재료硏 김성웅 박사 연구팀, 2025년 세계 1등 기술 선정

세계 최고 수준의 초고온 TiAl 합금 개발 쾌거

한국재료硏 김성웅 박사 연구팀이 개발한 기술이 2025년 세계 1등 기술에 선정됐다. 재료연구원 제공

한국재료연구원(KIMS, 원장 최철진) 극한재료연구소 김성웅 박사 연구팀이 개발한 '가스터빈용 950℃ 이상급 TiAl 소재 기술'이 KIMS가 주최한 내외부 심사와 공개검증 절차에서 2025년 '세계 1등 기술'로 최종 선정됐다.

'세계 1등 기술'은 KIMS가 보유한 세계 최고 수준 또는 세계 최초 원천기술을 의미한다. 세계 1등 기술 후보에 선정되기 위해선 국내외 특허 확보와 기술이전 또는 산업 활용 실적이 입증되고, 공개검증 절차 등 총 네 차례 이상의 엄격한 심사를 거쳐 최종 결정된다.

2025년 세계 1등 기술은 950℃ 초고온 환경에서도 사용할 수 있는 차세대 경량 내열 타이타늄 알루미나이드(TiAl) 합금 기술이다. 기존 TiAl 합금은 약 750~800℃ 수준에서 성능을 유지하기에 한계가 있었지만, 이번 기술은 이보다 약 150℃ 이상 끌어올린 950℃에서도 강도와 내구성을 안정적으로 유지할 수 있다는 점에서 세계 최고 수준의 내열 성능을 입증했다.

최근의 우주항공 산업 분야는 연비 향상과 탄소배출 저감을 위해 항공 엔진의 고효율·경량화 요구가 급속도로 증가되고 있는 추세다. 특히 항공 엔진과 우주발사체는 고온 환경을 견디면서도 가벼운 소재가 필수다. 현재는 니켈(Ni) 기반의 초내열합금이 주로 사용되고 있으나, 무겁고 고온에서의 한계가 있어 TiAl 합금이 이를 대체할 차세대 경량 내열 소재로 주목받고 있다. TiAl 합금은 타이타늄(Ti)과 알루미늄(Al)을 기반으로 하며, 기존의 초내열합금보다 가벼워 항공엔진 경량화에 유리하다. 하지만, 900℃ 이상의 초고온 환경에서 내부 미세조직이 쉽게 무너지면서 강도와 내구성이 급격히 떨어지는 한계가 있었다.

KIMS 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 특수 원소를 활용해 고온에서도 안정적인 층상의 미세조직을 유지할 수 있는 새로운 TiAl 합금을 개발했다. 합금에 적용된 나이오븀(Nb)과 텅스텐(W)은 고온 확산을 억제해 조직의 열적 안정성을 높이고, 규소(Si)와 탄소(C)는 계면 이동(조직 내부 경계가 움직이는 현상)과 조직 조대화(미세조직이 점차 굵고 불균일해지는 현상)를 억제해 초고온 환경에서도 미세조직이 안정적으로 유지되도록 했다.

또한 연구팀은 진공 용해 및 정밀 주조 공정을 기반으로 합금을 제조한 뒤, 단 한 번의 열처리 공정만으로 조직 내부를 균일하게 제어하는 데 성공했다. 이를 통해 950℃ 초고온 환경에서도 우수한 인장강도, 크리프 수명, 피로 특성을 동시에 확보했으며, 고온 산화 환경에서도 안정적인 보호 산화층을 형성해 우수한 내산화 특성까지 구현할 수 있었다.

이 기술은 항공기 저압터빈(LPT) 블레이드, 발전용 가스터빈 블레이드, 극초음속 비행체, 재사용 우주비행체 부품 등 초고온·경량 특성이 동시에 요구되는 미래 항공우주 분야에 폭넓게 활용될 전망이다. 특히 기존 Ni계 초내열합금을 대체할 수 있는 국내 독자 TiAl 원천기술 확보라는 점에서, 미국과 유럽이 주도하고 있는 항공우주 소재 산업의 기술 자립화에도 크게 기여할 것으로 보인다.

KIMS 김성웅 책임연구원은 "이번 기술은 항공엔진과 우주발사체 추진기관 분야에서 요구되는 초고온·경량 특성을 동시에 확보한 차세대 소재 기술"이라며, "향후 미래 항공우주 산업의 핵심 소재로 활용될 수 있을 것으로 기대한다."라고 말했다.

한편, 세계 1등 기술은 2012년부터 추진돼 현재까지 총 14개 기술이 선정됐다. KIMS는 세계 1등 기술 선정을 통해 도전적인 연구 문화를 조성하고, 창의적인 소재 원천기술 개발을 통해 미래 성장산업 창출과 산업 경쟁력 강화에 기여하고 있다.