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재료연구원, ‘소재·부품·장비’ 기술자립 가속페달
재료연구원, ‘소재·부품·장비’ 기술자립 가속페달
  • 박남수 기자
  • 승인 2021.08.18 21:08
  • 댓글 0
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■소부장 자립화 연구성과 공개
전기차 배터리 방열소재 개발
가격 유사·열전도도 2배 높여

Ti 합금 블레이드 제조 생산
소재 표면처리 기술 개발
한국재료연구원은 소재·부품·장비(이하 소부장) 기술자립을 위한 연구성과를 발표했다. [사진=한국재료연구원]
한국재료연구원은 소재·부품·장비(이하 소부장) 기술자립을 위한 연구성과를 발표했다. [사진=한국재료연구원]

[정보통신신문=박남수기자]

한국재료연구원(KIMS)은 방열 신소재부터 대형 발전터빈용 타이타늄 합금 소재, 항공우주 부품용 표면처리기술까지 소재 분야 기술자립에 속도를 내고 있다.

한국재료연구원은 소재·부품·장비(이하 소부장) 기술자립을 위한 연구성과를 발표했다.

재료연은 지난 2019년 7월 일본의 수출 규제 사태 이후 지금까지 소부장 자립화 및 소재강국 실현을 목표로 국내외 소재 분야 연구역량 결집과 산·학·연 협력의 구심점 역할을 수행하고 있다.

 

■전기차 배터리 열관리용 방열 세라믹 신소재 개발

정보전자 부품의 고성능 발현과 내구성 확보에 필수적인 열관리 소재에 대한 수요는 지속적으로 증가하고 있는 추세이다. 재료연은 고열전도성 저가 산화물 소재 개발에 대한 수요기업의 니즈를 반영하는데 초점을 맞추고 연구를 진행해왔다. 상용 산화물 소재인 알루미나(Al2O3, 열전도도: 20-30W/mK)와 유사한 가격이면서 열전도도는 우수한 산화마그네슘(MgO, 열전도도: 40-60W/mK) 소재 연구에 주력했다.

기존의 산화마그네슘은 알루미나보다 열전도도는 높지만, 소결온도가 매우 높아 제조단가가 높고 공기 중의 수분과 반응하는 흡습성 문제 등으로 사용에 제한이 있었다. 재료연은 극히 미량의 첨가제를 사용해 알루미나보다 낮은 온도에서 소결되고 흡습성 문제도 해결된 KIMS MgO 신소재를 개발했다. 개발된 KIMS MgO 신소재는 상용 알루미나와 가격은 유사하면서도 열전도도는 약 2배 정도 높아, 상용 알루미나 소재를 대체할 수 있을 것으로 기대된다.

재료연은 전기차 배터리 패키지용 방열 세라믹 필러 소재를 비롯해 이를 다양한 응용 분야에 확대 적용해나갈 계획이다. 또한 재료연은 KIMS MgO 신소재의 상용화를 위해 연구소기업 설립을 현재 진행 중에 있다.

이정환 재료연 원장은 “이번 연구성과는 전기차 안전성 문제 해결에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대되며, 일본 산화마그네슘에 비해 성능은 월등히 뛰어나면서 가격은 저렴해 일본과의 방열 소재 경쟁에서도 한걸음 앞서 나갈 수 있을 것으로 기대한다”라고 말했다.

 

■대형(1m급) Ti 합금 블레이드 제조기술 국산화

발전터빈의 대용량 고효율화를 위해서는 증기 및 연소온도와 압력을 증가시킬 필요가 있다. 이를 위해서는 발전터빈 블레이드의 대형화가 우선적으로 요구된다. 현재 기업에서 요구하는 스팀터빈 최후단 블레이드(LSB, Last Stage Blade)의 길이는 약 40인치(inch) 이상이다. 국내외 발전터빈 업체는 대형 블레이드의 무게 절감 및 효율 향상을 위해 기존의 Fe-Cr합금에서 고강도 타이타늄(Ti) 합금으로의 대체를 추진하고 있다. 이처럼 블레이드의 대형화를 위해 고비강도 타이타늄(Ti) 합금의 사용이 급증하고 있지만, 국내 발전업체의 기술 및 관련 인프라는 부족해 발전터빈용 타이타늄(Ti) 블레이드를 전량 수입에 의존하고 있다.

재료연은 국내 기업과의 협업을 통해 상용합금 대비 인장강도가 13% 높고 충격특성이 우수한 국산 대형(1m급) 타이타늄(Ti) 합금 블레이드 제조 생산에 성공했다. 개발된 타이타늄(Ti) 신합금은 상용 타이타늄(Ti) 블레이드 대비 합금량을 2.75wt% 줄이고, 기존 상용합금에서 사용하는 고가의 바나듐(V) 대신 저가의 합금원소(Fe, Al, Si)만을 첨가해 가격경쟁력이 우수하다.

재료연은 대형(1m급) 타이타늄(Ti) 블레이드 제조기술을 기업체에 기술이전하고, 잉곳→빌렛→형단조→후열처리→가공에 이르기까지 발전용 타이타늄(Ti) 블레이드 국산화를 위한 제조 밸류체인을 완성했다. 이는 현재 전량 수입 중인 타이타늄(Ti) 블레이드를 국산화해 국내 기업의 발전터빈 산업경쟁력을 강화했다는 측면에서 그 의미가 남다르다.

박찬희 재료연 타이타늄연구실장은 “고강도 타이타늄(Ti) 합금의 부품 대형화 기술은 향후 선박·산업용 극저온 탱크, 항공·우주 부품 등 대형 타이타늄(Ti) 부품 제조산업 전반에 걸쳐 큰 파급효과를 기대할 수 있다.”라고 말했다.

 

■선형이온빔 표면처리 장비 및 소재 표면처리 기술 개발

친환경, 탄소중립 등 지속가능 개발에 대한 가치가 중요해지면서 산업구조 또한 이에 맞춰 변화하고 있다. 6대 뿌리산업 중 하나인 표면처리 산업도 예외가 아니다. 기존 표면처리 방식은 주로 유기용매를 활용하기 때문에 정화시설의 설치가 필수이고 유출 시 환경오염에 대한 우려 또한 존재해왔다. 이에 비해 선형이온빔 장비는 아르곤과 산소 등 유해하지 않은 가스를 활용하고 이와 함께 넓은 폭의 표면처리가 가능하다는 장점이 있다.

선형이온빔 장비는 아르곤, 산소 등의 가스를 높은 전압을 이용해 이온화시킨 후 이를 방출하는 기술이다. 1960년대 항공 우주용 추력기의 이온 엔진에서 시작된 기술을 표면처리에 적용했고 이후 다양한 형태로 발전을 거듭했다. 한국재료연구원은 이를 금속 강판의 광폭 표면처리에 적합하게 맞춰 1,500㎜ 폭의 선형이온빔 장비를 개발 및 지난 2012년 국가연구개발 우수성과에 선정된 바 있다. 이후 보다 섬세한 표면처리를 요구하는 기술개발 트렌드에 맞게 심화 개발시켜, 수십 마이크로미터 두께 필터 섬유의 비손상 표면처리가 가능한 선형이온빔 장비 기술을 개발할 수 있었다.

선형이온빔 소스 장비에 대한 원천기술과 이를 활용한 다양한 응용기술은 기술이전을 통해 현재 다양한 산업에 적용 중이다. 세라믹·금속·고분자 등 이종소재 간 밀착력을 향상시키는 기술은 방열판, 연성동박적층판(FCCL) 등에 주로 사용되고 있다. 방역용 항균·항바이러스 필터 소재, 자동차 부품용 고경도 박막, 디스플레이용 저반사 필름 등 다양한 산업 분야에 폭넓게 활용되고 있다.


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