▲ KRISS 극한측정연구팀이 정전기 공중부양장치를 이용해 내열금속의 초고온 열물성을 측정하고 있다 (左부터 이주현 책임연구원, 조용찬 선임연구원)

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민)이 3,000K 이상의 초고온 환경에서 내열소재의 열물성을 정밀측정할 수 있는 기술을 개발했다.

K(켈빈)은 온도의 단위로 3,000K은 섭씨 2,727도에 해당한다. 통상 제철소의 용광로 온도는 약 1,773K며, 태양의 표면 온도는 약 6,000K다.

6월 21일 발사에 성공한 누리호는 3,773K에 달하는 초고온 연소가스를 배출해 추진력을 얻었다. 냉각장치를 고려해도 발사체에 사용되는 합금소재는 3,000K 이상의 초고온을 견뎌야 한다.

우주 발사체나 항공기 엔진, 핵융합로 등의 극한환경에서는 녹는점이 높은 티타늄, 텅스텐 등의 내열금속소재가 주로 사용된다. 작동 온도가 높을수록 효율이 향상되나, 금속은 고온에서 부피가 팽창하므로 안정적인 설계를 위해서는 소재가 열에 반응하는 성질인 열물성을 정확히 파악해야 한다.

상용 열물성 측정장치는 시료에 직접 접촉하는 방식으로, 측정 가능한 최고온도가 2,000K 수준이다. 그보다 높은 온도의 시료는 비접촉식으로 측정해야 정확한 값을 얻을 수 있어 정전기를 통한 공중부양장치를 사용한다. 이 장치는 우리나라 외에 미국, 독일, 중국, 일본 등 항공우주분야 강국들만 보유한 장치다.

지금까지 정전기 공중부양장치를 통한 열물성 측정은 2,000K 이하의 온도에서는 비교적 일관된 값을 보였으나, 그 이상의 온도에서는 산포도가 커 측정결과를 신뢰하기 어려웠다.

KRISS 극한측정연구팀은 3,000K 이상에서 열물성 측정값의 불확도를 제시해 기존 연구결과들의 불일치 원인을 규명하고, 정밀하고 신뢰할 수 있는 측정기법을 개발했다. 3,000K 이상의 열물성 측정에서 관련 불확도를 정밀 분석한 사례는 이번이 세계 최초다.

연구팀은 정전기 공중부양장치로 내열소재인 니오븀, 몰리브덴늄, 탄탈륨 금속시료를 공중에 띄우고, 고출력 레이저로 시료를 녹여 3,000K 이상에서 액체 밀도와 열팽창률을 정밀하게 반복 측정하는 데 성공했다.

이번 연구성과는 우주 발사체, 항공기 엔진, 핵융합로 가스 터빈 등에 쓰이는 합금소재뿐 아니라 금속 3D 프린팅 공정의 설계에서도 안전성과 효율성을 높이기 위한 기준 물성 값을 제공할 전망이다.

KRISS 이근우 책임연구원은 “우주·항공·국방 등 핵심전략기술은 해외에서 수입이 쉽지 않아 국가 차원에서 독자적인 기술 확보가 필요하다”며 “이번 성과는 국내 극한산업의 수준을 한층 끌어올릴 돌파구가 될 것”이라고 밝혔다.

향후 KRISS는 열물성 측정연구를 4,000K 이상까지 지속해, 이를 바탕으로 극한환경에 활용될 여러 종류의 초고온 내열소재 개발에 도전할 예정이다.

한편, KRISS 주요사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구의 성과는 측정표준 분야의 세계적인 학술지인 메트롤로지아(Metrologia, IF: 3.157)에 6월 온라인 게재 승인됐다.