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극한 환경용 내열재료

2004. 11

목 차

제1장 서 론 ·······················································································1

제2장 기술개발동향 ········································································4

1. 기술의 개요 및 연구개발 동향 ················································ 4가. 제1세대 단결정 합금 ··············································································6

나. 제2세대 단결정 합금 ··············································································9

다. 제3세대 단결정 합금 ············································································11

라. 제4세대 및 제5세대 단결정 합금 ························································14

마. 초내열합금 대체재료 ············································································16

바. PGM기 초내열합금 ···············································································20

2. 국내연구사례 ········································································· 22

제3장 기술특성분석 ······································································27

1. 국내외 기술수준비교 분석 ····················································· 27

2. 기술경쟁력분석(SWOT 분석) ················································ 30

3. 파급효과 ·················································································· 33

4. 최신 방법 소개 ······································································· 34

제4장 결론 및 전망 ······································································37

∙참고문헌 ·····················································································40

1

극한 환경용 내열재료

제1장 서 론

전세계적으로 사용되는 구조재료 중에서 가장 가혹한 환경에 노

출되어 있는 재료 중의 하나는 제트엔진의 터빈블레이드이다. 용융

온도의 약 85%에 해당하는 고온에서(일반적으로 1,000℃ 이상)

6∼8만rpm의 고속회전에 의한 원심력 하중을 견디며 연소실에서

뿜어져 나오는 강한 산화성 분위기에 노출되기 때문에 보통의 구조

재료는 이러한 환경에서 장시간 견디기 어렵다[1]. 더욱이 엔진의

추력과 효율이 모두 터빈입구온도(Turbine Inlet Temperature :

TIT) 에 직결되기 때문에 터빈블레이드의 사용온도 상승이 끊임없

이 요구되고 있는 실정이다.

이러한 관점에서 현재 운용되고 있는 항공기의 주력 터빈블레이

드 재료인 Ni기 초내열합금만 하더라도 이미 극한 환경용 내열재

료라고 볼 수 있다. 하지만 본 연구에서는 이보다 한 단계 발전하

여 미래형 초음속 민항기 혹은 전투기 등에 적용될 온도수용성이

비약적으로 높은 터빈 블레이드용 재료를 극한 환경용 내열재료로

2 내열합금의 개발동향

분류하고자 한다. 차세대 민항기인 Airbus A380 및 Boeing 7E7에

적용될 고출력 엔진재료가 그 예라고 볼 수 있으며 일본에서는 제4

세대 단결정 합금을 적용하여 일 해군기 적용을 목표로 초음속엔진

프로젝트를 수행하고 있다. 이와 같이 이미 선진 각국에서는 미래

형 내열합금을 Ultrahigh-temperature materials 라고 명명하여 연

구역량을 집중하고 있다[2-4].

극한 환경용 내열재료에 분류될 수 있는 구체적인 재료군에 대해

서는 그 범위가 모호한 점이 있지만, 분명한 것은 미래 수십 년이

지난 시점에서도 Ni기 초내열합금이 완전히 배제된 항공기 엔진은

가능성이 없을 것이란 점이다. 따라서 현재 제4세대까지 개발되고

있는 단결정 초내열합금은 미래형 극한환경용 내열재료의 유력한

첫 번째 후보가 될 수 있다. 다음 후보로는 내화성 금속, 세라믹, γ

-TiAl, NiAl 금속간 화합물, 백금족 금속간 화합물, Nb Silicide,

Mo Silicide, 백금족 금속기 초내열합금 등 다양한 Ni기 초내열합

금 대안재료(alternative materials)를 들 수 있다[4]. <그림 1-1>은

일본 NIMS의 HTM-21(21세기 High Temperature Materials) 프

로젝트에서 목표로 하는 극한 내열재료들을 초내열합금의 역사와

함께 나타낸 것이다. 여기서 137MPa의 응력 하에서 1,000시간의

크리프수명을 보일 수 있는 온도를 그 재료의 수용온도라 했을 때

Ni기 초내열합금으로는 1,100℃ 이상, 세라믹으로 1,500℃, 그리고

내화원소 베이스 초내열합금으로 1,800℃급의 온도 수용성을 기대

하며 이들 세 부류의 재료들은 매우 중요하면서도 유망한 차세대

극한 환경용 내열재료로 기대를 모으고 있다.

극한 환경용 내열재료 3

Ultrahigh-temperature materials에 대한 연구의 주요 목적은 현

재의 Ni기 초내열합금의 온도수용성을 극복하기 위한 것이지만, 제

트엔진에서 성공적으로 적용되고 있는 대안재료가 없는 것도 현 상

황이다. 단결정 Ni기 초내열합금은 기존의 재료와 미래의 재료사이

에 훌륭한 완충역할 혹은 과도기의 역할을 맡고 있으며 미래에도

중요한 극한환경 내열재료의 역할을 수행할 것이다(<그림 1-1>

참조). 따라서 본 연구에서는 먼저 단결정 초내열합금의 개발사를

살펴보고 세대별 기술개발 동향을 점검해 볼 것이다. 그 다음 여러

가지 대안재료들의 장단점을 검토해 보고 이들 재료의 연구개발 동

향을 소개할 예정이다. 국내의 내열재료 개발상황을 점검해 본 후

세계 각국의 요소기술 분석과 국내기술의 경쟁력 분석, 그리고 파

급효과와 새로운 기술에 대해 검토해 볼 것이다.

<그림 1-1> 고온 및 초고온재료의 개발


제2장 기술개발동향

1. 기술의 개요 및 연구개발 동향

제트엔진은 1940년을 전후하여 미국의 Frank Whittle과 독일의

Hans von Ohain에 의해 각각 독립적으로 개발되어 비행기의 동력

으로 사용되었다. 제트엔진을 위한 우수한 내열재료의 필요성은 초

창기부터 제기되었지만 처음에는 고온강도와 내식성이 좋은 기존의

재료(예를 들어 Ni-Cr 합금 등)를 단순히 선택하여 사용하는 수준

이었다. 그 이후 Ni기 초내열합금으로 대표되는 엔진용 내열합금이

엔진제작사, 소재전문회사, 전문 연구소 등에서 새로이 개발되기에

이르렀다. 보통 내열합금의 수용온도는 137∼140MPa의 응력에서

1,000시간을 견딜 수 있는 온도로 나타내는데 Ni기 초내열합금의

경우 용융온도의 약 85%까지의 수용온도를 보여준다[4].

제트엔진은 크게 압축기, 연소기, 터빈, 배기노즐 등으로 이루어

져 있다. 먼저 대량의 공기가 엔진의 입구로 유입되면 이 공기들

은 압축기를 통과하며 고압공기로 변하고 여기에 연료가 혼합되어

연소실에서 연소되면서 고온고압의 가스가 형성된다. 이 가스들은

1단 고압터빈(1st stage high pressure turbine)의 노즐 가이드베인

을 통과하며 최적의 각도와 고속으로 1단 고압터빈의 블레이드를

강타하게 된다. 이때 터빈에 유입되는 온도(TIT)가 엔진의 전체 성

능과 효율을 결정하게 되고 따라서 일반적으로 1단 고압터빈에 사

용되는 재료의 온도수용성이 엔진에 결정적인 변수가 된다. <그림


2-1>은 엔진의 각 부위에 사용되는 재료들을 색상별로 나타낸 것

으로서 온도가 가장 높은 터빈 부위에 Ni기 초내열합금이 사용됨

을 알 수 있다.

<그림 2-1> 항공기 제트엔진과 사용 재료[5]

Ni기 초내열합금은 초기에는 단조용 형태로 사용되다가 1950년

대 진공용해기술이 발전됨에 따라 합금원소 첨가의 자유도가 한층

넓어진 주조용 합금이 사용되었고 일방향응고의 공정기술이 개발

됨에 따라 이러한 공정에 적합한 DS(Directionally Solidified)합금,

단결정 합금들이 개발되기에 이르렀다[6]. 다결정 초내열합금과 구

분되는 단결정 초내열합금의 조성상 특징은 먼저 입계강화원소인

C, B, Zr 등의 첨가를 억제했다는 점이다. 또한 단결정합금의 기계


적 특성을 최적화하기 위해 W, Ta, Mo 와 같은 내화 합금원소를

다량으로 첨가하였다. 하지만 단결정 합금개발에 있어서 가장 중요

한 첨가원소는 무엇보다도 Re이다. 합금의 온도수용성을 획기적으

로 향상시키기 위해서 초고가인 Re을 첨가하였는데 이는 합금의

원소재비, 밀도, 상 안정성 등의 희생 하에서 이루어진 것이므로 그

의미가 더욱 크다고 볼 수 있다[7]. 일반적으로 단결정 합금은 Re이

첨가되지 않은 제1세대 단결정 합금, Re이 약 3wt% 첨가된 제2세

대 단결정 합금, Re이 약 6wt% 첨가된 제3세대 단결정 합금 등으

로 분류된다. 가장 최근의 합금개발에서는 백금족 원소(Platinium

Group Metals : Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt)인 Ruthenium 과 Iridium

등을 첨가하고 있는데 이러한 경우를 제4세대 단결정 합금이라고

한다.

가. 제1세대 단결정 합금

<표 2-1>에서 볼 수 있듯이 제1세대 Ni기 초내열합금의 주요 합

금 원소는 Cr, Co, Mo, W, Al, Ti, Ta 등이다. 이들 원소 중에서

Cr, Co, Mo 등은 FCC γ 기지에 분배되어 주로 고용강화의 역할

을 하며, 특히 Cr은 Cr2O3 산화막의 형성을 촉진시켜 고온내식성에

결정적인 역할을 한다. 이 합금들은 Ni3Al구조(L12)의 γ'을 약 60%

이상 포함하는데 표준열처리를 거친 단결정 합금의 미세구조는 일

반적으로 입방형의 γ'이 γ모상에 3차원적으로 배열된 모습이다

(<그림 2-2> 참조).


<표 2-1> 제1세대 Ni기 초내열합금의 화학 조성(wt%)

Alloy Cr Co Mo W Al Ti Ta Nb V HfDensity (g/㎤)

CountryCompany

or Institute

Nasair 100 9 - 1 10.5 5.75 1.2 3.3 - - - 8.54 미국 C-M*

CMSX-2 8 4.6 0.6 8 5.6 1 6 - - - 8.6 미국 C-M

CMSX-3 8 4.6 0.6 8 5.6 1 6 - - 0.1 8.6 미국 C-M

CMSX-6 9.8 5 3 - 4.8 4.7 2 - - 0.1 7.98 미국 C-M

PWA 1480 10 5 - 4 5 1.5 12 - - - 8.7 미국 P&W**

SRR 99 8 5 - 10 5.5 2.2 3 - - - 8.56 영국 RR†

RR 2000 10 15 3 - 5.5 4 - - 1 - 7.87 영국 RR

Rene N4 9 8 2 6 3.7 4.2 4 0.5 - - 8.56 미국 GE‡

AM1 7.8 6.5 2 5.7 5.2 1.1 7.9 - - - 8.60 프랑스 ONERA✡

AM3 8 5.5 2.25 5 6 2 3.5 - - - 8.25 프랑스 ONERA

*C-M : Cannon-Muskegon Co.**P&W : Pratt & Whitney†RR : Rolls-Royce plc.‡GE : General Electric Aircraft Engines✡ONERA : Office National d'Etudes et de Recherches Aérospatiales

Ti, Ta, Nb, V는 Ni3Al 자리에서 Al을 치환해 들어감에 따라 γ'상

을 강화시킨다. 주요 γ' 형성원소인 Al은 Al2O3의 산화막을 형성해

더 이상의 산화진전을 방지하는 중요한 역할도 함께 수행한다[7]. 단

결정 블레이드용 초내열합금은 기존의 초내열합금에서 입계강화의

목적으로 첨가되었던 C, B, Zr, Hf의 원소들을 포함하지 않는다. 예

를 들어 NASAIR 100은 Mar-M 247에서 입계강화원소를 제거함에

의해 개발된 합금이다[8]. 그 결과 합금의 초기용융온도(incipient

melting temperature)는 1,240℃에서 1,330℃로 높아졌고 이에 따라


보다 높은 온도에서 용체화처리가 가능해져 주조상태에서 형성되었

던 조대한 γ'을 고상확산을 통해 완전히 제거시킬 수 있었다. 이는

크리프강도의 측면에서 보았을 때 약 58℃의 온도수용성 향상을 초

래하는 것이었다[8].

그 이후 엔진제작회사, 합금전문회사, 연구기관 등에 의해 <표

2-1>과 같이 다양한 조성의 단결정 합금들이 개발되는데, 터빈블

레이드 파손의 주요한 기구가 크리프이기 때문에 항상 크리프강도

를 가장 중요한 설계목표로 염두에 두고 합금개발이 진행되었다.

W, Mo, Ta과 같은 원소들은 초내열합금의 체적확산속도를 현저하

게 감소시키는데, 따라서 이들 원소의 적절한 첨가에 의해 γ'석출

물의 조대화 속도도 최대한 낮출 수 있고 전위의 climb, 크로스슬

립과 같이 확산에 의해 제어되는 크리프 메커니즘도 억제할 수 있

었다. 또한 이들 원소들은 Ni, Al에 비해 상대적으로 원자반경이 크

기 때문에 효과적인 고용강화작용을 한다[7].

대표적인 단결정 합금으로는 Cannon-Muskegon에서 개발된

CMSX-2, CMSX-3[9] 그리고 저밀도 합금인 CMSX-6[10]이 있다.

주요 엔진회사에서 개발된 합금으로는 GE의 Rene N4[11], Pratt &

Whitney의 PWA1480[12], Rolls-Royce의 SRR99, RR2000[13] 등이

있다. 한편 프랑스의 ONERA, SNECMA 등이 공동개발한 AM1[14]

은 라팔전투기의 M88 엔진의 블레이드 및 베인재료로 적용되었다.


<그림 2-2> γ 모상 내 γ'의 3차원 배열

나. 제2세대 단결정 합금

일련의 단결정 초내열합금 합금개발 연구에 의해 Re을 첨가하면

단결정 합금의 크리프강도가 상당히 증가함이 발견되었다. 그 원인

은 첫째, Re이 γ'의 조대화속도를 현저하게 감소시키며, 둘째, γ-

γ'의 격자불일치(misfit)를 크게 음의 값으로 만드는 데에 기인하

는 것으로 알려졌다[15](이때까지의 연구에 의해 γ-γ'의 격자불일

치가 음의 값을 가지면 고온크리프 시 γ'의 형상이 응력축에 수직

으로 늘어나는 rafting 현상이 발생하며 이는 다시 크리프수명 연

장에 기여한다고 알려져 있었다[16]). 실제 단결정 합금에 Re을

3wt% 첨가했을 경우 약 30℃의 온도 수용성 향상을 초래했는데[17],


최초로 Re이 첨가된 이 합금들은 제2세대 단결정 합금군으로 분류

되며, 대표적인 예는 PWA1484[18], Rene N5[19], SC180[20], CMSX-

4[21], SMP14

[22] 등을 들 수 있다. 이들의 조성을 <표 2-2>에 정리

하였다.

<표 2-2> 제2세대 단결정 Ni기 초내열합금의 화학 조성(wt%)

Alloy Cr Co Mo Re W Al Ti Ta Nb HfDensity (g/cm3)

CountryCompany

or Institute

CMSX-4 6.5 9 0.6 3 6 5.6 1 6.5 - 0.1 8.7 미국 C-M

PWA 1484 5 10 2 3 6 5.6 - 8.7 - 0.1 8.95 미국 P&W

Rene N5 7 8 2 3 5 6.2 - 7 - 0.2 8.7 미국 GE

SC 180 5 10 2 3 5 5.2 1 8.5 - 0.1 8.84 미국

SMP14 4.8 8.1 1 3.9 7.6 5.4 - 7.2 1.4 - 9.02 남아공

MC2 8 5 2 - 8 5 1.5 6 - - 8.63 프랑스 ONERA

제2세대 단결정 합금의 주요 논점은 미세구조 안정성, 즉, 고온에

서 장시간 노출되었을 경우 σ, μ, P상과 같은 TCP상들의 형성 경

향이 커진다는 점이었다. TCP상의 존재는 다결정 합금인 IN100에

서 밝혀진 바와 같이 연성, 충격강도, 크리프강도 등의 기계적 특성

에 나쁜 영향을 미칠 수 있다[23]. 일반적으로 Re, Mo, W 등의 내화

원소들의 함량이 많아졌을 경우 TCP상의 석출경향이 다소 증가하

게 된다. Harris 등의 연구에 의하면 하나의 제2세대 단결정 합금에

서 적어도 3가지 TCP상(rhombohedral μ, tetragonal σ, ortho-

rhombic P)들이 공존할 수 있으며 이 상들에는 모두 Re과 Cr의 함


량이 높게 나타났다[24]. 하지만 단결정 합금에서 TCP상들이 기계

적 특성에 직접적인 영향을 미친다는 증거는 없으며, 해로운 효과

는 주로 고용강화의 역할을 하는 기지의 내화원소들을 고갈시키는

작용에 기인한다고 알려졌다.

이러한 상 안정성을 고려하여 제2세대 단결정 합금에서는 Cr의

함량을 5∼7wt% 정도로 낮추었으며, Mo의 함량도 2wt% 이하로

제한하게 되었다. Re을 포함하는 단결정 합금의 또 하나의 잠재적

문제점은 Freckle 현상이다. Freckle은 단결정 부품의 표면에 미세

한 입자들이 그룹을 지어 형성되는 것으로 단결정 부품을 불량처리

할 수 있는 심각한 주조결함으로 알려져 있다. Freckle의 형성원인

은 주조시 수지상간 영역에서 액상의 밀도가 낮아지면 액상의 유동

이 발생할 수 있는데, 이로 인해 수지상가지가 파손되어 새로운 입

자들을 핵생성 시키는 것이라고 알려져 있다. Freckle 결함의 형성

가능성은 액상의 밀도를 높여주는 Ta 원소의 함량 증가에 의해 억

제할 수 있으며, 따라서 주요한 제2세대 단결정 합금들은 모두 Ta

의 함량이 6% 이상으로 높게 설계되어 있음을 발견할 수 있다[25].

다. 제3세대 단결정 합금

보다 최근에는 Re의 함량을 6wt%까지 증가시킴으로 단결정 합

금의 온도수용성을 더욱 향상시키는 합금설계가 이루어 졌는데 이

들 합금을 제3세대 단결정 합금으로 분류한다. 전술한 바와 같이

Re은 매우 고가원소이기 때문에 3wt%의 Re 가격은 전체 합금의

원소재 가격의 절반 이상을 차지하고, 6wt%의 Re 가격은 전체 합


금의 원소재 가격의 2/3 이상을 차지한다. 그럼에도 불구하고 원소

재 가격에 매우 민감한 엔진제조사들이 제2세대 및 제3세대 단결정

합금을 개발한다는 사실은 합금의 온도수용성 향상이 얼마나 중요

한지를 역설적으로 보여주는 것이라고 할 수 있다.

대표적인 제3세대 단결정 합금들은 Cannon-Muskegon에서 개발

된 CMSX-10[26], GE의 Rene N6[27], 일본 NIMS에서 개발된

TMS75 및 TMS80 합금들[28]이 있는데 이들의 화학조성을 <표

2-3>에 정리하였다. TCP상 형성의 경향은 제3세대 합금에서 더욱

문제가 될 수 있기 때문에 Cr의 함량은 약 2∼4.2wt%로 제한시켰

다. 한편 Co 함량은 제 3세대 단결정 합금에서 논쟁의 대상이 되고

있다. Erickson은 Co가 TCP 상의 형성경향을 증가시킨다고 보고

Co의 함량을 3wt% 대로 억제시킨 반면[26], Walston 등은 상안정성

향상을 이유로 Rene N6에서 12.5wt%의 높은 Co 함량을 추천하였

다[27]. CMSX-10의 경우 1,100℃ 내외에서 장시간 노출시켰을 경우

Re의 함량이 높은 TCP상이 형성됨이 밝혀졌다[26,27].

<표 2-3> 제3세대 단결정 Ni기 초내열합금의 화학 조성(wt%)

Alloy Cr Co Mo Re W Al Ti Ta Nb HfDensity (g/cm3)

CountryCompany

or Institute

CMSX-10 2 3 0.4 6 5 5.7 0.2 8 0.1 0.03 9.05 미국 C-M

Rene N6 4.2 12.5 1.4 5.4 6 5.75 - 7.2 - 0.15 8.97 미국 GE

Alloy 5A 4.5 12.5 - 6.25 5.75 6.25 - 7 - 0.15 8.91 미국 GE

TMS-75 3 12 2 5 6 6 - 6 - 0.1 - 일본 NIMS

TMS-80 2.9 11.6 1.9 4.9 5.8 5.8 - 5.8 - 0.1 - 일본 NIMS


한편, Walston 등에 의해[29] Rene N6의 개발단계에서 새로운 형

태의 상안정성 문제가 제기되었다. Secondary Reaction Zone(SRZ)

이라고 명명된 이 불안정성은 주로 알루미나이드 코팅 확산층에서

발견되는데 이것은 γ 기지에 γ'과 P상이 판상으로 이루어진 라멜

라 colony(불연속석출과 같이)를 말한다. Re은 SRZ 형성에 가장

직접적인 영향을 미치는 원소임이 밝혀졌다[29]. SRZ의 존재는 부품

의 단면적 감소를 야기시키며, SRZ의 계면은 crack initiation site

로 작용하기 때문에 크리프파단강도에 상당한 악영향을 미친다고

알려졌다[29]. <그림 2-3>의 왼쪽은 PtAl 코팅층 아래에서 발달한

전형적인 SRZ을 보여주고 있고 <그림 2-3>의 오른쪽은 SRZ 생성

으로 인해 시편의 파단수명이 평균 이하로 급감한 그래프를 보여주

고 있다. GE에서 개발된 Rene N6는 이러한 SRZ의 영향을 감안하

여 Mo의 함량을 CMSX-10에 비해 높은 수준인 1.4wt%로 설정하

였다.

<그림 2-3> SRZ 미세조직과 크리프파단수명에 미치는 영향[29]


라. 제4세대 및 제5세대 단결정 합금

Re을 포함하는 단결정 초내열합금에 Ruthenium이나 Iridium을

첨가했을 때 TCP상의 형성경향이 감소한다는 사실이 여러 연구에

의해 발견되었다[28,30,31]. Ru 이나 Ir 등과 같이 백금족금속(Plati-

nuim Group Metals : 이하 PGM : Ir, Ru, Rh, Pd, Pt, Os 등의 원

소)가 포함된 경우 제4세대 단결정 합금으로 분류된다. PGM의 첨

가에 의해 TCP 형성경향이 감소하는 원인은 Re 의 γ/γ' 분배를

변화시켜, γ기지 내에서 Re이 풍부한 TCP상의 형성을 억제한다

는 것으로 알려졌다. 제4세대 단결정합금의 고온 크리프특성은 매

우 우수함이 밝혀졌으나 PGM이 다른 특성에 미치는 영향에 대해

서는 아직까지 연구가 계속되고 있다.

Yokokawa 등은[32] 일본의 대표적 제3세대 합금인 TMS-75에 Ir,

Ru, Rh, Pd, Pt 등의 PGM을 체계적으로 첨가하며 이들 원소가 γ

와 γ'에 어떻게 분배되는지에 대한 연구를 수행했는데, 그들의 결

과에 의하면 Ru은 γ기지에 우선적으로 분배되고, Rh, Pd, Pt 등은

γ'에 우선적으로 분배되며 Ir은 γ/γ' 두 상에 거의 고르게 분배되

는 것으로 나타났다. 프랑스 ONERA의 Caron 은[33] Re과 Ru의 함

량을 변화시키며 제4세대 단결정 합금 개발 연구를 수행하여

MC-NG(Mono Cristal - Nouvelle Generation)이라는 우수한 특성

의 합금을 발표하였다. 그들의 결과에 의하면 MC-NG의 크리프특

성은 대표적인 제3세대 단결정 합금인 CMSX-10과 ReneN6와 거의

동등하며 TCP 형성에 대한 상안정성은 매우 뛰어남을 보여주었다.

한편 일본 NIMS의 Harada 그룹에서는 제4세대 단결정 합금인


TMS-138의 Ru 함량을 6 wt%로 높여 온도수용성을 한층 높인

TMS-162 합금을 개발했는데 이 합금을 제5세대 단결정 합금으로

분류하고 있다[34]. 이들은 합금의 격자불일치를 더욱 음의 값을 갖도

록 하기 위해 Mo의 함량을 2.9에서 3.9wt%로 높였으며 Ru의 함량

을 증가시킴에 의해 TCP상 형성에 대한 안정성을 향상시켰다. 또한

TEM 작업을 통해 γ/γ' 계면에 형성된 전위 네트워크가 이전보다

훨씬 미세하고 규칙적으로 발달했음을 확인하였다. <그림 2-4>는

TMS-138과 TMS-162의 1,100℃/137MPa 조건에서의 크리프곡선을

CMSX-10과 비교한 것인데, TMS-162의 온도수용성은 TMS-138의

온도수용성인 1,083℃ 보다 약 20℃ 높아져서 HTM-21 프로젝트의

초내열합금 목표값인 1,100℃를 넘어섰음을 볼 수 있다. 대표적인 제

4세대 단결정 합금인 MC-NG와 TMS-138 그리고 제5세대 단결정

합금인 TMS-162의 조성을 <표 2-4>에 정리하였다.

<그림 2-4> 1,100℃, 137MPa 조건에서 CMSX-10, TMS-138 및

TMS-162의 크리프곡선[29]


<표 2-4> 제4세대(MC-NG, TMS-138)와 제5세대(TMS-162) 단결정

Ni기 초내열합금의 화학 조성(wt%)

Alloy Cr Co Mo Re W Al Ti Ta Nb Hf Ru CountryCompany

or Institute

MC-NG 4 - 1 4 5 6 0.5 5 - 0.1 4 프랑스 ONERA

TMS-138 2.4 5.9 2.9 5 5.1 5.8 - 5.6 - 0.05 1.9 일본 NIMS

TMS-162 2.9 5.8 3.9 4.9 5.8 5.8 - 5.6 - 0.09 6.0 일본 NIMS

마. 초내열합금 대체재료

차세대 항공기 제트엔진의 극한환경 내열재료로 고려할 수 있는

재료는 내화금속 베이스 합금, 금속간 화합물, 세라믹, PGM기 초

내열합금 등이다.

W, Mo 등 대부분의 내화금속들은 고온강도가 우수하지만 내산

화성에 문제점이 있고 Ni기 합금보다 밀도가 현저하게 높기 때문

에 대체 재료로서 커다란 매력이 없는 상황이다. 반면 Cr 합금은

질소취성 등 해결해야 할 문제가 있지만 Ni에 비해 저밀도라는 장

점이 있기 때문에 Ni기 합금의 대체 재료로서 많은 기대를 모으고

있다. 일본 NIMS의 Ro 등은[35] Cr-Re 및 Cr-W 2원계 합금에 대

한 연구를 통해 이들 합금이 기존의 Ni기 합금을 대체할 수 있을

가능성을 타진하였다. 이들의 결과에 의하면 Cr기 합금들은 Ni기

합금에 비해 더욱 우수한 상온연성과 압축강도, 그리고 내산화성을

보여주었다(<그림 2-5> 참조).

제트엔진의 적용을 심각하게 고려해 온 금속간 화합물은 주로 3


가지 범주로 분류되는데 첫째, γ-TiAl, 둘째, NiAl, 그리고 셋째,

PGM 금속간 화합물이다. 먼저 TiAl 은 여러 가지 공학적 관점에

서 가장 가능성 있는 대체 엔진재료로 고려되고 있지만 용융온도가

1,500℃로 비교적 낮기 때문에 극한환경 내열재료 블레이드로서의

응용보다는 저압터빈과 베인재료로서의 응용에 제한되고 있다.

1993년 TiAl을 저압블레이드로 적용한 엔진테스트에서 성공적인

결과를 보여준 것을 비롯해 약 20년간의 지속적인 연구개발[36-38]에

도 불구하고 상용 제트엔진에서는 아직 이 재료가 사용되지 않고

있다. TiAl이 안고 있는 문제점은 낮은 상온연성(1∼2%), 낮은 파

괴인성, 피로수명의 높은 응력 민감도, 그리고 높은 제조비용 등을

들 수 있다.

<그림 2-5> 온도에 따른 Cr기 합금과 Ni기 합금의 0.2% 항복강도[35]


NiAl은 높은 용융온도 (약 1,650℃), 훌륭한 열전도도, 낮은 밀도,

내산화성 등 제트엔진 응용을 위한 다수의 매력을 갖고 있다. Ta,

Cr과 같은 원소를 합금원소로 첨가함에 의해 1,000℃ 이상의 고온

에서 좋은 기계적 특성을 달성할 수 있었다. NiAl 금속간 화합물을

적용한 핵심부품들은 정밀주조, 분말야금, 고온압출과 같은 다양한

공정에 의해 제작될 수 있는데 NiAl을 터빈 베인에 적용한 엔진 테

스트에서도 성공적인 결과를 얻을 수 있었다. 주로 NiAl은 방향성

응고에 의해 공정(eutectic) 조직을 형성하거나 아니면 다상 다결정

체의 형태로 사용된다. 하지만 차세대 엔진에 Ni기 초내열합금의

대체 재료로서 적용되기 위해서는 상온인성과 고온 크리프강도가

더욱 향상되어야만 한다[4].

엔진용 고온 구조재료로 연구되어 온 PGM 금속간 화합물은

Ni3Al 형태(예를 들어 Pt3Al)와 NiAl 형태 (예를 들어 RuAl) 등이

있다. Ni기 초내열합금에 비교한 PGM 금속간 화합물의 장점은 높

은 용융온도(Pt3Al의 경우 약 1,500℃, RuAl의 경우 약 2,100℃), 내

산화성 등이 있으며 단점은 밀도가 높다는 것이다. 이들 재료에 대

한 연구개발은 합금원소 첨가에 의한 강도향상 및 산화물 분산강화

(Oxide-Dispersion Strengthening, ODS)에 의한 밀도감소 등의 방

향으로 이루어지고 있다[39].

Nb Silicide 복합재는 내산화성, 파괴인성, 피로저항성, 충격저항

성, 코팅특성 등에서 훌륭한 특성을 보여주고 있다. 그러나 고강도

와 내산화성을 동시에 만족시키는 조성이 아직 개발되지 않고 있기

때문에 실제 핵심부품에서 Ni기 초내열합금의 대체 재료로 사용되


기에는 추가적인 연구가 필요하다[4].

Mo-Si-B 복합재는 1,000℃ 이상의 온도에서 뛰어난 고온 크리

프강도, 고온 항복강도, 내산화성을 보여주고 있다. 이 재료의 문제

점으로는 제작성, 피로저항성, 충격저항성, 파괴인성 등의 특성이

좋지 않다는 점이며 이들 특성의 향상에 대한 연구가 필요하다.

MoSi2 단결정은 높은 용융온도(2,030℃), 상대적으로 낮은 밀도, 훌

륭한 내산화성 및 높은 열전도도로 인해 Ni기 초내열합금의 한계

를 뛰어넘을 구조재료로서 많은 주목을 받고 있다. 하지만 MoSi2

자체는 저온 파괴인성 등에 문제가 있기 때문에 합금원소 첨가에

의해 이러한 문제점들을 극복하기 위한 연구가 진행되고 있다. Inui

등은[40] MoSi2 단결정의 소성변형에 미치는 합금원소의 영향을 연

구하였는데 그들의 결과에 의하면 Al과 Nb은 MoSi2의 저온변형성

을 향상시키는 데에 효과가 있고 Re과 Nb는 고온강도를 향상시키

는데 효과적이라고 한다.

고온 세라믹 구조재료인 Si3N4는 극한환경 고온재료로 많은 관심

을 받아왔고 그 가능성에 대해 많은 연구가 수행되었다. Si3N4는 주

로 산화물 첨가제와 함께 소결로 제조되는데 이 산화물은 높은 소

결온도에서 Si3N4 기지와 반응하여 액상을 형성한다. 이 액상은 액

상소결기구에 의해 치밀화를 촉진시키며 냉각 시 입계에서 제2상

을 형성시킨다. 따라서 뛰어난 고온 기계적 특성을 가진 Si3N4를 제

조하기 위해서는 입계상 조절이 필수적이다. 첨가제로는 주로 희토

류화합물인 Yb2Si2O7 혹은 Yb4Si2O7N4 등이 많이 사용되는데 Cao

등은[42] Yb4Si2O7N4를 함유한 Si3N4의 인장크리프 특성을 연구하였


다. 그들의 결과에 의하면 1,300℃와 1,400℃의 (125∼200MPa) 인

장크리프시험에서 630시간까지의 크리프수명을 보여주었다. 여러

가지 극고온 재료들의 온도에 따른 밀도 normalized 강도를 <그림

2-6>에 나타내었다.

<그림 2-6> 각종 극고온 재료의 밀도 normalized 강도

바. PGM기 초내열합금

백금족원소(PGM)는 주기율표 8족 중에서 Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt

이 6가지의 원소를 말한다. Ni기 초내열합금에서 Re의 가격이 고가

임을 앞에서도 밝힌 바 있지만 PGM들은 그야말로 금보다 비싼 초

고가의 원소들이다. 따라서 가격측면에서 PGM이 합금원소로 첨가


된 것이 아니라 합금의 베이스로 사용되는 소재가 항공기 엔진에

범용적으로 사용될 가능성은 거의 없어 보인다. 하지만 이들의 높

은 용융온도와 특성 때문에 1,500℃에서 2,000℃사이에 사용될 극

한환경용 내열재료를 굳이 만들어야만 하는 상황이라면 이들 재료

가 가장 우수하고 가능성 있는 후보가 될 수 있음도 부인할 수 없

다. 현재 PGM기 초내열합금에 대해 가장 광범위하게 연구하고 있

는 그룹은 일본 NIMS의 Harada 그룹이며 영국 Rolls-Royce-

Cambridge팀에서도 일부의 연구가 수행되고 있다. 이들 역시 항공

기 제트엔진에 PGM기 초내열합금이 광범위하게 사용될 것이라는

기대는 하지 않고 있지만 이들 합금이 사용될 특수한 환경 (예를

들어 우주개발) 이 존재함은 항상 염두에 두고 있다.

일본 NIMS의 Yamabe 등은 용융온도가 2,443℃인 Ir에 Nb과 Ti

을 합금원소로 첨가한 Ir기 초내열합금에 대한 기초연구를 수행하

였다. Ir-15at%Nb 및 Ir-15at%Ti 합금의 경우 Ni기 초내열합금과

마찬가지로 γ-fcc 기지와 γ'-L12 석출물이 정합관계를 이루는 2

상 구조를 나타내었다. 이들 초내열합금은 1,800℃에서 매우 높은

압축강도를 나타내었는데 0.2% 항복강도가 210∼220MPa로서 W

기 내화합금에 필적할 만한 값이었다. 또한 Ir기 초내열합금은 기존

의 W 및 Nb기 내화합금에 비해서 현저하게 우수한 내산화성을 보

여주었다[43].

또한 동일한 NIMS 그룹은 Rh기 합금에 대해서도 기초연구를 수

행했는데[2], Rh-Nb, Rh-Ti, Rh-Ta 등의 합금 역시 Ni기 합금과

같은 γ-γ' 구조를 보여주었다. 1,500℃에서 Rh-15at%Nb 합금의


압축강도는 190MPa로서 W기 합금과 거의 동등한 값을 보여주었

으며 1,500℃에서의 비강도는 10MPa/g/㎤을 나타내었다. Rh의 용

융온도는 1,966℃로서 Ir 보다 낮지만 밀도는 12.4g/㎤ 로서 Ir의

22.4g/㎤ 보다 훨씬 장점을 가진다. <그림 2-7>은 Ir 합금 및 Rh

합금의 압축강도를 일부 Ni기 합금의 특성과 비교하여 나타내고

있다. 앞으로 이들 합금에 대한 인장강도 및 크리프특성에 대한 추

가 연구가 필요하지만 이들 합금은 차세대 극한 환경용 내열합금으

로써 많은 가능성을 갖고 있다고 판단된다.

한편 영국 Cambridge 대학 및 Rolls-Royce 공동연구팀은[3] Pt-

Zr, Pt-Rh-Zr 등의 합금계에서 주로 미세구조 및 상분석 연구를

수행하였는데, Ni기 초내열합금과 같이 격자불일치가 적은 fcc/L12

미세구조를 발견하였으며 L12 상은 Pt4Zr의 조성을 갖고 있음을 확

인하였다.

2. 국내연구사례

한국기계연구원(KIMM)에서는 1970년대 KIST를 중심으로 시작

되었던 합금설계 방식에 일본의 계산 설계 방법을 접목시켜 1990년

대 후반 새로운 조성의 초내열합금 개발 연구를 진행시켰다. 먼저

문헌에 발표된 회귀식과 새로운 통계학적 모델링을 바탕으로 일본

NIMS 그룹의 합금설계 프로그램과 거의 동등한 소프트웨어를 보

유하게 되었다.


<그림 2-7> Rh, Ir 및 Ni 합금의 압축강도[2]

또한 3년간에 걸친 영국 Rolls-Royce사와의 공동연구에서는 입

계 결함 수용성이 향상된 단결정 합금 개발을 통해 초내열합금 개

발의 경험과 노하우를 축적하게 되었다. 입계결함 수용성향상 단결

정 합금개발의 배경은 항공기 제트엔진의 온도수용성을 향상시키

기 위한 노력의 일환으로 노즐 가이드베인의 단결정화가 추진되고

있는데, 제조 공정 중에 불가피하게 도입되는 입계결함 때문에 베

인부품의 심각한 수율 문제가 발생한다. 이를 해결하기 위해서 한

영 공동연구에서는 입계강화원소가 첨가된 단결정 초내열합금을

개발하고자 하였다.

단결정 Ni기 초내열합금의 개발은 합금설계, 진공용해, 정밀주조,

일방향응고, 열처리 시험, 기계적 시험, 환경적 시험, 시험결과분석

및 평가 등의 일련의 과정이 포함되는 방대한 프로젝트이다. 또한

○ Ir-15at%Nb△ Ir-15at%Ti● Rh-15at%Nb▲ Rh-15at%Ti▼ Rh 15at%Ta◇ MarM247◆ Measured MarM247❚ Ni-Al-Cr, 40%Y

100

80

60

40

20

00 500 1000 1500 2000

Temperature, ℃


각 단계 하나하나가 까다로운 공정 혹은 시험이기 때문에 국내의

역량으로 단독으로 수행하기에는 경험이나 비용, 성공가능성 등의

측면에서 보았을 때 어려운 점이 많은 사업이었다. 이에 한영 공동

연구사업에서 Rolls-Royce와 공동으로 합금개발 사업을 수행하게

되었으며 이러한 공동연구를 통해 합금개발의 실제적인 측면을 물

론, 전술한 각 공정 및 시험에 대한 KIMM 의 연구역량 향상을 이

룩하였다.

구체적으로는 합금설계기법으로 단결정합금의 freckle 결함 억제

를 위한 Rolls-Royce의 경험적 기준과, 일방향응고 단결정 제작에

관한 많은 노하우를 습득하였으며 단결정시험편의 기계적 시험에

대한 Rolls-Royce의 인증을 KIMM에서 획득하였다. 한영 공동연

구사업 단결정합금개발 연구의 주요 결과로 <그림 2-8>과 같이

misorientation이 큰 고각입계에서 입계강도가 베이스합금보다 우

수한 개량 합금들을 개발하였는데 이는 입계강화원소인 C, B, Zr,

Hf 등의 함량을 최적화함에 의해 얻을 수 있었다.

또한 Rolls-Royce로부터 합금개발 재료 데이터베이스를 제공받

아 이를 데이터 모델링함에 의해 합금설계 컴퓨터 프로그램을 개선

하였는데 기존 다중회귀분석의 한계를 극복하기 위해 인공지능의

개념을 가진 Neural Network을 도입하였다. 데이터의 학습을 통해

차후의 새로운 데이터에 대한 예측능력을 향상시키는 Neural

Network 방법으로 초내열합금의 기계적 특성, 특히 단결정 크리프

파단 수명예측을 모델링하였다[44]. 이 연구에서는 overfitting, 에러

바 제시 등의 문제점을 극복하기 위해 Bayesian Neural Network


방법을 사용하였으며, 이 방법론에서 나타나는 고차원 적분문제는

Monte Carlo Method를 이용하여 해결하였다. 데이터변환, 아키텍

쳐 등의 변수 효과를 분석함에 의해 최적의 모델링이 이루어지는

시스템을 성공리에 구축하였는데 미리 보관해 둔 실험데이터로 모

델의 성능을 파악해 본 결과 약 90% 이상의 정확성을 보여주었다.

<그림 2-8> misorientation이 큰 고각입계에서 입계강도가 베이스합금보다

우수한 개량 합금의 BX stress rupture life

2 4 6 8 10 12 14 16 18 200.1

1

10

100

Creep Rupture Life for Bi Crystals

950oC/290MPa

BASE Mod A Mod B Mod C Mod D

BX

stre

ss ru

ptur

e lif

e (h

rs)

M isorientation Angle (degrees)

Rolls-Royce의 재료데이터베이스와 KIMM의 nerual network 알

고리즘으로 완성된 NNADP(Neural Network Allopy Design

Program)는 이후 업데이팅을 거치며 KIMM의 2000∼2002년 기관

고유사업 “고효율 발전설비 핵심부품 개발” 중 일부로서 단결정 합

금개발을 수행하였는데, NNADP를 이용하여 대표적인 제2세대 단


결정 합금인 CMSX-4의 크리프특성보다 우수한 제2세대 단결정

합금을 개발하였다(<그림 2-9> 참조). 이로써 세계 최초로 Neural

network 기법이 단결정 초내열합금의 개발에 실제로 유용하게 사

용될 수 있음을 입증하였고 현재는 NN 기법을 인장특성, 열역학특

성 등 다른 주요 특성의 모델링에 적용하여 보다 완성도가 높은 합

금설계 프로그램에 대한 연구가 진행 중이다. 또한 크리프 특성뿐

만 아니라 상안정성, 내산화성, 열피로 저항성 등을 함께 고려한 새

로운 단결정 합금 개발연구가 “계산재료설계에 의한 미래형 단결

정 초내열합금 개발” 이라는 제목의 기본연구로 진행 중이다.

<그림 2-9> CMSX-4과 KIMM 개발합금의 크리프특성[45]


제3장 기술특성분석

1. 국내외 기술수준비교 분석

미국의 GE는 가스터빈엔진 및 내열합금 개발의 역사상에서 항상

중심의 역할을 해왔다. 그것은 항공기 엔진 제작사의 이른바 빅

3(GE, P&W, 그리고 Rolls-Royce)와 산업용 가스터빈 제작사의 빅

3(GE, Westing House, ABB)에 GE가 모두 공통으로 포함된다는

사실로서 짐작할 수 있다. 현재 전세계의 가스터빈 및 제트엔진 시

장에서 가장 영향력이 큰 나라가 미국이며, 미국에서 가장 영향력

이 큰 업체가 GE라고 할 수 있다. 따라서 동 분야 GE의 기술력은

세계에서 최고라고 말할 수 있으며 항상 전세계의 업체 및 연구기

관의 주요 목표가 되고 있다. GE의 내열합금 연구개발은 뉴욕주

Schenectady 에 소재하는 GE R&D 센터에서 기계적 특성 및 미세

구조 조절 등의 연구가 주로 수행되고 있고 Cincinnati의 W. S.

Walston, K. S. O'Hara, E. W. Ross 등에 의해 합금개발 연구가

진행되었다. 특히 Walston은 Rene N4, Rene N5, Rene N6 등 Rene

시리즈의 GE 합금을 개발해 왔으며 제3세대 합금에서 SRZ를 발견

하는 등 현재 초내열합금 관련 분야에서 세계적으로 가장 활발하게

연구를 진행시키고 있다.

미국의 항공기 엔진 제작사 빅3 중의 다른 하나인 Pratt &

Whitney사는 제2세대 단결정 합금이 개발될 때까지만 하더라도

GE와 거의 대등한 입장에서 경쟁관계를 유지해 왔으나 최근 엔진


분야 세계시장 점유율 수축과 함께 차세대 합금개발 분야에서는 연

구개발이 위축되고 있는 분위기이다. 하지만 역사적으로 P&W는

단결정 부품제작을 위한 일방향응고의 공정에서 주도적 역할을 해

왔으며 A. D. Cetel 및 D. N. Duhl 등의 뛰어난 연구자들에 의해

우수한 단결정 합금들이(제1세대 합금 PWA 1480, 제2세대 합금

PWA 1484 등) 개발되었다.

한편 미국의 Cannon-Muskegon은 순수 소재전문회사로서 현재

Ni기 초내열합금 소재만을 고려했을 때 세계에서 가장 기술력이

뛰어나며 영향력이 큰 업체라고 할 수 있다. 특히 단결정 합금 개

발 분야에서는 K. Harris 및 G. L. Erickson의 주도 하에 제1세대

단결정 합금인 CMSX-2, CMSX-3, CMSX-6, 제2세대 단결정 합

금인 CMSX-4, 제3세대 단결정 합금인 CMSX-10 등이 개발되어

왔으며 이들은 차세대 단결정 합금 개발에서도 주도적인 역할을 하

고 있다. 현재 전세계적으로 가장 신뢰성이 높고 많이 사용되고 있

는 단결정 합금이 바로 C-M사에서 개발한 제2세대 단결정 합금

CMSX-4이다. 따라서 Ni기 초내열합금 분야에서 CMSX-4의 물성

및 특성 향상에 관한 수많은 연구들이 전세계적으로 수행되고 있으

며 새로운 합금을 개발할 때에도 많은 경우에 CMSX-4가 목표합

금으로 설정되고 있다.

영국에서는 세계 3대 항공기 엔진 제조사의 하나이며 현재 시장

점유율을 점차 증대시키고 있는 Rolls-Royce를 중심으로 핵심부품

및 합금개발의 연구가 주도되고 있다. Rolls-Royce는 2000년 기준

연매출이 45억 파운드에 달하는 등 확실한 세계 2위의 엔진 제작사

로 자리 잡고 있다. Rolls-Royce에서는 합금개발 분야에서 제1세대


단결정합금인 SRR99 및 RR2000을 비롯하여 제2세대 단결정 합금

인 RR2072, RR2086을 개발하였으며 최근에는 N. Jones 등의 주도

하에 입계강화원소가 첨가된 단결정 합금 개발, 백금족원소 베이스

초내열합금 개발의 연구가 진행되고 있다. 특히 Rolls-Royce의 Ni

기초내열합금연구는 Cambridge 대학 우수한 연구력에 의해 뒷받

침되고 있으며 Bristol 소재 CRDF(단결정주조 담당), Shefield 소

재 Ross & Catheral(모합금 제조 담당) 등과 긴밀한 협력관계를 유

지하고 있다.

프랑스의 연구기관인 ONERA(Office National d'Etudes et de

Recherches Aerospatiales)에서는 프랑스의 라팔전투기용 M88 엔

진 및 헬리콥터용 ARRIEL 2 TURBOMECA 엔진 등에 사용되는

초내열합금들을 개발해 왔다. 주로 T. Khan과 P. Caron을 중심으

로 진행된 합금개발 연구에서 제1세대 합금인 AM1, AM3, 제2세대

합금인 MC2, 그리고 차세대 합금으로 MC-NG가 개발되는 등 견

고한 기술력을 보유하고 있다.

일본에서는 H. Harada에 의해 주도되는 NIMS의 그룹이 현재 내

열합금 및 극한내열합금 분야에서 전세계적으로도 가장 활발하게

연구를 수행하는 연구팀으로 볼 수 있다. Harada 그룹은 1970년대

후반부터 최초의 계산 설계 방법인 PHACOMP를 개선하여 실험데

이터를 회귀분석한 초내열합금의 계산설계 방법을 초내열합금개발

에 적용시키고 있다. 그 결과 TMS 시리즈의 우수한 합금들을 개

발하여 실제 일본에서 제작되는 가스터빈 및 젯트엔진에 적용시키

고 있다. 또한 Cluster Variaton Method, Monte Carlo Method,

CALPHAD 등 컴퓨터 계산에 의한 방법을 Ni기 초내열합금 분야


에 적용시켰다. 최근에는 HTM-21 프로젝트를 수행하며 백금족원

소 베이스 초내열합금 등 1,500℃ 및 1,800℃급 극한내열재료 개발

을 선도하고 있다.

한국에서는 1970년대 KIST를 중심으로 시작되었던 합금설계 방

식에 일본의 계산 설계 방법을 접목시켜 1990년대 중반부터

KIMM에서는 초내열합금 개발 연구를 진행시켰다. 특히, 3년간에

걸친 영국 Rolls-Royce사와의 공동연구를 통해 초내열합금 개발의

경험과 노하우를 축적하였다. 한편 데이터 모델링 분야의 획기적인

방법으로 등장한 neural network 모델링을 활용하고 Rolls-Royce

의 풍부한 재료데이터 베이스를 공급받아 NNADP(Neural Net-

work Allopy Design Program)을 개발하였다. KIMM의 2000∼

2002 기관고유사업 “고효율 발전설비 핵심부품 개발” 중 일부로서

단결정 합금개발을 수행하였는데 이 NNADP를 이용하여 계산 설

계한 합금의 크리프 특성이 대표적인 제 2세대 단결정 합금인

CMSX-4 의 크리프 특성보다 우수함을 확인하였다. 현재 2003∼

2005 KIMM 기본연구를 통해 “계산재료설계에 의한 미래형 단결

정 초내열합금 개발” 이라는 주제로 제2세대 및 제3세대 단결정합

금의 개발을 진행시키고 있다.

2. 기술경쟁력분석(SWOT 분석)

국내 KIMM 의 내열재료 연구팀의 극한환경 내열재료 연구분야

의 강점은 첫째, 우수한 성능의 합금설계 프로그램의 보유이다.

Neural network 알고리즘을 이용하고 Rolls-Royce의 신뢰성 있는


재료물성데이터를 혼합시킨 NNADP는 NIMS의 합금설계 프로그

램보다 한 단계 진보된 것임을 인정받았고 실제 실험을 통해서 정

확성을 확인하였다. 둘째, 단결정 제작 능력이다. 수십 년간 축적

된 일방향응고 공정의 노하우와 신뢰성 있는 독일 ALD 장비로 단

결정 시험편 및 부품(20cm 이하급)을 양산수준으로 제작할 수 있

는 능력을 보유하고 있다. 셋째, 단결정을 포함한 Ni기 초내열합금

의 기계적 시험 수준은 P&W, Rolly-Royce 등의 인증을 받아 세계

일류 수준의 테스팅 시스템을 갖추고 있다. 넷째, 수십 년간의 초내

열합금 미세구조에 대한 연구로 재료의 특성에 미치는 주요 상들의

형상변화와 같은 미세구조연구가 세계 일류 수준이다.

단점은 모합금 제작 시 각 합금원소 함량의 조절능력과 미량원소

제어 능력이 선진국에 비교해 크게 떨어진다는 점이다. 따라서 현

재 미래형 단결정 합금개발 프로젝트의 경우, 모합금 제작은 외국

에 주문 제작함에 의해 해결하고 있다. 역시 이와 맞물린 문제점이

지만 제조된 합금의 화학 성분분석 능력이 선진국에 비해 많이 떨

어지고 있다. 이 또한 외주에 의해서 해결할 수 있는 부분이지만

궁극적으로는 자체적으로 이러한 기반기술을 갖추어야 할 것으로

보인다.

기회는 동 분야 연구에서 활발한 국제적인(연구인력) 네트워크를

갖추고 있다는 점이다. 특히 긴밀한 협력관계를 보유하고 있는 연

구팀들은 영국의 Rolls-Royce, 프랑스의 ONERA, 일본의 NIMS,

중국의 IMR, 미국의 Cannon-Muskegon 등을 들 수 있다. 영국

Rolls-Royce와는 1996년부터 2002년까지 내열재료에 대한 공동연


구를 실제로 수행했으며, 중국의 IMR과는 공동세미나 개최 등을

통하여 양국의 최신 연구동향을 교류하고 있다. 일본의 NIMS의 H.

Harada와는 가까운 장래에 공동연구를 수행할 것으로 합의가 되었

으며 ONERA의 T. Khan, Cannon-Muskegon의 K. Harris로부터

는 수시로 초내열합금의 핵심기술에 대해 자문을 받고 있다. 또 하

나의 기회라면, KIMM 내열재료 연구팀이 고온 초내열합금 및 핵

심부품 연구 분야에서 국내 대표적인 국내 연구팀이라는 점이다.

이때까지 국내 연구진에 의해 단편적인 내열합금 연구는 있어 왔지

만 합금설계, 단결정제작, 기계적 시험과 같이 전 과정의 시스템을

구축한 경우는 없었다고 볼 수 있다.

위협 요소는 먼저 국내시장의 취약성을 들 수 있다. 초내열합금

및 고온 핵심부품의 거의 유일한 국내시장은 한전이라고 볼 수 있

는데 그나마 이때까지는 가스터빈 및 핵심부품을 선진국에서 수입

해 사용하는 데에 국한되었고 국산화에 대한 노력이 최근에 일부

이루어지고 있는 실정이다. 둘째, 앞의 요인과 긴밀한 관계를 갖고

있지만 국내 산업체의 취약성을 들 수 있다. 국내에서 터빈블레이

드 등의 제트엔진 핵심부품을 제작하는 업체는 2∼3개 정도로 극히

제한되어 있고 단결정 부품은 현재 개발단계의 수준이다. 셋째, 합

금개발을 위한 원소재의 공급 문제이다. 현재 연구 개발용으로는

전략원소나 고가원소의 사용에 큰 제약이 없으나 자체의 특허를 가

지고 선진국에 경쟁할 수 있을 정도의 합금제작이 가능해 지면 이

러한 원소재 공급문제가 하나의 위협요인이 될 수 있다. <그림

3-1>에 이들 SWOT 분석을 차트로 나타내었다.


<그림 3-1> 극고온 재료 연구개발용 SWOT 분석 차트

3. 파급효과

제트엔진의 효율 및 성능이 터빈 입구온도에 의존하므로 극한환

경 내열재료개발에 의해 핵심부품의 온도수용성이 높아지면 보다

고성능의 가스터빈엔진이 가능해 질 것이다. 이러한 핵심소재 기술

은 산업용 가스터빈의 경우에도 그대로 적용될 수 있어서 국내 발

전산업의 획기적인 도약을 기대할 수 있다. 또한 합금개발단계에서

적용하고 있는 인공신경망 기법은 초내열합금의 제반 특성(기계적

특성, 물성 특성, 산화 특성) 뿐만 아니라 모든 소재, 모든 특성에

적용 가능한 방법이며, 공정변수를 모델링하여 공정최적화에도 적

용가능하다. 재료공학 나아가서는 공학전반에 걸쳐 무궁무진한 응

용 가능성이 있는 높은 파급효과의 접근 방법으로 볼 수 있다.

이러한 소재개발의 시스템을 보유함에 의해 원소재비용이 저렴


하면서도 동등한 특성을 가진 합금개발이 가능해지며, 고효율의 엔

진 및 가스터빈으로 연료 및 운용비용 절감효과를 기대할 수 있다.

또한 우수한 특성의 합금을 개발하여 국제특허를 취득할 경우 선진

국과 해당분야 기술적 trade off가 가능할 것으로 보인다. 국내에서

는 보령화력의 GT-24 가스터빈과 같은 발전용 가스터빈 분야에서

단결정 핵심부품이 필요한 1,500℃급 가스터빈에 국산 개발합금 적

용이 기대되고 있다.

4. 최신 방법 소개

1990년대 이전에 초내열합금의 설계에 주로 사용된 방법은

Harada에 의한 다중선형회귀분석(multiple linear regression)이었

다[46,47]. 다중선형회귀분석은 입력변수와 출력변수사이의 특정한 비

선형 함수관계를 모를 때 가장 손쉽게 이들의 상관관계를 찾아낼

수 있는 방법이다. 하지만 다중선형회귀분석은 실제 있을 수 있는

입력변수와 출력변수사이의 비선형관계를 모델링할 수 없다는 점,

그리고 입력변수사이의 커플링 현상을 설명할 수 없다는 점 등의

한계점을 가지고 있다. 이 문제를 해결하기 위해 보다 일반적이고

유연한 형태의 비매개 회귀분석(non-parametric regression)이 필

요하게 되었다.

이러한 데이터모델링을 위해 가장 유망한 방법 중의 하나가 1940

년대에 최초로 그 개념이 도입되었고[48] 1990년대에 이르러 널리

응용되고 있는 인공신경망(Neural network :이하 NN) 방법이다


[49-51]. NN은 인간의 두뇌구조와 유사한 계산구조를 갖고 있는데 가

장 독특한 특징 중의 하나가 바로 데이터에 의한 학습(learning 혹

은 training)이다. NN이 그래픽 데이터로 학습을 하게 되면 패턴인

식과 같은 분야에 활용될 수 있고, 사운드데이터로 학습을 하게 되

면 음성인식과 같은 분야에 활용될 수 있으며, 수치데이터로 학습

을 하게 되면 본 문제와 같이 회귀나 분류 등의 데이터 모델링에

활용될 수 있다. 이때 네트워크 출력 값이 연속적인 변수이면 회

귀(regression) 모델링을 하는 것이고 출력 값이 정해진 몇 개의 값

중에서 하나를 선택하는 형태가 되면 분류(classification) 모델링을

하는 것이 된다[52].

NN은 일반적으로 <그림 3-2>와 같이 layer, node, weight, bias

로 이루어진 구조(architecture)를 가진다. 일반적인 NN의 학습과

정은 먼저 각 weight에 난수(random number)를 배정하고 입력 층

의 노드에 입력 값을 넣은 후 NN 내부계산에 의해 각 층의 노드

값을 계산한다. 계산된 노드 값은 다시 다음 층의 입력과 같은 역

할을 하며 계속 앞으로 나아가 최종적으로 출력 층의 노드 즉, 출

력 값을 계산한다(feed forward). 이렇게 계산한 출력 값은 실제 출

력 값과 당연히 차이를 보이게 된다. 이 차이를 정보로 하여 다시

출력 층부터 입력 층으로 거슬러 올라가며 파라미터들을 갱신해 나

아간다(back propagation).


<그림 3-2> nodes, weights and biases로 구성된 NN 구조[44]

NN의 학습, 즉 파라미터의 갱신에 가장 널리 사용되는 방법은

에러의 역전파(back propagation of error) 라고도 불리는 backprop

방법이다[53]. NN 의 예측성능은 네트워크의 아키텍처에 크게 의존

한다. 일반적으로 아키텍처가 복잡해질수록 즉, 중간층의 수가 많

아지고 각 층의 노드수가 많아질수록 손실함수로 표현되는 모델의

예측성능은 향상된다. 하지만 네트워크 모델이 너무 복잡해지면 실

험데이터의 노이즈까지 모델링을 하게 되어 우리가 원하는 데이터

의 일반화(generalization)는 달성하기 어려워진다. 이것을 overfitt-

ing 이라고 한다[55]. NN 모델링은 항상 overfitting의 위험성을 내

포하고 있으므로 이점을 항상 염두에 두고 가능한 한 이를 방지해

야 한다.

기존의 인공신경망의 또 하나의 문제점은 모델의 예측값(pre-


diction)을 하나의 값으로만 나타낸다는 점에 있다. 실제 데이터를

대표하는 데이터 모델링에서는 예측값이 이와 같이 하나의 정답으

로 나타날 수 없는 것은 분명하다. 즉, 어떠한 모델이 예측하는 예

측값의 불확실성 혹은 에러바를 반드시 제시해 주어야만 하는데 이

를 위해서는 예측값을 주어진 데이터의 조건부확률로 처리해 줄 수

있는 확률적 추론(Probabilistic Inference) 방법이 필요하다[54].

데이터 모델링에 응용할 될 수 있는 확률적 추론법 중에서 가장

적절한 방법이 바로 Bayesian Inference인데, Mackay[55]와 Neal[52]

은 이러한 Bayesian Inference를 NN에 도입하여 Bayesian NN의

기틀을 마련하였다. 확률적 추론법으로 우리가 NN에서 구하고자

하는 것은 주어진 데이터 하에서 weight의 조건부 확률 p(w|D)인

데 Bayes' rule에 의해 구해진다. Bayesian inference에서 사용하는

prior는 주로 Gaussian prior이지만 경우에 따라서는 Gamma prior

등의 다른 가능성을 시도할 수도 있다[52,54]. 이와 같은 입력데이터

를 일련의 처리를 통해 weight에 대한 distribution을 얻을 수 있으

며, 이 distribution으로부터 가장 가능성 있는(most probable)

weight 값이나 그에 따른 불확실성도 계산할 수 있다.

제4장 결론 및 전망

제트엔진의 핵심부품에 관련된 소재 및 공정기술들은 그 특성상

미국 등의 선진국들이 기술이전을 극도로 회피하고 있는 분야이다.


그것은 민항기 엔진 및 산업용 가스터빈과 같이 고부가가치 산업을

통해 국가경제에 기여한다는 측면도 있지만 전투기 엔진과 같이 국

가의 군사력에 직접적인 영향을 주는 분야이기 때문에 기술이전을

회피하는 것은 충분히 이해가 가는 사항이다. 따라서 국내에서 항

공산업 및 가스터빈 산업의 기술자립화를 위해서는 국내 독자의 내

열합금 개발에 대한 연구가 반드시 이루어져야 한다.

현재 국가적인 대형 R&D 사업들은 조기에 제품양산으로 연결될

수 있는 산업화 가능분야에만 집중되고 있는 실정이다. 하지만 극

한 환경 내열재료개발과 같이 민군 양측에서 국가의 경쟁력을 극대

화할 수 있는 연구분야에 대해서는 국가가 장기적인 비전과 철학을

가지고 R&D를 주도해야만 한다.

미국, 영국, 프랑스 등 선진국의 초내열합금의 개발경험과 역사

를 감안했을 때 국내의 연구개발 상황은 매우 열악하다고 할 수 있

다. 연구비는 물론 연구인력과 경험, 인프라 모든 면에서 경쟁이 되

지 않으며 이러한 상황에서는 언제까지나 선진국에 수십 년 뒤진

연구만 수행할 수밖에 없을 것이다. 이러한 현실에서 가장 유효한

연구개발 전략은 선진국들이 거쳐 갈 수 밖에 없는 미래의 R&D

분야의 기술을 우리가 선점하여 기술적인 주도권을 갖추는 것이다.

내열재료분야에서 그 대표적인 예가 극한환경용 내열합금 개발이

될 수 있으며 이미 일본 NIMS에서는 이러한 전략으로 발 빠르게

움직여 이미 일부의 ultrahigh temperature 재료 연구분야에서 주

도권을 확보하고 있다.

국내에서도 늦은 감은 있지만 일본의 HTM21 프로젝트와 같은


체계로 1,500℃급 이상의 온도수용성을 갖는 극한 환경용 내열재료

개발에 착수하여 미래 기술의 주도권을 확보한다면, 기존기술에 대

한 trade off 의 역할을 할 수 있을 뿐만 아니라 동등한 관계에서

국제공동연구를 수행하여 가까운 장래에 선진국과의 기술격차를

좁히는데 크게 기여하게 될 것이다.


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