- 700℃를 견딜 수 있는 탄소섬유 복합재 코팅기술 개발

- 무거운 금속 엔진 부품 대체하고 소방 드론, 로봇에 활용 기대

최근 운송기기 및 에너지 산업 등에서 연료 효율성을 높이기 위해 가벼우면서 강도가 높은 탄소섬유강화플라스틱(CFRP⁾¹⁾ 소재에 대한 관심이 높아지고 있다. 

탄소섬유강화플라스틱을 구성하는 수지는 열에 약하므로 250℃ 이상의 고온에서 사용할 수 없어 열을 차단하는 코팅이 꼭 필요하다. 그러나 기존의 열 차폐 코팅방식은 보통 500℃ 이상의 고온에서 이루어져 탄소섬유강화플라스틱에 적용할 수 없었다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 구조용복합소재연구센터 이민욱 박사 연구팀이 열에 약한 탄소섬유 복합소재를 100~150℃ 온도에서 코팅하여 500℃가 넘는 고온에서 사용할 수 있도록 하는 열 차폐 코팅기술을 개발했다고 밝혔다.

(a) 열 차폐 역할을 하는 세라믹 판(TBC)과 (b) 열 차폐층이 있는 탄소섬유강화플라스틱(TBC_CFRP) 제조 방법

연구진은 알루미나²⁾ 입자와 본드를 이용하여 스펀지처럼 구멍이 있는 세라믹 판을 만들고, 진공수지이송성형법³⁾으로 탄소섬유 복합소재를 제작하였다. 

세라믹 판은 탄소섬유강화플라스틱으로 전해지는 열을 막아주는 역할을 하는데, 특히 세라믹 판의 미세한 구멍에 액상 수지가 들어가면서 탄소섬유 복합소재와 물리적으로 연결되어 고온에서도 탄소섬유강화플라스틱과 높은 접착력을 가질 수 있었다. 이렇게 만들어진 샘플은 500~700℃의 화염으로 가열해도 실제 탄소섬유강화플라스틱의 온도는 약 200℃로 유지하며, 가열된 이후에도 원래 강도의 90%를 유지할 수 있었다.

탄소섬유강화플라스틱(CFRP, Carbon Fiber-Reinforced Plastics): 대표적인 경량화 소재로 탄소섬유와 수지로 구성됨

알루미나(Al2O3): 알루미늄 산화물로, 내열성 및 강도 등이 우수하여 세라믹스의 주요 재료로 사용됨

진공수지이송성형법(VARTM, Vacuum Assisted Resin Transfer Molding): 진공 압력에 의해 액체 상태의 수지가 탄소섬유 사이로 빨려 들어가는 방법으로 탄소섬유 복합소재를 제작하는 방법

탄소섬유강화플라스틱(w/o TBC)과 열 차폐층이 있는 복합재(w/ TBC)를 700℃로 가열했을 때 탄소섬유강화플라스틱의 온도와 연소 및 표면 사진

이번 연구 결과는 화재 현장에서 사용되는 드론 및 로봇에 적용하거나, 고온의 엔진에 사용되는 무거운 금속 부품을 대체하여 연료의 효율을 높이는 등 탄소섬유 복합소재의 활용 분야를 넓힐 것으로 기대된다.

KIST 이민욱 박사는 “이번 연구를 통해 고온에서 탄소섬유 복합소재를 적용할 수 있는 경제적이면서도 효과적인 방법을 제시했다는 데 큰 의미가 있다”고 전하며, “앞으로는 열 차폐 능력을 더욱 향상시켜 응용 범위를 확대할 예정이다”라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 한국과학기술연구원 기관 고유사업과 유타주립대의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 [Composite part B: Engineering](IF: 9.078, JCR 분야 상위 0.56%, 재료과학 및 복합소재 분야 1위)에 온라인 게재되었다.

* 논문명: Thermal barrier coating for carbon fiber-reinforced composite materials

- 제1저자: 한국과학기술연구원 김희진 박사과정

- 제1저자: 유타주립대학교 이주형 교수

- 교신저자: 한국과학기술연구원 김정원 선임연구원

- 교신저자: 한국과학기술연구원 이민욱 선임연구원

	○ 소속: 한국과학기술연구원 복합소재기술연구소 구조용복합소재연구센터 박사과정 ○ 전화: 063-219-8263 ○ e-mail: 091518@kist.re.kr
	○ 소속: 한국과학기술연구원 복합소재기술연구소 구조용복합소재연구센터 선임연구원 ○ 전화: 063-219-8183 ○ e-mail: mwlee0713@kist.re.kr

문의: 구조용복합소재연구센터 이민욱 선임연구원

(063-219-8183, 010-9892-8891, mwlee0713@kist.re.kr)