AI 설계 3D 프린팅 강철: 초고강도 및 녹 방지

강철은 현대 문명의 핵심 재료 중 하나입니다. 그 내구성, 연성 및 높은 강도는 제조, 운송, 건설 및 에너지 등 우리 생활의 거의 모든 측면에서 필수적입니다.

흥미롭게도, 강철은 품질, 강도 또는 구조적 무결성을 잃지 않고 완전히 재활용할 수 있어 지속 가능한 경제 발전에 중요합니다.

2025년에 전 세계는 총 1,849.4 Mt (백만 톤)의 원강을 생산했으며, 전년 대비 1,882.6 Mt에서 감소했습니다. 데이터에 따르면 중국이 가장 큰 강철 생산국이며, 인도와 미국이 그 뒤를 잇고 있습니다.

전 세계 수백만 명을 고용하는 강철 산업은 주요 경제 동력 역할을 합니다.

그렇다면 정확히 무엇일까요? 강철은 합금, 즉 두 개 이상의 원소가 혼합된 물질입니다. 구체적으로, 강철은 금속 원소인 철(Fe)과 소량의 비금속 탄소(C) 및 망간(Mn), 인(P), 황(S), 실리콘(Si), 산소(O), 크롬(Cr), 니켈(Ni) 등 추가 원소를 포함하여 재료의 강도, 인성 및 내식성을 향상시킵니다.

따라서 강철은 하나만 있는 것이 아니라, 화학적·물리적 특성이 다양한 수백 가지 등급이 존재합니다.

강철 생산 방식으로는 고로‑산소전로(BF‑BOF)와 전기로(EAF) 방식이 일반적으로 사용됩니다. 두 방식의 주요 차이는 사용하는 원료 유형에 있습니다.

BF‑BOF 방식은 주로 철광석, 석탄 및 재활용 강철을 사용하고, EAF 방식은 주로 재활용 강철과 전기를 활용합니다.

지난 수십 년간 강철 산업은 환경 오염 감소를 위해 상당한 노력을 기울였지만, 철광석으로부터 강철을 생산하는 기존 주류 방식은 여전히 환원제로 화석 연료에 의존하고 있습니다. 그러나 파일럿 및 상업 규모 시설에서 새로운 기술을 도입함으로써 저탄소 강철 생산으로의 전환이 진행되고 있습니다.

게다가 과학자들은 기존보다 훨씬 우수한 특성을 가진 친환경 강철을 지속적으로 개발하고 있습니다.

예를 들어, 고급 고강도 강철(AHSS) 또는 초고강도 강철(UHSS)로 분류되는 초강력 강철은 항복강도가 550~1000 MPa를 초과합니다. 이러한 강철에 대한 연구는 경량화, 안전성 향상 및 내구성 강화를 통해 효율성을 높이고 탄소 발자국을 줄이려는 산업계의 요구에 의해 추진됩니다.

이러한 강철을 구현하기 위해 과학자들은 합금의 나노 규모 구조를 조작하는 경향이 있습니다.

약 10년 전, 포항공과대학교 팀이 강철 합금을 발명¹했으며, 이는 티타늄과 동일한 강도 대비 중량 비율을 가지고 있어 미사일, 제트 엔진, 우주선 및 의료 임플란트 등에 사용되는 초강력 금속이지만 비용은 10분의 1에 불과했습니다.

그 후 몇 년 전, 로스앤젤레스 버클리 국립 연구소와 홍콩 대학의 과학자들은 “전이 유도 플라스티시티와 결합된 박리 강화”를 활성화하여 초강력 강철을 만들었습니다.

과학자들은 또한 고습 환경에서 구조적 파손을 방지하고 내구성을 보장하는 방청 강철 개발에도 힘쓰고 있습니다.

이는 강철이 녹에 매우 취약하기 때문입니다. 습기와 산소에 노출되면 원래 형태인 산화철로 되돌아갑니다. 이를 해결하기 위해 페인트나 아연 도금과 같은 다양한 보호 코팅이 사용됩니다. 크롬과 니켈을 첨가해 스테인리스강을 만들면 부식에 훨씬 강하지만, 특정 가혹한 조건에서는 여전히 녹이 발생할 수 있습니다.

과학자들은 이제 인공지능(AI)의 도움으로 새로운 합금을 개발했으며, 이 합금은 금속의 강도를 30% 증가시키고 연성을 두 배로 늘리며 방청성을 부여했습니다. 또한, 이 초강력 강철은 3D 프린팅이 가능합니다.

첨가 제조가 강철 혁신의 게임 체인저

이 과정에서는 디지털 모델을 기반으로 재료를 층층이 추가하여 3D 물체를 제작합니다. 플라스틱, 폴리머, 금속 등 다양한 재료를 활용합니다.

연구자와 기업에게 3D 프린팅 기술의 가장 큰 장점은 속도입니다. 빠른 프로토타이핑은 비용을 절감하고 개발 주기를 가속화하며 반복 작업을 가능하게 합니다.

또한, 3D 프린팅은 소량 생산에 가장 비용 효율적인 제조 공정으로, 고가의 기계와 숙련된 기술자를 필요로 하지 않으며, 부품을 처음부터 제작하기 때문에 폐기물도 크게 줄어듭니다.

또한, 다중 재료를 사용해 독특하고 복잡하며 맞춤형 부품을 만들 수 있는 유연성이 있습니다. 3D 프린팅의 단계별 조립은 일관성과 높은 품질을 보장합니다.

지속 가능성 역시 3D 프린팅의 큰 장점입니다. 전체 제품을 자체적으로 개발함으로써 외주 의존도를 낮출 수 있습니다.

강철 제조업체에게 이 제조 기술은 개발 시간과 재료 폐기물을 크게 줄이며, 사내에서 실험하고 프로토타입 테스트를 신속히 수행할 수 있게 합니다. 또한 엔지니어가 새로운 합금 조성을 빠르게 검증하고 성능을 최적화하며, 전통적인 금형이나 외주 가공에 의존하지 않고 설계에서 생산으로 전환할 수 있습니다.

전통적인 제조 기술과 비교할 때, AM 특별한 특성을 가지고 있습니다², 예를 들어 층별 적층, 재료 상호작용, 높은 냉각 속도 및 순환 가열. 이러한 특징은 미세한 입자, 고밀도 전위, 금속‑셀 구조 및 상 조성을 포함하는 독특한 미세구조를 형성하여 초고강도 강철에 뛰어난 기계적 특성을 부여합니다.

초고강도 및 연성 강철(UHSDS)을 3D 프린팅할 경우, 뛰어난 기계적 특성을 바탕으로 항공우주, 자동차 제조 및 해양 운송 분야에서 큰 적용 가능성을 보여왔습니다.

하지만 최신 국제 연구에 따르면, 니켈(Ni), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo) 등 고함량의 비싼 합금 원소와 복잡한 열처리가 필요하고 내식성이 낮아 엔지니어링 적용이 크게 제한되고 있습니다.

머신러닝은 이러한 제약을 극복할 수 있는 방법을 제공합니다. 2020년 미국 공군과 텍사스 A&M 대학의 과학자들은 초고강도 강철 3D 프린팅 가능성을³ 레이저를 이용해 강철 분말을 녹이는 방식으로 입증했습니다. 그들은 Eagar‑Tsai 모델을 사용해 레이저 설정을 최적화하고 프린팅 결함을 감소시켰으며, 인쇄된 샘플은 최대 1.4 GPa의 인장 강도를 보여 현재까지 보고된 3D‑프린팅 합금 중 가장 높은 수치를 기록했습니다.

머신러닝을 활용해 고성능 강철 조성 및 가공 파라미터를 최적화하는 데는 조성‑가공‑특성(CPP) 모델과 같은 다양한 모델링 접근법이 사용됩니다. 그러나 CPP‑ML 모델은 데이터셋 품질에 높은 요구를 갖고 있어, 물리 금속학(PM) 모델, CALPHAD 및 물리화학 특성(PF) 스크리닝에서 도출된 중간 변수를 통합한 CPIP‑ML 모델이 이를 완화합니다.

최신 연구에 따르면, UHSDS의 다성분 복잡성은 PM 기반 ML과 CALPHAD 결합 ML 최적화 모두에 도전을 제시합니다. 따라서 남중국대와 퍼듀 대학 연구진은 비용 효율적인 UHSDS 개발을 위해 PF‑ML 전략을 채택했습니다.

녹이 전혀 발생하지 않는 초강력 3D 프린팅 강철

국제 저널 International Journal of Extreme Manufacturing⁴에 발표된 바와 같이, 연구진은 81개의 물리화학적 특성을 활용하는 ‘해석 가능한 머신러닝’ 모델을 구축했습니다.

AI가 조합을 추측하도록 하는 대신, 팀은 원자 반경 및 전자 거동과 같은 특정 특성을 분석하도록 하여 초고강도이며 방청성, 3D 프린팅이 가능한 합금을 만들었습니다.

이 재료는 모델이 합금이 3D 프린팅 과정에 어떻게 반응하는지도 분석함으로써, 3D 프린팅 전용으로 개발되었습니다.

“이 전략은 발견 과정을 크게 가속화했으며, 뛰어난 내식성을 가진 UHSDS를 저비용·단축 공정으로 첨가 제조할 수 있게 하여 현재 첨가 제조 강철의 핵심 제한점을 극복했습니다.”라고 연구진은 서술했습니다.

초고강도·연성 강철(UHSDS)을 만들기 위해, 팀은 먼저 특징을 선별하여 재료의 최종 인장 강도(UTS), 항복 강도(YS) 및 연신율(EL)에 영향을 미치는 핵심 특성을 파악했습니다.

그 후, 게임 이론에 기반한 해석 가능한 Shapley additive explanation(SHAP) 알고리즘을 사용해 원소가 이러한 특성에 미치는 영향을 규정하는 명시적 규칙을 도출했습니다. 이어서 평가 기준과 분석 결과를 결합해 강도와 연성을 동시에 향상시킬 수 있는 합금 원소를 식별했습니다.

마지막으로, 팀은 NSGA‑III(비우위 정렬 유전 알고리즘)를 활용해 원소 함량과 열처리 파라미터를 최적화했습니다. 그 결과, 간단한 단일 단계 템퍼링 처리로 구현된 새로운 저비용 UHSDS가 설계되었습니다.

연구를 통해 팀은 PF‑ML 방법론을 이용해 UHSDS를 첨가 제조하는 새로운 전략을 개발했으며, 비용 절감, 공정 단순화 및 성능 향상을 달성했습니다.

알고리즘이 만든 금속 조성은 Fe‑15Cr‑3.2Ni‑0.8Mn‑0.6Cu‑0.56Si‑0.4Al‑0.16C입니다. 이 철‑크롬 혼합물은 구리, 실리콘, 알루미늄과 같은 저비용 원소를 소량 정확히 첨가해 이상적인 내부 구조를 형성하도록 알고리즘이 계산했습니다.

이 금속은 레이저 직접 에너지 증착(LDED) 기술로 3D 프린팅된 뒤, 480 °C에서 6시간 단일 단계 열처리를 거쳤으며, 기존 첨가 제조 UHSDS보다 우수한 결과를 보였습니다.

그 기계적 특성은 인장강도(UTS): (1,713 ± 17) MPa, 항복강도(YS): (1,502 ± 33) MPa, 연신율(EL): (15.5 ± 0.7)%를 보였습니다. 이는 AI 모델에 따르면 새롭게 설계된 재료가 약 1,713 MPa의 하중을 견딜 수 있음을 의미합니다. 이 성능은 원래 프린팅 상태 대비 약 30% 강도 증가를 나타냅니다.

또한 파단 전까지 15% 이상 연신될 수 있어 연성이 두 배가 됩니다.

레이저 파우더 베드 퓨전(LPBF) 프린터를 이용한 합금 테스트 결과, AI 예측이 정확하며 물리 실험과 완전히 일치함을 확인했습니다.

성능 메커니즘을 이해하기 위해 금속의 내부 구조를 조사한 결과, 짧은 열처리 과정에서 니켈‑알루미늄 및 구리 나노입자가 형성되어 구조적 결함이 확산되는 것을 차단함을 발견했습니다.

물리적 응력이 금속에 가해지면, 이러한 입자는 방해물 역할을 하여 파단에 필요한 힘을 크게 증가시킵니다. 동시에, 더 부드러운 상의 작은 포켓이 충격 흡수 역할을 하여 인장 하에서 파손을 방지합니다.

게다가 이 재료는 염수에서 0.105 mm·a⁻¹의 부식 속도를 보이며 뛰어난 내식성을 나타냅니다.

새로운 합금은 연간 0.105 mm만 감소하여 많은 일반 상업용 스테인리스강보다 우수한 성능을 보이므로, 특히 재료가 습기와 직접 접촉하는 해양 및 항공우주 분야에서 훨씬 넓은 적용 가능성을 가집니다.

저자들은 PF‑ML 설계 전략이 첨가 금속 제조를 진전시키는 경제적인 방법이며, 빠르게 강하고 맞춤형 방청 금속을 만들 수 있다고 믿습니다.

“이 연구는 저비용·공정 간소화된 UHSDS 개발에 새로운 통찰을 제공하며, 특히 레이저 가공을 통한 고부가가치 강철 부품의 뛰어난 종합 성능 구현에 큰 의미가 있을 것입니다.”라고 연구진은 밝혔습니다.

강철 혁신에 대한 투자

연구자들이 실험실에서 이러한 합금을 완성하고 있는 동안, Carpenter Technology와 같은 상업적 선두 기업은 고성능 3D 프린팅 파우더를 시장에 공급하기 위해 인프라를 이미 확장하고 있습니다.

첨단 강철 합금 분야에서 Carpenter Technology Corporation (CRE )은 특수 스테인리스강, 고성능 합금, 티타늄 및 니켈 기반 합금을 개발하는 가장 강력한 기업 중 하나로 돋보입니다. 이 회사는 3D 첨가 제조에 사용되는 파우더 합금을 전용으로 개발하며, 표준 및 맞춤형 파우더와 파우더 관리 하드웨어를 제공합니다.

이 제품들은 초고강도·내식성 3D 프린팅 강철이 가장 가치 있는 항공우주, 방위, 의료기기 및 에너지 분야에 공급됩니다.

회사는 Specialty Alloys Operations(SAO)와 Performance Engineered Products(PEP) 부문을 통해 운영됩니다.

Carpenter Technology의 주가 흐름을 보면, 지난 6년간 급격한 상승세를 보였습니다. 2020년 말 CRS는 $20 이하에서 거래되었으며, 2024년 중반에는 $100을 넘어섰습니다. 그러나 상승은 멈추지 않아 이번 주에 사상 최고가(ATH) $459에 도달했습니다.

이 급격한 재평가는 전통적인 원자재 강철 생산업체에서 고마진 특수 합금 사업으로 전환한 것이 주된 원인이며, 특히 항공우주 부문의 실적으로 SAO 부문이 주요 수익 엔진이 되었습니다.

작성 시점에 CRS는 $423.91에 거래되고 있으며, 연초 대비 34.64% 상승, 지난 1년간 122.26% 상승했습니다. 이는 회사 시가총액이 $21.115 억임을 의미합니다. EPS(TTM)는 8.60, P/E(TTM)는 49.26이며, 배당 수익률은 0.19%입니다.

Carpenter Technology는 2025년 12월 31일 종료된 2026년 2분기에 영업이익이 전년 대비 31% 증가한 $155.2 백만을 기록했다고 보고했습니다.

SAO 부문에 대한 기대는 “초과”했으며, 영업이익이 전년 대비 29% 상승한 $174.6 백만(역대 최고 분기)으로 조정 영업 마진 33.1%를 달성했습니다. 특히 상업용 항공우주 분야에서 예약이 23% 증가했으며, 다수의 장기 계약 협상이 완료되었습니다.

“분기 실적은 SAO 부문에 의해 주도되었으며, 조정 영업 마진이 지속적으로 확대되었습니다. 우리 항공우주 및 방위 최종 시장에 대한 수요는 고객이 가동률 상승에 대한 신뢰를 얻음에 따라 가속화되고 있습니다.”

– 회장 겸 CEO Tony R. Thene

이번 분기에 회사의 희석 주당 순이익은 $2.09였으며, 조정된 희석 주당 순이익은 $2.33이었습니다. 2Q26 순매출은 $728 백만이었고, 영업활동 현금 흐름은 $132.2 백만으로, 이익 증가와 운전자본 개선이 조정된 자유 현금 흐름을 $85.9 백만으로 끌어올렸습니다.

이러한 견고한 재무 구조와 의미 있는 조정 자유 현금 흐름을 바탕으로, 회사는 현재 자산 기반을 유지하고 $400 백만 규모의 브라운필드 설비 확장과 같은 고부가가치 성장 이니셔티브에 투자하는 균형 잡힌 자본 배분 방식을 취하고 있습니다. 이는 하류 마감 설비에 용융 용량을 추가해 장기 성장을 촉진합니다.

분기 말 기준, 회사는 총 $730.9 백만의 유동성을 보유했으며, 이는 현금 $231.9 백만과 이용 가능한 차입금 $498.9 백만으로 구성됩니다.

이 기간 동안 Carpenter Technology는 $400.0 백만 규모의 자사주 매입 프로그램 중 $32.1 백만을 사용해 자사주를 재매입했습니다.

Carpenter Technology는 또한 기존 부채를 조기 상환함으로써 $15.6 백만의 일회성 회계 손실을 보고했습니다. 회사는 원래 2028년 7월과 2030년 3월에 만기될 예정이던 선순위 무보증 채권을 보유하고 있었으나, 이를 기다리지 않고 조기 상환하기로 선택했습니다.

회사 또한 현재 분기와 2026 회계연도에 대한 가이던스를 발표했으며, 영업이익을 $177 백만~$182 백만, 매출을 각각 30~33% 증가시켜 $680 백만과 $700 백만으로 예상했습니다.

Carpenter Technology는 “우리의 광범위한 특수 솔루션 포트폴리오에 대한 강력한 시장 수요 전망, 생산성 향상, 제품 믹스 및 가격 전략 최적화를 통해 2027 회계연도 이후에도 지속적인 성장을 이룰 수 있는 좋은 위치에 있다”고 밝혔습니다.

최신 Carpenter Technology Corporation (CRE) 주식 뉴스 및 개발

결론

수세기 동안 강철은 동일한 방식으로 제조되어 왔습니다. 수십 년에 걸쳐 공정은 더 깨끗하고 효율적으로 개선되었지만, 접근 방식은 크게 변하지 않았습니다. 이제 AI 기반 설계와 3D 프린팅이 그 패턴을 완전히 깨고 있습니다.

초고강도 강철을 개발하려면 비용이 많이 드는 합금 원소, 긴 열처리 및 광범위한 시행착오 실험이 필요했으나, AI 기반 합금 설계는 3D 프린팅에 최적화된 더 강하고 연하며 내식성이 뛰어난 강철을 낮은 비용으로 만들 수 있게 하고 있습니다.

새롭게 개발된 방청 초강력 강철은 머신러닝이 핵심 특성 간의 오래된 트레이드오프를 해결하고 생산 공정을 단순화할 수 있음을 보여줍니다. 강도가 30% 증가하고 연성이 두 배가 되며 내식성이 뛰어나 이 혁신은 고부가가치 적용 분야에 큰 잠재력을 제공합니다.

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참고문헌

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