극저온에서 복합재료는 열전도도가 낮아 단열 특성이 탁월하고 전기절연성이 뛰어나 에너지 산업, 전기 및 전자산업, 생물공학, 의료분야, 수송산업, 우주 항공 산업 등 응용 범위가 넓고 기반 기술적 성격이 강하기 때문에 외국에서는 오래전부터 국가 연구기관들이 체계적 연구와 기술 축적을 통해 실용화 기술을 산업계에 제공하고 있다.

   국내외 기술동향

   미국에서는 NASA(National Aeronautics and Space Administration)를 중심으로 활발한 연구가 전개되고 있다.
   2005년 캘리포니아에 위치한 XCOR Aerospace사와 함께 ‘Long-Life, Light Weight Oxidation resistant cryogen Tank’ 프로그램의 일환으로 7백만 달러를 들여 극저온 환경에서 사용 가능한 LOX(Liquid Oxygen) 저장용기를 개발했다.
   이 복합재 저장용기의 특성은 기존의 알루미늄/스테인리스 철과 달리 무게면에서 경량이며 알루미늄에 견주는 저밀도와 낮은 열팽창계수를 갖고 있다. 또 내열특성이 향상되는 열경화성 불소중합체 수지를 사용해 -260~280℃ 범위의 극한환경에서도 사용 가능하다.
   앨라배마에 위치한 Northrop Grumman Corp사는 NASA's Marshall Space Flight Center와 계약해 NASA's Generation Launch Technology(NGLT) 프로그램의 일환으로 지름이 1.8m이고 길이가 4.6m인 극저온에서 액화수소를 저장할 수 있는 복합재 액화 수소 저장용기를 개발했다. 이 프로그램은 2001년에 시작해 총 3년간 진행됐으며 총 3000만 달러를 들여 기존 알루미늄 용기에 비해 약 25% 정도의 무게 절감효과를 얻었다. 특히 new ultrasonic tape lamination(UTL) debulking 공법을 개발해 기존 프리프레그 tape 보다 1/2정도 얇은 tape을 이용해 적층함으로써 극한 환경에서도 내부용기 물질이 외부로 누출되지 않도록 했다.
   일본에서는 JAXA 소속의 Kakuda Space Center에서 2003년에 극저온 시험시설에 관한 기본 인프라를 구축하고 로켓이나 인공위성 등에 사용되는 2차 구조물 극저온 탄소 복합재료를 제작했다.



   오스트리아 항공우주연구소는 자동차 부품회사인 Magna Steyr와 2004~2008년에 Automotive Hydrogen Storage System 개발을 위한 기술교류를 통해 탄소 복합재료를 이용, 액화수소와 메탄 가스를 저장할 수 있는 극저온저장용기를 개발하여 실제 자동차에 적용함으로써 차세대 하이브리드 자동차에 대한 적용 가능성을 확인하였다.



   국내에서는 위성용 발사체 개발 관련 재료연구소와 항우연이 공동으로 복합재 액화연료 저장용기를 개발한 사례가 있으며 수소 저장용 350bar급 고압 탱크는 2006년 재료연구소와 (주)이노콤이 공동으로 개발한 바 있다.

   복합재료는 적층 설계를 통해 각종 물성의 조절이 용이하며 보강재와 기지재료를 다양하게 선택할 수 있기 때문에 극저온에 노출되어 구조 및 기능적 역할을 수행하는 제품들에    대한 적용성이 매우 높다.
   특히 극저온 복합재료 기술개발을 위해서는 무엇보다 저온 및 극저온 환경에 있어서 뛰어난 기계적 특성을 가지는 구조용 재료의 개발이 절실히 요구되어지고 있으며 더불어 열전도도, 전기전도도 및 열팽창 계수 등 응용 분야에 따른 기계적 물성 이외의 재료 요구 사항을 만족 시켜야 한다. 극저온에 적용할 수 있는 복합재료 개발에 있어 복합재료에 대한 신뢰성있는 물성 평가 기술 확립도 매우 중요한 요소이다. 극저온 범위에서 구조물의 신뢰성을 담보하기 위해서는 재료의 파괴 인성, 피로 거동 및 균열진전 특성 등의 파악이 필수적이다.
   일반적으로 극저온 환경에서의 물성 시험의 경우 국제적인 표준이 미비된 상태이며 대부분 일반 상온에서의 시험법을 그대로 사용하고 있는 편이다. 특히 복합재료 및 수지의 극저온 물성 시험에 대한 표준은 전무하기 때문에 금속 재료의 극저온용 표준 시험법이나 고분자 재료의 상온 표준 시험법 혹은 관련된 연구 결과를 참고하여 시험 방법을 설정하고 있다. 극저온 인장 시험의 경우 금속재료에 대해 미국의 ASTM E1450 및 일본의 JIS Z 2277과 같이 액체 헬륨 온도에서의 시험 표준이 마련되어 있다. 이 표준에서는 일반적인 극저온용 인장 시험을 위한 Cryostat의 형상 및 추천 재질과 스트레인 게이지를 이용한 간단한 보정법을 소개하고 있다.

   극저온 복합재료는 우주, 방산, 수송 등 국가 전략 산업이거나 기반 산업적 성격이 강한 산업에 주로 적용되고 있어서 개발 초기에 경제성을 논하기가 적절하지 않다. 하지만 이러한 산업은 국가 전체의 안전이나 효율성 제고에 반드시 필요한 산업이므로 극저온 재료 개발 또한 이러한 측면에서 고려하여야 한다.
   한편 상업적 측면으로는 LNG 선박용 펌프나 밸브류의 2006년 추정 국내 시장 규모가 약 2600억(극저온 기기 성능 평가 센터 기획 보고서, 2007) 정도로 극저온 소재에 대한 연구개발이 필요한 상태이며 향후 신재생에너지의 저장 및 수소용으로 열전도도가 낮은 고분자 복합재를 이용한 각종 제품들이 개발될 것으로 예상된다.