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

연구원들은 놀라울 정도로 높은 온도 저항성을 가진 새로운 소재를 개발했으며, 이는 제트 엔진에 사용될 강력한 잠재력을 보여줍니다.

제트 엔진, 가스 터빈, 산업 기계, X-레이 장비와 같은 강력한 기술은 극도로 높은 온도를 견딜 수 있는 소재가 필요합니다. 텅스텐(W), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo)과 같은 내화 금속은 약 2,000도 이상의 매우 높은 녹는점과 뛰어난 열, 마모, 변형 저항성을 가지고 있어 이러한 용도에 이상적입니다.

하지만 이러한 금속은 인상적인 열 안정성을 보이지만 실온에서는 매우 취성해집니다. 또한 산소에 노출되면 빠르게 산화하여 600~700도 사이의 온도에서 소재가 파손됩니다.

그 결과, 이러한 소재는 X-레이 회전 양극과 같은 복잡한 진공 조건에서만 효과적으로 사용할 수 있습니다. 이러한 제한을 극복하기 위해 엔지니어들은 오랫동안 고열을 견뎌야 하는 부품을 만들기 위해 니켈 기반 초합금을 사용해 왔습니다.

니켈 기반 초합금: 강점, 한계 및 왜 한계에 도달하고 있는가

초합금은 뛰어난 기계적 특성과 극한 열 및 높은 응력에 대한 저항성으로 알려진 고성능 합금입니다 이며, 또한 우수한 표면 및 상 안정성, 높은 산화 및 부식 저항성을 가지고 있습니다.

이러한 합금은 처음에 항공기 터빈 엔진을 위해 개발되었으며, 시간이 지나면서 가스 터빈, 로켓 엔진, 발전, 화학 공정, 석유 플랜트 등 많은 다른 까다로운 적용 분야로 확대되었습니다.

이들은 주로 니켈, 철, 코발트를 기반으로 하며 대부분의 다른 합금이 실패하는 온도에서도 기계적 완전성을 유지할 수 있습니다.

니켈(Ni)은 여기서 핵심적인 역할을 합니다. 은빛 광택을 가진 전이 금속인 니켈은 스테인리스강 합금에 사용되는 것으로 알려져 있습니다. 실제로 배터리 에너지 밀도와 성능에 중요한 역할을 하여 전기차의 장거리 주행 능력을 가능하게 합니다.

이 금속의 특성은 온도 변화와 습도에 노출되는 항공우주 부품에도 중요합니다. 산화와 부식에 저항함으로써 니켈 합금은 부품의 수명을 연장하고, 따라서 운영 효율성과 안전성을 향상시킵니다.

니켈 기반 초합금은 실제로 가장 뜨거운 부품에 가장 널리 사용되며, 고온에서 크리프와 응력 파단에 대한 뛰어난 저항성 덕분에 첨단 항공기 엔진 무게의 50% 이상을 차지합니다.

또한 고온 강도, 피로 저항성, 경량 내구성 및 우수한 전기 전도성을 나타냅니다.

이러한 다성분 합금은 니켈을 기본으로 하며 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo)과 같은 합금 원소를 포함하여 특성을 향상시킬 수 있습니다.

하지만 니켈 기반 초합금에도 자체적인 한계가 있습니다, 높은 비용, 가공 경화로 인한 가공 어려움 및 낮은 열 전도성, 그리고 용접 및 적층 제조 시 균열 발생 가능성 등이 포함됩니다. 또한 산화에 취약하고 원하지 않는 석출물 형성으로 인해 기계적 특성이 저하될 수 있습니다.

“기존 초합금은 희귀한 원소를 포함한 다양한 금속 원소들로 구성되어 여러 특성을 결합합니다. 이들은 실온에서 연성이고 고온에서 안정적이며 산화에 저항합니다.”

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

하지만 문제는 이들의 작동 온도이며, 이는 “안전하게 사용할 수 있는 온도”를 의미하고, 최대 1,100도까지 이릅니다. 그는 덧붙였습니다:

“이는 터빈이나 기타 고온 응용 분야에서 더 높은 효율을 완전히 활용하기에는 너무 낮습니다. 연소 과정의 효율은 온도가 상승함에 따라 증가한다는 것이 사실입니다.”

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

개발했습니다¹ 극한 산업 요구에 맞게 설계된 하이퍼어댑터 합금에 대해 알아보려면 여기를 클릭하십시오.

Cr-Mo-Si 내화 합금: 실온 연성 + 1,100 °C 산화 저항성

자동차와 트럭이 지속 가능한 운송과 탈탄소화를 위해 빠르게 전동화되고 있지만, 장거리 항공기의 연소 엔진은 최소한 향후 수십 년 동안은 여전히 필요할 것입니다.

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전기 동력 비행기에 대해 하일마이어는 “다음 수십 년 동안 장거리 비행에 거의 적합하지 않을 것입니다. 따라서 연료 소비의 상당한 감소가 중요한 과제가 될 것입니다.”라고 언급했습니다.

터빈에서는 온도가 100 °C 상승하면 연료 소비가 약 5% 감소할 수 있습니다.

따라서 화석 연료 또는 합성 연료의 에너지 변환 효율을 향상시키는 한 방법은 작동 온도를 높이는 것입니다. 그러나 이를 달성하려면 터빈의 가장 뜨거운 영역에서 단결정 니켈 기반 초합금을 내화 소재로 교체해야 하며, 이 영역은 2,000 °C를 초과하는 훨씬 높은 고체점을 가지고 있습니다.

첨단 Ni 기반 초합금을 새로운 금속-금속간 재료로 교체하는 데는 두 가지 주요 제한이 있습니다. 여기에는 산화 저항성 부족 및/또는 실온(RT) 연성 부족이 포함됩니다.

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

현재 두 특성 중 어느 하나에 대해서도 정확한 예측 시뮬레이션 능력이 없습니다. 이는 재료의 컴퓨터 지원 개발에서 상당한 진전이 있었음에도 불구하고입니다. 결과적으로 과학자와 엔지니어는 관찰에 의존해야 합니다.

네이처(Nature)에 발표된 최신 연구인 ‘고온 산화에 저항하는 연성 크롬-몰리브덴 합금‘은 새로운 소재를 소개했습니다: 단일 상 Cr-36.1Mo-3Si 합금.

내화 금속 기반 합금은 “실온에서 연성이 있으며, 녹는점이 약 2,000 °C에 달하고, 현재까지 알려진 내화 합금과 달리 중요한 온도 범위에서도 산화가 매우 천천히 진행됩니다”라고 이 발견에 큰 역할을 한 Ruhr University Bochum의 알렉산더 카우프만 박사가 말했습니다.

여기서 Cr와 Mo의 사용은 내화 금속 원소들의 산화 문제를 해결하여 적용을 제한하는 문제를 다룹니다. Cr는 보호성 Cr2O3 스케일 형성을 촉진하고, Mo는 질화에 대한 저항성을 부여합니다.

Si는 Cr2O3 스케일의 성장 속도를 늦추기 위한 소량의 세 번째 원소로 사용됩니다. 적은 양 덕분에 연구진은 단일 상, 무질서 고용체를 합성할 수 있었습니다.

비할 데 없는 특성으로 인해 “이것은 1,100 °C를 훨씬 초과하는 작동 온도에 적합한 부품을 만들 수 있다는 비전을 키워줍니다. 따라서 우리의 연구 결과는 실제 기술적 도약을 가능하게 할 잠재력을 가지고 있습니다”라고 카우프만은 말했습니다.

하지만 이 소재가 내화 재료에 대한 가장 중요한 핵심 요구 사항을 충족하더라도 산업 수준에서 사용되기 위해서는 “많은 다른 개발 단계”를 거쳐야 합니다.

그럼에도 불구하고 “기초 연구에서 우리의 발견으로 중요한 이정표에 도달했습니다. 전 세계 연구 그룹이 이제 이 성과를 기반으로 할 수 있습니다”라고 하일마이어는 말했습니다.

누가 재료 경쟁을 선도하고 있는가: 미국, 유럽, 중국, 터키

연구자들이 전통적인 니켈 기반 초합금의 온도 및 내구성 장벽을 지속적으로 돌파함에 따라, 전 세계적으로 유사한 돌파구가 형성되고 있습니다.

올해 초, Ames 국립 연구소 팀이 니켈 및 코발트 기반 초합금을 대체할 수 있는 새로운 합금을 발견했으며, 이는 열 내성 한계가 에너지 효율 향상을 제한합니다.발견했습니다.

그들은 또한 니켈과 코발트보다 훨씬 높은 녹는점을 가진 유일한 금속이기 때문에 자연스럽게 내화 금속으로 눈을 돌렸습니다. 그러나 물론, 이를 부품으로 제조하고 형성하는 복잡한 문제가 있습니다.

그래서 연구원들은 내화 금속을 다원소 합금으로 결합하기로 결정했으며, 이는 단일 원소가 아니라 세 개 이상 원소를 기반으로 하며 어느 하나도 전체 조성의 50%를 초과하지 않습니다.

“우리는 이러한 취성 순수 원소들을 상당량 결합하면 새로운 고유한 특성을 가진 원자 구조가 형성된다는 것을 이해하게 되었습니다.”

– Ames Lab의 과학자이자 아이오와 주립대학이 운영하는 미국 에너지부 과학 사무국 국립 연구소 팀 리더 니콜라스 아르기베이

하지만 세 개 이상의 원소를 혼합하면 “수백만 가지 조합을 탐색해야” 하므로 시간이 많이 소요됩니다. 그러나 AI 덕분에 시간과 비용을 절감하고 첫 시도에서 “정확히 맞출” 수 있었습니다

따라서 재료와 그 조성을 찾기 위해 연구원들은 Ames Lab의 프라샨트 싱과 듀언 존슨이 개발한 계산 프레임워크를 활용했습니다.

“우리는 실험과 연계되는 이론 기반 방법론을 구성했습니다. 이는 실험자들에게 원하는 특정 특성을 가진 새로운 합금을 위한 올바른 방향을 제시합니다.”

– 존슨

이 새로운 합금은 높은 온도에서 변형에 대한 내성이 더 높으며, 상업적으로 확립된 방법으로 제조할 수 있는 필요한 연성 특성을 가지고 있습니다.

Ames 팀의 접근 방식은 설계가 수년간의 시행착오를 필요로 했던 발견을 가속화할 수 있음을 강조합니다. 계산과 실험의 협업을 바탕으로 MIT 연구원들은 금속 3D 프린팅과 머신러닝(ML)을 결합하여 인쇄된 부품이 단조 7075의 강도와 일치하고, 400 °C 노화 후에는 가장 강력한 인쇄 가능한 알루미늄 기준보다 약 50% 강한 Al 기반 합금을 설계했습니다.

이 새로운 금속을 만들기 위해 팀은 시뮬레이션과 ML을 통해 확인된 다른 원소와 알루미늄을 혼합했습니다.

연구원들은 새로운 인쇄 가능한 금속을 더 강하고 가볍으며 온도 저항성이 높은 제품, 예를 들어 비용이 많이 들고 무거운 티타늄으로 만든 제트 엔진 팬 블레이드와 같은 제품으로 만들기를 기대합니다.

“더 가볍고 고강도 소재를 사용할 수 있다면, 이는 운송 산업에 상당한 에너지를 절감할 수 있을 것입니다”라고 현재 카네기 멜론 대학의 조교수인 모하데세 타헤리-무사비가 말했습니다.

항공우주 및 운송 산업 외에도 연구원들은 인쇄 가능한 합금을 데이터 센터용 냉각 장치와 고급 자동차에 사용할 것을 구상하고 있습니다. 그들의 작업은 적층 제조와 AI 기반 합금 설계가 결합되어 더 가볍고 강하며 열 효율이 높은 소재를 창출하고 있음을 강조합니다. 이러한 특성은 미래 제트 추진 및 에너지 시스템에 필수적입니다.

세계 다른 지역에서 터키 항공 모터 제조업체 TEI는 전투기 및 헬리콥터 모터 기술에 사용하기 위해 20가지가 넘는 독특한 초합금 및 티타늄 합금을 개발했다고 보고했습니다.

“전쟁은 이제 실험실과 공장에서 승리합니다. 당신이 생산하는 기술이 전쟁의 운명을 결정합니다.”

– TEI 총괄 매니저 마흐무트 파룩 악시트

항공기 엔진 내부 온도가 극도로 높아 ‘태양 표면 온도의 절반’에 이르기 때문에, 이러한 극한 열에서 작동할 수 있는 금속이 필요합니다. 이는 “냉각 시스템, 특수 코팅 및 소재 기술이 매우 중요하다”는 것을 의미합니다라고 그는 덧붙였습니다.

중국에서도 비슷한 움직임이 진행 중이며, 연구원들은 현재 고온 터빈 엔진 부품의 성능과 내구성을 향상시키는 새로운 초합금 냉각 기술을 연구하고 있어 첨단 제트 엔진을 가능하게 할 수 있습니다.

중국 연구원들은 기존 버전보다 15% 높은 온도를 견딜 수 있는 합금 터빈 블레이드를 생산하는 새로운 기술도 개발했습니다. 이 향상된 내열성은 더 큰 엔진 추력, 향상된 에너지 효율성 및 더 긴 수명을 제공할 것으로 예상됩니다.

“이 방법은 열기계 가공 기술을 사용하여 블레이드 내부에 구리-마그네슘-강 복합 구조를 삽입합니다,” 라고 해당 기술 특허는 말합니다. “이를 통해 블레이드는 극한 고온 조건에서도 장기적인 기능을 유지할 수 있습니다.”

구리의 열 전도성과 강의 내열성을 활용한 이 복합재는 항공기 및 로켓 엔진 연소실의 미래 적용에 적합합니다. 따라서 전 세계 과학자들이 제트 엔진의 다양한 측면을 개선하기 위해 노력하고 있으며, 이는 항공 및 전력 생산의 혁신을 돕고 있습니다.

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제트 엔진 발전에 투자하기

항공우주 및 방위 기업인 Raytheon Technologies(RTX )는 자회사 Pratt & Whitney를 통해 첨단 소재 및 추진 혁신에 투자하는 세계적인 선두 투자자 중 하나입니다. 이 부문은 군용, 비즈니스 제트, 상업 및 일반 항공 고객에게 항공기 엔진을 공급합니다.

또한 두 개의 다른 부문이 있습니다: Collins Aerospace는 기술적으로 진보된 항공우주 및 방위 제품과 사후 서비스 솔루션을 제공하며, Raytheon은 공중 및 미사일 방어, 스마트 무기 등에서 첨단 역량을 개발합니다.

이 회사는 차세대 제트 엔진을 위한 고효율·고온 소재를 목표로 학계 및 정부 연구 이니셔티브에 정기적으로 자금을 지원하고 협력합니다. 현재 내화 합금, 세라믹 매트릭스 복합재(CMCs), 적층 제조 기술을 탐구하고 있습니다.

시가총액 2,395억 달러를 가진 RTX는 현재 주당 178.75달러에 거래되고 있으며, 올해 현재까지 54.38% 상승했습니다. 지난 주에 RTX 주가는 사상 최고가인 180.50달러에 도달했습니다. 불과 2년 전만 해도 주가가 100달러 이하였습니다.

EPS(TTM)는 4.87이며 P/E(TTM)는 36.68입니다. 주주에게 제공되는 배당 수익률은 1.52%입니다.

기업 재무와 관련하여 RTX는 2025년 3분기에 225억 달러 매출을 보고했으며, 전년 대비 12% 증가했습니다.

Pratt & Whitney 부문은 7억 5,100만 달러의 영업 이익을 기록했으며 전년 대비 35% 증가했고, 조정 매출은 84억 2,000만 달러로 16% 상승했습니다. 매출 성장의 원동력은 상업용 사후 시장이 23% 증가한 것으로, 이는 대형 상업 엔진 및 Pratt Canada의 생산량 증가와, 군용 부문이 F135 프로그램으로 15% 상승한 것, 그리고 대형 상업 엔진 생산량 증가로 인한 상업용 OE가 5% 증가한 데 기인합니다.

한편, 항공 전자 및 기타 항공 시스템 공급업체인 Collins Aerospace는 매출이 8% 증가해 76억 2,000만 달러에 달했으며, 성장 요인은 군사 판매, 신형 제트용 원장비, 항공사의 수리 및 부품 구매 등입니다. Raytheon의 매출은 10% 상승해 70억 5,000만 달러에 이르렀으며, 항공 방위 시스템 및 해군 프로그램에 대한 수요가 강세를 유지했습니다.

회사의 GAAP EPS는 1.41달러, 조정 EPS는 1.70달러였습니다. 해당 분기의 영업 현금 흐름은 46억 달러, 자유 현금 흐름은 40억 달러였습니다. 또한 2,510억 달러의 주문 잔고를 보고했으며, 여기에는 상업 부문 1,480억 달러와 방위 부문 1,030억 달러가 포함됩니다.

“3분기에 강력한 실행을 통해 세 부문 모두에서 두 자릿수 유기 매출 성장을 달성했으며, 연속 6분기 동안 전년 대비 조정된 부문 마진이 확대되었습니다”라고 CEO 크리스 칼리오가 말했습니다. “또한 이번 분기에 370억 달러 규모의 신규 수주를 받아 전 세계적인 제품 수요가 견고함을 반영하고 RTX의 장기 성장을 지원합니다.”

RTX는 3분기에 29억 달러의 부채를 상환하고 9억 달러를 주주에게 반환했습니다.

이러한 실적과 “지속적인 수요 강세”를 바탕으로 회사는 연간 전망을 상향 조정했으며, “2510억 달러의 주문 잔고를 실행하고 핵심 프로그램 전반에 걸친 생산량을 늘리며, 고객 요구에 부합하는 차세대 제품 및 서비스에 투자하겠다”는 약속을 강조했습니다.

최신 Raytheon Technologies (RTX) 주식 뉴스 및 개발

결론

고온 합금은 재료 과학 및 에너지 기술에서 중요한 역할을 합니다. 전 세계가 효율성과 지속 가능성을 추구함에 따라 극한 조건을 견딜 수 있는 소재가 필요하며, 이러한 수요는 계속 증가하고 있습니다.

수십 년 동안 니켈 기반 초합금은 터빈 및 제트 엔진 부품의 표준 선택이었습니다. 그러나 이제 한계에 다다르고 있습니다. 그래서 최근 발견된 연성 및 산화 저항성을 가진 Cr-Mo-Si 합금이 큰 기대를 모으고 있습니다. 연구자들이 이 합금을 개발하고 대량 생산할 수 있다면, 차세대 내화 합금은 항공우주 분야에 혁신을 일으켜 제트 엔진이 현재 가능한 온도보다 훨씬 높은 온도에서 작동하도록 할 수 있습니다. 이러한 잠재적 적용은 에너지 생산, 산업 난방, 심지어 우주 추진까지도 열어줄 수 있습니다.

물론, 실험실에서의 발견을 상업적 현실로 전환하는 일은 결코 간단하지 않습니다. 과학자들은 합금 조성을 미세 조정하고, 제조상의 과제를 해결하며, 대량 생산 방안을 개발해야 합니다. 그러나 이러한 난관에도 불구하고, 이번 돌파구는 고온 공학에 새로운 유망한 가능성을 열어줍니다.

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참고문헌

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). 고온 산화에 저항하는 연성 크롬‑몰리브덴 합금. 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). 빠른 고체화로 얻은 미세구조 응집 저항성을 가진 적층 제조 가능한 고강도 알루미늄 합금. Advanced Materials. https://doi.org/10.1002/adma.202509507