Carbon Letters Vol. 11, No. 3 September 2010 pp. 235-242 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 LeeGand 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. p ver lp p p p m 21 l p ve q, kp r q p lk, qo q p s n p l l p q r p p n q p l tn. p rl ˆ q nt, l v, r n q l vr pn pp ~, q, l l n p p o} q, ˆ q pn rp q p rnp o l v l l m lrp pnp e p [1-3]. ˆ q t ˆ o 1950 p nt ql špl rp eq m, p n l,, k,, k n ~l ˆ p l ˆ o pn q }, d, e, p d r kl l., 1970 l kp ˆ o n v m 1980 l p e pl n l. v, 1990 l r p r ~r s l n t n l pl ˆ o q p n r~ l. q eql l v rk mm v p o }p s p l t n p pe l ˆ o q eqp e n t eq m., 21 nt e p l r, lr p pr vp l q o n p v n n l v rk qp e q p p n, p s p seˆ p q mv ˆ o q lp k p. ˆ o q pn q qp ˆ o p q vp l p v. ˆ q p q l p ps p q p s q rp pp, p rl ˆ o q needs v q q q p. sq ˆ o q, l r, r r p op op v ƒ p p p p p, p p o q p vp p [4-7]. l n p rq,, kr l nq p n k vl q l q~ t p v p, rp mm r n p l mm v re n p. p l }p lv, p p, p p. v lv p r pp rp p l l l p rp p l n erp s, q p ~, l p l rp eˆ pp p. l q~ t p ~p pp l l. ~ sp lvp, p t p l l l r p n ~ s 1kg ~t r~ 2~4 kg k r p. pm p l ~ s p p l p ˆ q r pp l ~ sp l p t p [8]. q v n q k p t p p, p rp p n p n q ˆ o n q p rnp v p m l ˆ o q eqp v l p [9-11]. ˆ o q p p lp k p qp k k p lpn p l ~ rp l s l n kp. p ˆ o q n t q, r rqq, Š q, ~ p q s d n q k kl n p ~ e q, l,, l p o q pp, k, r ~
236 Fig. 1. Ki-Seok Kim et al. / Carbon Letters Vol. 11, No. 3 (2010) 235-242 대표적인 탄소섬유의 형상 (PAN계 탄소섬유). 화성이 매우 우수하여 다양한 분야에서 응용이 되고 있는 원천 기술로서 커다란 파급효과를 가져올 것으로 예상된다 [12-14]. 따라서, 본고에서는 최근 다시 한번 각광받고 있는 탄소섬 유와 항공기용 탄소섬유 복합재료 시장 동향을 알아봄으로써 탄소섬유 복합재료의 중요성을 다시 한번 일깨우고 이를 이용 한 기타 응용방안 및 앞으로의 발전 방향에 대하여 논의하고 자 한다. 2. 본 론 2.1. 탄소섬유 탄소섬유가 최초로 문헌에서 정의된 것은 1969년 미국의 R. Bacon과 W. A. Schlamon에 의해서이며, 이들은 탄소섬유는 최 고 1,000 1,500oC의 온도에서 열처리한 섬유로서 전구체의 많 은 잔류물을 가지고 있으나, 흑연섬유는 2,500oC 이상으로 가열 한 것으로 99% 이상의 탄소함량으로 되어 있다 고 정의하였다. 일반적으로 탄소섬유란 탄소원소의 질량 함유율이 90% 이 상으로 이루어진 섬유장의 탄소재료로서, 유기 전구체물질 (precursor)로 제조된 섬유를 열분해해서 만드는 것부터 화학 기상 증착법에 의해 생성시키는 탄소나노섬유까지 포함한 다 [15]. 그러나 일반적으로는 유기물질의 열분해에 의하여 만 들어지는 것을 말하며 탄소만으로 구성된 직경 5 ~ 15 µm의 섬 유장인 것을 탄소섬유라 일컫는다 (Fig. 1). 탄소섬유는 전구 체에 따라 여러가지로 나누어질 수 있으며, 대표적인 전구체 로는 polyacrylonitrile, pitch, rayon 등이 있다. 또한 섬유의 형 태에 따라 장섬유 (long fibers)나 단섬유 (chopped strand), 매 트 (mat) 또는 직물 (fabric) 형태로 나뉘어 진다 [16-18]. 범용 탄소섬유의 대표적인 특성은 가볍고 매우 우수한 기계 적 물성 (인장강도: 3.5 GPa, 인장탄성률: 230 GPa)에 있으며, 일반적으로 Fig. 2와 같이 분류될 수 있다. 이렇게 뛰어난 기 계적 특성의 원인으로서는 탄소섬유의 기본적인 구조에 기인 한 것으로 PAN계의 높은 인장강도는 리본상의 미세구조에 기 인하며, 피치계 탄소섬유의 경우 도메인이 섬유 축 방향으로 배열하여 매우 높은 열적, 전기적 특성을 보인다 [19-21]. 또한 탄소섬유는 저밀도, 고탄성계수와 낮은 열팽창계수, 높 은 전기 열전도도를 가지며 진동감쇄능력, 생체적합성, creep Fig. 2. 탄소섬유의 기능적 분류. 저항성, 피로특성, 부식특성, 마찰 마모 특성과 화학적 안정성 이 뛰어난 고성능 섬유이고 상대적으로 값비싼 재료이다. 이 러한 탄소섬유는 기계적 특성이 우수하고 무게가 매우 가벼워 탄소섬유 복합재료의 강화재로서 점차 그 영역을 화학공업, 스 포츠용품, 자동차산업, 그리고 우주항공 분야에 이르기까지 넓 혀가고 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 대 한 중요성이 더욱 강조되고 있다. 여러 가지 특성에 부합되는 맞춤형 재료의 개발은 현재의 재료 과학기술의 최우선적인 목 표이며, 이러한 맞춤형 재료 개발에 매우 활발한 연구가 진행 되고 있는 분야가 복합재료 (composites)라 할 수 있다. 복합재료란 성분이나 형태가 다른 두 종류 이상의 소재가 거시적으로 조합되어 유효한 기능을 갖는 재료를 뜻한다. 복 합재료의 구성요소로는 섬유 (fibers), 입자 (particles), 층 (lamina), 모재 (matrix) 등이 있으며, 이러한 요소들로 구성된 복합재료는 일반적으로 층상 복합재료, 입자강화 복합재료, 섬 유강화 복합재료 등으로 구분할 수 있다 [25]. 복합재료는 경 량, 높은 무게비 강도 및 탄성률, 내부식성, 내충격성, 좋은 피 로특성, 부품 일체화의 용이성 등의 우수한 장점을 가지고 있 다. 이와 같은 우수한 재료 특성을 바탕으로 항공기의 경량화, 내부식성 및 충격, 진동 등의 성능 향상, 금형 가격의 절감 등 을 위하여 구조재 외판, 외장 부품, leaf spring 같은 기구부품 및 엔진부품 등에 적용하기 시작하여, 현재 그 사용은 전분야 에 걸쳐 증가하고 있는 추세이다. 최근 항공기를 비롯한 운송수단의 경량화에 대한 관심은 점 점 증가하고 있는 추세이며, 그 경량화 기술 중 가장 유용한
Present Status and Applications of Carbon Fibers-reinforced Composites for Aircrafts 237 Nylon 12 t ~ p np et Š p [26-28]. n q q o vl o o p ˆ om p o p t n l mp, ˆ o dž (CFRP)p 1980 tn ~ sp l rnp Š l ll d A 310, 300, 320, p p B777 l }n p. l p p B787l }n l pr v ~ sp 10~20% t %r m CFRPp n pp 50% r v l [29]. o q q kp pn o v tn qp, p n o q p l l er ll }n pp rp qqq p n k t p. q v k p t p n q rp / o n q p rnp v pl p kn o q eqp tl p [30]. wœ» k w w Fig. 3. o q e (a)m ˆ o q q (b). p o džp (FRP: fibers-reinforced plastics) rnp p. p o q p m ˆ o q Fig. 3l ˆ l. o q o p qm q v e, r m l p s qp. p rp o q o o, ˆ o s p o t n, q v l d, l e v p l v t jp pp, l p rs o l l vp PEEK (polyetheretherketone), PEI (polyetherimide), 2.3.1. eq Table 1l m p, lp eq 2005 k 90l l 2020 l 140l v r p, pl l 2005 63l t l l 2020 l 112l tp v p m. lp eq v pp 2000 l 2010 l rp p qp p p r, p lp p l, VLJ, t p. n lp eq (Table 2) 2005 50l l 2020 l 120l v r p, l 2005 25l l 2020 l 72l v r p. eq v pp 2000 l 2010 l p q p p m. eq 2000 l l 3.7% n m, 2010 l l 7.2%jp qp m, p l 3.7%l 9.1% v r p. l n Table 1. lp eq r eq (= ) 2005 2010 2015 2020 o:, % l v p 2005~2010 2011~2020 9,000 10,000 12,000 14,000 2.1 3.4 l 6,300 7,000 9,000 11,200 2.1 4.8 t) r~p n eq =, l = pp.
238 Ki-Seok Kim Table 2. 군용기 산업의 세계시장 전망 2005 시장규모 5,000 2,500 무역규모 주) 군용 무인기시장 포함 (=생산규모) Fig. 4. et al. / Carbon Letters Vol. 11, No. 3 (2010) 235-242 2010 2015 2020 6,000 8,000 3,000 4,400 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, 생 산금액 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 Fig. 5. 탄소섬유를 활용한 개발품의 예시. 단위: 백만 달러, % 연평균 증가율 2005~2010 2011~2020 12,000 3.7 7.2 7,200 3.7 9.1 다. 이는 소형 항공기의 대거 투입으로 운송수요와 운항체계의 용량 한계간의 차이를 극복하는 차세대 대중 항공교통수단으 로 활용하고자 하는 것이다. 이는 항공기 시장에 새로운 개념 의 air-taxi 시대를 예고하는 것으로 항공기 제조업체에 있어 항 공기시장의 틈새 시장을 제공할 것으로 예상되며, 이러한 사업 으로 인하여 향후 항공기 산업은 점점 더 발전할 것으로 판단 된다. Fig. 4는 NASA의 항공승객 수요예측을 나타낸다. 세계 탄소시장은 위와 같은 우주항공 산업의 발전과 함께 수송기기, 풍력, 연료전지 등의 사용에 대한 수용에 따라 물량 은 꾸준히 증가추세에 있고 선도기업들의 적극적 생산설비 투 자 및 응용제품 생산 확대로 인하여 소재에 대한 가격인하와 응용품은 꾸준히 개발되고 있는 실정이다. 탄소섬유의 시장점 유율은 물량기준으로 Torey, Toho Tenax, Mitsubishi Rayon, Zoltek의 순으로 일본기업이 강세이고 세계시장 선두업체들은 신규투자를 통해 생산량을 늘려가고 있어 수요증가에 대응하 고 있다. 일본 고기능성 섬유시장은 일상생활품에서 산업용으 로 그 축을 점차 넓혀가고 있으며, 특히 고분자, 바이오, 나노 기술 등 고도의 첨단기술을 응용해 자동차, 항공기, 우주로켓, 전기전자, 의료소재 등 산업분야에 고기능 소재를 공급하는 신 규 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 가 장 클 것으로 예측된다. 탄소섬유의 가격은 물성에 따라 다른 데 kg당 $15~$187로 가격차가 크고 현재 탄소섬유 가격은 $37/ kg이며 2011년 가격은 평균 $39/kg일 것으로 예측하고 있다.
Present Status and Applications of Carbon Fibers-reinforced Composites for Aircrafts 239 Table 3. ˆ o q l eq r k (n ) eq (Š) q (%) q ˆ 2007 2010 d rn, p, 20,000 8-10 > 15 e, kr q k nt n p, ntm 17,000 7-8 20 > p B7E7 1 100Š k n CNG 9,000 10-12 > 15 l v r n~p rq,, p, 15,000 20-30 > 40 r, ln ƒžn q k lr r r l Š p Ž,, 7,000 7-8 > 10, ~ p p l v rnp p 1,000 - > 5 v r, CO 2 p r ˆ o q l r l n t,, rq,,, d k k l l n lm. sp q p p p l tp s p rp s s p ~ l pnp r l p p, Fig. 5 ˆ o n p me ˆ. p q (specific strength) (specific stiffness)p sp q n, e (corrosion resistance) (fatigue resistance) p l rnp rp k n k ln p t/ s s (primary/ secondary structure)p q t p eq le 2000 p v p [32]. Table 3p ˆ o q l eq r p ˆ. p ˆ o q eq l 7~10% kžp q pp, 2007 n n, ln 30,000~40,000Š, d n 20,000Š, n 15,000~20,000Š r m. ˆ o q l v o l o p p l v pp p o p edšp o q e t eq l p ˆ o q r n rp v p. v l n p ˆ o q m mn ˆ /ˆ q n l p pp, l q p ITAR (international traffic in arms regulations) MTCR (missile technology control regime)l p l p no p r p l r l pp, r rp, ek d p p l~ p r pp k, pn k rsp Ž qp. ˆ o q p k m s lp rn r r v p l v k ˆ o qp p r, r lr p n tn qpp ep. 2.3.2. eq nt lp 06 r 40% v (2007 t) 46 l p. p v np p ~ w T-50 k p p v p r~ l p m l, oqq p p v m 07 KHP l, ~ l v p v erp d p Ž, k 50 l r. nt lp 06 kp 15.2 l p, 04 p t q l m. T-50 p k topp pp rr m p ~ p. s ~ l p v q v r pv, p 4.7 l, pp 31.2 l rp lrq ˆ p erp. k p s ~, e p, T-50 p p o, oqq p pp tn opp, p o q lp o, r lp r r l v l v lk. v, ~ p v l pp, r lp p p qp l eqp r p p. p ˆ o eq 2,600 Š/ r p l ps pp SK p tn l~p. ˆ o eqp d n kl t l pp r p p l p p erp l ˆ op m k l k p rn p n. ˆ o l kl k n p n pp Œq p Œp n, p p q
240 Ki-Seok Kim et al. / Carbon Letters Vol. 11, No. 3 (2010) 235-242 을 이유로 가격경쟁력 확보가 불투명하기 때문에 기업들이 투 자를 회피하고 있는 실정이다. 국내 탄소섬유 관련 업체수는 약 200여 개 업체 정도이며, 직접 탄소섬유를 수입하여 사용 하는 업체는 약 45개 업체 정도, 나머지 약 150개사는 카본 프 리프레그를 사용하여 낚싯대, 골프채 건축재료, 구조재 등으로 사용하고 있다. 국내에서 소모하는 탄소섬유 복합재의 양은 1995년 이후 매 년 크게 성장하여 2007년 기준으로 약 30배 이상 증가하여 왔 다. 그러나 국내 탄소복합재료 시장은 우주항공산업 분야에 국 한되어 경제적인 규모를 형성하지 못하고 있는 실정이다. 국 내시장의 분야별 탄소복합재료 수요는 지속적으로 증가하고 있지만, 자체 생산기술의 부재 및 중간원료인 탄소 프리프레 그 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 크다 고 할 수 있다. Fig. 6. 스텔스기 (F117)의 탄소섬유 복합재료 적용. 2.4. 항공기 구조재로 탄소섬유 복합재료의 적용 예 19세기말 토마스 에디슨이 발명한 전구의 필라멘트용으로 면섬유와 대나무 섬유를 탄화시켜 만든 최초의 탄소섬유가 만 들어진 이후, 탄소섬유는 여러 가지 방법으로 만들어 지면서 강도와 탄성률이 크게 향상되어 1960년대에 이르러 탄소섬유 가 항공기 구조용으로 적용되기 시작하였다. 국내에서 설계/제 작한 T-50 고등훈련기의 수평미익에는 T300급 탄소섬유 복합 재료가 적용되었으며 복합재료 항공기인 B787에는 일본 Toray 사의 T800급 탄소섬유가 적용되어 항공기의 주 구조물의 기 본소재로 활용되고 있으며, 현재는 T1000급의 고강도 탄소섬 유도 개발되어 있다. 탄소섬유 복합재료는 알루미늄소재보다 약 40% 가볍고 티 타늄보다 탄성률이 높으며, 우수한 내피로 특성과 또한 크립 이 거의 없고 열팽창계수가 매우 작아 치수안정성이 우수하여, 위성체 본체나 태양전지판 및 안테나, 우주망원경의 경통 등 의 우주구조물의 소재로도 사용되고 있다. 화학약품에 대한 내 성이 우수하여 부식이 없으며, 마찰 계수가 작아 마모가 작고 진동감쇠 특성 또한 우수하여 구조물의 진동을 감쇠시키는 역 할을 할 수 있다. 한편 기능적 측면에서는 전기전도 특성이 있 어 전파를 흡수하거나 차폐하는 스텔스 기능 및 안테나 소재 로 사용이 되고 있다. Fig. 6은 탄소섬유 복합재료가 적용된 대표적인 스텔스기인 F117을 나타낸다. 기존의 금속소재에 비해 원 소재비용부터 설계/성형까지 초 기 생산 비용이 많이 들어가 고가의 복합재료를 민간항공기 동체와 날개와 같은 대형 1차 또는 주구조물에 까지 대량으로 적용하는 데는 경제적 이유와 많은 기술적 어려움이 있어 왔 다. 이러한 이유로 복합재료의 적용이 2차 구조물로 제한되어 추가로 복합재료의 비율을 높이기가 어려웠다. 대표적인 기술적인 문제점으로는, 복합재료의 결함으로서 Fig. 7. Fig. 8. 보잉사 제조항공기의 복합재료 적용추세. 보잉 B787 구조물의 재료별 구성도.
Present Status and Applications of Carbon Fibers-reinforced Composites for Aircrafts 241 q p k v n vl p el q r Žp pl n p rr p p. q ~ m p t s v rn l p p ˆv o p m, p p p kr s ˆm. rrp r v kp p, 2000 v p n t s p m ~ q ~ v k q p r p ll r~ s p 20% r vp rnp l v r m [33]. l pp ATL (automatic tape lay-up) AFP (automatic fiber placement) p q r q p q l rn RFI (resin film infusion) p q / r p r p v, n l p q r Žp m p q p p r l sl l r p ~ p t s v q s l p. p ep 2010 7ol l m v ~ l p p q p B787p p p l r p. Figs. 7 8l m p q p B787 r~ s p 50% v q rn l k 5 Šp l. 3. l n r p v q n m p l ~ q k sn n q pv p ˆ o q p p m eq, ˆ pn kl l rp m. n p o q e t p ˆ o q q n ˆ o eqp 1so, q eqp 10so pp p m. p erl ˆ o q kl v k sp p ˆ qq l eq n o n n n tn. ˆ o q nt lp o q k k q, rq,, l v p k p l kl pnp l q eˆ p. s lp l e l k p pn p p l r rl l pp p Ž eq reql p q o kl o} p r e n., p } p l p o} e n, pl, l r p vop n tn Ž. p lr ~ p n qp p p e q 10so l p ˆ q eql ˆ l p n k p. References [1] Mora, E.; Blanco, C.; Prada, V.; Santamaría, R.; Granda, M.; Menéndez; R. Carbon 2002, 40, 2719. [2] Herbeck, L.; Wilmes, H.; Kolesnikov, B.; Kleineberg, M. Technology and design development for a CFRP fuselage, SAMPLE Europe, 2003, 1. [3] Seo, M. K.; Park, S. J. Macromol. Res. 2009, 6, 430. [4] Park, S. J. Interfacial Forces and Fields: Theory and Applications, J. P. Hsu, ed., Marcel Dekker, New York, 1999, Chap. 9. [5] Hage, E.; Cost, Jr., S. F.; Pessan, L. A. J. Adhesion Sci. Technol. 1997, 11, 1491. [6] Ham, M. B.; Choi, H. S.; Choi, W. J. Kor. Associ. Defence Indu. Stud. 2009, 16, 260. [7] Hussain, M.; Nakahira, A.; Nishijima, S.; Niihara, K. Composites: Part A 2000, 31, 173. [8] Savage, G.; Bomphray, I.; Oxley, M. Eng. Failure Anal. 2004, 11, 677. [9] Park, S. J.; Seo, M. K. Carbon 2001, 39, 1229. [10] Backman, B., Composite Structures, Design, Safety and Innovation, Elsevier, 2005. [11] Park, S. J.; Seo, M. K.; Lee, J. R. Carbon 2002, 40, 835. [12] Donnet, J. B.; Bansal, R. C. Carbon Fibers, 2nd ed., Marcel Dekker, New York, 1990. [13] Schwartz, M. M. Composite Materials Handbook, McGraw-Hill, New York, 1992. [14] Dusek, K. Epoxy Resins and Composites I, II, III, Springer, New York, 1986. [15] Seo, M. K.; Park, S. H.; Kang, S. J.; Park, S. J. Carbon Lett. 2009, 10, 43. [16] Donnet, J. B.; Bansal, R. C. Carbon Fibers, Marcel Dekker, New York, 1984. [17] Cato, A. D.; Edie, D. D. Carbon 2003, 41, 1411. [18] Seo, M. K.; Park, S. J. Polym. Sci. Technol. 2010, 21, 130. [19] Chung, D. D. L. Properties of Carbon Fibers, Carbon Fiber Composites. Butterworth-Heinemann, Newton, 1994, 65. [20] Park, K. Y.; Choi, J. H.; Lee, D. G. J. Composite Mater. 1995, 29, 1988. [21] Spur, G.; Lachmund, U.; Jahanmir, S.; Ramulu, M.; Koshy, P. (Eds.), Turning of Fiber-reinforced Plastics, Machining of Ceramics and Composites, CRC Press, New York, 1999, 209. [22] Hong, L. L.; Moshonov, A.; Muzzy, J. D. Polym. Compos. 1991, 12, 191.
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