[기계신문] 영화 속 ‘아이언맨’의 슈트 소재인 타이타늄(Titanium)은 ‘꿈의 신소재’로 불린다. 무한한 활용 가능성을 가졌지만, 제조 방법이 매우 까다롭고 비용 또한 비싸기 때문이다. 타이타늄의 꿈이 현실로 한층 더 다가오기 위해서는 난제로 남아있는 가공기술에서 해법을 찾아야만 한다.
최근 한국표준과학연구원(KRISS) 홍성구 책임연구원, 재료연구소(KIMS) 원종우 선임연구원 연구팀은 상충하는 특성인 강도와 성형성을 함께 향상시킬 수 있는 순수 타이타늄의 압연기술을 개발했다고 밝혔다.
* 압연(rolling) : 금속재료를 회전하는 롤 사이로 통과시켜 다양한 형태로 가공하는 방법
이번 기술을 통해 제작되는 순수 타이타늄 판재는 발전소, 조선 등 산업 전반에 필수적인 열교환기(heat exchanger)에 적용할 수 있으며 효율 향상 및 비용 절감을 가져올 것으로 전망된다.
합금이 아닌 순수 타이타늄은 부식에 강하고 생체 친화성이 높아 화학, 환경, 발전설비 및 생체응용 분야 등에서 대체 불가의 소재로 활용되고 있다. 순수 타이타늄을 산업에 활용하기 위해서는 압연을 통해 판재로 만든 후, 성형을 거쳐 원하는 형태로 제작해야 한다.
하지만 파괴되지 않으면서 형태 변형이 자유로운 타이타늄 판재를 얻기란 불가능에 가까웠다. 강도와 성형성은 순수 타이타늄의 순도에 따라 좌우되는데, 일반적으로 한 성질을 향상시키면 다른 하나는 저하되기 때문이다.
고순도로 제련할수록 성형성은 향상되나 소재의 강도가 낮아지기 때문에 소재를 많이 소모하여 판재를 두껍게 만들어야 한다. 반대로 불순물이 포함된 저순도 제련의 경우 강도가 향상되고 소재 소모량이 줄어 비용은 절감되나 성형성이 급격히 저하된다.
순수 타이타늄은 압연을 거치면 소재를 구성하는 결정들의 방향이 수직으로 서게 되는데, 집합조직이라고 하는 이 상태가 성형을 방해한다. 해결책으로는 압연장비 위아래 롤의 속도를 달리 하는 방법이 유일했지만, 설비 자체를 새로 구축해야 하는 등의 큰 부담이 있었다.
연구팀은 금속 소재에서 흔히 발생하는 현상인 쌍정(twin)에 주목, 쌍정을 통해 소재 결정의 방향을 제어하는 압연기술을 최초로 개발했다. 집합조직을 분산시켜 소재의 성형성을 올리는 이번 기술은 기존 압연장비에 추가적인 설치 없이 구현할 수 있다.
* 쌍정(twin) : 금속소재에서 변형시 잘 나타나는 조직 중 하나로, 특정 결정면을 기준으로 대칭 위치에 원자가 재배열되는 현상
연구팀은 이번 기술로 제조된 순수 타이타늄 판재가 강도와 성형성 면에서 크게 향상됨을 확인했다. 예를 들어 상대적으로 순도가 낮고 저렴한 ‘grade 2’ 순수 타이타늄은 기존보다 강도가 16%, 성형성이 20% 향상되었다. 이는 고순도의 ‘grade 1’을 대체할 수 있는 결과다.
KRISS 홍성구 박사는 “쌍정은 매우 일반적이고 압연을 거치면 파괴되는 탓에 지금까지 특별한 활용이 고려되지 않았다”며 “쌍정의 파괴를 막을 수 있는 이번 성과는 기본적인 현상을 활용하여 현장에서 쉽게 소재의 향상을 이뤄냈다는 데 큰 의의가 있다”고 설명했다.
KIMS 원종우 박사는 “순수 타이타늄 압연기술은 경량성, 고강도, 고성형성 및 소재절약을 모두 충족시킬 수 있다는 점에서 가치와 파급효과가 매우 크다”며 “날로 엄격해지는 환경규제에 맞춰 판형 열교환기는 물론 수많은 응용기술에 적용될 것으로 보인다”고 말했다.
한편, 이번 연구는 방위사업청 국방부-민군겸용사업 및 국가과학기술연구회 FEP융합연구단 사업의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 국제학술지 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)에 2월 14일 게재되었다.