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3D 프린터로 항공기·원자로 핵심 내열소재 20배 빨리 만든다

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2018년 03월 05일 19:40 프린트하기

한국원자력연구원이 3D 프린터를 이용해 손쉽게 내열 소재를 제조할 수 있는 기술을 개발했다. 연구를 이끈 김현길 책임연구원이 3D 프린터를 바라보고 있다. - 원자력연 제공
한국원자력연구원이 3D 프린터를 이용해 손쉽게 내열 소재를 제조할 수 있는 기술을 개발했다. 연구를 이끈 김현길 책임연구원이 3D 프린터를 바라보고 있다. - 원자력연 제공

국내 연구진이 항공기와 로켓, 원자로, 가스터빈 등을 이루는 핵심 부품의 내열소재를 3차원(3D) 레이저 프린터로 손쉽게 제조하는 기술을 개발했다. 관련 산업에서의 활용은 물론 안전사고 예방에도 도움이 될 전망이다.

 

한국원자력연구원은 내열 성능이 향상된 ‘산화물 분산강화 합금’을 기존 공정보다 20배 빠르게 제조할 수 있는 3D 프린팅 기반 내열 금속 제조 공정을 개발했다고 5일 밝혔다. 해당 기술은 국내뿐 아니라 미국, 일본, 프랑스에도 특허로 등록됐다.

 

산화물 분산강화 합금은 고온에서도 강도를 유지할 수 있어 국방, 에너지, 항공·우주 산업 등에 광범위하게 쓰이는 소재다. 하지만 기존 공정은 제조 과정이 복잡해 많은 비용과 시간이 들어갔다. 소재를 단단하게 굳힌 상태에서 부품을 만들어야 해 형태를 정교하게 하는 데도 한계가 있었다.

 

연구진이 개발한 3D 프린팅 공정은 금속 표면에 산화물 입자를 도포하고 3D 프린터의 레이저로 금속을 녹이면서 내부에 합금 내열층을 만드는 방식이다. 비용과 시간을 20분의 1로 줄일 수 있고, 원하는 형태를 자유자재로 만들 수 있다. 특정 부위만 강도를 높일 수도 있다. 
 
연구진이 3D 프린팅 공정으로 핵연료 피복관을 제작해 성능을 시험한 결과, 섭씨 1200도의 고온에서도 소재의 변형률이 기존 제품의 4분의 1 수준이었다. 김현길 원자력연 책임연구원은 “내열 성능이 강화된 만큼 사고가 터졌을 때 대응 시간을 추가로 확보할 수 있다”며 “고온으로 핵연료 피복관이 변형·파괴되면서 수소 폭발로 이어진 ‘후쿠시마 원전사고’ 같은 심각한 사고를 막을 수 있다”고 말했다.
 
원자력연은 이 기술을 사고저항성 피복관 개발뿐 아니라 관련 산업 전반에 확장해 응용할 수 있도록 발전시킬 계획이다. 하재주 원자력연 원장은 “산화물 분산 강화 합금은 미국, 일본 등에서도 활발하게 연구되고 있는 고부가가치 소재로 국방, 항공·우주 등 다양한 첨단 산업에 활용될 수 있다”고 밝혔다.

  

산화물 분산강화 합금 등 내열 금속 시장은 지속적으로 확대되는 추세다. 핵연료 피복관 시장만으로도 국내 시장 연 500억 원, 세계 시장 연 1조 원 규모로 추산된다. 연구진은 내열 금속의 3D 프린팅 공정이 상용화되면 내열 금속 국산화뿐 아니라 수출 효과도 클 것으로 기대하고 있다.

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