[미리보는 '금요일에 과학터치'] 3천℃ 고온 견디는 코팅 기술

나로호 발사 장면

'하늘, 그리고 우주로 우리의 꿈을 실어 나르는 견인차'.

땅과 바다와 하늘. 우리가 살고 있는 공간이다. 땅과 바닷길은 인류 역사만큼이나 오래됐지만 하늘을 나는 꿈이 현실로 이뤄지게 된 것은 불과 100여 년 전의 일이다. 나아가 하늘을 나는 꿈이 우주까지 이어진 역사도 이제 50여 년 남짓하다. 하늘, 그리고 우주에 대한 도전과 개척은 우리의 삶을 획기적으로 변화시키는 마법의 램프를 문지르는 것과 같기 때문에 이에 대한 도전은 앞으로도 계속될 것이다.

그렇다면 우주 개척을 위해 가장 필요한 기술은 무엇일까. 바로 하늘의 저 끝 우주로 우리의 꿈을 실어 나르는 운반 수단, 즉 로켓 기술이다. 최첨단 운반기구인 로켓은 고온, 고압의 가스를 분출해 지구 중력을 박차고 하늘로 날아오른다. 이때 고온부 부품들은 금속의 용융점을 훨씬 넘는 1천500~3천℃에 이르는 가혹한 환경 속에서 수 초 내지 수 분을 견뎌야 한다. 이 때문에 고온의 연소 환경으로부터 부품을 보호하고 부품 표면 온도를 낮추기 위해 반드시 열차폐 보호코팅을 해줘야만 한다.

이 열차폐 보호코팅은 연소기의 모재료 표면에 내화벽돌과 같이 구멍(기공)을 많이 포함하고 있는 세라믹 코팅과 연소기 구성 재료 간 열팽창 차이를 완화시키기 위한 금속 코팅으로 구성된다. 연소기 종류와 사용 환경에 따라 구조와 조성 물질이 달라 핵심기술로 분류된다. 특히 이 기술은 우리나라 최초의 우주발사체 나로호의 경우에서 봤듯이 전략적 중요성과 독과점성 때문에 선진국에서 대외 유출을 통제하고 있어 우리나라 자체적으로 개발해야만 한다.

한국기계연구원 부설 재료연구소 플라즈마코팅연구실의 연구 소재는 플라즈마와 이온빔이다. 이를 이용한 표면 처리 기술을 바탕으로 자동차, 우주항공, 정보 전자 등 다양한 산업에 적용되는 부품 소재에 윤활성, 친소수성, 내마모성, 내부식성, 내지문성, 내열성, 투습 방지 및 투명 전도성 등의 기능을 부여할 수 있는 표면 처리 및 코팅 기술 개발에 몰두하고 있다.

연구실의 여러 연구 분야 가운데 변응선 박사 연구팀이 담당하고 있는 부분은 초고온 열차폐 보호코팅 핵심기술 개발. 초고온 열차폐 보호코팅이란 1천500∼3천도에 이르는 가혹한 환경에서 제 기능을 해야 하는 우주발사체 연소기, 항공기 가스터빈 엔진의 고온부 부품들을 고온의 연소 환경으로부터 보호하고 표면 온도를 낮추기 위해 적용하는 코팅이다. 기술 이전과 도입, 협력 가능성이 매우 낮은 분야다.

현재 연구팀은 열차폐 코팅의 성능과 수명을 대폭 연장할 수 있는 원천기술을 확보했다. 최근에는 차세대 가스터빈용 탄소계 복합 재료의 초고온 열차폐 코팅 핵심기술 개발과 로켓엔진 연소기 내열 세라믹 코팅의 실용화 기술 개발 연구를 수행하는 등 국내 초고온 열차폐 코팅기술 자립화를 위해 노력하고 있다.

이번 강연에서는 우주발사체의 엔진인 연소기를 보호하기 위한 열차폐 보호코팅의 필요성과 플라즈마를 이용해 코팅을 개발하는 과정을 소개한다. 또 국가연구개발사업으로 진행되고 있는 '로켓엔진 연소기 내열 세라믹 코팅의 실용화 기술개발' 과제의 진행내용과 주요 성과를 살펴볼 예정이다. 이를 통해 우리 기술로 뛰어난 성능의 로켓을 만들어 우리의 꿈과 희망을 우주로 실어 나를 날이 머지않았음을 시민들과 함께 느껴볼 것이다.

(사진출처: 한국항공우주연구원 나로우주센터)