리오셀계 탄소섬유 개발

고체연료 추진기관인 로켓모터 노즐의 내열 소재로는 탄소/페놀릭 내열재료가 주로 사용된다. 보강재인 탄소 직물에 페놀수지(Phenolic resin)가 반경화(B-stage) 상태로 함침된 프리프레그(Prepreg)를 적층하고 고온/고압 환경에서 경화하여 제작한다. 이렇게 제작된 탄소섬유는 3000℃ 이상의 고온 및 고압, 고속 조건에서 뛰어난 단열 및 열 구조 기능을 갖추고 있으나, 국내 기술력의 부재로 전량 수입에 의존해왔다.

셀룰로오스계 탄소섬유는 레이온(Rayon) 또는 리오셀(Lyocell) 프리커서(Precursor) 섬유를 고온 열처리하여 생산한다. 지금까지는 내열 및 단열 특성과 페놀수지와의 계면 접착성이 우수한 레이온계 탄소섬유가 사용되어 왔으나, 알카리셀룰로오스 변환 과정 등 화학적 공정에서 발암성 유해물질이 생성되어 국내에서는 생산이 중단된 상태이며, 해외에서도 생산량이 줄어들고 있다.

이러한 문제에 대응하여, 국방과학연구소는 "리오셀계 탄소섬유기반 노즐('17.07~'20.12)" 연구를 수행하여 세계 최초로 리오셀계 탄소섬유 제조에 필요한 촉매 화합물 함침 및 초고온 연속식 흑연화 열처리 기술을 개발하는 데 성공했다.

촉매 화합물 합침 및 초고온 연속식 흑연화 열처리 기술은 목재 펄프에서 추출한 리오셀계 섬유가 고온을 가하는 과정 중에 타버리지 않도록 화합물 처리를 한 후, 섬유의 탄소 함유율이 99% 이상 되도록 2200℃ 이상의 고온에서 불순물을 제거하는 열처리 과정을 거치는 제조 공정을 말한다.

이번에 국과연이 개발한 기술은 우주발사체 및 유도무기체계의 추진기관에 적용되는 내열 부품인 리오셀계 탄소섬유의 기술적 독립을 이루어낸 성과로 향후 세계 우주 발사체 사업을 겨냥한 해외 수출에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다.