KRISS(한국표준과학연구원, 원장 김명수) 온도광도센터 이근우 박사가 초고온·과냉각의 극한환경이나 우주환경과 유사한 상황을 만들어, 용융된 철강소재의 특성을 용기 없이 비접촉식으로 파악할 수 있는 기술개발에 성공했다.

연구팀은 정전기 공중부양장치를 이용해 1500 ℃ 이상에서 철강 재료를 공중 부양된 상태로 녹여 철강소재의 응고 온도 및 과냉각 온도, 물질상태의 변화 온도, 비열과 잠열, 밀도 등에 대한 정확한 특성을 측정했다.

또한 기존에 연구한계로 지적되어 왔던 물질의 상변화 과정을 실시간으로 짧은 시간 내에 관찰할 수 있다. 이를 통해 시간과 온도에 따른 구체적인 물질의 상변화 경로를 추적할 수 있으며, 가열과 냉각 과정에 따른 물질의 상변화 과정의 차이를 연구할 수 있다. 또한 과냉각 정도와 냉각율을 조절함으로써 새로운 철강 개발에 필요한 물질 상태의 상태도를 확보할 수 있다.

기존에는 철강소재의 물성을 약 1200 ℃ 이하에서만 측정이 가능했지만 이번 기술 개발을 통해 실제 용광로의 쇳물 온도인 1500 ℃ 이상의 고온에서 쇳물의 물성을 측정할 수 있다. 이를 통해 중탄강 소재의 정확한 용융 물성 특성을 최초로 측정할 수 있는 길이 확보 되었다.

 측정된 쇳물의 열물성은 새로운 철강 제품 개발 시 제조기준을 확립하고, 철강 양산재 표면의 결함을 방지하는 중요한 정보이다.

이 기술로 얻어진 물성 연구는 철강생산의 연속 주조 시 쇳물의 초기 응고 단계에서 물성 변화로 인해 철강 표면이 터지는 공정상의 문제 해결뿐만 아니라 불량 감소에도 기여해 연간 수 십 억 원 이상의 생산비용 절감 효과를 가져 올 것으로 기대된다. 또한 철강소재의 열물성을 측정함으로써 중탄강 신강종 개발에 큰 도움이 될 전망이다.

연구팀이 활용한 정전기 공중부양 기술은 전기장을 걸어 고체를 공중에 띄우고 레이저를 이용해 고체를 가열한다. 고체는 공중부양 된 상태에서 점차 온도가 올라가 마치 태양과 같은 빛을 발산하며 액체로 변한다.

이 때 비접촉식으로 공중에 부양된 고온의 액체 물성을 측정한다. 일반적으로 초고온에서는 실험 대상 재료와 재료를 담은 용기와의 반응, 이를 통한 불순물 유입 또는 오염이 발생하지만 이 기술은 이러한 문제를 원천적으로 방지할 수 있어 초고온에서 재료의 순수한 물성 측정이 가능하다.

이번 기술을 통해 초고온에서의 금속, 합금, 세라믹, 반도체 등의 물성 측정 및 신소재 개발할 수 있다. 또한 과냉각의 극한환경 하에서의 새로운 물리적 현상 규명을 통해 과학기술 발전에 선도적 역할을 수행할 수 있다.

공중부양장치는 유사 우주환경을 발생시켜 우주환경에서 일어날 수 있는 상황을 사전에 실험을 할 수 있다. 따라서 천문학적 비용이 소요될 것으로 예상되는 생물, 물리, 화학, 재료, 기계 등의 우주실험을 효과적으로 수행하는데 밑거름이 될 것으로 기대된다.

이미 NASA(미국), ESA(유럽연합), JAXA(일본) 등 세계 선진국의 항공우주국에서는 항공우주, IT, 철강, 핵융합로 및 원자로 산업에 필요한 수 백 에서 수 천 oC 의 초고온에 견디는 초내열강 물질을 공중부양 장치를 이용해 개발하고 있다. 이는 다가올 우주관광시대에 이용될 우주왕복선과 초음속 항공기의 비행 및 제트엔진 개발, 그리고 기간산업의 발전을 위해 필수적이다.

- 일본은 물질의 순도 및 성능을 감소시키는 용기를 제거하기 위해 공중부양을 통한 온도 상승 기술을 현재 약 4,000 ℃까지 확보했다.

이근우 박사는 “포스코의 초고온 철강소재의 물성 측정 기술 개발 과제를 수행하면서 얻어진 경험을 바탕으로 초고온 재료의 물질 특성에 관한 정보를 구축해 일부 선진국이 독점하고 있는 재료 정보를 자체적으로 확보할 수 있을 것”이라며 “앞으로 철강 소재 뿐 아니라, 신소재 분야의 발전 및 경쟁력 향상에 기여할 것”이라고 말했다.

관련 기술 개발을 통해 앞으로 다양한 비접촉식 탐침 기술(X-ray, neutron, raman, 등)의 개발과 항공우주, 철강, 군사, 의료 및 스포츠 산업에 필요한 첨단소재의 발달에 큰 영향을 미칠 것으로 예상된다. 또한 연구팀은 재료의 비접촉식 측정연구 기반을 확립하기 위해 레비테이션 센터 건립을 목표로 연구활동을 수행하고 있다.
정우택 기자