새로운 Cr-Mo-Si 합금이 제트 엔진 열 한계를 재정의할 수 있다

연구원들은 매우 높은 온도 저항성을 가진 새로운 소재를 개발했으며, 이는 제트 엔진에 활용될 강력한 잠재력을 보여줍니다.

제트 엔진, 가스 터빈, 산업용 기계 및 X-레이 장비와 같은 강력한 기술은 극한의 고온을 견딜 수 있는 소재가 필요합니다. 텅스텐(W), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo)과 같은 내화 금속은 약 2,000도 °C 이상이라는 매우 높은 녹는점과 뛰어난 내열·내마모·내변형 특성으로 이러한 용도에 이상적입니다.

하지만 이러한 금속은 실온에서 매우 취성으로 변하며, 산소에 노출될 경우 600~700 °C 사이에서 급속히 산화되어 재료가 파괴됩니다.

그 결과, 이러한 소재는 X-레이 회전 양극과 같이 복잡한 진공 환경에서만 효과적으로 사용할 수 있습니다. 이러한 제한을 극복하기 위해 엔지니어들은 오랫동안 고열을 견디는 부품을 만들기 위해 니켈 기반 초합금에 의존해 왔습니다.

Nickel 기반 초합금: 강점, 한계 및 왜 한계에 도달하고 있는가

초합금은 고성능 합금으로 탁월한 기계적 특성과 극한의 열·고응력에 대한 저항성을 가지고 있습니다. 또한 표면 및 상 안정성이 우수하고, 높은 산화·부식 저항성을 가지고 있습니다.

이 합금들은 원래 항공기 터빈 엔진용으로 개발되었으며, 시간이 지나면서 가스 터빈, 로켓 엔진, 발전, 화학 공정, 석유 플랜트 등 다양한 고부하 응용 분야로 확대되었습니다. 

주로 니켈, 철 또는 코발트를 기반으로 하며, 대부분의 다른 합금이 파손되는 온도에서도 기계적 무결성을 유지합니다. 

니켈(Ni)은 여기서 핵심적인 역할을 합니다. 은빛 광택을 가진 전이 금속인 니켈은 스테인리스강 합금에 널리 사용됩니다. 또한 배터리 에너지 밀도와 성능에 중요한 역할을 하여 전기차의 주행 거리를 늘리는 데 기여합니다. 

이 금속의 특성은 항공우주 부품에도 필수적이며, 온도 변화와 습도에 노출됩니다. 산화·부식에 강해 니켈 합금은 부품 수명을 연장하고, 운용 효율성과 안전성을 높입니다.

니켈 기반 초합금은 실제로 가장 높은 온도 부품에 가장 널리 사용되며, 첨단 항공기 엔진 무게의 50% 이상을 차지합니다. 이는 고온에서의 크리프와 응력 파단에 대한 탁월한 저항성 덕분입니다.

또한 고온 강도, 피로 저항, 경량 내구성, 우수한 전기 전도성을 갖추고 있습니다.

이러한 다성분 합금은 니켈을 기본으로 하며, 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo) 등 합금 원소를 포함해 특성을 강화합니다.

하지만 니켈 기반 초합금에도 한계가 있습니다. 높은 비용, 가공 중 경화에 따른 가공 어려움, 낮은 열전도성, 용접·첨가제 제조 시 균열 발생 가능성 등이 그 예입니다. 또한 산화에 취약하고, 원치 않는 석출물 형성으로 기계적 특성이 저하될 수 있습니다.

“기존 초합금은 희귀 원소를 포함한 다양한 금속 원소들로 구성되어 여러 특성을 결합합니다. 실온에서 연성이 있고, 고온에서 안정적이며, 산화에 강합니다.”

– 독일 칼스루에 공과대학(KIT) 응용재료·재료과학·공학 연구소의 마틴 하일마이어 교수

하지만 문제는 그들의 작동 온도, 즉 “안전하게 사용할 수 있는 온도”가 1,100 °C까지밖에 되지 않는다는 점입니다. 그는 덧붙였습니다:

“이 온도는 터빈이나 기타 고온 응용 분야에서 효율을 극대화하기엔 너무 낮습니다. 연소 과정의 효율은 온도가 높아질수록 증가합니다.”

이러한 제한을 없애기 위해 독일 연구재단(DFG)이 자금을 지원했으며, 연구원들은 새로운 합금¹을 성공적으로 개발했습니다. 이 합금은 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 실리콘(Si)으로 구성됩니다.

극한 산업 요구에 맞게 설계된 하이퍼어댑터 합금에 대해 알아보려면 여기를 클릭하십시오.

Cr-Mo-Si 내화 합금: 상온 연성 + 1,100 °C 산화 저항

자동차와 트럭이 지속 가능한 운송을 위해 급속히 전동화되는 가운데, 장거리 항공기의 연소 엔진은 적어도 수십 년은 여전히 필요할 것입니다.

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전기 추진 항공기에 대해 하일마이어는 “다음 수십 년간 장거리 비행에 적합하지 않을 가능성이 높다. 따라서 연료 소비를 크게 줄이는 것이 중요한 과제가 될 것이다.”라고 언급했습니다.

터빈에서 온도가 100 °C만 상승해도 연료 소비가 약 5% 감소합니다. 

따라서 화석 연료나 합성 연료의 에너지 전환 효율을 높이는 한 가지 방법은 작동 온도를 높이는 것입니다. 하지만 이를 위해서는 가장 뜨거운 터빈 영역에서 단결정 니켈 기반 초합금을 내화 소재로 교체해야 합니다. 내화 소재는 2,000 °C를 초과하는 고체점 온도를 가지고 있습니다.

고급 Ni 기반 초합금을 새로운 금속·금속간 물질로 대체하려는 시도는 두 가지 주요 제한에 부딪힙니다. 하나는 산화 저항성 부족, 다른 하나는 상온 연성(RT) 부족입니다. 

문제는 연성과 산화 저항성을 충분히 예측할 수 없어 목표 물질 설계가 어려워진다는 점입니다.

현재 두 특성 모두에 대한 정확한 예측 시뮬레이션 능력이 없습니다. 이는 재료 개발을 위한 컴퓨터 지원이 크게 진전됐음에도 불구하고, 과학자와 엔지니어가 관찰에 의존해야 함을 의미합니다.

Nature에 발표된 최신 연구 ‘고온 산화에 강한 연성 크롬-몰리브덴 합금’은 새로운 물질을 소개합니다: 단일 상 Cr‑36.1Mo‑3Si 합금.

내화 금속 기반 이 합금은 “상온에서 연성이 있으며, 녹는점이 약 2,000 °C에 달하고, 기존 내화 합금과 달리 중요한 온도 구간에서도 산화가 매우 느리다”고 루르 대학교 보훔 교수 알렉산더 카우프만이 설명했습니다.

여기서 Cr와 Mo를 사용함으로써 기존 내화 금속 원소들의 산화 문제를 해결합니다. Cr은 보호성 Cr₂O₃ 스케일을 형성하고, Mo는 질화에 강한 영역을 만들기 때문입니다.

Si는 소량의 제3 원소로 사용되어 Cr₂O₃ 스케일의 성장 속도를 늦춥니다. 적은 양 덕분에 연구진은 단일 상, 무질서 고용체를 합성할 수 있었습니다.

그 뛰어난 특성 덕분에 “이 합금은 1,100 °C를 훨씬 초과하는 작동 온도에서도 부품을 만들 수 있다는 비전을 실현한다. 따라서 우리의 연구 결과는 실제 기술 도약을 가능하게 할 잠재력을 가지고 있다”고 카우프만이 말했습니다.

하지만 이 물질이 산업 수준에서 활용되려면 “많은 다른 개발 단계”를 거쳐야 합니다.

“기초 연구에서 우리의 발견은 중요한 이정표에 도달했다. 전 세계 연구팀이 이제 이 성과를 기반으로 할 수 있다”고 하일마이어가 강조했습니다.

Who’s Leading the Materials Race: U.S., Europe, China, Turkey

연구원들이 전통적인 니켈 기반 초합금의 온도·내구성 장벽을 지속적으로 깨고 있는 가운데, 전 세계에서도 유사한 돌파구가 나타나고 있습니다.

올해 초, 에임스 국립 연구소 팀이 새로운 합금을 발견했으며, 이는 니켈·코발트 기반 초합금을 대체해 열 허용 한계를 높이고 에너지 효율을 개선할 수 있습니다.

그들은 또한 내화 금속이 니켈·코발트보다 훨씬 높은 녹는점을 가지고 있기 때문에 자연스럽게 내화 금속에 주목했습니다. 하지만 제조·가공이 복잡하다는 문제도 있습니다.

그래서 연구진은 “단일 원소가 아니라 세 개 이상을 포함하는 다원소 합금”을 만들기로 했으며, 각 원소는 전체 조성의 50%를 초과하지 않도록 설계했습니다.

“많은 취성 순수 원소를 상당량 결합하면 새로운 원자 구조가 형성되어 독특하고 새로운 특성이 나타난다는 것을 이해하게 되었습니다.”

– 에임스 연구소 과학자이자 팀 리더인 니콜라스 아르기베이

하지만 세 개 이상의 원소를 혼합하면 “수백만 가지 조합을 탐색해야 하는” 시간이 많이 드는 과정이 됩니다. AI 덕분에 시간과 비용을 절감하고 첫 시도에서 바로 올바른 조합을 찾을 수 있었습니다.

이러한 재료와 조성을 찾기 위해 연구진은 프라샨트 싱과 듀인 존슨 두 명의 에임스 연구원이 개발한 컴퓨팅 프레임워크를 활용했습니다.

“우리는 실험과 연계된 이론 기반 방법론을 구축했습니다. 이는 실험자들에게 원하는 특성을 가진 새로운 합금을 찾는 방향을 제시합니다.”

– 존슨

새로운 합금은 높은 온도에서 변형에 대한 저항성이 향상되었으며, 상업적으로 확립된 제조 방법으로도 가공이 가능합니다. 

에임스 팀의 접근 방식은 수년간의 시행착오를 단축시키는 설계 가속화의 사례를 보여줍니다. MIT 연구진은 머신러닝(ML)과 금속 3D 프린팅을 결합²하여 Al 기반 합금을 설계했으며, 프린트된 부품은 가공 알루미늄 7075보다 강도가 약 50% 높고 400 °C 열처리 후에도 강도를 유지합니다.

새로운 금속을 만들기 위해 팀은 시뮬레이션·ML을 통해 선정된 다른 원소와 알루미늄을 혼합했습니다.

연구진은 이 새로운 프린트 가능한 금속을 더 강하고 가볍고 고온에 견디는 제품, 예를 들어 기존에 비용이 많이 드는 티타늄으로 만든 제트 엔진 팬 블레이드 등에 적용하고자 합니다.

“경량·고강도 소재를 활용한다면 운송 산업의 에너지 소비를 크게 절감할 수 있다”고 카를니게이트 대학의 모하데세 타헤리-무사비 연구 책임자가 말했습니다.

항공·운송 산업 외에도 연구진은 이 프린트 가능한 합금을 데이터 센터 냉각 장치와 고급 자동차에 적용하는 방안을 구상하고 있습니다. 이 작업은 적층 제조와 AI 기반 합금 설계가 결합해 경량·고강도·열 효율이 뛰어난 소재를 만들 수 있음을 강조합니다.

한편 터키의 항공 모터 제조업체 TEI는 20개 이상의 독자적인 초합금·티타늄 합금을 개발했다고 보고했습니다.

“전쟁은 이제 실험실과 공장에서 승패가 결정된다. 당신이 생산하는 기술이 전쟁의 운명을 좌우한다.”

– TEI 총괄 매니저 마흐무트 파룩 악시트

항공기 엔진 내부 온도가 태양 표면 온도의 절반에 달할 정도로 높아지면서, 이러한 극한 열을 견딜 수 있는 금속이 필요합니다. 따라서 “냉각 시스템, 특수 코팅 및 소재 기술은 매우 중요하다”고 그는 덧붙였습니다.

중국에서도 연구진이 새로운 초합금 냉각 기술을 개발해 고온 터빈 엔진 부품의 성능·내구성을 향상시키려 하고 있습니다.

중국 연구진은 또한 기존 블레이드보다 15% 높은 온도를 견디는 새로운 블레이드 제작 기술을 선보였습니다. 이 향상된 내열성은 엔진 추력 증가·에너지 효율 향상·수명 연장을 기대하게 합니다.

“이 방법은 열‑기계 가공 기술을 이용해 구리‑마그네슘‑강 복합 구조를 블레이드 내부에 삽입한다. 이를 통해 블레이드는 극한 고온에서도 장기적인 기능을 유지한다”고 특허는 설명합니다.

구리의 열전도성과 강철의 내열성을 결합한 이 복합재는 미래 항공기와 로켓 엔진 연소실에 적합합니다. 이렇게 전 세계 과학자들이 제트 엔진을 개선하기 위해 다양한 접근법을 모색하고 있습니다.

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Investing in Jet Engine Advancement 

Aerospace and defense company, Raytheon Technologies (RTX ), 는 자회사 Pratt & Whitney을 통해 첨단 소재·추진 기술에 투자하는 글로벌 선두 기업 중 하나입니다. 이 부문은 군용, 비즈니스 제트, 상업 및 일반 항공 고객에게 항공기 엔진을 공급합니다.

그 외에 두 개의 사업부가 있습니다. Collins Aerospace는 첨단 항공·방위 제품 및 애프터마켓 서비스 솔루션을 제공하고, Raytheon은 공중·미사일 방어, 스마트 무기 등 고급 역량을 개발합니다.

회사는 차세대 제트 엔진을 위한 고효율·고온 소재 개발을 목표로 학계·정부 연구와 지속적으로 협력·자금을 지원합니다. 현재 내화 합금, 세라믹 매트릭스 복합재(CMC), 적층 제조 기술 등을 탐구하고 있습니다. 

시가총액 2,395억 달러에 달하는 RTX는 현재 주가 178.75 달러이며, 올해 들어 54.38% 상승했습니다. 지난 주에는 사상 최고가인 180.50 달러를 기록했으며, 2년 전에는 주가가 100 달러 이하였습니다.

재무 실적을 살펴보면 RTX는 2025년 3분기 매출 225억 달러를 기록했으며, 전년 대비 12% 증가했습니다. 

Pratt & Whitney 부문은 영업이익 7억 5,100만 달러를 기록했으며, 조정 매출 84억 2,000만 달러(전년 대비 16% 증가)를 달성했습니다. 이 매출 증가는 대형 상업용 엔진과 Pratt Canada의 증가, 군용 F135 프로그램의 15% 성장, 그리고 상업용 OE의 5% 상승에 기인합니다.

동시에 항공 전자·기타 항공 시스템 공급업체인 Collins Aerospace는 매출이 8% 상승한 76억 2,000만 달러를 기록했으며, 이는 군용 판매·신형 제트용 원장비·항공사 정비 부품 수요 증가에 힘입은 것입니다. Raytheon은 방공·해군 프로그램에 대한 수요가 견조함에 따라 매출이 10% 상승한 70억 5,000만 달러를 기록했습니다.

회사의 GAAP EPS는 1.41달러, 조정 EPS는 1.70달러였습니다. 분기 영업 현금 흐름은 46억 달러, 자유 현금 흐름은 40억 달러였습니다. 또한 2,510억 달러 규모의 백로그를 보고했으며, 여기에는 상업 부문 1,480억 달러와 방위 부문 1,030억 달러가 포함됩니다.

“3분기 강력한 실행 덕분에 모든 세 부문에서 두 자릿수 유기적 매출 성장을 달성했으며, 6번째 연속 분기 조정 부문 마진 확대를 이루었습니다.”라고 CEO 크리스 칼리오가 말했습니다. “우리는 이번 분기에 370억 달러 규모의 신규 계약을 체결했으며, 이는 전 세계적인 제품 수요가 견조함을 반영하고 RTX의 장기 성장에 기여합니다.”

RTX는 3분기에 부채 29억 달러를 상환하고 주주에게 9억 달러를 반환했습니다.

이번 실적과 “지속적인 수요 강세”를 바탕으로 회사는 연간 전망을 상향 조정했으며, “2,510억 달러 백로그를 실행하고 핵심 프로그램의 생산량을 늘리는 동시에 차세대 제품·서비스에 투자하겠다”고 강조했습니다.

Latest Raytheon Technologies (RTX) Stock News and Developments

Conclusion

고온 합금은 재료 과학과 에너지 기술에서 핵심적인 역할을 합니다. 전 세계가 효율성과 지속 가능성을 추구함에 따라 극한 환경을 견딜 수 있는 소재가 필요하고, 그 수요는 계속 증가하고 있습니다.

수십 년 동안 니켈 기반 초합금은 터빈·제트 엔진 부품의 표준 선택이었지만, 이제 한계에 다다르고 있습니다. 그래서 연성·산화 저항성을 겸비한 Cr‑Mo‑Si 내화 합금이 큰 기대를 모으고 있습니다. 연구진이 이 합금을 개발·대량 생산할 수 있다면, 차세대 내화 합금은 항공우주 분야에 혁신을 가져와 제트 엔진이 현재보다 훨씬 높은 온도에서 작동하도록 만들 수 있습니다. 이러한 잠재적 적용은 에너지 생산·산업용 가열·우주 추진까지 확장됩니다.

물론 실험실 발견을 상업적 현실로 전환하는 과정은 결코 간단하지 않습니다. 과학자들은 합금 조성을 미세 조정하고, 제조상의 과제를 해결하며, 대량 생산 방안을 개발해야 합니다. 하지만 이러한 난관에도 불구하고, 이번 돌파구는 고온 엔지니어링을 위한 새로운 가능성을 열어줍니다.

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References

1. Hinrichs, F., Winkens, G., Kramer, L. K., Falcão, G., Hahn, E. M., Schliephake, D., Eusterholz, M. K., Sen, S., Galetz, M. C., Inui, H., Kauffmann, A., & Heilmaier, M. (2025). A ductile chromium–molybdenum alloy resistant to high-temperature oxidation. Nature, 646, 331–337. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09516-8
2. Taheri-Mousavi, S. M., Xu, M., Hengsbach, F., Houser, C., Ge, Z., Glaser, B., Wei, S., Schaper, M., LeBeau, J. M., Olson, G. B., & Hart, A. J. (2025). Additively Manufacturable High-Strength Aluminum Alloys with Coarsening-Resistant Microstructures Achieved via Rapid Solidification. Advanced Materials. https://doi.org/10.1002/adma.202509507