로켓 추진체 고체연료 및 브레이징 용접 분야의 알루미늄 분말소재 국산화에 큰 파급효과 기대

재료연구소(소장 김해두, KIMS) 분말/세라믹연구본부 김경태 박사(사진) 연구팀은 기존 알루미늄 분말 소재와 비교해 산소와의 반응성이 2배 이상 높으면서도 취급 안정성을 확보한 극미세 알루미늄 분말 표면처리 기술을 국내 최초로 개발하는데 성공했다.

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

알루미늄 분말 표면에 자연 산화막 대신 코팅된 유기물 층은 비교적 낮은 온도의 열로도 쉽게 제거가 가능하다. 따라서 고체연료 등 고에너지 발생 산업에서 알루미늄 분말의 높은 산화반응성을 효율적으로 발현시킬 수 있다.

또한 유기물 층은 외부 산소와의 직접 접촉을 방지해 상온과 상압 환경에서 알루미늄을 보다 안전하게 취급하는데 큰 역할을 한다.

순수한 알루미늄은 산소와 결합할 때 다른 금속 소재에 비해 산화반응의 속도가 빠르고 생성되는 열에너지의 양이 매우 많다. 미국, 러시아 등 선진국들은 알루미늄 분말의 격렬한 산화반응을 추진체, 화약, 용접용 소재 등의 목적으로 항공, 우주, 민수(民需) 및 국방용 소재에 널리 사용하고 있다.

또한 알루미늄 소재는 높은 전기전도도로 인해 태양전지의 전극소재로 사용되고 있으며 구조용 분말 경량 알루미늄 합금소재의 원료로도 활용되고 있다.

알루미늄 분말의 뛰어난 물성은 표면에 형성된 매우 치밀하고 단단한 나노미터 두께의 자연 산화막이 제거될 때 비로소 온전히 발휘될 수 있다. 비록 자연 산화막이 알루미늄 분말로 하여금 외부 산소와 바로 반응하는 것을 방지하여 대기 중 상온과 상압 환경에서 분말을 안전하게 취급할 수 있도록 하는 고마운 존재이지만, 동시에 알루미늄의 고유 물성 발현을 방해하는 장애물이기도 하다.

따라서 알루미늄 고유의 우수한 산화반응성과 전도도 등의 특성을 원하는 만큼 구현하기 위해서는 표면의 산화막을 제거해야 하는데, 이 때 적어도 섭씨 1,000도 이상의 높은 열이 필요하다. 더불어 산화막을 제거하는 과정에서 순수한 알루미늄이 대기 중에서 바로 드러날 경우 발생하는 폭발적인 반응 문제는 알루미늄 분말을 활용하는 산업계의 골칫거리이기도 하다.

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

▲개발된 에너제틱 알루미늄 분말의 개요도

본 기술로 코팅된 알루미늄 분말은 섭씨 250도 이하의 온도에서 표면 유기물이 쉽게 제거되며, 이로 인해 산화막이 존재하는 동일한 크기의 알루미늄 소재에 비해 적어도 2배 이상 빠르고 지속적인 산화반응을 얻을 수 있었다.

또한 본 기술은 종래의 도금공정기술을 기반으로 하고 있어 제조 관련 설비 구축이 용이해 양산이 손쉬운 장점이 있다.

본 기술은 알루미늄 분말의 고유 물성 중 하나인 격렬한 산화반응성을 효과적으로 발현시킬 수 있는 분야에 적극적인 활용을 기대할 수 있다.

인공위성 발사체용 로켓의 고체연료 소재, 브레이징 용접 시 원료소재 등에 바로 적용 가능하며, 유기물 바인더와 혼합 기술이 더해질 경우 태양전지를 포함한 각종 전자소자의 고전도성 금속 페이스트용 원료 소재로도 활용할 수 있다.

순수 알루미늄 분말 시장의 규모는 세계적으로 약 2억 불에 달하는 것으로 예상된다. 일부 미세한 크기의 알루미늄 분말은 전략 품목으로 지정되어 수입이 금지되어 있기도 하다. 따라서 본 기술의 개발을 통해 기존 알루미늄 분말 제조 기술을 넘어서 국산 알루미늄 분말의 고부가가치화와 수입 분말의 대체가 가능할 것으로 전망된다.

연구책임자인 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.

연구팀은 본 기술에 대해 특허권을 확보함과 동시에 연구결과를 과학 및 공학 분야 저명 학술지인 네이처 자매지, 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)에 지난 7월 5일 온라인 게재했다.

한편, 본 연구는 한국연구재단 민군기술협력원천기술개발사업 ‘멀티스케일 에너제틱스 연구단’, 글로벌 프런티어사업 ‘파동에너지극한제어연구단’과 재료연구소 주요사업의 지원으로 수행되었다.

-출처: 뿌리뉴스