[유유상종] Hot 뜨거운 열을 견디는 내열성

녹지 않는 이카루스의 날개

# 지난 6월 21일 누리호 발사 성공으로 우리나라는 1t 이상의 실용위성을 우주로 보내는데 성공한 7번째 국가가 됐다. 누리호는 초고온 3,773K*에 달하는 초고온 연소가스를 배출해 추진력을 얻었으며, 초고온을 견디기 위해 복합소재와 합금을 사용해 발사체를 만들었다.

*K(캘빈): 온도의 단위로 3,000K는 섭씨 2,727℃에 해당한다. 용광로가 약 1,773K, 태양의 표면온도가 약 6,000K다.

# 영화 <탑건: 매버릭> 초반에 주인공이 마하 10 이상의 속도로 전투기를 비행하는 장면이 나온다. 마하 10은 약 12,240km/h로, 이처럼 빠른 속도로 비행할 경우 주변 공기와의 마찰로 인해 표면가열이 일어나 기체의 강도가 약해지거나 표면 재질이 녹기도 한다. 이에 기체 보호를 위해 열에 강한 소재를 사용한다.

초고온에서 단시간 혹은 장시간 사용할 수 있는 소재 개발은 오늘날 우주항공, 국방, 원자력발전소 및 일반산업까지 전 분야에 걸쳐 전략소재로 각광받고 있다. 수백 혹은 수천 ℃의 고온에서 버틸 수 있는 소재는 대표적으로 금속, 세라믹이 있다. 하지만 구조재로 사용하기에 낮은 강도와 높은 무게 등의 한계가 있어 이를 극복하기 위해 탄화규소, 탄소섬유를 첨가하는 등 복합소재 개발이 이루어지고 있다. 특히 탄소복합재는 철보다 강하고 알루미늄보다 가벼우며 3,000℃ 이상에서 강도를 유지할 수 있어 우주항공 분야에서 크게 활약하고 있다. 누리호에도 1, 2단 전방 동체, 2단 후방 동체, 케이블 덕트, 페이로드 페어링 등에 탄소복합재가 적용되었다.

인류의 꿈을 키운 내열재료의 발달

내열성(耐熱性, Heat Resistance)은 고온에도 상태나 성질이 바뀌지 않고 잘 견디는 성질을 의미한다. 불에 잘 타지 않는 난연성과 혼돈해 난연재(불에 잘 타지 않는 재료)는 내열성이 높을 거라 생각하는 경우가 많은데, 내열성과 무관하다. 내열성은 물리적 내열성과 화학적 내열성으로 구분된다. 물리적 내열성은 고온에서 용융 등의 물리적 변화를 일으키지 않는 것으로 열변형온도**, 유리전이온도***등이 척도가 된다. 화학적 내열성은 고온에서 산화, 열분해하지 않는 것을 뜻한다.

**열변형온도: HDT, 일정 하중 하에서 변형이 시작되는 온도
***유리전이온도: Tg, 고분자 비결정 부분이 움직이며 고무처럼 점성의 액체 형태로 변하는 온도

내열재료는 고온, 고열에 견딜 수 있는 재료를 말한다. 금속 중에는 녹는 점이 높은 철, 니켈, 코발트에 크롬, 알루미늄, 텅스텐 등을 더해 내열강, 내열합금을 만든다. 내열강과 내열합금은 용광로, 보일러, 증기터빈, 항공기 제트엔진 등에 사용된다. 세라믹은 금속에 비해 높은 내열성과 경도, 내화학성을 지니고 있지만 깨지기 쉬운 단점을 가지고 있다. 하지만 질화규소나 탄화규소 등의 천연무기물을 고순도로 정제하는 기술이 발달하며 우주왕복선의 열차단재, 가스터빈 등의 엔진부품에 활용되고 있다. 내열섬유에는 유리섬유, 세라믹섬유, 탄소섬유 등이 있으며 플라스틱 중에는 고밀도 폴리에틸렌과 폴리프로필렌이 내열온도가 각각 70~100℃, 121~165℃로 젖병, 전자레인지용 용기, 의료 장비 및 부품, 보건용 마스크 등에 사용된다.

고온에도 품질이 변하지 않는 KCC 고내열성 제품

플랜트 도료

플랜트는 생활에 필수적인 산업/시설로 설비 효율과 안전을 위한 내열성이 필수다. KCC 내열 도료는 콘크리트 연돌 및 철재 부위에 도장되어 우수한 내열성, 부착성, 장기 내구성을 유지하며, 필요한 내열 온도별로 도장 사양이 갖추어져 기술적, 경제적으로 최적의 사양을 선택해 작업이 가능하게 한다.

세라크울

세라크울은 1,000℃ 이상의 초고온에서도 안정적이고 우수한 품질을 유지하며 발전 플랜트, 제철/제강, 석유/화학 산업에 적용되는 초고온 내화단열재다. KCC 세라크울은 최첨단 공법인 스피닝(Spinning) 공법으로 제조한 스펀 세라믹 화이버(Spun Ceramic Fiber)를 생산하고 있다. KCC 친환경 세라믹 화이버의 한 종류인 뉴 바이오(New-Bio)는 벌크 화이버와 블랑켓으로 나뉘며 유연성과 내열 충격성이 좋아 로(재료를 가열해서 가공시켜주는 곳)의 벽체 또는 천장의 단열 충진재로 사용된다.

미네랄울

KCC 미네랄울은 규산칼슘계의 광석을 고온에서 용융한 후 고속회전력을 이용하여 섬유화한 뒤 바인더를 사용하여 일정한 형태로 성형한 무기질의 인조 광물 섬유 단열재다. 주원료가 무기질 광석이므로 불에 타지 않고 안전사용온도가 높아 다양한 용도에 맞춰 여러 형태로 생산되기 때문에 국내외 공인기관으로부터 그 성능을 인정받아 건축물은 물론 산업설비, 조선공업 등에 사용되고 있다. 선박 격벽(Bulkhead) 및 천장/바닥(Deck)에 적용되는 KCC 미네랄울 하이울의 경우 SOLAS (국제해상인명안전협약)에 의해 A-Class 내화구조체에 사용되는 제품으로 국내는 물론 유럽 및 미국 등 각국의 선급협회로부터 공식 인증을 획득한 제품으로 특히 우수한 내열성을 지니고 있다.

EMC

전력의 변환이나 제어용으로 적용되는 전력반도체의 경우, 일반적인 반도체에 비해 고전압화, 대전류화, 고주파수화 된 것이 특징으로 고내열, 고방열, 고절연 특성에 대한 기술력이 요구된다. 2004년 국내 최초로 KCC에서 양산한 파워모듈 패키지용 EMC는 내열성을 갖춘 제품으로 시장에서 주목받고 있다.

DAP(Die Attach Paste 접착제)

에폭시 수지 기반의 반도체용 접착제인 DAP(Die Attach Paste)는 반도체의 칩을 기판에 부착해 전기적인 신호가 원활히 전달될 수 있도록 한다. KCC의 DAP는 다양한 BGA Package 반도체에 적용 가능한 에폭시 수지 다이 접착제로, 접착력이 높고 내열성과 내수성이 강한 특징이 있다. 때문에 패키징 공정에서 집적회로를 외부적 요인으로부터 보호할 수 있는 중요한 역할을 하며 컴퓨터나 모바일 기기 내 반도체 부품인 D-RAM, NAND에 적용되고 있다.

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