[고든 정의 TECH+] 금속 3D 프린터로 출력 가능한 초합금 개발…제조업 혁신 신기술

3D 프린터는 21세기 제조업의 혁신을 이끌 신기술 중 하나입니다. 3D 프린터를 통해 부품을 출력할 경우 기존의 제조 공정과 달리 도면만 있으면 쉽게 형태를 수정할 수 있으며 복합한 3차원 구조를 지닌 부품도 한 번에 출력할 수 있습니다.

3D 프린터 제조 혁신은 최근 금속 3D 프린터 기술이 크게 발전하면서 본격화하고 있습니다. 복잡한 항공기용 엔진 부품을 3D 프린터로 출력하고 대량 생산에 어려운 로켓 엔진 부품도 대규모 제조 생산 라인 없이 필요할 때마다 출력할 수 있습니다.

하지만 기존의 합금들은 금속을 조금씩 녹여 붙이는 적층 생산 방식을 염두에 두고 개발한 것들이 아니기 때문에 3D 프린터로 출력했을 때 최상의 결과물을 얻을 수 없다는 문제점이 있었습니다. 미국 국립 산디아 연구소, 에임스 국립 연구소, 아이오와 대학 연구팀은 금속 3D 프린터로 출력해도 오히려 우월한 결과물을 얻을 수 있는 초합금 소재를 개발했습니다.

연구팀에 개발한 초합금은 알루미늄 42%, 티타늄 25%, 니오븀 13%, 몰리브덴 8%, 지르코늄 8%, 탄탈륨 4%의 복잡한 구성을 지니고 있습니다. 이런 형태의 초합금은 MPES(multi-principal-element superalloy)라고 불립니다.

연구팀에 따르면 이 합금의 최대 강도는 4.5GPa, 밀도는 8.2g/cm3, 밀도 대비 강도는 0.55GPa-cm3/g에 달해 기존의 티타늄 및 코발트 계열 합금 소재보다 우수합니다. 더 중요한 사실은 섭씨 800도에 한 시간 노출되어도 강도가 그대로 유지된다는 것입니다.

따라서 고온에 노출되는 엔진 소재나 혹은 발전소에 쓰이는 증기 터빈 등에 적합한 소재라고 할 수 있습니다. 앞으로 관련 부품을 3D 프린터로 출력한다면 가장 좋은 합금 소재가 될 것으로 기대됩니다.

3D 프린터 기술의 발전은 결국 출력하는 잉크인 소재 기술의 발전과 함께 갈 수밖에 없습니다. 최근 3D 프린팅에 적합한 소재 관련 기술이 계속 발전하고 있는 만큼 앞으로 금속 3D 프린터가 첨단 제조업에서 활약할 기회가 늘어날 것으로 예상됩니다.

고든 정 과학 칼럼니스트 jjy0501@naver.com