항공우주산학융합원(구 인천산학융합원)이 400W IR 레이저 기반의 PBF 방식 금속 3D 프린터로 순수구리분말을 활용한 금속 적층제조(AM) 최적 공정개발에 성공했다고 밝혔다.

구리는 우수한 전기전도도 및 열전도율을 가지고 있기 때문에 전자, 항공우주, 배터리, 자동차 등 다양한 산업에서 각광받고 있는 소재이다. 하지만 소재 특성 상 에너지 흡수율이 낮아 금속 적층제조에서 활용할 경우 분말의 용융이 어렵고, 반사율이 높아 일반 IR 레이저로 조사하게 되면 레이저 광학 미러에 손상을 줄 수 있다. 이런 특성으로 인해 업계에서는 생산하기 힘든 소재로 분류되어 왔다.

이를 해결하기 위해서 그동안은 구리 합금을 활용하여 순수 구리 대비 절감된 성능 수준에서 제작을 진행하거나, 파장이 상대적으로 짧은 그린(Green) 레이저를 활용하는 등 대체 방안을 마련하여 구리 제품을 생산해왔다. IR 레이저를 활용하더라도 1kW 급의 레이저 파워를 지닌 장비를 활용하면 생산이 가능했지만, 이 경우에는 상대적으로 고가의 장비를 활용해야 한다는 점이 걸림돌로 작용했다. 생산이 가능한 장비들도 대부분 파트를 생산할 수 있는 규격이 상대적으로 작다는 아쉬움이 있었다.

항공우주산학융합원은 이번 공정 개발을 통해 확보한 순수구리 시편을 토대로 분석을 진행한 결과 밀도 99.7%, 전기전도도 87% IACS를 달성했다고 밝혔다. 공정 개발에 활용한 장비는 GE의 M2 모델로, 400W 기반의 듀얼 IR 레이저를 가진 장비이다. 이 장비의 크기는 250mm×250mm이며, 높이 350mm까지 생산이 가능하다. 이를 통해 항공우주산학융합원은 범용적인 PBF DMLM 공정 기반 금속 3D 프린터의 400W IR 레이저로 중대형급 순수구리 부품 생산기술을 확보했다고 설명했다.

항공우주산학융합원은 이번 연구를 기반으로 밀도와 전기전도도를 한층 더 개선하는 연구를 진행할 예정이라고 밝혔다. 이 연구를 통해 인천 지역의 뿌리 산업을 신성장 동력 산업으로 도약시키는 생태계 조성은 물론, 신규 고용 창출과 해외 시장 진출에도 기여할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

항공우주산학융합원은 “범용성이 높은 장비와 출력이 작은 IR 레이저로 이정도의 밀도와 전기전도도를 확보했다는 것은 주목할 만한 성과라고 할 수 있다. 향후에는 열처리 조건 개선을 통해 전기전도도 역시 99% IACS 이상을 달성할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

인천시 항공과의 안광호 과장은 “금속적층제조는 형상 구현 자유도가 높은 방식이기 때문에, 기존의 기계가공으로 생산할 수 없던 많은 종류의 부품을 생산할 수 있다는 이점이 있다”면서, “다양한 곳에서 활용될 수 있는 순수구리를 금속 적층제조에 활용하여 생산할 수 있게된 점은 향후 항공우주산업 등 다양한 산업군의 발전을 한층 더 이뤄낼 수 있는 단초가 될 것이라 생각한다. 특히, UAM, 전기차 등 발전하는 친환경 미래 모빌리티 산업에 이바지할 수 있는 좋은 기회가 될 것”이라고 밝혔다.

항공우주산학융합원은 지난 2016년 산업통상자원부의 산학융합지구 사업을 기반으로 인천광역시가 항공 산업 육성을 위하여 인하대학교와 공동으로 설립한 비영리 사단법인이다. 최근에는 항공우주산학융합원으로 조직 명칭을 변경했다. 인천시는 금속 3D 프린팅 산업의 신규 비즈니스를 창출하고, 항공부품산업체 및 항공정비업체의 기업 역량 향상에 기여하며, 장기적으로 해외 항공부품물량 확보를 위한 기반을 구성할 수 있도록 항공우주산학융합원에 금속 3D 프린터 구매를 지원하였다.