3D 프린팅 소재 분야에서 알루미나 분말의 획기적인 발전
노스웨스턴 폴리테크닉 대학의 연구실로 들어가면서, 광중합3D 프린터 윙윙거리는 소리가 살짝 들리고, 레이저 빔은 세라믹 슬러리 속에서 정밀하게 움직입니다. 불과 몇 시간 후, 미로처럼 복잡한 구조를 가진 세라믹 코어가 완전히 공개되었습니다. 이 코어는 항공기 엔진의 터빈 블레이드를 주조하는 데 사용될 예정입니다. 이 프로젝트를 담당하는 수하이쥔 교수는 이 섬세한 부품을 가리키며 이렇게 말했습니다. "3년 전만 해도 이런 정밀함은 상상도 못 했습니다. 핵심적인 돌파구는 이 눈에 띄지 않는 알루미나 분말 속에 숨겨져 있습니다."
옛날에는 알루미나 세라믹이 이 분야의 '문제학생'과 같았습니다.3D 프린팅– 고강도, 고온 내성, 우수한 절연성을 지녔지만, 일단 인쇄가 시작되자 많은 문제가 발생했습니다. 기존 공정에서는 알루미나 분말의 유동성이 낮아 프린트 헤드를 막는 경우가 많았습니다. 소결 시 수축률이 최대 15~20%에 달할 수 있으며, 아무리 공들여 인쇄한 부품이라도 소각하면 변형되고 갈라집니다. 복잡한 구조는 더욱 사치스러운 일입니다. 엔지니어들은 "이건 마치 고집 센 예술가처럼, 엉뚱한 아이디어는 많지만 손이 부족한 것 같아."라고 걱정합니다.
1. 러시아 공식: "세라믹 갑옷"을 착용알류미늄행렬
전환점은 재료 설계의 혁명에서 시작되었습니다. 2020년, 러시아 국립과학기술대학교(NUST MISIS)의 재료 과학자들은 혁신적인 기술을 발표했습니다. 단순히 산화알루미늄 분말을 혼합하는 대신, 고순도 알루미늄 분말을 오토클레이브에 넣고 수열 산화법을 사용하여 각 알루미늄 입자 표면에 정밀하게 조절 가능한 두께의 산화알루미늄 필름 층을 "성장"시켰습니다. 마치 알루미늄 공에 나노 수준의 보호막을 씌우는 것과 같습니다. 이 "코어-쉘 구조" 파우더는 레이저 3D 프린팅(SLM 기술)에서 놀라운 성능을 보여줍니다. 순수 알루미늄 소재보다 경도가 40% 높고 고온 안정성이 크게 향상되어 항공기 등급 요건을 충족합니다.
프로젝트 리더인 알렉산더 그로모프 교수는 생생한 비유를 들었습니다. "과거에는 복합소재가 샐러드와 같았습니다. 각각이 제 역할을 다했지만, 우리의 분말은 샌드위치와 같습니다. 알루미늄과 알루미나는 서로 겹겹이 붙어서 서로가 없으면 안 됩니다." 이러한 강력한 결합력 덕분에 복합소재는 항공기 엔진 부품과 초경량 차체 프레임에서 그 위력을 발휘할 수 있으며, 심지어 티타늄 합금의 영역에 도전장을 내밀기 시작했습니다.
2. 중국 지혜: 도자기를 '세팅'하는 마법
알루미나 세라믹 프린팅의 가장 큰 난점은 소결 수축입니다. 점토로 만든 인형을 조심스럽게 반죽했는데, 오븐에 넣자마자 감자 크기로 줄어든다고 상상해 보세요. 얼마나 줄어들까요? 2024년 초, 노스웨스턴 폴리테크닉 대학교 수하이쥔 교수 연구팀은 재료과학기술저널(Journal of Materials Science & Technology)에 발표한 연구 결과를 통해 업계에 큰 반향을 일으켰습니다. 수축률이 0.3%에 불과한, 거의 제로에 가까운 알루미나 세라믹 코어를 개발했습니다.
비결은 추가하는 것입니다알루미늄 분말알루미나에 넣어 정밀한 "분위기 마법"을 부리세요.
알루미늄 분말 추가: 세라믹 슬러리에 미세 알루미늄 분말 15%를 혼합합니다.
분위기 조절 : 알루미늄 분말의 산화를 방지하기 위해 소결 초기 아르곤 가스 보호 사용
스마트 스위칭: 온도가 1400°C로 상승하면 대기를 갑자기 공기로 전환합니다.
현장 산화: 알루미늄 분말은 즉시 물방울로 녹아 산화 알루미늄으로 산화되고 부피 팽창은 수축을 상쇄합니다.
3. 바인더 혁명: 알루미늄 분말이 "보이지 않는 접착제"로 변신
러시아와 중국 팀이 분말 개질에 심혈을 기울이는 동안, 알루미늄 분말을 결합제로 사용하는 또 다른 기술 개발이 조용히 진행되고 있습니다. 전통 세라믹3D 프린팅바인더는 대부분 유기 수지로, 탈지 과정에서 연소되면 구멍이 생깁니다. 2023년 한 국내 연구팀이 특허를 취득한 것은 알루미늄 분말을 수성 바인더로 만드는 다른 접근 방식입니다.
인쇄 과정에서 노즐은 50~70% 알루미늄 분말을 함유한 "접착제"를 산화 알루미늄 분말 층에 정확하게 분사합니다. 탈지 단계에서는 진공을 유도하고 산소를 통과시켜 알루미늄 분말을 200~800°C의 온도에서 산화 알루미늄으로 산화시킵니다. 20% 이상의 부피 팽창 특성 덕분에 기공을 적극적으로 메우고 수축률을 5% 미만으로 낮출 수 있습니다. 한 엔지니어는 "비계를 해체하고 동시에 새 벽을 쌓는 것과 같습니다. 마치 자신의 구멍을 메우는 것과 같습니다!"라고 설명했습니다.
4. 입자의 예술: 구형 분말의 승리
알루미나 분말의 "외관"은 예상치 못하게 획기적인 발전의 열쇠가 되었습니다. 이 외관은 입자 모양을 의미합니다. 2024년 "Open Ceramics" 저널에 게재된 한 연구는 용융 증착(CF³) 인쇄에서 구형 및 불규칙형 알루미나 분말의 성능을 비교했습니다.5
구형 분말 : 고운 모래처럼 흐르고, 충진율이 60%를 넘으며, 인쇄가 매끄럽고 매끈합니다.
불규칙한 가루 : 굵은 설탕처럼 붙어 있고 점도가 40배나 높아 노즐이 막혀 생명을 의심케 함
더 좋은 점은, 구형 분말로 인쇄된 부품의 밀도가 소결 후 89%를 쉽게 초과하고 표면 마감도 기준을 충족한다는 것입니다. "요즘 누가 '못생긴' 분말을 쓰나요? 유동성이 전투 효율을 좌우합니다!" 한 기술자가 미소를 지으며 결론지었습니다.
미래 : 별과 바다가 작고 아름다운 공존
알루미나 분말의 3D 프린팅 혁명은 아직 끝나지 않았습니다. 군수 산업은 터보팬 블레이드 제조에 거의 제로 수축 코어를 적용하는 데 앞장서고 있으며, 생체 의학 분야는 생체 적합성에 주목하여 맞춤형 뼈 임플란트를 인쇄하기 시작했습니다. 전자 산업은 방열 기판을 목표로 삼았습니다. 결국 알루미나의 열전도성과 비전기적 전도성은 대체할 수 없는 특성이기 때문입니다.