원자력硏,'금속-SiC 하이브리드 소재 제조 3D 프린팅 기술' 개발

머니투데이

대전=허재구 기자

지르코늄 합금 금속 핵연료 피복관에 SiC를 적층한 하이브리드 미세조직 현미경 관찰 자료. 피복관 표면에 SiC 층이 Zr(지르코늄) 합금 혼합층을 형성한 것을 확인할 수 있다./자료제공=한국원자력연구원

한국원자력연구원 김현길 박사팀이 개발한 '금속-SiC 하이브리드 복합소재 제조 3D 프린팅'/사진제공=한국원자력연구원

물체가 지닌 성질의 큰 차이로 기존 방식인 용해나 물리적 접합으로는 유기적 결합이 어려웠던 금속과 SiC(탄화규소) 소재를 하이브리드화(두 가지 기능이나 역할이 하나로 합쳐짐) 할 수 있는 새로운 3D프린팅 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국원자력연구원은 이 같은 내용의 '금속-SiC 하이브리드 소재 제조 3D 프린팅 기술'을 개발했다고 24일 밝혔다.

'SiC'는 규소의 탄화물인 '실리콘카바이드'를 말한다. 단단한 정도가 다이아몬드와 유사하고 1500℃의 고온을 견딜 수 있다. 열 전도성 또한 매우 높아 원자로 연료봉의 피복재 및 항공기·우주선 엔진, 고온의 건축 구조재 등에 널리 활용 중이다.

금속과 SiC는 물성이 전혀 달라 기존의 용해나 물리적 접합으로는 소재의 유기적 결합에 많은 비용과 시간이 소모되는데도 정확성도 매우 떨어진다.

지르코늄 합금 금속 핵연료 피복관에 SiC를 적층한 하이브리드 미세조직 현미경 관찰 자료. 피복관 표면에 SiC 층이 Zr(지르코늄) 합금 혼합층을 형성한 것을 확인할 수 있다./자료제공=한국원자력연구원

그러나 연구진이 개발한 기술은 '3D 레이저 프린터'가 금속 표면에 SiC 입자들을 정밀하게 쌓아올림으로써 제품의 형상에 관계없이 원하는 부분에 필요한 양만큼 코팅이 가능해 혁신적인 공정 기술로 주목받고 있다.

연구진은 최근 이 기술에 대해 국내를 포함한 미국, 일본, 유럽 등에 특허 등록도 완료했다.

이 기술로 제작된 '금속-SiC 하이브리드 소재'는 기존 금속의 내구성에 SiC가 지닌 고열 안정성, 경도, 부식 및 마멸 저항성이 더해져 미래형 만능 소재로 떠오을 전망이다.

특히, 핵연료 피복관의 금속 소재인 지르코늄 합금의 내구성 보완 및 폭발위험 방지에 탁월할 것으로 기대를 모으고 있다.

원자력연구원측은 이 기술을 적용한 사고저항성 피복관 개발과 더불어 산업 전반에 적용할 수 있도록 기술 고도화에 박차를 가한다는 계획이다.

기술 개발을 주도한 김현길 박사(핵연료안전연구부)는 "이 기술 개발은 3D 레이저 프린팅 기술의 새로운 지평을 연 혁신적인 성과" 라며 "현재 500억 달러 규모인데다 앞으로 4차 산업 육성에 따라 시장 규모는 급속도로 확장될 것으로 기대되는 만큼 기술력 강화에 더욱 힘쓸 것"이라고 말했다.