1. 서 론

18세기 영국으로부터 시작된 산업혁명은 19세기 후반 전기와 함께 새로운 동력원으로 부상한 내연기관의 개발 을 계기로 다시 한 번 새로운 패러다임의 전환을 맞이하 게 되었으며, 자동차, 비행기와 같은 혁신적인 이동수단의 등장과 공장의 생산 효율을 극대화함으로써 산업 전반의 비약적인 성장을 가능하게 하였다. 이러한 변화는 인류에 게 존재 이래 가장 큰 물질적인 풍요와 과학기술의 진보 를 안겨 주었으나 그 이면으로는 오로지 성장 위주의 무 분별한 개발이 경쟁적으로 시행됨에 따라 다양한 환경 문 제를 유발하는 직접적인 원인으로 작용하였다. 특히 화석 연료의 사용이 급증함에 따라 지구 온난화의 주요 원인인 이산화탄소의 발생량이 큰 폭으로 증가하였으며, 이로 인 해 전 세계적으로 해수면이 상승하고 각종 기상 이변이 발생하는 등 지구 온난화로 인한 직·간접적인 피해가 급 속도로 현실화되고 있는 실정이다. 실제로 오늘날 전 세계 적으로 배출되는 이산화탄소의 64%는 화석연료의 생산과 소비로부터 발생하며, 이중에서도 내연기관으로부터 발생 하는 이산화탄소는 화력발전에 이어 매우 높은 비중을 차 지하고 있다. 그러므로 최근에는 화석연료의 사용량을 저 감하여 이산화탄소 발생량을 획기적으로 줄이기 위해 높 은 효율로 작동 가능한 내연기관의 개발이 전 세계적인 이슈로 주목받고 있으며, 이를 위해 내연기관의 작동 온도 및 압력 증가를 위한 연구가 소재와 기계 분야를 중심으 로 진행되고 있다. 일반적으로 내연기관의 효율은 작동 온 도 및 압력 증가와 비례하나 작동 온도와 압력이 증가할 경우 소재의 열화로 인해 심각한 내구성의 저하가 발생하 므로 이러한 환경에서도 일정 수준 이상의 내구성 즉, 기 계적 특성과 내열성, 내마모성, 내식성 등을 지닌 새로운 고온재료 및 공정의 개발이 필수적으로 요구되고 있다[1-3]. 하지만 고온재료의 개발과 관련한 연구는 매우 높은 기술 적 수준을 요구하므로 미국과 러시아, EU, 일본 등 소수 의 기술선진국을 중심으로 제한적인 연구가 수행되고 있 으며, 최근에는 우주항공과 원자력 분야에 국가 차원의 집 중적인 투자가 이루어지고 있는 중국이 두각을 나타내고 있다.

<그림 1>은 다양한 고온재료의 가용온도와 내산화성 등 을 나타낸 그래프이다. 단결정 합금(Single crystal alloy)과 일방향 응고 합금(Directionally solidified alloy), 산화물 분산 강화(Oxide Dispersion Strengthened, ODS) 합금을 비롯한 초 내열 합금(Superalloy)은 고융점 금속을 제외하고는 금속 중 에서 가장 높은 가용온도를 가지면서도 상대적으로 우수한 내산화성을 지닌다. 특히 금속기지 내에 고온에서 안정한 산 화물을 분산시켜 고온 특성을 향상시킨 산화물 분산 강화 합금은 기타 합금에 비해 상대적으로 높은 가용온도를 가지 며, 제조 기술의 발전으로 인해 최근까지 지속적으로 특성이 향상되고 있다. 참고로 분산강화는 여러 금속 강화기구 중에 서도 가용온도의 측면에서 가장 유리한 것으로 알려져 있으 며, <표 1>은 강화기구에 따른 고온재료의 가용온도와 특성 을 나타낸 표이다.

Fig. 1

Evolution of the available temperature and properties of the high-temperature materials [5].

Table 1

Temperature effect on strengthening mechanism [4]

Strengthening Mechanism	Effective Temperature	Comment
Work Hardening	~0.3 Tm	Dislocation / Dislocation Interaction
Grain Size Refinement	~0.3 Tm	Grain Boundary Area - Dislocation Interaction
Solid Solution Strengthening	~0.4 Tm	Lattice Strain Fields: Modulus Change, Dislocation Interaction
Precipitation Strengthening	~0.6 Tm	Metastable 2nd Phase Particles, Impede Dislocation Motion
Dispersion Strengthening	~0.9 Tm	Insoluble 2nd Phase, Stabilize Grain, Subgrains and Creep

따라서 본고에서는 이러한 산화물 분산 강화 합금의 특징, 제조방법 등을 설명하고 국내·외의 연구동향에 대 해 소개하고자 한다.

2. 본 론

산화물 분산 강화 합금은 서론에서 간단히 언급한 바와 같이 금속 기지에 고온 안정성이 우수한 Y₂O₃, TiO₂ 등의 미세 산화물을 균일 분산시킴으로써 고온 기계적 특성을 향상시킨 합금이며, 기지 금속에 따라 주로 Fe계 및 Ni계 산화물 분산 강화 합금으로 구분되고 있으나 최근에는 알 루미늄과 동합금을 비롯하여 W, Mo 등의 고융점 합금에 도 그 원리가 응용되고 있다. 이러한 산화물 분산 강화 합 금은 고부가가치를 지닌 소재로서 내연기관과 발전 시스 템의 주요 부품소재 이외에도 우주항공과 국방 분야 등에 적용되어 지속적으로 수요가 증가하고 있다. 특히 Fe계 산 화물 분산 강화 합금은 고속증식로(Fast Breeder Reactor, FBR)나 핵융합로와 같이 현재 가동 중인 원자로에 비하여 상대적으로 작동 온도가 높고 중성자 조사량이 많은 미래 원자력 시스템의 부품 소재로 주로 개발되고 있으며, Ni계 산화물 분산 강화 합금은 주로 가스 터빈의 터빈 블레이드 와 같이 우수한 고온 기계적 특성이 요구되는 부품 소재로 적용하기 위하여 개발되고 있다[6-8].

2.1. 산화물 분산 강화 합금의 특징

산화물 분산 강화 합금의 가장 큰 특징은 금속기지 내 에 미세 산화물이 10²³/m³ 수준의 높은 밀도로 분산되어 있다는 것이며, 이렇게 분산된 미세 산화물은 전위의 이동 을 효과적으로 억제하므로 고온 인장강도와 크리프 저항 등의 고온 기계적 특성을 크게 향상시킨다. 산화물 분산 강화 합금에 주로 적용되는 미세 산화물로는 우수한 고온 안정성을 지닌 Y₂O₃가 주로 적용되고 있으며, 산화물 분 산 강화 합금의 특성을 결정하는 주요 인자로는 분산된 산화물 크기와 밀도, 결정립 크기, 볼 밀링 중에 형성된 전 위밀도 등이 고려되고 있다[8-11]. 산화물 분산 강화 합금 은 1960년대에 처음 개발된 이래 약 40년간 강화기구 등 을 규명하기 위해 많은 연구가 수행되었으며, 주로 강도와 관련된 미세구조 관점의 연구가 수행되었다. 그 결과 산화 물 분산 강화 합금은 결정립 미세화에 따른 강화기구인 Hall-Petch 효과[9]와 분산된 산화물에 따른 강화기구인 Orowan mechanism[10], 고용강화를 포함한 Fe-Cr-Y₂O₃ matrix strength가 주요 강화기구인 것으로 알려져 있다.

2.2. 산화물 분산 강화 합금의 제조방법

산화물 분산 강화 합금의 경우 주조 공정으로는 미세한 산화물의 균일 분산이 불가능하므로 1966년 INCO (International Nickel Company) 사의 Paul D. America Research Laboratory 소속인 John Benjamin 등에 의해 개 발된 금속 분말의 기계적 합금화(Mechanical Alloying) 공 정을 통해 제조되고 있다. 기계적 합금화 공정은 원소 분 말과 미세한 산화물 분말 그리고 금속 또는 세라믹 재질 의 볼을 혼합하여 기계적인 밀링을 실시하고 밀링 중 발 생하는 볼에 의한 충격에너지를 이용하여 분말을 합금화 하는 방법이다[12-14]. 이러한 기계적 합금화 방법은 분말 의 합금화를 위해 많은 양의 충격에너지를 필요로 하므로 주로 고에너지 밀링인 Attritor mill과 Planetary mill, SPEX mill 등을 이용하여 수행하며, 제조된 합금 분말은 산화방지를 위해 금속 용기를 이용하여 피복(Canning)하 고 방전 플라즈마 소결(Spark Plasma Sintering, SPS)과 열 간 등방압 성형(Hot Isostatic Pressing, HIP), 핫 프레스 (Hot Press, HP) 등을 이용하여 소결체를 제조한다. 또한 산화물 분산 강화 합금의 경우에는 산화물의 첨가로 인해 소결 시 밀도 확보가 용이하지 않으므로 열간 압연이나 압출을 실시하여 조밀화(Consolidation)한다. 이러한 조밀 화 공정과 열처리 공정의 온도와 압력은 매우 중요한 요 소이며, 이런 변수에 의하여 미세구조 및 산화물의 크기가 달라진다. 이러한 미세구조 및 산화물의 차이가 기계적 특 성 차이의 주요 요인이며, 우수한 특성을 확보하기 위한 공정조건의 확립도 산화물 분산 강화 합금의 제조에 있어 중요한 요소이다[1-5]. <그림 2>는 산화물 분산 강화 합금 의 전체 제조공정을 나타낸 모식도이다.

Fig. 2

Manufacturing Process of ODS alloys [4].

Table 2

Applications of ODS alloys

Industry Section	Alloy Base	Component/Application
Aerospace/Military	Fe	Gas turbine combustor liners, Fuel nozzle shrouds
	Ni	Turbine, Compressor blades, Nozzle guide vanes
	Al	Low density aerospace forgings, Spars, Ribs
Automotive	Fe	Diesel fuel inlet atomizer, Turbocharger scrolls
	Ni	Recombustors
	Al	Composite pistons, Compressor rotors, Vanes, Impellers
Power Generation	Fe	Burner nozzles
	Ni	Gas turbine compressor blades
Furnace Furniture etc	Fe	Nozzle, Stirrers, Gobbers, Insert tube, Furnace skid rails, Charge carriers, Creep/fatigue rig test bars, Heating element wires

2.3. 산화물 분산 강화 합금의 종류

2.3.1. Fe계 산화물 분산 강화 합금

Fe계 산화물 분산 강화 합금은 Fe를 기지로 하고 Cr, Al, Ti 등의 원소가 첨가되어 있는 합금이며, 대표적인 Fe계 산화물 분산 강화 합금으로는 Special Metals Corporation 의 MA956, MA957과 Plansee GmbH의 PM2000 등이 있 다. <표 3은> 주요 Fe계 산화물 분산 강화 합금의 조성이 며, 14~20 wt.%의 Cr과 4.5~5.5 wt.%의 Al, 1 wt.% 미만 의 Ti, 그리고 0.5 wt.% 미만의 Y₂O₃이 첨가된다[1-5].

Table 3

Composition of Fe-based ODS alloys

Alloy	Fe	Cr	Al	Ti	Mo	C	Y2O3	Other
MA956	Bal.	20	4.5	0.5	-	0.05	0.5	-
MA957	Bal.	14	-	0.9	0.3	0.01	0.25	-
PM2000	Bal.	19	5.5	0.5	-	0.05	0.5	-
ODS751	Bal.	16.5	4.5	0.6	0.15	0.05	0.5	-

Fe계 산화물 분산 강화 합금은 고온에서도 높은 인장강 도와 우수한 크리프 저항 및 내산화성을 가지며, 이와 같 은 특성으로 인해 가스 터빈과 내연기관의 라인 및 연로 노즐 등에 사용되고 있다. 특히 Fe계 산화물 분산 강화 합 금은 1990년대에 시작된 고속증식로의 개발 과정에서 기 존 강재보다 중성자 내조사성이 뛰어난 소재의 필요성이 대두됨에 따라 관련 연구가 큰 폭으로 증가하였으며, 2000년대 이후 미국, 일본, EU 등을 중심으로 한 4세대 원 자로와 미래형 핵융합로의 개발이 본격화되면서 고온 내 식성과 중성자 내조사성, 크리프 저항이 뛰어난 Fe계 산 화물 분산 강화 합금 연구가 집중적으로 수행되고 있다 [15-17].

2.3.2. Ni계 산화물 분산 강화 합금

Ni계 산화물 분산 강화 합금은 Ni을 기지로 하고 Co, Cr, Al, Ti 등의 원소가 첨가되어 있는 합금이며, 대표적인 Ni계 산화물 분산 강화 합금으로는 Special Metals Corporation 의 MA754와 MA758, Plansee GmbH의 MA6000, PM1000 등 이 있다. 이러한 Ni계 산화물 분산 강화 합금의 조성은 <표 4>와 같으며, 기지 금속인 Ni 이외에도 최대 30 wt.% 의 Cr과 4.5 wt.% 이내의 Al, 그리고 고융점 금속인 W, Mo 등이 첨가되고 Y₂O₃는 최대 1.1 wt.%까지 첨가된다.

Table 4

Composition of Ni-based ODS alloys

Alloy	Ni	Fe	Cr	Al	Ti	Mo	W	C	Y2O3	Other
MA754	Bal.	1	20	0.3	0.5	-	-	0.05	0.6	-
MA758	Bal.	-	30	0.3	-	-	-	0.05	0.6	-
MA760	Bal.	1.2	19.5	6	-	-	3.4	0.06	1	-
MA6000	Bal.	-	15	4.5	2.5	2	4	0.05	1.1	2.0Ta, 0.15Zr
PM1000	Bal.	3	20	0.3	0.5	-	-	0.05	0.6	-
PM3030	Bal.	-	17	6	-	2	3.5	0.05	0.9	2.0Ta, 0.15Zr

Ni계 산화물 분산 강화 합금은 Fe계 산화물 분산 강화 합금에 비해 사용 온도가 높으며, 900°C 이상에서 Ni계 단결정 합금보다 우수한 강도를 가지는 것으로 알려져 있 다. 따라서 Ni계 산화물 분산 강화 합금은 가스 터빈과 자 동차, 발전기 등의 다양한 분야에 적용되며, 특히 내연기 관을 구성하는 부품 중 가장 가혹한 온도와 압력에 노출 되는 가스 터빈의 터빈 블레이드의 주요 소재이다[1-5].

2.3.3. 기타 산화물 분산 강화 합금

Fe계 및 Ni계 산화물 분산 강화 합금 이외에도 Al, W, Cu계 산화물 분산 강화 합금의 연구도 이루어지고 있다. 이 중 Al계 산화물 분산 강화 합금은 기지 금속인 Al 고 유의 낮은 밀도와 우수한 가공성을 지니며 산화물 첨가에 따른 기계적 특성 및 고온특성 향상으로 인하여 경량화가 요구되는 항공 산업이나 자동차 산업으로의 적용 가능성 이 매우 높다[18].

W계 산화물 분산 강화 합금의 경우에는 고융점 금속인 W을 기지로 하므로 높은 융점과 우수한 강도 및 연성에 더불어 고온에서 변형보다는 전단파괴가 발생하므로 탄두 등에 적용될 경우 self-sharpening 효과가 발생하게 된다. 또한 미세한 산화물 입자가 액상소결 중에 W의 입자성장 을 억제하므로 미세한 결정립으로 인한 강도 향상이 가능 하며, 이러한 영향으로 W계 산화물 분산 강화 합금은 높 은 밀도와 고온특성을 갖게 된다[19].

Cu계 산화물 분산 강화 합금의 경우 다른 강화기구에 비해 전기전도도의 감소가 적어 저항용접소재의 강화기구 로 많이 이용된다. 일반적으로 Cu 합금은 기지 내에 불순 물의 농도가 증가하면 전기 및 열전도도가 감소하는데, 이 는 첨가 원소의 고용도가 증가함에 따라 전자의 평균자유 행로(mean free path)가 감소하기 때문이다[20].

3. 국내·외 연구동향

<그림 3>은 논문 검색 사이트인 “Scopus”를 이용하여 산화물 분산 강화 합금에 대해 검색한 결과이다. 검색 결 과 총 936편의 산화물 분산 강화 합금 관련 논문이 확인 되었으며, 약 79%가 Fe계 산화물 분산 강화 합금, 그리고 약 13%가 Ni계 산화물 분산 강화 합금과 관련된 논문으 로 확인되어 산화물 분산 강화 합금과 관련한 연구는 Fe 및 Ni계에 편중되어 있음을 확인하였다. 따라서 Fe계와 Ni계 산화물 분산 강화 합금과 관련한 논문을 연도별 분 석을 실시하였으며, 그 결과를 <그림 4>로 나타내었다. 먼 저, Fe계의 경우 1990년대 중반 이후로 관련 연구가 지속 적으로 증가하였으며, 최근에도 매년 100여 편의 논문이 게재되는 등 활발한 연구가 진행 중에 있으나 Ni계의 경 우 매년 약 10여 편 내외의 논문이 게재되었다. 이는 연구 초기에 활발히 진행되었던 Ni계 산화물 분산 강화 합금이 상용화의 한계로 인해 제한적인 연구만이 이루어지고 있 는 반면, Fe계 산화물 분산 강화 합금은 미래형 원자로의 피복관 소재 및 핵융합로의 제1벽 구조재로서의 적용됨에 따라 다양한 연구가 수행되기 때문인 것으로 판단된다.

Fig. 3

Research status of ODS alloys.

Fig. 4

Number of papers related on ODS alloy published in “Scopus”, by year.

Fe계 산화물 분산 강화 합금과 관련한 연구는 기계적 특 성과 내조사성, 산화물의 미세화에 관한 연구가 주로 수행 되고 있다. 그러나 산화물 분산 강화 합금의 특성은 산화 물 분산 강화 합금의 특징에서도 언급한 바와 같이 산화 물의 크기 및 밀도에 따라 크게 달라지기 때문에 사실상 산화물에 관한 연구가 주를 이루고 있다. 미국의 Oak Ridge National Laboratory는 Fe-12Cr을 기반으로 한 산화 물 분산 강화 합금에서 Y₂O₃의 크기를 종래의 10~40 nm에 서 3~5 nm, 전위밀도를 10¹⁵/m²에서 10^15~16/m², 산화물의 입 자밀도를 10^20~21/m³에서 10²³/m³로 증가시킬 수 있는 새로운 기계적합금화 공정을 개발하였으며, 그 결과 <그림 5>와 같 이 기존의 합금보다 미세한 산화물이 분산된 미세구조를 구현하였다. 이러한 미세한 산화물을 분산시킨 결과 기존 의 합금보다 상온 항복강도를 20%이상, 900°C에서의 인 장강도를 2.5배 증가시킴으로써 산화물 분산 강화 합금에 서 공정기술이 특성 향상의 핵심기술이 될 수 있음을 증 명하였다[21].

Fig. 5

Microstructure of ODS alloy [21].

또한 일본의 Hideo Sakasegawa 등[22]은 Ti가 첨가된 산화물 분산 강화 합금의 열처리 온도에 따른 다원계 산 화물의 형성 거동을 확인하였으며, 그 결과 1050°C 이상 에서 다원계 산화물인 Y-Ti-O의 형성을 확인하였다. 이러 한 다원계 산화물은 초기의 Y₂O₃에 비하여 그 크기가 작 아 고온에서의 기계적 특성 향상에 더 큰 영향을 준다. 하 지만 열처리 시간이 증가할수록 산화물의 크기가 증가하 므로 1시간 이내의 열처리가 다원계 산화물의 형성과 고 온 특성 향상에 적합하다고 보고하였으며, 이밖에 열처리 온도가 증가하면 크리프 저항이 감소하는 반면 소결성과 가공성이 증가하는 것을 확인하였다.

이외에도 중국의 Zhimeng Guo 등[23]은 Fe계 산화물 분산 강화 합금의 소결방법에 따른 소결밀도 변화와 Ti 및 Y₂O₃ 첨가에 따른 밀도변화를 연구하였다. 그 결과, 방전 플라즈마 소결이 hot press sintering과 cold press sintering 보다 높은 밀도를 가지며, Y₂O₃의 함량이 증가할수록 소 결밀도는 감소한다고 보고하였다. 또한 Y₂O₃의 함량이 증 가할수록 인장강도가 증가하나 1 wt.%를 초과할 경우 오 히려 인장강도가 감소하며 Y₂O₃만 첨가될 경우보다 Ti와 Y₂O₃가 첨가될 경우 인장강도가 향상되는 것을 확인하였 다. 이러한 인장강도의 향상은 <그림 6>에서와 같이 Ti을 첨가할 경우 Y₂O₃에 비해 매우 미세한 다원계 산화물인 Y-Ti-O가 생성되기 때문인 것으로 보고하였다.

Fig. 6

FE-SEM images of ODS alloys: (a) Fe-1 wt% Y₂O₃, (b) Fe-1 wt.% Y₂O₃-0.8 wt.% Ti [23].

인도의 Ravi Chinnappan 등[24]은 다원계 산화물의 형 성 거동을 확인하기 위해 열역학적인 접근을 시도하였으 며, 다원계 산화물 및 산화물 분산 강화 합금의 주요 산화 물의 생성 엔탈피와 반응 엔탈피를 전산모사 방법으로 계산하였다. <그림 7>은 다양한 산화물의 형성 엔탈피를 정리하여 나타낸 그래프이다. 결과적으로 언급된 산화물 의 형성 엔탈피는 모두 음의 값을 갖는 것을 확인할 수 있 다. 또한 이러한 산화물 생성반응의 반응 엔탈피를 계산한 결과, 반응 엔탈피 역시 대부분이 음의 값을 가지며 이를 통해 다원계 산화물을 형성하는 반응의 깁스 자유 에너지 가 음의 값을 가진다고 유추할 수 있으므로 다원계 산화 물을 형성하는 반응이 자발적 반응이고 생성된 다원계 산 화물들은 열역학적으로 안정한 것을 확인하였다.

Fig. 7

Formation enthalpy of oxide in Fe-base ODS alloys [24].

이러한 Fe계 산화물 분산 강화 합금은 차세대 원자로뿐 만 아니라 초고속 비행체 또는 에너지 소재 등과 같이 가 혹한 환경에서 사용되는 부품에도 적용 가능할 것으로 예 상되므로 기술선진국에서는 이미 국가 차원의 전폭적인 지원 아래 집중적인 연구개발이 수행되고 있다. 반면에 국 내 연구로는 포스코와 재료연구소의 이재훈, 김정한 박사 연구팀[25]이 Al 첨가에 따른 산화물의 크기변화 관찰에 관한 연구를 수행하였으며, 그 결과 Al이 첨가될 경우 Y₂O₃ 산화물이 Y-Al-O의 다원계 산화물을 형성하는 것을 확인하였으며 이러한 형태의 다원계 산화물은 초기의 Y₂O₃보다 그 크기가 큰 것으로 확인되었다. 이러한 결과 를 통해 Al의 첨가는 산화물의 크기 증가에 영향을 준다 는 것을 확인할 수 있었다.

Ni계 산화물 분산 강화 합금의 주요 연구내용으로는 Fe 계 산화물 분산 강화 합금과 마찬가지로 산화물의 미세화 및 균일화를 위한 연구가 중점적으로 수행되었다. Qingxin Tang 등[26]은 <그림 8>과 같이 Ni계 산화물 분산 강화 합금의 첨가원소 및 각 원소별 첨가량에 따른 미세구조와 산화물 입자의 크기 그리고 기계적 특성을 비교하였다. 그 결과 첨가 원소에 따라서 산화물의 입도가 달라지는 것을 실험을 통해 확인할 수 있었으며, 특히 Hf 첨가 시 가장 미세한 산화물의 형성을 확인하였다. 이를 통해 Hf의 첨 가가 미세 산화물의 형성에 가장 우수한 영향을 주는 것 으로 확인되었으며, 기계적 특성 또한 산화물의 크기가 미 세할수록 강도가 향상되는 것으로 나타났다. 이는 산화물 이 미세할수록 단위면적 당 개수와 분산도가 증가하여 전 위의 이동을 효과적으로 억제하기 때문에 기계적 특성의 향상에 영향을 주었기 때문이다.

Fig. 8

Size Distribution of Oxide particles with additions and their contents, (a) The base alloy, (b) 0.4 wt.% Ti, (c) 0.7 wt.% Mg, (d) 0.4 wt.% Zr, (e) 0.2 wt.% Ca, (f) 0.4 wt.% Hf [26].

Indrajit Charit[27]를 비롯한 연구진은 소결 공정의 영향 에 대한 연구를 진행하였으며, 소결온도 및 유지시간을 달 리하여 실험을 진행하였다. 이 연구에서는 산화물로 Y₂O₃ 와 Al₂O₃를 첨가하여 산화물의 종류에 따른 기계적 특성 의 변화를 확인하였으며, 연구결과 소결온도가 증가할수 록 밀도와 경도가 증가하며, Y₂O₃ 첨가시보다 Y₂O₃와 Al₂O₃를 혼합하여 첨가하였을 시 기계적 특성이 향상된다 고 보고하였다. 이러한 기계적 특성 증가의 원인은 1100°C 이상에서 Y₂O₃와 Al₂O₃가 반응하여 안정한 형태 의 다원계 산화물을 형성하였기 때문이다.

Hamid Reza Shaverdi 등[28]은 Ni계 산화물 분산 강화 합금의 미세조직에 대한 연구를 진행하였으며, 열처리에 따른 석출상과 산화물의 변화 관찰 및 기계적 특성에 관 한 연구를 진행하였다. 연구진은 3단계의 새로운 소결공 정을 적용하였으며, 그 결과 γ-γ'상 이 라멜라 형태로 존재 하는 것을 확인하였으며, 이러한 형태는 기존의 Ni계 산 화물 분산 강화 합금에서 확인하지 못한 형태이다. 또한 Hf 첨가에 따른 Y-Hf-O의 다원계 산화물의 형태를 확인할 수 있었으며 그 크기는 7 nm를 가지고 Y-Al-O의 다원계 산화물은 28 nm의 크기를 가짐을 확인할 수 있었다. 이와 같은 실험결과를 통해 다원계 산화물을 형성하는 원소의 종류에 따라 크기가 다르며 이로 인해 기계적 특성 또한 달라지는 것을 확인하였다.

국내연구로는 카이스트의 홍순형 교수 연구팀[29]이 Ni 계 산화물 분산 강화 합금의 열처리 효과에 대한 연구를 진행하였으며 열처리 조건에 따른 γ' 상의 크기변화와 기 계적 특성변화를 확인하였다. 또한 연세대학교의 김도향 교수 연구팀[30]은 Ni계 합금을 대상으로 산화물 첨가에 따른 미세구조 변화 및 기계적 특성의 향상에 관한 연구 를 진행하였으며, 그 결과 <그림 9>와 같이 산화물이 첨 가됨에 따라 상온 및 고온 인장강도가 증가한다고 보고하 였다.

Fig. 9

Yield strength of Conventional Alloy 617 and ODS Alloy 617 evaluated at RT and 700°C [30].

지금까지 소개한 바와 같이 이미 수십 년 전부터 심도 있는 연구가 진행된 국외에 비해 국내 연구는 상대적으로 매우 부족한 실정이며, 일부 국책 연구소와 학교 등이 독 자적인 연구를 수행한 바 있으나 기존의 합금을 단순 비 교하거나 첨가 원소의 영향만을 확인하는 등 기본적인 수 준에 머물러 있다. 또한 우리나라의 경우 산화물 분산 강 화 합금을 생산하는 업체가 전무하고 관련 기술의 부재로 인해 원자력 발전용 산화물 분산 강화 소재와 제조, 가공, 접 합 기술에 대한 대외 의존도가 매우 높으며, 상용화 및 양 산을 위한 공정 개발과 분산강화합금의 가공 및 접합 연 구는 국내에서 진행된 바가 없다. 하지만 최근 들어 방산 소재 등에 적용 가능한 산화물 분산 강화 합금의 상용화 를 위한 연구가 대한소결금속(주)을 중심으로 한국생산기 술연구원, 고등기술연구원과 같은 연구소 그리고 한양대, 서울과학기술대, 안동대 등의 학교가 참여하여 활발하게 진행되고 있으며, 국책 연구소인 한국 원자력 연구원과 재 료 연구소 등에서 산화물 분산 강화 합금에 대한 연구가 진행되고 있다.

4. 맺음말

산화물 분산 강화 합금은 국방산업, 에너지산업, 항공우 주산업 등과 같이 우수한 고온 특성을 필요로 하는 분야 에 적용 가능한 고부가가치의 핵심 소재이다. 특히 차세대 원자력 발전소와 핵융합로의 구조재로 산화물 분산 강화 합금이 적용됨에 따라 연구가 활발히 진행되고 있으며, 2010년 이후로 매년 100여 편의 논문이 게재되고 있다. 그 러나 대부분의 고온재료와 같이 산화물 분산 강화 합금 또한 높은 기술 장벽으로 인해 미국, 일본, EU 등의 일부 기술선진국이 관련 연구를 주도하고 있으며, 상용화를 통 해 시장에서 독점적인 지위를 누리고 있다. 반면에 우리나 라의 경우 고온재료와 관련한 연구가 상당히 부족하며, 연 구의 대부분이 선진 기술을 습득하고 분석 및 모방하는 수준에 머물러 있으므로 기술선진국과는 여전히 상당한 기술 격차를 보이고 있다. 따라서 이러한 격차를 줄이고 우리나라만의 독자적인 원천기술을 확보하기 위해서는 관 련 산·학·연을 중심으로 연구 활성화가 반드시 필요하 며, 정부 차원의 대규모 재정 및 정책 지원을 통한 연구 기반 구축이 수반되어야 할 것으로 판단된다. 현대 사회에 서 원천기술의 확보는 나날이 그 중요성이 확대되고 있으 며, 이러한 원천 기술은 새로운 기초연구 성과를 창출하여 또 다시 새로운 원천기술의 개발을 가능하게 하는 근간이 되고 있다. 풀과 나무가 비옥한 토양에서 제대로 성장해 갈 수 있는 것처럼 원천기술이라는 기술의 토양이 비옥하 지 못하면 기초과학, 기초연구, 기초연구성과의 획기적인 적용도 이루어지기 어렵다. 따라서 관련연구 활성화 및 기 반 구축을 통하여 소재산업의 발전과 국가경쟁력 제고의 토양이 될 수 있도록 다시 한 번 정책적 지원과 관심이 요 구되는 시점이라 할 수 있다.

Acknowledgements

감사의 글

본 연구는 산업통상자원부의 재원으로 핵심방산소재기 술개발사업(과제번호: 10048158, 과제명: 980°C적용 핵심 방산 소재의 상용화를 위한 다성분계 나노 산화물 분산강 화형 초내열 합금 개발)의 지원을 받아 수행되었습니다.

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Figure & Data

References

Citations

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