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핵심기술
섬유용 폴리카보실란 (PCS:polycarbosilane)합성 및 정제, 용융방사 장치 설계 및 Multi hole 방사기술, Thermal curing 안정화 공정, 산소량 감소를 위한 CVC 공정 기술, 연속 열처리 장치개발 및 열처리 조건 공정 기술, 열처리 중 섬유 장력 제어 장치 및 제어 기술, 표면처리 공정 및 장치 기술, SiC섬유의 권취 기술, 수동 제직기술, SiC섬유의 상온 및 고온 공기분위기 장시간 노출 물성평가 기술, 각 공정단계서의 품질 기준(합격/불합격)설정 기술: Pilot scale 규모

핵심기술
섬유용 폴리카보실란 (PCS:polycarbosilane)합성 및 정제, 용융방사 장치 설계 및 Multi hole 방사기술, Thermal curing 안정화 공정, 산소량 감소를 위한 CVC 공정 기술, 연속 열처리 장치개발 및 열처리 조건 공정 기술, 열처리 중 섬유 장력 제어 장치 및 제어 기술, 표면처리 공정 및 장치 기술, SiC섬유의 권취 기술, 수동 제직기술, SiC섬유의 상온 및 고온 공기분위기 장시간 노출 물성평가 기술, 각 공정단계서의 품질 기준(합격/불합격)설정 기술: Pilot scale 규모 생산공정 및 생산시설 구축 기술

최종목표
SiC섬유(Si-C-O섬유) 제조
인장강도: 2,000MPa, 탄성률: 200GPa 산소량: <12wt%, 밀도:<2.5g/cm³, 필라멘트 수: 0.2~0.8K, 직물: 0.3x20m, 열처리 생산라인: 3개, 섬유용 PCS 프리커서 합성/정제, SiC_f/SiC 복합재 제조[밀도: >2.0g/cm³, 굴곡강도: >60MPa, 열전도도: >2.0 W/m.k (RT/1,000℃)], 열팽창률: >2.0(10^-6/K)(RT∼1,000℃), 삭마평가(Oxyacetylene Torch): C_f/SiC 비교, 1,000~ 1,100℃ 공기분위기 노출 Long-term 인장강도 물성평가

개발내용 및 결과
- 섬유용의 PCS프리커서 분석 및 고품질 PCS섬유 획득을 위한 정제기술 및 조건 확보: Mw, Mn, PDI, SP 온도
- PCS 방사기술: 용융방사 시스템 설계(노즐 형상, 노즐 홀 배치), 스피닝블록 시스템(불순물 제거 기술) 제작, 섬유 가이드 및 집속화 시스템 설계, Multi-hole 토출 방사 공정기술 개발, 섬유권취 장치, 권취 튜브 설계 및 제작, 노즐 홀 세척 및 확인 기술확보(홀 내부 압력상승, 섬유 절사 발생 억제)
- 방사공정 조건 개발: SP 측정(190~220℃), GPC에 의한 분자량 분포 측정
1) Single-방사: 1차로 방사성 확인(2분 이상 절사 없이 방사만족), 방사 PCS섬유 사용, SiC섬유화 실험 및 물성평가로 PCS 프리커서 사용여부 확인 및 방사 조건 확보(방사온도, 방사속도)
2) Multi-방사: 200~300홀 노즐사용 방사, 전 방사구 용융 PCS 토출을 위한 기술 개발(압력 제어 기술), 섬유 집속화 기술, 방사 종결 후 섬유 끝 처리 기술 확보

- PCS섬유 불융화(안정화)공정 기술 개발
.PCS권취 튜브로부터 PCS섬유 제거 기술 개발
.수동 기술 및 자동화 장치 개발
.공기에 의한 안정화 공정 조건 개발: 안정화 전후 무게 변화 조건 확보, 안정화 사이클(온도, 시간, 체류 시간), 산소량과 섬유 강도와의 연관성 개발
.안정화도(경화도) 조건 확보: FT-IR로 Si-H, Si-CH₃ 피크비로 경화도 계산 방법 개발
.안정화 섬유 처리용 치구 개발
.안정화 섬유의 품질 확인을 위한 현장 적용 평가기술 개발
.안정화 후 환경(습도)이 강도에 미치는 영향 개발

- 산소량 감소 CVC(Chemical Vapour Curing) 공정 개발
.CVC용 불포화탄화수소가스 선정
.CVC 처리용 챔버 설계 및 제작
.CVC 공정 조건 연구: EPMA, XPS분석(산소량: <5wt%)
.CVC안정화 처리 섬유의 열처리 공정 개발

- 열처리 공정 기술 개발
1)열처리 장치 개발:
.외부 공기 유입 방지 시스템(Air-curtain) 개발
.열처리 장비 최적 온도 분포 기술 개발
.안정화섬유의 장력 제어 장치 개발
.외부 환경 영향 차단 시스템 개발
.배치 열처리 기술(1-step 연속 열처리 공정기술) 개발
.Furnace 내부 가스양 조건 개발

- 표면처리 공정 개발
1) PVA, Epoxy 사이징제 개발
2) 사이징제 처리 장치 개발
3) 섬유 집속화 공정 기술 개발
- SiC섬유 권취 장치 개발
1) 장력 제어 및 권취 속도 제어 시스템 개발

- Small Pilot–Scale 생산 라인 구축
1) sic섬유 제조 안정화섬유 열처리 생산 라인 3개 구축
2) 열처리 속도, 온도 조건, 가스양, 공기 차단, 가이드 시스템 설계, 제작 및 설치

- SiC섬유 직물 제직
1) 수동형 제직기술 개발: 평직, 주자직 기술 확보
2) 0.4m x 1.5m (1회 제직: 공간 부족으로 인한 길이 제한)
3) 면밀도: 250~350g/m²
4) 밀도: 20 x 20 /inch

- Melt Blown 방사 추진
1) MB 노즐 시스템 설계
2) 1~5홀 설계
3) MB에 의한 PCS섬유 매트 실험
4) PCS 매트 안정화 공정 개발: 섬유-섬유 접합 공정 개발
5) SiC섬유 매트 제조
6) 가스레인지용 히터 적용성 수요기업과 실험
7) 스페인 업체와의 당사 개발 제품 판매 협의

- SiC섬유 물성평가
1)SiC섬유 상온 및 고온 기계적 물성 평가
.ASTM-D3379에 의거 상온 물성 평가: 각 롯트별 평가 및 CV 값 산출: 평균 강도: > 2,000MPa, 탄성률: >200GPa
.공기분위기 고온 물성평가: 온도 1,100 ℃, 노출시간: Max.100시간
.100시간 노출 시 인장강도 약 50% 감소, 탄성률은 큰 변동 없음
.CVC공정 SiC 섬유의 경우에 강도 감소는 그리 크지 않음.
2)밀도평가
.ISO 규격 의거 평가: >2.5g/cm³
3) 산소량 평가(ONH장비로 분석)
.공기 안정화 SiC섬유: 8wt%
.CVC안정화 SiC섬유: <4wt%
4) XRD 분석
.무정형 SiC섬유 확인
5) EPMA 분석(표면 분석)
.공기 안정화 SiC섬유: 12~15wt%(O)
.CVC안정화 SiC섬유: (<6wt%)

- SiC_f/SiC 복합재 제조
1) PIP 공정으로 복합재 제조
2)공정도: 제직-세척-건조-슬러리 제조(PCS+SiC powder+용매+가교제)-슬러리 페인팅-건조-금형제작-green body 제작-경화(질소 분위기)-열처리-1차 함침(PCS+용매)-열처리-5차 함침-열처리
1) 시편 크기: 180 x 90 x 5mm

- SiC_f/SiC 물성평가
1) 밀도: 2.0~2.5g/cm³
2) 굴곡시험: 3-point flexural test(ISO 178규격)82~213MPa
3) 열적물성평가
.온도: 상온~1,000℃
.열전도도: 22.7 W/m.k ( 900℃)
.열팽창률: 5.21 (10^-6 / K) ( 900℃)

- SiC_f/SiC 삭마시험평가
1)Oxyacetylene Torch 시험기제작
2)시험온도: 1,300~1,500 ℃
3)시편: 직경 (30mm), 두께 (4mm)
4)결과: C_f/SiC소재와 비교
.삭마율 C_f/SiC: 0.0007mm/s
.SiC_f/SiC: 0.0001mm/s
.SiC_f/SiC 소재는 산화성 고온 분위기에서 내 산화성 우수

- 적용분야 발굴
1) 히터용 SiC섬유 제품 개발 중(관련기업 및 국외 판매 업체접촉)
2) 국방용 적용 사업 신정: 방위사업청 중장기 사업 반영(고온 전파흡수성 SiC_f/SiC 복합재 개발)

기술개발 배경
∘ 기술개발 필요성
- 탄소섬유는 20세기 개발소재 중에서 가장 가볍고 강도가 우수하여 항공우주, 국방 및 전 산업분야에서 적용되고 있음. 그러나 이 섬유는 공기를 흡입하여 동력을 얻는 각종 엔진 분야에서는 500℃이하부터 섬유의 산화로 인하여 적용이 불가능함.
- 이 같은 단점을 해결 할 수 있는 소재로는 오늘날 SiC섬유가 유일하며, 현재는 항공우주, 국방 및 민수분야에서 고온, 공기에 노출되는 환경에 적용할 수 있음.
- 오늘날 SiC섬유는 일본이 1975년도부터 개발을 시작하여 30년 후에 세계시장을 주도하고 있고, 이어서 미국과 중국만이 생산을 하고 있으며, 그리고 독일과 한국, 인도가 개발 중에 있는 첨단소재임.
- 본 소재는 국방용으로의 사용을 억제하기 위해서 수입이 불가한 제품으로서 우리의 미래 산업은 물론 국방의 자립화를 위하여 독자 개발이 필요함.
- 본 소재의 고급 그레이드는 1,000만원/kg의 고부가 가지의 소재로서 경제성이 높은 특징을 갖고 있음.

∘ 연구배경 및 개발 동기
- SiC섬유는 한국세라믹기술원이 과제를 제기하여 1단계에서 산자부 지원 하에 Lab-scale의 SiC섬유를 개발함. 이 섬유는 SiC섬유 개발세계에서 1세대에 해당하는 Si-C-O섬유로서 산소량이 12~15wt% 포함하는 섬유임.
- 위의 개발 섬유 기술을 토대로 이를 Scale-up하여 Pilot scale-규모로 생산하기 위하여 ㈜데크카본은 주관기관으로서 2단계사업에서 생산화 가능성 타진 연구 수행, 3단계에서는 소량 생산 가능한 생산기술과 생산시설을 구축하게 되었음.
- (주)데크카본의 주 개발 및 생산제품은 고온에서 사용하는 C_f/C, C_f/SiC 제품으로서 이 소재 다음에는 SiC_f/SiC 세라믹 복합재의 개발이 필요함. 이 소재는 국방분야로부터 일반 산업에서도 요구되는 제품으로 예상되어 ㈜데크카본은 SiC_f/SiC 세라믹 복합재의 원천 소재로서 가장 중요한 SiC섬유 사업화에 참여하게 되었음.
- 향후 본 개발 기술과 시설을 바탕으로 일본의 Nicalon 과 동급의 섬유를 개발하기 위한 기반이 될 수 있음.

핵심개발 기술의 의의
∘ 신규개발 여부
- SiC섬유 개발 공정은 탄소섬유와 달리 생산공정이 일체 공개되지 않고 있음. 국내에서는 Lab-scale로서 한국세라믹기술원이 연구개발을 수행함. 이어서 이 기술을 토대로 ㈜데크카본이 국내에서 유일하게 SiC섬유를 생산하기 위하여 추진한 신규개발 과제임.
- (주)데크카본에서는 한국세라믹기술원이 Batch형으로서 개발한 기초적인 기술을 토대로, 이를 Pilot scale 규모로 생산하기 위한 생산공정을 개발하였고, 이를 연속적으로 생산하여 코스트 절감을 위한 생산시설을 개발하고 구축하였음.

∘ 개발의 난이도
- SiC섬유는 1975년도에 일본 동북대학 교수 Yajima에 의해 개발된 이래 일본은 미래의 부가가치가 높은 소재가 될 거라 보고 30년 동안 정부와 기업이 투자하여 세계시장을 지배하고 있음. 일본은 PCS를 프리커서로 하는 제조공정과 PCS에 금속을 도핑하는 2가지 공정을 개발하였으며, Nippon Carbon 과 UBE 사는 각각 3가지 등급의 제품을 개발, 생산하고 있음. 그러나 이들 공정에 대한 기술은 거의 공개되지 않고 있음.
- 중국도 1978년도부터 정부의 지원 아래 국방대학교(NUDT)에 연구개발을 30년 동안 투자하여 현재 대학 내에 1톤 규모의 Pilot scale 생산 시설을 구축하고 있는 것으로 알려져 있으며, 이 분야에서 150여명의 석·박사 학생을 배출함. 30년 동안의 연구개발에도 불구하고 아직도 일본의 최고 등급에 해 당하는 SiC섬유 연구가 진행 중인 것으로 알려져 있음.
- 미국도 일찍이 CVD 공정으로 SiC섬유를 개발하였고, 고분자 프리커서로부터도 개발을 1970년대부터 개발하여 오늘날 생산은 하고 있으나, 일본 제품의 성능에는 미달하는 것으로 알려져 있음.
- 이와 같이 3개국은 SiC섬유 개발에 30년 동안 수천억의 개발비를 투자한 것으로 알려져 있는데 이는 탄소섬유 개발 보다 더욱 어려운 기술임을 의미함.
- 이들 3개국은 각자 조금씩 다른 공정을 갖고 개발한 것으로 일반 논문에 알려져 있으나, 자세한 공정 과정은 전혀 공개가 없음.
- 독일은 Dry spinning 기술을 사용하여 Fraunhofer연구소에서 Pilot scale 규모의 시설을 갖추고 개발을 추진하고 있음.
- 인도도 2000년대부터 개발에 착수하였으나, 아직까지 생산에 성공하지 못한 것으로 알려져 있음.
- 이 같은 상황에서 한국은 제한된 연구비와 짧은 연구기간을 통하여 Pilot scale 규모의 생산기술과 시설을 구축하는데 많은 어려움을 겪었으며, 아직도 선진국의 최고 등급의 SiC섬유를 개발하기 위해서는 정부의 장기적인 투자가 이루어져야 세계시장에서 경쟁력을 갖출 수 있다고 판단함.

∘ 국산화 정도
- 본 사업에서 개발한 공정은 일본이 개발한 Yajima 공정 기술에 기반을 두고 있음.
- 개발한 공정은 고분자 PCS프리커서의 합성, 용융방사 공정, PCS섬유의 불융화를 위한 경화 안정화 공정, SiC화를 위한 고온 연속 열처리 공정, 사이징 공정, 제직공정으로 구성
- SiC섬유의 가장 큰 핵심은 PCS프리커서의 국내 합성임. 본 사업에서는 PCS전구체 합성부터 전 공정 및 생산공정 시설모두를 100% 국산화 달성하였음.

∘ 해외기술도입 여부
- SiC섬유와 관련한 해외 기술 도입은 없었음. 도입을 추진하여도 기술 이전은 불가능한 분야임. 단 본 사업 추진에서 이 분야에 종사를 해온 전문가를 초빙하여 비밀에 저촉되지 않는 범위에서 자문을 받은바 있으며, 이는 궁극적으로 본 사업이 주어진 기간에 제한된 연구비로 본 사업을 성공적으로 마무리 하는데 큰 기여를 하였다고 판단함.

∘ 기술수출 가능성
- 2000년대 인도가 SiC사업을 추진하고 있으나, 한-인도 간 기술 교류 시 입수한 정보에 의하면 인도는 SiC섬유 제조에 실패한 것으로 알려져 있음. 2017년 8월과 9월에 인도 측 국방부 산하 연구소에서 SiC섬유 개발을 공동 수행하자는 제안을 하여 10월 중 양측 기술 미팅이 예정되어 있음. 상활에 따라서 개발 기술의 이전에 제한된 범위에서 이전될 가능성도 있음.

적용 분야
- 본 사업에서 개발한 SiC섬유는 정확히는 산소가 많은 Si-C-O구조의 섬유임.
- Si-C-O섬유의 조성 및 표면 조절을 통하여 전기저항을 제어하고, 이로부터 SiC_f/SiC 복합재를 제조하여 고온에서 X밴드 파장을 흡수할 수 있는 고온 전파흡수 내열성 구조재 적용 가능.
- 이 섬유는 마이크로파를 흡수하여 마이크로 히터로 사용.
- 가스레인지용 히터, 화력발전소 등의 필터 등에 적용.

( 출처: 최종보고서 초록 - 3. 개발결과 요약 5p )

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 최종보고서 초록 ... 3
• 기술개발사업 주요 연구 성과 ... 20
• 목차 ... 26
• 제 1 장 서론 ... 27
• 제 1 절 과제의 개요 ... 27
• 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과(기술개발 내용 및 방법) ... 35
• 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 35
• 제 2 절 단계 목표 및 평가 방법 ... 43
• 제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 45
• 제 4 절 수행 결과의 보안등급 ... 53
• 제 5 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리 현황 ... 53
• 제 3 장 결과 ... 56
• 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 56
• 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 107
• 제 3 절 고용 창출 효과 ... 108
• 제 4 절 자체보안관리진단표 ... 109
• 제 4 장 사업화 계획 ... 110
• 제 1 절 시장 현황 및 전망 ... 110
• 제 2 절 사업화 계획 ... 113
• 제 3 절 향후 추가 기술 개발 계획(개발기술 응용 등) ... 114
• 끝페이지 ... 115