▲ 파이프에 산화물을 도포한 후 3D프린터 레이저를 조사하는 모습.

국내 연구진이 3D 레이저 프린팅 기술을 활용해 고내열 핵심 소재부품을 보다 저렴하고 빠르게 생산할 수 있는 제조기술을 확보했다.

한국원자력연구원(원장 하재주)은 기존 대비 성능은 높이면서도 20배나 빠르게 ‘산화물 분산강화(ODS)’ 합금을 만들 수 있는 신기술을 세계 최초로 개발했다고 5일 밝혔다. 이 기술은 원천성을 인정받아 현재 국내를 포함하여 미국, 일본, 유럽(프랑스)에 특허 등록을 완료한 상태다.

산화물 분산강화 소재는 내열이 필요한 모든 금속 재료에 고온에 강한 산화물을 섞어 만든 합금이다. 고온에서 잘 견딜 수 있는 비행기 엔진, 원자로 부품, 가스 터빈, 미사일 노즐 등 국방, 에너지, 항공우주 산업 등에서 핵심 부품으로 광범위하게 사용되고 있다. 그러나 기존 산화물 분산강화 기술은 금속과 산화물을 파우더 형태로 만들어 혼합한 후 추가적인 복잡한 공정을 거쳐 만들기 때문에 많은 시간과 비용이 소요됐다.

이에 원자력연구원은 최종 제품을 만든 후, 제품 금속 표면에 산화물 입자를 도포하고 3D프린터의 레이저 열원으로 금속을 녹이면서 동시에 산화물 입자를 혼합, 냉각하여 금속 내부에 내열층을 만들어내는 방식의 신기술을 개발했다.

산화물 입자를 금속 내부에 고루 분포시키면서 가공 시간과 비용을 기존 기술 대비 1/20로 단축할 뿐 아니라, 사용자가 원하는 특정 부분만 강화할 수 있어 혁신적이다.

‘3D 레이저 프린팅 기반 산화물 분산강화 기술’을 적용해 제작한 핵연료 피복관은 1,200℃의 고온에서도 거의 변형되지 않는다. 이에 원전사고 발생시 수소 발생을 크게 억제하여 후쿠시마 사고와 같은 심각한 사고로 진행되지 않게 할 수 있어 사고시 핵연료의 안전성을 5배 정도 강화할 수 있을 것으로 평가된다.

‘산화물 분산강화’ 합금을 포함한 내열 금속 시장은 산업 고도화에 따라 지속적으로 확대되고 있는 상황으로, 핵연료 피복관 시장만으로도 국내 연 500억원, 세계시장 연 1조원 규모로 파악된다. 원자력연구원은 본 기술을 적용한 사고저항성 피복관 개발과 함께, 기타 산업 전반에 확장 적용할 수 있도록 기술을 고도화할 예정이다.

하재주 원자력연구원 원장은 “산화물 분산 강화 소재는 미국, 일본 등에서 활발하게 연구되고 있는 고부가가치 소재로, 국방, 항공우주 등 다양한 첨단 산업에 활용될 수 있을 것”이라며, “이 기술이 활용되면 우리나라의 관련 산업 발전에 획기적인 전환점이 될 것으로 기대한다”고 밝혔다.