한국재료연구원이 발행한 ‘소재기술백서’는 해당분야 전문가가 참여해 소재 정보를 체계적으로 정리한 국내 유일의 소재기술백서다. 지난 2009년부터 시작해 총 13번째 발간된 이번 백서의 주제는 ‘극한환경 소재’다. 우주·항공, 에너지, 탄소중립 등 미래 유망분야의 극한환경(초고온, 극저온, 초고압, 고부식 등)에서 사용하는 극한소재에 대한 수요와 중요성이 증가하고 있다. 극한소재는 대다수 수출통제품목으로, 소수의 국가 및 기업이 독점하는 상황이라 국가 간 경제보복, 패권경쟁의 수단으로 이용될 가능성이 높다. 이에 소재기술백서 2021은 소재연구 분야의 새로운 혁신을 가져다 줄 ‘극한환경 소재기술’을 주제로 초고온 환경용 소재, 극저온 환경용 소재, 특정극한 환경용 소재와 관련된 기술동향을 분석했다. 이에 본지는 재료연구원과 공동기획으로 ‘소재기술백서 2021’를 연재한다.

초기 석출 강화형 Co-Al-W 합금계가 보고된 이후 L12 구조를 안정화시킬 수 있는 다른 합금계에 대한 탐색이 있었다. 국내에서는 한국과학기술원(KAIST)에서 독일 막스 플랑크(Max-Planck) 연구소 등과 공동으로 Co₃Ti 석출물을 주 강화상으로 할 수 있는 Co-Ti 합금계에 대한 연구를 진행하였다. Co-Ti 이원계에 Mo, Cr, Nb, Ta, V, Al, Re의 합금 원소에 따른 Co₃Ti 상의 안정화 거동과 격자 부정합 제어를 통한 형상 제어, Co₃Ti 상 분율 향상을 연구하여 Co-Ti-Ta계, Co-Ti-Mo계 합금을 개발하였는데, 이 중 Co-12Ti-4Mo 합금계는 Co₃Ti 상분율을 65% 이상 나타낼 수 있고, 기존 Co-Al-W 합금계보다 향상된 고온 강도를 나타낸다고 보고하였다. 이외에도 밀도 함수 이론(density functional theory)으로 적층결함에너지(stacking fault energy)와 역위상 경계 에너지를 계산하여 변형 기구 규명에 활용하고 있다. 그러나 석출 강화형 Co기 초내열합금에 대한 국내 연구는 일부 대학에서만 수행되고 있고 학술적인 분야에 연구가 집중되고 있어, 향후 응용 기술과 실용화 기술 개발을 위해 출연연, 산업계 등 유관 기관으로 연구가 확장될 필요가 있다.

석출 강화형 Co기 초내열합금은 도호쿠대학교(Tohoku University)에서 처음 발견하였으며, Co-Al-W 합금계 및 Ti, Ni, Ir, Mo 등의 합금 원소 첨가에 따른 열적 안정성 향상, γ상의 융점 상승에 따른 내열성 향상에 관한 연구를 수행하였다. Co-Al-W 합금계의 높은 밀도(약 10g/cm3)를 감소시키고자, 최근에는 Co-Al-Ta 합금계를 제시하는 등 이 분야 합금 개발을 주도하고 있다. 이 밖에도 교토 대학 등 일부 대학에서 관련 연구를 수행하고 있으나, 정부 출연 연구소, 산업으로의 확장은 미진한 편이다.

중국도 베이징과기대학교(University of Science and Technology Beijing), 다롄이공대학(Dalian University of Technology), 샤먼대학교(Xiamen University), 둥베이대학교(Northeastern University China) 등 대학을 중심으로 연구가 진행되고 있으며, 주로 합금계의 상평형 또는 열역학 데이터베이스 구축, 기계 학습을 통한 합금 설계, 실험적 방법 등 기초 연구부터 공정개발까지의 연구를 수행하고 있다. 특히, USTB 등은 단결정으로 성장시킨 Co-Al-W-Ti-Ta 합금을 이용하여 온도수용성 향상과 적층결함에너지 및 역위상 경계 에너지 등 변형 기구 규명에 필요한 기초 연구를 진행하였다.

유럽에서도 영국과 독일의 일부 대학에서 계산 과학을 이용한 합금계 설계 및 크리프, 고온 산화 거동에 대한 연구를 진행하고 있다. 프랑스 ONERA는 항공우주연구실에서 주도적으로 석출 강화형 Co-Ni기 초내열합금 연구를 수행하였는데, 열역학 계산에 의한 상평형, L12 석출상의 석출 속도 및 시효 열처리 개발 등의 연구를 보고하였다.

국내에서는 금속-실리사이드 합금에 대한 연구가 아직 초기 단계이며, 주로 연구소나 대학을 중심으로 일부 요소기술들이 개발되었다. 국방과학연구소에서는 초고온 추진기관 부품에 적용하기 위해 Nb 및 Mo기 실리사이드 합금에 대한 연구를 수행하였으며, 합금 개발과 더불어 성분계에 따른 초고온 물성 변화에 대한 연구를 수행하였다. 한양대학교에서는 고온 환원반응을 이용한 Mo기 내열합금 분말 제조 및 소결 공정에 대한 연구를 수행하였으며, 한밭대학교에서는 팩 세멘테이션(pack cementation) 기법을 이용한 초고온용 실리사이드 코팅에 대한 연구를 수행하였다. 서울대학교에서는 열역학 기반의 합금설계 기법을 통해 고인성과 고강도 특성을 동시에 확보할 수 있는 실리사이드 합금 개발 등을 수행하였다. 한국생산기술연구원에서는 실리사이드 합금의 주조 및 열처리 기술에 대한 연구를 수행하였으며, 분말야금법을 이용한 미세조직 제어 기술과 더불어 적층성형 등 차세대 공정 적용을 위한 구형 분말 제조기술에 대한 연구를 수행하였다.

미국은 오크리지국립연구소(Oak Ridge National Laboratory)와 나사제트추진연구소(NASA Jet Propulsion Laborator)를 중심으로 Nb 및 Mo기 실리사이드 합금에 대한 연구를 수행하였다. 특히 오크리지국립연구소는 터빈 에너지 효율 향상 및 탄소배출 저감을 위해 화석에너지국(Office of Fossil Energy)의 지원으로 어드밴스드 리서치 머터리얼즈(Advanced Research Materials, ARM) 프로그램을 수행하면서, 분말야금법을 이용한 고인성 Mo기 실리사이드 합금 개발하였다. 미국은 연구소와 더불어 GE와 Pratt & Whitney 등의 민수업체, 록히드마틴(Lockheed Martin)과 보잉종합방위시스템(Boeing IDS; integrated defense system) 등의 군수업체 모두 초고온용 소재의 부품화 및 적용성 평가에 대한 연구를 수행하였다.

유럽연합(EU)은 2000년대 초반부터 ULTMAT(ultra high temperature materials for turbine) 프로젝트를 통해, 가용온도 1,300℃ 확보를 위한 Nb 및 Mo기 실리사이드 합금 개발 연구를 수행하였다. 이후 HYSOP(hybride silicide-based lightweight components for turbine and energy applications)을 통해 경량 Nb기 실리사이드 합금에 대한 연구를 수행하였으며, 터빈 부품 제조를 위한 공정기술과 더불어 초고온용 실리사이드 코팅에 대한 연구를 수행하였다.

일본에서는 Mo기 실리사이드 합금의 상온 및 고온 물성 향상을 위한 미세조직 제어 및 초고온용 열차폐 코팅과 관련된 연구를 수행하였다. 최근에는 중국에서 금속-실리사이드 합금의 미세조직 제어를 통한 내산화성 개선에 대한 연구가 수행되고 있으며, 적층성형을 이용한 부품화 기술에 대한 연구도 진행되고 있다.

국내에서 초기 고엔트로피 합금에 대한 연구는 비정질 합금(bulk metallic glass) 연구자들을 중심으로 기획되었으며, 고엔트로피 합금의 제조, 미세조직 분석을 비교적 소규모 시편 단위로 진행하였다. 새로운 개념의 합금계이고 개발된 역사가 짧기 때문에 현재까지는 학술적 관점에서 연구가 진행되었으며, 서울대학교, 포항공과대학교 등의 대학과 한국재료연구원, 한국과학기술연구원 등 정부출연연구기관의 협력 하에 구조재료 및 기계부품으로의 실용화 연구가 시작되는 단계이다. 이 과정에서 AlCoCrFeNiTi 합금계 등 극저온용, 중고온용 합금계가 개발되었고, 일부 내화 금속을 포함한 합금계에 대한 기초 연구도 진행되었다. 국내에서 초고온 금속 소재로서 내화 고엔트로피 합금에 대한 연구는 KAIST에서 주로 수행하고 있고, MoNbTaTiZr 합금계, AlCrNbVMo 합금계, HfNbTaTiZr 합금계 등의 연성 향상 연구 및 합금 설계, 방전플라즈마소결(SPS, spark plasma sintering), 적층제조(AM, additive manufacturing) 등 제조 공정, 미세조직 제어 등 다양한 분야를 다루고 있다. 국내에서는 아직까지 기초 연구가 진행되고 있고 대만, 중국, 미국 등에 비해 논문, 특허 출원 수도 낮은 편이며, 내화 고엔트로피 합금의 응용 및 실용화 기술 연구도 거의 진행되지 않아 다방면에서 산-학-연의 협력이 필요한 상황이다.

대만은 고엔트로피 합금에 대한 체계적인 연구를 처음 시작한 국가로 현재까지도 지속적으로 연구를 수행하고 있다. 국립칭화대학교(NTHU, National Tsing Hua University), 국립중흥대학(NCHU, National Chung Hsing University) 등 대학을 중심으로 CALPHAD를 이용한 고엔트로피 합금 열역학 데이터베이스 구축, 합금 설계 및 물성 최적화, 확산 제어능 평가, 나노 물성 평가 등의 연구를 수행 중이며, 면심입방구조에 일부 내화 합금 원소를 첨가한 CoCrFeNiNb 합금계, CoCrFeNiMo 합금계, AlCoCrFeNiTi 합금계 등을 고온용 고엔트로피 초내열합금(high entropy superalloy)으로 명명하여 활발한 연구를 진행하고 있다.

중국은 대만에 이어 두 번째로 많은 연구기관에서 고엔트로피 합금 전반에 대해 연구가 진행된 국가이다. USTB, 화남이공대학(SCUT, South China University of Technology) 등 대학에서 저밀도 고엔트로피 합금 개발, 코팅용 TiVCrAlSi 고엔트로피 합금 개발, 변형 기구, 제조 공정 등의 연구가 진행되었고, 브리지만(Bridgeman)법을 이용한 CoCrFeNiAl 단결정 합금 개발도 수행하였다. 특히, 2010년 이후 출간된 논문의 기관은 대만의 NTHU, NCHU에 이어 USTB, 홍콩이공대학(PolyU, Hong Kong Polytechnic University), 홍콩시티대학교(CityU, City University of Hong Kong)로 조사되었고, 관련 특허도 가장 많이 출원하여 이 분야 기술 개발을 주도하고 있다.

내화 고엔트로피 합금을 처음 개발하여 많은 연구를 진행하고 있는 기관은 미국의 유이에스(UES, Inc.)이다. 미 공군 연구소와 공동으로 2010년 고융점 원소만을 사용한 체심입방구조의 내화 고엔트로피 합금을 개발한 이후, 연성과 내열성이 향상된 다수의 합금을 제시하였다. 특히, 두 기관에 겸직하고 있는 O. N. Senkov가 이 분야에 투고한 논문의 피인용 건수는 10,000건이 넘고 CALPHAD, 기계 학습법(machine learning) 등 계산 과학을 접목한 체계적인 합금 개발, 격자 변형에 대한 정량화 모델 제시 등 활발한 연구를 진행하고 있어, 이 분야에서 가장 우수한 기술력을 가진 인물로 평가된다.