▲ 재료연구소 김경태 연구팀이 개발한 에너제틱 알루미늄 분말 개요도.

국내 연구진이 로켓 추진체 고체연료로 사용 가능한 알루미늄 분말 제조기술을 개발하는데 성공했다.

재료연구소(소장 김해두, KIMS)는 분말·세라믹연구본부 김경태 박사 연구팀이 기존 알루미늄 분말 소재와 비교해 산소와의 반응성이 2배 이상 높으면서도 취급 안정성을 확보한 극미세 알루미늄 분말 표면처리 기술을 국내 최초로 개발하는데 성공했다고 25일 밝혔다.

개발된 기술은 알루미늄 분말 표면에 치밀하게 존재하는 산화막을 화학적으로 녹여 제거하는 동시에 열역학적으로 안정한 불소계열 유기물을 알루미늄 분말 표면에 코팅하는 기술이다.

알루미늄 분말 표면에 코팅된 유기물 층은 비교적 낮은 온도의 열로도 쉽게 제거가 가능하기 때문에 고체연료 등 고에너지 발생 산업에서 알루미늄 분말의 높은 산화반응성을 효율적으로 발현시킬 수 있다.

순수한 알루미늄은 산소와 결합시 타 소재에 비해 산화반응 속도가 빠르고 생성되는 열에너지가 많아 고체연료 등으로 사용된다. 표면에 현성되는 자연 산화막은 알루미늄 분말로 하여금 외부 산소와 바로 반응하는 것을 방지해 대기 중 상온과 상압 환경에서 분말을 안전하게 취급할 수 있도록 하는 고마운 존재이지만, 동시에 알루미늄의 고유 물성 발현을 방해하는 장애물이기도 하다. 그러나 자연 산화막을 제거하기 위해선 적어도 1천℃ 이상의 높은 열이 필요하며 이 과정에서 순수한 순수한 알루미늄이 대기 중에서 바로 드러날 경우 발생하는 폭발적인 반응 문제는 알루미늄 업계의 고민거리였다.

이에 연구팀은 표면에 형성되는 산화막 대신 필요에 따라 손쉽게 제거 가능하면서도 알루미늄 분말 자체를 안정화시키는 불소계 유기물을 도입해 반응성과 안정성이 동시에 확보된 분말표면처리 기술을 개발했다.

불소계 유기물은 250℃ 이하의 온도에서 쉽게 제거되며, 이로 인해 산화막이 존재하는 동일한 크기의 알루미늄 소재에 비해 적어도 2배 이상 빠르고 지속적인 산화반응을 얻을 수 있었다. 또한 기존 도금공정기술을 기반으로 하고 있어 제조 관련 설비구축이 용이해 양산이 손쉬운 장점이 있다.

연구진은 이번에 개발한 기술을 통해 알루미늄 분말의 격렬한 산화반응성을 효과적으로 발현시킬 수 있어 인공위성 발사체용 로켓의 고체연료 소재, 브레이징 용접 시 원료소재, 태양전지를 포함한 각종 전자소자의 고전도성 금속 페이스트용 원료 소재 등으로 활용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

특히 일부 미세한 크기의 알루미늄 분말은 전략 품목으로 지정돼 수입이 금지되어 있기도 하기 때문에 국산 알루미늄 분말의 고부가가치화와 수입 분말의 대체가 가능할 것으로 전망된다.

김경태 책임연구원은 “본 기술이 상용화된다면 국방 및 전자부품 소재 분야 등에서, 알루미늄 분말의 고부가가치화를 만들어 낼 국산 원천 소재와 공정 기술을 함께 공급할 수 있을 것”이라고 말했다.

한편 연구팀은 본 기술에 대해 특허권을 확보함과 동시에 연구결과를 과학 및 공학 분야 저명 학술지인 네이처 자매지, 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)에 지난 7월5일 온라인 게재했다.

이번 연구는 한국연구재단 민군기술협력원천기술개발사업 ‘멀티스케일 에너제틱스 연구단’, 글로벌 프론티어사업 ‘파동에너지극한제어연구단’과 재료연구소 주요사업의 지원으로 수행됐다.