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항공 우주 산업에서 나노 기술의 잠재력

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글/리암 크리츨리(Liam Critchley), 화학 및 나노 기술 전문 작가이자 저널리스트

제공/마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)

작은 크기, 가벼운 무게 등 다방면의 이점을 갖춘 나노 물질들은 다양한 첨단 산업, 특히 자동차 및 항공 우주 산업 등 고성능의 기계적 특성을 필요로 하는 산업에서 많은 관심을 끌었다. 항공 우주 분야에 대한 재정 지원이 확대되면서, 많은 나노 물질 제조사들이 항공 우주 산업과 협력하여 나노 물질을 활용하는 항공기 부품과 시스템을 향상시키는 데 앞장서고 있다.

항공 우주 부문에서 지속적인 혁신의 필요성과 이 부문에 대한 관심과 투자를 감안하면, 머지않아 항공기에 나노 물질이 꾸준히 사용되는 날이 올 것이다. 이 글에서는 현재 부상하고 있는 핵심 분야와 향후 나노 물질의 잠재력이 가장 효과적으로 발휘될 수 있는 분야에 대해 살펴볼 것이다.

경량성과 향상된 기계적 특성

항공 우주 산업을 포함한 모든 운송 산업에서 ‘경량성’은 물질이 안전성과 안정성 다음으로 갖춰야 할 가장 중요한 속성 중 하나이다. 항공 우주 업계는 기체와 부품의 기계적 무결성을 동일한 수준으로 유지하거나 더 나은 수준으로 끌어올리면서, 동시에 기체의 무게를 줄이기 위해 끊임없이 노력해 왔다. 기체가 가벼울수록 연료 사용을 줄일 수 있기 때문이다. 연료 사용을 줄이면 탄소 배출량을 줄이고 연료 효율성을 높일 수 있으며, 운항 비용 또한 줄일 수 있다.

항공기 기체는 수년에 걸쳐 지속적으로 가벼워졌으며, 나노 물질의 특성인 작은 크기와 무게를 잘 활용한다면 지금보다 더욱 가벼운 기체를 만들 수 있을 것이다. 오늘날에는 항공기 프레임을 만드는 데 컴포지트가 널리 사용된다. 컴포지트에 나노 물질을 통합하면 기체 및 내부 부품의 강도와 경도, 견고성을 높이는 동시에 기체의 무게를 더 가볍게 만들 수 있다. 나노 물질의 통합은 이처럼 기계적 특성을 향상시킬 뿐만 아니라 기체의 열 전달 특성과 열 내구성 또한 향상시킨다.

나노 물질 활용의 주요 이점 중 하나는 나노 물질 효과를 얻기 위해 컴포지트에 많은 양을 첨가할 필요가 없다는 점이다. 나노 물질은 아주 소량만으로도 효과를 나타낼 수 있으며, 심지어 1% 미만의 질량비만으로 효과를 내는 경우도 있다. 이처럼 소량만 사용해도 된다면 동일한 기능을 수행하는 데 필요한 물질의 양도 줄일 수 있다. 따라서 나노 물질은 경량화를 위한 첨가제 역할을 할 뿐만 아니라 물질 사용량까지 줄임으로써 기체의 중량을 줄일 수도 있다.

향후에는 나노 물질이 기존의 컴포지트보다 더 많이 활용될 수도 있다. 최근 몇 년 동안 적층 제조를 활용한 핫 존(hot zone) 엔진 부품(금속 합금으로 제조) 및 3D 프린팅 복합 재료 제조에 대한 관심이 급부상했다. 나노 물질을 3D 프린트로 제작된 열가소성 플라스틱에 통합하는 것은 매우 유망한 시도로서, 이는 항공기의 핵심 부품과 비핵심 부품, 특히 작고 복잡한 부품을 대체할 수 있는 보다 경제적이고 신속한 방법이 될 수 있으며, 부품의 기계적 특성과 마모 특성 역시 안정적으로 유지할 수 있다.

다방면의 향상된 보호 기능 제공

나노 물질은 비행 중인 항공기에 영향을 미칠 수 있는 다양한 요인으로부터 항공기를 보호할 수 있는 잠재력을 지녔다. 용도에 따라 차이는 있지만, 많은 나노 물질들이 뛰어난 안정성, 전도성과 방산성, 절연성을 자랑한다. 나노 물질을 항공기 메인 프레임의 복합 구조에 통합하거나 항공기 표면에 코팅하여 보호막을 형성하면 외부의 위험 요소를 직접 차단하거나 분산시킴으로써 보호 성능을 발휘할 수 있다.

항공기에 영향을 줄 수 있는 외부 위험 요소의 예로 번개를 들 수 있다. 항공기의 날개 부위는 낙뢰 위험이 특히 높으며, 에너지가 효과적으로 분산되지 않으면 항공기에 심각한 구조적 손상을 초래할 수 있다. 하지만 그래핀 같이 전도성이 높은 나노 물질을 기체 날개에 통합하거나 코팅하면 낙뢰로부터 에너지를 전기적으로 분산시키는 경량 솔루션이 생성된다. 지금까지는 번개를 분산시키기 위해 무거운 금속 구조물이 다양한 항공기 기체에 사용되어 왔지만, 오늘날에는 컴포지트 사용이 늘어나는 추세이다. 따라서 나노 물질은 금속 구조물을 효율적으로 대체할 수 있는 경량 전도성 컴포지트 생성에 일조하는 셈이다.

항공기의 핵심 부품에 나노 물질을 통합할 경우, 해당 부품뿐만 아니라 전반적인 외부 표면의 결빙을 방지할 수 있다. 서로 다른 부품에 나노 물질이 첨가되면 기체의 중량이 감소할뿐만 아니라 난방 사이클에서는 열적 기계적 스트레스에 대한 부담이 줄고 효율이 더 높아지며 전력 소비량은 더 낮아진다. 나노 물질 고유의 안정성과 이로 인한 컴포지트의 안정적인 구조는 결빙을 줄이고, 핵심 부품을 보호하며, 항공기가 공기역학적 실속 현상에 빠지는 것을 방지할 수 있다.

많은 나노 물질, 특히 무기 물질을 비롯하여 그래핀과 같은 일부 유기 물질은 온도에 대한 저항성이 높기 때문에 특성을 잃지 않고 매우 높은 온도를 견뎌낼 수 있다. 이들 물질이 항공기 전반에 사용되는 각종 플라스틱이나 항공기 동체에 사용되는 섬유 물질 같은 다른 물질과 결합할 경우, 이 물질들에는 난연성이 부여된다. 나노 물질을 다른 물질과 결합하면 내화성이 향상될 뿐만 아니라 불이 붙을 경우 방출되는 가스의 독성 또한 줄일 수 있다.

항공기 프레임과 항공기 내부 구조를 이루는 부품에 나노 물질을 결합하면 항공기 내부로 전달되는 진동을 완화할 수 있다. 이는 외부로부터의 소음을 줄이는 데 도움이 될 수 있다.

많은 나노 물질이 갖춘 고유한 강도, 기계적 특성, 안정성은 앞서 말한 보호 기능의 강화 등의 이점과 함께 항공기에서 활용될 수 있다. 여기에는 전자기 간섭(EMI) 및 자외선(UV) 광선에 대한 내성과 내식성 향상이 포함된다.

센서와 모니터링 시스템

센서는 항공기에 있어 필수 요소이다. 항공기의 센서는 연료량부터 내부 온도, 외부 조건, 엔진의 다양한 기능에 이르기까지 모든 요인을 측정하여 올바르게 작동하는지 확인한다. 센서는 항공기의 비행 고도와 비행 조건이나 상업용 항공기의 다양한 내부적 요인을 고려해 항공 우주 분야의 핵심 시스템이 모두 최적으로 안전하게 작동하도록 만들고 모니터링하는 필수 기술이다.

이러한 항공 우주 센서에도 나노 물질은 유용하게 활용될 수 있다. 센서에 나노 물질을 통합하면 고감도 센서 개발이 가능해진다. 활성 감지 표면에 적합한 물질을 올바르게 사용한다면, 부피가 큰 센서와 비교했을 때도 비슷하거나 더 뛰어난 감도를 갖추게 될 수도 있다. 나노 물질이 지닌 가벼운 특성은 매우 작으면서도 효율이 높은 센서를 만들 수 있다는 것을 의미한다. 항공 우주 분야에서 나노 물질은 다음과 같은 크게 두 가지 이점을 제공한다:

• 나노 물질을 활용한다면 더욱 소형화된 센서 제작이 가능하기 때문에 항공 우주 산업은 더 많은 매개변수를 모니터링하기 위해 보다 많은 센서를 다양한 항공기 시스템에 장착하는 방향으로 나아갈 것이며, 이는 결국 항공기 시스템의 전반적인 안전성과 최적화의 향상으로 이어질 것이다.

• 나노 센서는 다른 센서보다 크기가 훨씬 작기 때문에 무게 또한 훨씬 가볍다. 따라서 경량화가 핵심인 항공기에 있어 나노 물질은 기체에 탑재된 센서 무게를 줄임으로써 항공기의 연료 효율성과 더불어 연료 소비량 감축에 긍정적인 영향을 미칠 수 있다.

나노 물질은 기존의 모니터링 기반 센서뿐만 아니라 항공기 전면의 초분광 카메라에도 잠재적으로 이점을 제공할 수 있다. 많은 나노 물질이 갖춘 넓은 전자기 스펙트럼 대역폭을 활용하면, 나노 물질로 강화된 초분광 카메라는 가시광선, 근적외선(NIR), 단파장 적외선(SWIR) 및 장파장 적외선(LWIR) 파장을 감지할 수 있을 뿐만 아니라, 악천후나 가시 거리가 좋지 않은 조건에서도 효과적으로 감지 기능을 발휘하게 될 것이다.

맺음말

작은 크기, 가벼운 무게, 안정성, 높은 전기 전도도 같은 고유의 특성을 갖춘 나노 물질을 기존의 컴포지트, 코팅 물질, 전자장치에 통합하면 항공 우주 산업에 커다란 이점을 제공할 수 있을 것이다. 나노 물질은 기체의 경량화, 외부 요소로부터 보호, 항공기 내의 다양한 감지 및 모니터링 장치 등 다방면에서 많은 이점을 제공할 것이다. 

항공 우주 분야에서 나노 물질의 사용에 대한 재정 지원과 혁신이 지속적으로 이어진다면, 나노 물질은 다방면에서 널리 사용될 것이며, 향후에는 항공기에서 보다 나노 물질이 빈번하게 사용될 것이다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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