▲ 한국원자력연구원이 세계 최초로 '3D 프린팅 기반 산화물 분산강화 기술'을 개발하는데 성공했다. 사진은 기술 개발을 이끈 김현길 책임연구원이 3D 프린터 레이저 조사공정을 지켜보고 있다.

항공기 엔진이나 가스터빈 같이 고열을 견뎌야 하는 내열 부품소재를 3D 레이저 프린팅 기술로 손쉽게 제조할 수 있는 신기술을 국내 연구진이 세계 처음으로 개발했다.

한국원자력연구원은 3D 레이저 프린팅 기술을 활용해 기존 대비 성능은 높이고 속도는 20배나 빠르게 '산화물 분산강화' 합금을 만들 수 있는 신기술을 개발했다고 5일 밝혔다.

이 기술은 가치와 원천성을 인정받아 국내는 물론 미국, 일본, 유럽(프랑스)에 특허 등록이 완료됐다.

산화물 분산강화(Oxide Dispersion Strengthened·ODS) 소재는 내열이 필요한 모든 금속 재료에 고온에 강한 산화물을 섞어 만든 합금이다.

이 소재는 비행기 엔진, 원자로 부품, 가스 터빈, 미사일 노즐 같이 고온 강도와 내열성을 필수적으로 요구하는 국방·에너지·항공우주 산업 등에서 핵심 부품으로 광범위하게 사용되고 있다.

연구원에 따르면 기존 산화물 분산강화 기술은 금속과 산화물을 파우더 형태로 만들어 혼합한 뒤 추가로 복잡한 공정을 거치기 때문에 많은 시간과 비용이 소요된다.

또 최종 제품을 제작키 위해서는 이미 강화 공정을 거쳐 강도가 크게 증가된 합금을 재료로 이용할 수 밖에 없어 사용자가 원하는 형태의 제품을 만드는데 어려움이 있었다.

반면 이번에 연구원에서 세계 최초로 개발한 신기술은 최종 제품을 만든 후 제품 금속 표면에 산화물 입자를 도포하고 3D 프린터의 레이저 열원으로 금속을 녹이면서 동시에 산화물 입자를 혼합, 냉각해 금속 내부에 내열층을 만들어내는 방식이다.

산화물 입자를 금속 내부에 고루 분포시키면서 가공 시간과 비용을 기존 기술 대비 1/20로 단축시켰고 사용자가 원하는 특정 부분만 강화할 수도 있다.

이 기술은 일본 후쿠시마 원전 사고와 같은 원자로 수소 폭발을 방지하기 위해 개발이 시작됐다.

후쿠시마 사고 당시 원자로 내부의 고온으로 핵연료 피복관이 변형·파괴되고 핵연료 피복관이 산화되면서 다량의 수소가 발생, 결국 수소 폭발로 이어졌기 때문이다.

연구원은 3D 레이저 프린팅 기반 산화물 분산강화 기술을 적용해 제작한 핵연료 피복관은 1200℃의 고온에서도 거의 변형되지 않기 때문에 사고 발생시 수소 발생을 크게 억제해 후쿠시마 사고와 같은 심각한 사고로 진행되지 않는다고 설명했다.

이로 사고 대응시간을 추가로 확보할 수 있어 사고시 핵연료의 안전성을 5배 가량 강화할 수 있을 것으로 연구원은 내다봤다.
 
연구원은 이 기술을 적용한 사고저항성 피복관 개발과 함께 다른 산업 전반에 확장 적용할 수 있도록 기술을 고도화할 예정이다.

하재주 원자력연구원장은 "산화물 분산 강화 소재는 미국, 일본 등에서 활발하게 연구되고 있는 고부가가치 소재로 국방, 항공우주 등 다양한 첨단 산업에 활용될 수 있다"며 "이 기술이 널리 활용되면 우리나라의 관련 산업 발전에 획기적인 전환점이 될 것"이라고 말했다.

신성우  sungwoo2010@hanmail.net

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