생산기술연구원, 세계 최초로 나노 질화기술 개발
질화(窒化)란 철강 표면에 질소를 확산시켜 표면층을 경화하는 열표면처리 공정으로, 강도와 내마모성을 향상시키고 변형을 최소화하기 위해 반드시 거쳐야 할 공정이다.
김 박사팀은 고진공 하에서 고밀도의 플라즈마 에너지를 발생시키는 방법으로 나노 크기의 질화물을 제품 표면에 생성하는 데 성공했다. 이 경우 원자 상태로 이온화된 질소에 의한 질화방법이라는 점 때문에 ‘ATONA(Atomic Nitriding)’라는 이름이 붙었다. 기존 플라즈마 질화방법으로는 처리 후 1~2 마이크로미터 크기의 결정립을 보이는 데 반해, ATONA 처리 후의 미세조직은 10~50 나노미터 크기의 결정립을 보인다는 것이 가장 큰 차이점이다.
나노 크기의 질화가 진행된다는 것은 넓은 표면적에도 질소가 깊고 빠르게 흡착된다는 것을 의미한다. 따라서 질화 시간을 단축하면서도 철강 내부의 경도 저하 없이 높은 품질의 열처리를 할 수 있다. 또한 처리 뒤에도 색상 및 가공 면의 변화가 없어 코팅 등 후가공을 하기도 쉽다.
김성완 박사는 “ATONA는 열처리 원천기술을 혁신했다는 점에서 의미가 크다”며, “이 기술을 응용하면 금형 공구의 신속 정밀한 처리 및 자동차 부품의 저온 처리가 가능해져 관련 부품의 국제 경쟁력을 대폭 향상시킬 수 있을 것”이라고 밝혔다. 특히 품질 향상에 더해 자동차 부품 및 정밀 기계 부품의 제조 단가를 크게 낮출 수 있어 벌써부터 관련 중소기업들의 관심이 높다.
더불어, 연구팀은 열처리가 기계 부품 분야의 핵심 제조공정인 만큼 해당 기술이 확산되면 이 분야의 경쟁국인 일본과 중국을 거뜬히 따돌릴 수 있을 것으로 전망하고 있다. 자동차 부품만 하더라도 전체 공정의 37%에 이를 만큼 열처리의 비중이 높기 때문이다.
연구팀은 또 이 기술을 응용해 자동차 피스톤링, 습동 부품, 에어컨 베인 등에 밀착력이 높으면서도 마찰계수가 낮은 DLC(Diamond Like Carbon)라는 윤활 코팅을 간단하게 처리, 양산화를 앞두고 있다.
ATONA를 활용하면 ‘꿈의 신소재’로 불리는 탄소나노튜브(그림 3. 별첨 설명 참조) 양산도 앞당길 수 있을 것으로 보인다. ATONA 처리 후 질소를 환원시키고, 바로 암모니아가스 등 탄소를 함유한 기체를 투입하면 철강 표면에 남은 순철(純鐵)을 촉매로 한 탄소나노튜브가 만들어지기 때문이다. 이 같은 방법으로 철강 표면에 형성되는 탄소나노튜브를 실용화하는 것 역시 세계 최초가 될 전망이다. 현재는 탄소나노튜브의 높은 열전도 특성을 살려 스테인리스 열교환기의 히트싱크, 자동차의 브레이크 디스크 등에 활용하는 실험을 진행 중이다.
[참고자료] 탄소나노튜브(CNT ; Carbon Nanotube)
탄소나노튜브는 탄소 6개로 이뤄진 육각형들이 서로 연결돼 관 모양을 이루는 원통(튜브) 형태의 신소재. ’91년 일본 NEC 연구소의 이지마 박사가 발견한 이후 미래 신소재로 각광받고 있다. 관의 지름이 수~수십 나노미터에 불과한 나노기술의 핵심으로, 전기 전도도는 구리와 비슷하고 열전도율은 자연계에서 가장 뛰어난 다이아몬드와 같으며, 강도는 철강보다 100배 가량 뛰어나다. 이러한 특성상 ‘21세기 나노기술의 보석’으로 불리며 일상용품에서 반도체에 이르기까지 일대 소재 혁명을 이룰 것으로 전망되고 있다.
한국생산기술연구원 개요
한국생산기술연구원은 산업계 중 소규모 및 중견기업 지원을 위해 설립된 정부 출연 종합연구기관이다. 흔히 약칭인 '생기원‘으로 불린다. 1989년 10월 설립됐으며 1999년 1월 국무총리실 소속 산업기술연구회로 이관되고, 부설기관인 산업기술정책연구소·산업기술시험평가연구소·산업기술교육센터와 산하기관인 전자부품종합기술연구소가 각각 독립했다. 산업기술연구회가 2004년 과학기술부, 2008년 지식경제부로 이관함에 따라 주무부처가 변경되었다.
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