Research Highlight (이전윤 교수)

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- 나노 소재를 접목한 기체 차단 성능 강화 복합재 개발 -

 

 

이번 리서치 하이라이트에서는 복합재 분야 최상위 국제학술지인 ‘Composites Part B: Engineering’ 311권에 게재된 이전윤 교수와 박사과정 배재준 학생의 “나노 소재를 접목한 기체 차단 성능 강화 복합재 개발” 연구를 소개한다.

 

복합재는 높은 비강도와 비강성을 바탕으로 항공우주 구조재 분야에서 핵심 소재로 활용되고 있다. 특히 발사체에서 큰 부피와 무게를 차지하는 추진제 탱크는 전체 시스템의 경량화에 직접적인 영향을 주기 때문에, 금속 탱크를 복합재 기반 압력용기로 대체하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 실제로 복합재가 적용된 Type IV composite overwrapped pressure vessel (COPV)는 기존 금속 기반 Type I 압력용기 대비 약 70% 수준의 경량화 가능성을 보여주며, 차세대 우주 수송체 개발에서 유망한 구조로 평가받고 있다. 그러나 Type IV COPV는 기체 누설을 방지하기 위해 내부에 폴리머 라이너를 반드시 적용해야 하며, 이 라이너는 구조 경량화의 이점을 일부 상쇄하는 요인이 된다. 또한 라이너와 복합재 사이의 물성 차이로 인해 감압 과정에서 버클링과 같은 구조적 불안정성이 발생할 수 있어, 궁극적으로는 라이너 없이 복합재 자체가 기체 차단 기능까지 수행하는 Type V COPV의 필요성이 증가하고 있다.

 

 

 

< Fig.1 Types of Composite Overwrapped Pressure Vessel (COPV)
복합재 보강 압력용기(Composite Overwrapped Pressure Vessel, COPV)의 종류 >

 

 

다만 발사체 추진제 탱크와 같이 극저온 유체를 저장하는 환경에서는 복합재의 적용에 여전히 기술적 제약이 존재한다. 액체수소, 액체산소와 같은 극저온 유체를 다루는 과정에서 복합재는 반복적인 극저온-상온 열사이클을 경험하게 되며, 이때 강화섬유와 수지 사이의 열팽창계수 차이로 인해 내부 열응력이 축적된다. 그 결과 복합재 내부에는 미세균열과 층간 분리가 발생하고, 이러한 손상은 두께 방향으로 연속적인 누설 경로를 형성하여 기체 차단 성능을 급격히 저하시킨다. 즉, 복합재는 본래 뛰어난 비강도와 비강성을 지니고 있음에도, 극저온 반복 환경에서의 미세 손상으로 인해 독립적인 기체 장벽으로 기능하기 어려워, 라이너 의존성이 유지되어 왔다. 게다가 대형 복합재 압력용기는 오토클레이브 공정을 적용하기 어렵기 때문에, 일반적인 오븐 경화 공정에서는 층간 기공이 더 쉽게 형성되고 이는 기체 투과와 기계적 성능 저하로 이어질 수 있다. 따라서 라이너가 없는 Type V COPV를 구현하기 위해서는 극저온 미세균열 저항성과 낮은 기체 투과도, 그리고 비오토클레이브 공정에서의 치밀한 적층 구조를 동시에 확보할 수 있는 설계 전략이 필요하다.

 

본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 복합재 층간 계면에 고인성 폴리아미드 전기방사 나노섬유층을 삽입하는 새로운 접근법을 제안했다. 이 나노섬유층은 약 24 um의 매우 얇은 두께로 적층 구조 내부에 도입되며, 경화 과정에서 수지와 상호작용하여 층간 영역의 구조를 보다 치밀하게 형성한다. 연구 결과, 이 나노섬유층은 기체 확산 경로를 제어하는 보조 차단층으로 작용하는 동시에, 열사이클 과정에서의 미세균열 발생과 성장을 억제하는 역할을 수행할 수 있음을 확인하였다. 또한 나노섬유의 다공성 구조는 경화 중 추가적인 모세관압 형성에 기여하여, 오토클레이브 없이도 층간 기공을 효과적으로 줄일 수 있는 가능성을 제시하였다.

 

 

 

< Fig.2 Schematic illustration of a composite laminate incorporating nano-barriers
나노섬유층이 삽입된 복합재 적층판의 개략도 >

 

 

X-ray microscopy분석 결과, 오븐 경화 시편의 기공률은 나노섬유층 미적용 시 0.73 vol%였으나, 적용 시 0.04 vol%로 감소하여 오토클레이브 경화 시편의 0.01 vol% 수준에 근접하였다. 이는 나노섬유층이 비오토클레이브 공정에서도 복합재의 기공 형성을 억제하여 기계적 강도를 증가시키는 데 기여할 수 있음을 보여준다.

 

 

 

< Fig. 3 Morphology analysis of cross-ply laminates. (a–b) X-ray microscopy images and segmented void representations (c) Comparison of void content.
직교 적층 복합재의 형상 분석. (a–b) X선 현미경 이미지 및 기공 분할 이미지, (c) 기공률 비교 >

 

 

기체 투과 실험에서도 나노섬유층 적용 시편은 기존 오븐 경화 시편 대비 약 21% 낮은 헬륨 기체 투과도를 나타냈다. 또한 이와 같은 차단 성능은 벌크 폴리머 라이너에 필요한 질량의 약 6% 수준의 폴리머만으로 구현되어 COPV의 경량화에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 극저온 반복 환경에서의 내구성 평가에서도 나노섬유층의 효과가 확인되었다. 연구팀은 상온과 약 -196 ℃ 사이를 반복하는 극저온 열사이클 시험을 수행하였으며, 나노섬유층이 없는 시편에서는 광범위한 미세균열이 발생하고 기체 투과도가 약 15% 증가한 반면, 나노섬유층이 적용된 시편에서는 사이클 이후에도 미세균열이 관찰되지 않았고, 기체 투과도 역시 통계적으로 유의한 변화 없이 유지되었다. 이러한 결과는 나노섬유층이 초기 기체 차단 성능을 향상시키는 데 그치지 않고, 극저온 반복 환경에서의 손상 누적을 억제하여 장기적인 차단 성능 유지에도 기여할 수 있음을 보여준다. 또한, 기계적 성능 측면에서도 나노섬유층 도입에 따른 성능 저하는 관찰되지 않아, 나노섬유층이 기체 차단 성능 향상과 함께 복합재의 구조적 건전성 확보에도 기여할 수 있음을 시사한다.

 

 

 

< Fig. 4 Cryogenic cycling-induced microcracks observed by optical microscopy. (a) Oven-cured laminate without nano-barriers before cryogenic cycle, (b) after 300 cryogenic cycles, and (b1–b4) close-up views of (b). (c) Oven-cured laminate with nano-barriers before cryogenic cycle, (d) and after 300 cryogenic cycles.
광학현미경으로 관찰한 극저온 열사이클 실험으로 인한 미세균열. (a) 나노섬유 차단층이 없는 오븐 경화 적층판의 열사이클 전, (b) 300회 극저온 열사이클 후, (b1–b4) (b)의 확대 이미지, (c) 나노섬유 차단층이 삽입된 오븐 경화 적층판의 열사이클 전, (d) 300회 극저온 열사이클 후 >

 

 

 

< Fig.5 Results of cryogenic cycling tests. (a) Microcrack density as a function of cryogenic cycles. (b) Gas permeability as a function of cryogenic cycles. Representative leak rate–time curve for (c) oven-cured laminate without nano-barriers and (d) oven-cured laminate with nano-barriers.
극저온 열사이클 시험 결과. (a) 극저온 열사이클 횟수에 따른 미세균열 밀도, (b) 극저온 열사이클 횟수에 따른 기체 투과도, (c) 나노섬유 차단층이 없는 오븐 경화 적층판의 대표 누설률-시간 곡선, (d) 나노섬유층이 삽입된 오븐 경화 적층판의 대표 누설률-시간 곡선 >

 

 

해당 연구는 복합재 계면에 도입된 전기방사 나노섬유층이 기공 저감, 기체 차단 성능 향상, 극저온 미세균열 억제, 그리고 기계적 성능 확보를 동시에 달성할 수 있음을 실험적으로 제시하였다. 특히 기존 복합재 시스템과 제조 공정과의 호환성을 유지하면서도 라이너 없는 극저온용 복합재 압력용기 구현 가능성을 확장했다는 점에서, 향후 발사체 추진제 탱크를 포함한 경량 고신뢰 Type V COPV 개발에 활용될 수 있는 기반 기술로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

 

관련 논문 : Bae, J., Jin, J., Yun, J., Park, S., & Lee, J. (2025). Nano-engineered permeation barriers for composite laminates: Polyamide nanofiber interlayers for cryogenic cycling durability and gas-barrier performance. Composites Part B: Engineering, 113219.
https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.113219

 

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원문            이전윤 교수[jlee@kaist.ac.kr]

편집             김준서[junnius@kaist.ac.kr]