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항공기 구조용 소재의 선정요구조건 및 개발동향

1 서 론

1903년 인류 최초의 동력비행기가 처음으로 등장한

이후 항공 산업은 100여년의 짧은 기간 동안에

크고 작은 사건 및 계기를 통하여 비약적인 발전을

이루어 왔다 과거 50여년에 걸쳐 이루어진 30의

항공기 효율 향상이 최근에는 5~10년 동안에 달성

되고 있는 정도로 개별 기술의 성숙화와 기술의

융합화가 이루어지고 있다 이러한 배경 하에 최근

에는 에어버스사의 A380과 같은 600여명이 탑승

할 수 있는 초대형 항공기와 동체 및 날개와 같은

주구조물까지 고기능성 고분자 복합재료를 구조물

무게의 50 (구조물 체적의 80)이상 적용한 보잉

787과 같은 항공기가 등장하게 되어 인류는 보다

효율적이고 보다 많이 탑승할 수 있는 항공기를 편리

하게 이용하게 되었다 항공기는 넓은 범주 내에서

유인항공기와 무인항공기(UAV Unmanned Aero

Vehicles)로 분류할 수 있으며 그 크기와 형상 및

용도에 따라 유인항공기는 경항공기(Light aircraft)

비즈니스제트(business jets) 민간항공기 (civil

aircraft) 및 전투기의 네 그룹으로 분류해 볼 수

있다 또한 양력의 관점에서 고정익기와 회전익기로

분류할 수 있고 미래항공기의 관점에서는 초소형

항공기 (MAV Micro Aero Vehicle)와 개인비행기

(PAV Personal Aero Vehicle)도 새로이 등장하는

항공기 종류로 불 수 있다 이와 같이 다양한 항

공기는 다양한 소재로 구성되어 있어 소재의 성능

및 특성에 따라 항공기의 성능 및 특성 (생산성

내구성 수리 용이성 설계수명 재활용성 경제성

수출경쟁력 친환경성 비파괴특성 건전성평가 등등)

이 좌우될 정도로 매우 중요한 요소 중의 하나이다

새로운 신소재가 개발되면 이로 인해 새로운 신형

항공기가 나올 수 있으며 역으로 신형항공기가 개발

되면 새로운 신소재의 개발이 촉진되기도 한다 항공기

를 구성하는 소재를 거론 한다면 항공기의 동체 및

날개 등의 주구조물(primary structure)과 각종

최흥섭 대한항공기술연구원 탐색연구그룹

문형빈 한국과학기술원(KAIST) 항공우주공학과

조종면 (control surface)을 구성하는 2차 구조물

(secondary structure) 구조물 추진력을 발생시키는 엔진

및 주변 구조물 이착륙시 강인성이 요구되는 랜딩

기어 등이 핵심 구조물로 거론될 수 있다 이를

구성하는 소재도 구조물의 요구조건 및 특성에

맞추어 적용되는 소재도 다양하게 제시될 수 있다

대부분의 항공기는 크게 기체(airframe) 엔진

(aeroengine) 전자보기 (avionics)의 3가지 구성품

(components)로 구성되어 있다 이들 각각의 구성품

들의 기술적 발전 및 혁신에 있어서는 소재가 매우

큰 역할을 해왔음을 부정하기는 어려울 것이다 현재

항공 산업에서 사용되는 소재는 거의 20~40년 전에

개발된 것들이 많은 부분을 차지하고 있다 또한

소재가 개발되어 항공기의 신소재로서 자리 잡기

까지는 약 15~30여년이 소요되는 것이 일반적이다

국내에서는 타 산업분야의 발전 속도에 비해 상

대적으로 항공 산업에 대한 적극적인 투자가 미흡

한 면이 있으나 최근에는 군용기 분야에서는 T-1

기본훈련기와 T-50 고등훈련기의 완제기 체계개발이

완료되었고 스마트무인기 근접지원 무인기 (Fig1

참조)등의 개발이 진행되고 민간항공기 분야에서도

보잉사의 B787 에어버스사의 A350사업 등에 참여

하는 등 항공분야의 설계 및 제작 기술이 점차 성숙

되고 있다 (Fig2 참조) 하지만 항공기의 기본 구성

소재의 개발이나 생산에 있어서는 타 산업 분야의

발전에 비해 크게 낙후되어 대부분의 항공 소재는

해외 수입에 의존하고 있는 실정에 있으며 첨단

고성능 탄소섬유제품과 같이 우주 및 군사용에

사용되고 있는 첨단소재는 선진국의 허가 없이는

수입조차 할 수 없는 실정에 있다

이와 같이 낙후된 항공용 소재에 대한 인식의 폭을

넓히고자 본 기고문에서는 특히 항공기의 구조용

소재에 국한 하여 기존의 대표적인 항공기 구조용

주소재로서 오랜 기간 사용되어온 알루미늄 합금

티타늄 합금 등의 금속 합금과 최근 대형항공기의

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동체 및 날개 등의 주구조물에도 적극적으로 적용

되기 시작하여 사용비중이 빠르게 증가하고 있는

고기능성 고분자 탄소섬유 복합재료에 대해 발전사 및

소재 특성에 대해 비교 기술하고자 한다 또한 항공기

의 위치별 고려해야할 설계 요구 특성과 연관되어

소재의 선정시 요구되는 선정조건 등을 살펴보고

각 특성별 소재선정 조건을 비교 하고자 한다

끝으로 항공기 구조용 소재로 적용되기 시작하거나

개발 중인 소재에 대해 간략히 소개하고자 한다

본 기고문에서 다루는 내용은 항공기에만 국한되는

것이 아니라 자동차 고속전철 등 경량화가 요구

되는 수송 기계류의 소재 선정에 적용될 수 있다

Fig1 대한항공이 개발하여 비행시험 중인

KUS-7 9 근접지원 무인기

Fig2 대한항공이 부품개발에 참여중인 보잉 787

복합재료 항공기

2 항공기와 소재

항공기가 고객의 성능 요구조건을 만족하기 위해서는

가벼워야 한다는 것은 항공기 개발 개념 설정시

항공기의 안전성과 함께 최우선적으로 고려해야

할 사항이다 소재의 물성 (properties)과 소재의

적용 비용 (cost)은 항공기 구조물용 소재 선정에서

가장 중요한 고려 사항들이다 한편 항공기의 기종

별로 서로 차이점은 있지만 민간항공기의 경우

전체 항공기의 무게를 100로 설정시 탑재체무게

(payload weight) 구조물무게 (structural weight)

연료무게(fuel weight)는 일반적으로 약 20

40 40의 비율로 대략적으로 구성이 되는 것

으로 알려져 있다 항공기의 성능을 향상 시키려면

이들 3가지 요소 중 구조물의 무게 또는 연료의

무게를 줄여야 한다 연료의 무게는 엔진 등의 추진

기관의 효율을 높이거나 기체의 항력을 줄이는 방법

으로 연료소모량을 줄여 간접적으로 줄일 수 있으

므로 구조적 관점에서는 제외하기로 한다 탑재체

하중은 항공기 운항사들은 줄이기보다는 늘리려고

하므로 논외로 하면 가장 타당성이 있는 것은 구

조물의 무게를 설계시 가급적 줄이는 것이다

구조물 무게는 소재의 특성에 크게 달려있기 있기

때문에 항공기의 등장 초기부터 많은 항공기 개발자

들은 적절한 소재선정에 많은 관심을 쏟아왔다

기존 소재의 문제점을 해결할 수 있는 신소재가

개발되어 이를 적용하는 경우 항공기의 경량화로

인한 성능향상과 설계수명 증대 탑재체 무게 증가

줄어든 무게로 인한 낮은 연료소모로 인한 엔진

효율향상 등등 많은 부수효과를 얻은 수 있게 된다

신소재의 출현으로 새로운 항공기 형상이 제안되

기도 하고 때로는 역으로 새로운 항공기나 기술의

출현으로 인해 새로운 소재의 개발이 촉진되기도

한다 최근의 항공 산업 분야는 급변하는 시장의

요구를 만족하기 위해 꾸준히 항공기의 효율

(efficiency)과 생산성(productivity)을 향상하기 위해

많은 노력을 경주해 왔다 동북아 지역내 국가간

항공자유화 협정 (Open skies) 체결 확대로 여객

수요증대가 향후 예상되고 있으나 최근의 유가 급

등으로 인해 항공사의 연료비 부담 증가로 기존의

항공기 도입보다는 새로운 경제적인 고효율 항공기

에 대한 요구가 크게 늘고 있는 상황이다 또한 범

지구적으로 환경규제 협약 추세가 강화됨에 따라

친환경적인 항공기의 개발에 대한 요구가 증가하고

있어 여러 요구조건을 충족시킬 수 있는 항공기

구조용 경량화 신소재에 대한 적용 및 개발 요구도

함께 높아지고 있다

Fig 3은 민간항공기의 운용시점에서의 원가 구성도

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를 보여주고 있다 항공기의 원가를 구성하는 한

요소인 소재는 민항기의 경우 초기 구매비용 중에

약 10~15를 차지하고 있음을 알 수 있다[1]

Fig 3 Breakdown of aircraft costs for civil

aircraft [1]

한편 민간항공기(Airbus사 기종) 및 기타 군용기의

시기별 항공기 구조 재료의 무게 구성비는 Fig 4

에서 알 수 있다 [1 2] 민간항공기에서는 2000년대

말에 이르러 탄소섬유 복합재료(CFC Carbon

Fiber Composites)의 적용비율이 급격히 증가하여

A350기의 경우 2000년대 이전의 군용기보다 더 많은

복합재료를 적용하고 있음을 판단 할 수 있다

Fig 4 민항기(Airbus) 와 군용기 구조 재료의

적용비율 [12]

그리고 Fig 5는 항공산업 분야에서 소요되는 소재

소요량을 분석한 그림으로 생산업체는 2008년 당시

약 507M kg이 구매되어 이중 항공기에 직접 사용된

소재는 약 20인 102M Kg이 사용되었다[3] 항공기

에 소요된 소재의 약 20 정도가 복합재료로서

208M Kg이 소요되어 전체 구입량 중 약 4만이

사용되었음을 유추할 수 있다

Fig 5 항공우주산업에서의 소재 사용량(2008년)

한편 항공기에 사용된 복합재료 중 탄소섬유 강화

복합재료(CFRP Carbon Fiber Reinforced Plastic)가

37 유리섬유강화 복합재료(GFRP Glass Fiber

Reinforced Plastic)가 35 나머지 28가 기타

복합재료임을 Fig 6에서 알 수 있다[3] 최근

B787과 같은 항공기의 등장 이후에 출시되는 민간

항공기는 보다 높은 경량화로 인한 효율 증대를

달성하기 위해서 현재 보다 많은 양 (w)의 탄소

섬유 복합재료가 적용될 것으로 예상되고 있다

Fig 6 항공우주산업의 복합재료 소요량 및 비율[3]

다양한 용도로 생산된 탄소섬유가 어떤 분야에 적용

되어 사용되는지는 Fig 7이 잘 보여 주고 있다

[3] 2007년도 생산된 43M kg의 탄소섬유에서 약

21인 9M kg이 항공우주분야에 사용되어 타 산

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업분야 보다 제일 많은 양이 소모된 산업분야가

항공우주 산업임을 알 수 있다

Fig 7 산업별 탄소섬유 소비 w (2007년)[3]

이는 어느 타 산업보다 경량화로 인한 부가가치가

높은 산업이 항공우주산업 제품이기 때문에 탄소

섬유가 요구 하중을 견디면서 경량화를 잘 충족

시킬 수 있기 때문으로 판단된다

2 항공기 구조용 소재의 발전사

1900년 초 인류최초의 동력 비행기가 출현한 이후로

항공기 개발자들의 공통된 관심 중의 하나는 어떠한

소재를 적용하여 항공기를 중력으로부터 좀 더 자유롭게

하여 보다 빠르게 높게 안전하게 날수 있게 하나라는

문제에 있었을 것이다 항공기개발 초창기의 나무

소재에서 현재의 첨단 복합재료 소재까지 적용되어

그 성능이 비약적으로 향상된 비행기의 발전사는 곧

소재의 발전사와 상통하여 서로 개발을 촉진하여 왔

다고 볼 수 있다 Fig 8은 비행에 대한 이론적 체계가

발전하기 시작한 1800년대 초부터 현재까지 출현한

소재들을 시기별로 나열한 것이다[4] 1903년 라이트

형제의 최초의 동력 비행기에 알루미늄 구조 부품이

일부 사용되고 1919년 동체의 스킨만으로 하중을

견디도록 제작된 최초의 전금속 모노코크

(monocoque 응력 외피 구조) 항공기인 독일의

F-13에 알루미늄 합금이 적용되었다 이후 항공기

구조용 주소재로 다양한 종류의 알루미늄 합금이

개발되어 왔으며 1990년대 말에는 복합재료에 버금

가는 경량화 특성이 우수한 알루미늄-리튬 신소재가

출현하고 있다 이들 알루미늄 합금류의 등장 시기

등을 일부 복합재료 등장 시기와 함께 Fig 9에 도시

하였다 복합재료는 기존의 금속 재료에 비해 비강도

비강성 손상허용특성 및 내피로 특성이 우수하고

다양한 기능적 특성으로 인해 경량화와 기능성 특성이

중요한 항공 및 우주분야 구조물에 우선적으로 적용

되어 왔다

Fig 8 재료의 시대별 등장 시기 [4]

Fig 9 알루미늄 합금 및 기타 복합재료 등장 연대기

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3 항공기 구조용 소재

앞에서 언급한 바와 같이 항공기의 등장과 함께

항공기의 발전은 항공기 구조용 신소재의 등장과

함께 빠르게 발전하여 왔다 항공기 구조용 소재를

구성하는 기본 소재군 으로는 Fig 10에서 도시한

바와 같이 금속 세라믹 고분자(polymers) 탄성

체고무(elastomers) 및 유리(glasses) 등을 열거할

수 있으며 이들 각각의 소재와 센서등과 융합되어

나타난 (스마트) 하이브리드 소재 등이 항공기 구조용

소재로 활발히 적용되어 왔다 최근에는 센서

작동기가 내장된 구조물이 등장하기 시작하여 항공기

의 성능이 크게 향상되고 있다 본 장에서는 무수히

많은 항공기 구조물에 적용된 소재에 대해 설명

하기 보다는 항공기의 기체용으로 지금까지 상당한

부분을 차지했던 금속 합금과 기체 구조물 중량의

50이상을 복합재료를 적용한 B787의 등장이후

대형 민간항공기의 주 구성 재료로 인식되는 복

합재료에 대해 간략히 살펴보고자 한다

Fig 10 Engineering materials

금속합금 (metal alloys)

bull 알루미늄 (Aluminum alloys)

알루미늄합금은 80여년에 걸쳐서 항공기 동체 등의

구조용 소재의 하나로 사용되어 왔으며 최근까지

항공기 구조물의 주재료로서 B787과 같은 복합재료

항공기가 등장하기전까지는 전체 항공기 구조물

무게의 70 ~75를 차지하고 있는 금속재료이다

대표적인 것으로는 구리 (Cu Copper)를 합금 첨가

주재료로 사용하는 2xxx계열과 아연 (Zn Zinc)을

주재료로 사용하는 7xxxx계열이 대표적이다 알루

미늄 합금의 제조 방식에 따라 주물 합금 (cast

alloys) 비열처리 단조합금 (non-heat treatable

wrought alloys) 열처리 단조합금 (heat treatable

wrought alloys)등으로 분류 될 수 있으며 각각의

특성은 다음과 같다

bull 주물합금

- 낮은 강도

- 주물로 제작이 용이한 복잡한 형상에 제한

- 구리와 실리콘 등이 합금 첨가재로 사용

bull 비열처리 단조합금

- 상대적으로 낮은 강도

- 성형성과 용접 특성이 양호

- 낙하용 탱크 (drop tank) 도관 (duct) 유선형

덮개 (fairing) 등에 적용

- 마그네슘이 주 합금 첨가제

bull 열처리 단조합금

- 항공기 기체의 주재료

- 4까지 구리를 첨가한 것은 중간 정도의 강도

를 갖는 구조물에 적용

- 5~6의 아연을 첨가한 것은 큰 응력이 작용

하는 부품에 적용

알루미늄 합금은 합금 조성 및 물성특성 별로

Fig 11과 같이 체계적으로 번호로 분류하여 제시

되고 있으며[4] 같은 번호계열 (sub class) 합금이라

하여도 제조시의 열처리 방법에 따라 Fig 12와

같이 다시 세부적으로 분류하고 있다[5] 특히 소재

선정시 요구 물성 및 조건에 열처리번호를 염두에

두고 선정에 유의 하여야 한다

Fig 11 알루미늄 합금 표시법 [4]

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Fig 12 항공기 적용 알루미늄 합금계열의

열처리에 따른 분류 [5]

Fig 13은 항공기에 사용된 알루미늄 합금의 종류

를 항공기 부위 별로 사례를 들어 소개한 그림이다

[5] 이와 같이 항공기 부위별로 하중조건이 달라

지고 피로특성도 다르므로 이에 대한 소재 선정

요구조건도 달라지므로 이에 대한 설명은 다음

절에서 상세히 다루도록 한다

Fig 13 민간항공기 주요 부위에 적용된 알루미늄

합금 종류 적용 사례 [5]

Fig 14는 항공기에 적용된 금속 합금 (주로 알루미늄

합금)의 항공기 부위별 첫 적용 시기와 항복강도

를 표시해 주고 있다 최근에도 최신 항공기의 특정

부품에 첫 적용되는 알루미늄 합금이 다수 있음

을 알 수 있다

Fig 14 항공기에 첫 적용된 항공용 금속 합금의적용시기와 항복강도 [6]

bull 알루미늄-리튬 합금 (Al-Li alloys)

Li (리튬)은 금속 중 가장 가벼운 소재로서 1980

년대 중반 Al-Li합금이 개발된 후에 고분자 복합

재료의 적용으로 급속히 대체되던 알루미늄 합금을

이어 항공기용 구조용 금속 합금 소재로서 2000

년대 들어 새로이 부각되고 있는 소재이다 Li

1를 기존의 알루미늄 합금에 적용하면 합금의

밀도는 약 3 감소되고 강성은 6 증가하는 것

으로 알려져 있다 Li은 기존 금속에 비해 밀도가

7-10 작은 반면에 강성은 10--15 정도 높고 우수한

내피로 및 극저온에서의 우수한 인성 특성을 가져

항공기용 구조용 소재로의 적용이 증가하고 있다

이는 기존의 알루미늄 합금에 비해 Al-Li합금은

피로 균열성장에 대한 저항특성 우수하고 또한

항공기의 무게 절감 효과가 상당히 크기 때문에

최근의 항공기의 효율 향상과 연료를 절감하기

위한 항공업계의 엄청난 노력과 부합되기 때문으로

판단된다 또한 일부 부분에서는 기존의 복합재료

적용시보다 Al-Li합금 적용의 경우 공정상 별도의

큰 투자가 요구되지 않기 때문에 비용이 절감되는

것으로 분석되어 일부 복합재료 부분을 대체하는

경우도 있다 Al-Li 합금이 적용되는 항공기 부품

으로는 앞전(leading edges) 및 뒷전 (trailing

edges) 시트 트랙 (seat track) 날개 외피 (wing

skin) 접근 커버 (access cover)등이 있다 군용기

의 부품으로는 주익 박스 (main wing box) 중앙

동체 조종면(control surfaces)등에 적용되고 있으며

기타 헬리콥터 로켓 및 위성체에서는 기존의 알루

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미늄 부품의 대체재로 적용이 되고 있다 특히 Al-Li

합금은 극저온에서의 인성이 뛰어나 우주용 발사체

추진부의 액체산소탱크 수소연료탱크 등의 극저온

탱크 (cryogenic tankage)에의 적용이 늘어나고 있

다 현재 사용으로 판매되는 제품으로는 Weldalite

049 Alloy2090 2091 8090 등이 있으며 기존의 고

강도 알루미늄 합금에 비해 가격은 2-4배 비싼 편이

다 최근에는 복합재료 소재에 밀려 사용량이 줄어

드는 기존의 알루미늄 합금대신 부식에 매우 강하고

손상허용 특성이 향상된 2x99 및 7x5x Al-Li 합금

(ALCOA사)이 항공기의 경량화를 위한 소재로 적용

이 늘고 있다

bull 티타늄 합금 (Titanium alloys)

티타늄 합금은 강철 등에 비해 낮은 밀도를 가지면

서 높은 용융점 낮은 열팽창계수 우수한 내열 특성

및 고온에서의 비강도가 우수하고 내식성 (corrosion

resistance) 내산화성 (oxidation resistance)도 탁월

하다 미국의 초고속 첩보기 SR-71 구조물의 주소재

로서 85 wt (복합재료는 15 wt) 사용된 티타늄

합금은 항공기 및 미사일 등의 성능이 급속히 높아짐

에 따라 항공기용 구조용 내열 소재로 적용 범위가

넓어지고 있다 하지만 단점으로는 가격이 비싸고

제조공정이 상대적으로 어렵고 149~315 온도

범위에서 creep 변형이 발생할 수 있다 저온에서 액체

기체 산소와 접촉하면 심한 반응이 유발되고 표면

변화가 발생하므로 유의 하여야 한다 또한 메탄올

과 질소4산화물 (Nitrogen tetroxide)과 접촉시 응력

부식 균열 (stress corrosion crack)이 230~260의

온도 범위에서 소금에 의해 응력 부식이 발생할 수

있다 전자기 차폐 (electrical and magnetic

screening) 특성도 합금강에 비해 낮은 편이다 대표적

인 합금으로는 Ti-6Al-4V 이 있으며 입증 강도(proof

strength) 는 약 106 kgmm2 비강도는 24kgmm

2

이다 항공기에 적용시 -200~ 500 온도 범위에서

사용되고 있다 판 형태 (sheet form) 제품은 방화벽

(fire wall) 엔진 베이 도어 (engine bay door) 제트

파이프 덮개 (jet pipe shrouds)의 소재로 사용되며

단조품(forgings)이나 막대(bar)형은 항공용 가스터빈

압축기의 디스크 및 블레이드용 소재로 사용되고

있다

bull 마그네슘 합금 (Magnesium alloys)

마그네슘 합금은 항공기에 사용되는 금속 재료 중

비중(specific gravity)이 가장 작은 금속으로 알루

미늄 합금의 비중이 25~28 인 것에 비해 비중이

약 18 정도이다 강도는 알루미늄 합금에 비해 낮은

편이다 마그네슘이 산화성이 높아 주조시 급격한

반응에 의한 폭발 위험성이 내재되어 활발히 적용

되지 못하였으나 최근 국내에서도 신 주조 공정기술

이 개발되어 항공 및 자동차 부품의 경량화에 대한

관심이 높아짐에 따라 그적용이 활발히 모색되고

있다 하지만 마그네슘 합금의 부식성도 높아 부식

을 방지하기 위한 표면처리가 요구되는 단점이 있

다

bull 합금강 (Steel alloys)

강철은 강도가 매우 우수하고 가격이 저렴하며 내

마모성 및 전자기 차폐 특성도 우수한 반면에 무게

가 무거워 비강도는 매우 작은 편이기 때문에 특히

항공기의 부품중 강도가 크게 요구되는 부위에 사용

되고 있다 대표적인 합금강으로서 HY-180

(10Ni-Cr-Mo-Co)합금강은 매우 큰 파괴인성을 갖고

있어 피로 및 파괴에 취약한 부품인 수평꼬리 부착

피팅 (horizontal tail attach fitting)과 엔진 마운트

피팅에 적용되고 있다 PH12-8Mo 합금강은 항공기의

일반적인 pin lock 피팅류에 적용되는 소재이다

bull 니켈합금강 (Nickel alloys)

니켈 합금강은 고온에서도 매우 높은 강도를 유지하

므로 항공기의 엔진 부품으로 많이 사용되나 매우 무겁고

가공이 어려운 단점이 있다 향후에는 좀 더 가벼운

고온용 합금강의 개발이 시급히 요구 되고 있다

복합재료 (Composite materials)

복합재료는 2개 이상의 소재를 사용하여 각각의 소재

의 장점을 살려 새로운 특성을 갖도록 인위적으로

만든 소재를 의미한다 주로 힘을 전달하는 섬유

(fiber)와 섬유를 보호하고 모양을 유지하는 기지

(matrix)로 구성되는 것이 일반적이다 이밖에 섬유를

보호하는 재료와 기타 첨가재 등도 사용되나 복합재료라

하면 섬유와 기지를 총칭하는 게 일반적이다 항공기의

구조용 소재로는 유리섬유 케블라 탄소섬유 등등의다양한

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보강용 섬유와열가소성(thermoplastic) 열경화성 (thermosetting)

고분자 수지가 일반적으로 많이 사용되고 있다 보잉

787에 적용된 복합재료로서 전체 구조물 무게의 약

43 (무게로는 35 톤)가 사용된 탄소섬유에폭시 복합

재료가 향후에도 대표적인 대형 항공기의 구조용 소재로

예상되므로 주로 탄소섬유 복합재료에 대해 기술하고자

한다 탄소섬유도 원천소재에 따라 PAN 및 Pitch 기반

탄소섬유로 분류 된다 전자는 원사인 Polyacrylonitrile을

고온로에서 태워 다양한 열처리 공정을 거쳐 생산되며

강도가 우수하고 가격이 상대적으로 저렴하여 항공기

구조용 소재로 많이 사용되고 있는 섬유이다 반면에

후자는 석유정제후의 부산물인 피치 (pitch)를 실

(filament)로 뽑아 이를 PAN과 유사한 공정을 거쳐

만들어지며 구리나 은 등의 금속소재와 대등할 정도로

열전도 특성이 매우 크고 강성이 우수하여 특히 우주용

구조물 소재로 사용되고 있고 값도 일반적으로 고가이다

탄소섬유도 추가 열처리 여부에 따라 Carbon섬유와

그래파이트(Graphite)섬유로 분류될 수 있으며 후자가

추가 열처리되어 일반적으로 물성이 더 우수하고 고가

이다 또한 동일 기반 탄소섬유라 하더라도 물성 등급

및 가격에 따라 시장 구조가 Fig 15와 같이 분류될 수

있다[7] 고급용 (high-end usage) 탄소섬유는 고강도

고강성 섬유로서 섬유직경이 작고 주로 항공기 구조용

소재로 사용되며 당연히 고가이다 중급 및 저급 탄소

섬유는 비항공기 시장인 스포츠 및 기타 산업용 소재로

사용되어 상대적으로 저가이다 참조로 B787에는 탄소

섬유가 무게로 약 23톤이 사용되고 있다 Fig 16은 강성

의 크기에 따라 인장강성 (tensile modulus)를 고중저(high

intermediatestandard)의 단계로 구분한 그림이다[7] 항

공기 부재의 강성 요구도에 따라 시장에서 소재를 적절히

선택할 때 유용하다 탄소섬유를 항공기의 구조물에

적용하는 경우 구조물의 손상여부가 항공기의 생존성

여부에 중요한 영향을 미치는 정도에 따라 구조물을 1차

및 2차 구조물 (또는 주 및 부구조물)로 분류할 수 있다

Fig 17은 주 및 부구조물과 우주용 구조물에 적용되는

탄소섬유의 강성 및 강도 범위를 버블로 표시한 것으로

이 또한 관련 구조물의 소재 선정시에 유용하게 활용

될 수 있다[7] 복합재료 항공기의 대표적 주구조물인

날개나 동체의 경우 적용되는 탄소섬유는 인장강도의

범위가 약 50~ 70 GPa 강성의 범위가 약 300~400

GPa이 되는 소재를 염두에 두고 선정할 수 있겠다

(a) (b)

Fig 15 PAN기반 탄소섬유의 (a) 등급 및 (b)

적용에 따른 시장구조 [7]

Fig 16 탄소섬유의 단계별 인장 강성 구분 [7]

Fig 17 항공기용 주부구조물 및 우주용

탄소섬유의 인장 강성-강도 버블 차트 분포 [7]

Fig 18은 보잉사의 복합재료 항공기인 B787의 주

소재로서 탄소섬유 (T800급)를 독점 공급하고 있

- 9 -

는 Toray에서 생산되는 PAN기반 탄소섬유의 인장

강도 및 인장강성의 버블 분포도이다[7] 현재 시장

점유율 40 여로 세계최대 항공 산업용 탄소섬유

공급업체인 Toray사가 생산하는 탄소섬유 중

T700 T800 T1000 등이 항공기용 주구조물에 적합

하고 T300 T400은 부구조물 M55J M60J M65J

등은 고강성이 요구되는 우주용 구조물 소재로

적합한 탄소섬유 소재이다 Toray의 제품명중 T

는 강도를 M은 강성을 의미한다

Fig 18 Toray(일본)의 PAN기반 탄소섬유의 인장

강성-인장강도 버블 차트 [7]

이 밖에 금속 합금과 복합재료를 장점을 갖도록 만든

섬유금속 적층판 (Fiber Metal Laminates) 등의 하이

브리드 소재가 항공기의 신소재로서 활용되고 있다

4 항공기 구조용 소재의 요구조건과 재료지수

항공기의 구조용 소재는 항공기의 각 부위가 받는

하중의 특성 및 요구 기능 및 성능에 따라 차별화된

소재가 사용되는 것은 당연하다 항공기의 구조물에 작용

하는 정적동적 하중과 장기간에 걸쳐 작용하는 피로

하중 (fatigue loads) 및 환경 조건(environmental

conditions) 등이 소재 선정에 있어서 신중히 고려되

어야 한다 Fig 19는 소재의 기본 특성인 강성과 강도

파괴인성 (또는 인성) 및 무게와의 항공기의 기본거

동의 연관성을 잘 도시해 주고 있다[4]

Fig 19 항공기와 소재 특성 비교 [4]]

항공기의 구조적 성능을 좌우하는 구조물의 소재는

우선적으로 항공기의 안전 (safety)를 다음으로는

성능을 보장해주어야 한다 강인한 소재를 사용함

으로써 항공기의 구조적 안전도를 높일 수 있으나

소재 자체의 무게가 무겁거나 과도 설계되는 경우

에는 항공기의 성능이 저하될 수 있으므로 항공기

제작사들은 가급적 강인하면서도 가벼운 소재에

많은 관심을 갖고 가급적 설계하중을 견디면서

무게를 최소화하려고 여러 가지 설계기법을 함께

개발하고 있다

항공기의 구조용 소재로서 일반적으로 갖추어야

할 조건 등을 일부 열거하면 다음과 같다

Choosing materials-desirable properties

bull 높은 비강도 및 비강성

bull 일관성 있고 예측 가능한 물성값

bull 부품에서의 균일성 및 방향에 따른 균질성

bull 높은 내식성

bull 난연성 및 내인화성 생산사용수리중의 안전성

bull 적당한 가격

- 10 -

bull 내피로 특성 높은 인성(toughness GIC)

bull 사용 온도구간에서의 적절한 요구강도

Fig 20은 항공기의 부위별 하중 특성에 따라 해당

소재가 만족하여야할 기계적 특성을 나열 도시한

것이다[8] 하중의 종류로는 인장 압축 굽힘 비

틀림 피로 환경하중 등 다양한 종류가 항공기

각 부위 및 부재에 작용할 수 있으며 대표적인

하중 및 작동모드에 따라 해당하는 부품의 소재를

선정할 필요가 있다 여기서 각 부위별로 요구되는

기계적 물성 또는 요구특성은 다음과 같은 종류

가 있다

FAT 내피로성 (fatigue resistance)

FCG 피로균열 성장 (Fatigue Crack Growth)

dadN 피로균열성장률 (fatigue crack growth rate)

σFS 피로강도 (fatigue strength)

COR 내부식성 (corrosion resistance)

KIC 파괴인성 (Fracture toughness)

KISCC 응력부식파괴 (stress corrosion

cracking fracture)

E 강성 (modulus)

σTS 인장강도(Tensile strength)

σYC 압축 항복 강도 (Compressive yield

strength)

σYT 인장 항복 강도(Tensile yield strength)

τSS 전단 강도 (shear strength)

Fig 20에서 항공기를 구성하는 각 부재별로 나열된

요구 물성 특성 순서는 우선적으로 고려해야 할

특성을 중요 순으로 배열한 것이며 ( )안은 설계

에는 반영하여야 하나 중요도는 상대적으로 떨어

지는 것을 의미한다 항공기의 핵심 부재별 고려

해야할 물성 또는 기계적 특성을 Table 1에 정리

하였다 [4 9]

항공기의 비행시 각 부재에 작용하는 대표 하중이

제시되면 각 부재를 구성하는 연결봉재 판재 또는

보(beam) 등의 기본 형상에 따라 무게 (또는 비용)를

최소화 하면서 강성 또는 강도 등을 유지 할 수

있는 재료지수 (material index)를 Table 2에 제시

한 바와 같이 계산으로 추출할 수 있다[4]

Fig 20 Critical requirements of airframe

components [8]

Table 1 Critical requirements of airframe

components

항공기주요

부재명

대표작용하중

비고(고려할 물성특성 순서)

날개상단(wingupper)

굽힘에의한 압축

비행시 굽힘에 의한 판재의압축 무게최소화(E

⅓ρ σYCρ KISCC )

날개하단(winglower)

굽힘에의한 인장

비행시 굽힘에 의한 판재의인장 (Eρ σYSρ KISCCCOR σFS dadN)

동체(fuselage)

인장압축굽힘비틀림내부압력

대표하중은판재의 인장무게최소화(E⅓

ρ σYSρ COR σFS dadN)

보강재(sparribs)

굽힘 좌굴

외피를 내부에서 보강 하중분산 역할 굽힘 하중을 받아날개하중 조건과 유사(Eρ σYSρ KISCC σFS dadN)

착륙기어(landing

gear)

정적하중피로하중

무게는 중요하지 않음 내피로파괴특성내응력부식특성 요구(E σYS dadN KIC KISCC)

조종면(controlsurfaces)

경하중경하중 부재는 강도보다 강성우선 고려

외피재(skin

material)환경하중

환경노출에 의한 내부식 특성초음속 항공기의 경우 내열특성 요구

날개의 상단부를 구성하는 판재가 굽힘에 의해

압축을 받는 경우 강성을 유지 (강성제한설계

stiffness-limited design)하면서 무게를 최소화 시키기

위해서는 물질지수 E⅓

ρ를 가급적 최대화 할 수

있는 재료를 선정하여야 한다 또한 이 판재는 소성

의 발생 없이 어느 정도 외부 인장 하중을 견디는

- 11 -

Table 2 작용하중과 부재형상에따른고려해야할 재료지수

기본형상

연결 봉재

(Tie-rod)

판재

(Panel)

보

(Beam)

작용하중 인장 굽힘 굽힘

모양

(shape)

강성제한설계

무게최소화Eρ E⅓ρ E

12ρ

강도제한설계

무게최소화σYSρ σYS

12ρ σYS

23ρ

강도제한설계

재료비용

최소화

σYSCmρ σYS12

Cmρ σYS23

Cmρ

Cm 단위 무게당 재료비용

강도를 유지 하면서 무게를 최소화 하여야 하는

경우에는 재료지수가 σYSρ (단순 인장시) 또는 σ

YS12

ρ (판재의 굽힘에 의한 인장시) 가 최대가 되는

소재를 차선으로 선정할 필요가 있다 한편 Table 3

에 제시한 바와 같이 항공기 부품 등에 따라 하중이

제한되는 조건에 의한 설계 (load limited

design) 또는 스프링이나 플라이휠 등과 같이

에너지를 최대한 저장해야하는 부재와 같이 에너지

가 제한되는 설계(energy limited design) 및 탄성

힌지 (elastic hinge)와 같이 변위를 제한하는 설계 등

설계적용 방식이 다른 경우가 있다[4] 일례로서

탄성힌지와 같이 작용 하중은 작으나 탄성힌지로서

최대변형률을 가지며 작은 곡률반경을 가질 정도로

굽힘 특성이 우수 하고 재료 내에 소성 및 균열이

발생하지 않으려면 재료지수 σYSE가 최대값을 갖는

재료를 후보군으로 먼저 선정하여야 한다 파괴

인성 (fracture toughness KIC)은 재료 내에 균열이

발생하여 성장하는 경우 재료의 크기와는 상관없이

Mode I 균열선단에서 균열성장에 저항하는 정도를

나타내는 재료 물성치 (material property)이다

한편 균열의 성장은 재료 내에 축적된 탄성에너지

가 새로운 균열면을 만드는데 소요되는 에너지로

방출(release) 되는 일종의 비가역 에너지 변환에

의하여 진행된다고 생각 할 수 있다 이때 KIC 뿐만

아니라 재료의 탄성 계수와 함께 연관된 물성 임계값

은 인성 (toughness mode I critical strain energy

Table 3 설계형태와 균열의 가정 유무에 따른 재료 지수

Designtype

부재예 요구항목

Materialindex

Nocrack

Fracturesafe

하중제한설계 wing-spar

최대하중

까지

파괴되지

않음

σYS

최대화

KIC

최대화

에너지제한설계

스프링

flywheel

turbine

containment

system

최대탄성

에너지

저장까지

파괴되지

않음

σYS2E

최대화

KIC2E

(asympGc)

최대화

변위제한설계

elastic

hinge

커플링

큰변형률

유지

σYSE

최대화

KICE

최대화

release rate Jm2 ) 으로 정의되어 다음과 같이

표현된다

GIC = KIC2E (1)

즉 mode I 하중이 균열선단에 작용하고 단위면적

당 에너지 GIC (Jm2 )가 균열면 생성에 공급되면

균열이 성장하는 개념으로 생각 할 수 있다 재료

의 인성은 KIC가 증가하면 증가하고 E가 커지면

(즉 취성이 증가하면) 감소함을 알 수 있다

재료의 강도 (strength)는 소성 흐름 (plastic flow)에

저항하는 정도를 표시하는 재료상수 로서 강도가

크면 일반적으로 σYS가 크고 소성역 (plastic

zone)이 상대적으로 작아져서 취성이 증가하게 된다

즉 crack 선단에서의 소성역에서의 에너지흡수가

저하되어 재료의 인성 (toughness)은 일반적으로

감소하게 된다

단조합금(wrought alloy)의 경우 강도가 증가함에

따라 인성이 약간 저하되는 경향이 있으며 주조

합금(cast alloys)의 경우에는 인성이 더 크게 저하

된다 이는 inter granular boundary failure에 의한

취성의 증가 때문으로 판단된다 주조합금은 용융

상태의 금속을 filtering하여 불순물을 제거하면

인성을 크게 증가시킬 수 있다

5 소재 선정

새로운 항공기의 개발시 어떻게 제작가능하고 높은

- 12 -

내구성과 성능을 가진 항공기 구조물을 설계 하느냐

와 함께 높은 요구 성능을 가진 항공기를 어떠한

소재를 적용하여 구현 할 수 있느냐도 항공기 개발시

중요한 고려사항이다 적용된 소재에 따라 항공기의

수명기간 동안 성능의 구현뿐만 아니라 저렴한

생산 공정 적용 및 향후 용이한 검사수리유지

경제적환경 친화적 운용 등이 좌우되기 때문에

최적의 소재 선정은 그 중요성을 아무리 강조해도

지나치지가 않다 이러한 소재의 선정은 소재 자

체의 물성값 (material properties) 등에 크게 좌우

된다

Fig 21은 소재선정 절차를 도시한 것으로 설계요구

조건으로부터 소요 형상 및 특성 요구치 등의 제한

조건을 부여하여 이를 만족하고 또한 제조공정이

적합한 소재 후보군을 선택한다[4] 이 들 후보군

들에 대해 비용 및 경제적 효가 등을 고려하여

최종 선정을 하게 된다

Fig 22는 시장의 수요로부터 도출된 소재와 공정의

선정과 구체화를 거쳐 최종적으로 제품 규격서

(product specification)의 산출까지의 구현과정을

도시하고 있다[4]

한편 앞장에서 언급한 바와 같이 항공기의 각 부재별

하중 형상 특성으로부터 도출된 재료지수를 바탕

으로 각각의 요구 특성을 만족하는 소재를 선정

하기 위해서는 Fig 23과 같이 각 소재군을 x y축에

각각 1개씩 2개의 물성별로 버블형태로 포괄적으로

구성한 차트가 매우 요긴하게 활용될 수 있다

Fig 21 설계요구조건과 소재선정 과정 [4]

Fig 22 소재-공정 선정 단계와 제품 규격서 산출[4]

이때 각 물성치는 소재군 별로 차이가 매우 크므로

각 축의 물성은 상용로그 scale로 표시하여 작성

하는 것이 일반적이다 버블차트는 2가지 특성을

동시에 도시할 수 있고 이들 특성의 제한조건 (요구

조건)을 만족하는 소재 후보군을 쉽게 도시화 할 수

있다 이들 버블차트를 손쉽게 구현하기 위해서는

다양한 소재별로 물성값 데이터베이스를 폭넓게

확보하고 있어야 한다 이들 데이터베이스를 프로그램

화 하여 원하는 2가지 특성을 버블차트로 만들

수 있는 프로그램이 상용화되어 판매되고 있다

4장 Table 2에 제시한 바와 같이 강성제한 설계를

적용하여 판재의 무게를 최소화 하면서 굽힘 강성

의 최대값을 주는 소재를 선정하려면 우선 Fig

23과 같이 재료의 탄성계수와 밀도를 도시한 버블

차트를 이용하고 재료지수인 E⅓

ρ 가 최대가 되는

소재를 선정하여야 한다 이때 보통 재료지수에

제한조건 (constraint)이 상수 등으로 주어지므로

양변에 상용로그를 취하면 y축인 logE 와 x축인

logρ 사이에 기울기가 3인 직선이 형성된다

제한조건이 주어지는 경우 각 버블군과 만나는

소재들이 이 조건을 만족하는 것으로 소재후보가

선정되게 된다 이때 또 다른 제한조건이 주어지는

경우 점차 소재군의 폭이 좁아지고 최종 소재가

구체화되어 선정되게 된다 제한조건이 없이 시작한

경우 점선을 좌로 이동시켜가면서 만나는 소재군

이 좀 더 큰 재료지수를 가지므로 후보군에 가까

운 소재이다 한편 강성제한설계가 아니라 강도

- 13 -

제한설계로 요구되는 경우 재료지수는 동일 판재

의 경우 σYS12ρ가 되므로 σYS와 ρ를 도시한 버블

차트를 이용하여 위에 유사한 절차로 무게를 최

소화 하는 소재군을 선정할 수 있다 한편 Table

3과 같은 제한설계 방식에 따라 요구되는 재료지수

를 최대화 하는 소재를 찾고자 하는 경우에는

Fig 24 (균열이 없는 경우) 또는 Fig 25 (균열을

고려한 경우)와 같이 σYS-E 또는 KIC-E 버블차트가

요구되며 선정 과정은 앞의 경우와 동일하다

Fig 23 각 소재군별 탄성계수-밀도 버블 차트 [4]

Fig 24 탄성계수-항복강도 버블차트 [4]

일반 민간항공기와는 달리 초음속 비행이 가능한

전투기 또는 초음속 여객기 등의 개발시에는 초

음속으로 비행시 외부 동체 및 날개 등에 가해지

는 공기와의 마찰에 의한 높은 온도 상승을 재료

선정시 반드시 고려하여야 한다 Fig 26은 항공기

표면의 방사율 (emissivity)이 09인 항공기가 고공

23km 온도 -56degC인 대기권을 초음속 비행할 때

항공기 표면에서의 온도 분포 그림이다[10] 전체

표면 온도가 100 degC에 이를 만큼 뜨거운 상태임

을 알 수 있다 복합재료가 동체와 날개에 적용되는

경우 재료의 사용온도에서의 강도값을 소재선정 및

구조물의 설계에 반영하여야 한다 Fig 27은 이때

참조하여야 할 각종 소재의 최대 사용 온도 (max

service temp)에서의 강도값을 제시해 주고 있다[4]

Fig 25 파괴인성-탄성계수 버블차트 [4]

Fig 26 Skin heating across the airframe [10]

Fig 27 소재별 최고사용온도와 강도의 버블차트 [4]

- 14 -

최근에는 스텔스 기능 등을 가지는 항공기가 등장함에

따라 항공기의 구성 소재가 기존의 하중만을 단순

지지하는 구조물에서 최근에는 하중과 함께 전자파

흡수나 투과 또는 방열특성 등의 복합기능을 요구하는

기능성 구조물로의 설계요구가 늘어나고 있다 이러한

경우에는 재료의 강도뿐만 아니라 유전특성 등을 고려

하여 선정을 하여야 한다 지금까지 소재선정과 버블

차트이용을 주로 언급하였으나 필요시에는 Fig 28과

같이 여러 가지 특성을 비교할 수 있도록 표시하면

재료의 장단점을 잘 비교하여 소재의 선정에 도움이

될 수 있다[1]

Fig 28 Property envelopes for aluminium alloys [1]

6 항공기 구조용 소재의 개발동향

민간항공기 산업은 제품의 생산주기 (product life

cycle)상 성숙기에 다다른 산업으로 2008년도의 유가

급등에 따른 경제 위기이후 민간항공기 분야에서는

친환경적이고 고효율의 성능을 가진 항공기가 점차

요구되고 있다 최근의 새로운 항공기는 복합재료 기체

(composite airframe)의 적용으로 인한 항공기의 경량화

첨단 고효율 엔진 장착으로 인한 연비 극대화 및 첨단

전자시스템 (avionics)의 도입으로 인한 안전도 향상

공기역학적 최적설계로 항력 절감 등을 통해 기존의

항공기와 차별화 되고 있다 이러한 차별화된 항공기

기체를 제조하기 위해서는 고기능 특성을 가진 첨단

신소재의 개발이 무엇보다 요구되고 있다 최근 복합

재료가 항공기의 주구조물에 까지 적용되기 시작 하였

으나 새로운 소재에 대한 요구도는 점차 높아지고

있는 추세이다 나노기술의 성과 축적에 따라 최근에는

나노입자를 보강하거나 탄소나노튜브 자체를 길이방

향으로 성장시켜 장섬유로 기존의 복합재료와 같은

새로운 소재를 구성하려는 연구도 활발히 진행이 되고

있다 가까운 미래에 탄소-탄소 공유결합으로 강인한

특성을 지닌 탄소나노 섬유 (carbon nano fiber)로

이루어진 단일방향 프리프레그나 직물형 프리그레그

(prepreg)가 개발되는 경우 이들의 파급효과는 기존의

어떠한 구조재료보다 더 클 것으로 예상이 되고 있다

이들 초경량 소재를 적용하여 항공기를 설계하는 경우

기존의 항공기와는 다른 형상의 첨단 항공기가 등장

할 수 있을 것 판단된다 한편 기존의 금속 합금도

알루미늄 합금에서 벗어나 보다 넓은 범위의 Al-Li

합금의 적용이 활발해질 것으로 예측되고 있다 최근

에어버스사는 버튼하나로 외부의 경치를 360도 사방

으로 관람할 수 있는 첨단 신소재를 적용

(see-through 기술)한 자사의 미래형 민항기 (concept

airplane)를 발표하였다(Fig 29 참조)[2] 이와 같이

첨단 기능성 구조재료는 항공기의 기존 개념을 상상

할 수 없을 정도로 바꿀 수 있는 가능성을 제공하고

있음을 알 수 있다

Fig 29 Airbus사의 미래형 신개념 민간항공기[2]

최근에는 항공기 임무의 고도화와 첨단화에 따라

방열기능 복합재료 전자파 에너지 흡수 복합재료

전자기파 차폐용 복합재료 등의 기능성 특성을 지니

면서 초경량 구조용 소재로 활용될 수 있는 군사용

복합재료의 개발 필요성 크게 증대되고 있다 민간

- 15 -

항공기에도 스마트 구조물 구현을 위한 형상기억합금

(Shape Memory Alloy SMA) Piezo Actuator를

이용한 형상변형 (Morphing) 구조물 등이 최근 적용이

적극적으로 시도 되고 있다 (Fig 30 참조)[11] 이와

같이 공기역학적 성능형상을 구현하기 위한 형상

변경의 필요성은 기존 신소재와 복합재료의 하이브리드화

를 통해 새롭게 조명 받고 있다 한편 국내외적으로

스텔스 기능을 가지는 구조물이나 전자파를 흡수하

거나 선택적으로 통과 및 반사하는 레이돔과 같은

기능성 구조물에 대한 관심이 높아지고 있다 Fig

31은 Volvo사의 자회사인 스웨덴의 ACAB사의 레이돔

의 소재로서 주파수를 선택적으로 투과하는 표면을

갖도록 제작된 유리섬유 보강 복합재료의 표면 샘플

을 보여주고 있다 이와 같이 기존의 단순한 하중

을 전달하거나 지지하도록 제작되는 항공기 구조물

에서 벗어나 최근에는 센서 및 작동기와 같은 것을

내장하는 고부가가치의 지능형 항공기 구조물(smart

aircraft structures)이 점차 늘어나고 있는 추세이다

7 맺는 말

2004년 이후 2008년도 유가 급등기까지 전 세계

민간항공기 운항사의 80이상은 적자 상태에 있

었다고 분석되고 있다 이는 유가가 항공기 운용비

(operating cost)의 50 ~ 60를 차지하게 된 것에

기인하는 것으로 석유의 고갈이 점차 다가옴에 따라

항공기 제조사들은 항공기의 경량화를 통해 좀 더

효율적인 항공기를 개발하여 항공기 운항사에 공급

하려고 부단히 노력하고 있다

이와 같이 많은 이익을 줄 수 있는 항공기의 경량화

목표 실현은 바로 구조용 소재의 개발과 소재의

적절한 적용에 달려있다고 볼 수 있다 특히 날로

치열해지는 국제 경쟁 환경에서 자주국방 확립과 밀접

한 연관성이 있는 항공용 소재는 대부분의 경우가

선진국의 수출통제 (EL Export License) 대상의 규정

되어 있어 한국의 의욕적인 항공기의 개발에 많은

장애 요인 중의 하나로 자리 잡혀 있는 것이 현실

이다 최근 전 세계 항공 산업은 대형 민간항공기

의 경우 미국의 보잉과 유럽의 에어버스의 양대

기업으로 개편되어 시장을 놓고 치열한 경쟁이 이

루어지고 있다

Fig 30 (a) Chevron and (b) Aero-gurney with variable

geometry morphing function for B787

application[11]

Fig 31 스웨덴 ACAB (wwwacabcom)사의 FSS

(frequency selective surfaces) 레이돔용 소재

틈새시장인 중형기 (mid-sized aircraft)는 브라질의

Bombardier사가 시장의 35 ~40를 차지하고 있으며

여기에 중국 러시아 및 일본 등이 자국 항공기의

개발을 통해 신흥 항공기 제조국가로 발돋움 하려고

부단히 경쟁하고 있는 추세이다 최근 정부에서는

2010년 초에 항공 산업 발전 기본 계획

(2010~2019)을 수립 제시하면서 새로운 미래의 도약

산업으로서 항공 산업의 발전을 도모하고 있다

하지만 역사적으로 소재공정 (material processing)

기술을 자체 확보하지 못한 국가가 항공 산업에서

우위를 차지한 적이 없는 만큼 한국이 틈새시장에

서나마 안정적인 시장을 확보하려면 항공 관련 소재

산업이 뒷받침 해주어야 한다고 판단된다 단기적

으로는 경량화의 꽃인 경쟁력 있는 탄소섬유의 개발이

무엇보다 강력하게 요구되고 있으며 보다 중기적

- 16 -

으로는 나노소재기술의 개발 및 상용화 장기적으로는

니켈합금 보다 가볍고 우수한 고온용 소재 Al-Li

합금 고분자복합재료보다 우수한 소재 등의 신소재

개발이 한국의 항공 산업을 든든하게 받혀 줄 수

있는 저력이 될 것이라고 판단된다

본 기고문은 한국항공우주산업진흥협회가 주관하는

2010년 항공우주부품기술개발사업 정책지정과제

lsquo중형항공기 핵심기술개발 선행연구lsquo의 지원을 받아

작성되었습니다

참고문헌

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Publishing 2001

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[6] RJ Bucci Advanced Metallic and Hybrid

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[7] 3rd IT-2010 Strategy seminar April 11 2008

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[8] IJ Polmear Light Alloys Metallurgy of the

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[9] T Burg and A Crosky Aeronautical

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[10] JA Charles FAA Crane and JAG

Furness Selection and Use of Eng Matls

3rd Edition Oxford 1997

[11] Boeing 홍보자료

- 2 -

동체 및 날개 등의 주구조물에도 적극적으로 적용

되기 시작하여 사용비중이 빠르게 증가하고 있는

고기능성 고분자 탄소섬유 복합재료에 대해 발전사 및

소재 특성에 대해 비교 기술하고자 한다 또한 항공기

의 위치별 고려해야할 설계 요구 특성과 연관되어

소재의 선정시 요구되는 선정조건 등을 살펴보고

각 특성별 소재선정 조건을 비교 하고자 한다

끝으로 항공기 구조용 소재로 적용되기 시작하거나

개발 중인 소재에 대해 간략히 소개하고자 한다

본 기고문에서 다루는 내용은 항공기에만 국한되는

것이 아니라 자동차 고속전철 등 경량화가 요구

되는 수송 기계류의 소재 선정에 적용될 수 있다

Fig1 대한항공이 개발하여 비행시험 중인

KUS-7 9 근접지원 무인기

Fig2 대한항공이 부품개발에 참여중인 보잉 787

복합재료 항공기

2 항공기와 소재

항공기가 고객의 성능 요구조건을 만족하기 위해서는

가벼워야 한다는 것은 항공기 개발 개념 설정시

항공기의 안전성과 함께 최우선적으로 고려해야

할 사항이다 소재의 물성 (properties)과 소재의

적용 비용 (cost)은 항공기 구조물용 소재 선정에서

가장 중요한 고려 사항들이다 한편 항공기의 기종

별로 서로 차이점은 있지만 민간항공기의 경우

전체 항공기의 무게를 100로 설정시 탑재체무게

(payload weight) 구조물무게 (structural weight)

연료무게(fuel weight)는 일반적으로 약 20

40 40의 비율로 대략적으로 구성이 되는 것

으로 알려져 있다 항공기의 성능을 향상 시키려면

이들 3가지 요소 중 구조물의 무게 또는 연료의

무게를 줄여야 한다 연료의 무게는 엔진 등의 추진

기관의 효율을 높이거나 기체의 항력을 줄이는 방법

으로 연료소모량을 줄여 간접적으로 줄일 수 있으

므로 구조적 관점에서는 제외하기로 한다 탑재체

하중은 항공기 운항사들은 줄이기보다는 늘리려고

하므로 논외로 하면 가장 타당성이 있는 것은 구

조물의 무게를 설계시 가급적 줄이는 것이다

구조물 무게는 소재의 특성에 크게 달려있기 있기

때문에 항공기의 등장 초기부터 많은 항공기 개발자

들은 적절한 소재선정에 많은 관심을 쏟아왔다

기존 소재의 문제점을 해결할 수 있는 신소재가

개발되어 이를 적용하는 경우 항공기의 경량화로

인한 성능향상과 설계수명 증대 탑재체 무게 증가

줄어든 무게로 인한 낮은 연료소모로 인한 엔진

효율향상 등등 많은 부수효과를 얻은 수 있게 된다

신소재의 출현으로 새로운 항공기 형상이 제안되

기도 하고 때로는 역으로 새로운 항공기나 기술의

출현으로 인해 새로운 소재의 개발이 촉진되기도

한다 최근의 항공 산업 분야는 급변하는 시장의

요구를 만족하기 위해 꾸준히 항공기의 효율

(efficiency)과 생산성(productivity)을 향상하기 위해

많은 노력을 경주해 왔다 동북아 지역내 국가간

항공자유화 협정 (Open skies) 체결 확대로 여객

수요증대가 향후 예상되고 있으나 최근의 유가 급

등으로 인해 항공사의 연료비 부담 증가로 기존의

항공기 도입보다는 새로운 경제적인 고효율 항공기

에 대한 요구가 크게 늘고 있는 상황이다 또한 범

지구적으로 환경규제 협약 추세가 강화됨에 따라

친환경적인 항공기의 개발에 대한 요구가 증가하고

있어 여러 요구조건을 충족시킬 수 있는 항공기

구조용 경량화 신소재에 대한 적용 및 개발 요구도

함께 높아지고 있다

Fig 3은 민간항공기의 운용시점에서의 원가 구성도

- 3 -

를 보여주고 있다 항공기의 원가를 구성하는 한

요소인 소재는 민항기의 경우 초기 구매비용 중에

약 10~15를 차지하고 있음을 알 수 있다[1]

Fig 3 Breakdown of aircraft costs for civil

aircraft [1]

한편 민간항공기(Airbus사 기종) 및 기타 군용기의

시기별 항공기 구조 재료의 무게 구성비는 Fig 4

에서 알 수 있다 [1 2] 민간항공기에서는 2000년대

말에 이르러 탄소섬유 복합재료(CFC Carbon

Fiber Composites)의 적용비율이 급격히 증가하여

A350기의 경우 2000년대 이전의 군용기보다 더 많은

복합재료를 적용하고 있음을 판단 할 수 있다

Fig 4 민항기(Airbus) 와 군용기 구조 재료의

적용비율 [12]

그리고 Fig 5는 항공산업 분야에서 소요되는 소재

소요량을 분석한 그림으로 생산업체는 2008년 당시

약 507M kg이 구매되어 이중 항공기에 직접 사용된

소재는 약 20인 102M Kg이 사용되었다[3] 항공기

에 소요된 소재의 약 20 정도가 복합재료로서

208M Kg이 소요되어 전체 구입량 중 약 4만이

사용되었음을 유추할 수 있다

Fig 5 항공우주산업에서의 소재 사용량(2008년)

한편 항공기에 사용된 복합재료 중 탄소섬유 강화

복합재료(CFRP Carbon Fiber Reinforced Plastic)가

37 유리섬유강화 복합재료(GFRP Glass Fiber

Reinforced Plastic)가 35 나머지 28가 기타

복합재료임을 Fig 6에서 알 수 있다[3] 최근

B787과 같은 항공기의 등장 이후에 출시되는 민간

항공기는 보다 높은 경량화로 인한 효율 증대를

달성하기 위해서 현재 보다 많은 양 (w)의 탄소

섬유 복합재료가 적용될 것으로 예상되고 있다

Fig 6 항공우주산업의 복합재료 소요량 및 비율[3]

다양한 용도로 생산된 탄소섬유가 어떤 분야에 적용

되어 사용되는지는 Fig 7이 잘 보여 주고 있다

[3] 2007년도 생산된 43M kg의 탄소섬유에서 약

21인 9M kg이 항공우주분야에 사용되어 타 산

- 4 -

업분야 보다 제일 많은 양이 소모된 산업분야가

항공우주 산업임을 알 수 있다

Fig 7 산업별 탄소섬유 소비 w (2007년)[3]

이는 어느 타 산업보다 경량화로 인한 부가가치가

높은 산업이 항공우주산업 제품이기 때문에 탄소

섬유가 요구 하중을 견디면서 경량화를 잘 충족

시킬 수 있기 때문으로 판단된다

2 항공기 구조용 소재의 발전사

1900년 초 인류최초의 동력 비행기가 출현한 이후로

항공기 개발자들의 공통된 관심 중의 하나는 어떠한

소재를 적용하여 항공기를 중력으로부터 좀 더 자유롭게

하여 보다 빠르게 높게 안전하게 날수 있게 하나라는

문제에 있었을 것이다 항공기개발 초창기의 나무

소재에서 현재의 첨단 복합재료 소재까지 적용되어

그 성능이 비약적으로 향상된 비행기의 발전사는 곧

소재의 발전사와 상통하여 서로 개발을 촉진하여 왔

다고 볼 수 있다 Fig 8은 비행에 대한 이론적 체계가

발전하기 시작한 1800년대 초부터 현재까지 출현한

소재들을 시기별로 나열한 것이다[4] 1903년 라이트

형제의 최초의 동력 비행기에 알루미늄 구조 부품이

일부 사용되고 1919년 동체의 스킨만으로 하중을

견디도록 제작된 최초의 전금속 모노코크

(monocoque 응력 외피 구조) 항공기인 독일의

F-13에 알루미늄 합금이 적용되었다 이후 항공기

구조용 주소재로 다양한 종류의 알루미늄 합금이

개발되어 왔으며 1990년대 말에는 복합재료에 버금

가는 경량화 특성이 우수한 알루미늄-리튬 신소재가

출현하고 있다 이들 알루미늄 합금류의 등장 시기

등을 일부 복합재료 등장 시기와 함께 Fig 9에 도시

하였다 복합재료는 기존의 금속 재료에 비해 비강도

비강성 손상허용특성 및 내피로 특성이 우수하고

다양한 기능적 특성으로 인해 경량화와 기능성 특성이

중요한 항공 및 우주분야 구조물에 우선적으로 적용

되어 왔다

Fig 8 재료의 시대별 등장 시기 [4]

Fig 9 알루미늄 합금 및 기타 복합재료 등장 연대기

- 5 -

3 항공기 구조용 소재

앞에서 언급한 바와 같이 항공기의 등장과 함께

항공기의 발전은 항공기 구조용 신소재의 등장과

함께 빠르게 발전하여 왔다 항공기 구조용 소재를

구성하는 기본 소재군 으로는 Fig 10에서 도시한

바와 같이 금속 세라믹 고분자(polymers) 탄성

체고무(elastomers) 및 유리(glasses) 등을 열거할

수 있으며 이들 각각의 소재와 센서등과 융합되어

나타난 (스마트) 하이브리드 소재 등이 항공기 구조용

소재로 활발히 적용되어 왔다 최근에는 센서

작동기가 내장된 구조물이 등장하기 시작하여 항공기

의 성능이 크게 향상되고 있다 본 장에서는 무수히

많은 항공기 구조물에 적용된 소재에 대해 설명

하기 보다는 항공기의 기체용으로 지금까지 상당한

부분을 차지했던 금속 합금과 기체 구조물 중량의

50이상을 복합재료를 적용한 B787의 등장이후

대형 민간항공기의 주 구성 재료로 인식되는 복

합재료에 대해 간략히 살펴보고자 한다

Fig 10 Engineering materials

금속합금 (metal alloys)

bull 알루미늄 (Aluminum alloys)

알루미늄합금은 80여년에 걸쳐서 항공기 동체 등의

구조용 소재의 하나로 사용되어 왔으며 최근까지

항공기 구조물의 주재료로서 B787과 같은 복합재료

항공기가 등장하기전까지는 전체 항공기 구조물

무게의 70 ~75를 차지하고 있는 금속재료이다

대표적인 것으로는 구리 (Cu Copper)를 합금 첨가

주재료로 사용하는 2xxx계열과 아연 (Zn Zinc)을

주재료로 사용하는 7xxxx계열이 대표적이다 알루

미늄 합금의 제조 방식에 따라 주물 합금 (cast

alloys) 비열처리 단조합금 (non-heat treatable

wrought alloys) 열처리 단조합금 (heat treatable

wrought alloys)등으로 분류 될 수 있으며 각각의

특성은 다음과 같다

bull 주물합금

- 낮은 강도

- 주물로 제작이 용이한 복잡한 형상에 제한

- 구리와 실리콘 등이 합금 첨가재로 사용

bull 비열처리 단조합금

- 상대적으로 낮은 강도

- 성형성과 용접 특성이 양호

- 낙하용 탱크 (drop tank) 도관 (duct) 유선형

덮개 (fairing) 등에 적용

- 마그네슘이 주 합금 첨가제

bull 열처리 단조합금

- 항공기 기체의 주재료

- 4까지 구리를 첨가한 것은 중간 정도의 강도

를 갖는 구조물에 적용

- 5~6의 아연을 첨가한 것은 큰 응력이 작용

하는 부품에 적용

알루미늄 합금은 합금 조성 및 물성특성 별로

Fig 11과 같이 체계적으로 번호로 분류하여 제시

되고 있으며[4] 같은 번호계열 (sub class) 합금이라

하여도 제조시의 열처리 방법에 따라 Fig 12와

같이 다시 세부적으로 분류하고 있다[5] 특히 소재

선정시 요구 물성 및 조건에 열처리번호를 염두에

두고 선정에 유의 하여야 한다

Fig 11 알루미늄 합금 표시법 [4]

- 6 -

Fig 12 항공기 적용 알루미늄 합금계열의

열처리에 따른 분류 [5]

Fig 13은 항공기에 사용된 알루미늄 합금의 종류

를 항공기 부위 별로 사례를 들어 소개한 그림이다

[5] 이와 같이 항공기 부위별로 하중조건이 달라

지고 피로특성도 다르므로 이에 대한 소재 선정

요구조건도 달라지므로 이에 대한 설명은 다음

절에서 상세히 다루도록 한다

Fig 13 민간항공기 주요 부위에 적용된 알루미늄

합금 종류 적용 사례 [5]

Fig 14는 항공기에 적용된 금속 합금 (주로 알루미늄

합금)의 항공기 부위별 첫 적용 시기와 항복강도

를 표시해 주고 있다 최근에도 최신 항공기의 특정

부품에 첫 적용되는 알루미늄 합금이 다수 있음

을 알 수 있다

Fig 14 항공기에 첫 적용된 항공용 금속 합금의적용시기와 항복강도 [6]

bull 알루미늄-리튬 합금 (Al-Li alloys)

Li (리튬)은 금속 중 가장 가벼운 소재로서 1980

년대 중반 Al-Li합금이 개발된 후에 고분자 복합

재료의 적용으로 급속히 대체되던 알루미늄 합금을

이어 항공기용 구조용 금속 합금 소재로서 2000

년대 들어 새로이 부각되고 있는 소재이다 Li

1를 기존의 알루미늄 합금에 적용하면 합금의

밀도는 약 3 감소되고 강성은 6 증가하는 것

으로 알려져 있다 Li은 기존 금속에 비해 밀도가

7-10 작은 반면에 강성은 10--15 정도 높고 우수한

내피로 및 극저온에서의 우수한 인성 특성을 가져

항공기용 구조용 소재로의 적용이 증가하고 있다

이는 기존의 알루미늄 합금에 비해 Al-Li합금은

피로 균열성장에 대한 저항특성 우수하고 또한

항공기의 무게 절감 효과가 상당히 크기 때문에

최근의 항공기의 효율 향상과 연료를 절감하기

위한 항공업계의 엄청난 노력과 부합되기 때문으로

판단된다 또한 일부 부분에서는 기존의 복합재료

적용시보다 Al-Li합금 적용의 경우 공정상 별도의

큰 투자가 요구되지 않기 때문에 비용이 절감되는

것으로 분석되어 일부 복합재료 부분을 대체하는

경우도 있다 Al-Li 합금이 적용되는 항공기 부품

으로는 앞전(leading edges) 및 뒷전 (trailing

edges) 시트 트랙 (seat track) 날개 외피 (wing

skin) 접근 커버 (access cover)등이 있다 군용기

의 부품으로는 주익 박스 (main wing box) 중앙

동체 조종면(control surfaces)등에 적용되고 있으며

기타 헬리콥터 로켓 및 위성체에서는 기존의 알루

- 7 -

미늄 부품의 대체재로 적용이 되고 있다 특히 Al-Li

합금은 극저온에서의 인성이 뛰어나 우주용 발사체

추진부의 액체산소탱크 수소연료탱크 등의 극저온

탱크 (cryogenic tankage)에의 적용이 늘어나고 있

다 현재 사용으로 판매되는 제품으로는 Weldalite

049 Alloy2090 2091 8090 등이 있으며 기존의 고

강도 알루미늄 합금에 비해 가격은 2-4배 비싼 편이

다 최근에는 복합재료 소재에 밀려 사용량이 줄어

드는 기존의 알루미늄 합금대신 부식에 매우 강하고

손상허용 특성이 향상된 2x99 및 7x5x Al-Li 합금

(ALCOA사)이 항공기의 경량화를 위한 소재로 적용

이 늘고 있다

bull 티타늄 합금 (Titanium alloys)

티타늄 합금은 강철 등에 비해 낮은 밀도를 가지면

서 높은 용융점 낮은 열팽창계수 우수한 내열 특성

및 고온에서의 비강도가 우수하고 내식성 (corrosion

resistance) 내산화성 (oxidation resistance)도 탁월

하다 미국의 초고속 첩보기 SR-71 구조물의 주소재

로서 85 wt (복합재료는 15 wt) 사용된 티타늄

합금은 항공기 및 미사일 등의 성능이 급속히 높아짐

에 따라 항공기용 구조용 내열 소재로 적용 범위가

넓어지고 있다 하지만 단점으로는 가격이 비싸고

제조공정이 상대적으로 어렵고 149~315 온도

범위에서 creep 변형이 발생할 수 있다 저온에서 액체

기체 산소와 접촉하면 심한 반응이 유발되고 표면

변화가 발생하므로 유의 하여야 한다 또한 메탄올

과 질소4산화물 (Nitrogen tetroxide)과 접촉시 응력

부식 균열 (stress corrosion crack)이 230~260의

온도 범위에서 소금에 의해 응력 부식이 발생할 수

있다 전자기 차폐 (electrical and magnetic

screening) 특성도 합금강에 비해 낮은 편이다 대표적

인 합금으로는 Ti-6Al-4V 이 있으며 입증 강도(proof

strength) 는 약 106 kgmm2 비강도는 24kgmm

2

이다 항공기에 적용시 -200~ 500 온도 범위에서

사용되고 있다 판 형태 (sheet form) 제품은 방화벽

(fire wall) 엔진 베이 도어 (engine bay door) 제트

파이프 덮개 (jet pipe shrouds)의 소재로 사용되며

단조품(forgings)이나 막대(bar)형은 항공용 가스터빈

압축기의 디스크 및 블레이드용 소재로 사용되고

있다

bull 마그네슘 합금 (Magnesium alloys)

마그네슘 합금은 항공기에 사용되는 금속 재료 중

비중(specific gravity)이 가장 작은 금속으로 알루

미늄 합금의 비중이 25~28 인 것에 비해 비중이

약 18 정도이다 강도는 알루미늄 합금에 비해 낮은

편이다 마그네슘이 산화성이 높아 주조시 급격한

반응에 의한 폭발 위험성이 내재되어 활발히 적용

되지 못하였으나 최근 국내에서도 신 주조 공정기술

이 개발되어 항공 및 자동차 부품의 경량화에 대한

관심이 높아짐에 따라 그적용이 활발히 모색되고

있다 하지만 마그네슘 합금의 부식성도 높아 부식

을 방지하기 위한 표면처리가 요구되는 단점이 있

다

bull 합금강 (Steel alloys)

강철은 강도가 매우 우수하고 가격이 저렴하며 내

마모성 및 전자기 차폐 특성도 우수한 반면에 무게

가 무거워 비강도는 매우 작은 편이기 때문에 특히

항공기의 부품중 강도가 크게 요구되는 부위에 사용

되고 있다 대표적인 합금강으로서 HY-180

(10Ni-Cr-Mo-Co)합금강은 매우 큰 파괴인성을 갖고

있어 피로 및 파괴에 취약한 부품인 수평꼬리 부착

피팅 (horizontal tail attach fitting)과 엔진 마운트

피팅에 적용되고 있다 PH12-8Mo 합금강은 항공기의

일반적인 pin lock 피팅류에 적용되는 소재이다

bull 니켈합금강 (Nickel alloys)

니켈 합금강은 고온에서도 매우 높은 강도를 유지하

므로 항공기의 엔진 부품으로 많이 사용되나 매우 무겁고

가공이 어려운 단점이 있다 향후에는 좀 더 가벼운

고온용 합금강의 개발이 시급히 요구 되고 있다

복합재료 (Composite materials)

복합재료는 2개 이상의 소재를 사용하여 각각의 소재

의 장점을 살려 새로운 특성을 갖도록 인위적으로

만든 소재를 의미한다 주로 힘을 전달하는 섬유

(fiber)와 섬유를 보호하고 모양을 유지하는 기지

(matrix)로 구성되는 것이 일반적이다 이밖에 섬유를

보호하는 재료와 기타 첨가재 등도 사용되나 복합재료라

하면 섬유와 기지를 총칭하는 게 일반적이다 항공기의

구조용 소재로는 유리섬유 케블라 탄소섬유 등등의다양한

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보강용 섬유와열가소성(thermoplastic) 열경화성 (thermosetting)

고분자 수지가 일반적으로 많이 사용되고 있다 보잉

787에 적용된 복합재료로서 전체 구조물 무게의 약

43 (무게로는 35 톤)가 사용된 탄소섬유에폭시 복합

재료가 향후에도 대표적인 대형 항공기의 구조용 소재로

예상되므로 주로 탄소섬유 복합재료에 대해 기술하고자

한다 탄소섬유도 원천소재에 따라 PAN 및 Pitch 기반

탄소섬유로 분류 된다 전자는 원사인 Polyacrylonitrile을

고온로에서 태워 다양한 열처리 공정을 거쳐 생산되며

강도가 우수하고 가격이 상대적으로 저렴하여 항공기

구조용 소재로 많이 사용되고 있는 섬유이다 반면에

후자는 석유정제후의 부산물인 피치 (pitch)를 실

(filament)로 뽑아 이를 PAN과 유사한 공정을 거쳐

만들어지며 구리나 은 등의 금속소재와 대등할 정도로

열전도 특성이 매우 크고 강성이 우수하여 특히 우주용

구조물 소재로 사용되고 있고 값도 일반적으로 고가이다

탄소섬유도 추가 열처리 여부에 따라 Carbon섬유와

그래파이트(Graphite)섬유로 분류될 수 있으며 후자가

추가 열처리되어 일반적으로 물성이 더 우수하고 고가

이다 또한 동일 기반 탄소섬유라 하더라도 물성 등급

및 가격에 따라 시장 구조가 Fig 15와 같이 분류될 수

있다[7] 고급용 (high-end usage) 탄소섬유는 고강도

고강성 섬유로서 섬유직경이 작고 주로 항공기 구조용

소재로 사용되며 당연히 고가이다 중급 및 저급 탄소

섬유는 비항공기 시장인 스포츠 및 기타 산업용 소재로

사용되어 상대적으로 저가이다 참조로 B787에는 탄소

섬유가 무게로 약 23톤이 사용되고 있다 Fig 16은 강성

의 크기에 따라 인장강성 (tensile modulus)를 고중저(high

intermediatestandard)의 단계로 구분한 그림이다[7] 항

공기 부재의 강성 요구도에 따라 시장에서 소재를 적절히

선택할 때 유용하다 탄소섬유를 항공기의 구조물에

적용하는 경우 구조물의 손상여부가 항공기의 생존성

여부에 중요한 영향을 미치는 정도에 따라 구조물을 1차

및 2차 구조물 (또는 주 및 부구조물)로 분류할 수 있다

Fig 17은 주 및 부구조물과 우주용 구조물에 적용되는

탄소섬유의 강성 및 강도 범위를 버블로 표시한 것으로

이 또한 관련 구조물의 소재 선정시에 유용하게 활용

될 수 있다[7] 복합재료 항공기의 대표적 주구조물인

날개나 동체의 경우 적용되는 탄소섬유는 인장강도의

범위가 약 50~ 70 GPa 강성의 범위가 약 300~400

GPa이 되는 소재를 염두에 두고 선정할 수 있겠다

(a) (b)

Fig 15 PAN기반 탄소섬유의 (a) 등급 및 (b)

적용에 따른 시장구조 [7]

Fig 16 탄소섬유의 단계별 인장 강성 구분 [7]

Fig 17 항공기용 주부구조물 및 우주용

탄소섬유의 인장 강성-강도 버블 차트 분포 [7]

Fig 18은 보잉사의 복합재료 항공기인 B787의 주

소재로서 탄소섬유 (T800급)를 독점 공급하고 있

- 9 -

는 Toray에서 생산되는 PAN기반 탄소섬유의 인장

강도 및 인장강성의 버블 분포도이다[7] 현재 시장

점유율 40 여로 세계최대 항공 산업용 탄소섬유

공급업체인 Toray사가 생산하는 탄소섬유 중

T700 T800 T1000 등이 항공기용 주구조물에 적합

하고 T300 T400은 부구조물 M55J M60J M65J

등은 고강성이 요구되는 우주용 구조물 소재로

적합한 탄소섬유 소재이다 Toray의 제품명중 T

는 강도를 M은 강성을 의미한다

Fig 18 Toray(일본)의 PAN기반 탄소섬유의 인장

강성-인장강도 버블 차트 [7]

이 밖에 금속 합금과 복합재료를 장점을 갖도록 만든

섬유금속 적층판 (Fiber Metal Laminates) 등의 하이

브리드 소재가 항공기의 신소재로서 활용되고 있다

4 항공기 구조용 소재의 요구조건과 재료지수

항공기의 구조용 소재는 항공기의 각 부위가 받는

하중의 특성 및 요구 기능 및 성능에 따라 차별화된

소재가 사용되는 것은 당연하다 항공기의 구조물에 작용

하는 정적동적 하중과 장기간에 걸쳐 작용하는 피로

하중 (fatigue loads) 및 환경 조건(environmental

conditions) 등이 소재 선정에 있어서 신중히 고려되

어야 한다 Fig 19는 소재의 기본 특성인 강성과 강도

파괴인성 (또는 인성) 및 무게와의 항공기의 기본거

동의 연관성을 잘 도시해 주고 있다[4]

Fig 19 항공기와 소재 특성 비교 [4]]

항공기의 구조적 성능을 좌우하는 구조물의 소재는

우선적으로 항공기의 안전 (safety)를 다음으로는

성능을 보장해주어야 한다 강인한 소재를 사용함

으로써 항공기의 구조적 안전도를 높일 수 있으나

소재 자체의 무게가 무겁거나 과도 설계되는 경우

에는 항공기의 성능이 저하될 수 있으므로 항공기

제작사들은 가급적 강인하면서도 가벼운 소재에

많은 관심을 갖고 가급적 설계하중을 견디면서

무게를 최소화하려고 여러 가지 설계기법을 함께

개발하고 있다

항공기의 구조용 소재로서 일반적으로 갖추어야

할 조건 등을 일부 열거하면 다음과 같다

Choosing materials-desirable properties

bull 높은 비강도 및 비강성

bull 일관성 있고 예측 가능한 물성값

bull 부품에서의 균일성 및 방향에 따른 균질성

bull 높은 내식성

bull 난연성 및 내인화성 생산사용수리중의 안전성

bull 적당한 가격

- 10 -

bull 내피로 특성 높은 인성(toughness GIC)

bull 사용 온도구간에서의 적절한 요구강도

Fig 20은 항공기의 부위별 하중 특성에 따라 해당

소재가 만족하여야할 기계적 특성을 나열 도시한

것이다[8] 하중의 종류로는 인장 압축 굽힘 비

틀림 피로 환경하중 등 다양한 종류가 항공기

각 부위 및 부재에 작용할 수 있으며 대표적인

하중 및 작동모드에 따라 해당하는 부품의 소재를

선정할 필요가 있다 여기서 각 부위별로 요구되는

기계적 물성 또는 요구특성은 다음과 같은 종류

가 있다

FAT 내피로성 (fatigue resistance)

FCG 피로균열 성장 (Fatigue Crack Growth)

dadN 피로균열성장률 (fatigue crack growth rate)

σFS 피로강도 (fatigue strength)

COR 내부식성 (corrosion resistance)

KIC 파괴인성 (Fracture toughness)

KISCC 응력부식파괴 (stress corrosion

cracking fracture)

E 강성 (modulus)

σTS 인장강도(Tensile strength)

σYC 압축 항복 강도 (Compressive yield

strength)

σYT 인장 항복 강도(Tensile yield strength)

τSS 전단 강도 (shear strength)

Fig 20에서 항공기를 구성하는 각 부재별로 나열된

요구 물성 특성 순서는 우선적으로 고려해야 할

특성을 중요 순으로 배열한 것이며 ( )안은 설계

에는 반영하여야 하나 중요도는 상대적으로 떨어

지는 것을 의미한다 항공기의 핵심 부재별 고려

해야할 물성 또는 기계적 특성을 Table 1에 정리

하였다 [4 9]

항공기의 비행시 각 부재에 작용하는 대표 하중이

제시되면 각 부재를 구성하는 연결봉재 판재 또는

보(beam) 등의 기본 형상에 따라 무게 (또는 비용)를

최소화 하면서 강성 또는 강도 등을 유지 할 수

있는 재료지수 (material index)를 Table 2에 제시

한 바와 같이 계산으로 추출할 수 있다[4]

Fig 20 Critical requirements of airframe

components [8]

Table 1 Critical requirements of airframe

components

항공기주요

부재명

대표작용하중

비고(고려할 물성특성 순서)

날개상단(wingupper)

굽힘에의한 압축

비행시 굽힘에 의한 판재의압축 무게최소화(E

⅓ρ σYCρ KISCC )

날개하단(winglower)

굽힘에의한 인장

비행시 굽힘에 의한 판재의인장 (Eρ σYSρ KISCCCOR σFS dadN)

동체(fuselage)

인장압축굽힘비틀림내부압력

대표하중은판재의 인장무게최소화(E⅓

ρ σYSρ COR σFS dadN)

보강재(sparribs)

굽힘 좌굴

외피를 내부에서 보강 하중분산 역할 굽힘 하중을 받아날개하중 조건과 유사(Eρ σYSρ KISCC σFS dadN)

착륙기어(landing

gear)

정적하중피로하중

무게는 중요하지 않음 내피로파괴특성내응력부식특성 요구(E σYS dadN KIC KISCC)

조종면(controlsurfaces)

경하중경하중 부재는 강도보다 강성우선 고려

외피재(skin

material)환경하중

환경노출에 의한 내부식 특성초음속 항공기의 경우 내열특성 요구

날개의 상단부를 구성하는 판재가 굽힘에 의해

압축을 받는 경우 강성을 유지 (강성제한설계

stiffness-limited design)하면서 무게를 최소화 시키기

위해서는 물질지수 E⅓

ρ를 가급적 최대화 할 수

있는 재료를 선정하여야 한다 또한 이 판재는 소성

의 발생 없이 어느 정도 외부 인장 하중을 견디는

- 11 -

Table 2 작용하중과 부재형상에따른고려해야할 재료지수

기본형상

연결 봉재

(Tie-rod)

판재

(Panel)

보

(Beam)

작용하중 인장 굽힘 굽힘

모양

(shape)

강성제한설계

무게최소화Eρ E⅓ρ E

12ρ

강도제한설계

무게최소화σYSρ σYS

12ρ σYS

23ρ

강도제한설계

재료비용

최소화

σYSCmρ σYS12

Cmρ σYS23

Cmρ

Cm 단위 무게당 재료비용

강도를 유지 하면서 무게를 최소화 하여야 하는

경우에는 재료지수가 σYSρ (단순 인장시) 또는 σ

YS12

ρ (판재의 굽힘에 의한 인장시) 가 최대가 되는

소재를 차선으로 선정할 필요가 있다 한편 Table 3

에 제시한 바와 같이 항공기 부품 등에 따라 하중이

제한되는 조건에 의한 설계 (load limited

design) 또는 스프링이나 플라이휠 등과 같이

에너지를 최대한 저장해야하는 부재와 같이 에너지

가 제한되는 설계(energy limited design) 및 탄성

힌지 (elastic hinge)와 같이 변위를 제한하는 설계 등

설계적용 방식이 다른 경우가 있다[4] 일례로서

탄성힌지와 같이 작용 하중은 작으나 탄성힌지로서

최대변형률을 가지며 작은 곡률반경을 가질 정도로

굽힘 특성이 우수 하고 재료 내에 소성 및 균열이

발생하지 않으려면 재료지수 σYSE가 최대값을 갖는

재료를 후보군으로 먼저 선정하여야 한다 파괴

인성 (fracture toughness KIC)은 재료 내에 균열이

발생하여 성장하는 경우 재료의 크기와는 상관없이

Mode I 균열선단에서 균열성장에 저항하는 정도를

나타내는 재료 물성치 (material property)이다

한편 균열의 성장은 재료 내에 축적된 탄성에너지

가 새로운 균열면을 만드는데 소요되는 에너지로

방출(release) 되는 일종의 비가역 에너지 변환에

의하여 진행된다고 생각 할 수 있다 이때 KIC 뿐만

아니라 재료의 탄성 계수와 함께 연관된 물성 임계값

은 인성 (toughness mode I critical strain energy

Table 3 설계형태와 균열의 가정 유무에 따른 재료 지수

Designtype

부재예 요구항목

Materialindex

Nocrack

Fracturesafe

하중제한설계 wing-spar

최대하중

까지

파괴되지

않음

σYS

최대화

KIC

최대화

에너지제한설계

스프링

flywheel

turbine

containment

system

최대탄성

에너지

저장까지

파괴되지

않음

σYS2E

최대화

KIC2E

(asympGc)

최대화

변위제한설계

elastic

hinge

커플링

큰변형률

유지

σYSE

최대화

KICE

최대화

release rate Jm2 ) 으로 정의되어 다음과 같이

표현된다

GIC = KIC2E (1)

즉 mode I 하중이 균열선단에 작용하고 단위면적

당 에너지 GIC (Jm2 )가 균열면 생성에 공급되면

균열이 성장하는 개념으로 생각 할 수 있다 재료

의 인성은 KIC가 증가하면 증가하고 E가 커지면

(즉 취성이 증가하면) 감소함을 알 수 있다

재료의 강도 (strength)는 소성 흐름 (plastic flow)에

저항하는 정도를 표시하는 재료상수 로서 강도가

크면 일반적으로 σYS가 크고 소성역 (plastic

zone)이 상대적으로 작아져서 취성이 증가하게 된다

즉 crack 선단에서의 소성역에서의 에너지흡수가

저하되어 재료의 인성 (toughness)은 일반적으로

감소하게 된다

단조합금(wrought alloy)의 경우 강도가 증가함에

따라 인성이 약간 저하되는 경향이 있으며 주조

합금(cast alloys)의 경우에는 인성이 더 크게 저하

된다 이는 inter granular boundary failure에 의한

취성의 증가 때문으로 판단된다 주조합금은 용융

상태의 금속을 filtering하여 불순물을 제거하면

인성을 크게 증가시킬 수 있다

5 소재 선정

새로운 항공기의 개발시 어떻게 제작가능하고 높은

- 12 -

내구성과 성능을 가진 항공기 구조물을 설계 하느냐

와 함께 높은 요구 성능을 가진 항공기를 어떠한

소재를 적용하여 구현 할 수 있느냐도 항공기 개발시

중요한 고려사항이다 적용된 소재에 따라 항공기의

수명기간 동안 성능의 구현뿐만 아니라 저렴한

생산 공정 적용 및 향후 용이한 검사수리유지

경제적환경 친화적 운용 등이 좌우되기 때문에

최적의 소재 선정은 그 중요성을 아무리 강조해도

지나치지가 않다 이러한 소재의 선정은 소재 자

체의 물성값 (material properties) 등에 크게 좌우

된다

Fig 21은 소재선정 절차를 도시한 것으로 설계요구

조건으로부터 소요 형상 및 특성 요구치 등의 제한

조건을 부여하여 이를 만족하고 또한 제조공정이

적합한 소재 후보군을 선택한다[4] 이 들 후보군

들에 대해 비용 및 경제적 효가 등을 고려하여

최종 선정을 하게 된다

Fig 22는 시장의 수요로부터 도출된 소재와 공정의

선정과 구체화를 거쳐 최종적으로 제품 규격서

(product specification)의 산출까지의 구현과정을

도시하고 있다[4]

한편 앞장에서 언급한 바와 같이 항공기의 각 부재별

하중 형상 특성으로부터 도출된 재료지수를 바탕

으로 각각의 요구 특성을 만족하는 소재를 선정

하기 위해서는 Fig 23과 같이 각 소재군을 x y축에

각각 1개씩 2개의 물성별로 버블형태로 포괄적으로

구성한 차트가 매우 요긴하게 활용될 수 있다

Fig 21 설계요구조건과 소재선정 과정 [4]

Fig 22 소재-공정 선정 단계와 제품 규격서 산출[4]

이때 각 물성치는 소재군 별로 차이가 매우 크므로

각 축의 물성은 상용로그 scale로 표시하여 작성

하는 것이 일반적이다 버블차트는 2가지 특성을

동시에 도시할 수 있고 이들 특성의 제한조건 (요구

조건)을 만족하는 소재 후보군을 쉽게 도시화 할 수

있다 이들 버블차트를 손쉽게 구현하기 위해서는

다양한 소재별로 물성값 데이터베이스를 폭넓게

확보하고 있어야 한다 이들 데이터베이스를 프로그램

화 하여 원하는 2가지 특성을 버블차트로 만들

수 있는 프로그램이 상용화되어 판매되고 있다

4장 Table 2에 제시한 바와 같이 강성제한 설계를

적용하여 판재의 무게를 최소화 하면서 굽힘 강성

의 최대값을 주는 소재를 선정하려면 우선 Fig

23과 같이 재료의 탄성계수와 밀도를 도시한 버블

차트를 이용하고 재료지수인 E⅓

ρ 가 최대가 되는

소재를 선정하여야 한다 이때 보통 재료지수에

제한조건 (constraint)이 상수 등으로 주어지므로

양변에 상용로그를 취하면 y축인 logE 와 x축인

logρ 사이에 기울기가 3인 직선이 형성된다

제한조건이 주어지는 경우 각 버블군과 만나는

소재들이 이 조건을 만족하는 것으로 소재후보가

선정되게 된다 이때 또 다른 제한조건이 주어지는

경우 점차 소재군의 폭이 좁아지고 최종 소재가

구체화되어 선정되게 된다 제한조건이 없이 시작한

경우 점선을 좌로 이동시켜가면서 만나는 소재군

이 좀 더 큰 재료지수를 가지므로 후보군에 가까

운 소재이다 한편 강성제한설계가 아니라 강도

- 13 -

제한설계로 요구되는 경우 재료지수는 동일 판재

의 경우 σYS12ρ가 되므로 σYS와 ρ를 도시한 버블

차트를 이용하여 위에 유사한 절차로 무게를 최

소화 하는 소재군을 선정할 수 있다 한편 Table

3과 같은 제한설계 방식에 따라 요구되는 재료지수

를 최대화 하는 소재를 찾고자 하는 경우에는

Fig 24 (균열이 없는 경우) 또는 Fig 25 (균열을

고려한 경우)와 같이 σYS-E 또는 KIC-E 버블차트가

요구되며 선정 과정은 앞의 경우와 동일하다

Fig 23 각 소재군별 탄성계수-밀도 버블 차트 [4]

Fig 24 탄성계수-항복강도 버블차트 [4]

일반 민간항공기와는 달리 초음속 비행이 가능한

전투기 또는 초음속 여객기 등의 개발시에는 초

음속으로 비행시 외부 동체 및 날개 등에 가해지

는 공기와의 마찰에 의한 높은 온도 상승을 재료

선정시 반드시 고려하여야 한다 Fig 26은 항공기

표면의 방사율 (emissivity)이 09인 항공기가 고공

23km 온도 -56degC인 대기권을 초음속 비행할 때

항공기 표면에서의 온도 분포 그림이다[10] 전체

표면 온도가 100 degC에 이를 만큼 뜨거운 상태임

을 알 수 있다 복합재료가 동체와 날개에 적용되는

경우 재료의 사용온도에서의 강도값을 소재선정 및

구조물의 설계에 반영하여야 한다 Fig 27은 이때

참조하여야 할 각종 소재의 최대 사용 온도 (max

service temp)에서의 강도값을 제시해 주고 있다[4]

Fig 25 파괴인성-탄성계수 버블차트 [4]

Fig 26 Skin heating across the airframe [10]

Fig 27 소재별 최고사용온도와 강도의 버블차트 [4]

- 14 -

최근에는 스텔스 기능 등을 가지는 항공기가 등장함에

따라 항공기의 구성 소재가 기존의 하중만을 단순

지지하는 구조물에서 최근에는 하중과 함께 전자파

흡수나 투과 또는 방열특성 등의 복합기능을 요구하는

기능성 구조물로의 설계요구가 늘어나고 있다 이러한

경우에는 재료의 강도뿐만 아니라 유전특성 등을 고려

하여 선정을 하여야 한다 지금까지 소재선정과 버블

차트이용을 주로 언급하였으나 필요시에는 Fig 28과

같이 여러 가지 특성을 비교할 수 있도록 표시하면

재료의 장단점을 잘 비교하여 소재의 선정에 도움이

될 수 있다[1]

Fig 28 Property envelopes for aluminium alloys [1]

6 항공기 구조용 소재의 개발동향

민간항공기 산업은 제품의 생산주기 (product life

cycle)상 성숙기에 다다른 산업으로 2008년도의 유가

급등에 따른 경제 위기이후 민간항공기 분야에서는

친환경적이고 고효율의 성능을 가진 항공기가 점차

요구되고 있다 최근의 새로운 항공기는 복합재료 기체

(composite airframe)의 적용으로 인한 항공기의 경량화

첨단 고효율 엔진 장착으로 인한 연비 극대화 및 첨단

전자시스템 (avionics)의 도입으로 인한 안전도 향상

공기역학적 최적설계로 항력 절감 등을 통해 기존의

항공기와 차별화 되고 있다 이러한 차별화된 항공기

기체를 제조하기 위해서는 고기능 특성을 가진 첨단

신소재의 개발이 무엇보다 요구되고 있다 최근 복합

재료가 항공기의 주구조물에 까지 적용되기 시작 하였

으나 새로운 소재에 대한 요구도는 점차 높아지고

있는 추세이다 나노기술의 성과 축적에 따라 최근에는

나노입자를 보강하거나 탄소나노튜브 자체를 길이방

향으로 성장시켜 장섬유로 기존의 복합재료와 같은

새로운 소재를 구성하려는 연구도 활발히 진행이 되고

있다 가까운 미래에 탄소-탄소 공유결합으로 강인한

특성을 지닌 탄소나노 섬유 (carbon nano fiber)로

이루어진 단일방향 프리프레그나 직물형 프리그레그

(prepreg)가 개발되는 경우 이들의 파급효과는 기존의

어떠한 구조재료보다 더 클 것으로 예상이 되고 있다

이들 초경량 소재를 적용하여 항공기를 설계하는 경우

기존의 항공기와는 다른 형상의 첨단 항공기가 등장

할 수 있을 것 판단된다 한편 기존의 금속 합금도

알루미늄 합금에서 벗어나 보다 넓은 범위의 Al-Li

합금의 적용이 활발해질 것으로 예측되고 있다 최근

에어버스사는 버튼하나로 외부의 경치를 360도 사방

으로 관람할 수 있는 첨단 신소재를 적용

(see-through 기술)한 자사의 미래형 민항기 (concept

airplane)를 발표하였다(Fig 29 참조)[2] 이와 같이

첨단 기능성 구조재료는 항공기의 기존 개념을 상상

할 수 없을 정도로 바꿀 수 있는 가능성을 제공하고

있음을 알 수 있다

Fig 29 Airbus사의 미래형 신개념 민간항공기[2]

최근에는 항공기 임무의 고도화와 첨단화에 따라

방열기능 복합재료 전자파 에너지 흡수 복합재료

전자기파 차폐용 복합재료 등의 기능성 특성을 지니

면서 초경량 구조용 소재로 활용될 수 있는 군사용

복합재료의 개발 필요성 크게 증대되고 있다 민간

- 15 -

항공기에도 스마트 구조물 구현을 위한 형상기억합금

(Shape Memory Alloy SMA) Piezo Actuator를

이용한 형상변형 (Morphing) 구조물 등이 최근 적용이

적극적으로 시도 되고 있다 (Fig 30 참조)[11] 이와

같이 공기역학적 성능형상을 구현하기 위한 형상

변경의 필요성은 기존 신소재와 복합재료의 하이브리드화

를 통해 새롭게 조명 받고 있다 한편 국내외적으로

스텔스 기능을 가지는 구조물이나 전자파를 흡수하

거나 선택적으로 통과 및 반사하는 레이돔과 같은

기능성 구조물에 대한 관심이 높아지고 있다 Fig

31은 Volvo사의 자회사인 스웨덴의 ACAB사의 레이돔

의 소재로서 주파수를 선택적으로 투과하는 표면을

갖도록 제작된 유리섬유 보강 복합재료의 표면 샘플

을 보여주고 있다 이와 같이 기존의 단순한 하중

을 전달하거나 지지하도록 제작되는 항공기 구조물

에서 벗어나 최근에는 센서 및 작동기와 같은 것을

내장하는 고부가가치의 지능형 항공기 구조물(smart

aircraft structures)이 점차 늘어나고 있는 추세이다

7 맺는 말

2004년 이후 2008년도 유가 급등기까지 전 세계

민간항공기 운항사의 80이상은 적자 상태에 있

었다고 분석되고 있다 이는 유가가 항공기 운용비

(operating cost)의 50 ~ 60를 차지하게 된 것에

기인하는 것으로 석유의 고갈이 점차 다가옴에 따라

항공기 제조사들은 항공기의 경량화를 통해 좀 더

효율적인 항공기를 개발하여 항공기 운항사에 공급

하려고 부단히 노력하고 있다

이와 같이 많은 이익을 줄 수 있는 항공기의 경량화

목표 실현은 바로 구조용 소재의 개발과 소재의

적절한 적용에 달려있다고 볼 수 있다 특히 날로

치열해지는 국제 경쟁 환경에서 자주국방 확립과 밀접

한 연관성이 있는 항공용 소재는 대부분의 경우가

선진국의 수출통제 (EL Export License) 대상의 규정

되어 있어 한국의 의욕적인 항공기의 개발에 많은

장애 요인 중의 하나로 자리 잡혀 있는 것이 현실

이다 최근 전 세계 항공 산업은 대형 민간항공기

의 경우 미국의 보잉과 유럽의 에어버스의 양대

기업으로 개편되어 시장을 놓고 치열한 경쟁이 이

루어지고 있다

Fig 30 (a) Chevron and (b) Aero-gurney with variable

geometry morphing function for B787

application[11]

Fig 31 스웨덴 ACAB (wwwacabcom)사의 FSS

(frequency selective surfaces) 레이돔용 소재

틈새시장인 중형기 (mid-sized aircraft)는 브라질의

Bombardier사가 시장의 35 ~40를 차지하고 있으며

여기에 중국 러시아 및 일본 등이 자국 항공기의

개발을 통해 신흥 항공기 제조국가로 발돋움 하려고

부단히 경쟁하고 있는 추세이다 최근 정부에서는

2010년 초에 항공 산업 발전 기본 계획

(2010~2019)을 수립 제시하면서 새로운 미래의 도약

산업으로서 항공 산업의 발전을 도모하고 있다

하지만 역사적으로 소재공정 (material processing)

기술을 자체 확보하지 못한 국가가 항공 산업에서

우위를 차지한 적이 없는 만큼 한국이 틈새시장에

서나마 안정적인 시장을 확보하려면 항공 관련 소재

산업이 뒷받침 해주어야 한다고 판단된다 단기적

으로는 경량화의 꽃인 경쟁력 있는 탄소섬유의 개발이

무엇보다 강력하게 요구되고 있으며 보다 중기적

- 16 -

으로는 나노소재기술의 개발 및 상용화 장기적으로는

니켈합금 보다 가볍고 우수한 고온용 소재 Al-Li

합금 고분자복합재료보다 우수한 소재 등의 신소재

개발이 한국의 항공 산업을 든든하게 받혀 줄 수

있는 저력이 될 것이라고 판단된다

본 기고문은 한국항공우주산업진흥협회가 주관하는

2010년 항공우주부품기술개발사업 정책지정과제

lsquo중형항공기 핵심기술개발 선행연구lsquo의 지원을 받아

작성되었습니다

참고문헌

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Publishing 2001

[2] Airbus 홍보자료

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Furness Selection and Use of Eng Matls

3rd Edition Oxford 1997

[11] Boeing 홍보자료

- 3 -

를 보여주고 있다 항공기의 원가를 구성하는 한

요소인 소재는 민항기의 경우 초기 구매비용 중에

약 10~15를 차지하고 있음을 알 수 있다[1]

Fig 3 Breakdown of aircraft costs for civil

aircraft [1]

한편 민간항공기(Airbus사 기종) 및 기타 군용기의

시기별 항공기 구조 재료의 무게 구성비는 Fig 4

에서 알 수 있다 [1 2] 민간항공기에서는 2000년대

말에 이르러 탄소섬유 복합재료(CFC Carbon

Fiber Composites)의 적용비율이 급격히 증가하여

A350기의 경우 2000년대 이전의 군용기보다 더 많은

복합재료를 적용하고 있음을 판단 할 수 있다

Fig 4 민항기(Airbus) 와 군용기 구조 재료의

적용비율 [12]

그리고 Fig 5는 항공산업 분야에서 소요되는 소재

소요량을 분석한 그림으로 생산업체는 2008년 당시

약 507M kg이 구매되어 이중 항공기에 직접 사용된

소재는 약 20인 102M Kg이 사용되었다[3] 항공기

에 소요된 소재의 약 20 정도가 복합재료로서

208M Kg이 소요되어 전체 구입량 중 약 4만이

사용되었음을 유추할 수 있다

Fig 5 항공우주산업에서의 소재 사용량(2008년)

한편 항공기에 사용된 복합재료 중 탄소섬유 강화

복합재료(CFRP Carbon Fiber Reinforced Plastic)가

37 유리섬유강화 복합재료(GFRP Glass Fiber

Reinforced Plastic)가 35 나머지 28가 기타

복합재료임을 Fig 6에서 알 수 있다[3] 최근

B787과 같은 항공기의 등장 이후에 출시되는 민간

항공기는 보다 높은 경량화로 인한 효율 증대를

달성하기 위해서 현재 보다 많은 양 (w)의 탄소

섬유 복합재료가 적용될 것으로 예상되고 있다

Fig 6 항공우주산업의 복합재료 소요량 및 비율[3]

다양한 용도로 생산된 탄소섬유가 어떤 분야에 적용

되어 사용되는지는 Fig 7이 잘 보여 주고 있다

[3] 2007년도 생산된 43M kg의 탄소섬유에서 약

21인 9M kg이 항공우주분야에 사용되어 타 산

- 4 -

업분야 보다 제일 많은 양이 소모된 산업분야가

항공우주 산업임을 알 수 있다

Fig 7 산업별 탄소섬유 소비 w (2007년)[3]

이는 어느 타 산업보다 경량화로 인한 부가가치가

높은 산업이 항공우주산업 제품이기 때문에 탄소

섬유가 요구 하중을 견디면서 경량화를 잘 충족

시킬 수 있기 때문으로 판단된다

2 항공기 구조용 소재의 발전사

1900년 초 인류최초의 동력 비행기가 출현한 이후로

항공기 개발자들의 공통된 관심 중의 하나는 어떠한

소재를 적용하여 항공기를 중력으로부터 좀 더 자유롭게

하여 보다 빠르게 높게 안전하게 날수 있게 하나라는

문제에 있었을 것이다 항공기개발 초창기의 나무

소재에서 현재의 첨단 복합재료 소재까지 적용되어

그 성능이 비약적으로 향상된 비행기의 발전사는 곧

소재의 발전사와 상통하여 서로 개발을 촉진하여 왔

다고 볼 수 있다 Fig 8은 비행에 대한 이론적 체계가

발전하기 시작한 1800년대 초부터 현재까지 출현한

소재들을 시기별로 나열한 것이다[4] 1903년 라이트

형제의 최초의 동력 비행기에 알루미늄 구조 부품이

일부 사용되고 1919년 동체의 스킨만으로 하중을

견디도록 제작된 최초의 전금속 모노코크

(monocoque 응력 외피 구조) 항공기인 독일의

F-13에 알루미늄 합금이 적용되었다 이후 항공기

구조용 주소재로 다양한 종류의 알루미늄 합금이

개발되어 왔으며 1990년대 말에는 복합재료에 버금

가는 경량화 특성이 우수한 알루미늄-리튬 신소재가

출현하고 있다 이들 알루미늄 합금류의 등장 시기

등을 일부 복합재료 등장 시기와 함께 Fig 9에 도시

하였다 복합재료는 기존의 금속 재료에 비해 비강도

비강성 손상허용특성 및 내피로 특성이 우수하고

다양한 기능적 특성으로 인해 경량화와 기능성 특성이

중요한 항공 및 우주분야 구조물에 우선적으로 적용

되어 왔다

Fig 8 재료의 시대별 등장 시기 [4]

Fig 9 알루미늄 합금 및 기타 복합재료 등장 연대기

- 5 -

3 항공기 구조용 소재

앞에서 언급한 바와 같이 항공기의 등장과 함께

항공기의 발전은 항공기 구조용 신소재의 등장과

함께 빠르게 발전하여 왔다 항공기 구조용 소재를

구성하는 기본 소재군 으로는 Fig 10에서 도시한

바와 같이 금속 세라믹 고분자(polymers) 탄성

체고무(elastomers) 및 유리(glasses) 등을 열거할

수 있으며 이들 각각의 소재와 센서등과 융합되어

나타난 (스마트) 하이브리드 소재 등이 항공기 구조용

소재로 활발히 적용되어 왔다 최근에는 센서

작동기가 내장된 구조물이 등장하기 시작하여 항공기

의 성능이 크게 향상되고 있다 본 장에서는 무수히

많은 항공기 구조물에 적용된 소재에 대해 설명

하기 보다는 항공기의 기체용으로 지금까지 상당한

부분을 차지했던 금속 합금과 기체 구조물 중량의

50이상을 복합재료를 적용한 B787의 등장이후

대형 민간항공기의 주 구성 재료로 인식되는 복

합재료에 대해 간략히 살펴보고자 한다

Fig 10 Engineering materials

금속합금 (metal alloys)

bull 알루미늄 (Aluminum alloys)

알루미늄합금은 80여년에 걸쳐서 항공기 동체 등의

구조용 소재의 하나로 사용되어 왔으며 최근까지

항공기 구조물의 주재료로서 B787과 같은 복합재료

항공기가 등장하기전까지는 전체 항공기 구조물

무게의 70 ~75를 차지하고 있는 금속재료이다

대표적인 것으로는 구리 (Cu Copper)를 합금 첨가

주재료로 사용하는 2xxx계열과 아연 (Zn Zinc)을

주재료로 사용하는 7xxxx계열이 대표적이다 알루

미늄 합금의 제조 방식에 따라 주물 합금 (cast

alloys) 비열처리 단조합금 (non-heat treatable

wrought alloys) 열처리 단조합금 (heat treatable

wrought alloys)등으로 분류 될 수 있으며 각각의

특성은 다음과 같다

bull 주물합금

- 낮은 강도

- 주물로 제작이 용이한 복잡한 형상에 제한

- 구리와 실리콘 등이 합금 첨가재로 사용

bull 비열처리 단조합금

- 상대적으로 낮은 강도

- 성형성과 용접 특성이 양호

- 낙하용 탱크 (drop tank) 도관 (duct) 유선형

덮개 (fairing) 등에 적용

- 마그네슘이 주 합금 첨가제

bull 열처리 단조합금

- 항공기 기체의 주재료

- 4까지 구리를 첨가한 것은 중간 정도의 강도

를 갖는 구조물에 적용

- 5~6의 아연을 첨가한 것은 큰 응력이 작용

하는 부품에 적용

알루미늄 합금은 합금 조성 및 물성특성 별로

Fig 11과 같이 체계적으로 번호로 분류하여 제시

되고 있으며[4] 같은 번호계열 (sub class) 합금이라

하여도 제조시의 열처리 방법에 따라 Fig 12와

같이 다시 세부적으로 분류하고 있다[5] 특히 소재

선정시 요구 물성 및 조건에 열처리번호를 염두에

두고 선정에 유의 하여야 한다

Fig 11 알루미늄 합금 표시법 [4]

- 6 -

Fig 12 항공기 적용 알루미늄 합금계열의

열처리에 따른 분류 [5]

Fig 13은 항공기에 사용된 알루미늄 합금의 종류

를 항공기 부위 별로 사례를 들어 소개한 그림이다

[5] 이와 같이 항공기 부위별로 하중조건이 달라

지고 피로특성도 다르므로 이에 대한 소재 선정

요구조건도 달라지므로 이에 대한 설명은 다음

절에서 상세히 다루도록 한다

Fig 13 민간항공기 주요 부위에 적용된 알루미늄

합금 종류 적용 사례 [5]

Fig 14는 항공기에 적용된 금속 합금 (주로 알루미늄

합금)의 항공기 부위별 첫 적용 시기와 항복강도

를 표시해 주고 있다 최근에도 최신 항공기의 특정

부품에 첫 적용되는 알루미늄 합금이 다수 있음

을 알 수 있다

Fig 14 항공기에 첫 적용된 항공용 금속 합금의적용시기와 항복강도 [6]

bull 알루미늄-리튬 합금 (Al-Li alloys)

Li (리튬)은 금속 중 가장 가벼운 소재로서 1980

년대 중반 Al-Li합금이 개발된 후에 고분자 복합

재료의 적용으로 급속히 대체되던 알루미늄 합금을

이어 항공기용 구조용 금속 합금 소재로서 2000

년대 들어 새로이 부각되고 있는 소재이다 Li

1를 기존의 알루미늄 합금에 적용하면 합금의

밀도는 약 3 감소되고 강성은 6 증가하는 것

으로 알려져 있다 Li은 기존 금속에 비해 밀도가

7-10 작은 반면에 강성은 10--15 정도 높고 우수한

내피로 및 극저온에서의 우수한 인성 특성을 가져

항공기용 구조용 소재로의 적용이 증가하고 있다

이는 기존의 알루미늄 합금에 비해 Al-Li합금은

피로 균열성장에 대한 저항특성 우수하고 또한

항공기의 무게 절감 효과가 상당히 크기 때문에

최근의 항공기의 효율 향상과 연료를 절감하기

위한 항공업계의 엄청난 노력과 부합되기 때문으로

판단된다 또한 일부 부분에서는 기존의 복합재료

적용시보다 Al-Li합금 적용의 경우 공정상 별도의

큰 투자가 요구되지 않기 때문에 비용이 절감되는

것으로 분석되어 일부 복합재료 부분을 대체하는

경우도 있다 Al-Li 합금이 적용되는 항공기 부품

으로는 앞전(leading edges) 및 뒷전 (trailing

edges) 시트 트랙 (seat track) 날개 외피 (wing

skin) 접근 커버 (access cover)등이 있다 군용기

의 부품으로는 주익 박스 (main wing box) 중앙

동체 조종면(control surfaces)등에 적용되고 있으며

기타 헬리콥터 로켓 및 위성체에서는 기존의 알루

- 7 -

미늄 부품의 대체재로 적용이 되고 있다 특히 Al-Li

합금은 극저온에서의 인성이 뛰어나 우주용 발사체

추진부의 액체산소탱크 수소연료탱크 등의 극저온

탱크 (cryogenic tankage)에의 적용이 늘어나고 있

다 현재 사용으로 판매되는 제품으로는 Weldalite

049 Alloy2090 2091 8090 등이 있으며 기존의 고

강도 알루미늄 합금에 비해 가격은 2-4배 비싼 편이

다 최근에는 복합재료 소재에 밀려 사용량이 줄어

드는 기존의 알루미늄 합금대신 부식에 매우 강하고

손상허용 특성이 향상된 2x99 및 7x5x Al-Li 합금

(ALCOA사)이 항공기의 경량화를 위한 소재로 적용

이 늘고 있다

bull 티타늄 합금 (Titanium alloys)

티타늄 합금은 강철 등에 비해 낮은 밀도를 가지면

서 높은 용융점 낮은 열팽창계수 우수한 내열 특성

및 고온에서의 비강도가 우수하고 내식성 (corrosion

resistance) 내산화성 (oxidation resistance)도 탁월

하다 미국의 초고속 첩보기 SR-71 구조물의 주소재

로서 85 wt (복합재료는 15 wt) 사용된 티타늄

합금은 항공기 및 미사일 등의 성능이 급속히 높아짐

에 따라 항공기용 구조용 내열 소재로 적용 범위가

넓어지고 있다 하지만 단점으로는 가격이 비싸고

제조공정이 상대적으로 어렵고 149~315 온도

범위에서 creep 변형이 발생할 수 있다 저온에서 액체

기체 산소와 접촉하면 심한 반응이 유발되고 표면

변화가 발생하므로 유의 하여야 한다 또한 메탄올

과 질소4산화물 (Nitrogen tetroxide)과 접촉시 응력

부식 균열 (stress corrosion crack)이 230~260의

온도 범위에서 소금에 의해 응력 부식이 발생할 수

있다 전자기 차폐 (electrical and magnetic

screening) 특성도 합금강에 비해 낮은 편이다 대표적

인 합금으로는 Ti-6Al-4V 이 있으며 입증 강도(proof

strength) 는 약 106 kgmm2 비강도는 24kgmm

2

이다 항공기에 적용시 -200~ 500 온도 범위에서

사용되고 있다 판 형태 (sheet form) 제품은 방화벽

(fire wall) 엔진 베이 도어 (engine bay door) 제트

파이프 덮개 (jet pipe shrouds)의 소재로 사용되며

단조품(forgings)이나 막대(bar)형은 항공용 가스터빈

압축기의 디스크 및 블레이드용 소재로 사용되고

있다

bull 마그네슘 합금 (Magnesium alloys)

마그네슘 합금은 항공기에 사용되는 금속 재료 중

비중(specific gravity)이 가장 작은 금속으로 알루

미늄 합금의 비중이 25~28 인 것에 비해 비중이

약 18 정도이다 강도는 알루미늄 합금에 비해 낮은

편이다 마그네슘이 산화성이 높아 주조시 급격한

반응에 의한 폭발 위험성이 내재되어 활발히 적용

되지 못하였으나 최근 국내에서도 신 주조 공정기술

이 개발되어 항공 및 자동차 부품의 경량화에 대한

관심이 높아짐에 따라 그적용이 활발히 모색되고

있다 하지만 마그네슘 합금의 부식성도 높아 부식

을 방지하기 위한 표면처리가 요구되는 단점이 있

다

bull 합금강 (Steel alloys)

강철은 강도가 매우 우수하고 가격이 저렴하며 내

마모성 및 전자기 차폐 특성도 우수한 반면에 무게

가 무거워 비강도는 매우 작은 편이기 때문에 특히

항공기의 부품중 강도가 크게 요구되는 부위에 사용

되고 있다 대표적인 합금강으로서 HY-180

(10Ni-Cr-Mo-Co)합금강은 매우 큰 파괴인성을 갖고

있어 피로 및 파괴에 취약한 부품인 수평꼬리 부착

피팅 (horizontal tail attach fitting)과 엔진 마운트

피팅에 적용되고 있다 PH12-8Mo 합금강은 항공기의

일반적인 pin lock 피팅류에 적용되는 소재이다

bull 니켈합금강 (Nickel alloys)

니켈 합금강은 고온에서도 매우 높은 강도를 유지하

므로 항공기의 엔진 부품으로 많이 사용되나 매우 무겁고

가공이 어려운 단점이 있다 향후에는 좀 더 가벼운

고온용 합금강의 개발이 시급히 요구 되고 있다

복합재료 (Composite materials)

복합재료는 2개 이상의 소재를 사용하여 각각의 소재

의 장점을 살려 새로운 특성을 갖도록 인위적으로

만든 소재를 의미한다 주로 힘을 전달하는 섬유

(fiber)와 섬유를 보호하고 모양을 유지하는 기지

(matrix)로 구성되는 것이 일반적이다 이밖에 섬유를

보호하는 재료와 기타 첨가재 등도 사용되나 복합재료라

하면 섬유와 기지를 총칭하는 게 일반적이다 항공기의

구조용 소재로는 유리섬유 케블라 탄소섬유 등등의다양한

- 8 -

보강용 섬유와열가소성(thermoplastic) 열경화성 (thermosetting)

고분자 수지가 일반적으로 많이 사용되고 있다 보잉

787에 적용된 복합재료로서 전체 구조물 무게의 약

43 (무게로는 35 톤)가 사용된 탄소섬유에폭시 복합

재료가 향후에도 대표적인 대형 항공기의 구조용 소재로

예상되므로 주로 탄소섬유 복합재료에 대해 기술하고자

한다 탄소섬유도 원천소재에 따라 PAN 및 Pitch 기반

탄소섬유로 분류 된다 전자는 원사인 Polyacrylonitrile을

고온로에서 태워 다양한 열처리 공정을 거쳐 생산되며

강도가 우수하고 가격이 상대적으로 저렴하여 항공기

구조용 소재로 많이 사용되고 있는 섬유이다 반면에

후자는 석유정제후의 부산물인 피치 (pitch)를 실

(filament)로 뽑아 이를 PAN과 유사한 공정을 거쳐

만들어지며 구리나 은 등의 금속소재와 대등할 정도로

열전도 특성이 매우 크고 강성이 우수하여 특히 우주용

구조물 소재로 사용되고 있고 값도 일반적으로 고가이다

탄소섬유도 추가 열처리 여부에 따라 Carbon섬유와

그래파이트(Graphite)섬유로 분류될 수 있으며 후자가

추가 열처리되어 일반적으로 물성이 더 우수하고 고가

이다 또한 동일 기반 탄소섬유라 하더라도 물성 등급

및 가격에 따라 시장 구조가 Fig 15와 같이 분류될 수

있다[7] 고급용 (high-end usage) 탄소섬유는 고강도

고강성 섬유로서 섬유직경이 작고 주로 항공기 구조용

소재로 사용되며 당연히 고가이다 중급 및 저급 탄소

섬유는 비항공기 시장인 스포츠 및 기타 산업용 소재로

사용되어 상대적으로 저가이다 참조로 B787에는 탄소

섬유가 무게로 약 23톤이 사용되고 있다 Fig 16은 강성

의 크기에 따라 인장강성 (tensile modulus)를 고중저(high

intermediatestandard)의 단계로 구분한 그림이다[7] 항

공기 부재의 강성 요구도에 따라 시장에서 소재를 적절히

선택할 때 유용하다 탄소섬유를 항공기의 구조물에

적용하는 경우 구조물의 손상여부가 항공기의 생존성

여부에 중요한 영향을 미치는 정도에 따라 구조물을 1차

및 2차 구조물 (또는 주 및 부구조물)로 분류할 수 있다

Fig 17은 주 및 부구조물과 우주용 구조물에 적용되는

탄소섬유의 강성 및 강도 범위를 버블로 표시한 것으로

이 또한 관련 구조물의 소재 선정시에 유용하게 활용

될 수 있다[7] 복합재료 항공기의 대표적 주구조물인

날개나 동체의 경우 적용되는 탄소섬유는 인장강도의

범위가 약 50~ 70 GPa 강성의 범위가 약 300~400

GPa이 되는 소재를 염두에 두고 선정할 수 있겠다

(a) (b)

Fig 15 PAN기반 탄소섬유의 (a) 등급 및 (b)

적용에 따른 시장구조 [7]

Fig 16 탄소섬유의 단계별 인장 강성 구분 [7]

Fig 17 항공기용 주부구조물 및 우주용

탄소섬유의 인장 강성-강도 버블 차트 분포 [7]

Fig 18은 보잉사의 복합재료 항공기인 B787의 주

소재로서 탄소섬유 (T800급)를 독점 공급하고 있

- 9 -

는 Toray에서 생산되는 PAN기반 탄소섬유의 인장

강도 및 인장강성의 버블 분포도이다[7] 현재 시장

점유율 40 여로 세계최대 항공 산업용 탄소섬유

공급업체인 Toray사가 생산하는 탄소섬유 중

T700 T800 T1000 등이 항공기용 주구조물에 적합

하고 T300 T400은 부구조물 M55J M60J M65J

등은 고강성이 요구되는 우주용 구조물 소재로

적합한 탄소섬유 소재이다 Toray의 제품명중 T

는 강도를 M은 강성을 의미한다

Fig 18 Toray(일본)의 PAN기반 탄소섬유의 인장

강성-인장강도 버블 차트 [7]

이 밖에 금속 합금과 복합재료를 장점을 갖도록 만든

섬유금속 적층판 (Fiber Metal Laminates) 등의 하이

브리드 소재가 항공기의 신소재로서 활용되고 있다

4 항공기 구조용 소재의 요구조건과 재료지수

항공기의 구조용 소재는 항공기의 각 부위가 받는

하중의 특성 및 요구 기능 및 성능에 따라 차별화된

소재가 사용되는 것은 당연하다 항공기의 구조물에 작용

하는 정적동적 하중과 장기간에 걸쳐 작용하는 피로

하중 (fatigue loads) 및 환경 조건(environmental

conditions) 등이 소재 선정에 있어서 신중히 고려되

어야 한다 Fig 19는 소재의 기본 특성인 강성과 강도

파괴인성 (또는 인성) 및 무게와의 항공기의 기본거

동의 연관성을 잘 도시해 주고 있다[4]

Fig 19 항공기와 소재 특성 비교 [4]]

항공기의 구조적 성능을 좌우하는 구조물의 소재는

우선적으로 항공기의 안전 (safety)를 다음으로는

성능을 보장해주어야 한다 강인한 소재를 사용함

으로써 항공기의 구조적 안전도를 높일 수 있으나

소재 자체의 무게가 무겁거나 과도 설계되는 경우

에는 항공기의 성능이 저하될 수 있으므로 항공기

제작사들은 가급적 강인하면서도 가벼운 소재에

많은 관심을 갖고 가급적 설계하중을 견디면서

무게를 최소화하려고 여러 가지 설계기법을 함께

개발하고 있다

항공기의 구조용 소재로서 일반적으로 갖추어야

할 조건 등을 일부 열거하면 다음과 같다

Choosing materials-desirable properties

bull 높은 비강도 및 비강성

bull 일관성 있고 예측 가능한 물성값

bull 부품에서의 균일성 및 방향에 따른 균질성

bull 높은 내식성

bull 난연성 및 내인화성 생산사용수리중의 안전성

bull 적당한 가격

- 10 -

bull 내피로 특성 높은 인성(toughness GIC)

bull 사용 온도구간에서의 적절한 요구강도

Fig 20은 항공기의 부위별 하중 특성에 따라 해당

소재가 만족하여야할 기계적 특성을 나열 도시한

것이다[8] 하중의 종류로는 인장 압축 굽힘 비

틀림 피로 환경하중 등 다양한 종류가 항공기

각 부위 및 부재에 작용할 수 있으며 대표적인

하중 및 작동모드에 따라 해당하는 부품의 소재를

선정할 필요가 있다 여기서 각 부위별로 요구되는

기계적 물성 또는 요구특성은 다음과 같은 종류

가 있다

FAT 내피로성 (fatigue resistance)

FCG 피로균열 성장 (Fatigue Crack Growth)

dadN 피로균열성장률 (fatigue crack growth rate)

σFS 피로강도 (fatigue strength)

COR 내부식성 (corrosion resistance)

KIC 파괴인성 (Fracture toughness)

KISCC 응력부식파괴 (stress corrosion

cracking fracture)

E 강성 (modulus)

σTS 인장강도(Tensile strength)

σYC 압축 항복 강도 (Compressive yield

strength)

σYT 인장 항복 강도(Tensile yield strength)

τSS 전단 강도 (shear strength)

Fig 20에서 항공기를 구성하는 각 부재별로 나열된

요구 물성 특성 순서는 우선적으로 고려해야 할

특성을 중요 순으로 배열한 것이며 ( )안은 설계

에는 반영하여야 하나 중요도는 상대적으로 떨어

지는 것을 의미한다 항공기의 핵심 부재별 고려

해야할 물성 또는 기계적 특성을 Table 1에 정리

하였다 [4 9]

항공기의 비행시 각 부재에 작용하는 대표 하중이

제시되면 각 부재를 구성하는 연결봉재 판재 또는

보(beam) 등의 기본 형상에 따라 무게 (또는 비용)를

최소화 하면서 강성 또는 강도 등을 유지 할 수

있는 재료지수 (material index)를 Table 2에 제시

한 바와 같이 계산으로 추출할 수 있다[4]

Fig 20 Critical requirements of airframe

components [8]

Table 1 Critical requirements of airframe

components

항공기주요

부재명

대표작용하중

비고(고려할 물성특성 순서)

날개상단(wingupper)

굽힘에의한 압축

비행시 굽힘에 의한 판재의압축 무게최소화(E

⅓ρ σYCρ KISCC )

날개하단(winglower)

굽힘에의한 인장

비행시 굽힘에 의한 판재의인장 (Eρ σYSρ KISCCCOR σFS dadN)

동체(fuselage)

인장압축굽힘비틀림내부압력

대표하중은판재의 인장무게최소화(E⅓

ρ σYSρ COR σFS dadN)

보강재(sparribs)

굽힘 좌굴

외피를 내부에서 보강 하중분산 역할 굽힘 하중을 받아날개하중 조건과 유사(Eρ σYSρ KISCC σFS dadN)

착륙기어(landing

gear)

정적하중피로하중

무게는 중요하지 않음 내피로파괴특성내응력부식특성 요구(E σYS dadN KIC KISCC)

조종면(controlsurfaces)

경하중경하중 부재는 강도보다 강성우선 고려

외피재(skin

material)환경하중

환경노출에 의한 내부식 특성초음속 항공기의 경우 내열특성 요구

날개의 상단부를 구성하는 판재가 굽힘에 의해

압축을 받는 경우 강성을 유지 (강성제한설계

stiffness-limited design)하면서 무게를 최소화 시키기

위해서는 물질지수 E⅓

ρ를 가급적 최대화 할 수

있는 재료를 선정하여야 한다 또한 이 판재는 소성

의 발생 없이 어느 정도 외부 인장 하중을 견디는

- 11 -

Table 2 작용하중과 부재형상에따른고려해야할 재료지수

기본형상

연결 봉재

(Tie-rod)

판재

(Panel)

보

(Beam)

작용하중 인장 굽힘 굽힘

모양

(shape)

강성제한설계

무게최소화Eρ E⅓ρ E

12ρ

강도제한설계

무게최소화σYSρ σYS

12ρ σYS

23ρ

강도제한설계

재료비용

최소화

σYSCmρ σYS12

Cmρ σYS23

Cmρ

Cm 단위 무게당 재료비용

강도를 유지 하면서 무게를 최소화 하여야 하는

경우에는 재료지수가 σYSρ (단순 인장시) 또는 σ

YS12

ρ (판재의 굽힘에 의한 인장시) 가 최대가 되는

소재를 차선으로 선정할 필요가 있다 한편 Table 3

에 제시한 바와 같이 항공기 부품 등에 따라 하중이

제한되는 조건에 의한 설계 (load limited

design) 또는 스프링이나 플라이휠 등과 같이

에너지를 최대한 저장해야하는 부재와 같이 에너지

가 제한되는 설계(energy limited design) 및 탄성

힌지 (elastic hinge)와 같이 변위를 제한하는 설계 등

설계적용 방식이 다른 경우가 있다[4] 일례로서

탄성힌지와 같이 작용 하중은 작으나 탄성힌지로서

최대변형률을 가지며 작은 곡률반경을 가질 정도로

굽힘 특성이 우수 하고 재료 내에 소성 및 균열이

발생하지 않으려면 재료지수 σYSE가 최대값을 갖는

재료를 후보군으로 먼저 선정하여야 한다 파괴

인성 (fracture toughness KIC)은 재료 내에 균열이

발생하여 성장하는 경우 재료의 크기와는 상관없이

Mode I 균열선단에서 균열성장에 저항하는 정도를

나타내는 재료 물성치 (material property)이다

한편 균열의 성장은 재료 내에 축적된 탄성에너지

가 새로운 균열면을 만드는데 소요되는 에너지로

방출(release) 되는 일종의 비가역 에너지 변환에

의하여 진행된다고 생각 할 수 있다 이때 KIC 뿐만

아니라 재료의 탄성 계수와 함께 연관된 물성 임계값

은 인성 (toughness mode I critical strain energy

Table 3 설계형태와 균열의 가정 유무에 따른 재료 지수

Designtype

부재예 요구항목

Materialindex

Nocrack

Fracturesafe

하중제한설계 wing-spar

최대하중

까지

파괴되지

않음

σYS

최대화

KIC

최대화

에너지제한설계

스프링

flywheel

turbine

containment

system

최대탄성

에너지

저장까지

파괴되지

않음

σYS2E

최대화

KIC2E

(asympGc)

최대화

변위제한설계

elastic

hinge

커플링

큰변형률

유지

σYSE

최대화

KICE

최대화

release rate Jm2 ) 으로 정의되어 다음과 같이

표현된다

GIC = KIC2E (1)

즉 mode I 하중이 균열선단에 작용하고 단위면적

당 에너지 GIC (Jm2 )가 균열면 생성에 공급되면

균열이 성장하는 개념으로 생각 할 수 있다 재료

의 인성은 KIC가 증가하면 증가하고 E가 커지면

(즉 취성이 증가하면) 감소함을 알 수 있다

재료의 강도 (strength)는 소성 흐름 (plastic flow)에

저항하는 정도를 표시하는 재료상수 로서 강도가

크면 일반적으로 σYS가 크고 소성역 (plastic

zone)이 상대적으로 작아져서 취성이 증가하게 된다

즉 crack 선단에서의 소성역에서의 에너지흡수가

저하되어 재료의 인성 (toughness)은 일반적으로

감소하게 된다

단조합금(wrought alloy)의 경우 강도가 증가함에

따라 인성이 약간 저하되는 경향이 있으며 주조

합금(cast alloys)의 경우에는 인성이 더 크게 저하

된다 이는 inter granular boundary failure에 의한

취성의 증가 때문으로 판단된다 주조합금은 용융

상태의 금속을 filtering하여 불순물을 제거하면

인성을 크게 증가시킬 수 있다

5 소재 선정

새로운 항공기의 개발시 어떻게 제작가능하고 높은

- 12 -

내구성과 성능을 가진 항공기 구조물을 설계 하느냐

와 함께 높은 요구 성능을 가진 항공기를 어떠한

소재를 적용하여 구현 할 수 있느냐도 항공기 개발시

중요한 고려사항이다 적용된 소재에 따라 항공기의

수명기간 동안 성능의 구현뿐만 아니라 저렴한

생산 공정 적용 및 향후 용이한 검사수리유지

경제적환경 친화적 운용 등이 좌우되기 때문에

최적의 소재 선정은 그 중요성을 아무리 강조해도

지나치지가 않다 이러한 소재의 선정은 소재 자

체의 물성값 (material properties) 등에 크게 좌우

된다

Fig 21은 소재선정 절차를 도시한 것으로 설계요구

조건으로부터 소요 형상 및 특성 요구치 등의 제한

조건을 부여하여 이를 만족하고 또한 제조공정이

적합한 소재 후보군을 선택한다[4] 이 들 후보군

들에 대해 비용 및 경제적 효가 등을 고려하여

최종 선정을 하게 된다

Fig 22는 시장의 수요로부터 도출된 소재와 공정의

선정과 구체화를 거쳐 최종적으로 제품 규격서

(product specification)의 산출까지의 구현과정을

도시하고 있다[4]

한편 앞장에서 언급한 바와 같이 항공기의 각 부재별

하중 형상 특성으로부터 도출된 재료지수를 바탕

으로 각각의 요구 특성을 만족하는 소재를 선정

하기 위해서는 Fig 23과 같이 각 소재군을 x y축에

각각 1개씩 2개의 물성별로 버블형태로 포괄적으로

구성한 차트가 매우 요긴하게 활용될 수 있다

Fig 21 설계요구조건과 소재선정 과정 [4]

Fig 22 소재-공정 선정 단계와 제품 규격서 산출[4]

이때 각 물성치는 소재군 별로 차이가 매우 크므로

각 축의 물성은 상용로그 scale로 표시하여 작성

하는 것이 일반적이다 버블차트는 2가지 특성을

동시에 도시할 수 있고 이들 특성의 제한조건 (요구

조건)을 만족하는 소재 후보군을 쉽게 도시화 할 수

있다 이들 버블차트를 손쉽게 구현하기 위해서는

다양한 소재별로 물성값 데이터베이스를 폭넓게

확보하고 있어야 한다 이들 데이터베이스를 프로그램

화 하여 원하는 2가지 특성을 버블차트로 만들

수 있는 프로그램이 상용화되어 판매되고 있다

4장 Table 2에 제시한 바와 같이 강성제한 설계를

적용하여 판재의 무게를 최소화 하면서 굽힘 강성

의 최대값을 주는 소재를 선정하려면 우선 Fig

23과 같이 재료의 탄성계수와 밀도를 도시한 버블

차트를 이용하고 재료지수인 E⅓

ρ 가 최대가 되는

소재를 선정하여야 한다 이때 보통 재료지수에

제한조건 (constraint)이 상수 등으로 주어지므로

양변에 상용로그를 취하면 y축인 logE 와 x축인

logρ 사이에 기울기가 3인 직선이 형성된다

제한조건이 주어지는 경우 각 버블군과 만나는

소재들이 이 조건을 만족하는 것으로 소재후보가

선정되게 된다 이때 또 다른 제한조건이 주어지는

경우 점차 소재군의 폭이 좁아지고 최종 소재가

구체화되어 선정되게 된다 제한조건이 없이 시작한

경우 점선을 좌로 이동시켜가면서 만나는 소재군

이 좀 더 큰 재료지수를 가지므로 후보군에 가까

운 소재이다 한편 강성제한설계가 아니라 강도

- 13 -

제한설계로 요구되는 경우 재료지수는 동일 판재

의 경우 σYS12ρ가 되므로 σYS와 ρ를 도시한 버블

차트를 이용하여 위에 유사한 절차로 무게를 최

소화 하는 소재군을 선정할 수 있다 한편 Table

3과 같은 제한설계 방식에 따라 요구되는 재료지수

를 최대화 하는 소재를 찾고자 하는 경우에는

Fig 24 (균열이 없는 경우) 또는 Fig 25 (균열을

고려한 경우)와 같이 σYS-E 또는 KIC-E 버블차트가

요구되며 선정 과정은 앞의 경우와 동일하다

Fig 23 각 소재군별 탄성계수-밀도 버블 차트 [4]

Fig 24 탄성계수-항복강도 버블차트 [4]

일반 민간항공기와는 달리 초음속 비행이 가능한

전투기 또는 초음속 여객기 등의 개발시에는 초

음속으로 비행시 외부 동체 및 날개 등에 가해지

는 공기와의 마찰에 의한 높은 온도 상승을 재료

선정시 반드시 고려하여야 한다 Fig 26은 항공기

표면의 방사율 (emissivity)이 09인 항공기가 고공

23km 온도 -56degC인 대기권을 초음속 비행할 때

항공기 표면에서의 온도 분포 그림이다[10] 전체

표면 온도가 100 degC에 이를 만큼 뜨거운 상태임

을 알 수 있다 복합재료가 동체와 날개에 적용되는

경우 재료의 사용온도에서의 강도값을 소재선정 및

구조물의 설계에 반영하여야 한다 Fig 27은 이때

참조하여야 할 각종 소재의 최대 사용 온도 (max

service temp)에서의 강도값을 제시해 주고 있다[4]

Fig 25 파괴인성-탄성계수 버블차트 [4]

Fig 26 Skin heating across the airframe [10]

Fig 27 소재별 최고사용온도와 강도의 버블차트 [4]

- 14 -

최근에는 스텔스 기능 등을 가지는 항공기가 등장함에

따라 항공기의 구성 소재가 기존의 하중만을 단순

지지하는 구조물에서 최근에는 하중과 함께 전자파

흡수나 투과 또는 방열특성 등의 복합기능을 요구하는

기능성 구조물로의 설계요구가 늘어나고 있다 이러한

경우에는 재료의 강도뿐만 아니라 유전특성 등을 고려

하여 선정을 하여야 한다 지금까지 소재선정과 버블

차트이용을 주로 언급하였으나 필요시에는 Fig 28과

같이 여러 가지 특성을 비교할 수 있도록 표시하면

재료의 장단점을 잘 비교하여 소재의 선정에 도움이

될 수 있다[1]

Fig 28 Property envelopes for aluminium alloys [1]

6 항공기 구조용 소재의 개발동향

민간항공기 산업은 제품의 생산주기 (product life

cycle)상 성숙기에 다다른 산업으로 2008년도의 유가

급등에 따른 경제 위기이후 민간항공기 분야에서는

친환경적이고 고효율의 성능을 가진 항공기가 점차

요구되고 있다 최근의 새로운 항공기는 복합재료 기체

(composite airframe)의 적용으로 인한 항공기의 경량화

첨단 고효율 엔진 장착으로 인한 연비 극대화 및 첨단

전자시스템 (avionics)의 도입으로 인한 안전도 향상

공기역학적 최적설계로 항력 절감 등을 통해 기존의

항공기와 차별화 되고 있다 이러한 차별화된 항공기

기체를 제조하기 위해서는 고기능 특성을 가진 첨단

신소재의 개발이 무엇보다 요구되고 있다 최근 복합

재료가 항공기의 주구조물에 까지 적용되기 시작 하였

으나 새로운 소재에 대한 요구도는 점차 높아지고

있는 추세이다 나노기술의 성과 축적에 따라 최근에는

나노입자를 보강하거나 탄소나노튜브 자체를 길이방

향으로 성장시켜 장섬유로 기존의 복합재료와 같은

새로운 소재를 구성하려는 연구도 활발히 진행이 되고

있다 가까운 미래에 탄소-탄소 공유결합으로 강인한

특성을 지닌 탄소나노 섬유 (carbon nano fiber)로

이루어진 단일방향 프리프레그나 직물형 프리그레그

(prepreg)가 개발되는 경우 이들의 파급효과는 기존의

어떠한 구조재료보다 더 클 것으로 예상이 되고 있다

이들 초경량 소재를 적용하여 항공기를 설계하는 경우

기존의 항공기와는 다른 형상의 첨단 항공기가 등장

할 수 있을 것 판단된다 한편 기존의 금속 합금도

알루미늄 합금에서 벗어나 보다 넓은 범위의 Al-Li

합금의 적용이 활발해질 것으로 예측되고 있다 최근

에어버스사는 버튼하나로 외부의 경치를 360도 사방

으로 관람할 수 있는 첨단 신소재를 적용

(see-through 기술)한 자사의 미래형 민항기 (concept

airplane)를 발표하였다(Fig 29 참조)[2] 이와 같이

첨단 기능성 구조재료는 항공기의 기존 개념을 상상

할 수 없을 정도로 바꿀 수 있는 가능성을 제공하고

있음을 알 수 있다

Fig 29 Airbus사의 미래형 신개념 민간항공기[2]

최근에는 항공기 임무의 고도화와 첨단화에 따라

방열기능 복합재료 전자파 에너지 흡수 복합재료

전자기파 차폐용 복합재료 등의 기능성 특성을 지니

면서 초경량 구조용 소재로 활용될 수 있는 군사용

복합재료의 개발 필요성 크게 증대되고 있다 민간

- 15 -

항공기에도 스마트 구조물 구현을 위한 형상기억합금

(Shape Memory Alloy SMA) Piezo Actuator를

이용한 형상변형 (Morphing) 구조물 등이 최근 적용이

적극적으로 시도 되고 있다 (Fig 30 참조)[11] 이와

같이 공기역학적 성능형상을 구현하기 위한 형상

변경의 필요성은 기존 신소재와 복합재료의 하이브리드화

를 통해 새롭게 조명 받고 있다 한편 국내외적으로

스텔스 기능을 가지는 구조물이나 전자파를 흡수하

거나 선택적으로 통과 및 반사하는 레이돔과 같은

기능성 구조물에 대한 관심이 높아지고 있다 Fig

31은 Volvo사의 자회사인 스웨덴의 ACAB사의 레이돔

의 소재로서 주파수를 선택적으로 투과하는 표면을

갖도록 제작된 유리섬유 보강 복합재료의 표면 샘플

을 보여주고 있다 이와 같이 기존의 단순한 하중

을 전달하거나 지지하도록 제작되는 항공기 구조물

에서 벗어나 최근에는 센서 및 작동기와 같은 것을

내장하는 고부가가치의 지능형 항공기 구조물(smart

aircraft structures)이 점차 늘어나고 있는 추세이다

7 맺는 말

2004년 이후 2008년도 유가 급등기까지 전 세계

민간항공기 운항사의 80이상은 적자 상태에 있

었다고 분석되고 있다 이는 유가가 항공기 운용비

(operating cost)의 50 ~ 60를 차지하게 된 것에

기인하는 것으로 석유의 고갈이 점차 다가옴에 따라

항공기 제조사들은 항공기의 경량화를 통해 좀 더

효율적인 항공기를 개발하여 항공기 운항사에 공급

하려고 부단히 노력하고 있다

이와 같이 많은 이익을 줄 수 있는 항공기의 경량화

목표 실현은 바로 구조용 소재의 개발과 소재의

적절한 적용에 달려있다고 볼 수 있다 특히 날로

치열해지는 국제 경쟁 환경에서 자주국방 확립과 밀접

한 연관성이 있는 항공용 소재는 대부분의 경우가

선진국의 수출통제 (EL Export License) 대상의 규정

되어 있어 한국의 의욕적인 항공기의 개발에 많은

장애 요인 중의 하나로 자리 잡혀 있는 것이 현실

이다 최근 전 세계 항공 산업은 대형 민간항공기

의 경우 미국의 보잉과 유럽의 에어버스의 양대

기업으로 개편되어 시장을 놓고 치열한 경쟁이 이

루어지고 있다

Fig 30 (a) Chevron and (b) Aero-gurney with variable

geometry morphing function for B787

application[11]

Fig 31 스웨덴 ACAB (wwwacabcom)사의 FSS

(frequency selective surfaces) 레이돔용 소재

틈새시장인 중형기 (mid-sized aircraft)는 브라질의

Bombardier사가 시장의 35 ~40를 차지하고 있으며

여기에 중국 러시아 및 일본 등이 자국 항공기의

개발을 통해 신흥 항공기 제조국가로 발돋움 하려고

부단히 경쟁하고 있는 추세이다 최근 정부에서는

2010년 초에 항공 산업 발전 기본 계획

(2010~2019)을 수립 제시하면서 새로운 미래의 도약

산업으로서 항공 산업의 발전을 도모하고 있다

하지만 역사적으로 소재공정 (material processing)

기술을 자체 확보하지 못한 국가가 항공 산업에서

우위를 차지한 적이 없는 만큼 한국이 틈새시장에

서나마 안정적인 시장을 확보하려면 항공 관련 소재

산업이 뒷받침 해주어야 한다고 판단된다 단기적

으로는 경량화의 꽃인 경쟁력 있는 탄소섬유의 개발이

무엇보다 강력하게 요구되고 있으며 보다 중기적

- 16 -

으로는 나노소재기술의 개발 및 상용화 장기적으로는

니켈합금 보다 가볍고 우수한 고온용 소재 Al-Li

합금 고분자복합재료보다 우수한 소재 등의 신소재

개발이 한국의 항공 산업을 든든하게 받혀 줄 수

있는 저력이 될 것이라고 판단된다

본 기고문은 한국항공우주산업진흥협회가 주관하는

2010년 항공우주부품기술개발사업 정책지정과제

lsquo중형항공기 핵심기술개발 선행연구lsquo의 지원을 받아

작성되었습니다

참고문헌

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Publishing 2001

[2] Airbus 홍보자료

[3] Aerospace Industry Outlook - Implications

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Furness Selection and Use of Eng Matls

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[11] Boeing 홍보자료

- 4 -

업분야 보다 제일 많은 양이 소모된 산업분야가

항공우주 산업임을 알 수 있다

Fig 7 산업별 탄소섬유 소비 w (2007년)[3]

이는 어느 타 산업보다 경량화로 인한 부가가치가

높은 산업이 항공우주산업 제품이기 때문에 탄소

섬유가 요구 하중을 견디면서 경량화를 잘 충족

시킬 수 있기 때문으로 판단된다

2 항공기 구조용 소재의 발전사

1900년 초 인류최초의 동력 비행기가 출현한 이후로

항공기 개발자들의 공통된 관심 중의 하나는 어떠한

소재를 적용하여 항공기를 중력으로부터 좀 더 자유롭게

하여 보다 빠르게 높게 안전하게 날수 있게 하나라는

문제에 있었을 것이다 항공기개발 초창기의 나무

소재에서 현재의 첨단 복합재료 소재까지 적용되어

그 성능이 비약적으로 향상된 비행기의 발전사는 곧

소재의 발전사와 상통하여 서로 개발을 촉진하여 왔

다고 볼 수 있다 Fig 8은 비행에 대한 이론적 체계가

발전하기 시작한 1800년대 초부터 현재까지 출현한

소재들을 시기별로 나열한 것이다[4] 1903년 라이트

형제의 최초의 동력 비행기에 알루미늄 구조 부품이

일부 사용되고 1919년 동체의 스킨만으로 하중을

견디도록 제작된 최초의 전금속 모노코크

(monocoque 응력 외피 구조) 항공기인 독일의

F-13에 알루미늄 합금이 적용되었다 이후 항공기

구조용 주소재로 다양한 종류의 알루미늄 합금이

개발되어 왔으며 1990년대 말에는 복합재료에 버금

가는 경량화 특성이 우수한 알루미늄-리튬 신소재가

출현하고 있다 이들 알루미늄 합금류의 등장 시기

등을 일부 복합재료 등장 시기와 함께 Fig 9에 도시

하였다 복합재료는 기존의 금속 재료에 비해 비강도

비강성 손상허용특성 및 내피로 특성이 우수하고

다양한 기능적 특성으로 인해 경량화와 기능성 특성이

중요한 항공 및 우주분야 구조물에 우선적으로 적용

되어 왔다

Fig 8 재료의 시대별 등장 시기 [4]

Fig 9 알루미늄 합금 및 기타 복합재료 등장 연대기

- 5 -

3 항공기 구조용 소재

앞에서 언급한 바와 같이 항공기의 등장과 함께

항공기의 발전은 항공기 구조용 신소재의 등장과

함께 빠르게 발전하여 왔다 항공기 구조용 소재를

구성하는 기본 소재군 으로는 Fig 10에서 도시한

바와 같이 금속 세라믹 고분자(polymers) 탄성

체고무(elastomers) 및 유리(glasses) 등을 열거할

수 있으며 이들 각각의 소재와 센서등과 융합되어

나타난 (스마트) 하이브리드 소재 등이 항공기 구조용

소재로 활발히 적용되어 왔다 최근에는 센서

작동기가 내장된 구조물이 등장하기 시작하여 항공기

의 성능이 크게 향상되고 있다 본 장에서는 무수히

많은 항공기 구조물에 적용된 소재에 대해 설명

하기 보다는 항공기의 기체용으로 지금까지 상당한

부분을 차지했던 금속 합금과 기체 구조물 중량의

50이상을 복합재료를 적용한 B787의 등장이후

대형 민간항공기의 주 구성 재료로 인식되는 복

합재료에 대해 간략히 살펴보고자 한다

Fig 10 Engineering materials

금속합금 (metal alloys)

bull 알루미늄 (Aluminum alloys)

알루미늄합금은 80여년에 걸쳐서 항공기 동체 등의

구조용 소재의 하나로 사용되어 왔으며 최근까지

항공기 구조물의 주재료로서 B787과 같은 복합재료

항공기가 등장하기전까지는 전체 항공기 구조물

무게의 70 ~75를 차지하고 있는 금속재료이다

대표적인 것으로는 구리 (Cu Copper)를 합금 첨가

주재료로 사용하는 2xxx계열과 아연 (Zn Zinc)을

주재료로 사용하는 7xxxx계열이 대표적이다 알루

미늄 합금의 제조 방식에 따라 주물 합금 (cast

alloys) 비열처리 단조합금 (non-heat treatable

wrought alloys) 열처리 단조합금 (heat treatable

wrought alloys)등으로 분류 될 수 있으며 각각의

특성은 다음과 같다

bull 주물합금

- 낮은 강도

- 주물로 제작이 용이한 복잡한 형상에 제한

- 구리와 실리콘 등이 합금 첨가재로 사용

bull 비열처리 단조합금

- 상대적으로 낮은 강도

- 성형성과 용접 특성이 양호

- 낙하용 탱크 (drop tank) 도관 (duct) 유선형

덮개 (fairing) 등에 적용

- 마그네슘이 주 합금 첨가제

bull 열처리 단조합금

- 항공기 기체의 주재료

- 4까지 구리를 첨가한 것은 중간 정도의 강도

를 갖는 구조물에 적용

- 5~6의 아연을 첨가한 것은 큰 응력이 작용

하는 부품에 적용

알루미늄 합금은 합금 조성 및 물성특성 별로

Fig 11과 같이 체계적으로 번호로 분류하여 제시

되고 있으며[4] 같은 번호계열 (sub class) 합금이라

하여도 제조시의 열처리 방법에 따라 Fig 12와

같이 다시 세부적으로 분류하고 있다[5] 특히 소재

선정시 요구 물성 및 조건에 열처리번호를 염두에

두고 선정에 유의 하여야 한다

Fig 11 알루미늄 합금 표시법 [4]

- 6 -

Fig 12 항공기 적용 알루미늄 합금계열의

열처리에 따른 분류 [5]

Fig 13은 항공기에 사용된 알루미늄 합금의 종류

를 항공기 부위 별로 사례를 들어 소개한 그림이다

[5] 이와 같이 항공기 부위별로 하중조건이 달라

지고 피로특성도 다르므로 이에 대한 소재 선정

요구조건도 달라지므로 이에 대한 설명은 다음

절에서 상세히 다루도록 한다

Fig 13 민간항공기 주요 부위에 적용된 알루미늄

합금 종류 적용 사례 [5]

Fig 14는 항공기에 적용된 금속 합금 (주로 알루미늄

합금)의 항공기 부위별 첫 적용 시기와 항복강도

를 표시해 주고 있다 최근에도 최신 항공기의 특정

부품에 첫 적용되는 알루미늄 합금이 다수 있음

을 알 수 있다

Fig 14 항공기에 첫 적용된 항공용 금속 합금의적용시기와 항복강도 [6]

bull 알루미늄-리튬 합금 (Al-Li alloys)

Li (리튬)은 금속 중 가장 가벼운 소재로서 1980

년대 중반 Al-Li합금이 개발된 후에 고분자 복합

재료의 적용으로 급속히 대체되던 알루미늄 합금을

이어 항공기용 구조용 금속 합금 소재로서 2000

년대 들어 새로이 부각되고 있는 소재이다 Li

1를 기존의 알루미늄 합금에 적용하면 합금의

밀도는 약 3 감소되고 강성은 6 증가하는 것

으로 알려져 있다 Li은 기존 금속에 비해 밀도가

7-10 작은 반면에 강성은 10--15 정도 높고 우수한

내피로 및 극저온에서의 우수한 인성 특성을 가져

항공기용 구조용 소재로의 적용이 증가하고 있다

이는 기존의 알루미늄 합금에 비해 Al-Li합금은

피로 균열성장에 대한 저항특성 우수하고 또한

항공기의 무게 절감 효과가 상당히 크기 때문에

최근의 항공기의 효율 향상과 연료를 절감하기

위한 항공업계의 엄청난 노력과 부합되기 때문으로

판단된다 또한 일부 부분에서는 기존의 복합재료

적용시보다 Al-Li합금 적용의 경우 공정상 별도의

큰 투자가 요구되지 않기 때문에 비용이 절감되는

것으로 분석되어 일부 복합재료 부분을 대체하는

경우도 있다 Al-Li 합금이 적용되는 항공기 부품

으로는 앞전(leading edges) 및 뒷전 (trailing

edges) 시트 트랙 (seat track) 날개 외피 (wing

skin) 접근 커버 (access cover)등이 있다 군용기

의 부품으로는 주익 박스 (main wing box) 중앙

동체 조종면(control surfaces)등에 적용되고 있으며

기타 헬리콥터 로켓 및 위성체에서는 기존의 알루

- 7 -

미늄 부품의 대체재로 적용이 되고 있다 특히 Al-Li

합금은 극저온에서의 인성이 뛰어나 우주용 발사체

추진부의 액체산소탱크 수소연료탱크 등의 극저온

탱크 (cryogenic tankage)에의 적용이 늘어나고 있

다 현재 사용으로 판매되는 제품으로는 Weldalite

049 Alloy2090 2091 8090 등이 있으며 기존의 고

강도 알루미늄 합금에 비해 가격은 2-4배 비싼 편이

다 최근에는 복합재료 소재에 밀려 사용량이 줄어

드는 기존의 알루미늄 합금대신 부식에 매우 강하고

손상허용 특성이 향상된 2x99 및 7x5x Al-Li 합금

(ALCOA사)이 항공기의 경량화를 위한 소재로 적용

이 늘고 있다

bull 티타늄 합금 (Titanium alloys)

티타늄 합금은 강철 등에 비해 낮은 밀도를 가지면

서 높은 용융점 낮은 열팽창계수 우수한 내열 특성

및 고온에서의 비강도가 우수하고 내식성 (corrosion

resistance) 내산화성 (oxidation resistance)도 탁월

하다 미국의 초고속 첩보기 SR-71 구조물의 주소재

로서 85 wt (복합재료는 15 wt) 사용된 티타늄

합금은 항공기 및 미사일 등의 성능이 급속히 높아짐

에 따라 항공기용 구조용 내열 소재로 적용 범위가

넓어지고 있다 하지만 단점으로는 가격이 비싸고

제조공정이 상대적으로 어렵고 149~315 온도

범위에서 creep 변형이 발생할 수 있다 저온에서 액체

기체 산소와 접촉하면 심한 반응이 유발되고 표면

변화가 발생하므로 유의 하여야 한다 또한 메탄올

과 질소4산화물 (Nitrogen tetroxide)과 접촉시 응력

부식 균열 (stress corrosion crack)이 230~260의

온도 범위에서 소금에 의해 응력 부식이 발생할 수

있다 전자기 차폐 (electrical and magnetic

screening) 특성도 합금강에 비해 낮은 편이다 대표적

인 합금으로는 Ti-6Al-4V 이 있으며 입증 강도(proof

strength) 는 약 106 kgmm2 비강도는 24kgmm

2

이다 항공기에 적용시 -200~ 500 온도 범위에서

사용되고 있다 판 형태 (sheet form) 제품은 방화벽

(fire wall) 엔진 베이 도어 (engine bay door) 제트

파이프 덮개 (jet pipe shrouds)의 소재로 사용되며

단조품(forgings)이나 막대(bar)형은 항공용 가스터빈

압축기의 디스크 및 블레이드용 소재로 사용되고

있다

bull 마그네슘 합금 (Magnesium alloys)

마그네슘 합금은 항공기에 사용되는 금속 재료 중

비중(specific gravity)이 가장 작은 금속으로 알루

미늄 합금의 비중이 25~28 인 것에 비해 비중이

약 18 정도이다 강도는 알루미늄 합금에 비해 낮은

편이다 마그네슘이 산화성이 높아 주조시 급격한

반응에 의한 폭발 위험성이 내재되어 활발히 적용

되지 못하였으나 최근 국내에서도 신 주조 공정기술

이 개발되어 항공 및 자동차 부품의 경량화에 대한

관심이 높아짐에 따라 그적용이 활발히 모색되고

있다 하지만 마그네슘 합금의 부식성도 높아 부식

을 방지하기 위한 표면처리가 요구되는 단점이 있

다

bull 합금강 (Steel alloys)

강철은 강도가 매우 우수하고 가격이 저렴하며 내

마모성 및 전자기 차폐 특성도 우수한 반면에 무게

가 무거워 비강도는 매우 작은 편이기 때문에 특히

항공기의 부품중 강도가 크게 요구되는 부위에 사용

되고 있다 대표적인 합금강으로서 HY-180

(10Ni-Cr-Mo-Co)합금강은 매우 큰 파괴인성을 갖고

있어 피로 및 파괴에 취약한 부품인 수평꼬리 부착

피팅 (horizontal tail attach fitting)과 엔진 마운트

피팅에 적용되고 있다 PH12-8Mo 합금강은 항공기의

일반적인 pin lock 피팅류에 적용되는 소재이다

bull 니켈합금강 (Nickel alloys)

니켈 합금강은 고온에서도 매우 높은 강도를 유지하

므로 항공기의 엔진 부품으로 많이 사용되나 매우 무겁고

가공이 어려운 단점이 있다 향후에는 좀 더 가벼운

고온용 합금강의 개발이 시급히 요구 되고 있다

복합재료 (Composite materials)

복합재료는 2개 이상의 소재를 사용하여 각각의 소재

의 장점을 살려 새로운 특성을 갖도록 인위적으로

만든 소재를 의미한다 주로 힘을 전달하는 섬유

(fiber)와 섬유를 보호하고 모양을 유지하는 기지

(matrix)로 구성되는 것이 일반적이다 이밖에 섬유를

보호하는 재료와 기타 첨가재 등도 사용되나 복합재료라

하면 섬유와 기지를 총칭하는 게 일반적이다 항공기의

구조용 소재로는 유리섬유 케블라 탄소섬유 등등의다양한

- 8 -

보강용 섬유와열가소성(thermoplastic) 열경화성 (thermosetting)

고분자 수지가 일반적으로 많이 사용되고 있다 보잉

787에 적용된 복합재료로서 전체 구조물 무게의 약

43 (무게로는 35 톤)가 사용된 탄소섬유에폭시 복합

재료가 향후에도 대표적인 대형 항공기의 구조용 소재로

예상되므로 주로 탄소섬유 복합재료에 대해 기술하고자

한다 탄소섬유도 원천소재에 따라 PAN 및 Pitch 기반

탄소섬유로 분류 된다 전자는 원사인 Polyacrylonitrile을

고온로에서 태워 다양한 열처리 공정을 거쳐 생산되며

강도가 우수하고 가격이 상대적으로 저렴하여 항공기

구조용 소재로 많이 사용되고 있는 섬유이다 반면에

후자는 석유정제후의 부산물인 피치 (pitch)를 실

(filament)로 뽑아 이를 PAN과 유사한 공정을 거쳐

만들어지며 구리나 은 등의 금속소재와 대등할 정도로

열전도 특성이 매우 크고 강성이 우수하여 특히 우주용

구조물 소재로 사용되고 있고 값도 일반적으로 고가이다

탄소섬유도 추가 열처리 여부에 따라 Carbon섬유와

그래파이트(Graphite)섬유로 분류될 수 있으며 후자가

추가 열처리되어 일반적으로 물성이 더 우수하고 고가

이다 또한 동일 기반 탄소섬유라 하더라도 물성 등급

및 가격에 따라 시장 구조가 Fig 15와 같이 분류될 수

있다[7] 고급용 (high-end usage) 탄소섬유는 고강도

고강성 섬유로서 섬유직경이 작고 주로 항공기 구조용

소재로 사용되며 당연히 고가이다 중급 및 저급 탄소

섬유는 비항공기 시장인 스포츠 및 기타 산업용 소재로

사용되어 상대적으로 저가이다 참조로 B787에는 탄소

섬유가 무게로 약 23톤이 사용되고 있다 Fig 16은 강성

의 크기에 따라 인장강성 (tensile modulus)를 고중저(high

intermediatestandard)의 단계로 구분한 그림이다[7] 항

공기 부재의 강성 요구도에 따라 시장에서 소재를 적절히

선택할 때 유용하다 탄소섬유를 항공기의 구조물에

적용하는 경우 구조물의 손상여부가 항공기의 생존성

여부에 중요한 영향을 미치는 정도에 따라 구조물을 1차

및 2차 구조물 (또는 주 및 부구조물)로 분류할 수 있다

Fig 17은 주 및 부구조물과 우주용 구조물에 적용되는

탄소섬유의 강성 및 강도 범위를 버블로 표시한 것으로

이 또한 관련 구조물의 소재 선정시에 유용하게 활용

될 수 있다[7] 복합재료 항공기의 대표적 주구조물인

날개나 동체의 경우 적용되는 탄소섬유는 인장강도의

범위가 약 50~ 70 GPa 강성의 범위가 약 300~400

GPa이 되는 소재를 염두에 두고 선정할 수 있겠다

(a) (b)

Fig 15 PAN기반 탄소섬유의 (a) 등급 및 (b)

적용에 따른 시장구조 [7]

Fig 16 탄소섬유의 단계별 인장 강성 구분 [7]

Fig 17 항공기용 주부구조물 및 우주용

탄소섬유의 인장 강성-강도 버블 차트 분포 [7]

Fig 18은 보잉사의 복합재료 항공기인 B787의 주

소재로서 탄소섬유 (T800급)를 독점 공급하고 있

- 9 -

는 Toray에서 생산되는 PAN기반 탄소섬유의 인장

강도 및 인장강성의 버블 분포도이다[7] 현재 시장

점유율 40 여로 세계최대 항공 산업용 탄소섬유

공급업체인 Toray사가 생산하는 탄소섬유 중

T700 T800 T1000 등이 항공기용 주구조물에 적합

하고 T300 T400은 부구조물 M55J M60J M65J

등은 고강성이 요구되는 우주용 구조물 소재로

적합한 탄소섬유 소재이다 Toray의 제품명중 T

는 강도를 M은 강성을 의미한다

Fig 18 Toray(일본)의 PAN기반 탄소섬유의 인장

강성-인장강도 버블 차트 [7]

이 밖에 금속 합금과 복합재료를 장점을 갖도록 만든

섬유금속 적층판 (Fiber Metal Laminates) 등의 하이

브리드 소재가 항공기의 신소재로서 활용되고 있다

4 항공기 구조용 소재의 요구조건과 재료지수

항공기의 구조용 소재는 항공기의 각 부위가 받는

하중의 특성 및 요구 기능 및 성능에 따라 차별화된

소재가 사용되는 것은 당연하다 항공기의 구조물에 작용

하는 정적동적 하중과 장기간에 걸쳐 작용하는 피로

하중 (fatigue loads) 및 환경 조건(environmental

conditions) 등이 소재 선정에 있어서 신중히 고려되

어야 한다 Fig 19는 소재의 기본 특성인 강성과 강도

파괴인성 (또는 인성) 및 무게와의 항공기의 기본거

동의 연관성을 잘 도시해 주고 있다[4]

Fig 19 항공기와 소재 특성 비교 [4]]

항공기의 구조적 성능을 좌우하는 구조물의 소재는

우선적으로 항공기의 안전 (safety)를 다음으로는

성능을 보장해주어야 한다 강인한 소재를 사용함

으로써 항공기의 구조적 안전도를 높일 수 있으나

소재 자체의 무게가 무겁거나 과도 설계되는 경우

에는 항공기의 성능이 저하될 수 있으므로 항공기

제작사들은 가급적 강인하면서도 가벼운 소재에

많은 관심을 갖고 가급적 설계하중을 견디면서

무게를 최소화하려고 여러 가지 설계기법을 함께

개발하고 있다

항공기의 구조용 소재로서 일반적으로 갖추어야

할 조건 등을 일부 열거하면 다음과 같다

Choosing materials-desirable properties

bull 높은 비강도 및 비강성

bull 일관성 있고 예측 가능한 물성값

bull 부품에서의 균일성 및 방향에 따른 균질성

bull 높은 내식성

bull 난연성 및 내인화성 생산사용수리중의 안전성

bull 적당한 가격

- 10 -

bull 내피로 특성 높은 인성(toughness GIC)

bull 사용 온도구간에서의 적절한 요구강도

Fig 20은 항공기의 부위별 하중 특성에 따라 해당

소재가 만족하여야할 기계적 특성을 나열 도시한

것이다[8] 하중의 종류로는 인장 압축 굽힘 비

틀림 피로 환경하중 등 다양한 종류가 항공기

각 부위 및 부재에 작용할 수 있으며 대표적인

하중 및 작동모드에 따라 해당하는 부품의 소재를

선정할 필요가 있다 여기서 각 부위별로 요구되는

기계적 물성 또는 요구특성은 다음과 같은 종류

가 있다

FAT 내피로성 (fatigue resistance)

FCG 피로균열 성장 (Fatigue Crack Growth)

dadN 피로균열성장률 (fatigue crack growth rate)

σFS 피로강도 (fatigue strength)

COR 내부식성 (corrosion resistance)

KIC 파괴인성 (Fracture toughness)

KISCC 응력부식파괴 (stress corrosion

cracking fracture)

E 강성 (modulus)

σTS 인장강도(Tensile strength)

σYC 압축 항복 강도 (Compressive yield

strength)

σYT 인장 항복 강도(Tensile yield strength)

τSS 전단 강도 (shear strength)

Fig 20에서 항공기를 구성하는 각 부재별로 나열된

요구 물성 특성 순서는 우선적으로 고려해야 할

특성을 중요 순으로 배열한 것이며 ( )안은 설계

에는 반영하여야 하나 중요도는 상대적으로 떨어

지는 것을 의미한다 항공기의 핵심 부재별 고려

해야할 물성 또는 기계적 특성을 Table 1에 정리

하였다 [4 9]

항공기의 비행시 각 부재에 작용하는 대표 하중이

제시되면 각 부재를 구성하는 연결봉재 판재 또는

보(beam) 등의 기본 형상에 따라 무게 (또는 비용)를

최소화 하면서 강성 또는 강도 등을 유지 할 수

있는 재료지수 (material index)를 Table 2에 제시

한 바와 같이 계산으로 추출할 수 있다[4]

Fig 20 Critical requirements of airframe

components [8]

Table 1 Critical requirements of airframe

components

항공기주요

부재명

대표작용하중

비고(고려할 물성특성 순서)

날개상단(wingupper)

굽힘에의한 압축

비행시 굽힘에 의한 판재의압축 무게최소화(E

⅓ρ σYCρ KISCC )

날개하단(winglower)

굽힘에의한 인장

비행시 굽힘에 의한 판재의인장 (Eρ σYSρ KISCCCOR σFS dadN)

동체(fuselage)

인장압축굽힘비틀림내부압력

대표하중은판재의 인장무게최소화(E⅓

ρ σYSρ COR σFS dadN)

보강재(sparribs)

굽힘 좌굴

외피를 내부에서 보강 하중분산 역할 굽힘 하중을 받아날개하중 조건과 유사(Eρ σYSρ KISCC σFS dadN)

착륙기어(landing

gear)

정적하중피로하중

무게는 중요하지 않음 내피로파괴특성내응력부식특성 요구(E σYS dadN KIC KISCC)

조종면(controlsurfaces)

경하중경하중 부재는 강도보다 강성우선 고려

외피재(skin

material)환경하중

환경노출에 의한 내부식 특성초음속 항공기의 경우 내열특성 요구

날개의 상단부를 구성하는 판재가 굽힘에 의해

압축을 받는 경우 강성을 유지 (강성제한설계

stiffness-limited design)하면서 무게를 최소화 시키기

위해서는 물질지수 E⅓

ρ를 가급적 최대화 할 수

있는 재료를 선정하여야 한다 또한 이 판재는 소성

의 발생 없이 어느 정도 외부 인장 하중을 견디는

- 11 -

Table 2 작용하중과 부재형상에따른고려해야할 재료지수

기본형상

연결 봉재

(Tie-rod)

판재

(Panel)

보

(Beam)

작용하중 인장 굽힘 굽힘

모양

(shape)

강성제한설계

무게최소화Eρ E⅓ρ E

12ρ

강도제한설계

무게최소화σYSρ σYS

12ρ σYS

23ρ

강도제한설계

재료비용

최소화

σYSCmρ σYS12

Cmρ σYS23

Cmρ

Cm 단위 무게당 재료비용

강도를 유지 하면서 무게를 최소화 하여야 하는

경우에는 재료지수가 σYSρ (단순 인장시) 또는 σ

YS12

ρ (판재의 굽힘에 의한 인장시) 가 최대가 되는

소재를 차선으로 선정할 필요가 있다 한편 Table 3

에 제시한 바와 같이 항공기 부품 등에 따라 하중이

제한되는 조건에 의한 설계 (load limited

design) 또는 스프링이나 플라이휠 등과 같이

에너지를 최대한 저장해야하는 부재와 같이 에너지

가 제한되는 설계(energy limited design) 및 탄성

힌지 (elastic hinge)와 같이 변위를 제한하는 설계 등

설계적용 방식이 다른 경우가 있다[4] 일례로서

탄성힌지와 같이 작용 하중은 작으나 탄성힌지로서

최대변형률을 가지며 작은 곡률반경을 가질 정도로

굽힘 특성이 우수 하고 재료 내에 소성 및 균열이

발생하지 않으려면 재료지수 σYSE가 최대값을 갖는

재료를 후보군으로 먼저 선정하여야 한다 파괴

인성 (fracture toughness KIC)은 재료 내에 균열이

발생하여 성장하는 경우 재료의 크기와는 상관없이

Mode I 균열선단에서 균열성장에 저항하는 정도를

나타내는 재료 물성치 (material property)이다

한편 균열의 성장은 재료 내에 축적된 탄성에너지

가 새로운 균열면을 만드는데 소요되는 에너지로

방출(release) 되는 일종의 비가역 에너지 변환에

의하여 진행된다고 생각 할 수 있다 이때 KIC 뿐만

아니라 재료의 탄성 계수와 함께 연관된 물성 임계값

은 인성 (toughness mode I critical strain energy

Table 3 설계형태와 균열의 가정 유무에 따른 재료 지수

Designtype

부재예 요구항목

Materialindex

Nocrack

Fracturesafe

하중제한설계 wing-spar

최대하중

까지

파괴되지

않음

σYS

최대화

KIC

최대화

에너지제한설계

스프링

flywheel

turbine

containment

system

최대탄성

에너지

저장까지

파괴되지

않음

σYS2E

최대화

KIC2E

(asympGc)

최대화

변위제한설계

elastic

hinge

커플링

큰변형률

유지

σYSE

최대화

KICE

최대화

release rate Jm2 ) 으로 정의되어 다음과 같이

표현된다

GIC = KIC2E (1)

즉 mode I 하중이 균열선단에 작용하고 단위면적

당 에너지 GIC (Jm2 )가 균열면 생성에 공급되면

균열이 성장하는 개념으로 생각 할 수 있다 재료

의 인성은 KIC가 증가하면 증가하고 E가 커지면

(즉 취성이 증가하면) 감소함을 알 수 있다

재료의 강도 (strength)는 소성 흐름 (plastic flow)에

저항하는 정도를 표시하는 재료상수 로서 강도가

크면 일반적으로 σYS가 크고 소성역 (plastic

zone)이 상대적으로 작아져서 취성이 증가하게 된다

즉 crack 선단에서의 소성역에서의 에너지흡수가

저하되어 재료의 인성 (toughness)은 일반적으로

감소하게 된다

단조합금(wrought alloy)의 경우 강도가 증가함에

따라 인성이 약간 저하되는 경향이 있으며 주조

합금(cast alloys)의 경우에는 인성이 더 크게 저하

된다 이는 inter granular boundary failure에 의한

취성의 증가 때문으로 판단된다 주조합금은 용융

상태의 금속을 filtering하여 불순물을 제거하면

인성을 크게 증가시킬 수 있다

5 소재 선정

새로운 항공기의 개발시 어떻게 제작가능하고 높은

- 12 -

내구성과 성능을 가진 항공기 구조물을 설계 하느냐

와 함께 높은 요구 성능을 가진 항공기를 어떠한

소재를 적용하여 구현 할 수 있느냐도 항공기 개발시

중요한 고려사항이다 적용된 소재에 따라 항공기의

수명기간 동안 성능의 구현뿐만 아니라 저렴한

생산 공정 적용 및 향후 용이한 검사수리유지

경제적환경 친화적 운용 등이 좌우되기 때문에

최적의 소재 선정은 그 중요성을 아무리 강조해도

지나치지가 않다 이러한 소재의 선정은 소재 자

체의 물성값 (material properties) 등에 크게 좌우

된다

Fig 21은 소재선정 절차를 도시한 것으로 설계요구

조건으로부터 소요 형상 및 특성 요구치 등의 제한

조건을 부여하여 이를 만족하고 또한 제조공정이

적합한 소재 후보군을 선택한다[4] 이 들 후보군

들에 대해 비용 및 경제적 효가 등을 고려하여

최종 선정을 하게 된다

Fig 22는 시장의 수요로부터 도출된 소재와 공정의

선정과 구체화를 거쳐 최종적으로 제품 규격서

(product specification)의 산출까지의 구현과정을

도시하고 있다[4]

한편 앞장에서 언급한 바와 같이 항공기의 각 부재별

하중 형상 특성으로부터 도출된 재료지수를 바탕

으로 각각의 요구 특성을 만족하는 소재를 선정

하기 위해서는 Fig 23과 같이 각 소재군을 x y축에

각각 1개씩 2개의 물성별로 버블형태로 포괄적으로

구성한 차트가 매우 요긴하게 활용될 수 있다

Fig 21 설계요구조건과 소재선정 과정 [4]

Fig 22 소재-공정 선정 단계와 제품 규격서 산출[4]

이때 각 물성치는 소재군 별로 차이가 매우 크므로

각 축의 물성은 상용로그 scale로 표시하여 작성

하는 것이 일반적이다 버블차트는 2가지 특성을

동시에 도시할 수 있고 이들 특성의 제한조건 (요구

조건)을 만족하는 소재 후보군을 쉽게 도시화 할 수

있다 이들 버블차트를 손쉽게 구현하기 위해서는

다양한 소재별로 물성값 데이터베이스를 폭넓게

확보하고 있어야 한다 이들 데이터베이스를 프로그램

화 하여 원하는 2가지 특성을 버블차트로 만들

수 있는 프로그램이 상용화되어 판매되고 있다

4장 Table 2에 제시한 바와 같이 강성제한 설계를

적용하여 판재의 무게를 최소화 하면서 굽힘 강성

의 최대값을 주는 소재를 선정하려면 우선 Fig

23과 같이 재료의 탄성계수와 밀도를 도시한 버블

차트를 이용하고 재료지수인 E⅓

ρ 가 최대가 되는

소재를 선정하여야 한다 이때 보통 재료지수에

제한조건 (constraint)이 상수 등으로 주어지므로

양변에 상용로그를 취하면 y축인 logE 와 x축인

logρ 사이에 기울기가 3인 직선이 형성된다

제한조건이 주어지는 경우 각 버블군과 만나는

소재들이 이 조건을 만족하는 것으로 소재후보가

선정되게 된다 이때 또 다른 제한조건이 주어지는

경우 점차 소재군의 폭이 좁아지고 최종 소재가

구체화되어 선정되게 된다 제한조건이 없이 시작한

경우 점선을 좌로 이동시켜가면서 만나는 소재군

이 좀 더 큰 재료지수를 가지므로 후보군에 가까

운 소재이다 한편 강성제한설계가 아니라 강도

- 13 -

제한설계로 요구되는 경우 재료지수는 동일 판재

의 경우 σYS12ρ가 되므로 σYS와 ρ를 도시한 버블

차트를 이용하여 위에 유사한 절차로 무게를 최

소화 하는 소재군을 선정할 수 있다 한편 Table

3과 같은 제한설계 방식에 따라 요구되는 재료지수

를 최대화 하는 소재를 찾고자 하는 경우에는

Fig 24 (균열이 없는 경우) 또는 Fig 25 (균열을

고려한 경우)와 같이 σYS-E 또는 KIC-E 버블차트가

요구되며 선정 과정은 앞의 경우와 동일하다

Fig 23 각 소재군별 탄성계수-밀도 버블 차트 [4]

Fig 24 탄성계수-항복강도 버블차트 [4]

일반 민간항공기와는 달리 초음속 비행이 가능한

전투기 또는 초음속 여객기 등의 개발시에는 초

음속으로 비행시 외부 동체 및 날개 등에 가해지

는 공기와의 마찰에 의한 높은 온도 상승을 재료

선정시 반드시 고려하여야 한다 Fig 26은 항공기

표면의 방사율 (emissivity)이 09인 항공기가 고공

23km 온도 -56degC인 대기권을 초음속 비행할 때

항공기 표면에서의 온도 분포 그림이다[10] 전체

표면 온도가 100 degC에 이를 만큼 뜨거운 상태임

을 알 수 있다 복합재료가 동체와 날개에 적용되는

경우 재료의 사용온도에서의 강도값을 소재선정 및

구조물의 설계에 반영하여야 한다 Fig 27은 이때

참조하여야 할 각종 소재의 최대 사용 온도 (max

service temp)에서의 강도값을 제시해 주고 있다[4]

Fig 25 파괴인성-탄성계수 버블차트 [4]

Fig 26 Skin heating across the airframe [10]

Fig 27 소재별 최고사용온도와 강도의 버블차트 [4]

- 14 -

최근에는 스텔스 기능 등을 가지는 항공기가 등장함에

따라 항공기의 구성 소재가 기존의 하중만을 단순

지지하는 구조물에서 최근에는 하중과 함께 전자파

흡수나 투과 또는 방열특성 등의 복합기능을 요구하는

기능성 구조물로의 설계요구가 늘어나고 있다 이러한

경우에는 재료의 강도뿐만 아니라 유전특성 등을 고려

하여 선정을 하여야 한다 지금까지 소재선정과 버블

차트이용을 주로 언급하였으나 필요시에는 Fig 28과

같이 여러 가지 특성을 비교할 수 있도록 표시하면

재료의 장단점을 잘 비교하여 소재의 선정에 도움이

될 수 있다[1]

Fig 28 Property envelopes for aluminium alloys [1]

6 항공기 구조용 소재의 개발동향

민간항공기 산업은 제품의 생산주기 (product life

cycle)상 성숙기에 다다른 산업으로 2008년도의 유가

급등에 따른 경제 위기이후 민간항공기 분야에서는

친환경적이고 고효율의 성능을 가진 항공기가 점차

요구되고 있다 최근의 새로운 항공기는 복합재료 기체

(composite airframe)의 적용으로 인한 항공기의 경량화

첨단 고효율 엔진 장착으로 인한 연비 극대화 및 첨단

전자시스템 (avionics)의 도입으로 인한 안전도 향상

공기역학적 최적설계로 항력 절감 등을 통해 기존의

항공기와 차별화 되고 있다 이러한 차별화된 항공기

기체를 제조하기 위해서는 고기능 특성을 가진 첨단

신소재의 개발이 무엇보다 요구되고 있다 최근 복합

재료가 항공기의 주구조물에 까지 적용되기 시작 하였

으나 새로운 소재에 대한 요구도는 점차 높아지고

있는 추세이다 나노기술의 성과 축적에 따라 최근에는

나노입자를 보강하거나 탄소나노튜브 자체를 길이방

향으로 성장시켜 장섬유로 기존의 복합재료와 같은

새로운 소재를 구성하려는 연구도 활발히 진행이 되고

있다 가까운 미래에 탄소-탄소 공유결합으로 강인한

특성을 지닌 탄소나노 섬유 (carbon nano fiber)로

이루어진 단일방향 프리프레그나 직물형 프리그레그

(prepreg)가 개발되는 경우 이들의 파급효과는 기존의

어떠한 구조재료보다 더 클 것으로 예상이 되고 있다

이들 초경량 소재를 적용하여 항공기를 설계하는 경우

기존의 항공기와는 다른 형상의 첨단 항공기가 등장

할 수 있을 것 판단된다 한편 기존의 금속 합금도

알루미늄 합금에서 벗어나 보다 넓은 범위의 Al-Li

합금의 적용이 활발해질 것으로 예측되고 있다 최근

에어버스사는 버튼하나로 외부의 경치를 360도 사방

으로 관람할 수 있는 첨단 신소재를 적용

(see-through 기술)한 자사의 미래형 민항기 (concept

airplane)를 발표하였다(Fig 29 참조)[2] 이와 같이

첨단 기능성 구조재료는 항공기의 기존 개념을 상상

할 수 없을 정도로 바꿀 수 있는 가능성을 제공하고

있음을 알 수 있다

Fig 29 Airbus사의 미래형 신개념 민간항공기[2]

최근에는 항공기 임무의 고도화와 첨단화에 따라

방열기능 복합재료 전자파 에너지 흡수 복합재료

전자기파 차폐용 복합재료 등의 기능성 특성을 지니

면서 초경량 구조용 소재로 활용될 수 있는 군사용

복합재료의 개발 필요성 크게 증대되고 있다 민간

- 15 -

항공기에도 스마트 구조물 구현을 위한 형상기억합금

(Shape Memory Alloy SMA) Piezo Actuator를

이용한 형상변형 (Morphing) 구조물 등이 최근 적용이

적극적으로 시도 되고 있다 (Fig 30 참조)[11] 이와

같이 공기역학적 성능형상을 구현하기 위한 형상

변경의 필요성은 기존 신소재와 복합재료의 하이브리드화

를 통해 새롭게 조명 받고 있다 한편 국내외적으로

스텔스 기능을 가지는 구조물이나 전자파를 흡수하

거나 선택적으로 통과 및 반사하는 레이돔과 같은

기능성 구조물에 대한 관심이 높아지고 있다 Fig

31은 Volvo사의 자회사인 스웨덴의 ACAB사의 레이돔

의 소재로서 주파수를 선택적으로 투과하는 표면을

갖도록 제작된 유리섬유 보강 복합재료의 표면 샘플

을 보여주고 있다 이와 같이 기존의 단순한 하중

을 전달하거나 지지하도록 제작되는 항공기 구조물

에서 벗어나 최근에는 센서 및 작동기와 같은 것을

내장하는 고부가가치의 지능형 항공기 구조물(smart

aircraft structures)이 점차 늘어나고 있는 추세이다

7 맺는 말

2004년 이후 2008년도 유가 급등기까지 전 세계

민간항공기 운항사의 80이상은 적자 상태에 있

었다고 분석되고 있다 이는 유가가 항공기 운용비

(operating cost)의 50 ~ 60를 차지하게 된 것에

기인하는 것으로 석유의 고갈이 점차 다가옴에 따라

항공기 제조사들은 항공기의 경량화를 통해 좀 더

효율적인 항공기를 개발하여 항공기 운항사에 공급

하려고 부단히 노력하고 있다

이와 같이 많은 이익을 줄 수 있는 항공기의 경량화

목표 실현은 바로 구조용 소재의 개발과 소재의

적절한 적용에 달려있다고 볼 수 있다 특히 날로

치열해지는 국제 경쟁 환경에서 자주국방 확립과 밀접

한 연관성이 있는 항공용 소재는 대부분의 경우가

선진국의 수출통제 (EL Export License) 대상의 규정

되어 있어 한국의 의욕적인 항공기의 개발에 많은

장애 요인 중의 하나로 자리 잡혀 있는 것이 현실

이다 최근 전 세계 항공 산업은 대형 민간항공기

의 경우 미국의 보잉과 유럽의 에어버스의 양대

기업으로 개편되어 시장을 놓고 치열한 경쟁이 이

루어지고 있다

Fig 30 (a) Chevron and (b) Aero-gurney with variable

geometry morphing function for B787

application[11]

Fig 31 스웨덴 ACAB (wwwacabcom)사의 FSS

(frequency selective surfaces) 레이돔용 소재

틈새시장인 중형기 (mid-sized aircraft)는 브라질의

Bombardier사가 시장의 35 ~40를 차지하고 있으며

여기에 중국 러시아 및 일본 등이 자국 항공기의

개발을 통해 신흥 항공기 제조국가로 발돋움 하려고

부단히 경쟁하고 있는 추세이다 최근 정부에서는

2010년 초에 항공 산업 발전 기본 계획

(2010~2019)을 수립 제시하면서 새로운 미래의 도약

산업으로서 항공 산업의 발전을 도모하고 있다

하지만 역사적으로 소재공정 (material processing)

기술을 자체 확보하지 못한 국가가 항공 산업에서

우위를 차지한 적이 없는 만큼 한국이 틈새시장에

서나마 안정적인 시장을 확보하려면 항공 관련 소재

산업이 뒷받침 해주어야 한다고 판단된다 단기적

으로는 경량화의 꽃인 경쟁력 있는 탄소섬유의 개발이

무엇보다 강력하게 요구되고 있으며 보다 중기적

- 16 -

으로는 나노소재기술의 개발 및 상용화 장기적으로는

니켈합금 보다 가볍고 우수한 고온용 소재 Al-Li

합금 고분자복합재료보다 우수한 소재 등의 신소재

개발이 한국의 항공 산업을 든든하게 받혀 줄 수

있는 저력이 될 것이라고 판단된다

본 기고문은 한국항공우주산업진흥협회가 주관하는

2010년 항공우주부품기술개발사업 정책지정과제

lsquo중형항공기 핵심기술개발 선행연구lsquo의 지원을 받아

작성되었습니다

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[11] Boeing 홍보자료

- 5 -

3 항공기 구조용 소재

앞에서 언급한 바와 같이 항공기의 등장과 함께

항공기의 발전은 항공기 구조용 신소재의 등장과

함께 빠르게 발전하여 왔다 항공기 구조용 소재를

구성하는 기본 소재군 으로는 Fig 10에서 도시한

바와 같이 금속 세라믹 고분자(polymers) 탄성

체고무(elastomers) 및 유리(glasses) 등을 열거할

수 있으며 이들 각각의 소재와 센서등과 융합되어

나타난 (스마트) 하이브리드 소재 등이 항공기 구조용

소재로 활발히 적용되어 왔다 최근에는 센서

작동기가 내장된 구조물이 등장하기 시작하여 항공기

의 성능이 크게 향상되고 있다 본 장에서는 무수히

많은 항공기 구조물에 적용된 소재에 대해 설명

하기 보다는 항공기의 기체용으로 지금까지 상당한

부분을 차지했던 금속 합금과 기체 구조물 중량의

50이상을 복합재료를 적용한 B787의 등장이후

대형 민간항공기의 주 구성 재료로 인식되는 복

합재료에 대해 간략히 살펴보고자 한다

Fig 10 Engineering materials

금속합금 (metal alloys)

bull 알루미늄 (Aluminum alloys)

알루미늄합금은 80여년에 걸쳐서 항공기 동체 등의

구조용 소재의 하나로 사용되어 왔으며 최근까지

항공기 구조물의 주재료로서 B787과 같은 복합재료

항공기가 등장하기전까지는 전체 항공기 구조물

무게의 70 ~75를 차지하고 있는 금속재료이다

대표적인 것으로는 구리 (Cu Copper)를 합금 첨가

주재료로 사용하는 2xxx계열과 아연 (Zn Zinc)을

주재료로 사용하는 7xxxx계열이 대표적이다 알루

미늄 합금의 제조 방식에 따라 주물 합금 (cast

alloys) 비열처리 단조합금 (non-heat treatable

wrought alloys) 열처리 단조합금 (heat treatable

wrought alloys)등으로 분류 될 수 있으며 각각의

특성은 다음과 같다

bull 주물합금

- 낮은 강도

- 주물로 제작이 용이한 복잡한 형상에 제한

- 구리와 실리콘 등이 합금 첨가재로 사용

bull 비열처리 단조합금

- 상대적으로 낮은 강도

- 성형성과 용접 특성이 양호

- 낙하용 탱크 (drop tank) 도관 (duct) 유선형

덮개 (fairing) 등에 적용

- 마그네슘이 주 합금 첨가제

bull 열처리 단조합금

- 항공기 기체의 주재료

- 4까지 구리를 첨가한 것은 중간 정도의 강도

를 갖는 구조물에 적용

- 5~6의 아연을 첨가한 것은 큰 응력이 작용

하는 부품에 적용

알루미늄 합금은 합금 조성 및 물성특성 별로

Fig 11과 같이 체계적으로 번호로 분류하여 제시

되고 있으며[4] 같은 번호계열 (sub class) 합금이라

하여도 제조시의 열처리 방법에 따라 Fig 12와

같이 다시 세부적으로 분류하고 있다[5] 특히 소재

선정시 요구 물성 및 조건에 열처리번호를 염두에

두고 선정에 유의 하여야 한다

Fig 11 알루미늄 합금 표시법 [4]

- 6 -

Fig 12 항공기 적용 알루미늄 합금계열의

열처리에 따른 분류 [5]

Fig 13은 항공기에 사용된 알루미늄 합금의 종류

를 항공기 부위 별로 사례를 들어 소개한 그림이다

[5] 이와 같이 항공기 부위별로 하중조건이 달라

지고 피로특성도 다르므로 이에 대한 소재 선정

요구조건도 달라지므로 이에 대한 설명은 다음

절에서 상세히 다루도록 한다

Fig 13 민간항공기 주요 부위에 적용된 알루미늄

합금 종류 적용 사례 [5]

Fig 14는 항공기에 적용된 금속 합금 (주로 알루미늄

합금)의 항공기 부위별 첫 적용 시기와 항복강도

를 표시해 주고 있다 최근에도 최신 항공기의 특정

부품에 첫 적용되는 알루미늄 합금이 다수 있음

을 알 수 있다

Fig 14 항공기에 첫 적용된 항공용 금속 합금의적용시기와 항복강도 [6]

bull 알루미늄-리튬 합금 (Al-Li alloys)

Li (리튬)은 금속 중 가장 가벼운 소재로서 1980

년대 중반 Al-Li합금이 개발된 후에 고분자 복합

재료의 적용으로 급속히 대체되던 알루미늄 합금을

이어 항공기용 구조용 금속 합금 소재로서 2000

년대 들어 새로이 부각되고 있는 소재이다 Li

1를 기존의 알루미늄 합금에 적용하면 합금의

밀도는 약 3 감소되고 강성은 6 증가하는 것

으로 알려져 있다 Li은 기존 금속에 비해 밀도가

7-10 작은 반면에 강성은 10--15 정도 높고 우수한

내피로 및 극저온에서의 우수한 인성 특성을 가져

항공기용 구조용 소재로의 적용이 증가하고 있다

이는 기존의 알루미늄 합금에 비해 Al-Li합금은

피로 균열성장에 대한 저항특성 우수하고 또한

항공기의 무게 절감 효과가 상당히 크기 때문에

최근의 항공기의 효율 향상과 연료를 절감하기

위한 항공업계의 엄청난 노력과 부합되기 때문으로

판단된다 또한 일부 부분에서는 기존의 복합재료

적용시보다 Al-Li합금 적용의 경우 공정상 별도의

큰 투자가 요구되지 않기 때문에 비용이 절감되는

것으로 분석되어 일부 복합재료 부분을 대체하는

경우도 있다 Al-Li 합금이 적용되는 항공기 부품

으로는 앞전(leading edges) 및 뒷전 (trailing

edges) 시트 트랙 (seat track) 날개 외피 (wing

skin) 접근 커버 (access cover)등이 있다 군용기

의 부품으로는 주익 박스 (main wing box) 중앙

동체 조종면(control surfaces)등에 적용되고 있으며

기타 헬리콥터 로켓 및 위성체에서는 기존의 알루

- 7 -

미늄 부품의 대체재로 적용이 되고 있다 특히 Al-Li

합금은 극저온에서의 인성이 뛰어나 우주용 발사체

추진부의 액체산소탱크 수소연료탱크 등의 극저온

탱크 (cryogenic tankage)에의 적용이 늘어나고 있

다 현재 사용으로 판매되는 제품으로는 Weldalite

049 Alloy2090 2091 8090 등이 있으며 기존의 고

강도 알루미늄 합금에 비해 가격은 2-4배 비싼 편이

다 최근에는 복합재료 소재에 밀려 사용량이 줄어

드는 기존의 알루미늄 합금대신 부식에 매우 강하고

손상허용 특성이 향상된 2x99 및 7x5x Al-Li 합금

(ALCOA사)이 항공기의 경량화를 위한 소재로 적용

이 늘고 있다

bull 티타늄 합금 (Titanium alloys)

티타늄 합금은 강철 등에 비해 낮은 밀도를 가지면

서 높은 용융점 낮은 열팽창계수 우수한 내열 특성

및 고온에서의 비강도가 우수하고 내식성 (corrosion

resistance) 내산화성 (oxidation resistance)도 탁월

하다 미국의 초고속 첩보기 SR-71 구조물의 주소재

로서 85 wt (복합재료는 15 wt) 사용된 티타늄

합금은 항공기 및 미사일 등의 성능이 급속히 높아짐

에 따라 항공기용 구조용 내열 소재로 적용 범위가

넓어지고 있다 하지만 단점으로는 가격이 비싸고

제조공정이 상대적으로 어렵고 149~315 온도

범위에서 creep 변형이 발생할 수 있다 저온에서 액체

기체 산소와 접촉하면 심한 반응이 유발되고 표면

변화가 발생하므로 유의 하여야 한다 또한 메탄올

과 질소4산화물 (Nitrogen tetroxide)과 접촉시 응력

부식 균열 (stress corrosion crack)이 230~260의

온도 범위에서 소금에 의해 응력 부식이 발생할 수

있다 전자기 차폐 (electrical and magnetic

screening) 특성도 합금강에 비해 낮은 편이다 대표적

인 합금으로는 Ti-6Al-4V 이 있으며 입증 강도(proof

strength) 는 약 106 kgmm2 비강도는 24kgmm

2

이다 항공기에 적용시 -200~ 500 온도 범위에서

사용되고 있다 판 형태 (sheet form) 제품은 방화벽

(fire wall) 엔진 베이 도어 (engine bay door) 제트

파이프 덮개 (jet pipe shrouds)의 소재로 사용되며

단조품(forgings)이나 막대(bar)형은 항공용 가스터빈

압축기의 디스크 및 블레이드용 소재로 사용되고

있다

bull 마그네슘 합금 (Magnesium alloys)

마그네슘 합금은 항공기에 사용되는 금속 재료 중

비중(specific gravity)이 가장 작은 금속으로 알루

미늄 합금의 비중이 25~28 인 것에 비해 비중이

약 18 정도이다 강도는 알루미늄 합금에 비해 낮은

편이다 마그네슘이 산화성이 높아 주조시 급격한

반응에 의한 폭발 위험성이 내재되어 활발히 적용

되지 못하였으나 최근 국내에서도 신 주조 공정기술

이 개발되어 항공 및 자동차 부품의 경량화에 대한

관심이 높아짐에 따라 그적용이 활발히 모색되고

있다 하지만 마그네슘 합금의 부식성도 높아 부식

을 방지하기 위한 표면처리가 요구되는 단점이 있

다

bull 합금강 (Steel alloys)

강철은 강도가 매우 우수하고 가격이 저렴하며 내

마모성 및 전자기 차폐 특성도 우수한 반면에 무게

가 무거워 비강도는 매우 작은 편이기 때문에 특히

항공기의 부품중 강도가 크게 요구되는 부위에 사용

되고 있다 대표적인 합금강으로서 HY-180

(10Ni-Cr-Mo-Co)합금강은 매우 큰 파괴인성을 갖고

있어 피로 및 파괴에 취약한 부품인 수평꼬리 부착

피팅 (horizontal tail attach fitting)과 엔진 마운트

피팅에 적용되고 있다 PH12-8Mo 합금강은 항공기의

일반적인 pin lock 피팅류에 적용되는 소재이다

bull 니켈합금강 (Nickel alloys)

니켈 합금강은 고온에서도 매우 높은 강도를 유지하

므로 항공기의 엔진 부품으로 많이 사용되나 매우 무겁고

가공이 어려운 단점이 있다 향후에는 좀 더 가벼운

고온용 합금강의 개발이 시급히 요구 되고 있다

복합재료 (Composite materials)

복합재료는 2개 이상의 소재를 사용하여 각각의 소재

의 장점을 살려 새로운 특성을 갖도록 인위적으로

만든 소재를 의미한다 주로 힘을 전달하는 섬유

(fiber)와 섬유를 보호하고 모양을 유지하는 기지

(matrix)로 구성되는 것이 일반적이다 이밖에 섬유를

보호하는 재료와 기타 첨가재 등도 사용되나 복합재료라

하면 섬유와 기지를 총칭하는 게 일반적이다 항공기의

구조용 소재로는 유리섬유 케블라 탄소섬유 등등의다양한

- 8 -

보강용 섬유와열가소성(thermoplastic) 열경화성 (thermosetting)

고분자 수지가 일반적으로 많이 사용되고 있다 보잉

787에 적용된 복합재료로서 전체 구조물 무게의 약

43 (무게로는 35 톤)가 사용된 탄소섬유에폭시 복합

재료가 향후에도 대표적인 대형 항공기의 구조용 소재로

예상되므로 주로 탄소섬유 복합재료에 대해 기술하고자

한다 탄소섬유도 원천소재에 따라 PAN 및 Pitch 기반

탄소섬유로 분류 된다 전자는 원사인 Polyacrylonitrile을

고온로에서 태워 다양한 열처리 공정을 거쳐 생산되며

강도가 우수하고 가격이 상대적으로 저렴하여 항공기

구조용 소재로 많이 사용되고 있는 섬유이다 반면에

후자는 석유정제후의 부산물인 피치 (pitch)를 실

(filament)로 뽑아 이를 PAN과 유사한 공정을 거쳐

만들어지며 구리나 은 등의 금속소재와 대등할 정도로

열전도 특성이 매우 크고 강성이 우수하여 특히 우주용

구조물 소재로 사용되고 있고 값도 일반적으로 고가이다

탄소섬유도 추가 열처리 여부에 따라 Carbon섬유와

그래파이트(Graphite)섬유로 분류될 수 있으며 후자가

추가 열처리되어 일반적으로 물성이 더 우수하고 고가

이다 또한 동일 기반 탄소섬유라 하더라도 물성 등급

및 가격에 따라 시장 구조가 Fig 15와 같이 분류될 수

있다[7] 고급용 (high-end usage) 탄소섬유는 고강도

고강성 섬유로서 섬유직경이 작고 주로 항공기 구조용

소재로 사용되며 당연히 고가이다 중급 및 저급 탄소

섬유는 비항공기 시장인 스포츠 및 기타 산업용 소재로

사용되어 상대적으로 저가이다 참조로 B787에는 탄소

섬유가 무게로 약 23톤이 사용되고 있다 Fig 16은 강성

의 크기에 따라 인장강성 (tensile modulus)를 고중저(high

intermediatestandard)의 단계로 구분한 그림이다[7] 항

공기 부재의 강성 요구도에 따라 시장에서 소재를 적절히

선택할 때 유용하다 탄소섬유를 항공기의 구조물에

적용하는 경우 구조물의 손상여부가 항공기의 생존성

여부에 중요한 영향을 미치는 정도에 따라 구조물을 1차

및 2차 구조물 (또는 주 및 부구조물)로 분류할 수 있다

Fig 17은 주 및 부구조물과 우주용 구조물에 적용되는

탄소섬유의 강성 및 강도 범위를 버블로 표시한 것으로

이 또한 관련 구조물의 소재 선정시에 유용하게 활용

될 수 있다[7] 복합재료 항공기의 대표적 주구조물인

날개나 동체의 경우 적용되는 탄소섬유는 인장강도의

범위가 약 50~ 70 GPa 강성의 범위가 약 300~400

GPa이 되는 소재를 염두에 두고 선정할 수 있겠다

(a) (b)

Fig 15 PAN기반 탄소섬유의 (a) 등급 및 (b)

적용에 따른 시장구조 [7]

Fig 16 탄소섬유의 단계별 인장 강성 구분 [7]

Fig 17 항공기용 주부구조물 및 우주용

탄소섬유의 인장 강성-강도 버블 차트 분포 [7]

Fig 18은 보잉사의 복합재료 항공기인 B787의 주

소재로서 탄소섬유 (T800급)를 독점 공급하고 있

- 9 -

는 Toray에서 생산되는 PAN기반 탄소섬유의 인장

강도 및 인장강성의 버블 분포도이다[7] 현재 시장

점유율 40 여로 세계최대 항공 산업용 탄소섬유

공급업체인 Toray사가 생산하는 탄소섬유 중

T700 T800 T1000 등이 항공기용 주구조물에 적합

하고 T300 T400은 부구조물 M55J M60J M65J

등은 고강성이 요구되는 우주용 구조물 소재로

적합한 탄소섬유 소재이다 Toray의 제품명중 T

는 강도를 M은 강성을 의미한다

Fig 18 Toray(일본)의 PAN기반 탄소섬유의 인장

강성-인장강도 버블 차트 [7]

이 밖에 금속 합금과 복합재료를 장점을 갖도록 만든

섬유금속 적층판 (Fiber Metal Laminates) 등의 하이

브리드 소재가 항공기의 신소재로서 활용되고 있다

4 항공기 구조용 소재의 요구조건과 재료지수

항공기의 구조용 소재는 항공기의 각 부위가 받는

하중의 특성 및 요구 기능 및 성능에 따라 차별화된

소재가 사용되는 것은 당연하다 항공기의 구조물에 작용

하는 정적동적 하중과 장기간에 걸쳐 작용하는 피로

하중 (fatigue loads) 및 환경 조건(environmental

conditions) 등이 소재 선정에 있어서 신중히 고려되

어야 한다 Fig 19는 소재의 기본 특성인 강성과 강도

파괴인성 (또는 인성) 및 무게와의 항공기의 기본거

동의 연관성을 잘 도시해 주고 있다[4]

Fig 19 항공기와 소재 특성 비교 [4]]

항공기의 구조적 성능을 좌우하는 구조물의 소재는

우선적으로 항공기의 안전 (safety)를 다음으로는

성능을 보장해주어야 한다 강인한 소재를 사용함

으로써 항공기의 구조적 안전도를 높일 수 있으나

소재 자체의 무게가 무겁거나 과도 설계되는 경우

에는 항공기의 성능이 저하될 수 있으므로 항공기

제작사들은 가급적 강인하면서도 가벼운 소재에

많은 관심을 갖고 가급적 설계하중을 견디면서

무게를 최소화하려고 여러 가지 설계기법을 함께

개발하고 있다

항공기의 구조용 소재로서 일반적으로 갖추어야

할 조건 등을 일부 열거하면 다음과 같다

Choosing materials-desirable properties

bull 높은 비강도 및 비강성

bull 일관성 있고 예측 가능한 물성값

bull 부품에서의 균일성 및 방향에 따른 균질성

bull 높은 내식성

bull 난연성 및 내인화성 생산사용수리중의 안전성

bull 적당한 가격

- 10 -

bull 내피로 특성 높은 인성(toughness GIC)

bull 사용 온도구간에서의 적절한 요구강도

Fig 20은 항공기의 부위별 하중 특성에 따라 해당

소재가 만족하여야할 기계적 특성을 나열 도시한

것이다[8] 하중의 종류로는 인장 압축 굽힘 비

틀림 피로 환경하중 등 다양한 종류가 항공기

각 부위 및 부재에 작용할 수 있으며 대표적인

하중 및 작동모드에 따라 해당하는 부품의 소재를

선정할 필요가 있다 여기서 각 부위별로 요구되는

기계적 물성 또는 요구특성은 다음과 같은 종류

가 있다

FAT 내피로성 (fatigue resistance)

FCG 피로균열 성장 (Fatigue Crack Growth)

dadN 피로균열성장률 (fatigue crack growth rate)

σFS 피로강도 (fatigue strength)

COR 내부식성 (corrosion resistance)

KIC 파괴인성 (Fracture toughness)

KISCC 응력부식파괴 (stress corrosion

cracking fracture)

E 강성 (modulus)

σTS 인장강도(Tensile strength)

σYC 압축 항복 강도 (Compressive yield

strength)

σYT 인장 항복 강도(Tensile yield strength)

τSS 전단 강도 (shear strength)

Fig 20에서 항공기를 구성하는 각 부재별로 나열된

요구 물성 특성 순서는 우선적으로 고려해야 할

특성을 중요 순으로 배열한 것이며 ( )안은 설계

에는 반영하여야 하나 중요도는 상대적으로 떨어

지는 것을 의미한다 항공기의 핵심 부재별 고려

해야할 물성 또는 기계적 특성을 Table 1에 정리

하였다 [4 9]

항공기의 비행시 각 부재에 작용하는 대표 하중이

제시되면 각 부재를 구성하는 연결봉재 판재 또는

보(beam) 등의 기본 형상에 따라 무게 (또는 비용)를

최소화 하면서 강성 또는 강도 등을 유지 할 수

있는 재료지수 (material index)를 Table 2에 제시

한 바와 같이 계산으로 추출할 수 있다[4]

Fig 20 Critical requirements of airframe

components [8]

Table 1 Critical requirements of airframe

components

항공기주요

부재명

대표작용하중

비고(고려할 물성특성 순서)

날개상단(wingupper)

굽힘에의한 압축

비행시 굽힘에 의한 판재의압축 무게최소화(E

⅓ρ σYCρ KISCC )

날개하단(winglower)

굽힘에의한 인장

비행시 굽힘에 의한 판재의인장 (Eρ σYSρ KISCCCOR σFS dadN)

동체(fuselage)

인장압축굽힘비틀림내부압력

대표하중은판재의 인장무게최소화(E⅓

ρ σYSρ COR σFS dadN)

보강재(sparribs)

굽힘 좌굴

외피를 내부에서 보강 하중분산 역할 굽힘 하중을 받아날개하중 조건과 유사(Eρ σYSρ KISCC σFS dadN)

착륙기어(landing

gear)

정적하중피로하중

무게는 중요하지 않음 내피로파괴특성내응력부식특성 요구(E σYS dadN KIC KISCC)

조종면(controlsurfaces)

경하중경하중 부재는 강도보다 강성우선 고려

외피재(skin

material)환경하중

환경노출에 의한 내부식 특성초음속 항공기의 경우 내열특성 요구

날개의 상단부를 구성하는 판재가 굽힘에 의해

압축을 받는 경우 강성을 유지 (강성제한설계

stiffness-limited design)하면서 무게를 최소화 시키기

위해서는 물질지수 E⅓

ρ를 가급적 최대화 할 수

있는 재료를 선정하여야 한다 또한 이 판재는 소성

의 발생 없이 어느 정도 외부 인장 하중을 견디는

- 11 -

Table 2 작용하중과 부재형상에따른고려해야할 재료지수

기본형상

연결 봉재

(Tie-rod)

판재

(Panel)

보

(Beam)

작용하중 인장 굽힘 굽힘

모양

(shape)

강성제한설계

무게최소화Eρ E⅓ρ E

12ρ

강도제한설계

무게최소화σYSρ σYS

12ρ σYS

23ρ

강도제한설계

재료비용

최소화

σYSCmρ σYS12

Cmρ σYS23

Cmρ

Cm 단위 무게당 재료비용

강도를 유지 하면서 무게를 최소화 하여야 하는

경우에는 재료지수가 σYSρ (단순 인장시) 또는 σ

YS12

ρ (판재의 굽힘에 의한 인장시) 가 최대가 되는

소재를 차선으로 선정할 필요가 있다 한편 Table 3

에 제시한 바와 같이 항공기 부품 등에 따라 하중이

제한되는 조건에 의한 설계 (load limited

design) 또는 스프링이나 플라이휠 등과 같이

에너지를 최대한 저장해야하는 부재와 같이 에너지

가 제한되는 설계(energy limited design) 및 탄성

힌지 (elastic hinge)와 같이 변위를 제한하는 설계 등

설계적용 방식이 다른 경우가 있다[4] 일례로서

탄성힌지와 같이 작용 하중은 작으나 탄성힌지로서

최대변형률을 가지며 작은 곡률반경을 가질 정도로

굽힘 특성이 우수 하고 재료 내에 소성 및 균열이

발생하지 않으려면 재료지수 σYSE가 최대값을 갖는

재료를 후보군으로 먼저 선정하여야 한다 파괴

인성 (fracture toughness KIC)은 재료 내에 균열이

발생하여 성장하는 경우 재료의 크기와는 상관없이

Mode I 균열선단에서 균열성장에 저항하는 정도를

나타내는 재료 물성치 (material property)이다

한편 균열의 성장은 재료 내에 축적된 탄성에너지

가 새로운 균열면을 만드는데 소요되는 에너지로

방출(release) 되는 일종의 비가역 에너지 변환에

의하여 진행된다고 생각 할 수 있다 이때 KIC 뿐만

아니라 재료의 탄성 계수와 함께 연관된 물성 임계값

은 인성 (toughness mode I critical strain energy

Table 3 설계형태와 균열의 가정 유무에 따른 재료 지수

Designtype

부재예 요구항목

Materialindex

Nocrack

Fracturesafe

하중제한설계 wing-spar

최대하중

까지

파괴되지

않음

σYS

최대화

KIC

최대화

에너지제한설계

스프링

flywheel

turbine

containment

system

최대탄성

에너지

저장까지

파괴되지

않음

σYS2E

최대화

KIC2E

(asympGc)

최대화

변위제한설계

elastic

hinge

커플링

큰변형률

유지

σYSE

최대화

KICE

최대화

release rate Jm2 ) 으로 정의되어 다음과 같이

표현된다

GIC = KIC2E (1)

즉 mode I 하중이 균열선단에 작용하고 단위면적

당 에너지 GIC (Jm2 )가 균열면 생성에 공급되면

균열이 성장하는 개념으로 생각 할 수 있다 재료

의 인성은 KIC가 증가하면 증가하고 E가 커지면

(즉 취성이 증가하면) 감소함을 알 수 있다

재료의 강도 (strength)는 소성 흐름 (plastic flow)에

저항하는 정도를 표시하는 재료상수 로서 강도가

크면 일반적으로 σYS가 크고 소성역 (plastic

zone)이 상대적으로 작아져서 취성이 증가하게 된다

즉 crack 선단에서의 소성역에서의 에너지흡수가

저하되어 재료의 인성 (toughness)은 일반적으로

감소하게 된다

단조합금(wrought alloy)의 경우 강도가 증가함에

따라 인성이 약간 저하되는 경향이 있으며 주조

합금(cast alloys)의 경우에는 인성이 더 크게 저하

된다 이는 inter granular boundary failure에 의한

취성의 증가 때문으로 판단된다 주조합금은 용융

상태의 금속을 filtering하여 불순물을 제거하면

인성을 크게 증가시킬 수 있다

5 소재 선정

새로운 항공기의 개발시 어떻게 제작가능하고 높은

- 12 -

내구성과 성능을 가진 항공기 구조물을 설계 하느냐

와 함께 높은 요구 성능을 가진 항공기를 어떠한

소재를 적용하여 구현 할 수 있느냐도 항공기 개발시

중요한 고려사항이다 적용된 소재에 따라 항공기의

수명기간 동안 성능의 구현뿐만 아니라 저렴한

생산 공정 적용 및 향후 용이한 검사수리유지

경제적환경 친화적 운용 등이 좌우되기 때문에

최적의 소재 선정은 그 중요성을 아무리 강조해도

지나치지가 않다 이러한 소재의 선정은 소재 자

체의 물성값 (material properties) 등에 크게 좌우

된다

Fig 21은 소재선정 절차를 도시한 것으로 설계요구

조건으로부터 소요 형상 및 특성 요구치 등의 제한

조건을 부여하여 이를 만족하고 또한 제조공정이

적합한 소재 후보군을 선택한다[4] 이 들 후보군

들에 대해 비용 및 경제적 효가 등을 고려하여

최종 선정을 하게 된다

Fig 22는 시장의 수요로부터 도출된 소재와 공정의

선정과 구체화를 거쳐 최종적으로 제품 규격서

(product specification)의 산출까지의 구현과정을

도시하고 있다[4]

한편 앞장에서 언급한 바와 같이 항공기의 각 부재별

하중 형상 특성으로부터 도출된 재료지수를 바탕

으로 각각의 요구 특성을 만족하는 소재를 선정

하기 위해서는 Fig 23과 같이 각 소재군을 x y축에

각각 1개씩 2개의 물성별로 버블형태로 포괄적으로

구성한 차트가 매우 요긴하게 활용될 수 있다

Fig 21 설계요구조건과 소재선정 과정 [4]

Fig 22 소재-공정 선정 단계와 제품 규격서 산출[4]

이때 각 물성치는 소재군 별로 차이가 매우 크므로

각 축의 물성은 상용로그 scale로 표시하여 작성

하는 것이 일반적이다 버블차트는 2가지 특성을

동시에 도시할 수 있고 이들 특성의 제한조건 (요구

조건)을 만족하는 소재 후보군을 쉽게 도시화 할 수

있다 이들 버블차트를 손쉽게 구현하기 위해서는

다양한 소재별로 물성값 데이터베이스를 폭넓게

확보하고 있어야 한다 이들 데이터베이스를 프로그램

화 하여 원하는 2가지 특성을 버블차트로 만들

수 있는 프로그램이 상용화되어 판매되고 있다

4장 Table 2에 제시한 바와 같이 강성제한 설계를

적용하여 판재의 무게를 최소화 하면서 굽힘 강성

의 최대값을 주는 소재를 선정하려면 우선 Fig

23과 같이 재료의 탄성계수와 밀도를 도시한 버블

차트를 이용하고 재료지수인 E⅓

ρ 가 최대가 되는

소재를 선정하여야 한다 이때 보통 재료지수에

제한조건 (constraint)이 상수 등으로 주어지므로

양변에 상용로그를 취하면 y축인 logE 와 x축인

logρ 사이에 기울기가 3인 직선이 형성된다

제한조건이 주어지는 경우 각 버블군과 만나는

소재들이 이 조건을 만족하는 것으로 소재후보가

선정되게 된다 이때 또 다른 제한조건이 주어지는

경우 점차 소재군의 폭이 좁아지고 최종 소재가

구체화되어 선정되게 된다 제한조건이 없이 시작한

경우 점선을 좌로 이동시켜가면서 만나는 소재군

이 좀 더 큰 재료지수를 가지므로 후보군에 가까

운 소재이다 한편 강성제한설계가 아니라 강도

- 13 -

제한설계로 요구되는 경우 재료지수는 동일 판재

의 경우 σYS12ρ가 되므로 σYS와 ρ를 도시한 버블

차트를 이용하여 위에 유사한 절차로 무게를 최

소화 하는 소재군을 선정할 수 있다 한편 Table

3과 같은 제한설계 방식에 따라 요구되는 재료지수

를 최대화 하는 소재를 찾고자 하는 경우에는

Fig 24 (균열이 없는 경우) 또는 Fig 25 (균열을

고려한 경우)와 같이 σYS-E 또는 KIC-E 버블차트가

요구되며 선정 과정은 앞의 경우와 동일하다

Fig 23 각 소재군별 탄성계수-밀도 버블 차트 [4]

Fig 24 탄성계수-항복강도 버블차트 [4]

일반 민간항공기와는 달리 초음속 비행이 가능한

전투기 또는 초음속 여객기 등의 개발시에는 초

음속으로 비행시 외부 동체 및 날개 등에 가해지

는 공기와의 마찰에 의한 높은 온도 상승을 재료

선정시 반드시 고려하여야 한다 Fig 26은 항공기

표면의 방사율 (emissivity)이 09인 항공기가 고공

23km 온도 -56degC인 대기권을 초음속 비행할 때

항공기 표면에서의 온도 분포 그림이다[10] 전체

표면 온도가 100 degC에 이를 만큼 뜨거운 상태임

을 알 수 있다 복합재료가 동체와 날개에 적용되는

경우 재료의 사용온도에서의 강도값을 소재선정 및

구조물의 설계에 반영하여야 한다 Fig 27은 이때

참조하여야 할 각종 소재의 최대 사용 온도 (max

service temp)에서의 강도값을 제시해 주고 있다[4]

Fig 25 파괴인성-탄성계수 버블차트 [4]

Fig 26 Skin heating across the airframe [10]

Fig 27 소재별 최고사용온도와 강도의 버블차트 [4]

- 14 -

최근에는 스텔스 기능 등을 가지는 항공기가 등장함에

따라 항공기의 구성 소재가 기존의 하중만을 단순

지지하는 구조물에서 최근에는 하중과 함께 전자파

흡수나 투과 또는 방열특성 등의 복합기능을 요구하는

기능성 구조물로의 설계요구가 늘어나고 있다 이러한

경우에는 재료의 강도뿐만 아니라 유전특성 등을 고려

하여 선정을 하여야 한다 지금까지 소재선정과 버블

차트이용을 주로 언급하였으나 필요시에는 Fig 28과

같이 여러 가지 특성을 비교할 수 있도록 표시하면

재료의 장단점을 잘 비교하여 소재의 선정에 도움이

될 수 있다[1]

Fig 28 Property envelopes for aluminium alloys [1]

6 항공기 구조용 소재의 개발동향

민간항공기 산업은 제품의 생산주기 (product life

cycle)상 성숙기에 다다른 산업으로 2008년도의 유가

급등에 따른 경제 위기이후 민간항공기 분야에서는

친환경적이고 고효율의 성능을 가진 항공기가 점차

요구되고 있다 최근의 새로운 항공기는 복합재료 기체

(composite airframe)의 적용으로 인한 항공기의 경량화

첨단 고효율 엔진 장착으로 인한 연비 극대화 및 첨단

전자시스템 (avionics)의 도입으로 인한 안전도 향상

공기역학적 최적설계로 항력 절감 등을 통해 기존의

항공기와 차별화 되고 있다 이러한 차별화된 항공기

기체를 제조하기 위해서는 고기능 특성을 가진 첨단

신소재의 개발이 무엇보다 요구되고 있다 최근 복합

재료가 항공기의 주구조물에 까지 적용되기 시작 하였

으나 새로운 소재에 대한 요구도는 점차 높아지고

있는 추세이다 나노기술의 성과 축적에 따라 최근에는

나노입자를 보강하거나 탄소나노튜브 자체를 길이방

향으로 성장시켜 장섬유로 기존의 복합재료와 같은

새로운 소재를 구성하려는 연구도 활발히 진행이 되고

있다 가까운 미래에 탄소-탄소 공유결합으로 강인한

특성을 지닌 탄소나노 섬유 (carbon nano fiber)로

이루어진 단일방향 프리프레그나 직물형 프리그레그

(prepreg)가 개발되는 경우 이들의 파급효과는 기존의

어떠한 구조재료보다 더 클 것으로 예상이 되고 있다

이들 초경량 소재를 적용하여 항공기를 설계하는 경우

기존의 항공기와는 다른 형상의 첨단 항공기가 등장

할 수 있을 것 판단된다 한편 기존의 금속 합금도

알루미늄 합금에서 벗어나 보다 넓은 범위의 Al-Li

합금의 적용이 활발해질 것으로 예측되고 있다 최근

에어버스사는 버튼하나로 외부의 경치를 360도 사방

으로 관람할 수 있는 첨단 신소재를 적용

(see-through 기술)한 자사의 미래형 민항기 (concept

airplane)를 발표하였다(Fig 29 참조)[2] 이와 같이

첨단 기능성 구조재료는 항공기의 기존 개념을 상상

할 수 없을 정도로 바꿀 수 있는 가능성을 제공하고

있음을 알 수 있다

Fig 29 Airbus사의 미래형 신개념 민간항공기[2]

최근에는 항공기 임무의 고도화와 첨단화에 따라

방열기능 복합재료 전자파 에너지 흡수 복합재료

전자기파 차폐용 복합재료 등의 기능성 특성을 지니

면서 초경량 구조용 소재로 활용될 수 있는 군사용

복합재료의 개발 필요성 크게 증대되고 있다 민간

- 15 -

항공기에도 스마트 구조물 구현을 위한 형상기억합금

(Shape Memory Alloy SMA) Piezo Actuator를

이용한 형상변형 (Morphing) 구조물 등이 최근 적용이

적극적으로 시도 되고 있다 (Fig 30 참조)[11] 이와

같이 공기역학적 성능형상을 구현하기 위한 형상

변경의 필요성은 기존 신소재와 복합재료의 하이브리드화

를 통해 새롭게 조명 받고 있다 한편 국내외적으로

스텔스 기능을 가지는 구조물이나 전자파를 흡수하

거나 선택적으로 통과 및 반사하는 레이돔과 같은

기능성 구조물에 대한 관심이 높아지고 있다 Fig

31은 Volvo사의 자회사인 스웨덴의 ACAB사의 레이돔

의 소재로서 주파수를 선택적으로 투과하는 표면을

갖도록 제작된 유리섬유 보강 복합재료의 표면 샘플

을 보여주고 있다 이와 같이 기존의 단순한 하중

을 전달하거나 지지하도록 제작되는 항공기 구조물

에서 벗어나 최근에는 센서 및 작동기와 같은 것을

내장하는 고부가가치의 지능형 항공기 구조물(smart

aircraft structures)이 점차 늘어나고 있는 추세이다

7 맺는 말

2004년 이후 2008년도 유가 급등기까지 전 세계

민간항공기 운항사의 80이상은 적자 상태에 있

었다고 분석되고 있다 이는 유가가 항공기 운용비

(operating cost)의 50 ~ 60를 차지하게 된 것에

기인하는 것으로 석유의 고갈이 점차 다가옴에 따라

항공기 제조사들은 항공기의 경량화를 통해 좀 더

효율적인 항공기를 개발하여 항공기 운항사에 공급

하려고 부단히 노력하고 있다

이와 같이 많은 이익을 줄 수 있는 항공기의 경량화

목표 실현은 바로 구조용 소재의 개발과 소재의

적절한 적용에 달려있다고 볼 수 있다 특히 날로

치열해지는 국제 경쟁 환경에서 자주국방 확립과 밀접

한 연관성이 있는 항공용 소재는 대부분의 경우가

선진국의 수출통제 (EL Export License) 대상의 규정

되어 있어 한국의 의욕적인 항공기의 개발에 많은

장애 요인 중의 하나로 자리 잡혀 있는 것이 현실

이다 최근 전 세계 항공 산업은 대형 민간항공기

의 경우 미국의 보잉과 유럽의 에어버스의 양대

기업으로 개편되어 시장을 놓고 치열한 경쟁이 이

루어지고 있다

Fig 30 (a) Chevron and (b) Aero-gurney with variable

geometry morphing function for B787

application[11]

Fig 31 스웨덴 ACAB (wwwacabcom)사의 FSS

(frequency selective surfaces) 레이돔용 소재

틈새시장인 중형기 (mid-sized aircraft)는 브라질의

Bombardier사가 시장의 35 ~40를 차지하고 있으며

여기에 중국 러시아 및 일본 등이 자국 항공기의

개발을 통해 신흥 항공기 제조국가로 발돋움 하려고

부단히 경쟁하고 있는 추세이다 최근 정부에서는

2010년 초에 항공 산업 발전 기본 계획

(2010~2019)을 수립 제시하면서 새로운 미래의 도약

산업으로서 항공 산업의 발전을 도모하고 있다

하지만 역사적으로 소재공정 (material processing)

기술을 자체 확보하지 못한 국가가 항공 산업에서

우위를 차지한 적이 없는 만큼 한국이 틈새시장에

서나마 안정적인 시장을 확보하려면 항공 관련 소재

산업이 뒷받침 해주어야 한다고 판단된다 단기적

으로는 경량화의 꽃인 경쟁력 있는 탄소섬유의 개발이

무엇보다 강력하게 요구되고 있으며 보다 중기적

- 16 -

으로는 나노소재기술의 개발 및 상용화 장기적으로는

니켈합금 보다 가볍고 우수한 고온용 소재 Al-Li

합금 고분자복합재료보다 우수한 소재 등의 신소재

개발이 한국의 항공 산업을 든든하게 받혀 줄 수

있는 저력이 될 것이라고 판단된다

본 기고문은 한국항공우주산업진흥협회가 주관하는

2010년 항공우주부품기술개발사업 정책지정과제

lsquo중형항공기 핵심기술개발 선행연구lsquo의 지원을 받아

작성되었습니다

참고문헌

[1] B Cantor H Assender and P Grant eds

Aerospace materials Institute of Physics

Publishing 2001

[2] Airbus 홍보자료

[3] Aerospace Industry Outlook - Implications

for Composite Demands Composite

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and Design University of Cambridge UK

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San Antonio Texas Nov 29 2006

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Torayrsquos Strategy for Carbon Fiber Composite

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[9] T Burg and A Crosky Aeronautical

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[10] JA Charles FAA Crane and JAG

Furness Selection and Use of Eng Matls

3rd Edition Oxford 1997

[11] Boeing 홍보자료

- 6 -

Fig 12 항공기 적용 알루미늄 합금계열의

열처리에 따른 분류 [5]

Fig 13은 항공기에 사용된 알루미늄 합금의 종류

를 항공기 부위 별로 사례를 들어 소개한 그림이다

[5] 이와 같이 항공기 부위별로 하중조건이 달라

지고 피로특성도 다르므로 이에 대한 소재 선정

요구조건도 달라지므로 이에 대한 설명은 다음

절에서 상세히 다루도록 한다

Fig 13 민간항공기 주요 부위에 적용된 알루미늄

합금 종류 적용 사례 [5]

Fig 14는 항공기에 적용된 금속 합금 (주로 알루미늄

합금)의 항공기 부위별 첫 적용 시기와 항복강도

를 표시해 주고 있다 최근에도 최신 항공기의 특정

부품에 첫 적용되는 알루미늄 합금이 다수 있음

을 알 수 있다

Fig 14 항공기에 첫 적용된 항공용 금속 합금의적용시기와 항복강도 [6]

bull 알루미늄-리튬 합금 (Al-Li alloys)

Li (리튬)은 금속 중 가장 가벼운 소재로서 1980

년대 중반 Al-Li합금이 개발된 후에 고분자 복합

재료의 적용으로 급속히 대체되던 알루미늄 합금을

이어 항공기용 구조용 금속 합금 소재로서 2000

년대 들어 새로이 부각되고 있는 소재이다 Li

1를 기존의 알루미늄 합금에 적용하면 합금의

밀도는 약 3 감소되고 강성은 6 증가하는 것

으로 알려져 있다 Li은 기존 금속에 비해 밀도가

7-10 작은 반면에 강성은 10--15 정도 높고 우수한

내피로 및 극저온에서의 우수한 인성 특성을 가져

항공기용 구조용 소재로의 적용이 증가하고 있다

이는 기존의 알루미늄 합금에 비해 Al-Li합금은

피로 균열성장에 대한 저항특성 우수하고 또한

항공기의 무게 절감 효과가 상당히 크기 때문에

최근의 항공기의 효율 향상과 연료를 절감하기

위한 항공업계의 엄청난 노력과 부합되기 때문으로

판단된다 또한 일부 부분에서는 기존의 복합재료

적용시보다 Al-Li합금 적용의 경우 공정상 별도의

큰 투자가 요구되지 않기 때문에 비용이 절감되는

것으로 분석되어 일부 복합재료 부분을 대체하는

경우도 있다 Al-Li 합금이 적용되는 항공기 부품

으로는 앞전(leading edges) 및 뒷전 (trailing

edges) 시트 트랙 (seat track) 날개 외피 (wing

skin) 접근 커버 (access cover)등이 있다 군용기

의 부품으로는 주익 박스 (main wing box) 중앙

동체 조종면(control surfaces)등에 적용되고 있으며

기타 헬리콥터 로켓 및 위성체에서는 기존의 알루

- 7 -

미늄 부품의 대체재로 적용이 되고 있다 특히 Al-Li

합금은 극저온에서의 인성이 뛰어나 우주용 발사체

추진부의 액체산소탱크 수소연료탱크 등의 극저온

탱크 (cryogenic tankage)에의 적용이 늘어나고 있

다 현재 사용으로 판매되는 제품으로는 Weldalite

049 Alloy2090 2091 8090 등이 있으며 기존의 고

강도 알루미늄 합금에 비해 가격은 2-4배 비싼 편이

다 최근에는 복합재료 소재에 밀려 사용량이 줄어

드는 기존의 알루미늄 합금대신 부식에 매우 강하고

손상허용 특성이 향상된 2x99 및 7x5x Al-Li 합금

(ALCOA사)이 항공기의 경량화를 위한 소재로 적용

이 늘고 있다

bull 티타늄 합금 (Titanium alloys)

티타늄 합금은 강철 등에 비해 낮은 밀도를 가지면

서 높은 용융점 낮은 열팽창계수 우수한 내열 특성

및 고온에서의 비강도가 우수하고 내식성 (corrosion

resistance) 내산화성 (oxidation resistance)도 탁월

하다 미국의 초고속 첩보기 SR-71 구조물의 주소재

로서 85 wt (복합재료는 15 wt) 사용된 티타늄

합금은 항공기 및 미사일 등의 성능이 급속히 높아짐

에 따라 항공기용 구조용 내열 소재로 적용 범위가

넓어지고 있다 하지만 단점으로는 가격이 비싸고

제조공정이 상대적으로 어렵고 149~315 온도

범위에서 creep 변형이 발생할 수 있다 저온에서 액체

기체 산소와 접촉하면 심한 반응이 유발되고 표면

변화가 발생하므로 유의 하여야 한다 또한 메탄올

과 질소4산화물 (Nitrogen tetroxide)과 접촉시 응력

부식 균열 (stress corrosion crack)이 230~260의

온도 범위에서 소금에 의해 응력 부식이 발생할 수

있다 전자기 차폐 (electrical and magnetic

screening) 특성도 합금강에 비해 낮은 편이다 대표적

인 합금으로는 Ti-6Al-4V 이 있으며 입증 강도(proof

strength) 는 약 106 kgmm2 비강도는 24kgmm

2

이다 항공기에 적용시 -200~ 500 온도 범위에서

사용되고 있다 판 형태 (sheet form) 제품은 방화벽

(fire wall) 엔진 베이 도어 (engine bay door) 제트

파이프 덮개 (jet pipe shrouds)의 소재로 사용되며

단조품(forgings)이나 막대(bar)형은 항공용 가스터빈

압축기의 디스크 및 블레이드용 소재로 사용되고

있다

bull 마그네슘 합금 (Magnesium alloys)

마그네슘 합금은 항공기에 사용되는 금속 재료 중

비중(specific gravity)이 가장 작은 금속으로 알루

미늄 합금의 비중이 25~28 인 것에 비해 비중이

약 18 정도이다 강도는 알루미늄 합금에 비해 낮은

편이다 마그네슘이 산화성이 높아 주조시 급격한

반응에 의한 폭발 위험성이 내재되어 활발히 적용

되지 못하였으나 최근 국내에서도 신 주조 공정기술

이 개발되어 항공 및 자동차 부품의 경량화에 대한

관심이 높아짐에 따라 그적용이 활발히 모색되고

있다 하지만 마그네슘 합금의 부식성도 높아 부식

을 방지하기 위한 표면처리가 요구되는 단점이 있

다

bull 합금강 (Steel alloys)

강철은 강도가 매우 우수하고 가격이 저렴하며 내

마모성 및 전자기 차폐 특성도 우수한 반면에 무게

가 무거워 비강도는 매우 작은 편이기 때문에 특히

항공기의 부품중 강도가 크게 요구되는 부위에 사용

되고 있다 대표적인 합금강으로서 HY-180

(10Ni-Cr-Mo-Co)합금강은 매우 큰 파괴인성을 갖고

있어 피로 및 파괴에 취약한 부품인 수평꼬리 부착

피팅 (horizontal tail attach fitting)과 엔진 마운트

피팅에 적용되고 있다 PH12-8Mo 합금강은 항공기의

일반적인 pin lock 피팅류에 적용되는 소재이다

bull 니켈합금강 (Nickel alloys)

니켈 합금강은 고온에서도 매우 높은 강도를 유지하

므로 항공기의 엔진 부품으로 많이 사용되나 매우 무겁고

가공이 어려운 단점이 있다 향후에는 좀 더 가벼운

고온용 합금강의 개발이 시급히 요구 되고 있다

복합재료 (Composite materials)

복합재료는 2개 이상의 소재를 사용하여 각각의 소재

의 장점을 살려 새로운 특성을 갖도록 인위적으로

만든 소재를 의미한다 주로 힘을 전달하는 섬유

(fiber)와 섬유를 보호하고 모양을 유지하는 기지

(matrix)로 구성되는 것이 일반적이다 이밖에 섬유를

보호하는 재료와 기타 첨가재 등도 사용되나 복합재료라

하면 섬유와 기지를 총칭하는 게 일반적이다 항공기의

구조용 소재로는 유리섬유 케블라 탄소섬유 등등의다양한

- 8 -

보강용 섬유와열가소성(thermoplastic) 열경화성 (thermosetting)

고분자 수지가 일반적으로 많이 사용되고 있다 보잉

787에 적용된 복합재료로서 전체 구조물 무게의 약

43 (무게로는 35 톤)가 사용된 탄소섬유에폭시 복합

재료가 향후에도 대표적인 대형 항공기의 구조용 소재로

예상되므로 주로 탄소섬유 복합재료에 대해 기술하고자

한다 탄소섬유도 원천소재에 따라 PAN 및 Pitch 기반

탄소섬유로 분류 된다 전자는 원사인 Polyacrylonitrile을

고온로에서 태워 다양한 열처리 공정을 거쳐 생산되며

강도가 우수하고 가격이 상대적으로 저렴하여 항공기

구조용 소재로 많이 사용되고 있는 섬유이다 반면에

후자는 석유정제후의 부산물인 피치 (pitch)를 실

(filament)로 뽑아 이를 PAN과 유사한 공정을 거쳐

만들어지며 구리나 은 등의 금속소재와 대등할 정도로

열전도 특성이 매우 크고 강성이 우수하여 특히 우주용

구조물 소재로 사용되고 있고 값도 일반적으로 고가이다

탄소섬유도 추가 열처리 여부에 따라 Carbon섬유와

그래파이트(Graphite)섬유로 분류될 수 있으며 후자가

추가 열처리되어 일반적으로 물성이 더 우수하고 고가

이다 또한 동일 기반 탄소섬유라 하더라도 물성 등급

및 가격에 따라 시장 구조가 Fig 15와 같이 분류될 수

있다[7] 고급용 (high-end usage) 탄소섬유는 고강도

고강성 섬유로서 섬유직경이 작고 주로 항공기 구조용

소재로 사용되며 당연히 고가이다 중급 및 저급 탄소

섬유는 비항공기 시장인 스포츠 및 기타 산업용 소재로

사용되어 상대적으로 저가이다 참조로 B787에는 탄소

섬유가 무게로 약 23톤이 사용되고 있다 Fig 16은 강성

의 크기에 따라 인장강성 (tensile modulus)를 고중저(high

intermediatestandard)의 단계로 구분한 그림이다[7] 항

공기 부재의 강성 요구도에 따라 시장에서 소재를 적절히

선택할 때 유용하다 탄소섬유를 항공기의 구조물에

적용하는 경우 구조물의 손상여부가 항공기의 생존성

여부에 중요한 영향을 미치는 정도에 따라 구조물을 1차

및 2차 구조물 (또는 주 및 부구조물)로 분류할 수 있다

Fig 17은 주 및 부구조물과 우주용 구조물에 적용되는

탄소섬유의 강성 및 강도 범위를 버블로 표시한 것으로

이 또한 관련 구조물의 소재 선정시에 유용하게 활용

될 수 있다[7] 복합재료 항공기의 대표적 주구조물인

날개나 동체의 경우 적용되는 탄소섬유는 인장강도의

범위가 약 50~ 70 GPa 강성의 범위가 약 300~400

GPa이 되는 소재를 염두에 두고 선정할 수 있겠다

(a) (b)

Fig 15 PAN기반 탄소섬유의 (a) 등급 및 (b)

적용에 따른 시장구조 [7]

Fig 16 탄소섬유의 단계별 인장 강성 구분 [7]

Fig 17 항공기용 주부구조물 및 우주용

탄소섬유의 인장 강성-강도 버블 차트 분포 [7]

Fig 18은 보잉사의 복합재료 항공기인 B787의 주

소재로서 탄소섬유 (T800급)를 독점 공급하고 있

- 9 -

는 Toray에서 생산되는 PAN기반 탄소섬유의 인장

강도 및 인장강성의 버블 분포도이다[7] 현재 시장

점유율 40 여로 세계최대 항공 산업용 탄소섬유

공급업체인 Toray사가 생산하는 탄소섬유 중

T700 T800 T1000 등이 항공기용 주구조물에 적합

하고 T300 T400은 부구조물 M55J M60J M65J

등은 고강성이 요구되는 우주용 구조물 소재로

적합한 탄소섬유 소재이다 Toray의 제품명중 T

는 강도를 M은 강성을 의미한다

Fig 18 Toray(일본)의 PAN기반 탄소섬유의 인장

강성-인장강도 버블 차트 [7]

이 밖에 금속 합금과 복합재료를 장점을 갖도록 만든

섬유금속 적층판 (Fiber Metal Laminates) 등의 하이

브리드 소재가 항공기의 신소재로서 활용되고 있다

4 항공기 구조용 소재의 요구조건과 재료지수

항공기의 구조용 소재는 항공기의 각 부위가 받는

하중의 특성 및 요구 기능 및 성능에 따라 차별화된

소재가 사용되는 것은 당연하다 항공기의 구조물에 작용

하는 정적동적 하중과 장기간에 걸쳐 작용하는 피로

하중 (fatigue loads) 및 환경 조건(environmental

conditions) 등이 소재 선정에 있어서 신중히 고려되

어야 한다 Fig 19는 소재의 기본 특성인 강성과 강도

파괴인성 (또는 인성) 및 무게와의 항공기의 기본거

동의 연관성을 잘 도시해 주고 있다[4]

Fig 19 항공기와 소재 특성 비교 [4]]

항공기의 구조적 성능을 좌우하는 구조물의 소재는

우선적으로 항공기의 안전 (safety)를 다음으로는

성능을 보장해주어야 한다 강인한 소재를 사용함

으로써 항공기의 구조적 안전도를 높일 수 있으나

소재 자체의 무게가 무겁거나 과도 설계되는 경우

에는 항공기의 성능이 저하될 수 있으므로 항공기

제작사들은 가급적 강인하면서도 가벼운 소재에

많은 관심을 갖고 가급적 설계하중을 견디면서

무게를 최소화하려고 여러 가지 설계기법을 함께

개발하고 있다

항공기의 구조용 소재로서 일반적으로 갖추어야

할 조건 등을 일부 열거하면 다음과 같다

Choosing materials-desirable properties

bull 높은 비강도 및 비강성

bull 일관성 있고 예측 가능한 물성값

bull 부품에서의 균일성 및 방향에 따른 균질성

bull 높은 내식성

bull 난연성 및 내인화성 생산사용수리중의 안전성

bull 적당한 가격

- 10 -

bull 내피로 특성 높은 인성(toughness GIC)

bull 사용 온도구간에서의 적절한 요구강도

Fig 20은 항공기의 부위별 하중 특성에 따라 해당

소재가 만족하여야할 기계적 특성을 나열 도시한

것이다[8] 하중의 종류로는 인장 압축 굽힘 비

틀림 피로 환경하중 등 다양한 종류가 항공기

각 부위 및 부재에 작용할 수 있으며 대표적인

하중 및 작동모드에 따라 해당하는 부품의 소재를

선정할 필요가 있다 여기서 각 부위별로 요구되는

기계적 물성 또는 요구특성은 다음과 같은 종류

가 있다

FAT 내피로성 (fatigue resistance)

FCG 피로균열 성장 (Fatigue Crack Growth)

dadN 피로균열성장률 (fatigue crack growth rate)

σFS 피로강도 (fatigue strength)

COR 내부식성 (corrosion resistance)

KIC 파괴인성 (Fracture toughness)

KISCC 응력부식파괴 (stress corrosion

cracking fracture)

E 강성 (modulus)

σTS 인장강도(Tensile strength)

σYC 압축 항복 강도 (Compressive yield

strength)

σYT 인장 항복 강도(Tensile yield strength)

τSS 전단 강도 (shear strength)

Fig 20에서 항공기를 구성하는 각 부재별로 나열된

요구 물성 특성 순서는 우선적으로 고려해야 할

특성을 중요 순으로 배열한 것이며 ( )안은 설계

에는 반영하여야 하나 중요도는 상대적으로 떨어

지는 것을 의미한다 항공기의 핵심 부재별 고려

해야할 물성 또는 기계적 특성을 Table 1에 정리

하였다 [4 9]

항공기의 비행시 각 부재에 작용하는 대표 하중이

제시되면 각 부재를 구성하는 연결봉재 판재 또는

보(beam) 등의 기본 형상에 따라 무게 (또는 비용)를

최소화 하면서 강성 또는 강도 등을 유지 할 수

있는 재료지수 (material index)를 Table 2에 제시

한 바와 같이 계산으로 추출할 수 있다[4]

Fig 20 Critical requirements of airframe

components [8]

Table 1 Critical requirements of airframe

components

항공기주요

부재명

대표작용하중

비고(고려할 물성특성 순서)

날개상단(wingupper)

굽힘에의한 압축

비행시 굽힘에 의한 판재의압축 무게최소화(E

⅓ρ σYCρ KISCC )

날개하단(winglower)

굽힘에의한 인장

비행시 굽힘에 의한 판재의인장 (Eρ σYSρ KISCCCOR σFS dadN)

동체(fuselage)

인장압축굽힘비틀림내부압력

대표하중은판재의 인장무게최소화(E⅓

ρ σYSρ COR σFS dadN)

보강재(sparribs)

굽힘 좌굴

외피를 내부에서 보강 하중분산 역할 굽힘 하중을 받아날개하중 조건과 유사(Eρ σYSρ KISCC σFS dadN)

착륙기어(landing

gear)

정적하중피로하중

무게는 중요하지 않음 내피로파괴특성내응력부식특성 요구(E σYS dadN KIC KISCC)

조종면(controlsurfaces)

경하중경하중 부재는 강도보다 강성우선 고려

외피재(skin

material)환경하중

환경노출에 의한 내부식 특성초음속 항공기의 경우 내열특성 요구

날개의 상단부를 구성하는 판재가 굽힘에 의해

압축을 받는 경우 강성을 유지 (강성제한설계

stiffness-limited design)하면서 무게를 최소화 시키기

위해서는 물질지수 E⅓

ρ를 가급적 최대화 할 수

있는 재료를 선정하여야 한다 또한 이 판재는 소성

의 발생 없이 어느 정도 외부 인장 하중을 견디는

- 11 -

Table 2 작용하중과 부재형상에따른고려해야할 재료지수

기본형상

연결 봉재

(Tie-rod)

판재

(Panel)

보

(Beam)

작용하중 인장 굽힘 굽힘

모양

(shape)

강성제한설계

무게최소화Eρ E⅓ρ E

12ρ

강도제한설계

무게최소화σYSρ σYS

12ρ σYS

23ρ

강도제한설계

재료비용

최소화

σYSCmρ σYS12

Cmρ σYS23

Cmρ

Cm 단위 무게당 재료비용

강도를 유지 하면서 무게를 최소화 하여야 하는

경우에는 재료지수가 σYSρ (단순 인장시) 또는 σ

YS12

ρ (판재의 굽힘에 의한 인장시) 가 최대가 되는

소재를 차선으로 선정할 필요가 있다 한편 Table 3

에 제시한 바와 같이 항공기 부품 등에 따라 하중이

제한되는 조건에 의한 설계 (load limited

design) 또는 스프링이나 플라이휠 등과 같이

에너지를 최대한 저장해야하는 부재와 같이 에너지

가 제한되는 설계(energy limited design) 및 탄성

힌지 (elastic hinge)와 같이 변위를 제한하는 설계 등

설계적용 방식이 다른 경우가 있다[4] 일례로서

탄성힌지와 같이 작용 하중은 작으나 탄성힌지로서

최대변형률을 가지며 작은 곡률반경을 가질 정도로

굽힘 특성이 우수 하고 재료 내에 소성 및 균열이

발생하지 않으려면 재료지수 σYSE가 최대값을 갖는

재료를 후보군으로 먼저 선정하여야 한다 파괴

인성 (fracture toughness KIC)은 재료 내에 균열이

발생하여 성장하는 경우 재료의 크기와는 상관없이

Mode I 균열선단에서 균열성장에 저항하는 정도를

나타내는 재료 물성치 (material property)이다

한편 균열의 성장은 재료 내에 축적된 탄성에너지

가 새로운 균열면을 만드는데 소요되는 에너지로

방출(release) 되는 일종의 비가역 에너지 변환에

의하여 진행된다고 생각 할 수 있다 이때 KIC 뿐만

아니라 재료의 탄성 계수와 함께 연관된 물성 임계값

은 인성 (toughness mode I critical strain energy

Table 3 설계형태와 균열의 가정 유무에 따른 재료 지수

Designtype

부재예 요구항목

Materialindex

Nocrack

Fracturesafe

하중제한설계 wing-spar

최대하중

까지

파괴되지

않음

σYS

최대화

KIC

최대화

에너지제한설계

스프링

flywheel

turbine

containment

system

최대탄성

에너지

저장까지

파괴되지

않음

σYS2E

최대화

KIC2E

(asympGc)

최대화

변위제한설계

elastic

hinge

커플링

큰변형률

유지

σYSE

최대화

KICE

최대화

release rate Jm2 ) 으로 정의되어 다음과 같이

표현된다

GIC = KIC2E (1)

즉 mode I 하중이 균열선단에 작용하고 단위면적

당 에너지 GIC (Jm2 )가 균열면 생성에 공급되면

균열이 성장하는 개념으로 생각 할 수 있다 재료

의 인성은 KIC가 증가하면 증가하고 E가 커지면

(즉 취성이 증가하면) 감소함을 알 수 있다

재료의 강도 (strength)는 소성 흐름 (plastic flow)에

저항하는 정도를 표시하는 재료상수 로서 강도가

크면 일반적으로 σYS가 크고 소성역 (plastic

zone)이 상대적으로 작아져서 취성이 증가하게 된다

즉 crack 선단에서의 소성역에서의 에너지흡수가

저하되어 재료의 인성 (toughness)은 일반적으로

감소하게 된다

단조합금(wrought alloy)의 경우 강도가 증가함에

따라 인성이 약간 저하되는 경향이 있으며 주조

합금(cast alloys)의 경우에는 인성이 더 크게 저하

된다 이는 inter granular boundary failure에 의한

취성의 증가 때문으로 판단된다 주조합금은 용융

상태의 금속을 filtering하여 불순물을 제거하면

인성을 크게 증가시킬 수 있다

5 소재 선정

새로운 항공기의 개발시 어떻게 제작가능하고 높은

- 12 -

내구성과 성능을 가진 항공기 구조물을 설계 하느냐

와 함께 높은 요구 성능을 가진 항공기를 어떠한

소재를 적용하여 구현 할 수 있느냐도 항공기 개발시

중요한 고려사항이다 적용된 소재에 따라 항공기의

수명기간 동안 성능의 구현뿐만 아니라 저렴한

생산 공정 적용 및 향후 용이한 검사수리유지

경제적환경 친화적 운용 등이 좌우되기 때문에

최적의 소재 선정은 그 중요성을 아무리 강조해도

지나치지가 않다 이러한 소재의 선정은 소재 자

체의 물성값 (material properties) 등에 크게 좌우

된다

Fig 21은 소재선정 절차를 도시한 것으로 설계요구

조건으로부터 소요 형상 및 특성 요구치 등의 제한

조건을 부여하여 이를 만족하고 또한 제조공정이

적합한 소재 후보군을 선택한다[4] 이 들 후보군

들에 대해 비용 및 경제적 효가 등을 고려하여

최종 선정을 하게 된다

Fig 22는 시장의 수요로부터 도출된 소재와 공정의

선정과 구체화를 거쳐 최종적으로 제품 규격서

(product specification)의 산출까지의 구현과정을

도시하고 있다[4]

한편 앞장에서 언급한 바와 같이 항공기의 각 부재별

하중 형상 특성으로부터 도출된 재료지수를 바탕

으로 각각의 요구 특성을 만족하는 소재를 선정

하기 위해서는 Fig 23과 같이 각 소재군을 x y축에

각각 1개씩 2개의 물성별로 버블형태로 포괄적으로

구성한 차트가 매우 요긴하게 활용될 수 있다

Fig 21 설계요구조건과 소재선정 과정 [4]

Fig 22 소재-공정 선정 단계와 제품 규격서 산출[4]

이때 각 물성치는 소재군 별로 차이가 매우 크므로

각 축의 물성은 상용로그 scale로 표시하여 작성

하는 것이 일반적이다 버블차트는 2가지 특성을

동시에 도시할 수 있고 이들 특성의 제한조건 (요구

조건)을 만족하는 소재 후보군을 쉽게 도시화 할 수

있다 이들 버블차트를 손쉽게 구현하기 위해서는

다양한 소재별로 물성값 데이터베이스를 폭넓게

확보하고 있어야 한다 이들 데이터베이스를 프로그램

화 하여 원하는 2가지 특성을 버블차트로 만들

수 있는 프로그램이 상용화되어 판매되고 있다

4장 Table 2에 제시한 바와 같이 강성제한 설계를

적용하여 판재의 무게를 최소화 하면서 굽힘 강성

의 최대값을 주는 소재를 선정하려면 우선 Fig

23과 같이 재료의 탄성계수와 밀도를 도시한 버블

차트를 이용하고 재료지수인 E⅓

ρ 가 최대가 되는

소재를 선정하여야 한다 이때 보통 재료지수에

제한조건 (constraint)이 상수 등으로 주어지므로

양변에 상용로그를 취하면 y축인 logE 와 x축인

logρ 사이에 기울기가 3인 직선이 형성된다

제한조건이 주어지는 경우 각 버블군과 만나는

소재들이 이 조건을 만족하는 것으로 소재후보가

선정되게 된다 이때 또 다른 제한조건이 주어지는

경우 점차 소재군의 폭이 좁아지고 최종 소재가

구체화되어 선정되게 된다 제한조건이 없이 시작한

경우 점선을 좌로 이동시켜가면서 만나는 소재군

이 좀 더 큰 재료지수를 가지므로 후보군에 가까

운 소재이다 한편 강성제한설계가 아니라 강도

- 13 -

제한설계로 요구되는 경우 재료지수는 동일 판재

의 경우 σYS12ρ가 되므로 σYS와 ρ를 도시한 버블

차트를 이용하여 위에 유사한 절차로 무게를 최

소화 하는 소재군을 선정할 수 있다 한편 Table

3과 같은 제한설계 방식에 따라 요구되는 재료지수

를 최대화 하는 소재를 찾고자 하는 경우에는

Fig 24 (균열이 없는 경우) 또는 Fig 25 (균열을

고려한 경우)와 같이 σYS-E 또는 KIC-E 버블차트가

요구되며 선정 과정은 앞의 경우와 동일하다

Fig 23 각 소재군별 탄성계수-밀도 버블 차트 [4]

Fig 24 탄성계수-항복강도 버블차트 [4]

일반 민간항공기와는 달리 초음속 비행이 가능한

전투기 또는 초음속 여객기 등의 개발시에는 초

음속으로 비행시 외부 동체 및 날개 등에 가해지

는 공기와의 마찰에 의한 높은 온도 상승을 재료

선정시 반드시 고려하여야 한다 Fig 26은 항공기

표면의 방사율 (emissivity)이 09인 항공기가 고공

23km 온도 -56degC인 대기권을 초음속 비행할 때

항공기 표면에서의 온도 분포 그림이다[10] 전체

표면 온도가 100 degC에 이를 만큼 뜨거운 상태임

을 알 수 있다 복합재료가 동체와 날개에 적용되는

경우 재료의 사용온도에서의 강도값을 소재선정 및

구조물의 설계에 반영하여야 한다 Fig 27은 이때

참조하여야 할 각종 소재의 최대 사용 온도 (max

service temp)에서의 강도값을 제시해 주고 있다[4]

Fig 25 파괴인성-탄성계수 버블차트 [4]

Fig 26 Skin heating across the airframe [10]

Fig 27 소재별 최고사용온도와 강도의 버블차트 [4]

- 14 -

최근에는 스텔스 기능 등을 가지는 항공기가 등장함에

따라 항공기의 구성 소재가 기존의 하중만을 단순

지지하는 구조물에서 최근에는 하중과 함께 전자파

흡수나 투과 또는 방열특성 등의 복합기능을 요구하는

기능성 구조물로의 설계요구가 늘어나고 있다 이러한

경우에는 재료의 강도뿐만 아니라 유전특성 등을 고려

하여 선정을 하여야 한다 지금까지 소재선정과 버블

차트이용을 주로 언급하였으나 필요시에는 Fig 28과

같이 여러 가지 특성을 비교할 수 있도록 표시하면

재료의 장단점을 잘 비교하여 소재의 선정에 도움이

될 수 있다[1]

Fig 28 Property envelopes for aluminium alloys [1]

6 항공기 구조용 소재의 개발동향

민간항공기 산업은 제품의 생산주기 (product life

cycle)상 성숙기에 다다른 산업으로 2008년도의 유가

급등에 따른 경제 위기이후 민간항공기 분야에서는

친환경적이고 고효율의 성능을 가진 항공기가 점차

요구되고 있다 최근의 새로운 항공기는 복합재료 기체

(composite airframe)의 적용으로 인한 항공기의 경량화

첨단 고효율 엔진 장착으로 인한 연비 극대화 및 첨단

전자시스템 (avionics)의 도입으로 인한 안전도 향상

공기역학적 최적설계로 항력 절감 등을 통해 기존의

항공기와 차별화 되고 있다 이러한 차별화된 항공기

기체를 제조하기 위해서는 고기능 특성을 가진 첨단

신소재의 개발이 무엇보다 요구되고 있다 최근 복합

재료가 항공기의 주구조물에 까지 적용되기 시작 하였

으나 새로운 소재에 대한 요구도는 점차 높아지고

있는 추세이다 나노기술의 성과 축적에 따라 최근에는

나노입자를 보강하거나 탄소나노튜브 자체를 길이방

향으로 성장시켜 장섬유로 기존의 복합재료와 같은

새로운 소재를 구성하려는 연구도 활발히 진행이 되고

있다 가까운 미래에 탄소-탄소 공유결합으로 강인한

특성을 지닌 탄소나노 섬유 (carbon nano fiber)로

이루어진 단일방향 프리프레그나 직물형 프리그레그

(prepreg)가 개발되는 경우 이들의 파급효과는 기존의

어떠한 구조재료보다 더 클 것으로 예상이 되고 있다

이들 초경량 소재를 적용하여 항공기를 설계하는 경우

기존의 항공기와는 다른 형상의 첨단 항공기가 등장

할 수 있을 것 판단된다 한편 기존의 금속 합금도

알루미늄 합금에서 벗어나 보다 넓은 범위의 Al-Li

합금의 적용이 활발해질 것으로 예측되고 있다 최근

에어버스사는 버튼하나로 외부의 경치를 360도 사방

으로 관람할 수 있는 첨단 신소재를 적용

(see-through 기술)한 자사의 미래형 민항기 (concept

airplane)를 발표하였다(Fig 29 참조)[2] 이와 같이

첨단 기능성 구조재료는 항공기의 기존 개념을 상상

할 수 없을 정도로 바꿀 수 있는 가능성을 제공하고

있음을 알 수 있다

Fig 29 Airbus사의 미래형 신개념 민간항공기[2]

최근에는 항공기 임무의 고도화와 첨단화에 따라

방열기능 복합재료 전자파 에너지 흡수 복합재료

전자기파 차폐용 복합재료 등의 기능성 특성을 지니

면서 초경량 구조용 소재로 활용될 수 있는 군사용

복합재료의 개발 필요성 크게 증대되고 있다 민간

- 15 -

항공기에도 스마트 구조물 구현을 위한 형상기억합금

(Shape Memory Alloy SMA) Piezo Actuator를

이용한 형상변형 (Morphing) 구조물 등이 최근 적용이

적극적으로 시도 되고 있다 (Fig 30 참조)[11] 이와

같이 공기역학적 성능형상을 구현하기 위한 형상

변경의 필요성은 기존 신소재와 복합재료의 하이브리드화

를 통해 새롭게 조명 받고 있다 한편 국내외적으로

스텔스 기능을 가지는 구조물이나 전자파를 흡수하

거나 선택적으로 통과 및 반사하는 레이돔과 같은

기능성 구조물에 대한 관심이 높아지고 있다 Fig

31은 Volvo사의 자회사인 스웨덴의 ACAB사의 레이돔

의 소재로서 주파수를 선택적으로 투과하는 표면을

갖도록 제작된 유리섬유 보강 복합재료의 표면 샘플

을 보여주고 있다 이와 같이 기존의 단순한 하중

을 전달하거나 지지하도록 제작되는 항공기 구조물

에서 벗어나 최근에는 센서 및 작동기와 같은 것을

내장하는 고부가가치의 지능형 항공기 구조물(smart

aircraft structures)이 점차 늘어나고 있는 추세이다

7 맺는 말

2004년 이후 2008년도 유가 급등기까지 전 세계

민간항공기 운항사의 80이상은 적자 상태에 있

었다고 분석되고 있다 이는 유가가 항공기 운용비

(operating cost)의 50 ~ 60를 차지하게 된 것에

기인하는 것으로 석유의 고갈이 점차 다가옴에 따라

항공기 제조사들은 항공기의 경량화를 통해 좀 더

효율적인 항공기를 개발하여 항공기 운항사에 공급

하려고 부단히 노력하고 있다

이와 같이 많은 이익을 줄 수 있는 항공기의 경량화

목표 실현은 바로 구조용 소재의 개발과 소재의

적절한 적용에 달려있다고 볼 수 있다 특히 날로

치열해지는 국제 경쟁 환경에서 자주국방 확립과 밀접

한 연관성이 있는 항공용 소재는 대부분의 경우가

선진국의 수출통제 (EL Export License) 대상의 규정

되어 있어 한국의 의욕적인 항공기의 개발에 많은

장애 요인 중의 하나로 자리 잡혀 있는 것이 현실

이다 최근 전 세계 항공 산업은 대형 민간항공기

의 경우 미국의 보잉과 유럽의 에어버스의 양대

기업으로 개편되어 시장을 놓고 치열한 경쟁이 이

루어지고 있다

Fig 30 (a) Chevron and (b) Aero-gurney with variable

geometry morphing function for B787

application[11]

Fig 31 스웨덴 ACAB (wwwacabcom)사의 FSS

(frequency selective surfaces) 레이돔용 소재

틈새시장인 중형기 (mid-sized aircraft)는 브라질의

Bombardier사가 시장의 35 ~40를 차지하고 있으며

여기에 중국 러시아 및 일본 등이 자국 항공기의

개발을 통해 신흥 항공기 제조국가로 발돋움 하려고

부단히 경쟁하고 있는 추세이다 최근 정부에서는

2010년 초에 항공 산업 발전 기본 계획

(2010~2019)을 수립 제시하면서 새로운 미래의 도약

산업으로서 항공 산업의 발전을 도모하고 있다

하지만 역사적으로 소재공정 (material processing)

기술을 자체 확보하지 못한 국가가 항공 산업에서

우위를 차지한 적이 없는 만큼 한국이 틈새시장에

서나마 안정적인 시장을 확보하려면 항공 관련 소재

산업이 뒷받침 해주어야 한다고 판단된다 단기적

으로는 경량화의 꽃인 경쟁력 있는 탄소섬유의 개발이

무엇보다 강력하게 요구되고 있으며 보다 중기적

- 16 -

으로는 나노소재기술의 개발 및 상용화 장기적으로는

니켈합금 보다 가볍고 우수한 고온용 소재 Al-Li

합금 고분자복합재료보다 우수한 소재 등의 신소재

개발이 한국의 항공 산업을 든든하게 받혀 줄 수

있는 저력이 될 것이라고 판단된다

본 기고문은 한국항공우주산업진흥협회가 주관하는

2010년 항공우주부품기술개발사업 정책지정과제

lsquo중형항공기 핵심기술개발 선행연구lsquo의 지원을 받아

작성되었습니다

참고문헌

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[11] Boeing 홍보자료

- 7 -

미늄 부품의 대체재로 적용이 되고 있다 특히 Al-Li

합금은 극저온에서의 인성이 뛰어나 우주용 발사체

추진부의 액체산소탱크 수소연료탱크 등의 극저온

탱크 (cryogenic tankage)에의 적용이 늘어나고 있

다 현재 사용으로 판매되는 제품으로는 Weldalite

049 Alloy2090 2091 8090 등이 있으며 기존의 고

강도 알루미늄 합금에 비해 가격은 2-4배 비싼 편이

다 최근에는 복합재료 소재에 밀려 사용량이 줄어

드는 기존의 알루미늄 합금대신 부식에 매우 강하고

손상허용 특성이 향상된 2x99 및 7x5x Al-Li 합금

(ALCOA사)이 항공기의 경량화를 위한 소재로 적용

이 늘고 있다

bull 티타늄 합금 (Titanium alloys)

티타늄 합금은 강철 등에 비해 낮은 밀도를 가지면

서 높은 용융점 낮은 열팽창계수 우수한 내열 특성

및 고온에서의 비강도가 우수하고 내식성 (corrosion

resistance) 내산화성 (oxidation resistance)도 탁월

하다 미국의 초고속 첩보기 SR-71 구조물의 주소재

로서 85 wt (복합재료는 15 wt) 사용된 티타늄

합금은 항공기 및 미사일 등의 성능이 급속히 높아짐

에 따라 항공기용 구조용 내열 소재로 적용 범위가

넓어지고 있다 하지만 단점으로는 가격이 비싸고

제조공정이 상대적으로 어렵고 149~315 온도

범위에서 creep 변형이 발생할 수 있다 저온에서 액체

기체 산소와 접촉하면 심한 반응이 유발되고 표면

변화가 발생하므로 유의 하여야 한다 또한 메탄올

과 질소4산화물 (Nitrogen tetroxide)과 접촉시 응력

부식 균열 (stress corrosion crack)이 230~260의

온도 범위에서 소금에 의해 응력 부식이 발생할 수

있다 전자기 차폐 (electrical and magnetic

screening) 특성도 합금강에 비해 낮은 편이다 대표적

인 합금으로는 Ti-6Al-4V 이 있으며 입증 강도(proof

strength) 는 약 106 kgmm2 비강도는 24kgmm

2

이다 항공기에 적용시 -200~ 500 온도 범위에서

사용되고 있다 판 형태 (sheet form) 제품은 방화벽

(fire wall) 엔진 베이 도어 (engine bay door) 제트

파이프 덮개 (jet pipe shrouds)의 소재로 사용되며

단조품(forgings)이나 막대(bar)형은 항공용 가스터빈

압축기의 디스크 및 블레이드용 소재로 사용되고

있다

bull 마그네슘 합금 (Magnesium alloys)

마그네슘 합금은 항공기에 사용되는 금속 재료 중

비중(specific gravity)이 가장 작은 금속으로 알루

미늄 합금의 비중이 25~28 인 것에 비해 비중이

약 18 정도이다 강도는 알루미늄 합금에 비해 낮은

편이다 마그네슘이 산화성이 높아 주조시 급격한

반응에 의한 폭발 위험성이 내재되어 활발히 적용

되지 못하였으나 최근 국내에서도 신 주조 공정기술

이 개발되어 항공 및 자동차 부품의 경량화에 대한

관심이 높아짐에 따라 그적용이 활발히 모색되고

있다 하지만 마그네슘 합금의 부식성도 높아 부식

을 방지하기 위한 표면처리가 요구되는 단점이 있

다

bull 합금강 (Steel alloys)

강철은 강도가 매우 우수하고 가격이 저렴하며 내

마모성 및 전자기 차폐 특성도 우수한 반면에 무게

가 무거워 비강도는 매우 작은 편이기 때문에 특히

항공기의 부품중 강도가 크게 요구되는 부위에 사용

되고 있다 대표적인 합금강으로서 HY-180

(10Ni-Cr-Mo-Co)합금강은 매우 큰 파괴인성을 갖고

있어 피로 및 파괴에 취약한 부품인 수평꼬리 부착

피팅 (horizontal tail attach fitting)과 엔진 마운트

피팅에 적용되고 있다 PH12-8Mo 합금강은 항공기의

일반적인 pin lock 피팅류에 적용되는 소재이다

bull 니켈합금강 (Nickel alloys)

니켈 합금강은 고온에서도 매우 높은 강도를 유지하

므로 항공기의 엔진 부품으로 많이 사용되나 매우 무겁고

가공이 어려운 단점이 있다 향후에는 좀 더 가벼운

고온용 합금강의 개발이 시급히 요구 되고 있다

복합재료 (Composite materials)

복합재료는 2개 이상의 소재를 사용하여 각각의 소재

의 장점을 살려 새로운 특성을 갖도록 인위적으로

만든 소재를 의미한다 주로 힘을 전달하는 섬유

(fiber)와 섬유를 보호하고 모양을 유지하는 기지

(matrix)로 구성되는 것이 일반적이다 이밖에 섬유를

보호하는 재료와 기타 첨가재 등도 사용되나 복합재료라

하면 섬유와 기지를 총칭하는 게 일반적이다 항공기의

구조용 소재로는 유리섬유 케블라 탄소섬유 등등의다양한

- 8 -

보강용 섬유와열가소성(thermoplastic) 열경화성 (thermosetting)

고분자 수지가 일반적으로 많이 사용되고 있다 보잉

787에 적용된 복합재료로서 전체 구조물 무게의 약

43 (무게로는 35 톤)가 사용된 탄소섬유에폭시 복합

재료가 향후에도 대표적인 대형 항공기의 구조용 소재로

예상되므로 주로 탄소섬유 복합재료에 대해 기술하고자

한다 탄소섬유도 원천소재에 따라 PAN 및 Pitch 기반

탄소섬유로 분류 된다 전자는 원사인 Polyacrylonitrile을

고온로에서 태워 다양한 열처리 공정을 거쳐 생산되며

강도가 우수하고 가격이 상대적으로 저렴하여 항공기

구조용 소재로 많이 사용되고 있는 섬유이다 반면에

후자는 석유정제후의 부산물인 피치 (pitch)를 실

(filament)로 뽑아 이를 PAN과 유사한 공정을 거쳐

만들어지며 구리나 은 등의 금속소재와 대등할 정도로

열전도 특성이 매우 크고 강성이 우수하여 특히 우주용

구조물 소재로 사용되고 있고 값도 일반적으로 고가이다

탄소섬유도 추가 열처리 여부에 따라 Carbon섬유와

그래파이트(Graphite)섬유로 분류될 수 있으며 후자가

추가 열처리되어 일반적으로 물성이 더 우수하고 고가

이다 또한 동일 기반 탄소섬유라 하더라도 물성 등급

및 가격에 따라 시장 구조가 Fig 15와 같이 분류될 수

있다[7] 고급용 (high-end usage) 탄소섬유는 고강도

고강성 섬유로서 섬유직경이 작고 주로 항공기 구조용

소재로 사용되며 당연히 고가이다 중급 및 저급 탄소

섬유는 비항공기 시장인 스포츠 및 기타 산업용 소재로

사용되어 상대적으로 저가이다 참조로 B787에는 탄소

섬유가 무게로 약 23톤이 사용되고 있다 Fig 16은 강성

의 크기에 따라 인장강성 (tensile modulus)를 고중저(high

intermediatestandard)의 단계로 구분한 그림이다[7] 항

공기 부재의 강성 요구도에 따라 시장에서 소재를 적절히

선택할 때 유용하다 탄소섬유를 항공기의 구조물에

적용하는 경우 구조물의 손상여부가 항공기의 생존성

여부에 중요한 영향을 미치는 정도에 따라 구조물을 1차

및 2차 구조물 (또는 주 및 부구조물)로 분류할 수 있다

Fig 17은 주 및 부구조물과 우주용 구조물에 적용되는

탄소섬유의 강성 및 강도 범위를 버블로 표시한 것으로

이 또한 관련 구조물의 소재 선정시에 유용하게 활용

될 수 있다[7] 복합재료 항공기의 대표적 주구조물인

날개나 동체의 경우 적용되는 탄소섬유는 인장강도의

범위가 약 50~ 70 GPa 강성의 범위가 약 300~400

GPa이 되는 소재를 염두에 두고 선정할 수 있겠다

(a) (b)

Fig 15 PAN기반 탄소섬유의 (a) 등급 및 (b)

적용에 따른 시장구조 [7]

Fig 16 탄소섬유의 단계별 인장 강성 구분 [7]

Fig 17 항공기용 주부구조물 및 우주용

탄소섬유의 인장 강성-강도 버블 차트 분포 [7]

Fig 18은 보잉사의 복합재료 항공기인 B787의 주

소재로서 탄소섬유 (T800급)를 독점 공급하고 있

- 9 -

는 Toray에서 생산되는 PAN기반 탄소섬유의 인장

강도 및 인장강성의 버블 분포도이다[7] 현재 시장

점유율 40 여로 세계최대 항공 산업용 탄소섬유

공급업체인 Toray사가 생산하는 탄소섬유 중

T700 T800 T1000 등이 항공기용 주구조물에 적합

하고 T300 T400은 부구조물 M55J M60J M65J

등은 고강성이 요구되는 우주용 구조물 소재로

적합한 탄소섬유 소재이다 Toray의 제품명중 T

는 강도를 M은 강성을 의미한다

Fig 18 Toray(일본)의 PAN기반 탄소섬유의 인장

강성-인장강도 버블 차트 [7]

이 밖에 금속 합금과 복합재료를 장점을 갖도록 만든

섬유금속 적층판 (Fiber Metal Laminates) 등의 하이

브리드 소재가 항공기의 신소재로서 활용되고 있다

4 항공기 구조용 소재의 요구조건과 재료지수

항공기의 구조용 소재는 항공기의 각 부위가 받는

하중의 특성 및 요구 기능 및 성능에 따라 차별화된

소재가 사용되는 것은 당연하다 항공기의 구조물에 작용

하는 정적동적 하중과 장기간에 걸쳐 작용하는 피로

하중 (fatigue loads) 및 환경 조건(environmental

conditions) 등이 소재 선정에 있어서 신중히 고려되

어야 한다 Fig 19는 소재의 기본 특성인 강성과 강도

파괴인성 (또는 인성) 및 무게와의 항공기의 기본거

동의 연관성을 잘 도시해 주고 있다[4]

Fig 19 항공기와 소재 특성 비교 [4]]

항공기의 구조적 성능을 좌우하는 구조물의 소재는

우선적으로 항공기의 안전 (safety)를 다음으로는

성능을 보장해주어야 한다 강인한 소재를 사용함

으로써 항공기의 구조적 안전도를 높일 수 있으나

소재 자체의 무게가 무겁거나 과도 설계되는 경우

에는 항공기의 성능이 저하될 수 있으므로 항공기

제작사들은 가급적 강인하면서도 가벼운 소재에

많은 관심을 갖고 가급적 설계하중을 견디면서

무게를 최소화하려고 여러 가지 설계기법을 함께

개발하고 있다

항공기의 구조용 소재로서 일반적으로 갖추어야

할 조건 등을 일부 열거하면 다음과 같다

Choosing materials-desirable properties

bull 높은 비강도 및 비강성

bull 일관성 있고 예측 가능한 물성값

bull 부품에서의 균일성 및 방향에 따른 균질성

bull 높은 내식성

bull 난연성 및 내인화성 생산사용수리중의 안전성

bull 적당한 가격

- 10 -

bull 내피로 특성 높은 인성(toughness GIC)

bull 사용 온도구간에서의 적절한 요구강도

Fig 20은 항공기의 부위별 하중 특성에 따라 해당

소재가 만족하여야할 기계적 특성을 나열 도시한

것이다[8] 하중의 종류로는 인장 압축 굽힘 비

틀림 피로 환경하중 등 다양한 종류가 항공기

각 부위 및 부재에 작용할 수 있으며 대표적인

하중 및 작동모드에 따라 해당하는 부품의 소재를

선정할 필요가 있다 여기서 각 부위별로 요구되는

기계적 물성 또는 요구특성은 다음과 같은 종류

가 있다

FAT 내피로성 (fatigue resistance)

FCG 피로균열 성장 (Fatigue Crack Growth)

dadN 피로균열성장률 (fatigue crack growth rate)

σFS 피로강도 (fatigue strength)

COR 내부식성 (corrosion resistance)

KIC 파괴인성 (Fracture toughness)

KISCC 응력부식파괴 (stress corrosion

cracking fracture)

E 강성 (modulus)

σTS 인장강도(Tensile strength)

σYC 압축 항복 강도 (Compressive yield

strength)

σYT 인장 항복 강도(Tensile yield strength)

τSS 전단 강도 (shear strength)

Fig 20에서 항공기를 구성하는 각 부재별로 나열된

요구 물성 특성 순서는 우선적으로 고려해야 할

특성을 중요 순으로 배열한 것이며 ( )안은 설계

에는 반영하여야 하나 중요도는 상대적으로 떨어

지는 것을 의미한다 항공기의 핵심 부재별 고려

해야할 물성 또는 기계적 특성을 Table 1에 정리

하였다 [4 9]

항공기의 비행시 각 부재에 작용하는 대표 하중이

제시되면 각 부재를 구성하는 연결봉재 판재 또는

보(beam) 등의 기본 형상에 따라 무게 (또는 비용)를

최소화 하면서 강성 또는 강도 등을 유지 할 수

있는 재료지수 (material index)를 Table 2에 제시

한 바와 같이 계산으로 추출할 수 있다[4]

Fig 20 Critical requirements of airframe

components [8]

Table 1 Critical requirements of airframe

components

항공기주요

부재명

대표작용하중

비고(고려할 물성특성 순서)

날개상단(wingupper)

굽힘에의한 압축

비행시 굽힘에 의한 판재의압축 무게최소화(E

⅓ρ σYCρ KISCC )

날개하단(winglower)

굽힘에의한 인장

비행시 굽힘에 의한 판재의인장 (Eρ σYSρ KISCCCOR σFS dadN)

동체(fuselage)

인장압축굽힘비틀림내부압력

대표하중은판재의 인장무게최소화(E⅓

ρ σYSρ COR σFS dadN)

보강재(sparribs)

굽힘 좌굴

외피를 내부에서 보강 하중분산 역할 굽힘 하중을 받아날개하중 조건과 유사(Eρ σYSρ KISCC σFS dadN)

착륙기어(landing

gear)

정적하중피로하중

무게는 중요하지 않음 내피로파괴특성내응력부식특성 요구(E σYS dadN KIC KISCC)

조종면(controlsurfaces)

경하중경하중 부재는 강도보다 강성우선 고려

외피재(skin

material)환경하중

환경노출에 의한 내부식 특성초음속 항공기의 경우 내열특성 요구

날개의 상단부를 구성하는 판재가 굽힘에 의해

압축을 받는 경우 강성을 유지 (강성제한설계

stiffness-limited design)하면서 무게를 최소화 시키기

위해서는 물질지수 E⅓

ρ를 가급적 최대화 할 수

있는 재료를 선정하여야 한다 또한 이 판재는 소성

의 발생 없이 어느 정도 외부 인장 하중을 견디는

- 11 -

Table 2 작용하중과 부재형상에따른고려해야할 재료지수

기본형상

연결 봉재

(Tie-rod)

판재

(Panel)

보

(Beam)

작용하중 인장 굽힘 굽힘

모양

(shape)

강성제한설계

무게최소화Eρ E⅓ρ E

12ρ

강도제한설계

무게최소화σYSρ σYS

12ρ σYS

23ρ

강도제한설계

재료비용

최소화

σYSCmρ σYS12

Cmρ σYS23

Cmρ

Cm 단위 무게당 재료비용

강도를 유지 하면서 무게를 최소화 하여야 하는

경우에는 재료지수가 σYSρ (단순 인장시) 또는 σ

YS12

ρ (판재의 굽힘에 의한 인장시) 가 최대가 되는

소재를 차선으로 선정할 필요가 있다 한편 Table 3

에 제시한 바와 같이 항공기 부품 등에 따라 하중이

제한되는 조건에 의한 설계 (load limited

design) 또는 스프링이나 플라이휠 등과 같이

에너지를 최대한 저장해야하는 부재와 같이 에너지

가 제한되는 설계(energy limited design) 및 탄성

힌지 (elastic hinge)와 같이 변위를 제한하는 설계 등

설계적용 방식이 다른 경우가 있다[4] 일례로서

탄성힌지와 같이 작용 하중은 작으나 탄성힌지로서

최대변형률을 가지며 작은 곡률반경을 가질 정도로

굽힘 특성이 우수 하고 재료 내에 소성 및 균열이

발생하지 않으려면 재료지수 σYSE가 최대값을 갖는

재료를 후보군으로 먼저 선정하여야 한다 파괴

인성 (fracture toughness KIC)은 재료 내에 균열이

발생하여 성장하는 경우 재료의 크기와는 상관없이

Mode I 균열선단에서 균열성장에 저항하는 정도를

나타내는 재료 물성치 (material property)이다

한편 균열의 성장은 재료 내에 축적된 탄성에너지

가 새로운 균열면을 만드는데 소요되는 에너지로

방출(release) 되는 일종의 비가역 에너지 변환에

의하여 진행된다고 생각 할 수 있다 이때 KIC 뿐만

아니라 재료의 탄성 계수와 함께 연관된 물성 임계값

은 인성 (toughness mode I critical strain energy

Table 3 설계형태와 균열의 가정 유무에 따른 재료 지수

Designtype

부재예 요구항목

Materialindex

Nocrack

Fracturesafe

하중제한설계 wing-spar

최대하중

까지

파괴되지

않음

σYS

최대화

KIC

최대화

에너지제한설계

스프링

flywheel

turbine

containment

system

최대탄성

에너지

저장까지

파괴되지

않음

σYS2E

최대화

KIC2E

(asympGc)

최대화

변위제한설계

elastic

hinge

커플링

큰변형률

유지

σYSE

최대화

KICE

최대화

release rate Jm2 ) 으로 정의되어 다음과 같이

표현된다

GIC = KIC2E (1)

즉 mode I 하중이 균열선단에 작용하고 단위면적

당 에너지 GIC (Jm2 )가 균열면 생성에 공급되면

균열이 성장하는 개념으로 생각 할 수 있다 재료

의 인성은 KIC가 증가하면 증가하고 E가 커지면

(즉 취성이 증가하면) 감소함을 알 수 있다

재료의 강도 (strength)는 소성 흐름 (plastic flow)에

저항하는 정도를 표시하는 재료상수 로서 강도가

크면 일반적으로 σYS가 크고 소성역 (plastic

zone)이 상대적으로 작아져서 취성이 증가하게 된다

즉 crack 선단에서의 소성역에서의 에너지흡수가

저하되어 재료의 인성 (toughness)은 일반적으로

감소하게 된다

단조합금(wrought alloy)의 경우 강도가 증가함에

따라 인성이 약간 저하되는 경향이 있으며 주조

합금(cast alloys)의 경우에는 인성이 더 크게 저하

된다 이는 inter granular boundary failure에 의한

취성의 증가 때문으로 판단된다 주조합금은 용융

상태의 금속을 filtering하여 불순물을 제거하면

인성을 크게 증가시킬 수 있다

5 소재 선정

새로운 항공기의 개발시 어떻게 제작가능하고 높은

- 12 -

내구성과 성능을 가진 항공기 구조물을 설계 하느냐

와 함께 높은 요구 성능을 가진 항공기를 어떠한

소재를 적용하여 구현 할 수 있느냐도 항공기 개발시

중요한 고려사항이다 적용된 소재에 따라 항공기의

수명기간 동안 성능의 구현뿐만 아니라 저렴한

생산 공정 적용 및 향후 용이한 검사수리유지

경제적환경 친화적 운용 등이 좌우되기 때문에

최적의 소재 선정은 그 중요성을 아무리 강조해도

지나치지가 않다 이러한 소재의 선정은 소재 자

체의 물성값 (material properties) 등에 크게 좌우

된다

Fig 21은 소재선정 절차를 도시한 것으로 설계요구

조건으로부터 소요 형상 및 특성 요구치 등의 제한

조건을 부여하여 이를 만족하고 또한 제조공정이

적합한 소재 후보군을 선택한다[4] 이 들 후보군

들에 대해 비용 및 경제적 효가 등을 고려하여

최종 선정을 하게 된다

Fig 22는 시장의 수요로부터 도출된 소재와 공정의

선정과 구체화를 거쳐 최종적으로 제품 규격서

(product specification)의 산출까지의 구현과정을

도시하고 있다[4]

한편 앞장에서 언급한 바와 같이 항공기의 각 부재별

하중 형상 특성으로부터 도출된 재료지수를 바탕

으로 각각의 요구 특성을 만족하는 소재를 선정

하기 위해서는 Fig 23과 같이 각 소재군을 x y축에

각각 1개씩 2개의 물성별로 버블형태로 포괄적으로

구성한 차트가 매우 요긴하게 활용될 수 있다

Fig 21 설계요구조건과 소재선정 과정 [4]

Fig 22 소재-공정 선정 단계와 제품 규격서 산출[4]

이때 각 물성치는 소재군 별로 차이가 매우 크므로

각 축의 물성은 상용로그 scale로 표시하여 작성

하는 것이 일반적이다 버블차트는 2가지 특성을

동시에 도시할 수 있고 이들 특성의 제한조건 (요구

조건)을 만족하는 소재 후보군을 쉽게 도시화 할 수

있다 이들 버블차트를 손쉽게 구현하기 위해서는

다양한 소재별로 물성값 데이터베이스를 폭넓게

확보하고 있어야 한다 이들 데이터베이스를 프로그램

화 하여 원하는 2가지 특성을 버블차트로 만들

수 있는 프로그램이 상용화되어 판매되고 있다

4장 Table 2에 제시한 바와 같이 강성제한 설계를

적용하여 판재의 무게를 최소화 하면서 굽힘 강성

의 최대값을 주는 소재를 선정하려면 우선 Fig

23과 같이 재료의 탄성계수와 밀도를 도시한 버블

차트를 이용하고 재료지수인 E⅓

ρ 가 최대가 되는

소재를 선정하여야 한다 이때 보통 재료지수에

제한조건 (constraint)이 상수 등으로 주어지므로

양변에 상용로그를 취하면 y축인 logE 와 x축인

logρ 사이에 기울기가 3인 직선이 형성된다

제한조건이 주어지는 경우 각 버블군과 만나는

소재들이 이 조건을 만족하는 것으로 소재후보가

선정되게 된다 이때 또 다른 제한조건이 주어지는

경우 점차 소재군의 폭이 좁아지고 최종 소재가

구체화되어 선정되게 된다 제한조건이 없이 시작한

경우 점선을 좌로 이동시켜가면서 만나는 소재군

이 좀 더 큰 재료지수를 가지므로 후보군에 가까

운 소재이다 한편 강성제한설계가 아니라 강도

- 13 -

제한설계로 요구되는 경우 재료지수는 동일 판재

의 경우 σYS12ρ가 되므로 σYS와 ρ를 도시한 버블

차트를 이용하여 위에 유사한 절차로 무게를 최

소화 하는 소재군을 선정할 수 있다 한편 Table

3과 같은 제한설계 방식에 따라 요구되는 재료지수

를 최대화 하는 소재를 찾고자 하는 경우에는

Fig 24 (균열이 없는 경우) 또는 Fig 25 (균열을

고려한 경우)와 같이 σYS-E 또는 KIC-E 버블차트가

요구되며 선정 과정은 앞의 경우와 동일하다

Fig 23 각 소재군별 탄성계수-밀도 버블 차트 [4]

Fig 24 탄성계수-항복강도 버블차트 [4]

일반 민간항공기와는 달리 초음속 비행이 가능한

전투기 또는 초음속 여객기 등의 개발시에는 초

음속으로 비행시 외부 동체 및 날개 등에 가해지

는 공기와의 마찰에 의한 높은 온도 상승을 재료

선정시 반드시 고려하여야 한다 Fig 26은 항공기

표면의 방사율 (emissivity)이 09인 항공기가 고공

23km 온도 -56degC인 대기권을 초음속 비행할 때

항공기 표면에서의 온도 분포 그림이다[10] 전체

표면 온도가 100 degC에 이를 만큼 뜨거운 상태임

을 알 수 있다 복합재료가 동체와 날개에 적용되는

경우 재료의 사용온도에서의 강도값을 소재선정 및

구조물의 설계에 반영하여야 한다 Fig 27은 이때

참조하여야 할 각종 소재의 최대 사용 온도 (max

service temp)에서의 강도값을 제시해 주고 있다[4]

Fig 25 파괴인성-탄성계수 버블차트 [4]

Fig 26 Skin heating across the airframe [10]

Fig 27 소재별 최고사용온도와 강도의 버블차트 [4]

- 14 -

최근에는 스텔스 기능 등을 가지는 항공기가 등장함에

따라 항공기의 구성 소재가 기존의 하중만을 단순

지지하는 구조물에서 최근에는 하중과 함께 전자파

흡수나 투과 또는 방열특성 등의 복합기능을 요구하는

기능성 구조물로의 설계요구가 늘어나고 있다 이러한

경우에는 재료의 강도뿐만 아니라 유전특성 등을 고려

하여 선정을 하여야 한다 지금까지 소재선정과 버블

차트이용을 주로 언급하였으나 필요시에는 Fig 28과

같이 여러 가지 특성을 비교할 수 있도록 표시하면

재료의 장단점을 잘 비교하여 소재의 선정에 도움이

될 수 있다[1]

Fig 28 Property envelopes for aluminium alloys [1]

6 항공기 구조용 소재의 개발동향

민간항공기 산업은 제품의 생산주기 (product life

cycle)상 성숙기에 다다른 산업으로 2008년도의 유가

급등에 따른 경제 위기이후 민간항공기 분야에서는

친환경적이고 고효율의 성능을 가진 항공기가 점차

요구되고 있다 최근의 새로운 항공기는 복합재료 기체

(composite airframe)의 적용으로 인한 항공기의 경량화

첨단 고효율 엔진 장착으로 인한 연비 극대화 및 첨단

전자시스템 (avionics)의 도입으로 인한 안전도 향상

공기역학적 최적설계로 항력 절감 등을 통해 기존의

항공기와 차별화 되고 있다 이러한 차별화된 항공기

기체를 제조하기 위해서는 고기능 특성을 가진 첨단

신소재의 개발이 무엇보다 요구되고 있다 최근 복합

재료가 항공기의 주구조물에 까지 적용되기 시작 하였

으나 새로운 소재에 대한 요구도는 점차 높아지고

있는 추세이다 나노기술의 성과 축적에 따라 최근에는

나노입자를 보강하거나 탄소나노튜브 자체를 길이방

향으로 성장시켜 장섬유로 기존의 복합재료와 같은

새로운 소재를 구성하려는 연구도 활발히 진행이 되고

있다 가까운 미래에 탄소-탄소 공유결합으로 강인한

특성을 지닌 탄소나노 섬유 (carbon nano fiber)로

이루어진 단일방향 프리프레그나 직물형 프리그레그

(prepreg)가 개발되는 경우 이들의 파급효과는 기존의

어떠한 구조재료보다 더 클 것으로 예상이 되고 있다

이들 초경량 소재를 적용하여 항공기를 설계하는 경우

기존의 항공기와는 다른 형상의 첨단 항공기가 등장

할 수 있을 것 판단된다 한편 기존의 금속 합금도

알루미늄 합금에서 벗어나 보다 넓은 범위의 Al-Li

합금의 적용이 활발해질 것으로 예측되고 있다 최근

에어버스사는 버튼하나로 외부의 경치를 360도 사방

으로 관람할 수 있는 첨단 신소재를 적용

(see-through 기술)한 자사의 미래형 민항기 (concept

airplane)를 발표하였다(Fig 29 참조)[2] 이와 같이

첨단 기능성 구조재료는 항공기의 기존 개념을 상상

할 수 없을 정도로 바꿀 수 있는 가능성을 제공하고

있음을 알 수 있다

Fig 29 Airbus사의 미래형 신개념 민간항공기[2]

최근에는 항공기 임무의 고도화와 첨단화에 따라

방열기능 복합재료 전자파 에너지 흡수 복합재료

전자기파 차폐용 복합재료 등의 기능성 특성을 지니

면서 초경량 구조용 소재로 활용될 수 있는 군사용

복합재료의 개발 필요성 크게 증대되고 있다 민간

- 15 -

항공기에도 스마트 구조물 구현을 위한 형상기억합금

(Shape Memory Alloy SMA) Piezo Actuator를

이용한 형상변형 (Morphing) 구조물 등이 최근 적용이

적극적으로 시도 되고 있다 (Fig 30 참조)[11] 이와

같이 공기역학적 성능형상을 구현하기 위한 형상

변경의 필요성은 기존 신소재와 복합재료의 하이브리드화

를 통해 새롭게 조명 받고 있다 한편 국내외적으로

스텔스 기능을 가지는 구조물이나 전자파를 흡수하

거나 선택적으로 통과 및 반사하는 레이돔과 같은

기능성 구조물에 대한 관심이 높아지고 있다 Fig

31은 Volvo사의 자회사인 스웨덴의 ACAB사의 레이돔

의 소재로서 주파수를 선택적으로 투과하는 표면을

갖도록 제작된 유리섬유 보강 복합재료의 표면 샘플

을 보여주고 있다 이와 같이 기존의 단순한 하중

을 전달하거나 지지하도록 제작되는 항공기 구조물

에서 벗어나 최근에는 센서 및 작동기와 같은 것을

내장하는 고부가가치의 지능형 항공기 구조물(smart

aircraft structures)이 점차 늘어나고 있는 추세이다

7 맺는 말

2004년 이후 2008년도 유가 급등기까지 전 세계

민간항공기 운항사의 80이상은 적자 상태에 있

었다고 분석되고 있다 이는 유가가 항공기 운용비

(operating cost)의 50 ~ 60를 차지하게 된 것에

기인하는 것으로 석유의 고갈이 점차 다가옴에 따라

항공기 제조사들은 항공기의 경량화를 통해 좀 더

효율적인 항공기를 개발하여 항공기 운항사에 공급

하려고 부단히 노력하고 있다

이와 같이 많은 이익을 줄 수 있는 항공기의 경량화

목표 실현은 바로 구조용 소재의 개발과 소재의

적절한 적용에 달려있다고 볼 수 있다 특히 날로

치열해지는 국제 경쟁 환경에서 자주국방 확립과 밀접

한 연관성이 있는 항공용 소재는 대부분의 경우가

선진국의 수출통제 (EL Export License) 대상의 규정

되어 있어 한국의 의욕적인 항공기의 개발에 많은

장애 요인 중의 하나로 자리 잡혀 있는 것이 현실

이다 최근 전 세계 항공 산업은 대형 민간항공기

의 경우 미국의 보잉과 유럽의 에어버스의 양대

기업으로 개편되어 시장을 놓고 치열한 경쟁이 이

루어지고 있다

Fig 30 (a) Chevron and (b) Aero-gurney with variable

geometry morphing function for B787

application[11]

Fig 31 스웨덴 ACAB (wwwacabcom)사의 FSS

(frequency selective surfaces) 레이돔용 소재

틈새시장인 중형기 (mid-sized aircraft)는 브라질의

Bombardier사가 시장의 35 ~40를 차지하고 있으며

여기에 중국 러시아 및 일본 등이 자국 항공기의

개발을 통해 신흥 항공기 제조국가로 발돋움 하려고

부단히 경쟁하고 있는 추세이다 최근 정부에서는

2010년 초에 항공 산업 발전 기본 계획

(2010~2019)을 수립 제시하면서 새로운 미래의 도약

산업으로서 항공 산업의 발전을 도모하고 있다

하지만 역사적으로 소재공정 (material processing)

기술을 자체 확보하지 못한 국가가 항공 산업에서

우위를 차지한 적이 없는 만큼 한국이 틈새시장에

서나마 안정적인 시장을 확보하려면 항공 관련 소재

산업이 뒷받침 해주어야 한다고 판단된다 단기적

으로는 경량화의 꽃인 경쟁력 있는 탄소섬유의 개발이

무엇보다 강력하게 요구되고 있으며 보다 중기적

- 16 -

으로는 나노소재기술의 개발 및 상용화 장기적으로는

니켈합금 보다 가볍고 우수한 고온용 소재 Al-Li

합금 고분자복합재료보다 우수한 소재 등의 신소재

개발이 한국의 항공 산업을 든든하게 받혀 줄 수

있는 저력이 될 것이라고 판단된다

본 기고문은 한국항공우주산업진흥협회가 주관하는

2010년 항공우주부품기술개발사업 정책지정과제

lsquo중형항공기 핵심기술개발 선행연구lsquo의 지원을 받아

작성되었습니다

참고문헌

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[11] Boeing 홍보자료

- 8 -

보강용 섬유와열가소성(thermoplastic) 열경화성 (thermosetting)

고분자 수지가 일반적으로 많이 사용되고 있다 보잉

787에 적용된 복합재료로서 전체 구조물 무게의 약

43 (무게로는 35 톤)가 사용된 탄소섬유에폭시 복합

재료가 향후에도 대표적인 대형 항공기의 구조용 소재로

예상되므로 주로 탄소섬유 복합재료에 대해 기술하고자

한다 탄소섬유도 원천소재에 따라 PAN 및 Pitch 기반

탄소섬유로 분류 된다 전자는 원사인 Polyacrylonitrile을

고온로에서 태워 다양한 열처리 공정을 거쳐 생산되며

강도가 우수하고 가격이 상대적으로 저렴하여 항공기

구조용 소재로 많이 사용되고 있는 섬유이다 반면에

후자는 석유정제후의 부산물인 피치 (pitch)를 실

(filament)로 뽑아 이를 PAN과 유사한 공정을 거쳐

만들어지며 구리나 은 등의 금속소재와 대등할 정도로

열전도 특성이 매우 크고 강성이 우수하여 특히 우주용

구조물 소재로 사용되고 있고 값도 일반적으로 고가이다

탄소섬유도 추가 열처리 여부에 따라 Carbon섬유와

그래파이트(Graphite)섬유로 분류될 수 있으며 후자가

추가 열처리되어 일반적으로 물성이 더 우수하고 고가

이다 또한 동일 기반 탄소섬유라 하더라도 물성 등급

및 가격에 따라 시장 구조가 Fig 15와 같이 분류될 수

있다[7] 고급용 (high-end usage) 탄소섬유는 고강도

고강성 섬유로서 섬유직경이 작고 주로 항공기 구조용

소재로 사용되며 당연히 고가이다 중급 및 저급 탄소

섬유는 비항공기 시장인 스포츠 및 기타 산업용 소재로

사용되어 상대적으로 저가이다 참조로 B787에는 탄소

섬유가 무게로 약 23톤이 사용되고 있다 Fig 16은 강성

의 크기에 따라 인장강성 (tensile modulus)를 고중저(high

intermediatestandard)의 단계로 구분한 그림이다[7] 항

공기 부재의 강성 요구도에 따라 시장에서 소재를 적절히

선택할 때 유용하다 탄소섬유를 항공기의 구조물에

적용하는 경우 구조물의 손상여부가 항공기의 생존성

여부에 중요한 영향을 미치는 정도에 따라 구조물을 1차

및 2차 구조물 (또는 주 및 부구조물)로 분류할 수 있다

Fig 17은 주 및 부구조물과 우주용 구조물에 적용되는

탄소섬유의 강성 및 강도 범위를 버블로 표시한 것으로

이 또한 관련 구조물의 소재 선정시에 유용하게 활용

될 수 있다[7] 복합재료 항공기의 대표적 주구조물인

날개나 동체의 경우 적용되는 탄소섬유는 인장강도의

범위가 약 50~ 70 GPa 강성의 범위가 약 300~400

GPa이 되는 소재를 염두에 두고 선정할 수 있겠다

(a) (b)

Fig 15 PAN기반 탄소섬유의 (a) 등급 및 (b)

적용에 따른 시장구조 [7]

Fig 16 탄소섬유의 단계별 인장 강성 구분 [7]

Fig 17 항공기용 주부구조물 및 우주용

탄소섬유의 인장 강성-강도 버블 차트 분포 [7]

Fig 18은 보잉사의 복합재료 항공기인 B787의 주

소재로서 탄소섬유 (T800급)를 독점 공급하고 있

- 9 -

는 Toray에서 생산되는 PAN기반 탄소섬유의 인장

강도 및 인장강성의 버블 분포도이다[7] 현재 시장

점유율 40 여로 세계최대 항공 산업용 탄소섬유

공급업체인 Toray사가 생산하는 탄소섬유 중

T700 T800 T1000 등이 항공기용 주구조물에 적합

하고 T300 T400은 부구조물 M55J M60J M65J

등은 고강성이 요구되는 우주용 구조물 소재로

적합한 탄소섬유 소재이다 Toray의 제품명중 T

는 강도를 M은 강성을 의미한다

Fig 18 Toray(일본)의 PAN기반 탄소섬유의 인장

강성-인장강도 버블 차트 [7]

이 밖에 금속 합금과 복합재료를 장점을 갖도록 만든

섬유금속 적층판 (Fiber Metal Laminates) 등의 하이

브리드 소재가 항공기의 신소재로서 활용되고 있다

4 항공기 구조용 소재의 요구조건과 재료지수

항공기의 구조용 소재는 항공기의 각 부위가 받는

하중의 특성 및 요구 기능 및 성능에 따라 차별화된

소재가 사용되는 것은 당연하다 항공기의 구조물에 작용

하는 정적동적 하중과 장기간에 걸쳐 작용하는 피로

하중 (fatigue loads) 및 환경 조건(environmental

conditions) 등이 소재 선정에 있어서 신중히 고려되

어야 한다 Fig 19는 소재의 기본 특성인 강성과 강도

파괴인성 (또는 인성) 및 무게와의 항공기의 기본거

동의 연관성을 잘 도시해 주고 있다[4]

Fig 19 항공기와 소재 특성 비교 [4]]

항공기의 구조적 성능을 좌우하는 구조물의 소재는

우선적으로 항공기의 안전 (safety)를 다음으로는

성능을 보장해주어야 한다 강인한 소재를 사용함

으로써 항공기의 구조적 안전도를 높일 수 있으나

소재 자체의 무게가 무겁거나 과도 설계되는 경우

에는 항공기의 성능이 저하될 수 있으므로 항공기

제작사들은 가급적 강인하면서도 가벼운 소재에

많은 관심을 갖고 가급적 설계하중을 견디면서

무게를 최소화하려고 여러 가지 설계기법을 함께

개발하고 있다

항공기의 구조용 소재로서 일반적으로 갖추어야

할 조건 등을 일부 열거하면 다음과 같다

Choosing materials-desirable properties

bull 높은 비강도 및 비강성

bull 일관성 있고 예측 가능한 물성값

bull 부품에서의 균일성 및 방향에 따른 균질성

bull 높은 내식성

bull 난연성 및 내인화성 생산사용수리중의 안전성

bull 적당한 가격

- 10 -

bull 내피로 특성 높은 인성(toughness GIC)

bull 사용 온도구간에서의 적절한 요구강도

Fig 20은 항공기의 부위별 하중 특성에 따라 해당

소재가 만족하여야할 기계적 특성을 나열 도시한

것이다[8] 하중의 종류로는 인장 압축 굽힘 비

틀림 피로 환경하중 등 다양한 종류가 항공기

각 부위 및 부재에 작용할 수 있으며 대표적인

하중 및 작동모드에 따라 해당하는 부품의 소재를

선정할 필요가 있다 여기서 각 부위별로 요구되는

기계적 물성 또는 요구특성은 다음과 같은 종류

가 있다

FAT 내피로성 (fatigue resistance)

FCG 피로균열 성장 (Fatigue Crack Growth)

dadN 피로균열성장률 (fatigue crack growth rate)

σFS 피로강도 (fatigue strength)

COR 내부식성 (corrosion resistance)

KIC 파괴인성 (Fracture toughness)

KISCC 응력부식파괴 (stress corrosion

cracking fracture)

E 강성 (modulus)

σTS 인장강도(Tensile strength)

σYC 압축 항복 강도 (Compressive yield

strength)

σYT 인장 항복 강도(Tensile yield strength)

τSS 전단 강도 (shear strength)

Fig 20에서 항공기를 구성하는 각 부재별로 나열된

요구 물성 특성 순서는 우선적으로 고려해야 할

특성을 중요 순으로 배열한 것이며 ( )안은 설계

에는 반영하여야 하나 중요도는 상대적으로 떨어

지는 것을 의미한다 항공기의 핵심 부재별 고려

해야할 물성 또는 기계적 특성을 Table 1에 정리

하였다 [4 9]

항공기의 비행시 각 부재에 작용하는 대표 하중이

제시되면 각 부재를 구성하는 연결봉재 판재 또는

보(beam) 등의 기본 형상에 따라 무게 (또는 비용)를

최소화 하면서 강성 또는 강도 등을 유지 할 수

있는 재료지수 (material index)를 Table 2에 제시

한 바와 같이 계산으로 추출할 수 있다[4]

Fig 20 Critical requirements of airframe

components [8]

Table 1 Critical requirements of airframe

components

항공기주요

부재명

대표작용하중

비고(고려할 물성특성 순서)

날개상단(wingupper)

굽힘에의한 압축

비행시 굽힘에 의한 판재의압축 무게최소화(E

⅓ρ σYCρ KISCC )

날개하단(winglower)

굽힘에의한 인장

비행시 굽힘에 의한 판재의인장 (Eρ σYSρ KISCCCOR σFS dadN)

동체(fuselage)

인장압축굽힘비틀림내부압력

대표하중은판재의 인장무게최소화(E⅓

ρ σYSρ COR σFS dadN)

보강재(sparribs)

굽힘 좌굴

외피를 내부에서 보강 하중분산 역할 굽힘 하중을 받아날개하중 조건과 유사(Eρ σYSρ KISCC σFS dadN)

착륙기어(landing

gear)

정적하중피로하중

무게는 중요하지 않음 내피로파괴특성내응력부식특성 요구(E σYS dadN KIC KISCC)

조종면(controlsurfaces)

경하중경하중 부재는 강도보다 강성우선 고려

외피재(skin

material)환경하중

환경노출에 의한 내부식 특성초음속 항공기의 경우 내열특성 요구

날개의 상단부를 구성하는 판재가 굽힘에 의해

압축을 받는 경우 강성을 유지 (강성제한설계

stiffness-limited design)하면서 무게를 최소화 시키기

위해서는 물질지수 E⅓

ρ를 가급적 최대화 할 수

있는 재료를 선정하여야 한다 또한 이 판재는 소성

의 발생 없이 어느 정도 외부 인장 하중을 견디는

- 11 -

Table 2 작용하중과 부재형상에따른고려해야할 재료지수

기본형상

연결 봉재

(Tie-rod)

판재

(Panel)

보

(Beam)

작용하중 인장 굽힘 굽힘

모양

(shape)

강성제한설계

무게최소화Eρ E⅓ρ E

12ρ

강도제한설계

무게최소화σYSρ σYS

12ρ σYS

23ρ

강도제한설계

재료비용

최소화

σYSCmρ σYS12

Cmρ σYS23

Cmρ

Cm 단위 무게당 재료비용

강도를 유지 하면서 무게를 최소화 하여야 하는

경우에는 재료지수가 σYSρ (단순 인장시) 또는 σ

YS12

ρ (판재의 굽힘에 의한 인장시) 가 최대가 되는

소재를 차선으로 선정할 필요가 있다 한편 Table 3

에 제시한 바와 같이 항공기 부품 등에 따라 하중이

제한되는 조건에 의한 설계 (load limited

design) 또는 스프링이나 플라이휠 등과 같이

에너지를 최대한 저장해야하는 부재와 같이 에너지

가 제한되는 설계(energy limited design) 및 탄성

힌지 (elastic hinge)와 같이 변위를 제한하는 설계 등

설계적용 방식이 다른 경우가 있다[4] 일례로서

탄성힌지와 같이 작용 하중은 작으나 탄성힌지로서

최대변형률을 가지며 작은 곡률반경을 가질 정도로

굽힘 특성이 우수 하고 재료 내에 소성 및 균열이

발생하지 않으려면 재료지수 σYSE가 최대값을 갖는

재료를 후보군으로 먼저 선정하여야 한다 파괴

인성 (fracture toughness KIC)은 재료 내에 균열이

발생하여 성장하는 경우 재료의 크기와는 상관없이

Mode I 균열선단에서 균열성장에 저항하는 정도를

나타내는 재료 물성치 (material property)이다

한편 균열의 성장은 재료 내에 축적된 탄성에너지

가 새로운 균열면을 만드는데 소요되는 에너지로

방출(release) 되는 일종의 비가역 에너지 변환에

의하여 진행된다고 생각 할 수 있다 이때 KIC 뿐만

아니라 재료의 탄성 계수와 함께 연관된 물성 임계값

은 인성 (toughness mode I critical strain energy

Table 3 설계형태와 균열의 가정 유무에 따른 재료 지수

Designtype

부재예 요구항목

Materialindex

Nocrack

Fracturesafe

하중제한설계 wing-spar

최대하중

까지

파괴되지

않음

σYS

최대화

KIC

최대화

에너지제한설계

스프링

flywheel

turbine

containment

system

최대탄성

에너지

저장까지

파괴되지

않음

σYS2E

최대화

KIC2E

(asympGc)

최대화

변위제한설계

elastic

hinge

커플링

큰변형률

유지

σYSE

최대화

KICE

최대화

release rate Jm2 ) 으로 정의되어 다음과 같이

표현된다

GIC = KIC2E (1)

즉 mode I 하중이 균열선단에 작용하고 단위면적

당 에너지 GIC (Jm2 )가 균열면 생성에 공급되면

균열이 성장하는 개념으로 생각 할 수 있다 재료

의 인성은 KIC가 증가하면 증가하고 E가 커지면

(즉 취성이 증가하면) 감소함을 알 수 있다

재료의 강도 (strength)는 소성 흐름 (plastic flow)에

저항하는 정도를 표시하는 재료상수 로서 강도가

크면 일반적으로 σYS가 크고 소성역 (plastic

zone)이 상대적으로 작아져서 취성이 증가하게 된다

즉 crack 선단에서의 소성역에서의 에너지흡수가

저하되어 재료의 인성 (toughness)은 일반적으로

감소하게 된다

단조합금(wrought alloy)의 경우 강도가 증가함에

따라 인성이 약간 저하되는 경향이 있으며 주조

합금(cast alloys)의 경우에는 인성이 더 크게 저하

된다 이는 inter granular boundary failure에 의한

취성의 증가 때문으로 판단된다 주조합금은 용융

상태의 금속을 filtering하여 불순물을 제거하면

인성을 크게 증가시킬 수 있다

5 소재 선정

새로운 항공기의 개발시 어떻게 제작가능하고 높은

- 12 -

내구성과 성능을 가진 항공기 구조물을 설계 하느냐

와 함께 높은 요구 성능을 가진 항공기를 어떠한

소재를 적용하여 구현 할 수 있느냐도 항공기 개발시

중요한 고려사항이다 적용된 소재에 따라 항공기의

수명기간 동안 성능의 구현뿐만 아니라 저렴한

생산 공정 적용 및 향후 용이한 검사수리유지

경제적환경 친화적 운용 등이 좌우되기 때문에

최적의 소재 선정은 그 중요성을 아무리 강조해도

지나치지가 않다 이러한 소재의 선정은 소재 자

체의 물성값 (material properties) 등에 크게 좌우

된다

Fig 21은 소재선정 절차를 도시한 것으로 설계요구

조건으로부터 소요 형상 및 특성 요구치 등의 제한

조건을 부여하여 이를 만족하고 또한 제조공정이

적합한 소재 후보군을 선택한다[4] 이 들 후보군

들에 대해 비용 및 경제적 효가 등을 고려하여

최종 선정을 하게 된다

Fig 22는 시장의 수요로부터 도출된 소재와 공정의

선정과 구체화를 거쳐 최종적으로 제품 규격서

(product specification)의 산출까지의 구현과정을

도시하고 있다[4]

한편 앞장에서 언급한 바와 같이 항공기의 각 부재별

하중 형상 특성으로부터 도출된 재료지수를 바탕

으로 각각의 요구 특성을 만족하는 소재를 선정

하기 위해서는 Fig 23과 같이 각 소재군을 x y축에

각각 1개씩 2개의 물성별로 버블형태로 포괄적으로

구성한 차트가 매우 요긴하게 활용될 수 있다

Fig 21 설계요구조건과 소재선정 과정 [4]

Fig 22 소재-공정 선정 단계와 제품 규격서 산출[4]

이때 각 물성치는 소재군 별로 차이가 매우 크므로

각 축의 물성은 상용로그 scale로 표시하여 작성

하는 것이 일반적이다 버블차트는 2가지 특성을

동시에 도시할 수 있고 이들 특성의 제한조건 (요구

조건)을 만족하는 소재 후보군을 쉽게 도시화 할 수

있다 이들 버블차트를 손쉽게 구현하기 위해서는

다양한 소재별로 물성값 데이터베이스를 폭넓게

확보하고 있어야 한다 이들 데이터베이스를 프로그램

화 하여 원하는 2가지 특성을 버블차트로 만들

수 있는 프로그램이 상용화되어 판매되고 있다

4장 Table 2에 제시한 바와 같이 강성제한 설계를

적용하여 판재의 무게를 최소화 하면서 굽힘 강성

의 최대값을 주는 소재를 선정하려면 우선 Fig

23과 같이 재료의 탄성계수와 밀도를 도시한 버블

차트를 이용하고 재료지수인 E⅓

ρ 가 최대가 되는

소재를 선정하여야 한다 이때 보통 재료지수에

제한조건 (constraint)이 상수 등으로 주어지므로

양변에 상용로그를 취하면 y축인 logE 와 x축인

logρ 사이에 기울기가 3인 직선이 형성된다

제한조건이 주어지는 경우 각 버블군과 만나는

소재들이 이 조건을 만족하는 것으로 소재후보가

선정되게 된다 이때 또 다른 제한조건이 주어지는

경우 점차 소재군의 폭이 좁아지고 최종 소재가

구체화되어 선정되게 된다 제한조건이 없이 시작한

경우 점선을 좌로 이동시켜가면서 만나는 소재군

이 좀 더 큰 재료지수를 가지므로 후보군에 가까

운 소재이다 한편 강성제한설계가 아니라 강도

- 13 -

제한설계로 요구되는 경우 재료지수는 동일 판재

의 경우 σYS12ρ가 되므로 σYS와 ρ를 도시한 버블

차트를 이용하여 위에 유사한 절차로 무게를 최

소화 하는 소재군을 선정할 수 있다 한편 Table

3과 같은 제한설계 방식에 따라 요구되는 재료지수

를 최대화 하는 소재를 찾고자 하는 경우에는

Fig 24 (균열이 없는 경우) 또는 Fig 25 (균열을

고려한 경우)와 같이 σYS-E 또는 KIC-E 버블차트가

요구되며 선정 과정은 앞의 경우와 동일하다

Fig 23 각 소재군별 탄성계수-밀도 버블 차트 [4]

Fig 24 탄성계수-항복강도 버블차트 [4]

일반 민간항공기와는 달리 초음속 비행이 가능한

전투기 또는 초음속 여객기 등의 개발시에는 초

음속으로 비행시 외부 동체 및 날개 등에 가해지

는 공기와의 마찰에 의한 높은 온도 상승을 재료

선정시 반드시 고려하여야 한다 Fig 26은 항공기

표면의 방사율 (emissivity)이 09인 항공기가 고공

23km 온도 -56degC인 대기권을 초음속 비행할 때

항공기 표면에서의 온도 분포 그림이다[10] 전체

표면 온도가 100 degC에 이를 만큼 뜨거운 상태임

을 알 수 있다 복합재료가 동체와 날개에 적용되는

경우 재료의 사용온도에서의 강도값을 소재선정 및

구조물의 설계에 반영하여야 한다 Fig 27은 이때

참조하여야 할 각종 소재의 최대 사용 온도 (max

service temp)에서의 강도값을 제시해 주고 있다[4]

Fig 25 파괴인성-탄성계수 버블차트 [4]

Fig 26 Skin heating across the airframe [10]

Fig 27 소재별 최고사용온도와 강도의 버블차트 [4]

- 14 -

최근에는 스텔스 기능 등을 가지는 항공기가 등장함에

따라 항공기의 구성 소재가 기존의 하중만을 단순

지지하는 구조물에서 최근에는 하중과 함께 전자파

흡수나 투과 또는 방열특성 등의 복합기능을 요구하는

기능성 구조물로의 설계요구가 늘어나고 있다 이러한

경우에는 재료의 강도뿐만 아니라 유전특성 등을 고려

하여 선정을 하여야 한다 지금까지 소재선정과 버블

차트이용을 주로 언급하였으나 필요시에는 Fig 28과

같이 여러 가지 특성을 비교할 수 있도록 표시하면

재료의 장단점을 잘 비교하여 소재의 선정에 도움이

될 수 있다[1]

Fig 28 Property envelopes for aluminium alloys [1]

6 항공기 구조용 소재의 개발동향

민간항공기 산업은 제품의 생산주기 (product life

cycle)상 성숙기에 다다른 산업으로 2008년도의 유가

급등에 따른 경제 위기이후 민간항공기 분야에서는

친환경적이고 고효율의 성능을 가진 항공기가 점차

요구되고 있다 최근의 새로운 항공기는 복합재료 기체

(composite airframe)의 적용으로 인한 항공기의 경량화

첨단 고효율 엔진 장착으로 인한 연비 극대화 및 첨단

전자시스템 (avionics)의 도입으로 인한 안전도 향상

공기역학적 최적설계로 항력 절감 등을 통해 기존의

항공기와 차별화 되고 있다 이러한 차별화된 항공기

기체를 제조하기 위해서는 고기능 특성을 가진 첨단

신소재의 개발이 무엇보다 요구되고 있다 최근 복합

재료가 항공기의 주구조물에 까지 적용되기 시작 하였

으나 새로운 소재에 대한 요구도는 점차 높아지고

있는 추세이다 나노기술의 성과 축적에 따라 최근에는

나노입자를 보강하거나 탄소나노튜브 자체를 길이방

향으로 성장시켜 장섬유로 기존의 복합재료와 같은

새로운 소재를 구성하려는 연구도 활발히 진행이 되고

있다 가까운 미래에 탄소-탄소 공유결합으로 강인한

특성을 지닌 탄소나노 섬유 (carbon nano fiber)로

이루어진 단일방향 프리프레그나 직물형 프리그레그

(prepreg)가 개발되는 경우 이들의 파급효과는 기존의

어떠한 구조재료보다 더 클 것으로 예상이 되고 있다

이들 초경량 소재를 적용하여 항공기를 설계하는 경우

기존의 항공기와는 다른 형상의 첨단 항공기가 등장

할 수 있을 것 판단된다 한편 기존의 금속 합금도

알루미늄 합금에서 벗어나 보다 넓은 범위의 Al-Li

합금의 적용이 활발해질 것으로 예측되고 있다 최근

에어버스사는 버튼하나로 외부의 경치를 360도 사방

으로 관람할 수 있는 첨단 신소재를 적용

(see-through 기술)한 자사의 미래형 민항기 (concept

airplane)를 발표하였다(Fig 29 참조)[2] 이와 같이

첨단 기능성 구조재료는 항공기의 기존 개념을 상상

할 수 없을 정도로 바꿀 수 있는 가능성을 제공하고

있음을 알 수 있다

Fig 29 Airbus사의 미래형 신개념 민간항공기[2]

최근에는 항공기 임무의 고도화와 첨단화에 따라

방열기능 복합재료 전자파 에너지 흡수 복합재료

전자기파 차폐용 복합재료 등의 기능성 특성을 지니

면서 초경량 구조용 소재로 활용될 수 있는 군사용

복합재료의 개발 필요성 크게 증대되고 있다 민간

- 15 -

항공기에도 스마트 구조물 구현을 위한 형상기억합금

(Shape Memory Alloy SMA) Piezo Actuator를

이용한 형상변형 (Morphing) 구조물 등이 최근 적용이

적극적으로 시도 되고 있다 (Fig 30 참조)[11] 이와

같이 공기역학적 성능형상을 구현하기 위한 형상

변경의 필요성은 기존 신소재와 복합재료의 하이브리드화

를 통해 새롭게 조명 받고 있다 한편 국내외적으로

스텔스 기능을 가지는 구조물이나 전자파를 흡수하

거나 선택적으로 통과 및 반사하는 레이돔과 같은

기능성 구조물에 대한 관심이 높아지고 있다 Fig

31은 Volvo사의 자회사인 스웨덴의 ACAB사의 레이돔

의 소재로서 주파수를 선택적으로 투과하는 표면을

갖도록 제작된 유리섬유 보강 복합재료의 표면 샘플

을 보여주고 있다 이와 같이 기존의 단순한 하중

을 전달하거나 지지하도록 제작되는 항공기 구조물

에서 벗어나 최근에는 센서 및 작동기와 같은 것을

내장하는 고부가가치의 지능형 항공기 구조물(smart

aircraft structures)이 점차 늘어나고 있는 추세이다

7 맺는 말

2004년 이후 2008년도 유가 급등기까지 전 세계

민간항공기 운항사의 80이상은 적자 상태에 있

었다고 분석되고 있다 이는 유가가 항공기 운용비

(operating cost)의 50 ~ 60를 차지하게 된 것에

기인하는 것으로 석유의 고갈이 점차 다가옴에 따라

항공기 제조사들은 항공기의 경량화를 통해 좀 더

효율적인 항공기를 개발하여 항공기 운항사에 공급

하려고 부단히 노력하고 있다

이와 같이 많은 이익을 줄 수 있는 항공기의 경량화

목표 실현은 바로 구조용 소재의 개발과 소재의

적절한 적용에 달려있다고 볼 수 있다 특히 날로

치열해지는 국제 경쟁 환경에서 자주국방 확립과 밀접

한 연관성이 있는 항공용 소재는 대부분의 경우가

선진국의 수출통제 (EL Export License) 대상의 규정

되어 있어 한국의 의욕적인 항공기의 개발에 많은

장애 요인 중의 하나로 자리 잡혀 있는 것이 현실

이다 최근 전 세계 항공 산업은 대형 민간항공기

의 경우 미국의 보잉과 유럽의 에어버스의 양대

기업으로 개편되어 시장을 놓고 치열한 경쟁이 이

루어지고 있다

Fig 30 (a) Chevron and (b) Aero-gurney with variable

geometry morphing function for B787

application[11]

Fig 31 스웨덴 ACAB (wwwacabcom)사의 FSS

(frequency selective surfaces) 레이돔용 소재

틈새시장인 중형기 (mid-sized aircraft)는 브라질의

Bombardier사가 시장의 35 ~40를 차지하고 있으며

여기에 중국 러시아 및 일본 등이 자국 항공기의

개발을 통해 신흥 항공기 제조국가로 발돋움 하려고

부단히 경쟁하고 있는 추세이다 최근 정부에서는

2010년 초에 항공 산업 발전 기본 계획

(2010~2019)을 수립 제시하면서 새로운 미래의 도약

산업으로서 항공 산업의 발전을 도모하고 있다

하지만 역사적으로 소재공정 (material processing)

기술을 자체 확보하지 못한 국가가 항공 산업에서

우위를 차지한 적이 없는 만큼 한국이 틈새시장에

서나마 안정적인 시장을 확보하려면 항공 관련 소재

산업이 뒷받침 해주어야 한다고 판단된다 단기적

으로는 경량화의 꽃인 경쟁력 있는 탄소섬유의 개발이

무엇보다 강력하게 요구되고 있으며 보다 중기적

- 16 -

으로는 나노소재기술의 개발 및 상용화 장기적으로는

니켈합금 보다 가볍고 우수한 고온용 소재 Al-Li

합금 고분자복합재료보다 우수한 소재 등의 신소재

개발이 한국의 항공 산업을 든든하게 받혀 줄 수

있는 저력이 될 것이라고 판단된다

본 기고문은 한국항공우주산업진흥협회가 주관하는

2010년 항공우주부품기술개발사업 정책지정과제

lsquo중형항공기 핵심기술개발 선행연구lsquo의 지원을 받아

작성되었습니다

참고문헌

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Publishing 2001

[2] Airbus 홍보자료

[3] Aerospace Industry Outlook - Implications

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Furness Selection and Use of Eng Matls

3rd Edition Oxford 1997

[11] Boeing 홍보자료

- 9 -

는 Toray에서 생산되는 PAN기반 탄소섬유의 인장

강도 및 인장강성의 버블 분포도이다[7] 현재 시장

점유율 40 여로 세계최대 항공 산업용 탄소섬유

공급업체인 Toray사가 생산하는 탄소섬유 중

T700 T800 T1000 등이 항공기용 주구조물에 적합

하고 T300 T400은 부구조물 M55J M60J M65J

등은 고강성이 요구되는 우주용 구조물 소재로

적합한 탄소섬유 소재이다 Toray의 제품명중 T

는 강도를 M은 강성을 의미한다

Fig 18 Toray(일본)의 PAN기반 탄소섬유의 인장

강성-인장강도 버블 차트 [7]

이 밖에 금속 합금과 복합재료를 장점을 갖도록 만든

섬유금속 적층판 (Fiber Metal Laminates) 등의 하이

브리드 소재가 항공기의 신소재로서 활용되고 있다

4 항공기 구조용 소재의 요구조건과 재료지수

항공기의 구조용 소재는 항공기의 각 부위가 받는

하중의 특성 및 요구 기능 및 성능에 따라 차별화된

소재가 사용되는 것은 당연하다 항공기의 구조물에 작용

하는 정적동적 하중과 장기간에 걸쳐 작용하는 피로

하중 (fatigue loads) 및 환경 조건(environmental

conditions) 등이 소재 선정에 있어서 신중히 고려되

어야 한다 Fig 19는 소재의 기본 특성인 강성과 강도

파괴인성 (또는 인성) 및 무게와의 항공기의 기본거

동의 연관성을 잘 도시해 주고 있다[4]

Fig 19 항공기와 소재 특성 비교 [4]]

항공기의 구조적 성능을 좌우하는 구조물의 소재는

우선적으로 항공기의 안전 (safety)를 다음으로는

성능을 보장해주어야 한다 강인한 소재를 사용함

으로써 항공기의 구조적 안전도를 높일 수 있으나

소재 자체의 무게가 무겁거나 과도 설계되는 경우

에는 항공기의 성능이 저하될 수 있으므로 항공기

제작사들은 가급적 강인하면서도 가벼운 소재에

많은 관심을 갖고 가급적 설계하중을 견디면서

무게를 최소화하려고 여러 가지 설계기법을 함께

개발하고 있다

항공기의 구조용 소재로서 일반적으로 갖추어야

할 조건 등을 일부 열거하면 다음과 같다

Choosing materials-desirable properties

bull 높은 비강도 및 비강성

bull 일관성 있고 예측 가능한 물성값

bull 부품에서의 균일성 및 방향에 따른 균질성

bull 높은 내식성

bull 난연성 및 내인화성 생산사용수리중의 안전성

bull 적당한 가격

- 10 -

bull 내피로 특성 높은 인성(toughness GIC)

bull 사용 온도구간에서의 적절한 요구강도

Fig 20은 항공기의 부위별 하중 특성에 따라 해당

소재가 만족하여야할 기계적 특성을 나열 도시한

것이다[8] 하중의 종류로는 인장 압축 굽힘 비

틀림 피로 환경하중 등 다양한 종류가 항공기

각 부위 및 부재에 작용할 수 있으며 대표적인

하중 및 작동모드에 따라 해당하는 부품의 소재를

선정할 필요가 있다 여기서 각 부위별로 요구되는

기계적 물성 또는 요구특성은 다음과 같은 종류

가 있다

FAT 내피로성 (fatigue resistance)

FCG 피로균열 성장 (Fatigue Crack Growth)

dadN 피로균열성장률 (fatigue crack growth rate)

σFS 피로강도 (fatigue strength)

COR 내부식성 (corrosion resistance)

KIC 파괴인성 (Fracture toughness)

KISCC 응력부식파괴 (stress corrosion

cracking fracture)

E 강성 (modulus)

σTS 인장강도(Tensile strength)

σYC 압축 항복 강도 (Compressive yield

strength)

σYT 인장 항복 강도(Tensile yield strength)

τSS 전단 강도 (shear strength)

Fig 20에서 항공기를 구성하는 각 부재별로 나열된

요구 물성 특성 순서는 우선적으로 고려해야 할

특성을 중요 순으로 배열한 것이며 ( )안은 설계

에는 반영하여야 하나 중요도는 상대적으로 떨어

지는 것을 의미한다 항공기의 핵심 부재별 고려

해야할 물성 또는 기계적 특성을 Table 1에 정리

하였다 [4 9]

항공기의 비행시 각 부재에 작용하는 대표 하중이

제시되면 각 부재를 구성하는 연결봉재 판재 또는

보(beam) 등의 기본 형상에 따라 무게 (또는 비용)를

최소화 하면서 강성 또는 강도 등을 유지 할 수

있는 재료지수 (material index)를 Table 2에 제시

한 바와 같이 계산으로 추출할 수 있다[4]

Fig 20 Critical requirements of airframe

components [8]

Table 1 Critical requirements of airframe

components

항공기주요

부재명

대표작용하중

비고(고려할 물성특성 순서)

날개상단(wingupper)

굽힘에의한 압축

비행시 굽힘에 의한 판재의압축 무게최소화(E

⅓ρ σYCρ KISCC )

날개하단(winglower)

굽힘에의한 인장

비행시 굽힘에 의한 판재의인장 (Eρ σYSρ KISCCCOR σFS dadN)

동체(fuselage)

인장압축굽힘비틀림내부압력

대표하중은판재의 인장무게최소화(E⅓

ρ σYSρ COR σFS dadN)

보강재(sparribs)

굽힘 좌굴

외피를 내부에서 보강 하중분산 역할 굽힘 하중을 받아날개하중 조건과 유사(Eρ σYSρ KISCC σFS dadN)

착륙기어(landing

gear)

정적하중피로하중

무게는 중요하지 않음 내피로파괴특성내응력부식특성 요구(E σYS dadN KIC KISCC)

조종면(controlsurfaces)

경하중경하중 부재는 강도보다 강성우선 고려

외피재(skin

material)환경하중

환경노출에 의한 내부식 특성초음속 항공기의 경우 내열특성 요구

날개의 상단부를 구성하는 판재가 굽힘에 의해

압축을 받는 경우 강성을 유지 (강성제한설계

stiffness-limited design)하면서 무게를 최소화 시키기

위해서는 물질지수 E⅓

ρ를 가급적 최대화 할 수

있는 재료를 선정하여야 한다 또한 이 판재는 소성

의 발생 없이 어느 정도 외부 인장 하중을 견디는

- 11 -

Table 2 작용하중과 부재형상에따른고려해야할 재료지수

기본형상

연결 봉재

(Tie-rod)

판재

(Panel)

보

(Beam)

작용하중 인장 굽힘 굽힘

모양

(shape)

강성제한설계

무게최소화Eρ E⅓ρ E

12ρ

강도제한설계

무게최소화σYSρ σYS

12ρ σYS

23ρ

강도제한설계

재료비용

최소화

σYSCmρ σYS12

Cmρ σYS23

Cmρ

Cm 단위 무게당 재료비용

강도를 유지 하면서 무게를 최소화 하여야 하는

경우에는 재료지수가 σYSρ (단순 인장시) 또는 σ

YS12

ρ (판재의 굽힘에 의한 인장시) 가 최대가 되는

소재를 차선으로 선정할 필요가 있다 한편 Table 3

에 제시한 바와 같이 항공기 부품 등에 따라 하중이

제한되는 조건에 의한 설계 (load limited

design) 또는 스프링이나 플라이휠 등과 같이

에너지를 최대한 저장해야하는 부재와 같이 에너지

가 제한되는 설계(energy limited design) 및 탄성

힌지 (elastic hinge)와 같이 변위를 제한하는 설계 등

설계적용 방식이 다른 경우가 있다[4] 일례로서

탄성힌지와 같이 작용 하중은 작으나 탄성힌지로서

최대변형률을 가지며 작은 곡률반경을 가질 정도로

굽힘 특성이 우수 하고 재료 내에 소성 및 균열이

발생하지 않으려면 재료지수 σYSE가 최대값을 갖는

재료를 후보군으로 먼저 선정하여야 한다 파괴

인성 (fracture toughness KIC)은 재료 내에 균열이

발생하여 성장하는 경우 재료의 크기와는 상관없이

Mode I 균열선단에서 균열성장에 저항하는 정도를

나타내는 재료 물성치 (material property)이다

한편 균열의 성장은 재료 내에 축적된 탄성에너지

가 새로운 균열면을 만드는데 소요되는 에너지로

방출(release) 되는 일종의 비가역 에너지 변환에

의하여 진행된다고 생각 할 수 있다 이때 KIC 뿐만

아니라 재료의 탄성 계수와 함께 연관된 물성 임계값

은 인성 (toughness mode I critical strain energy

Table 3 설계형태와 균열의 가정 유무에 따른 재료 지수

Designtype

부재예 요구항목

Materialindex

Nocrack

Fracturesafe

하중제한설계 wing-spar

최대하중

까지

파괴되지

않음

σYS

최대화

KIC

최대화

에너지제한설계

스프링

flywheel

turbine

containment

system

최대탄성

에너지

저장까지

파괴되지

않음

σYS2E

최대화

KIC2E

(asympGc)

최대화

변위제한설계

elastic

hinge

커플링

큰변형률

유지

σYSE

최대화

KICE

최대화

release rate Jm2 ) 으로 정의되어 다음과 같이

표현된다

GIC = KIC2E (1)

즉 mode I 하중이 균열선단에 작용하고 단위면적

당 에너지 GIC (Jm2 )가 균열면 생성에 공급되면

균열이 성장하는 개념으로 생각 할 수 있다 재료

의 인성은 KIC가 증가하면 증가하고 E가 커지면

(즉 취성이 증가하면) 감소함을 알 수 있다

재료의 강도 (strength)는 소성 흐름 (plastic flow)에

저항하는 정도를 표시하는 재료상수 로서 강도가

크면 일반적으로 σYS가 크고 소성역 (plastic

zone)이 상대적으로 작아져서 취성이 증가하게 된다

즉 crack 선단에서의 소성역에서의 에너지흡수가

저하되어 재료의 인성 (toughness)은 일반적으로

감소하게 된다

단조합금(wrought alloy)의 경우 강도가 증가함에

따라 인성이 약간 저하되는 경향이 있으며 주조

합금(cast alloys)의 경우에는 인성이 더 크게 저하

된다 이는 inter granular boundary failure에 의한

취성의 증가 때문으로 판단된다 주조합금은 용융

상태의 금속을 filtering하여 불순물을 제거하면

인성을 크게 증가시킬 수 있다

5 소재 선정

새로운 항공기의 개발시 어떻게 제작가능하고 높은

- 12 -

내구성과 성능을 가진 항공기 구조물을 설계 하느냐

와 함께 높은 요구 성능을 가진 항공기를 어떠한

소재를 적용하여 구현 할 수 있느냐도 항공기 개발시

중요한 고려사항이다 적용된 소재에 따라 항공기의

수명기간 동안 성능의 구현뿐만 아니라 저렴한

생산 공정 적용 및 향후 용이한 검사수리유지

경제적환경 친화적 운용 등이 좌우되기 때문에

최적의 소재 선정은 그 중요성을 아무리 강조해도

지나치지가 않다 이러한 소재의 선정은 소재 자

체의 물성값 (material properties) 등에 크게 좌우

된다

Fig 21은 소재선정 절차를 도시한 것으로 설계요구

조건으로부터 소요 형상 및 특성 요구치 등의 제한

조건을 부여하여 이를 만족하고 또한 제조공정이

적합한 소재 후보군을 선택한다[4] 이 들 후보군

들에 대해 비용 및 경제적 효가 등을 고려하여

최종 선정을 하게 된다

Fig 22는 시장의 수요로부터 도출된 소재와 공정의

선정과 구체화를 거쳐 최종적으로 제품 규격서

(product specification)의 산출까지의 구현과정을

도시하고 있다[4]

한편 앞장에서 언급한 바와 같이 항공기의 각 부재별

하중 형상 특성으로부터 도출된 재료지수를 바탕

으로 각각의 요구 특성을 만족하는 소재를 선정

하기 위해서는 Fig 23과 같이 각 소재군을 x y축에

각각 1개씩 2개의 물성별로 버블형태로 포괄적으로

구성한 차트가 매우 요긴하게 활용될 수 있다

Fig 21 설계요구조건과 소재선정 과정 [4]

Fig 22 소재-공정 선정 단계와 제품 규격서 산출[4]

이때 각 물성치는 소재군 별로 차이가 매우 크므로

각 축의 물성은 상용로그 scale로 표시하여 작성

하는 것이 일반적이다 버블차트는 2가지 특성을

동시에 도시할 수 있고 이들 특성의 제한조건 (요구

조건)을 만족하는 소재 후보군을 쉽게 도시화 할 수

있다 이들 버블차트를 손쉽게 구현하기 위해서는

다양한 소재별로 물성값 데이터베이스를 폭넓게

확보하고 있어야 한다 이들 데이터베이스를 프로그램

화 하여 원하는 2가지 특성을 버블차트로 만들

수 있는 프로그램이 상용화되어 판매되고 있다

4장 Table 2에 제시한 바와 같이 강성제한 설계를

적용하여 판재의 무게를 최소화 하면서 굽힘 강성

의 최대값을 주는 소재를 선정하려면 우선 Fig

23과 같이 재료의 탄성계수와 밀도를 도시한 버블

차트를 이용하고 재료지수인 E⅓

ρ 가 최대가 되는

소재를 선정하여야 한다 이때 보통 재료지수에

제한조건 (constraint)이 상수 등으로 주어지므로

양변에 상용로그를 취하면 y축인 logE 와 x축인

logρ 사이에 기울기가 3인 직선이 형성된다

제한조건이 주어지는 경우 각 버블군과 만나는

소재들이 이 조건을 만족하는 것으로 소재후보가

선정되게 된다 이때 또 다른 제한조건이 주어지는

경우 점차 소재군의 폭이 좁아지고 최종 소재가

구체화되어 선정되게 된다 제한조건이 없이 시작한

경우 점선을 좌로 이동시켜가면서 만나는 소재군

이 좀 더 큰 재료지수를 가지므로 후보군에 가까

운 소재이다 한편 강성제한설계가 아니라 강도

- 13 -

제한설계로 요구되는 경우 재료지수는 동일 판재

의 경우 σYS12ρ가 되므로 σYS와 ρ를 도시한 버블

차트를 이용하여 위에 유사한 절차로 무게를 최

소화 하는 소재군을 선정할 수 있다 한편 Table

3과 같은 제한설계 방식에 따라 요구되는 재료지수

를 최대화 하는 소재를 찾고자 하는 경우에는

Fig 24 (균열이 없는 경우) 또는 Fig 25 (균열을

고려한 경우)와 같이 σYS-E 또는 KIC-E 버블차트가

요구되며 선정 과정은 앞의 경우와 동일하다

Fig 23 각 소재군별 탄성계수-밀도 버블 차트 [4]

Fig 24 탄성계수-항복강도 버블차트 [4]

일반 민간항공기와는 달리 초음속 비행이 가능한

전투기 또는 초음속 여객기 등의 개발시에는 초

음속으로 비행시 외부 동체 및 날개 등에 가해지

는 공기와의 마찰에 의한 높은 온도 상승을 재료

선정시 반드시 고려하여야 한다 Fig 26은 항공기

표면의 방사율 (emissivity)이 09인 항공기가 고공

23km 온도 -56degC인 대기권을 초음속 비행할 때

항공기 표면에서의 온도 분포 그림이다[10] 전체

표면 온도가 100 degC에 이를 만큼 뜨거운 상태임

을 알 수 있다 복합재료가 동체와 날개에 적용되는

경우 재료의 사용온도에서의 강도값을 소재선정 및

구조물의 설계에 반영하여야 한다 Fig 27은 이때

참조하여야 할 각종 소재의 최대 사용 온도 (max

service temp)에서의 강도값을 제시해 주고 있다[4]

Fig 25 파괴인성-탄성계수 버블차트 [4]

Fig 26 Skin heating across the airframe [10]

Fig 27 소재별 최고사용온도와 강도의 버블차트 [4]

- 14 -

최근에는 스텔스 기능 등을 가지는 항공기가 등장함에

따라 항공기의 구성 소재가 기존의 하중만을 단순

지지하는 구조물에서 최근에는 하중과 함께 전자파

흡수나 투과 또는 방열특성 등의 복합기능을 요구하는

기능성 구조물로의 설계요구가 늘어나고 있다 이러한

경우에는 재료의 강도뿐만 아니라 유전특성 등을 고려

하여 선정을 하여야 한다 지금까지 소재선정과 버블

차트이용을 주로 언급하였으나 필요시에는 Fig 28과

같이 여러 가지 특성을 비교할 수 있도록 표시하면

재료의 장단점을 잘 비교하여 소재의 선정에 도움이

될 수 있다[1]

Fig 28 Property envelopes for aluminium alloys [1]

6 항공기 구조용 소재의 개발동향

민간항공기 산업은 제품의 생산주기 (product life

cycle)상 성숙기에 다다른 산업으로 2008년도의 유가

급등에 따른 경제 위기이후 민간항공기 분야에서는

친환경적이고 고효율의 성능을 가진 항공기가 점차

요구되고 있다 최근의 새로운 항공기는 복합재료 기체

(composite airframe)의 적용으로 인한 항공기의 경량화

첨단 고효율 엔진 장착으로 인한 연비 극대화 및 첨단

전자시스템 (avionics)의 도입으로 인한 안전도 향상

공기역학적 최적설계로 항력 절감 등을 통해 기존의

항공기와 차별화 되고 있다 이러한 차별화된 항공기

기체를 제조하기 위해서는 고기능 특성을 가진 첨단

신소재의 개발이 무엇보다 요구되고 있다 최근 복합

재료가 항공기의 주구조물에 까지 적용되기 시작 하였

으나 새로운 소재에 대한 요구도는 점차 높아지고

있는 추세이다 나노기술의 성과 축적에 따라 최근에는

나노입자를 보강하거나 탄소나노튜브 자체를 길이방

향으로 성장시켜 장섬유로 기존의 복합재료와 같은

새로운 소재를 구성하려는 연구도 활발히 진행이 되고

있다 가까운 미래에 탄소-탄소 공유결합으로 강인한

특성을 지닌 탄소나노 섬유 (carbon nano fiber)로

이루어진 단일방향 프리프레그나 직물형 프리그레그

(prepreg)가 개발되는 경우 이들의 파급효과는 기존의

어떠한 구조재료보다 더 클 것으로 예상이 되고 있다

이들 초경량 소재를 적용하여 항공기를 설계하는 경우

기존의 항공기와는 다른 형상의 첨단 항공기가 등장

할 수 있을 것 판단된다 한편 기존의 금속 합금도

알루미늄 합금에서 벗어나 보다 넓은 범위의 Al-Li

합금의 적용이 활발해질 것으로 예측되고 있다 최근

에어버스사는 버튼하나로 외부의 경치를 360도 사방

으로 관람할 수 있는 첨단 신소재를 적용

(see-through 기술)한 자사의 미래형 민항기 (concept

airplane)를 발표하였다(Fig 29 참조)[2] 이와 같이

첨단 기능성 구조재료는 항공기의 기존 개념을 상상

할 수 없을 정도로 바꿀 수 있는 가능성을 제공하고

있음을 알 수 있다

Fig 29 Airbus사의 미래형 신개념 민간항공기[2]

최근에는 항공기 임무의 고도화와 첨단화에 따라

방열기능 복합재료 전자파 에너지 흡수 복합재료

전자기파 차폐용 복합재료 등의 기능성 특성을 지니

면서 초경량 구조용 소재로 활용될 수 있는 군사용

복합재료의 개발 필요성 크게 증대되고 있다 민간

- 15 -

항공기에도 스마트 구조물 구현을 위한 형상기억합금

(Shape Memory Alloy SMA) Piezo Actuator를

이용한 형상변형 (Morphing) 구조물 등이 최근 적용이

적극적으로 시도 되고 있다 (Fig 30 참조)[11] 이와

같이 공기역학적 성능형상을 구현하기 위한 형상

변경의 필요성은 기존 신소재와 복합재료의 하이브리드화

를 통해 새롭게 조명 받고 있다 한편 국내외적으로

스텔스 기능을 가지는 구조물이나 전자파를 흡수하

거나 선택적으로 통과 및 반사하는 레이돔과 같은

기능성 구조물에 대한 관심이 높아지고 있다 Fig

31은 Volvo사의 자회사인 스웨덴의 ACAB사의 레이돔

의 소재로서 주파수를 선택적으로 투과하는 표면을

갖도록 제작된 유리섬유 보강 복합재료의 표면 샘플

을 보여주고 있다 이와 같이 기존의 단순한 하중

을 전달하거나 지지하도록 제작되는 항공기 구조물

에서 벗어나 최근에는 센서 및 작동기와 같은 것을

내장하는 고부가가치의 지능형 항공기 구조물(smart

aircraft structures)이 점차 늘어나고 있는 추세이다

7 맺는 말

2004년 이후 2008년도 유가 급등기까지 전 세계

민간항공기 운항사의 80이상은 적자 상태에 있

었다고 분석되고 있다 이는 유가가 항공기 운용비

(operating cost)의 50 ~ 60를 차지하게 된 것에

기인하는 것으로 석유의 고갈이 점차 다가옴에 따라

항공기 제조사들은 항공기의 경량화를 통해 좀 더

효율적인 항공기를 개발하여 항공기 운항사에 공급

하려고 부단히 노력하고 있다

이와 같이 많은 이익을 줄 수 있는 항공기의 경량화

목표 실현은 바로 구조용 소재의 개발과 소재의

적절한 적용에 달려있다고 볼 수 있다 특히 날로

치열해지는 국제 경쟁 환경에서 자주국방 확립과 밀접

한 연관성이 있는 항공용 소재는 대부분의 경우가

선진국의 수출통제 (EL Export License) 대상의 규정

되어 있어 한국의 의욕적인 항공기의 개발에 많은

장애 요인 중의 하나로 자리 잡혀 있는 것이 현실

이다 최근 전 세계 항공 산업은 대형 민간항공기

의 경우 미국의 보잉과 유럽의 에어버스의 양대

기업으로 개편되어 시장을 놓고 치열한 경쟁이 이

루어지고 있다

Fig 30 (a) Chevron and (b) Aero-gurney with variable

geometry morphing function for B787

application[11]

Fig 31 스웨덴 ACAB (wwwacabcom)사의 FSS

(frequency selective surfaces) 레이돔용 소재

틈새시장인 중형기 (mid-sized aircraft)는 브라질의

Bombardier사가 시장의 35 ~40를 차지하고 있으며

여기에 중국 러시아 및 일본 등이 자국 항공기의

개발을 통해 신흥 항공기 제조국가로 발돋움 하려고

부단히 경쟁하고 있는 추세이다 최근 정부에서는

2010년 초에 항공 산업 발전 기본 계획

(2010~2019)을 수립 제시하면서 새로운 미래의 도약

산업으로서 항공 산업의 발전을 도모하고 있다

하지만 역사적으로 소재공정 (material processing)

기술을 자체 확보하지 못한 국가가 항공 산업에서

우위를 차지한 적이 없는 만큼 한국이 틈새시장에

서나마 안정적인 시장을 확보하려면 항공 관련 소재

산업이 뒷받침 해주어야 한다고 판단된다 단기적

으로는 경량화의 꽃인 경쟁력 있는 탄소섬유의 개발이

무엇보다 강력하게 요구되고 있으며 보다 중기적

- 16 -

으로는 나노소재기술의 개발 및 상용화 장기적으로는

니켈합금 보다 가볍고 우수한 고온용 소재 Al-Li

합금 고분자복합재료보다 우수한 소재 등의 신소재

개발이 한국의 항공 산업을 든든하게 받혀 줄 수

있는 저력이 될 것이라고 판단된다

본 기고문은 한국항공우주산업진흥협회가 주관하는

2010년 항공우주부품기술개발사업 정책지정과제

lsquo중형항공기 핵심기술개발 선행연구lsquo의 지원을 받아

작성되었습니다

참고문헌

[1] B Cantor H Assender and P Grant eds

Aerospace materials Institute of Physics

Publishing 2001

[2] Airbus 홍보자료

[3] Aerospace Industry Outlook - Implications

for Composite Demands Composite

Industry Investment Forum 2008

Aerostrategy 26 th Feb 2009

[4] M Ashby H Shercliff and D Cebon

Materials Engineering Science Processing

and Design University of Cambridge UK

2007

[5] HM Flower ed High Performance

Materials in Aerospace Chapman amp Hall

London 1995

[6] RJ Bucci Advanced Metallic and Hybrid

Structural Concepts USAF Structural

Integruty Program Conference (ASIP 2006)

San Antonio Texas Nov 29 2006

[7] 3rd IT-2010 Strategy seminar April 11 2008

Torayrsquos Strategy for Carbon Fiber Composite

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[8] IJ Polmear Light Alloys Metallurgy of the

Light Metals Arnold London 1995

[9] T Burg and A Crosky Aeronautical

Materials Teacher Reference School of

Material Science and Engineering University

of New South Wales 2001

[10] JA Charles FAA Crane and JAG

Furness Selection and Use of Eng Matls

3rd Edition Oxford 1997

[11] Boeing 홍보자료

- 10 -

bull 내피로 특성 높은 인성(toughness GIC)

bull 사용 온도구간에서의 적절한 요구강도

Fig 20은 항공기의 부위별 하중 특성에 따라 해당

소재가 만족하여야할 기계적 특성을 나열 도시한

것이다[8] 하중의 종류로는 인장 압축 굽힘 비

틀림 피로 환경하중 등 다양한 종류가 항공기

각 부위 및 부재에 작용할 수 있으며 대표적인

하중 및 작동모드에 따라 해당하는 부품의 소재를

선정할 필요가 있다 여기서 각 부위별로 요구되는

기계적 물성 또는 요구특성은 다음과 같은 종류

가 있다

FAT 내피로성 (fatigue resistance)

FCG 피로균열 성장 (Fatigue Crack Growth)

dadN 피로균열성장률 (fatigue crack growth rate)

σFS 피로강도 (fatigue strength)

COR 내부식성 (corrosion resistance)

KIC 파괴인성 (Fracture toughness)

KISCC 응력부식파괴 (stress corrosion

cracking fracture)

E 강성 (modulus)

σTS 인장강도(Tensile strength)

σYC 압축 항복 강도 (Compressive yield

strength)

σYT 인장 항복 강도(Tensile yield strength)

τSS 전단 강도 (shear strength)

Fig 20에서 항공기를 구성하는 각 부재별로 나열된

요구 물성 특성 순서는 우선적으로 고려해야 할

특성을 중요 순으로 배열한 것이며 ( )안은 설계

에는 반영하여야 하나 중요도는 상대적으로 떨어

지는 것을 의미한다 항공기의 핵심 부재별 고려

해야할 물성 또는 기계적 특성을 Table 1에 정리

하였다 [4 9]

항공기의 비행시 각 부재에 작용하는 대표 하중이

제시되면 각 부재를 구성하는 연결봉재 판재 또는

보(beam) 등의 기본 형상에 따라 무게 (또는 비용)를

최소화 하면서 강성 또는 강도 등을 유지 할 수

있는 재료지수 (material index)를 Table 2에 제시

한 바와 같이 계산으로 추출할 수 있다[4]

Fig 20 Critical requirements of airframe

components [8]

Table 1 Critical requirements of airframe

components

항공기주요

부재명

대표작용하중

비고(고려할 물성특성 순서)

날개상단(wingupper)

굽힘에의한 압축

비행시 굽힘에 의한 판재의압축 무게최소화(E

⅓ρ σYCρ KISCC )

날개하단(winglower)

굽힘에의한 인장

비행시 굽힘에 의한 판재의인장 (Eρ σYSρ KISCCCOR σFS dadN)

동체(fuselage)

인장압축굽힘비틀림내부압력

대표하중은판재의 인장무게최소화(E⅓

ρ σYSρ COR σFS dadN)

보강재(sparribs)

굽힘 좌굴

외피를 내부에서 보강 하중분산 역할 굽힘 하중을 받아날개하중 조건과 유사(Eρ σYSρ KISCC σFS dadN)

착륙기어(landing

gear)

정적하중피로하중

무게는 중요하지 않음 내피로파괴특성내응력부식특성 요구(E σYS dadN KIC KISCC)

조종면(controlsurfaces)

경하중경하중 부재는 강도보다 강성우선 고려

외피재(skin

material)환경하중

환경노출에 의한 내부식 특성초음속 항공기의 경우 내열특성 요구

날개의 상단부를 구성하는 판재가 굽힘에 의해

압축을 받는 경우 강성을 유지 (강성제한설계

stiffness-limited design)하면서 무게를 최소화 시키기

위해서는 물질지수 E⅓

ρ를 가급적 최대화 할 수

있는 재료를 선정하여야 한다 또한 이 판재는 소성

의 발생 없이 어느 정도 외부 인장 하중을 견디는

- 11 -

Table 2 작용하중과 부재형상에따른고려해야할 재료지수

기본형상

연결 봉재

(Tie-rod)

판재

(Panel)

보

(Beam)

작용하중 인장 굽힘 굽힘

모양

(shape)

강성제한설계

무게최소화Eρ E⅓ρ E

12ρ

강도제한설계

무게최소화σYSρ σYS

12ρ σYS

23ρ

강도제한설계

재료비용

최소화

σYSCmρ σYS12

Cmρ σYS23

Cmρ

Cm 단위 무게당 재료비용

강도를 유지 하면서 무게를 최소화 하여야 하는

경우에는 재료지수가 σYSρ (단순 인장시) 또는 σ

YS12

ρ (판재의 굽힘에 의한 인장시) 가 최대가 되는

소재를 차선으로 선정할 필요가 있다 한편 Table 3

에 제시한 바와 같이 항공기 부품 등에 따라 하중이

제한되는 조건에 의한 설계 (load limited

design) 또는 스프링이나 플라이휠 등과 같이

에너지를 최대한 저장해야하는 부재와 같이 에너지

가 제한되는 설계(energy limited design) 및 탄성

힌지 (elastic hinge)와 같이 변위를 제한하는 설계 등

설계적용 방식이 다른 경우가 있다[4] 일례로서

탄성힌지와 같이 작용 하중은 작으나 탄성힌지로서

최대변형률을 가지며 작은 곡률반경을 가질 정도로

굽힘 특성이 우수 하고 재료 내에 소성 및 균열이

발생하지 않으려면 재료지수 σYSE가 최대값을 갖는

재료를 후보군으로 먼저 선정하여야 한다 파괴

인성 (fracture toughness KIC)은 재료 내에 균열이

발생하여 성장하는 경우 재료의 크기와는 상관없이

Mode I 균열선단에서 균열성장에 저항하는 정도를

나타내는 재료 물성치 (material property)이다

한편 균열의 성장은 재료 내에 축적된 탄성에너지

가 새로운 균열면을 만드는데 소요되는 에너지로

방출(release) 되는 일종의 비가역 에너지 변환에

의하여 진행된다고 생각 할 수 있다 이때 KIC 뿐만

아니라 재료의 탄성 계수와 함께 연관된 물성 임계값

은 인성 (toughness mode I critical strain energy

Table 3 설계형태와 균열의 가정 유무에 따른 재료 지수

Designtype

부재예 요구항목

Materialindex

Nocrack

Fracturesafe

하중제한설계 wing-spar

최대하중

까지

파괴되지

않음

σYS

최대화

KIC

최대화

에너지제한설계

스프링

flywheel

turbine

containment

system

최대탄성

에너지

저장까지

파괴되지

않음

σYS2E

최대화

KIC2E

(asympGc)

최대화

변위제한설계

elastic

hinge

커플링

큰변형률

유지

σYSE

최대화

KICE

최대화

release rate Jm2 ) 으로 정의되어 다음과 같이

표현된다

GIC = KIC2E (1)

즉 mode I 하중이 균열선단에 작용하고 단위면적

당 에너지 GIC (Jm2 )가 균열면 생성에 공급되면

균열이 성장하는 개념으로 생각 할 수 있다 재료

의 인성은 KIC가 증가하면 증가하고 E가 커지면

(즉 취성이 증가하면) 감소함을 알 수 있다

재료의 강도 (strength)는 소성 흐름 (plastic flow)에

저항하는 정도를 표시하는 재료상수 로서 강도가

크면 일반적으로 σYS가 크고 소성역 (plastic

zone)이 상대적으로 작아져서 취성이 증가하게 된다

즉 crack 선단에서의 소성역에서의 에너지흡수가

저하되어 재료의 인성 (toughness)은 일반적으로

감소하게 된다

단조합금(wrought alloy)의 경우 강도가 증가함에

따라 인성이 약간 저하되는 경향이 있으며 주조

합금(cast alloys)의 경우에는 인성이 더 크게 저하

된다 이는 inter granular boundary failure에 의한

취성의 증가 때문으로 판단된다 주조합금은 용융

상태의 금속을 filtering하여 불순물을 제거하면

인성을 크게 증가시킬 수 있다

5 소재 선정

새로운 항공기의 개발시 어떻게 제작가능하고 높은

- 12 -

내구성과 성능을 가진 항공기 구조물을 설계 하느냐

와 함께 높은 요구 성능을 가진 항공기를 어떠한

소재를 적용하여 구현 할 수 있느냐도 항공기 개발시

중요한 고려사항이다 적용된 소재에 따라 항공기의

수명기간 동안 성능의 구현뿐만 아니라 저렴한

생산 공정 적용 및 향후 용이한 검사수리유지

경제적환경 친화적 운용 등이 좌우되기 때문에

최적의 소재 선정은 그 중요성을 아무리 강조해도

지나치지가 않다 이러한 소재의 선정은 소재 자

체의 물성값 (material properties) 등에 크게 좌우

된다

Fig 21은 소재선정 절차를 도시한 것으로 설계요구

조건으로부터 소요 형상 및 특성 요구치 등의 제한

조건을 부여하여 이를 만족하고 또한 제조공정이

적합한 소재 후보군을 선택한다[4] 이 들 후보군

들에 대해 비용 및 경제적 효가 등을 고려하여

최종 선정을 하게 된다

Fig 22는 시장의 수요로부터 도출된 소재와 공정의

선정과 구체화를 거쳐 최종적으로 제품 규격서

(product specification)의 산출까지의 구현과정을

도시하고 있다[4]

한편 앞장에서 언급한 바와 같이 항공기의 각 부재별

하중 형상 특성으로부터 도출된 재료지수를 바탕

으로 각각의 요구 특성을 만족하는 소재를 선정

하기 위해서는 Fig 23과 같이 각 소재군을 x y축에

각각 1개씩 2개의 물성별로 버블형태로 포괄적으로

구성한 차트가 매우 요긴하게 활용될 수 있다

Fig 21 설계요구조건과 소재선정 과정 [4]

Fig 22 소재-공정 선정 단계와 제품 규격서 산출[4]

이때 각 물성치는 소재군 별로 차이가 매우 크므로

각 축의 물성은 상용로그 scale로 표시하여 작성

하는 것이 일반적이다 버블차트는 2가지 특성을

동시에 도시할 수 있고 이들 특성의 제한조건 (요구

조건)을 만족하는 소재 후보군을 쉽게 도시화 할 수

있다 이들 버블차트를 손쉽게 구현하기 위해서는

다양한 소재별로 물성값 데이터베이스를 폭넓게

확보하고 있어야 한다 이들 데이터베이스를 프로그램

화 하여 원하는 2가지 특성을 버블차트로 만들

수 있는 프로그램이 상용화되어 판매되고 있다

4장 Table 2에 제시한 바와 같이 강성제한 설계를

적용하여 판재의 무게를 최소화 하면서 굽힘 강성

의 최대값을 주는 소재를 선정하려면 우선 Fig

23과 같이 재료의 탄성계수와 밀도를 도시한 버블

차트를 이용하고 재료지수인 E⅓

ρ 가 최대가 되는

소재를 선정하여야 한다 이때 보통 재료지수에

제한조건 (constraint)이 상수 등으로 주어지므로

양변에 상용로그를 취하면 y축인 logE 와 x축인

logρ 사이에 기울기가 3인 직선이 형성된다

제한조건이 주어지는 경우 각 버블군과 만나는

소재들이 이 조건을 만족하는 것으로 소재후보가

선정되게 된다 이때 또 다른 제한조건이 주어지는

경우 점차 소재군의 폭이 좁아지고 최종 소재가

구체화되어 선정되게 된다 제한조건이 없이 시작한

경우 점선을 좌로 이동시켜가면서 만나는 소재군

이 좀 더 큰 재료지수를 가지므로 후보군에 가까

운 소재이다 한편 강성제한설계가 아니라 강도

- 13 -

제한설계로 요구되는 경우 재료지수는 동일 판재

의 경우 σYS12ρ가 되므로 σYS와 ρ를 도시한 버블

차트를 이용하여 위에 유사한 절차로 무게를 최

소화 하는 소재군을 선정할 수 있다 한편 Table

3과 같은 제한설계 방식에 따라 요구되는 재료지수

를 최대화 하는 소재를 찾고자 하는 경우에는

Fig 24 (균열이 없는 경우) 또는 Fig 25 (균열을

고려한 경우)와 같이 σYS-E 또는 KIC-E 버블차트가

요구되며 선정 과정은 앞의 경우와 동일하다

Fig 23 각 소재군별 탄성계수-밀도 버블 차트 [4]

Fig 24 탄성계수-항복강도 버블차트 [4]

일반 민간항공기와는 달리 초음속 비행이 가능한

전투기 또는 초음속 여객기 등의 개발시에는 초

음속으로 비행시 외부 동체 및 날개 등에 가해지

는 공기와의 마찰에 의한 높은 온도 상승을 재료

선정시 반드시 고려하여야 한다 Fig 26은 항공기

표면의 방사율 (emissivity)이 09인 항공기가 고공

23km 온도 -56degC인 대기권을 초음속 비행할 때

항공기 표면에서의 온도 분포 그림이다[10] 전체

표면 온도가 100 degC에 이를 만큼 뜨거운 상태임

을 알 수 있다 복합재료가 동체와 날개에 적용되는

경우 재료의 사용온도에서의 강도값을 소재선정 및

구조물의 설계에 반영하여야 한다 Fig 27은 이때

참조하여야 할 각종 소재의 최대 사용 온도 (max

service temp)에서의 강도값을 제시해 주고 있다[4]

Fig 25 파괴인성-탄성계수 버블차트 [4]

Fig 26 Skin heating across the airframe [10]

Fig 27 소재별 최고사용온도와 강도의 버블차트 [4]

- 14 -

최근에는 스텔스 기능 등을 가지는 항공기가 등장함에

따라 항공기의 구성 소재가 기존의 하중만을 단순

지지하는 구조물에서 최근에는 하중과 함께 전자파

흡수나 투과 또는 방열특성 등의 복합기능을 요구하는

기능성 구조물로의 설계요구가 늘어나고 있다 이러한

경우에는 재료의 강도뿐만 아니라 유전특성 등을 고려

하여 선정을 하여야 한다 지금까지 소재선정과 버블

차트이용을 주로 언급하였으나 필요시에는 Fig 28과

같이 여러 가지 특성을 비교할 수 있도록 표시하면

재료의 장단점을 잘 비교하여 소재의 선정에 도움이

될 수 있다[1]

Fig 28 Property envelopes for aluminium alloys [1]

6 항공기 구조용 소재의 개발동향

민간항공기 산업은 제품의 생산주기 (product life

cycle)상 성숙기에 다다른 산업으로 2008년도의 유가

급등에 따른 경제 위기이후 민간항공기 분야에서는

친환경적이고 고효율의 성능을 가진 항공기가 점차

요구되고 있다 최근의 새로운 항공기는 복합재료 기체

(composite airframe)의 적용으로 인한 항공기의 경량화

첨단 고효율 엔진 장착으로 인한 연비 극대화 및 첨단

전자시스템 (avionics)의 도입으로 인한 안전도 향상

공기역학적 최적설계로 항력 절감 등을 통해 기존의

항공기와 차별화 되고 있다 이러한 차별화된 항공기

기체를 제조하기 위해서는 고기능 특성을 가진 첨단

신소재의 개발이 무엇보다 요구되고 있다 최근 복합

재료가 항공기의 주구조물에 까지 적용되기 시작 하였

으나 새로운 소재에 대한 요구도는 점차 높아지고

있는 추세이다 나노기술의 성과 축적에 따라 최근에는

나노입자를 보강하거나 탄소나노튜브 자체를 길이방

향으로 성장시켜 장섬유로 기존의 복합재료와 같은

새로운 소재를 구성하려는 연구도 활발히 진행이 되고

있다 가까운 미래에 탄소-탄소 공유결합으로 강인한

특성을 지닌 탄소나노 섬유 (carbon nano fiber)로

이루어진 단일방향 프리프레그나 직물형 프리그레그

(prepreg)가 개발되는 경우 이들의 파급효과는 기존의

어떠한 구조재료보다 더 클 것으로 예상이 되고 있다

이들 초경량 소재를 적용하여 항공기를 설계하는 경우

기존의 항공기와는 다른 형상의 첨단 항공기가 등장

할 수 있을 것 판단된다 한편 기존의 금속 합금도

알루미늄 합금에서 벗어나 보다 넓은 범위의 Al-Li

합금의 적용이 활발해질 것으로 예측되고 있다 최근

에어버스사는 버튼하나로 외부의 경치를 360도 사방

으로 관람할 수 있는 첨단 신소재를 적용

(see-through 기술)한 자사의 미래형 민항기 (concept

airplane)를 발표하였다(Fig 29 참조)[2] 이와 같이

첨단 기능성 구조재료는 항공기의 기존 개념을 상상

할 수 없을 정도로 바꿀 수 있는 가능성을 제공하고

있음을 알 수 있다

Fig 29 Airbus사의 미래형 신개념 민간항공기[2]

최근에는 항공기 임무의 고도화와 첨단화에 따라

방열기능 복합재료 전자파 에너지 흡수 복합재료

전자기파 차폐용 복합재료 등의 기능성 특성을 지니

면서 초경량 구조용 소재로 활용될 수 있는 군사용

복합재료의 개발 필요성 크게 증대되고 있다 민간

- 15 -

항공기에도 스마트 구조물 구현을 위한 형상기억합금

(Shape Memory Alloy SMA) Piezo Actuator를

이용한 형상변형 (Morphing) 구조물 등이 최근 적용이

적극적으로 시도 되고 있다 (Fig 30 참조)[11] 이와

같이 공기역학적 성능형상을 구현하기 위한 형상

변경의 필요성은 기존 신소재와 복합재료의 하이브리드화

를 통해 새롭게 조명 받고 있다 한편 국내외적으로

스텔스 기능을 가지는 구조물이나 전자파를 흡수하

거나 선택적으로 통과 및 반사하는 레이돔과 같은

기능성 구조물에 대한 관심이 높아지고 있다 Fig

31은 Volvo사의 자회사인 스웨덴의 ACAB사의 레이돔

의 소재로서 주파수를 선택적으로 투과하는 표면을

갖도록 제작된 유리섬유 보강 복합재료의 표면 샘플

을 보여주고 있다 이와 같이 기존의 단순한 하중

을 전달하거나 지지하도록 제작되는 항공기 구조물

에서 벗어나 최근에는 센서 및 작동기와 같은 것을

내장하는 고부가가치의 지능형 항공기 구조물(smart

aircraft structures)이 점차 늘어나고 있는 추세이다

7 맺는 말

2004년 이후 2008년도 유가 급등기까지 전 세계

민간항공기 운항사의 80이상은 적자 상태에 있

었다고 분석되고 있다 이는 유가가 항공기 운용비

(operating cost)의 50 ~ 60를 차지하게 된 것에

기인하는 것으로 석유의 고갈이 점차 다가옴에 따라

항공기 제조사들은 항공기의 경량화를 통해 좀 더

효율적인 항공기를 개발하여 항공기 운항사에 공급

하려고 부단히 노력하고 있다

이와 같이 많은 이익을 줄 수 있는 항공기의 경량화

목표 실현은 바로 구조용 소재의 개발과 소재의

적절한 적용에 달려있다고 볼 수 있다 특히 날로

치열해지는 국제 경쟁 환경에서 자주국방 확립과 밀접

한 연관성이 있는 항공용 소재는 대부분의 경우가

선진국의 수출통제 (EL Export License) 대상의 규정

되어 있어 한국의 의욕적인 항공기의 개발에 많은

장애 요인 중의 하나로 자리 잡혀 있는 것이 현실

이다 최근 전 세계 항공 산업은 대형 민간항공기

의 경우 미국의 보잉과 유럽의 에어버스의 양대

기업으로 개편되어 시장을 놓고 치열한 경쟁이 이

루어지고 있다

Fig 30 (a) Chevron and (b) Aero-gurney with variable

geometry morphing function for B787

application[11]

Fig 31 스웨덴 ACAB (wwwacabcom)사의 FSS

(frequency selective surfaces) 레이돔용 소재

틈새시장인 중형기 (mid-sized aircraft)는 브라질의

Bombardier사가 시장의 35 ~40를 차지하고 있으며

여기에 중국 러시아 및 일본 등이 자국 항공기의

개발을 통해 신흥 항공기 제조국가로 발돋움 하려고

부단히 경쟁하고 있는 추세이다 최근 정부에서는

2010년 초에 항공 산업 발전 기본 계획

(2010~2019)을 수립 제시하면서 새로운 미래의 도약

산업으로서 항공 산업의 발전을 도모하고 있다

하지만 역사적으로 소재공정 (material processing)

기술을 자체 확보하지 못한 국가가 항공 산업에서

우위를 차지한 적이 없는 만큼 한국이 틈새시장에

서나마 안정적인 시장을 확보하려면 항공 관련 소재

산업이 뒷받침 해주어야 한다고 판단된다 단기적

으로는 경량화의 꽃인 경쟁력 있는 탄소섬유의 개발이

무엇보다 강력하게 요구되고 있으며 보다 중기적

- 16 -

으로는 나노소재기술의 개발 및 상용화 장기적으로는

니켈합금 보다 가볍고 우수한 고온용 소재 Al-Li

합금 고분자복합재료보다 우수한 소재 등의 신소재

개발이 한국의 항공 산업을 든든하게 받혀 줄 수

있는 저력이 될 것이라고 판단된다

본 기고문은 한국항공우주산업진흥협회가 주관하는

2010년 항공우주부품기술개발사업 정책지정과제

lsquo중형항공기 핵심기술개발 선행연구lsquo의 지원을 받아

작성되었습니다

참고문헌

[1] B Cantor H Assender and P Grant eds

Aerospace materials Institute of Physics

Publishing 2001

[2] Airbus 홍보자료

[3] Aerospace Industry Outlook - Implications

for Composite Demands Composite

Industry Investment Forum 2008

Aerostrategy 26 th Feb 2009

[4] M Ashby H Shercliff and D Cebon

Materials Engineering Science Processing

and Design University of Cambridge UK

2007

[5] HM Flower ed High Performance

Materials in Aerospace Chapman amp Hall

London 1995

[6] RJ Bucci Advanced Metallic and Hybrid

Structural Concepts USAF Structural

Integruty Program Conference (ASIP 2006)

San Antonio Texas Nov 29 2006

[7] 3rd IT-2010 Strategy seminar April 11 2008

Torayrsquos Strategy for Carbon Fiber Composite

Materials

[8] IJ Polmear Light Alloys Metallurgy of the

Light Metals Arnold London 1995

[9] T Burg and A Crosky Aeronautical

Materials Teacher Reference School of

Material Science and Engineering University

of New South Wales 2001

[10] JA Charles FAA Crane and JAG

Furness Selection and Use of Eng Matls

3rd Edition Oxford 1997

[11] Boeing 홍보자료

- 11 -

Table 2 작용하중과 부재형상에따른고려해야할 재료지수

기본형상

연결 봉재

(Tie-rod)

판재

(Panel)

보

(Beam)

작용하중 인장 굽힘 굽힘

모양

(shape)

강성제한설계

무게최소화Eρ E⅓ρ E

12ρ

강도제한설계

무게최소화σYSρ σYS

12ρ σYS

23ρ

강도제한설계

재료비용

최소화

σYSCmρ σYS12

Cmρ σYS23

Cmρ

Cm 단위 무게당 재료비용

강도를 유지 하면서 무게를 최소화 하여야 하는

경우에는 재료지수가 σYSρ (단순 인장시) 또는 σ

YS12

ρ (판재의 굽힘에 의한 인장시) 가 최대가 되는

소재를 차선으로 선정할 필요가 있다 한편 Table 3

에 제시한 바와 같이 항공기 부품 등에 따라 하중이

제한되는 조건에 의한 설계 (load limited

design) 또는 스프링이나 플라이휠 등과 같이

에너지를 최대한 저장해야하는 부재와 같이 에너지

가 제한되는 설계(energy limited design) 및 탄성

힌지 (elastic hinge)와 같이 변위를 제한하는 설계 등

설계적용 방식이 다른 경우가 있다[4] 일례로서

탄성힌지와 같이 작용 하중은 작으나 탄성힌지로서

최대변형률을 가지며 작은 곡률반경을 가질 정도로

굽힘 특성이 우수 하고 재료 내에 소성 및 균열이

발생하지 않으려면 재료지수 σYSE가 최대값을 갖는

재료를 후보군으로 먼저 선정하여야 한다 파괴

인성 (fracture toughness KIC)은 재료 내에 균열이

발생하여 성장하는 경우 재료의 크기와는 상관없이

Mode I 균열선단에서 균열성장에 저항하는 정도를

나타내는 재료 물성치 (material property)이다

한편 균열의 성장은 재료 내에 축적된 탄성에너지

가 새로운 균열면을 만드는데 소요되는 에너지로

방출(release) 되는 일종의 비가역 에너지 변환에

의하여 진행된다고 생각 할 수 있다 이때 KIC 뿐만

아니라 재료의 탄성 계수와 함께 연관된 물성 임계값

은 인성 (toughness mode I critical strain energy

Table 3 설계형태와 균열의 가정 유무에 따른 재료 지수

Designtype

부재예 요구항목

Materialindex

Nocrack

Fracturesafe

하중제한설계 wing-spar

최대하중

까지

파괴되지

않음

σYS

최대화

KIC

최대화

에너지제한설계

스프링

flywheel

turbine

containment

system

최대탄성

에너지

저장까지

파괴되지

않음

σYS2E

최대화

KIC2E

(asympGc)

최대화

변위제한설계

elastic

hinge

커플링

큰변형률

유지

σYSE

최대화

KICE

최대화

release rate Jm2 ) 으로 정의되어 다음과 같이

표현된다

GIC = KIC2E (1)

즉 mode I 하중이 균열선단에 작용하고 단위면적

당 에너지 GIC (Jm2 )가 균열면 생성에 공급되면

균열이 성장하는 개념으로 생각 할 수 있다 재료

의 인성은 KIC가 증가하면 증가하고 E가 커지면

(즉 취성이 증가하면) 감소함을 알 수 있다

재료의 강도 (strength)는 소성 흐름 (plastic flow)에

저항하는 정도를 표시하는 재료상수 로서 강도가

크면 일반적으로 σYS가 크고 소성역 (plastic

zone)이 상대적으로 작아져서 취성이 증가하게 된다

즉 crack 선단에서의 소성역에서의 에너지흡수가

저하되어 재료의 인성 (toughness)은 일반적으로

감소하게 된다

단조합금(wrought alloy)의 경우 강도가 증가함에

따라 인성이 약간 저하되는 경향이 있으며 주조

합금(cast alloys)의 경우에는 인성이 더 크게 저하

된다 이는 inter granular boundary failure에 의한

취성의 증가 때문으로 판단된다 주조합금은 용융

상태의 금속을 filtering하여 불순물을 제거하면

인성을 크게 증가시킬 수 있다

5 소재 선정

새로운 항공기의 개발시 어떻게 제작가능하고 높은

- 12 -

내구성과 성능을 가진 항공기 구조물을 설계 하느냐

와 함께 높은 요구 성능을 가진 항공기를 어떠한

소재를 적용하여 구현 할 수 있느냐도 항공기 개발시

중요한 고려사항이다 적용된 소재에 따라 항공기의

수명기간 동안 성능의 구현뿐만 아니라 저렴한

생산 공정 적용 및 향후 용이한 검사수리유지

경제적환경 친화적 운용 등이 좌우되기 때문에

최적의 소재 선정은 그 중요성을 아무리 강조해도

지나치지가 않다 이러한 소재의 선정은 소재 자

체의 물성값 (material properties) 등에 크게 좌우

된다

Fig 21은 소재선정 절차를 도시한 것으로 설계요구

조건으로부터 소요 형상 및 특성 요구치 등의 제한

조건을 부여하여 이를 만족하고 또한 제조공정이

적합한 소재 후보군을 선택한다[4] 이 들 후보군

들에 대해 비용 및 경제적 효가 등을 고려하여

최종 선정을 하게 된다

Fig 22는 시장의 수요로부터 도출된 소재와 공정의

선정과 구체화를 거쳐 최종적으로 제품 규격서

(product specification)의 산출까지의 구현과정을

도시하고 있다[4]

한편 앞장에서 언급한 바와 같이 항공기의 각 부재별

하중 형상 특성으로부터 도출된 재료지수를 바탕

으로 각각의 요구 특성을 만족하는 소재를 선정

하기 위해서는 Fig 23과 같이 각 소재군을 x y축에

각각 1개씩 2개의 물성별로 버블형태로 포괄적으로

구성한 차트가 매우 요긴하게 활용될 수 있다

Fig 21 설계요구조건과 소재선정 과정 [4]

Fig 22 소재-공정 선정 단계와 제품 규격서 산출[4]

이때 각 물성치는 소재군 별로 차이가 매우 크므로

각 축의 물성은 상용로그 scale로 표시하여 작성

하는 것이 일반적이다 버블차트는 2가지 특성을

동시에 도시할 수 있고 이들 특성의 제한조건 (요구

조건)을 만족하는 소재 후보군을 쉽게 도시화 할 수

있다 이들 버블차트를 손쉽게 구현하기 위해서는

다양한 소재별로 물성값 데이터베이스를 폭넓게

확보하고 있어야 한다 이들 데이터베이스를 프로그램

화 하여 원하는 2가지 특성을 버블차트로 만들

수 있는 프로그램이 상용화되어 판매되고 있다

4장 Table 2에 제시한 바와 같이 강성제한 설계를

적용하여 판재의 무게를 최소화 하면서 굽힘 강성

의 최대값을 주는 소재를 선정하려면 우선 Fig

23과 같이 재료의 탄성계수와 밀도를 도시한 버블

차트를 이용하고 재료지수인 E⅓

ρ 가 최대가 되는

소재를 선정하여야 한다 이때 보통 재료지수에

제한조건 (constraint)이 상수 등으로 주어지므로

양변에 상용로그를 취하면 y축인 logE 와 x축인

logρ 사이에 기울기가 3인 직선이 형성된다

제한조건이 주어지는 경우 각 버블군과 만나는

소재들이 이 조건을 만족하는 것으로 소재후보가

선정되게 된다 이때 또 다른 제한조건이 주어지는

경우 점차 소재군의 폭이 좁아지고 최종 소재가

구체화되어 선정되게 된다 제한조건이 없이 시작한

경우 점선을 좌로 이동시켜가면서 만나는 소재군

이 좀 더 큰 재료지수를 가지므로 후보군에 가까

운 소재이다 한편 강성제한설계가 아니라 강도

- 13 -

제한설계로 요구되는 경우 재료지수는 동일 판재

의 경우 σYS12ρ가 되므로 σYS와 ρ를 도시한 버블

차트를 이용하여 위에 유사한 절차로 무게를 최

소화 하는 소재군을 선정할 수 있다 한편 Table

3과 같은 제한설계 방식에 따라 요구되는 재료지수

를 최대화 하는 소재를 찾고자 하는 경우에는

Fig 24 (균열이 없는 경우) 또는 Fig 25 (균열을

고려한 경우)와 같이 σYS-E 또는 KIC-E 버블차트가

요구되며 선정 과정은 앞의 경우와 동일하다

Fig 23 각 소재군별 탄성계수-밀도 버블 차트 [4]

Fig 24 탄성계수-항복강도 버블차트 [4]

일반 민간항공기와는 달리 초음속 비행이 가능한

전투기 또는 초음속 여객기 등의 개발시에는 초

음속으로 비행시 외부 동체 및 날개 등에 가해지

는 공기와의 마찰에 의한 높은 온도 상승을 재료

선정시 반드시 고려하여야 한다 Fig 26은 항공기

표면의 방사율 (emissivity)이 09인 항공기가 고공

23km 온도 -56degC인 대기권을 초음속 비행할 때

항공기 표면에서의 온도 분포 그림이다[10] 전체

표면 온도가 100 degC에 이를 만큼 뜨거운 상태임

을 알 수 있다 복합재료가 동체와 날개에 적용되는

경우 재료의 사용온도에서의 강도값을 소재선정 및

구조물의 설계에 반영하여야 한다 Fig 27은 이때

참조하여야 할 각종 소재의 최대 사용 온도 (max

service temp)에서의 강도값을 제시해 주고 있다[4]

Fig 25 파괴인성-탄성계수 버블차트 [4]

Fig 26 Skin heating across the airframe [10]

Fig 27 소재별 최고사용온도와 강도의 버블차트 [4]

- 14 -

최근에는 스텔스 기능 등을 가지는 항공기가 등장함에

따라 항공기의 구성 소재가 기존의 하중만을 단순

지지하는 구조물에서 최근에는 하중과 함께 전자파

흡수나 투과 또는 방열특성 등의 복합기능을 요구하는

기능성 구조물로의 설계요구가 늘어나고 있다 이러한

경우에는 재료의 강도뿐만 아니라 유전특성 등을 고려

하여 선정을 하여야 한다 지금까지 소재선정과 버블

차트이용을 주로 언급하였으나 필요시에는 Fig 28과

같이 여러 가지 특성을 비교할 수 있도록 표시하면

재료의 장단점을 잘 비교하여 소재의 선정에 도움이

될 수 있다[1]

Fig 28 Property envelopes for aluminium alloys [1]

6 항공기 구조용 소재의 개발동향

민간항공기 산업은 제품의 생산주기 (product life

cycle)상 성숙기에 다다른 산업으로 2008년도의 유가

급등에 따른 경제 위기이후 민간항공기 분야에서는

친환경적이고 고효율의 성능을 가진 항공기가 점차

요구되고 있다 최근의 새로운 항공기는 복합재료 기체

(composite airframe)의 적용으로 인한 항공기의 경량화

첨단 고효율 엔진 장착으로 인한 연비 극대화 및 첨단

전자시스템 (avionics)의 도입으로 인한 안전도 향상

공기역학적 최적설계로 항력 절감 등을 통해 기존의

항공기와 차별화 되고 있다 이러한 차별화된 항공기

기체를 제조하기 위해서는 고기능 특성을 가진 첨단

신소재의 개발이 무엇보다 요구되고 있다 최근 복합

재료가 항공기의 주구조물에 까지 적용되기 시작 하였

으나 새로운 소재에 대한 요구도는 점차 높아지고

있는 추세이다 나노기술의 성과 축적에 따라 최근에는

나노입자를 보강하거나 탄소나노튜브 자체를 길이방

향으로 성장시켜 장섬유로 기존의 복합재료와 같은

새로운 소재를 구성하려는 연구도 활발히 진행이 되고

있다 가까운 미래에 탄소-탄소 공유결합으로 강인한

특성을 지닌 탄소나노 섬유 (carbon nano fiber)로

이루어진 단일방향 프리프레그나 직물형 프리그레그

(prepreg)가 개발되는 경우 이들의 파급효과는 기존의

어떠한 구조재료보다 더 클 것으로 예상이 되고 있다

이들 초경량 소재를 적용하여 항공기를 설계하는 경우

기존의 항공기와는 다른 형상의 첨단 항공기가 등장

할 수 있을 것 판단된다 한편 기존의 금속 합금도

알루미늄 합금에서 벗어나 보다 넓은 범위의 Al-Li

합금의 적용이 활발해질 것으로 예측되고 있다 최근

에어버스사는 버튼하나로 외부의 경치를 360도 사방

으로 관람할 수 있는 첨단 신소재를 적용

(see-through 기술)한 자사의 미래형 민항기 (concept

airplane)를 발표하였다(Fig 29 참조)[2] 이와 같이

첨단 기능성 구조재료는 항공기의 기존 개념을 상상

할 수 없을 정도로 바꿀 수 있는 가능성을 제공하고

있음을 알 수 있다

Fig 29 Airbus사의 미래형 신개념 민간항공기[2]

최근에는 항공기 임무의 고도화와 첨단화에 따라

방열기능 복합재료 전자파 에너지 흡수 복합재료

전자기파 차폐용 복합재료 등의 기능성 특성을 지니

면서 초경량 구조용 소재로 활용될 수 있는 군사용

복합재료의 개발 필요성 크게 증대되고 있다 민간

- 15 -

항공기에도 스마트 구조물 구현을 위한 형상기억합금

(Shape Memory Alloy SMA) Piezo Actuator를

이용한 형상변형 (Morphing) 구조물 등이 최근 적용이

적극적으로 시도 되고 있다 (Fig 30 참조)[11] 이와

같이 공기역학적 성능형상을 구현하기 위한 형상

변경의 필요성은 기존 신소재와 복합재료의 하이브리드화

를 통해 새롭게 조명 받고 있다 한편 국내외적으로

스텔스 기능을 가지는 구조물이나 전자파를 흡수하

거나 선택적으로 통과 및 반사하는 레이돔과 같은

기능성 구조물에 대한 관심이 높아지고 있다 Fig

31은 Volvo사의 자회사인 스웨덴의 ACAB사의 레이돔

의 소재로서 주파수를 선택적으로 투과하는 표면을

갖도록 제작된 유리섬유 보강 복합재료의 표면 샘플

을 보여주고 있다 이와 같이 기존의 단순한 하중

을 전달하거나 지지하도록 제작되는 항공기 구조물

에서 벗어나 최근에는 센서 및 작동기와 같은 것을

내장하는 고부가가치의 지능형 항공기 구조물(smart

aircraft structures)이 점차 늘어나고 있는 추세이다

7 맺는 말

2004년 이후 2008년도 유가 급등기까지 전 세계

민간항공기 운항사의 80이상은 적자 상태에 있

었다고 분석되고 있다 이는 유가가 항공기 운용비

(operating cost)의 50 ~ 60를 차지하게 된 것에

기인하는 것으로 석유의 고갈이 점차 다가옴에 따라

항공기 제조사들은 항공기의 경량화를 통해 좀 더

효율적인 항공기를 개발하여 항공기 운항사에 공급

하려고 부단히 노력하고 있다

이와 같이 많은 이익을 줄 수 있는 항공기의 경량화

목표 실현은 바로 구조용 소재의 개발과 소재의

적절한 적용에 달려있다고 볼 수 있다 특히 날로

치열해지는 국제 경쟁 환경에서 자주국방 확립과 밀접

한 연관성이 있는 항공용 소재는 대부분의 경우가

선진국의 수출통제 (EL Export License) 대상의 규정

되어 있어 한국의 의욕적인 항공기의 개발에 많은

장애 요인 중의 하나로 자리 잡혀 있는 것이 현실

이다 최근 전 세계 항공 산업은 대형 민간항공기

의 경우 미국의 보잉과 유럽의 에어버스의 양대

기업으로 개편되어 시장을 놓고 치열한 경쟁이 이

루어지고 있다

Fig 30 (a) Chevron and (b) Aero-gurney with variable

geometry morphing function for B787

application[11]

Fig 31 스웨덴 ACAB (wwwacabcom)사의 FSS

(frequency selective surfaces) 레이돔용 소재

틈새시장인 중형기 (mid-sized aircraft)는 브라질의

Bombardier사가 시장의 35 ~40를 차지하고 있으며

여기에 중국 러시아 및 일본 등이 자국 항공기의

개발을 통해 신흥 항공기 제조국가로 발돋움 하려고

부단히 경쟁하고 있는 추세이다 최근 정부에서는

2010년 초에 항공 산업 발전 기본 계획

(2010~2019)을 수립 제시하면서 새로운 미래의 도약

산업으로서 항공 산업의 발전을 도모하고 있다

하지만 역사적으로 소재공정 (material processing)

기술을 자체 확보하지 못한 국가가 항공 산업에서

우위를 차지한 적이 없는 만큼 한국이 틈새시장에

서나마 안정적인 시장을 확보하려면 항공 관련 소재

산업이 뒷받침 해주어야 한다고 판단된다 단기적

으로는 경량화의 꽃인 경쟁력 있는 탄소섬유의 개발이

무엇보다 강력하게 요구되고 있으며 보다 중기적

- 16 -

으로는 나노소재기술의 개발 및 상용화 장기적으로는

니켈합금 보다 가볍고 우수한 고온용 소재 Al-Li

합금 고분자복합재료보다 우수한 소재 등의 신소재

개발이 한국의 항공 산업을 든든하게 받혀 줄 수

있는 저력이 될 것이라고 판단된다

본 기고문은 한국항공우주산업진흥협회가 주관하는

2010년 항공우주부품기술개발사업 정책지정과제

lsquo중형항공기 핵심기술개발 선행연구lsquo의 지원을 받아

작성되었습니다

참고문헌

[1] B Cantor H Assender and P Grant eds

Aerospace materials Institute of Physics

Publishing 2001

[2] Airbus 홍보자료

[3] Aerospace Industry Outlook - Implications

for Composite Demands Composite

Industry Investment Forum 2008

Aerostrategy 26 th Feb 2009

[4] M Ashby H Shercliff and D Cebon

Materials Engineering Science Processing

and Design University of Cambridge UK

2007

[5] HM Flower ed High Performance

Materials in Aerospace Chapman amp Hall

London 1995

[6] RJ Bucci Advanced Metallic and Hybrid

Structural Concepts USAF Structural

Integruty Program Conference (ASIP 2006)

San Antonio Texas Nov 29 2006

[7] 3rd IT-2010 Strategy seminar April 11 2008

Torayrsquos Strategy for Carbon Fiber Composite

Materials

[8] IJ Polmear Light Alloys Metallurgy of the

Light Metals Arnold London 1995

[9] T Burg and A Crosky Aeronautical

Materials Teacher Reference School of

Material Science and Engineering University

of New South Wales 2001

[10] JA Charles FAA Crane and JAG

Furness Selection and Use of Eng Matls

3rd Edition Oxford 1997

[11] Boeing 홍보자료

- 12 -

내구성과 성능을 가진 항공기 구조물을 설계 하느냐

와 함께 높은 요구 성능을 가진 항공기를 어떠한

소재를 적용하여 구현 할 수 있느냐도 항공기 개발시

중요한 고려사항이다 적용된 소재에 따라 항공기의

수명기간 동안 성능의 구현뿐만 아니라 저렴한

생산 공정 적용 및 향후 용이한 검사수리유지

경제적환경 친화적 운용 등이 좌우되기 때문에

최적의 소재 선정은 그 중요성을 아무리 강조해도

지나치지가 않다 이러한 소재의 선정은 소재 자

체의 물성값 (material properties) 등에 크게 좌우

된다

Fig 21은 소재선정 절차를 도시한 것으로 설계요구

조건으로부터 소요 형상 및 특성 요구치 등의 제한

조건을 부여하여 이를 만족하고 또한 제조공정이

적합한 소재 후보군을 선택한다[4] 이 들 후보군

들에 대해 비용 및 경제적 효가 등을 고려하여

최종 선정을 하게 된다

Fig 22는 시장의 수요로부터 도출된 소재와 공정의

선정과 구체화를 거쳐 최종적으로 제품 규격서

(product specification)의 산출까지의 구현과정을

도시하고 있다[4]

한편 앞장에서 언급한 바와 같이 항공기의 각 부재별

하중 형상 특성으로부터 도출된 재료지수를 바탕

으로 각각의 요구 특성을 만족하는 소재를 선정

하기 위해서는 Fig 23과 같이 각 소재군을 x y축에

각각 1개씩 2개의 물성별로 버블형태로 포괄적으로

구성한 차트가 매우 요긴하게 활용될 수 있다

Fig 21 설계요구조건과 소재선정 과정 [4]

Fig 22 소재-공정 선정 단계와 제품 규격서 산출[4]

이때 각 물성치는 소재군 별로 차이가 매우 크므로

각 축의 물성은 상용로그 scale로 표시하여 작성

하는 것이 일반적이다 버블차트는 2가지 특성을

동시에 도시할 수 있고 이들 특성의 제한조건 (요구

조건)을 만족하는 소재 후보군을 쉽게 도시화 할 수

있다 이들 버블차트를 손쉽게 구현하기 위해서는

다양한 소재별로 물성값 데이터베이스를 폭넓게

확보하고 있어야 한다 이들 데이터베이스를 프로그램

화 하여 원하는 2가지 특성을 버블차트로 만들

수 있는 프로그램이 상용화되어 판매되고 있다

4장 Table 2에 제시한 바와 같이 강성제한 설계를

적용하여 판재의 무게를 최소화 하면서 굽힘 강성

의 최대값을 주는 소재를 선정하려면 우선 Fig

23과 같이 재료의 탄성계수와 밀도를 도시한 버블

차트를 이용하고 재료지수인 E⅓

ρ 가 최대가 되는

소재를 선정하여야 한다 이때 보통 재료지수에

제한조건 (constraint)이 상수 등으로 주어지므로

양변에 상용로그를 취하면 y축인 logE 와 x축인

logρ 사이에 기울기가 3인 직선이 형성된다

제한조건이 주어지는 경우 각 버블군과 만나는

소재들이 이 조건을 만족하는 것으로 소재후보가

선정되게 된다 이때 또 다른 제한조건이 주어지는

경우 점차 소재군의 폭이 좁아지고 최종 소재가

구체화되어 선정되게 된다 제한조건이 없이 시작한

경우 점선을 좌로 이동시켜가면서 만나는 소재군

이 좀 더 큰 재료지수를 가지므로 후보군에 가까

운 소재이다 한편 강성제한설계가 아니라 강도

- 13 -

제한설계로 요구되는 경우 재료지수는 동일 판재

의 경우 σYS12ρ가 되므로 σYS와 ρ를 도시한 버블

차트를 이용하여 위에 유사한 절차로 무게를 최

소화 하는 소재군을 선정할 수 있다 한편 Table

3과 같은 제한설계 방식에 따라 요구되는 재료지수

를 최대화 하는 소재를 찾고자 하는 경우에는

Fig 24 (균열이 없는 경우) 또는 Fig 25 (균열을

고려한 경우)와 같이 σYS-E 또는 KIC-E 버블차트가

요구되며 선정 과정은 앞의 경우와 동일하다

Fig 23 각 소재군별 탄성계수-밀도 버블 차트 [4]

Fig 24 탄성계수-항복강도 버블차트 [4]

일반 민간항공기와는 달리 초음속 비행이 가능한

전투기 또는 초음속 여객기 등의 개발시에는 초

음속으로 비행시 외부 동체 및 날개 등에 가해지

는 공기와의 마찰에 의한 높은 온도 상승을 재료

선정시 반드시 고려하여야 한다 Fig 26은 항공기

표면의 방사율 (emissivity)이 09인 항공기가 고공

23km 온도 -56degC인 대기권을 초음속 비행할 때

항공기 표면에서의 온도 분포 그림이다[10] 전체

표면 온도가 100 degC에 이를 만큼 뜨거운 상태임

을 알 수 있다 복합재료가 동체와 날개에 적용되는

경우 재료의 사용온도에서의 강도값을 소재선정 및

구조물의 설계에 반영하여야 한다 Fig 27은 이때

참조하여야 할 각종 소재의 최대 사용 온도 (max

service temp)에서의 강도값을 제시해 주고 있다[4]

Fig 25 파괴인성-탄성계수 버블차트 [4]

Fig 26 Skin heating across the airframe [10]

Fig 27 소재별 최고사용온도와 강도의 버블차트 [4]

- 14 -

최근에는 스텔스 기능 등을 가지는 항공기가 등장함에

따라 항공기의 구성 소재가 기존의 하중만을 단순

지지하는 구조물에서 최근에는 하중과 함께 전자파

흡수나 투과 또는 방열특성 등의 복합기능을 요구하는

기능성 구조물로의 설계요구가 늘어나고 있다 이러한

경우에는 재료의 강도뿐만 아니라 유전특성 등을 고려

하여 선정을 하여야 한다 지금까지 소재선정과 버블

차트이용을 주로 언급하였으나 필요시에는 Fig 28과

같이 여러 가지 특성을 비교할 수 있도록 표시하면

재료의 장단점을 잘 비교하여 소재의 선정에 도움이

될 수 있다[1]

Fig 28 Property envelopes for aluminium alloys [1]

6 항공기 구조용 소재의 개발동향

민간항공기 산업은 제품의 생산주기 (product life

cycle)상 성숙기에 다다른 산업으로 2008년도의 유가

급등에 따른 경제 위기이후 민간항공기 분야에서는

친환경적이고 고효율의 성능을 가진 항공기가 점차

요구되고 있다 최근의 새로운 항공기는 복합재료 기체

(composite airframe)의 적용으로 인한 항공기의 경량화

첨단 고효율 엔진 장착으로 인한 연비 극대화 및 첨단

전자시스템 (avionics)의 도입으로 인한 안전도 향상

공기역학적 최적설계로 항력 절감 등을 통해 기존의

항공기와 차별화 되고 있다 이러한 차별화된 항공기

기체를 제조하기 위해서는 고기능 특성을 가진 첨단

신소재의 개발이 무엇보다 요구되고 있다 최근 복합

재료가 항공기의 주구조물에 까지 적용되기 시작 하였

으나 새로운 소재에 대한 요구도는 점차 높아지고

있는 추세이다 나노기술의 성과 축적에 따라 최근에는

나노입자를 보강하거나 탄소나노튜브 자체를 길이방

향으로 성장시켜 장섬유로 기존의 복합재료와 같은

새로운 소재를 구성하려는 연구도 활발히 진행이 되고

있다 가까운 미래에 탄소-탄소 공유결합으로 강인한

특성을 지닌 탄소나노 섬유 (carbon nano fiber)로

이루어진 단일방향 프리프레그나 직물형 프리그레그

(prepreg)가 개발되는 경우 이들의 파급효과는 기존의

어떠한 구조재료보다 더 클 것으로 예상이 되고 있다

이들 초경량 소재를 적용하여 항공기를 설계하는 경우

기존의 항공기와는 다른 형상의 첨단 항공기가 등장

할 수 있을 것 판단된다 한편 기존의 금속 합금도

알루미늄 합금에서 벗어나 보다 넓은 범위의 Al-Li

합금의 적용이 활발해질 것으로 예측되고 있다 최근

에어버스사는 버튼하나로 외부의 경치를 360도 사방

으로 관람할 수 있는 첨단 신소재를 적용

(see-through 기술)한 자사의 미래형 민항기 (concept

airplane)를 발표하였다(Fig 29 참조)[2] 이와 같이

첨단 기능성 구조재료는 항공기의 기존 개념을 상상

할 수 없을 정도로 바꿀 수 있는 가능성을 제공하고

있음을 알 수 있다

Fig 29 Airbus사의 미래형 신개념 민간항공기[2]

최근에는 항공기 임무의 고도화와 첨단화에 따라

방열기능 복합재료 전자파 에너지 흡수 복합재료

전자기파 차폐용 복합재료 등의 기능성 특성을 지니

면서 초경량 구조용 소재로 활용될 수 있는 군사용

복합재료의 개발 필요성 크게 증대되고 있다 민간

- 15 -

항공기에도 스마트 구조물 구현을 위한 형상기억합금

(Shape Memory Alloy SMA) Piezo Actuator를

이용한 형상변형 (Morphing) 구조물 등이 최근 적용이

적극적으로 시도 되고 있다 (Fig 30 참조)[11] 이와

같이 공기역학적 성능형상을 구현하기 위한 형상

변경의 필요성은 기존 신소재와 복합재료의 하이브리드화

를 통해 새롭게 조명 받고 있다 한편 국내외적으로

스텔스 기능을 가지는 구조물이나 전자파를 흡수하

거나 선택적으로 통과 및 반사하는 레이돔과 같은

기능성 구조물에 대한 관심이 높아지고 있다 Fig

31은 Volvo사의 자회사인 스웨덴의 ACAB사의 레이돔

의 소재로서 주파수를 선택적으로 투과하는 표면을

갖도록 제작된 유리섬유 보강 복합재료의 표면 샘플

을 보여주고 있다 이와 같이 기존의 단순한 하중

을 전달하거나 지지하도록 제작되는 항공기 구조물

에서 벗어나 최근에는 센서 및 작동기와 같은 것을

내장하는 고부가가치의 지능형 항공기 구조물(smart

aircraft structures)이 점차 늘어나고 있는 추세이다

7 맺는 말

2004년 이후 2008년도 유가 급등기까지 전 세계

민간항공기 운항사의 80이상은 적자 상태에 있

었다고 분석되고 있다 이는 유가가 항공기 운용비

(operating cost)의 50 ~ 60를 차지하게 된 것에

기인하는 것으로 석유의 고갈이 점차 다가옴에 따라

항공기 제조사들은 항공기의 경량화를 통해 좀 더

효율적인 항공기를 개발하여 항공기 운항사에 공급

하려고 부단히 노력하고 있다

이와 같이 많은 이익을 줄 수 있는 항공기의 경량화

목표 실현은 바로 구조용 소재의 개발과 소재의

적절한 적용에 달려있다고 볼 수 있다 특히 날로

치열해지는 국제 경쟁 환경에서 자주국방 확립과 밀접

한 연관성이 있는 항공용 소재는 대부분의 경우가

선진국의 수출통제 (EL Export License) 대상의 규정

되어 있어 한국의 의욕적인 항공기의 개발에 많은

장애 요인 중의 하나로 자리 잡혀 있는 것이 현실

이다 최근 전 세계 항공 산업은 대형 민간항공기

의 경우 미국의 보잉과 유럽의 에어버스의 양대

기업으로 개편되어 시장을 놓고 치열한 경쟁이 이

루어지고 있다

Fig 30 (a) Chevron and (b) Aero-gurney with variable

geometry morphing function for B787

application[11]

Fig 31 스웨덴 ACAB (wwwacabcom)사의 FSS

(frequency selective surfaces) 레이돔용 소재

틈새시장인 중형기 (mid-sized aircraft)는 브라질의

Bombardier사가 시장의 35 ~40를 차지하고 있으며

여기에 중국 러시아 및 일본 등이 자국 항공기의

개발을 통해 신흥 항공기 제조국가로 발돋움 하려고

부단히 경쟁하고 있는 추세이다 최근 정부에서는

2010년 초에 항공 산업 발전 기본 계획

(2010~2019)을 수립 제시하면서 새로운 미래의 도약

산업으로서 항공 산업의 발전을 도모하고 있다

하지만 역사적으로 소재공정 (material processing)

기술을 자체 확보하지 못한 국가가 항공 산업에서

우위를 차지한 적이 없는 만큼 한국이 틈새시장에

서나마 안정적인 시장을 확보하려면 항공 관련 소재

산업이 뒷받침 해주어야 한다고 판단된다 단기적

으로는 경량화의 꽃인 경쟁력 있는 탄소섬유의 개발이

무엇보다 강력하게 요구되고 있으며 보다 중기적

- 16 -

으로는 나노소재기술의 개발 및 상용화 장기적으로는

니켈합금 보다 가볍고 우수한 고온용 소재 Al-Li

합금 고분자복합재료보다 우수한 소재 등의 신소재

개발이 한국의 항공 산업을 든든하게 받혀 줄 수

있는 저력이 될 것이라고 판단된다

본 기고문은 한국항공우주산업진흥협회가 주관하는

2010년 항공우주부품기술개발사업 정책지정과제

lsquo중형항공기 핵심기술개발 선행연구lsquo의 지원을 받아

작성되었습니다

참고문헌

[1] B Cantor H Assender and P Grant eds

Aerospace materials Institute of Physics

Publishing 2001

[2] Airbus 홍보자료

[3] Aerospace Industry Outlook - Implications

for Composite Demands Composite

Industry Investment Forum 2008

Aerostrategy 26 th Feb 2009

[4] M Ashby H Shercliff and D Cebon

Materials Engineering Science Processing

and Design University of Cambridge UK

2007

[5] HM Flower ed High Performance

Materials in Aerospace Chapman amp Hall

London 1995

[6] RJ Bucci Advanced Metallic and Hybrid

Structural Concepts USAF Structural

Integruty Program Conference (ASIP 2006)

San Antonio Texas Nov 29 2006

[7] 3rd IT-2010 Strategy seminar April 11 2008

Torayrsquos Strategy for Carbon Fiber Composite

Materials

[8] IJ Polmear Light Alloys Metallurgy of the

Light Metals Arnold London 1995

[9] T Burg and A Crosky Aeronautical

Materials Teacher Reference School of

Material Science and Engineering University

of New South Wales 2001

[10] JA Charles FAA Crane and JAG

Furness Selection and Use of Eng Matls

3rd Edition Oxford 1997

[11] Boeing 홍보자료

- 13 -

제한설계로 요구되는 경우 재료지수는 동일 판재

의 경우 σYS12ρ가 되므로 σYS와 ρ를 도시한 버블

차트를 이용하여 위에 유사한 절차로 무게를 최

소화 하는 소재군을 선정할 수 있다 한편 Table

3과 같은 제한설계 방식에 따라 요구되는 재료지수

를 최대화 하는 소재를 찾고자 하는 경우에는

Fig 24 (균열이 없는 경우) 또는 Fig 25 (균열을

고려한 경우)와 같이 σYS-E 또는 KIC-E 버블차트가

요구되며 선정 과정은 앞의 경우와 동일하다

Fig 23 각 소재군별 탄성계수-밀도 버블 차트 [4]

Fig 24 탄성계수-항복강도 버블차트 [4]

일반 민간항공기와는 달리 초음속 비행이 가능한

전투기 또는 초음속 여객기 등의 개발시에는 초

음속으로 비행시 외부 동체 및 날개 등에 가해지

는 공기와의 마찰에 의한 높은 온도 상승을 재료

선정시 반드시 고려하여야 한다 Fig 26은 항공기

표면의 방사율 (emissivity)이 09인 항공기가 고공

23km 온도 -56degC인 대기권을 초음속 비행할 때

항공기 표면에서의 온도 분포 그림이다[10] 전체

표면 온도가 100 degC에 이를 만큼 뜨거운 상태임

을 알 수 있다 복합재료가 동체와 날개에 적용되는

경우 재료의 사용온도에서의 강도값을 소재선정 및

구조물의 설계에 반영하여야 한다 Fig 27은 이때

참조하여야 할 각종 소재의 최대 사용 온도 (max

service temp)에서의 강도값을 제시해 주고 있다[4]

Fig 25 파괴인성-탄성계수 버블차트 [4]

Fig 26 Skin heating across the airframe [10]

Fig 27 소재별 최고사용온도와 강도의 버블차트 [4]

- 14 -

최근에는 스텔스 기능 등을 가지는 항공기가 등장함에

따라 항공기의 구성 소재가 기존의 하중만을 단순

지지하는 구조물에서 최근에는 하중과 함께 전자파

흡수나 투과 또는 방열특성 등의 복합기능을 요구하는

기능성 구조물로의 설계요구가 늘어나고 있다 이러한

경우에는 재료의 강도뿐만 아니라 유전특성 등을 고려

하여 선정을 하여야 한다 지금까지 소재선정과 버블

차트이용을 주로 언급하였으나 필요시에는 Fig 28과

같이 여러 가지 특성을 비교할 수 있도록 표시하면

재료의 장단점을 잘 비교하여 소재의 선정에 도움이

될 수 있다[1]

Fig 28 Property envelopes for aluminium alloys [1]

6 항공기 구조용 소재의 개발동향

민간항공기 산업은 제품의 생산주기 (product life

cycle)상 성숙기에 다다른 산업으로 2008년도의 유가

급등에 따른 경제 위기이후 민간항공기 분야에서는

친환경적이고 고효율의 성능을 가진 항공기가 점차

요구되고 있다 최근의 새로운 항공기는 복합재료 기체

(composite airframe)의 적용으로 인한 항공기의 경량화

첨단 고효율 엔진 장착으로 인한 연비 극대화 및 첨단

전자시스템 (avionics)의 도입으로 인한 안전도 향상

공기역학적 최적설계로 항력 절감 등을 통해 기존의

항공기와 차별화 되고 있다 이러한 차별화된 항공기

기체를 제조하기 위해서는 고기능 특성을 가진 첨단

신소재의 개발이 무엇보다 요구되고 있다 최근 복합

재료가 항공기의 주구조물에 까지 적용되기 시작 하였

으나 새로운 소재에 대한 요구도는 점차 높아지고

있는 추세이다 나노기술의 성과 축적에 따라 최근에는

나노입자를 보강하거나 탄소나노튜브 자체를 길이방

향으로 성장시켜 장섬유로 기존의 복합재료와 같은

새로운 소재를 구성하려는 연구도 활발히 진행이 되고

있다 가까운 미래에 탄소-탄소 공유결합으로 강인한

특성을 지닌 탄소나노 섬유 (carbon nano fiber)로

이루어진 단일방향 프리프레그나 직물형 프리그레그

(prepreg)가 개발되는 경우 이들의 파급효과는 기존의

어떠한 구조재료보다 더 클 것으로 예상이 되고 있다

이들 초경량 소재를 적용하여 항공기를 설계하는 경우

기존의 항공기와는 다른 형상의 첨단 항공기가 등장

할 수 있을 것 판단된다 한편 기존의 금속 합금도

알루미늄 합금에서 벗어나 보다 넓은 범위의 Al-Li

합금의 적용이 활발해질 것으로 예측되고 있다 최근

에어버스사는 버튼하나로 외부의 경치를 360도 사방

으로 관람할 수 있는 첨단 신소재를 적용

(see-through 기술)한 자사의 미래형 민항기 (concept

airplane)를 발표하였다(Fig 29 참조)[2] 이와 같이

첨단 기능성 구조재료는 항공기의 기존 개념을 상상

할 수 없을 정도로 바꿀 수 있는 가능성을 제공하고

있음을 알 수 있다

Fig 29 Airbus사의 미래형 신개념 민간항공기[2]

최근에는 항공기 임무의 고도화와 첨단화에 따라

방열기능 복합재료 전자파 에너지 흡수 복합재료

전자기파 차폐용 복합재료 등의 기능성 특성을 지니

면서 초경량 구조용 소재로 활용될 수 있는 군사용

복합재료의 개발 필요성 크게 증대되고 있다 민간

- 15 -

항공기에도 스마트 구조물 구현을 위한 형상기억합금

(Shape Memory Alloy SMA) Piezo Actuator를

이용한 형상변형 (Morphing) 구조물 등이 최근 적용이

적극적으로 시도 되고 있다 (Fig 30 참조)[11] 이와

같이 공기역학적 성능형상을 구현하기 위한 형상

변경의 필요성은 기존 신소재와 복합재료의 하이브리드화

를 통해 새롭게 조명 받고 있다 한편 국내외적으로

스텔스 기능을 가지는 구조물이나 전자파를 흡수하

거나 선택적으로 통과 및 반사하는 레이돔과 같은

기능성 구조물에 대한 관심이 높아지고 있다 Fig

31은 Volvo사의 자회사인 스웨덴의 ACAB사의 레이돔

의 소재로서 주파수를 선택적으로 투과하는 표면을

갖도록 제작된 유리섬유 보강 복합재료의 표면 샘플

을 보여주고 있다 이와 같이 기존의 단순한 하중

을 전달하거나 지지하도록 제작되는 항공기 구조물

에서 벗어나 최근에는 센서 및 작동기와 같은 것을

내장하는 고부가가치의 지능형 항공기 구조물(smart

aircraft structures)이 점차 늘어나고 있는 추세이다

7 맺는 말

2004년 이후 2008년도 유가 급등기까지 전 세계

민간항공기 운항사의 80이상은 적자 상태에 있

었다고 분석되고 있다 이는 유가가 항공기 운용비

(operating cost)의 50 ~ 60를 차지하게 된 것에

기인하는 것으로 석유의 고갈이 점차 다가옴에 따라

항공기 제조사들은 항공기의 경량화를 통해 좀 더

효율적인 항공기를 개발하여 항공기 운항사에 공급

하려고 부단히 노력하고 있다

이와 같이 많은 이익을 줄 수 있는 항공기의 경량화

목표 실현은 바로 구조용 소재의 개발과 소재의

적절한 적용에 달려있다고 볼 수 있다 특히 날로

치열해지는 국제 경쟁 환경에서 자주국방 확립과 밀접

한 연관성이 있는 항공용 소재는 대부분의 경우가

선진국의 수출통제 (EL Export License) 대상의 규정

되어 있어 한국의 의욕적인 항공기의 개발에 많은

장애 요인 중의 하나로 자리 잡혀 있는 것이 현실

이다 최근 전 세계 항공 산업은 대형 민간항공기

의 경우 미국의 보잉과 유럽의 에어버스의 양대

기업으로 개편되어 시장을 놓고 치열한 경쟁이 이

루어지고 있다

Fig 30 (a) Chevron and (b) Aero-gurney with variable

geometry morphing function for B787

application[11]

Fig 31 스웨덴 ACAB (wwwacabcom)사의 FSS

(frequency selective surfaces) 레이돔용 소재

틈새시장인 중형기 (mid-sized aircraft)는 브라질의

Bombardier사가 시장의 35 ~40를 차지하고 있으며

여기에 중국 러시아 및 일본 등이 자국 항공기의

개발을 통해 신흥 항공기 제조국가로 발돋움 하려고

부단히 경쟁하고 있는 추세이다 최근 정부에서는

2010년 초에 항공 산업 발전 기본 계획

(2010~2019)을 수립 제시하면서 새로운 미래의 도약

산업으로서 항공 산업의 발전을 도모하고 있다

하지만 역사적으로 소재공정 (material processing)

기술을 자체 확보하지 못한 국가가 항공 산업에서

우위를 차지한 적이 없는 만큼 한국이 틈새시장에

서나마 안정적인 시장을 확보하려면 항공 관련 소재

산업이 뒷받침 해주어야 한다고 판단된다 단기적

으로는 경량화의 꽃인 경쟁력 있는 탄소섬유의 개발이

무엇보다 강력하게 요구되고 있으며 보다 중기적

- 16 -

으로는 나노소재기술의 개발 및 상용화 장기적으로는

니켈합금 보다 가볍고 우수한 고온용 소재 Al-Li

합금 고분자복합재료보다 우수한 소재 등의 신소재

개발이 한국의 항공 산업을 든든하게 받혀 줄 수

있는 저력이 될 것이라고 판단된다

본 기고문은 한국항공우주산업진흥협회가 주관하는

2010년 항공우주부품기술개발사업 정책지정과제

lsquo중형항공기 핵심기술개발 선행연구lsquo의 지원을 받아

작성되었습니다

참고문헌

[1] B Cantor H Assender and P Grant eds

Aerospace materials Institute of Physics

Publishing 2001

[2] Airbus 홍보자료

[3] Aerospace Industry Outlook - Implications

for Composite Demands Composite

Industry Investment Forum 2008

Aerostrategy 26 th Feb 2009

[4] M Ashby H Shercliff and D Cebon

Materials Engineering Science Processing

and Design University of Cambridge UK

2007

[5] HM Flower ed High Performance

Materials in Aerospace Chapman amp Hall

London 1995

[6] RJ Bucci Advanced Metallic and Hybrid

Structural Concepts USAF Structural

Integruty Program Conference (ASIP 2006)

San Antonio Texas Nov 29 2006

[7] 3rd IT-2010 Strategy seminar April 11 2008

Torayrsquos Strategy for Carbon Fiber Composite

Materials

[8] IJ Polmear Light Alloys Metallurgy of the

Light Metals Arnold London 1995

[9] T Burg and A Crosky Aeronautical

Materials Teacher Reference School of

Material Science and Engineering University

of New South Wales 2001

[10] JA Charles FAA Crane and JAG

Furness Selection and Use of Eng Matls

3rd Edition Oxford 1997

[11] Boeing 홍보자료

- 14 -

최근에는 스텔스 기능 등을 가지는 항공기가 등장함에

따라 항공기의 구성 소재가 기존의 하중만을 단순

지지하는 구조물에서 최근에는 하중과 함께 전자파

흡수나 투과 또는 방열특성 등의 복합기능을 요구하는

기능성 구조물로의 설계요구가 늘어나고 있다 이러한

경우에는 재료의 강도뿐만 아니라 유전특성 등을 고려

하여 선정을 하여야 한다 지금까지 소재선정과 버블

차트이용을 주로 언급하였으나 필요시에는 Fig 28과

같이 여러 가지 특성을 비교할 수 있도록 표시하면

재료의 장단점을 잘 비교하여 소재의 선정에 도움이

될 수 있다[1]

Fig 28 Property envelopes for aluminium alloys [1]

6 항공기 구조용 소재의 개발동향

민간항공기 산업은 제품의 생산주기 (product life

cycle)상 성숙기에 다다른 산업으로 2008년도의 유가

급등에 따른 경제 위기이후 민간항공기 분야에서는

친환경적이고 고효율의 성능을 가진 항공기가 점차

요구되고 있다 최근의 새로운 항공기는 복합재료 기체

(composite airframe)의 적용으로 인한 항공기의 경량화

첨단 고효율 엔진 장착으로 인한 연비 극대화 및 첨단

전자시스템 (avionics)의 도입으로 인한 안전도 향상

공기역학적 최적설계로 항력 절감 등을 통해 기존의

항공기와 차별화 되고 있다 이러한 차별화된 항공기

기체를 제조하기 위해서는 고기능 특성을 가진 첨단

신소재의 개발이 무엇보다 요구되고 있다 최근 복합

재료가 항공기의 주구조물에 까지 적용되기 시작 하였

으나 새로운 소재에 대한 요구도는 점차 높아지고

있는 추세이다 나노기술의 성과 축적에 따라 최근에는

나노입자를 보강하거나 탄소나노튜브 자체를 길이방

향으로 성장시켜 장섬유로 기존의 복합재료와 같은

새로운 소재를 구성하려는 연구도 활발히 진행이 되고

있다 가까운 미래에 탄소-탄소 공유결합으로 강인한

특성을 지닌 탄소나노 섬유 (carbon nano fiber)로

이루어진 단일방향 프리프레그나 직물형 프리그레그

(prepreg)가 개발되는 경우 이들의 파급효과는 기존의

어떠한 구조재료보다 더 클 것으로 예상이 되고 있다

이들 초경량 소재를 적용하여 항공기를 설계하는 경우

기존의 항공기와는 다른 형상의 첨단 항공기가 등장

할 수 있을 것 판단된다 한편 기존의 금속 합금도

알루미늄 합금에서 벗어나 보다 넓은 범위의 Al-Li

합금의 적용이 활발해질 것으로 예측되고 있다 최근

에어버스사는 버튼하나로 외부의 경치를 360도 사방

으로 관람할 수 있는 첨단 신소재를 적용

(see-through 기술)한 자사의 미래형 민항기 (concept

airplane)를 발표하였다(Fig 29 참조)[2] 이와 같이

첨단 기능성 구조재료는 항공기의 기존 개념을 상상

할 수 없을 정도로 바꿀 수 있는 가능성을 제공하고

있음을 알 수 있다

Fig 29 Airbus사의 미래형 신개념 민간항공기[2]

최근에는 항공기 임무의 고도화와 첨단화에 따라

방열기능 복합재료 전자파 에너지 흡수 복합재료

전자기파 차폐용 복합재료 등의 기능성 특성을 지니

면서 초경량 구조용 소재로 활용될 수 있는 군사용

복합재료의 개발 필요성 크게 증대되고 있다 민간

- 15 -

항공기에도 스마트 구조물 구현을 위한 형상기억합금

(Shape Memory Alloy SMA) Piezo Actuator를

이용한 형상변형 (Morphing) 구조물 등이 최근 적용이

적극적으로 시도 되고 있다 (Fig 30 참조)[11] 이와

같이 공기역학적 성능형상을 구현하기 위한 형상

변경의 필요성은 기존 신소재와 복합재료의 하이브리드화

를 통해 새롭게 조명 받고 있다 한편 국내외적으로

스텔스 기능을 가지는 구조물이나 전자파를 흡수하

거나 선택적으로 통과 및 반사하는 레이돔과 같은

기능성 구조물에 대한 관심이 높아지고 있다 Fig

31은 Volvo사의 자회사인 스웨덴의 ACAB사의 레이돔

의 소재로서 주파수를 선택적으로 투과하는 표면을

갖도록 제작된 유리섬유 보강 복합재료의 표면 샘플

을 보여주고 있다 이와 같이 기존의 단순한 하중

을 전달하거나 지지하도록 제작되는 항공기 구조물

에서 벗어나 최근에는 센서 및 작동기와 같은 것을

내장하는 고부가가치의 지능형 항공기 구조물(smart

aircraft structures)이 점차 늘어나고 있는 추세이다

7 맺는 말

2004년 이후 2008년도 유가 급등기까지 전 세계

민간항공기 운항사의 80이상은 적자 상태에 있

었다고 분석되고 있다 이는 유가가 항공기 운용비

(operating cost)의 50 ~ 60를 차지하게 된 것에

기인하는 것으로 석유의 고갈이 점차 다가옴에 따라

항공기 제조사들은 항공기의 경량화를 통해 좀 더

효율적인 항공기를 개발하여 항공기 운항사에 공급

하려고 부단히 노력하고 있다

이와 같이 많은 이익을 줄 수 있는 항공기의 경량화

목표 실현은 바로 구조용 소재의 개발과 소재의

적절한 적용에 달려있다고 볼 수 있다 특히 날로

치열해지는 국제 경쟁 환경에서 자주국방 확립과 밀접

한 연관성이 있는 항공용 소재는 대부분의 경우가

선진국의 수출통제 (EL Export License) 대상의 규정

되어 있어 한국의 의욕적인 항공기의 개발에 많은

장애 요인 중의 하나로 자리 잡혀 있는 것이 현실

이다 최근 전 세계 항공 산업은 대형 민간항공기

의 경우 미국의 보잉과 유럽의 에어버스의 양대

기업으로 개편되어 시장을 놓고 치열한 경쟁이 이

루어지고 있다

Fig 30 (a) Chevron and (b) Aero-gurney with variable

geometry morphing function for B787

application[11]

Fig 31 스웨덴 ACAB (wwwacabcom)사의 FSS

(frequency selective surfaces) 레이돔용 소재

틈새시장인 중형기 (mid-sized aircraft)는 브라질의

Bombardier사가 시장의 35 ~40를 차지하고 있으며

여기에 중국 러시아 및 일본 등이 자국 항공기의

개발을 통해 신흥 항공기 제조국가로 발돋움 하려고

부단히 경쟁하고 있는 추세이다 최근 정부에서는

2010년 초에 항공 산업 발전 기본 계획

(2010~2019)을 수립 제시하면서 새로운 미래의 도약

산업으로서 항공 산업의 발전을 도모하고 있다

하지만 역사적으로 소재공정 (material processing)

기술을 자체 확보하지 못한 국가가 항공 산업에서

우위를 차지한 적이 없는 만큼 한국이 틈새시장에

서나마 안정적인 시장을 확보하려면 항공 관련 소재

산업이 뒷받침 해주어야 한다고 판단된다 단기적

으로는 경량화의 꽃인 경쟁력 있는 탄소섬유의 개발이

무엇보다 강력하게 요구되고 있으며 보다 중기적

- 16 -

으로는 나노소재기술의 개발 및 상용화 장기적으로는

니켈합금 보다 가볍고 우수한 고온용 소재 Al-Li

합금 고분자복합재료보다 우수한 소재 등의 신소재

개발이 한국의 항공 산업을 든든하게 받혀 줄 수

있는 저력이 될 것이라고 판단된다

본 기고문은 한국항공우주산업진흥협회가 주관하는

2010년 항공우주부품기술개발사업 정책지정과제

lsquo중형항공기 핵심기술개발 선행연구lsquo의 지원을 받아

작성되었습니다

참고문헌

[1] B Cantor H Assender and P Grant eds

Aerospace materials Institute of Physics

Publishing 2001

[2] Airbus 홍보자료

[3] Aerospace Industry Outlook - Implications

for Composite Demands Composite

Industry Investment Forum 2008

Aerostrategy 26 th Feb 2009

[4] M Ashby H Shercliff and D Cebon

Materials Engineering Science Processing

and Design University of Cambridge UK

2007

[5] HM Flower ed High Performance

Materials in Aerospace Chapman amp Hall

London 1995

[6] RJ Bucci Advanced Metallic and Hybrid

Structural Concepts USAF Structural

Integruty Program Conference (ASIP 2006)

San Antonio Texas Nov 29 2006

[7] 3rd IT-2010 Strategy seminar April 11 2008

Torayrsquos Strategy for Carbon Fiber Composite

Materials

[8] IJ Polmear Light Alloys Metallurgy of the

Light Metals Arnold London 1995

[9] T Burg and A Crosky Aeronautical

Materials Teacher Reference School of

Material Science and Engineering University

of New South Wales 2001

[10] JA Charles FAA Crane and JAG

Furness Selection and Use of Eng Matls

3rd Edition Oxford 1997

[11] Boeing 홍보자료

- 15 -

항공기에도 스마트 구조물 구현을 위한 형상기억합금

(Shape Memory Alloy SMA) Piezo Actuator를

이용한 형상변형 (Morphing) 구조물 등이 최근 적용이

적극적으로 시도 되고 있다 (Fig 30 참조)[11] 이와

같이 공기역학적 성능형상을 구현하기 위한 형상

변경의 필요성은 기존 신소재와 복합재료의 하이브리드화

를 통해 새롭게 조명 받고 있다 한편 국내외적으로

스텔스 기능을 가지는 구조물이나 전자파를 흡수하

거나 선택적으로 통과 및 반사하는 레이돔과 같은

기능성 구조물에 대한 관심이 높아지고 있다 Fig

31은 Volvo사의 자회사인 스웨덴의 ACAB사의 레이돔

의 소재로서 주파수를 선택적으로 투과하는 표면을

갖도록 제작된 유리섬유 보강 복합재료의 표면 샘플

을 보여주고 있다 이와 같이 기존의 단순한 하중

을 전달하거나 지지하도록 제작되는 항공기 구조물

에서 벗어나 최근에는 센서 및 작동기와 같은 것을

내장하는 고부가가치의 지능형 항공기 구조물(smart

aircraft structures)이 점차 늘어나고 있는 추세이다

7 맺는 말

2004년 이후 2008년도 유가 급등기까지 전 세계

민간항공기 운항사의 80이상은 적자 상태에 있

었다고 분석되고 있다 이는 유가가 항공기 운용비

(operating cost)의 50 ~ 60를 차지하게 된 것에

기인하는 것으로 석유의 고갈이 점차 다가옴에 따라

항공기 제조사들은 항공기의 경량화를 통해 좀 더

효율적인 항공기를 개발하여 항공기 운항사에 공급

하려고 부단히 노력하고 있다

이와 같이 많은 이익을 줄 수 있는 항공기의 경량화

목표 실현은 바로 구조용 소재의 개발과 소재의

적절한 적용에 달려있다고 볼 수 있다 특히 날로

치열해지는 국제 경쟁 환경에서 자주국방 확립과 밀접

한 연관성이 있는 항공용 소재는 대부분의 경우가

선진국의 수출통제 (EL Export License) 대상의 규정

되어 있어 한국의 의욕적인 항공기의 개발에 많은

장애 요인 중의 하나로 자리 잡혀 있는 것이 현실

이다 최근 전 세계 항공 산업은 대형 민간항공기

의 경우 미국의 보잉과 유럽의 에어버스의 양대

기업으로 개편되어 시장을 놓고 치열한 경쟁이 이

루어지고 있다

Fig 30 (a) Chevron and (b) Aero-gurney with variable

geometry morphing function for B787

application[11]

Fig 31 스웨덴 ACAB (wwwacabcom)사의 FSS

(frequency selective surfaces) 레이돔용 소재

틈새시장인 중형기 (mid-sized aircraft)는 브라질의

Bombardier사가 시장의 35 ~40를 차지하고 있으며

여기에 중국 러시아 및 일본 등이 자국 항공기의

개발을 통해 신흥 항공기 제조국가로 발돋움 하려고

부단히 경쟁하고 있는 추세이다 최근 정부에서는

2010년 초에 항공 산업 발전 기본 계획

(2010~2019)을 수립 제시하면서 새로운 미래의 도약

산업으로서 항공 산업의 발전을 도모하고 있다

하지만 역사적으로 소재공정 (material processing)

기술을 자체 확보하지 못한 국가가 항공 산업에서

우위를 차지한 적이 없는 만큼 한국이 틈새시장에

서나마 안정적인 시장을 확보하려면 항공 관련 소재

산업이 뒷받침 해주어야 한다고 판단된다 단기적

으로는 경량화의 꽃인 경쟁력 있는 탄소섬유의 개발이

무엇보다 강력하게 요구되고 있으며 보다 중기적

- 16 -

으로는 나노소재기술의 개발 및 상용화 장기적으로는

니켈합금 보다 가볍고 우수한 고온용 소재 Al-Li

합금 고분자복합재료보다 우수한 소재 등의 신소재

개발이 한국의 항공 산업을 든든하게 받혀 줄 수

있는 저력이 될 것이라고 판단된다

본 기고문은 한국항공우주산업진흥협회가 주관하는

2010년 항공우주부품기술개발사업 정책지정과제

lsquo중형항공기 핵심기술개발 선행연구lsquo의 지원을 받아

작성되었습니다

참고문헌

[1] B Cantor H Assender and P Grant eds

Aerospace materials Institute of Physics

Publishing 2001

[2] Airbus 홍보자료

[3] Aerospace Industry Outlook - Implications

for Composite Demands Composite

Industry Investment Forum 2008

Aerostrategy 26 th Feb 2009

[4] M Ashby H Shercliff and D Cebon

Materials Engineering Science Processing

and Design University of Cambridge UK

2007

[5] HM Flower ed High Performance

Materials in Aerospace Chapman amp Hall

London 1995

[6] RJ Bucci Advanced Metallic and Hybrid

Structural Concepts USAF Structural

Integruty Program Conference (ASIP 2006)

San Antonio Texas Nov 29 2006

[7] 3rd IT-2010 Strategy seminar April 11 2008

Torayrsquos Strategy for Carbon Fiber Composite

Materials

[8] IJ Polmear Light Alloys Metallurgy of the

Light Metals Arnold London 1995

[9] T Burg and A Crosky Aeronautical

Materials Teacher Reference School of

Material Science and Engineering University

of New South Wales 2001

[10] JA Charles FAA Crane and JAG

Furness Selection and Use of Eng Matls

3rd Edition Oxford 1997

[11] Boeing 홍보자료

- 16 -

으로는 나노소재기술의 개발 및 상용화 장기적으로는

니켈합금 보다 가볍고 우수한 고온용 소재 Al-Li

합금 고분자복합재료보다 우수한 소재 등의 신소재

개발이 한국의 항공 산업을 든든하게 받혀 줄 수

있는 저력이 될 것이라고 판단된다

본 기고문은 한국항공우주산업진흥협회가 주관하는

2010년 항공우주부품기술개발사업 정책지정과제

lsquo중형항공기 핵심기술개발 선행연구lsquo의 지원을 받아

작성되었습니다

참고문헌

[1] B Cantor H Assender and P Grant eds

Aerospace materials Institute of Physics

Publishing 2001

[2] Airbus 홍보자료

[3] Aerospace Industry Outlook - Implications

for Composite Demands Composite

Industry Investment Forum 2008

Aerostrategy 26 th Feb 2009

[4] M Ashby H Shercliff and D Cebon

Materials Engineering Science Processing

and Design University of Cambridge UK

2007

[5] HM Flower ed High Performance

Materials in Aerospace Chapman amp Hall

London 1995

[6] RJ Bucci Advanced Metallic and Hybrid

Structural Concepts USAF Structural

Integruty Program Conference (ASIP 2006)

San Antonio Texas Nov 29 2006

[7] 3rd IT-2010 Strategy seminar April 11 2008

Torayrsquos Strategy for Carbon Fiber Composite

Materials

[8] IJ Polmear Light Alloys Metallurgy of the

Light Metals Arnold London 1995

[9] T Burg and A Crosky Aeronautical

Materials Teacher Reference School of

Material Science and Engineering University

of New South Wales 2001

[10] JA Charles FAA Crane and JAG

Furness Selection and Use of Eng Matls

3rd Edition Oxford 1997

[11] Boeing 홍보자료