산소 반응성 2배 이상 높인 알루미늄 분말 제조 성공
자연산화막 대신 불소계열 유기물을 코팅해 안정성 높여
재료연구소(소장 김해두, KIMS) 산하의 분말ㆍ세라믹연구본부 김경태 박사 연구팀이 기존 알루미늄 분말 소재와 비교해 산소와의 반응성이 2배 이상 높으면서도 취급 안정성을 확보한 극미세 알루미늄 분말 표면처리 기술을 국내 최초로 개발하는데 성공했다.
이 기술은 알루미늄 분말 표면에 치밀하게 존재하는 산화막을 화학적으로 녹여 제거하는 동시에 열역학적으로 안정한 불소계열 유기물을 알루미늄 분말 표면에 코팅하는 기술이다.
분말 표면에 자연 산화막 대신 코팅된 유기물 층은 비교적 낮은 온도의 열로도 쉽게 제거할 수 있기 때문에 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 취급할 수 있게 한다.
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.
알루미늄 분말의 뛰어난 물성은 표면에 형성된 매우 치밀하고 단단한 나노미터 두께의 자연 산화막이 제거될 때 비로소 온전히 발휘될 수 있다. 알루미늄 고유의 우수한 산화반응성과 전도도 등의 특성을 원하는 만큼 구현하기 위해서는 표면의 산화막을 제거해야 하는데, 이 때 적어도 1,000℃ 이상의 높은 열이 필요하다. 또한 산화막을 제거하는 과정에서 순수한 알루미늄이 대기 중에서 바로 드러날 경우 발생하는 폭발적인 반응 문제는 알루미늄 분말을 활용하는 산업계의 골칫거리이기도 하다.
재료연구소 연구팀은 이 같은 문제를 해결하기 위해 표면에 형성되는 산화막 대신 필요에 따라 손쉽게 제거할 수 있으면서도 알루미늄 분말 자체를 안정화시키는 불소계 유기물을 도입해 반응성과 안정성이 동시에 확보된 분말표면처리 기술을 개발했다.
이 기술로 코팅된 알루미늄 분말은 250℃ 이하의 온도에서 표면 유기물이 쉽게 제거되며, 이로 인해 산화막이 존재하는 동일한 크기의 알루미늄 소재에 비해 적어도 2배 이상 빠르고 지속적인 산화반응을 얻을 수 있다. 또한 기존의 도금공정기술을 기반으로 하고 있어 제조 관련 설비 구축이 용이해 양산이 손쉬운 장점이 있다.
연구책임자인 김경태(사진) 책임연구원은 “이 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.
한편 이번 연구는 한국연구재단 민군기술협력원천기술개발사업 ‘멀티스케일 에너제틱스 연구단’, 글로벌 프론티어사업 ‘파동에너지극한제어연구단’과 재료연구소 주요사업의 지원으로 수행됐다. 연구팀은 이 기술에 대해 특허권을 확보함과 동시에 연구결과를 과학 및 공학 분야 저명 학술지인 네이처 자매지, 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)에 지난 7월 5일 온라인 게재했다.