[GE 이노베이션 리포트] 하늘 나는 엔진, 더 가볍고 단단하게

(2) 미래를 바꾼 신소재 기술

탄소섬유·세라믹 소재 적용
전투기 엔진에도 도입 추진

팬 날개가 탄소섬유 복합소재로 설계된 GE9X 엔진. GE 제공

소재산업의 발달은 항공산업의 발전을 이끌어왔다. 항공기의 효율성을 높이기 위해선 가볍고 단단한 신소재의 발전이 필수적이기 때문이다.

대표적 첨단 신소재인 탄소섬유는 자동차 부품, 풍력 발전기, 항공기 자재 등 산업 소재로 사용된다. 탄소섬유는 철보다 무게가 25%가량 가벼우면서도 강도는 10배나 세다. 탄소섬유를 항공기 엔진에 활용하면 기존 제품보다 더 얇고 가벼운 팬을 만들 수 있다.

GE는 GE9X 엔진의 팬 날개(블레이드)와 팬 케이스를 탄소섬유 복합소재로 설계하고 있다. GE는 1995년 세계 최초로 탄소섬유 소재의 팬 날개가 장착된 GE90-94B 엔진을 개발했다. 2018년 상용화 예정인 GE9X의 주문 건수는 이미 700기에 달한다.

탄소섬유 외에 주목할 만한 첨단 신소재는 세라믹복합소재(CMC)다. 니켈 합금을 사용하는 제트 엔진은 운용 중에 높은 열을 발생시킨다. 열로 인해 합금이 녹는 것을 방지하기 위해선 엔진 터빈의 날개에 작은 구멍들을 뚫어 표면의 열을 식히는 냉각기술이 필수적이다.

문제는 냉각 방식으로 인해 엔진 효율성이 떨어진다는 점이다. GE는 지난 20여년 동안 10억달러 이상을 투자해 내열성이 뛰어나 냉각 기술이 필요없는 CMC 개발에 힘썼다. CMC 무게는 니켈 합금에 비해 3분의 1 수준이기 때문에 더 작고 가벼운 부품으로 제작할 수 있다.

CMC로 제작한 날개는 회전할 때 원심력이 작게 발생하기 때문에 디스크나 베어링과 같은 엔진의 다른 부품도 경량화할 수 있으며, 이는 엔진 자체의 효율성을 증진하는 결과로 이어진다.

GE와 프랑스 항공업체 스넥마의 합작사인 CFM인터내셔널이 개발한 ‘LEAP’ 엔진은 대표적인 CMC 적용 항공기 엔진이다. LEAP 엔진은 기존 엔진보다 연료 소모율 및 탄소 배출량을 15% 이상 줄였다. 환경오염의 주범 중 하나인 질소산화물의 배출량은 배기가스 배출 기준보다 50%나 낮다. LEAP 엔진은 2016년엔 보잉 737 맥스에, 이듬해에는 에어버스 A320네오 기종 항공기에 탑재될 예정이다. 현재 수주량도 8500기가 넘는다.

GE는 전투기 엔진에도 CMC를 적용하기 위해 기술 개발에 박차를 가하고 있다. GE는 지난 2월 F-414 전투기 엔진 날개에 CMC를 적용, 500회 이상 연속 엔진 운용 실험에 성공했다. 이번 실험은 세계 최초로 항공기의 동적 부품에 CMC를 적용했다는 점에서 주목할 만하다. F-414는 ‘F/A-18 호닛’ ‘슈퍼 호닛’과 같은 최첨단 전투기의 엔진으로, GE가 한국형 전투기개발 프로그램인 보라매(KF-X) 사업에 제안하고 있는 최신 엔진이다.

김순신 기자 soonsin2@hankyung.com