ㅇ 자연 산화막 대신 불소계열 유기물을 코팅해 안정성과 고반응성을 가진 알루미늄 분말 제조 성공

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

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

 ㅇ 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.

 ㅇ 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.

 ㅇ 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 1000도 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.

 ㅇ 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.

   - 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.

 ㅇ 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.

 ㅇ 순수 알루미늄 분말 시장의 규모는 세계적으로 약 2억불에 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.

 ㅇ 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.

 ㅇ 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.

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