표준연, 우주 초고온 환경에 적용할 열물성 측정 기술 개발

"우주 발사체, 항공기 엔진, 핵융합로 가스 터빈 등 개발에 활용"

(지디넷코리아=한세희 과학전문기자)누리호가 이륙할 때 배출하는 초고온 연소가스는 온도가 3천 773K, 섭씨 2천 727℃에 이른다. 발사체에 쓰이는 합금소재는 이같은 초고온을 견뎌야 한다. 

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민)이 초고온 환경에서 내열소재의 열물성을 정밀하게 측정하는 기술을 개발했다고 28일 밝혔다. 

우주 발사체나 항공기 엔진, 핵융합로 등의 극한 환경에서는 녹는 점이 높은 티타늄, 텅스텐 등의 내열 금속 소재가 주로 쓰인다. 안정적 설계를 위해서는 이들 소재가 열에 반응하는 성질인 열물성의 정확한 파악이 필수다. 작동 온도가 높을수록 효율이 향상되지만, 고온에서 금속 부피가 팽창하면서 당초 설계 의도와 다른 결과가 나올 수 있기 때문이다. 

KRISS 극한측정연구팀이 정전기 공중부양장치를 이용해 내열금속의 초고온 열물성을 측정하고 있다. (자료=KRISS)

기존 상용 열물성 측정장치는 시료에 직접 접촉하는 방식이며, 측정 가능한 최고온도가 2천K 수준이다. 이보다 높은 온도의 시료는 비접촉식으로 측정해야 정확한 값을 얻을 수 있다. 비접촉 측정에 쓰이는 정전기 기반 공중부양 장치는 우리나라 외에 미국, 독일, 중국, 일본 등 항공우주분야 강국들만 보유했다.

지금까지 정전기 공중부양장치를 통한 열물성 측정은 2천K 이하의 온도에서는 비교적 일관된 값을 보였으나, 그 이상 온도에서는 산포도가 커 측정 결과를 신뢰하기 어려웠다.

KRISS 극한측정연구팀은 3천K 이상에서 열물성 측정값의 불확도를 제시해 기존 연구결과들의 불일치 원인을 규명하고, 신뢰할 수 있는 정밀 측정 기법을 세계 최초로 개발했다. 정전기 공중부양장치로 니오븀, 몰리브덴늄, 탄탈륨 등 내열 금속시료를 공중에 띄우고, 고출력 레이저로 시료를 녹여 3천K 이상에서 액체 밀도와 열팽창률을 정밀하게 반복 측정하는 데 성공했다.

연구팀이 밝혀낸 기존 3천K 이상 열물성 측정결과의 불일치 주요 요인 (자료=KRISS)

이번 성과는 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 핵심 전략 기술은 해외 수입이 쉽지 않아 국가 차원에서 독자적 기술 확보가 필요하다"며 "이번 성과는 국내 극한산업의 수준을 한층 끌어올릴 돌파구가 될 것"이라고 밝혔다.

이번 연구는 KRISS 주요사업의 지원을 받아 수행됐으며 학술지 '메트롤로지아(Metrologia)'에 6월 게재 승인됐다.

한세희 과학전문기자(hahn@zdnet.co.kr)