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인공지능이 개발하는 합금소재 연구실! 재료 Autonomous Lab

우리가 일상에서 사용하는 금속들은 대부분 여러 원소를 혼합하여 만든 합금입니다. 하지만 현재의 합금 개발 방식은 주로 연구자의 경험과 직관에 의존하고 있어, 합금이 지닌 잠재적인 물성 중 극히 일부분만을 활용하고 있는 실정입니다. 최근 이러한 한계를 극복하기 위해 인공지능 기술이 도입되고 있으나, 학습에 필요한 고품질의 데이터가 턱없이 부족하여 신뢰성 확보에 큰 어려움을 겪고 있습니다. 새로운 합금 하나를 개발하는 데 드는 막대한 시간과 비용은 데이터 축적의 속도를 늦추는 주요 원인이 되고 있습니다. 한국재료연구원의 재료인공지능·빅데이터연구실은 이러한 데이터 부족 문제를 해결하기 위해 '오토노머스 랩'이라는 혁신적인 시스템을 구축하고 있습니다. 오토노머스 랩은 기존의 대규모 합금 제조 공정을 실험실 규모로 축소한 초소형 자동화 시스템입니다. 소재의 투입부터 최종 시험 분석에 이르는 모든 과정이 사람의 개입 없이 인공지능에 의해 유기적으로 수행되는 것이 특징입니다. 이를 통해 소재 개발의 패러다임을 경험 중심에서 데이터 중심으로 전환하여 소재 산업의 질적 도약을 꾀하고 있습니다. 오토노머스 랩의 첫 단계는 인공지능이 제시한 최적의 조성에 따라 원소재를 정밀하게 투입하고 용해하는 과정입니다. 자동 용해 샘플러가 합금재를 제작하면, 로봇 팔이 이를 이어받아 압연 공정으로 전달합니다. 자동 압연기에서는 인공지능의 지시에 따라 가열과 압연이 정밀하게 이루어지며, 냉간 및 열간 압연을 모두 지원하여 다양한 공정 조건에서의 데이터를 생성합니다. 이 과정은 소재의 미세 구조를 결정짓는 핵심 단계로, 인공지능의 정교한 제어를 통해 높은 실험의 재현성을 확보할 수 있습니다. 제조된 합금은 레이저 자동 시편 가공기를 통해 분석에 적합한 형태로 신속하게 가공됩니다. 이후 다목적 자동 시험기로 옮겨져 인장, 압축, 충격, 경도 등 소재의 종합적인 물성을 평가받게 됩니다. 모든 시험 결과는 즉시 데이터베이스화되어 인공지능에게 전달되며, 인공지능은 이를 바탕으로 더욱 진화된 시험 설계를 도출합니다. 이러한 선순환 구조는 인공지능 학습에 필수적인 고신뢰성 데이터를 효율적이고 빠르게 축적할 수 있게 해주는 핵심 동력으로 작용하며 전체 시스템의 완성도를 높입니다. 오토노머스 랩은 365일 24시간 쉬지 않고 가동되며 인간의 물리적 한계를 뛰어넘는 효율성을 보여줍니다. 최소한의 재료만을 사용하여 목적에 부합하는 최적의 데이터를 생성하기 때문에 시간과 비용을 획기적으로 절감할 수 있습니다. 결과적으로 단기간 내에 방대한 양의 학습 데이터를 확보함으로써 인공지능 소재 개발의 신뢰성을 극대화할 수 있습니다. 이러한 기술적 도약은 국내 소재 산업의 글로벌 경쟁력을 강화하고 미래 첨단 소재 시장을 선도함으로써 국가 경제 발전의 든든한 밑거름이 될 것입니다.

한국재료연구원

화학
융합
공학·기술

고강도 고방열 알루미늄 주조재 소재

현대 기계 설비와 전자기기에서 발생하는 열을 효율적으로 관리하는 '고방열' 기술은 기기의 성능 향상은 물론 수명을 결정짓는 핵심적인 요소로 자리 잡았습니다. 일반적으로 방열 부품은 열전도도가 우수한 알루미늄 합금을 사용하여 제작되는데, 가공 방식에 따라 그 특성이 크게 달라집니다. 단조나 압연을 거치는 가공재는 성능이 뛰어나지만 제작 비용이 높고, 주물로 형태를 만드는 주조재는 가격이 저렴한 대신 열전도도가 낮다는 고질적인 한계가 있었습니다. 이러한 성능과 경제성 사이의 상충 관계는 고성능 방열 부품을 대중화하는 데 있어 반드시 극복해야 할 주요한 기술적 장벽으로 작용해 왔습니다. 한국재료연구원 조용희 박사팀은 기존 주조재가 가진 열전도도의 한계를 극복한 새로운 알루미늄 합금 소재인 'KIMS-NDP1'을 개발하며 혁신적인 해법을 제시했습니다. 이 소재는 저실리콘 계열의 합금으로, 강도와 주조성 그리고 높은 열전도도를 동시에 확보한 것이 가장 큰 특징입니다. 기존의 대표적인 주조용 합금인 A356 이상의 성형성을 유지하면서도, 가공재인 A6061 수준의 뛰어난 열전도 성능을 실제로 구현해 냈습니다. 이는 그동안 고가의 정밀 가공 방식에만 의존해야 했던 고성능 방열 부품 시장에 저비용과 고효율을 모두 잡은 새로운 기술적 대안을 제시한 성과로 큰 주목을 받고 있습니다. 연구팀은 합금의 유동성을 확보하기 위해 사용되던 실리콘 함량을 3% 이하로 과감히 줄이는 대신 니켈을 첨가하는 독창적인 설계를 도입했습니다. 니켈은 알루미늄 결정 구조에 직접 녹아 들어가지 않고 고유의 공정 조직을 형성하여, 금속이 응고되는 과정에서 최적의 유동성을 제공해 주조성을 높여줍니다. 덕분에 복잡한 형상의 주조가 원활해질 뿐만 아니라, 열이 이동하는 통로가 방해받지 않아 매우 높은 방열 성능을 유지할 수 있게 되었습니다. 여기에 미량의 철을 추가하여 주조된 형상이 형틀에서 매끄럽게 분리되도록 개선함으로써, 실제 제조 현장에서의 양산 효율성과 산업적 활용도를 극대화하는 데 성공했습니다. 이번 연구 성과는 완전히 새로운 신소재 개발에만 그치지 않고, 기존 상용 합금의 성능을 한 단계 끌어올리는 공정 제어 기술로도 확장되었습니다. 액상 합금에 초음파 처리나 열에너지와 같은 외부 에너지를 정밀하게 공급하여 결정 조직을 미세하게 제어하는 기술을 적용한 것입니다. 이를 통해 주조성과 방열성, 그리고 소재의 강도라는 서로 상반되는 특성들을 하나의 합금 안에서 완벽하게 조화시킬 수 있었습니다. 실제로 제조 현장의 가압 주조 공정 시험을 성공적으로 통과하며 상용화 가능성을 충분히 입증한 이 기술은, 특히 전기차 파워트레인 하우징처럼 고강도와 고전도성이 동시에 요구되는 차세대 핵심 부품 분야에 최적화되어 있습니다. 새로운 알루미늄 합금 기술은 탄소 중립 시대의 요구에 발맞추어 자원 재활용 효율성 측면에서도 독보적인 가치를 지닙니다. 보통 주조 소재를 재활용할 때 불순물로 섞여 들어오는 철 성분은 소재의 연성과 열전도도를 떨어뜨리는 원인이 되지만, 이번 기술은 생성상 제어를 통해 철 조직을 미세화함으로써 오히려 우수한 물성을 유지하게 합니다. 100% 재활용이 가능한 이 기술은 경제적 이익뿐만 아니라 환경적 책임까지 동시에 만족시키는 신개념 주조 소재 기술입니다. 앞으로 LED 조명부터 각종 가전 설비, 그리고 급성장하는 전기자동차 시장에 이르기까지 폭넓은 분야에서 국내 제조 산업의 경쟁력을 획기적으로 강화할 것입니다.

한국재료연구원

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합금의 강도와 상반특성 동시 향상 기술

금속 재료는 형태를 유지하기 위해 기본적으로 높은 강도가 요구되지만, 강도를 높이려는 시도는 흔히 연성이나 전기 전도도 같은 상반된 특성을 저하시키는 결과를 초래합니다. 특히 전력을 전달하는 구리 합금은 높은 전기 전도도가 필수적이며, 구조용 알루미늄 합금은 외부 충격에도 견딜 수 있는 인성을 동시에 갖추어야 합니다. 이처럼 서로 충돌하는 성질인 강도와 인성, 전기 전도도를 모두 향상시키는 기술은 재료 공학 분야에서 해결해야 할 궁극적인 목표이자 기술적 난제로 여겨져 왔습니다. 합금의 강도를 높이기 위해 널리 사용되는 석출 강화 원리는 금속 기지에 미세한 석출상을 균일하게 분포시키는 방식입니다. 석출상의 크기가 작고 간격이 좁을수록 강화 효과가 커지는데, 이는 석출을 진행하는 힘과 이를 방해하는 계면 에너지의 균형에 의해 결정됩니다. 최근에는 양자역학 기반 설계를 통해 계면 에너지를 낮추는 최적의 원소를 탐색하고 조절하는 기술이 개발되었습니다. 이를 통해 석출상의 분포를 제어함으로써 열적 안정성을 확보하고 고강도 합금을 구현할 수 있는 토대가 마련되었습니다. 이번에 개발된 기술은 단순한 석출 강화를 넘어 불연속 석출 구조를 가공 공정과 결합하여 강도와 연성을 동시에 높이는 새로운 패러다임을 제시합니다. 일반적인 석출상이 가공 방향으로 배열되는 것에 그치는 반면, 새로운 구조는 취성이 있음에도 연신되는 특성을 보여 비철 합금 전반에 적용이 가능합니다. 특히 기존의 생산 장비와 공정을 그대로 활용할 수 있어 경제적 가치가 매우 높으며, 향후 전기차나 경량 자동차, 고강도 커넥터 부품 등 다양한 첨단 산업 분야에서 핵심적인 역할을 할 것으로 기대됩니다.

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