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  • 기사등록 2021-06-16 13:56:28
  • 수정 2021-06-16 19:17:03
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우수 전기전도도·열전도율 구리 적층제조기술 주목



최근 순수구리와 구리합금의 적층제조(3D프린팅) 기술이 주목받고 있다. 일반적으로 금속적층의 경우 순수 금속은 타이타늄을 제외하고는 거의 사용하지 않는데 반해 수년전부터 구리의 적층에 대한 산업계의 관심이 증가하고 있다.

구리는 비중이 8.96으로 타이타늄이나 철보다 무거우며 강도도 높지 않다. 그런데 이 금속에 관심이 쏠리는 이유는 우수한 전기전도도와 열전도율 때문이다. 전기전도도가 향상되면 전자의 이동이 원활하여 열전도율도 따라서 함께 증가한다. 구리와 구리합금이 전기접점부품 뿐만 아니라 유도코일, 우주선 연소 챔버 및 열교환기에 널리 사용되는 이유이기도 하다.

구리를 적층제조하는 방식은 주로 레이저를 열원으로 하는 분말용융방식(PBF, Powder Bed Fusion), 에너지 직접조사(DED, Directed Energy Deposition), 초음속으로 분말을 분사하는 cold spray 방식, 접착제 분사방식(BJ, Binder Jetting) 등이 있다.


■IR 레이저 적층이 어려운 소재
분말용융방식은 적층제조의 가장 큰 장점인 형상 구현 자유도가 높은 방식으로서 개발이 활발히 진행되고 있으나 다음과 같은 기술적인 이슈가 있다.

순수 구리분말의 경우 레이저에 의한 적층이 어렵다. 그 이유는 에너지를 흡수하는 구리의 반사율이 높아 에너지 소스의 파장에 크게 영향을 받기 때문이다. 특히 구리, 은, 금, 알루미늄 등 순도가 높을 경우 에너지 흡수율이 낮은데 적외선 파장대의 IR 레이저를 사용할 경우 파장길이(wave length)가 1070nm 정도로 에너지 흡수율이 불과 2%에 불과하여 분말이 용융되기가 어렵기 때문이다.

따라서 기존의 IR 레이저를 사용할 경우 적층시 분말 표면만 일부 용융되어 강도를 확보할 수 없어 900℃ 이상에서 소결(sintering) 공정을 거친다. 또한 잔류하는 기공이 존재하여 100% IACS의 전기전도도를 갖는 순동을 적층하여도 IACS가 90% 내외로 낮아진다. 전기전도도는 소재 자체가 가지는 고유한 물성이나 내부의 산소 등 불순물과 적층 후 기공에 따라 급격히 감소한다.

따라서 이러한 점을 해결하기 위한 분말용융방식의 경우 다양한 노력이 진행되고 있고, 접착제 분사방식도 상용되고 있으나 적층 후 내부의 기공율이 높아 PBF 방식에 비해 전기전도도와 강도가 떨어진다.



▲ 순수 구리로 적층제조된 냉각 인덕터 (좌:Trumpf, 우:대건테크)


■구리 분말용융방식의 새로운 접근방법
분말용융방식 경우 전기전도도와 강도를 향상하기 위한 방법 몇가지가 제시되고 있다. 첫 번째 해결방법은 짧은 파장의 레이저를 사용하는 방법이다. 즉 레이저의 흡수율을 높이기 위해 기존 IR 레이저 보다 더 짧은 515nm 파장대의 그린 레이저를 사용하면 순수구리의 경우 에너지 흡수량은 60% 이상 향상된다.

따라서 분말간의 용융과 응고가 원활하게 진행되어 기공률도 0.5% 이하로 감소하여 전기전도도도 향상되는 결과를 나타내며 소결공정도 필요하지 않는다. 이러한 방법은 독일 트럼프(TRUMPF)와 ㈜대건테크에서 활용하고 있으나 그린 레이저의 가격이 고가인 것이 단점이다.

두 번째 방법은 0.1~0.005nm의 짧은 파장의 전자빔(EB)을 사용하는 방식으로 이 방식은 진공에서 진행되기 때문에 산소의 침입을 방지할 수 있고 적층밀도도 높아 소결공정이 필요하지 않는다. 그러나 장비가 고가이고 잔류 분말의 재사용에는 한계가 존재한다. GE Additive사의 자회사인 Arcam이 장비를 제조하고 있다.

세 번째 방법은 전기전도도를 크게 떨어뜨리지 않고 극미량의 원소를 합금화 또는 분말 표면을 코팅하여 에너지 흡수율을 높이는 방법이다. IR 레이저를 사용하더라도 에너지 흡수율을 다소 증가시킬 수 있으며 짧은 파장대의 그린 레이저를 사용하면 100% IACS 이상의 전기전도도가 확보될 수 있다. IR 레이저의 경우 1kW급의 고에너지를 사용하여 적층밀도를 향상시킬 수 있으나 소결 후 공정이 필요하며 공정 비용이 증가하는 단점이 있다.

마지막 방법은 전기전도도가 다소 떨어지더라도 Ni, Cr, Zr, Sn 등을 합금시켜 고강도의 구리합금을 용융하는 것이다. 구리 합금의 경우 에너지 흡수율이 순수구리보다 높아 열전도도는 다소 떨어지더라도 상온 및 고온강도가 요구되는 부품으로 활용할 수 있다. 이러한 합금을 응용하는 기업으로는 CuNi2SiCr, CuSn10 합금을 사용하는 SLM Solutions 등이 있다.


강도 향상 위한 PBF 방식 개발, 열교환기·우주항공 부품 적용
2029년 1,400톤 수요 증대, 韓 구리 생산 인프라 활용 나서야




▲ 주요 장비업체에서 제공하는 구리 적층 소재의 전기전도도 등의 물성



■열교환기·우주항공 활용 확대
순수수리의 경우는 유도 코일과 열교환기에 응용된다. 유도 코일은 전자기장을 발생시켜 전자기 유도현상을 통해 발생되는 열을 냉각시켜주는 것이 중요하다. 기존 공법은 구리 파이프 등을 변형 후 용접하여 최종제품을 제조한다.

그러나 용접 열영향부에서의 균열이 발생하여 수명 단축 또는 갑작스러운 파손에 의해 문제가 발생되었으나 적층제조로 제조하게 되면 수명연장, 부품의 통합화가 가능하다.

구리합금의 경우는 고온에서의 강도가 유지가 되는 합금을 사용하여 고열이 발생하더라도 냉각기능을 유지할수 있는 각종 연소기 챔버 등의 로켓 등 우주항공 부품에 이미 활용되고 있다.



▲ 구리합금으로 적층제조된 로켓 연소 챔버(출처:3T Additive Manufacturing)

■韓 구리 생산 인프라 활용·지원 나서야
시장조사기관인 SmarTech에 따르면 적층제조용 구리와 구리합금 분말시장은 매년 가파른 시장증가율을 보여 2029년까지 1,400톤의 수요가 있을 것으로 예상하고 있다. 주요 사용처는 산업용장비(유도 코일 등), 우주항공 분야(연소기 및 열전달부품 등), 기타 서비스 시장이 3/4 이상 차지할 것으로 예상하고 있다.

특히 우리나라는 구리를 제련하는 업체도 있고, 구리를 응용한 용해 및 주조업체와 풍산홀딩스와 ㈜창성 등 분말제조업체가 다수 있다.

따라서 산소농도가 낮은 ‘무산소동 분말’ 개발 및 ‘고강도 고열전도를 가지는 동합금 분말개발’이 진행돼 대한민국이 ‘구리 적층강국’으로 자리매김하는데 적합한 인프라를 보유하고 있어 이에 대한 육성 정책이 필요할 것으로 판단된다.


* 외부 기고문은 본지의 편집방향과 일치하지 않을 수도 있습니다. 

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