRI, SQUID, NMR, SMES, 초전도 케이블

진공산업 Cryopump

표면처리 X-ray detector, Cryopump

군수산업 적외선 detector, (HgCdTe, InSb, PtSt), CCD소자

Table 8. 극저온 재료기술이 응용되고 있는 산업[10]

이 증가하게 되며, 이는 자동차의 조향성능을 저

하시키고 더 나아가 안정성 측면에서 문제를 유발

할 수 있다. 따라서 스트럿 타워에 발생하는 영구

변형 현상을 예방함과 동시에 경량화를 달성하기

위해 탄소섬유 복합재료가 사용되고 있다.

탄소섬유 복합재료를 이용한 스트럿 타워에 부

가된 동적 하중은 기존 압연강판으로 제조된 스트

럿 타워에 비하여 54.7% 감소하였고, 이는 탄소섬

유 복합재료가 더 강한 내충격성을 지닌다고 판단

되었다. 또한 탄소섬유 복합재료 스트럿 타워의

경우 압연강판 스트럿 타워보다 29.2%의 경량화

를 달성하여 내충격성 향상과 경량화의 효과를 모

두 만족시켰다[28].

2.3. 극저온용 섬유 강화 복합재료

1870년대 공기의 액화가 성공함으로써 극저온

에 관한 연구는 시작되었다, 이후 1908년 헬륨 액

화의 성공과, 1911년 수은의 초전도현상 발견을

계기로 극저온 연구는 각광받기 시작했다. 특히

극저온과 관련된 재료 기술은 질소, 수소, 헬륨 등

의 가스를 수송, 저장, 액화하는데 주로 이용 되어

왔으나, 최근 그 응용분야가 확대되어 초전도 산

업에 필수적일 뿐만 아니라 군사, 우주, 항공, 의

료, 진공, 에너지, 전자, 수송, LNG관련 분야 등

넓은 활용도를 가지고 있다. Table 8은 극저온 재

료기술이 응용되는 산업을 보여준다.

극저온에서 섬유 복합재료는 열전도도가 낮아

단열 특성이 매우 뛰어나고 전기 절연성 또한 뛰

어나 에너지 산업, 전기 및 전자 산업, 생물공학,

의료분야, 수송산업, 우주 항공 산업 등 응용 범위

가 매우 넓으며, 기반 기술적 성격을 가지고 있어

외국에서는 오래전부터 국가 연구기관들의 체계

적 연구 및 기술 축적을 통해 실용화 기술을 산업

계에 제공하고 있다[10,29].

극저온 환경에의 섬유 복합재료 적용에 있어서,

미국의 경우, Microcosm사와 AFRL (Air Force

Research Lab)이 합작하여 탄소 섬유 복합재료를

이용한 극저온용 액화산소저장용기를 Full-Scale

로 제작하여 극저온 시험 및 안전성 평가를 수행

하였으며 이를 SR-XM-1 로켓에 장착하여 성능평

가를 실시하였다. NASA (National Aeronautics

and Space Administration)는 XCOR Aerospace사

와 함께 극저온 환경에서 사용이 가능한 LOX

(Liquid Oxygen) 저장용기를 개발하였다. NASA’s

Marshall Space Flight Center은 HyperComp사와

함께 충격특성, 내열특성, 내화학성 등 다양한 요

구조건에 맞는 극저온 섬유 복합재료 용기와 파이

프를 제작하였으며 Lockheed Martion사와는 액화

수소 연료용기 및 연료용기와 연결되는 극저온 연

료관도 제작하였다. Northrop Grumman Corp사

또한 NASA’s Marshall Space Flight Center와 계

약하여 액화수소 저장용기를 개발하였으며 특히

new ultrasonic tape lamination debulking 공법을

개발하여 극한 환경에서도 내부용기의 물질이 외



Figure 23. NASA RLV Progam의 X-33 비행체와 복합재료 저장용기[자료: NASA DFRC].

Figure 24. 오스트리아 항공우주연구소가 개발한 자동차용 액화수소 시스템.

부로 누출되지 않도록 제작하였다. 또한 NASA는

액화산소(LOX)와 액화수소(LH2)를 연료로 하는

DC-XA 로켓과 RLV 개발의 일환으로 계획된

X-33, 34의 추진체 탱크의 구조재로서 CFRP 복

합재료 샌드위치 구조를 사용하였다(Figure 23).

일본의 경우, 2003년 JAXA 소속의 Kakuda

Space Center에서 극저온 시험시설에 관한 기본

인프라를 구축하고, 로켓 및 인공위성 등에 사용

되는 극저온 카본재료를 제작하였으며, 액화산소

(LOX)와 액화수소(LH2)를 저장할 수 있는 LNG

tank를 개발하여 H-2A Launch Vehicle에 장착 후

시험운행 하였다. 오스트리아 항공우주연구소

(AUSTROSPACE)는 자동차 부품회사인 Magna

Steyr와 2004∼2008년 기술교류를 통해 액화수소

와 메탄가스를 저장할 수 있는 탄소섬유 복합재료

극저온 저장용기를 개발하여 실제 자동차에 적용

하였다(Figure 24)[10].

국내에서는 한국기계연구원 부설 재료연구소와

한국항공우주연구원이 공동으로 섬유 복합재료

액화연료 저장용기를 개발한 사례가 있으며, 2006

년에는 한국기계연구원 부설 재료연구소가 (주)이

노콤과 공동으로 수소저장용 고압용기를 개발한

사례가 있다. 또한 한국기계연구원에서 극저온 기

기 성능 평가센터를 구축 중에 있다.

섬유 복합재료는 적층 설계를 통해 보강재와 매

트릭스를 다양하게 선택할 수 있고, 물성의 조절

이 용이하여, 극저온에 노출되어 구조 및 기능적

역할을 수행하는 제품들에 적용성이 매우 좋다,

대표적인 섬유 복합재료의 보강재인 탄소섬유의

경우 음의 값을 나타내는 선팽창계수를 가지고 있

어 적절한 매트릭스와의 섬유 복합재료 제조 시

우수한 치수 안정성의 구현이 가능하다. 고강도

유리섬유 또한 극저온에서 높은 기계적 강도, 금

속에 비해 낮은 열전도율을 가져 단열 구조재로서


32 공업화학 전망, 제17권 제5호, 2014

응용분야 특성 요구사항

지지구조물

- Struts

- Straps

- 인장강도/강송, 압축강도/강성

- 열전도도, 치수안정성, 피로특성

- 복사 특성

저장용기

- Cryostat

- 저압 압력용기

- 인장강도/강성, 피로특성

- 열전도도

- 투과도

전기 절연 재료

- 핵융합로 내부 절연층

- 복합재료 두께 방향 전단강도, 압축강도

- 피로 특성

- 전기 절연 강도

- 열전도도, 치수안정성

- 복사특성

Table 9. 극저온에서의 복합재료 응용분야 및 요구사항[10]

의 각광을 받고 있다. 극저온 섬유 복합재료의 기

술개발을 위해서는 저온 및 극저온 환경에 있어서

뛰어난 기계적 성질을 가지는 구조재의 개발이 필

수적이며, 이는 응용분야에 따라 열전도도, 전기전

도도 및 열팽창 계수 등 기계적 성질 이외의 요구

사항을 만족시켜야한다(Table 9).

극저온 섬유 복합재료용 수지는 응용분야에 따

라 요구되는 특성은 다양하며, 구조물로 사용되기

위해 인장 강도와 인장 강성 및 압축 강도와 압축

강성이 높아야하며 피로 특성이 우수해야 한다.

저장 용기나 cryostat 등의 분야에 적용될 경우 기

계적 물성은 물론 열전도도가 낮아야 하며, 핵융

합로의 내부 절연층 등 전기 절연재료 분야에 적

용될 경우 두께 방향의 전단 강도 및 압축 강도가

우수해야 하며 전기 절연 강도, 치수 안정성 등이

높아야 한다.

극저온 섬유 복합재료용 수지는 보통 고 유리전

이온도(High Tg)계, 저 유리전이온도(Low Tg)계,

무기 충진제 함유 계 등 3가지 정도로 분류된다.

높은 유리전이온도를 갖는 대표적인 수지로는

Tetraglycidyl methylene bisbenzeneamine, cyanate

ester (CE)계 수지, bismaleimide (BMI) 등이 있다.

이러한 High Tg계의 수지들은 230∼350 ℃ 정도

의 매우 높은 Tg를 지니고 있어 고온에서의 기계

적 성질이 우수하다. 이 수지들은 보통 반응성 관

능기를 3개 이상 가지고 있어 경화 밀도가 크고

이로 인해 일반 에폭시 수지에 비해 낮은 열 수축

을 가지고 있어 극저온 환경에서도 응용이 가능하

다. 특히 CE수지는 열안정성이 높으며, 극고온/극

저온 싸이클 환경에서의 치수 환경성도 가지고 있

다. 복사(Radiation)에 의한 분해 또한 거의 일어나

지 않으므로 가스발생 현상이 없어 우주항공용 섬

유 복합재료의 매트릭스로 사용되고 있다. 그러나

고온용 수지들은 극저온 환경에서 취성이 심화되

는 현상이 있어 약한 외부 충격에도 쉽게 파괴될

수 있는 단점을 가지고 있다. 수지의 가격 또한 매

우 비싸고, 상온에서 고체이며 경화 시 열이 많이

발생해 성형 상 단점이 많다.

유리전이 온도가 낮은 수지는 보통 고무 변성에

폭시 수지나 열가소성 수지 또는 둘의 혼합 수지

가 대표적이다. Low Tg계 수지는 상대적으로 Tg

가 낮은 고무상이나 열가소성 수지가 분산된 형태

를 포함하고 있어 저온에서의 취성을 보완하고 내

충격성을 향상시키고 있다. 이러한 분산상들은 저

온에서 외부 충격을 분산시키거나 연성을 부여하

여 극저온 용도로 사용이 가능하도록 한다. 적용

되고 있는 고무로 corboxyl-terminated buta-

diene-acrylonitrile epoxy, amine-terminated buta-

diene-acrylonitrile epoxy, hydroxyl-terminated bu-

tadiene-acrylonitrile epoxy, 실리콘 변성 에폭시,

우레탄 변성 에폭시, 아크릴 고무 변성 에폭시 등

이 있으며 열가소성 수지로는 Nylon, 방향족 폴리

에스테르, 불소계 고분자 등이 있다. 사용되고 있

는 분산상의 경우, 열가소성 수지는 보통 Tg가



100 ℃ 부근이며, 부타디엔 고무의 Tg는 -50 ℃,

가장 낮은 Tg를 가지고 있는 것으로 알려진 실리

콘 고무 또한 -90 ℃이기 때문에 -200 ℃ 이하 정

도의 극저온 환경에서는 low Tg 분산상들의 효과

는 제한적일 것으로 예상된다.

마지막으로는 무기 충진제 함유계의 수지가 있

다. 극저온에서 적용되고 있는 대표적인 무기 충

진제로 montmorillonite (MMT), 나노 알루미나

(Nano Al2O2), 나노 탄산칼슘(Nano CaCO3) 등을

들 수 있다. 이러한 무기계 나노 충진제들은 수지

의 강성, 파괴 인성 등의 기계적 물성을 향상 시킬

뿐만 아니라 저온 수축을 감소시켜 이로 인해 발

생하는 미소 균열을 줄일 수 있도록 한다. 특히

MMT는 고분자 내부에 분산되어 기계적 강도를

향상 시키고 확산에 의한 가스 투과도를 감소시키

기 때문에 수소 저장 용기 등에 적용되고 있다. 나

노 알루미나는 저온 열 수축을 최소화시키고 보강

섬유와 매트릭스 간의 계면 결합력을 향상시키는

역할이 알려져 있다. 무기 충진제는 수지의 강성

은 향상시키지만 저온에서의 취성 거동을 완화시

키지는 못하고 있다. 따라서 내충격성이 낮고 강

도가 저하되는 단점을 가지고 있다[7].

극저온용 섬유 복합재료는 주로 우주, 방위산

업, 수송 분야 등 국가적 전략 산업이거나 기반 산

업적 성격이 강한 산업에 적용되고 있어서 개발

초기에 경제성을 논하기가 적절하지 않다. 하지만

이러한 산업들은 국가 전체의 안전이나 효율성의

제고에 반드시 필요한 산업이므로 극저온 재료 개

발 또한 이러한 측면에서 고려되어야 한다. 상업

적 측면에서는 LNG 선박용 펌프나 밸브류의

2006년 추정 국내 시장 규모가 약 2600억 정도로

극저온 소재에 대한 연구개발이 매우 필요한 상태

이며, 향후 신재생 에너지의 저장 및 수송용으로

열전도도가 낮은 고분자 복합재료를 이용한 각종

제품들이 개발될 것으로 예상된다. 현재는 관련

산업이 형성되고 있는 단계라 극저온 소재 관련

산업의 국내 인프라가 미약하다. 하지만 향후 수

소에너지, 원자력 산업, 항공우주 등의 분야에서도

극저온 관련 복합소재의 수요가 폭발적으로 증가

할 것으로 예상되므로 꾸준한 기술 개발 투자를

통하여 원천 기술 및 실용화 기술의 개발에 매진

해야 할 것으로 판단된다.

2.4. 기타

2.4.1. 바이오 복합재료 동향

최근 들어 여러 선진국을 비롯한 많은 나라에서

환경에 대한 관심이 점점 커지면서, 환경을 살리

고 보다 깨끗한 사회를 만들기 위해 정부차원에서

많은 노력을 기울이고 있다. 이러한 흐름에 맞추

어 환경과 관련된 새로운 법규들이 만들어지고 강

화되면서 친환경 물질 및 소재개발에 대한 필요성

이 강조되어 왔다.

섬유강화 고분자복합재료에 사용되는 강화섬유

의 대부분은 유리섬유, 합성섬유 또는 탄소섬유로

이루어져 있다. 그러나 이들 섬유는 자연친화적이

아니어서 폐기되었을 경우, 거의 영구적으로 분해

되지 않기 때문에 그 폐기물은 여러 나라에서 환

경오염을 초래하는 원인 중의 하나가 되고 있다.

그러므로 환경에 대한 시대적 요구와 함께 선진국

의 많은 산업체들은 점점 고갈되어가고 있는 석유

를 바탕으로 하는 소재를 자연계에서 값싸고 풍부

하게 얻을 수 있는 천연자원을 바탕으로 하는 친

환경 소재로 대체하려고 힘쓰고 있다[21-26].

천연소재를 사용하는 바이오복합재료는 선진국

에서 이미 10여 년 전부터 환경오염의 방지를 위

한 신소재 개발의 중요성을 인식하여 많은 관심을

가지고 꾸준한 투자와 연구개발을 수행하여 온 분

야이다. 특히 점점 고갈되어 가고 있는 석유자원

을 바탕으로 하는 유기소재를 자연에 매우 풍부한

천연소재 및 농작물 자원이 바탕이 되는 저렴하고

경량의 친환경 천연섬유를 사용하는 대체소재 개

발에 초점을 맞추어 왔다. Figure 25는 바이오 복

합재료의 적용 분야를 보여준다[29-31].

바이오복합재료의 매트릭스를 이루는 고분자수

지는 크게 생분해성 수지, 열가소성 수지 및 열경

화성 수지가 있다. 다양한 종류의 고분자수지와

함께 친환경성 바이오복합재료를 구성하는 주요


34 공업화학 전망, 제17권 제5호, 2014

천연섬유 특징 용도

Kenaf

줄기섬유, 비중 약 1.3, 성장속도 빠름, 이산화탄소 흡수 가장 높

음, 표면 줄무늬, 강도가 낮음, 45∼57% 셀룰로스, 21% 헤미셀룰

로스, 8∼13% 리그닌, 4% 팩틴 함유

로프, 천, 종이, 건축재, 흡수제, 바이

오복합재료, 자동자 부품소재

Jute

줄기섬유, 비중 1.3∼1.4, 강하고 잘 부러짐, 신률 낮음, 내미생물

성, 내열성, 내구성, 51∼71% 셀룰로스, 13∼20% 헤미셀룰로스,

12% 리그닌, 1% 미만 팩틴 함유

건축내장재, 가구, 장식품, 카펫, 의

류/직물, 바이오복합재료, 자동차부

품소재

Flax

줄기섬유, 비중 1.5, 강하고 유연함, 유럽 주산, 탄성이 좋고 신률

이 낮음, 200 ℃ 이상에서 열분해, 75% 셀룰로스, 15% 헤미셀룰

로스, 10∼15% 팩틴, 3% 리그닌 함유

리넨섬유, 직물, 의복, 종이, 펄프, 자

동차내장재, 바이오복합재료

Hemp

줄기섬유, 비중 1.47, 우수한 수분저항성, 높은 직물강도, 낮은 신

률, 경작 용이, 70∼74% 셀룰로스, 18∼22% 헤미셀룰로스, 4∼

6% 리그닌, 1% 팩틴 함유

특수종이, 직물, 건축재, 포장재,

바이오복합재료,

대마초

Sisal

비중 1.45, 브라질 주산, 대표적인 잎 천연섬유, hard, smooth,

straight, yellow fiber, 66∼78% 셀룰로스, 10∼14% 헤미셀룰로

스, 10∼14% 리그닌, 10% 팩틴 함유

직물, 로프, 패널재, 트렁크라이너,

자동차내장재, 바이오복합재료

Henequen

사이잘과 매우 흡사한 성질, 멕시코 주산, 강도, 강인성, 탄력성

좋음, 낮은 탄성률과 신률, 약 60% 셀룰로스, 25% 헤미셀룰로스,

8% 리그닌, 2% 왁스 함유

string, hammocks, 의류직물, rugs,

바이오복합재료

Coir

코코넛 열매에서 추출, 강도, 탄력성, 내구성 좋음, 질김, 흡음/방

음 효과, 내미생물성, 약 32∼43% 셀룰로스, 0.2% 헤미셀룰로스,

40∼45% 리그닌, 4% 팩틴 함유

직물, 침구류,

로프, 브러쉬, 지오텍스타일, 바이오

복합재료, 자동차의자쿠션

Table 10. 대표적 식물성 천연섬유[8]

Figure 25. 바이오 복합재료의 적용 분야 및 제품[8,30].

물질은 천연섬유이다. 천연섬유는 크게 원료물질

에 따라 식물성 섬유와 동물성 섬유로 분류된다.

식물성 천연섬유는 주로 셀룰로오스 성분으로 이

루어져 있으며, 동물성 천연섬유는 단백질 성분으

로 이루어져 있다. 식물성 천연섬유는 값이 싸고

쉽게 얻을 수 있으며 농업이 지속되는 한 고갈되

지 않는 반면에, 동물성 천연섬유는 원료 수급에

제한이 따르며 처리 비용이 높아 식물성계에 비하

여 상대적으로 경제성이 떨어진다. 따라서 일반적

으로 바이오복합재료에는 식물성 천연섬유를 활

용한 복합소재를 주로 사용하고 있다.

고분자매트릭스 수지의 보강섬유로 활용되고

있는 셀룰로오스계 천연섬유들은 아마(flax), 대마

(hemp), 황마(jute), 케나프(kenaf), 아바카(abaca),

대나무(bamboo), 모시(ramie), 사이잘(sisal) 등이

있다. 이들은 주로 남미나 인도, 방글라데시, 동남

아시아의 여러 나라에서 생산되고, 최대 연 삼모

작이 가능할 정도로 빨리 자라며 쉽게 수확할 수

있고 가격도 저렴하다. Table 10는 대표적 식물성

천연섬유에 대한 간략한 소개이다.

바이오복합재료에 사용되는 산업용 천연섬유는

공급의 용이성, 재배/생산성, 가격, 공정성 그리고

사람들의 인식 등 여러 이유 때문에 동물성보다는

식물성 천연섬유가 보편적으로 널리 사용된다.

Figure 26은 대표적 천연섬유 중 케나프와 옥수수

로부터 얻어지는 대표적 생분해성 고분자수지인

poly (lactic acid)(PLA)로 이루어진 바이오복합재



Figure 26. PLA 바이오복합재료의 순환 과정[8].

료가 만들어지고, 사용/폐기까지의 순환 과정을

나타낸 모식도이다[27-30].

대부분의 식물성 천연섬유는 셀룰로스(cellulose),

헤미셀룰로스(hemicellulose), 리그닌(lignin), 펙틴

(pectin) 성분 등으로 이루어져 있다. 또한 식물성

천연섬유는 물과 친화적인 성질을 갖으므로, 본질

적으로 화학구조 내에 약 7-13%의 물 분자를 포

함하고 있으며, 섬유 생산, 운송 및 보관 과정에서

도입된 분순물이 섬유표면에 존재할 수 있다. 셀

룰로스는 섬유의 성질과 비어있는 내부 셀 구조의

유지에 크게 영향을 준다. 헤미셀룰로스는 약하게

가교된 상태로 존재하며 섬유의 성질에 크게 기여

하지 않으나, 친수성을 띠며, 알칼리에 용해된다.

리그닌은 페놀계 화합물로 셀벽 사이의 구조를 형

성하며, 일반적으로 생분해성이 높지 않으나, 셀룰

로스계 분해효소에 의해 분해가 가능하다.

식물성 천연섬유는 일 년에 여러 번 다모작이

가능하므로 생산성이 매우 높으며, 재배 국가의

풍부한 노동력과 함께 생산 단가도 매우 낮다. 천

연섬유는 가격이 그 종류와 등급에 따라 다소 차

이가 있지만, 유리섬유의 약 1/3-1/4 정도로 상당

히 저렴하다. 또한 천연섬유는 자연에서 완전히

생분해가 가능하며, 비중이 약 1.2∼1.5 정도로 유

리섬유의 약 50∼60% 정도밖에 되지 않기 때문에

플라스틱에 적용하였을 때, 제품의 경량화와 함께

친환경화를 추구할 수 있다. 또한 천연섬유는 합

성섬유와 달리 재활용이 가능하고, 사용 후 소각

시에도 대기 중의 이산화탄소 농도를 증가시키지

않는다. 따라서 대량의 천연섬유를 경작하는 과정

에서 이산화탄소의 감소에 크게 기여하고, 인체에

해가 없으며, 사용 중 피부에 접촉 시 가려움을 야

기하지 않는다.

바이오복합재료는 천연섬유와 함께 복합재료의

바탕이 되는 수지로 생분해성 고분자 또는 비생분

해성 고분자를 사용한 소재를 총칭한다. 천연섬유

자체의 기계적 강도나 탄성률은 유리섬유보다 상

대적으로 낮은 값을 나타내나, 비중을 반영한 천

연섬유의 비강도 및 비탄성률은 유리섬유와 비슷

하다, 따라서 바이오복합재료가 가격, 경량성, 친

환경성뿐만 아니라 특성 등을 종합적으로 고려할

경우, 기존의 유리섬유복합재료를 능가할 수 있는

소재라는 것을 의미한다.

바이오복합재료에서 기계적 성질은 구성소재

및 공정조건 뿐만 아니라 고분자수지의 종류 및

특성, 천연섬유의 종류, 함량, 길이, 배향 그리고

제품 성형방법과 조건 등의 영향을 받는다. 특히

천연섬유와 고분자수지 사이의 강한 계면접착은

바이오복합재료의 특성과 성능에 기여하는 핵심

요소이다. 하지만 천연섬유는 친수성이 높아 소수

성인고분자 매트릭스 수지와의 상용성이 매우 낮

다. 천연섬유의 친수성은 바이오복합재료의 수분

흡수를 초래하며, 이는 나아가 응용분야의 확대를

제한시키는 요인이 되기도 한다. 천연섬유 표면에

존재하는 왁스 성분은 섬유가 고분자수지와 결합

하는데 불리하게 작용하며 표면 젖음성도 저하시

킨다. 특히 수분과 히드록실 그룹의 존재는 복합

재료 제조 시 천연섬유와 대부분의 고분자수지가

접착하기 어렵도록 한다. 따라서 고분자 수지와의

계면접착력을 향상시키기 위해 천연섬유의 표면

을 개선시키는 연구가 활발히 진행 중이며, 이는

바이오복합재료의 기계적, 열적 특성 등을 향상시

키는 역할을 하였다[8,30].

천염섬유를 개질시키기 위해 여러 가지 전처리

방법이 사용될 수 있다. 가장 일반적인 표면처리

방법은 탈 왁스화, 알칼리 처리, 실란제 처리, 그래


36 공업화학 전망, 제17권 제5호, 2014

Figure 27. 독일 다임러크라이슬러사에서 바이오복합재료

를 자동차 내장재에 적용한 부품[30].

프트 공중합, 에스테르화 반응, 아세틸화 반응, 표

백 등의 화학적 개질 방법과 전자빔 처리, 플라즈

마 및 자외선 처리 같은 물리적 개질 방법이다. 이

개질 방법들을 통해 바이오복합재료의 섬유-매트

릭스 사이의 계면결합력을 향상시키며, 셀룰로오

스의 결정구조는 히드록실 구조를 화학적 관능을

지니는 물질로 치환시킴으로써 개선될 수 있다.

이와 같은 해결정화 과정은 치환 그룹들이 가소제

와 같은 역할을 하기 때문에 셀룰로오스의 열가소

성을 향상시키는데 기여한다. 또한, 천연섬유의 열

가소화를 통한 개질도 활발히 연구되고 있다[31].

현재 바이오복합재료는 자동차부품용, 전자부

품용, 건축내장용, 포장용, 스포츠/레저, 생활용품

소재 등으로 매우 다양하다. 자동차부품에는 바닥

재, 의자, 콘솔박스 등 내장재 위주로 이용되며 전

자부품에는 휴대전화기 케이스, 전자제품 하우징

등에 이용된다. 또한 탄소섬유와 함께 천연섬유를

사용하여 경량 스포츠용품을 제조하는 것도 소개

되고 있다.

유럽은 실용화와 고기능화에 대한 연구가 주로

이루어지고 있으며 주로 자동차의 내장재와 외장

재에 적용하여 고성능 바이오 복합재료를 개발하

기 위해 노력하고 있다. 이 중 프로젝트 “ECOFINA

(http://www.ecofina.org)”는 현재 고분자재료와

함께 자동차부품 제조에 사용되고 있는 무기 충진

재 혹은 무기섬유를 천연소재로 대체하기 위한 연

구를 추진하고 있다.

미국은 국립과학재단(national science founda-

tion, NSF), 농림부(united state department of ag-

riculture, U.S.D.A.), 에너지부(department of energy,

DOE), 환경부(environmental protection agency,

E.P.A) 등 정부 각 부처의 지원과 함께 활발하게

진행되고 있다. 또한 미시시피주립대학, 펜실베이

니아주립대학, 미시간주립대학 등 많은 대학에서

바이이오복합재료 개발을 진행 중이며, 단백질을

매트릭스로 하는 바이오 복합재료, 목분과 천연섬

유를 보강재로 사용한 바이오복합재료, 생분해성

고분자를 매트릭스로 하는 바이오복합재료 등의

연구를 진행 중이다. 노스우드플라스틱사(North

Wood Plastics, Inc.) 등 기업체에서도 바이오복합

재료 실용화를 위한 연구를 수행하고 있다.

독일의 경우 바이오복합재료를 유리섬유 강화

복합재료가 사용되는 모든 분야에 적용하기 위한

연구를 진행 중에 있다. 주로 항공우주 및 풍력발

전을 위한 풍차날개 등 대체 에너지 분야에도 적

용을 하고 있으며 자동차회사인 다임러크라이슬

러스사에서는 바이오복합재료를 자동차의 내장재

및 외장재에 실제로 적용하였으며 버스 및 전철에

도 적용하기 위한 연구를 추진 중이다(Figure 27).

일본은 아시아 최초로 Toyota 자동차회사에서

kenaf와 PLA로 만들어진 바이오복합재료를 자동

차 내장재로 적용하였으며, 2007년 kenaf를 활용

한 I-unit concept car를 전시회에 발표하여 바이오

복합재료의 연구개발과 실용화를 촉진시켰다

(Figure 28). 또한 NEC사에서는 휴대용 전화기의

하우징에 kenaf를 적용하는 연구를 진행 중이다

[30,32].

2.4.2. 최신 복합재료 동향

독일과 스웨덴 연구진이 협업 연구를 통해 셀룰

로오스 나노미세섬유조직을 이용해서 경량 초고

강도 셀룰로오스 섬유의 개발에 성공했다. 연구진

이 개발한 신기술은 셀룰로오스 나노미세섬유조

직에서 가느다란 셀룰로오스 필라멘트를 만들어

내는 일련의 과정으로 비강도가 강철이나 알루미

늄 같은 금속 소재를 뛰어넘는 수준이며 용융 셀



Figure 28. 일본 Toyota사의 kenaf를 보강재로 활용한

I-unit concept car[30].

룰로오스 섬유에 필적하는 수준인 것으로 나타났

다. 이러한 강도의 비밀은 방적 과정 중 섬유를 구

성하는 나노미세섬유조직의 배향성을 획기적으로

높였기 때문이다. 이러한 우수한 배향성은 셀룰로

오스 나노미세섬유조직을 물과 함께 특수 설계된

채널을 따라 흘려주며, 좌우 양방향에서 워터젯을

쏘아 나노미세섬유조직의 흐름을 가속화함으로써

얻어진다. 배향성이 향상된 셀룰로오스 섬유는 염

화나트륨 수용액을 통과한 후 공기 중에 건조된

다. 이런 식으로 몇 분 만에 강도가 우수한 섬유가

완성된다. 이러한 신기술의 개발은 그동안 금속이

나 유무기 복합재료가 장악하고 있는 고강도 내구

성 재료 분야에 재생가능 천연 소재의 응용을 활

성화하는 기폭제가 될 것으로 전망된다.

중국 Sichuan Hongya Zhuyuan 과학기술회사는

최근 대나무 섬유 복합재료를 개발하였다. 이 복

합재료의 압축강도는 강철의 절반이지만 탄성은

강철과 같고 무게는 강철의 1/6 정도이다. 이러한

새로운 복합재료의 성능은 풍력 발전기의 블레이

드의 요구조건에 부합되며, 유리섬유강화 복합재

료와 비교시 10% 가볍고 15% 저렴하여 주요 제

품으로의 잠재성을 가지고 있다고 판단된다.

이 외에도 핀란드 Carbodeon사는 낮은 가격에

보다 높은 열전도성을 가지는 나노다이아몬드 열

가소성 복합재료를 개발하였고, 영국 서레이 대학

에서는 높은 전도성을 가지는 ‘털을 가진’ 탄소섬

유 복합재료를 개발하는 등 활발한 연구 활동이

세계적으로 보여지고 있다[32].

3. 결 론

현대과학기술이 진보함에 따라서 복합재료에

관한 연구, 기술개발 및 제품개발은 그 용도와 범

위를 더욱 넓혀가고 있다. 복합재료에 이용되는

소재와 제조기술 및 응용법의 종류가 증가함에 따

라 과거에는 생각하지 못했던 다양한 분야에 복합

재료가 접목되고 있다. 그러므로 매우 고도화, 세

분화 되어있는 현대 과학 기술에 있어 극한환경의

정복은 필수적이며, 이를 위해선 한계치 이상의

기계적 특성 및 다양한 성능을 달성해야만 한다.

복합재료는 이러한 상황에서 가장 큰 가능성과 기대

치를 가지고 있는 필수불가결한 재료임이 확실하다.

선진국에서는 탄소섬유를 사용한 세라믹 복합

재료 기술, 극저온용 복합재료 기술 등 다양한 섬

유 강화 복합재료 기술들을 이미 오래전부터 상용

화하여 다양한 제조방법과 설계기술, 성형기술 등

을 개발해 우주항공, 국방, 산업, 스포츠레저 등의

여러 분야에 응용, 사용하고 있다.

현재 극한 환경에서의 복합재료는 주로 미국,

일본, 유럽의 선진국 중심으로 연구개발, 기술개발

이 이루어져 왔고, 상용화된 기술 또한 일본, 미국

을 중심으로 세계 시장이 형성되어 있다. 그러나

국내에서의 이 분야의 기술기반은 특정분야에 치

우쳐져 있는 시점이며, 관련시장 또한 매우 취약

한 상황이다. 따라서 향후 극한환경 소재분야에서

경쟁력을 확보하기 위해서는 극한환경 분야의 연

구개발 기반이 확충되어야 하며, 재료기술, 계면기

술, 성형기술, 가공기술, 설계기술, 평가기술 등 다

양한 기술들과 밀접한 관련을 맺고 있으므로 기

업, 대학, 국공립연구기관 등의 산학연의 연계가

어우러진 공동 개발은 필수적인 것으로 본다. 그

리고 최근 환경문제가 대두됨에 따라 생분해 고분

자수지의 활용의 관심은 급격히 증가하고 있으며,

그에 따른 친환경소재의 개발에 관심이 쏟아지고

있다. 특히 섬유강화복합재의 경우 보강재 및 충


38 공업화학 전망, 제17권 제5호, 2014

진재에 비분해성 소재들이 많기 때문에 강화되는

환경 규제 앞에서 소재의 활용이 점차 어려워지는

추세이다. 그렇기 때문에 생분해성 고분자수지를

적용하여 기존 소재와 비슷한 기계적 특성을 지니

면서도 사용 후 자연환경에서 분해가 잘 이루어지

기 때문에 환경 친화적 재료로 각광받고 있다.

이에 따라 유럽, 미국, 일본을 비롯하여 세계 각

국에서 바이오복합재료를 환경오염의 해결책으로

보고 있으며, 그에 따른 투자와 연구가 활발히 진

행 중이다. 그러나 국내에서는 아직 연구개발이

미흡한 실정이다. 따라서 자동차 내장재뿐만 아니

라 건축 외장재, 전자부품에 이르기까지 바이오복

합재료에 대한 연구를 확대를 통해 선진국의 바이

오복합재료 기술력에 발맞추기 위해서는 장기적

으로 상당한 투자와 노력이 필요하다.

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이 승 구

1985 한양대학교 섬유공학과 (학사)

1987 한양대학교 섬유공학과 (석사)

1995 서울대학교 섬유고분자공학과

(박사)

1987∼1996 국방과학연구소 선임연구원

1996∼ 현재 충남대학교 섬유공학과

교수

원 종 성

2012 충남대학교 유기소재⋅섬유

시스템공학과 (학사)

2014 충남대학교 유기소재⋅섬유

시스템공학과 (석사)

2014∼ 현재 충남대학교 유기소재⋅

섬유시스템공학과 (박사)

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기획특집: 극한 환경용 소재 - cheric · 타늄 합금 등의 금속 재료가 로켓...

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