원자력연, 3D 프린팅으로 항공기 엔진 부품 만든다... '내열 합금 신기술' 개발

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3D 레이저 프린팅 기술로 내열 부품을 쉽게 제조하는 기술이 개발됐다. 항공기 엔진, 가스터빈을 비롯한 국방·에너지·항공우주 산업의 핵심 부품 제조 기술이 될 것으로 전망된다.

한국원자력연구원(원장 하재주)은 3D 레이저 프린팅 기술로 기존보다 20배나 빠른 고성능 '산화물 분산 강화 합금' 제조 기술을 개발했다고 5일 밝혔다.

김현길 원자력연 책임연구원이 3D 프린팅 기반 산화물분산강화 공정을 지켜보고 있다.
<김현길 원자력연 책임연구원이 3D 프린팅 기반 산화물분산강화 공정을 지켜보고 있다.>

산화물 분산 강화 소재는 금속 재료에다 고온에 강한 산화물을 섞어 만든 합금이다. 비행기 엔진, 원자로 부품, 가스터빈, 미사일 노즐 등 내열성과 고온 강도가 필요한 산업 분야에 쓰인다.

그동안에는 제조에 많은 시간과 비용이 들었다. 금속과 산화물을 파우더 형태로 혼합한 후 복잡하고 어려운 추가 공정을 거쳐야 했다. 재료 단계에서부터 강도를 높이는 '강화 공정'을 진행하기 때문에 이후 가공이 쉽지 않았다.

파이프에 산화물을 도포한 후 3D 프린터 레이저를 조사하는 모습
<파이프에 산화물을 도포한 후 3D 프린터 레이저를 조사하는 모습>

원자력연이 개발한 기술은 제품을 만든 후 내열층을 만드는 방법으로 문제를 해결했다. 먼저 최종 제품을 만든 뒤 강화 공정을 진행했다. 제품에 산화물 입자를 도포하고, 3D 프린터 레이저 열원으로 표면을 녹여서 금속과 산화물 입자를 혼합하는 방식이다.

이 방식을 적용하면 산화물 입자를 금속 안에 고루 분포시키면서 가공 시간과 비용을 기존 대비 20분의 1 수준으로 줄일 수 있다. 사용자가 원하는 특정 부분만 강화할 수도 있다.

산화물 분산강화 피복관을 확대한 모습. 피복관 내부에 산화물 입자가 분포해 있다.
<산화물 분산강화 피복관을 확대한 모습. 피복관 내부에 산화물 입자가 분포해 있다.>

원자력연은 당초 이 기술을 원전 안전 기술로 개발했다. 일본 후쿠시마 원전 사고 당시 핵연료 피복관이 변형·파괴돼 다량의 수소를 발생, 수소 폭발을 야기시켰다.

새로운 산화물 분산 강화 합금 기술을 쓰면 1200도의 고온에서도 거의 변형되지 않는 핵연료 피복관을 만들 수 있다. 사고 시 핵연료 안전성을 5배 강화할 수 있다. 관련 시장은 국내 500억원, 세계 1조원 규모다.

원자력연은 앞으로 원자력 안전 분야와 함께 다른 분야 산업 전반에 적용할 수 있도록 기술을 고도화한다는 방침을 세웠다. 국내는 물론 미국, 일본, 프랑스에 기술 특허 등록을 마쳤다.

하재주 원장은 “산화물 분산 강화 소재는 미국, 일본 등에서 활발하게 연구하는 고부가 가치 소재”라면서 “국방, 항공우주를 비롯한 첨단 산업에 활용할 수 있다”고 설명했다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com