하이퍼어댑터 합금: 극한 산업 요구를 위해 설계된 합금

지난 수십 년 동안 기술 세계는 크게 발전하여 광활한 우주와 깊은 바다를 탐험하고 우리의 상상을 초월하는 미래를 구축하도록 도와주었습니다. 

에너지, 의학, 건설, 자동차, 항공우주 등 다양한 분야에서의 핵심 요소는 재료 과학의 혁신에 의해 추진됩니다.

연구원, 과학자, 엔지니어, 기업이 원자 수준에서 재료를 이해하고 조작함으로써 강도, 경량성, 유연성, 내구성 등 향상된 특성을 가진 개선된 재료를 만들었으며, 이는 다양한 산업의 발전을 이끌었습니다.

재료 과학에서 가장 영향력 있는 혁신 중 하나는 초합금으로, 뛰어난 성능으로 고성능 응용 분야에 혁명을 일으켰습니다.

초합금이 혁신을 주도하다 

In the early 20th century, superalloys were first developed with the aim of creating high-performance materials that could withstand extremely high temperatures. When it comes to the base of these metallic alloys, nickel (Ni), iron (Fe), or cobalt (Co) are the most widely used metals here due to their strength, durability, and resistance to corrosion. These metals are also known for their magnetic properties.

20세기 초, 초합금은 극한 고온을 견딜 수 있는 고성능 재료를 만들기 위해 처음 개발되었습니다. 이러한 금속 합금의 기본이 되는 금속으로는 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co)가 가장 널리 사용되며, 이는 강도, 내구성, 부식 저항성 때문에 선택됩니다. 이러한 금속은 또한 자기적 특성으로도 알려져 있습니다.

금속을 합금하는 과정은 두 개 이상의 금속 원소를 결합하여 특정 특성을 향상시키는 것을 의미합니다. 초합금도 이와 같이 만들어집니다. 초합금은 실제로 주 원소에 따라 분류되며, 알루미늄(AI), 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 크롬(Cr)과 같은 2차 원소를 첨가하여 기계적 특성을 강화합니다.

지속적인 연구개발을 통해 초합금은 구성, 가공 방법, 제조 기술 분야에서 혁신이 이루어지며 큰 진전을 이루었습니다.

초합금은 고온 적용을 위해 특별히 설계되었습니다. 그러나 이들은 온도뿐만 아니라 압력과 부식 등 극한 조건을 견디는 데도 뛰어납니다.

그러한 조건에서도 초합금은 전통적인 합금이 할 수 없는 강도와 안정성을 유지합니다. 높은 강도를 유지함과 동시에 초합금은 고온에서 산화와 변형에 대한 저항성을 가지고 있어 신뢰성과 성능이 요구되는 응용 분야의 핵심 재료가 됩니다.

극한 조건에 대한 적응성, 부식 저항성, 뛰어난 강도 덕분에 초합금은 제조, 에너지, 자동차, 항공우주 산업에 필수적입니다.

항공우주 산업에서는 초합금이 극한 온도와 기계적 스트레스를 견디면서 구조적 무결성을 유지하는 능력이 터빈 블레이드, 연소실, 배기 시스템, 추력 반전 장치, 우주선 부품, 엔진 마운트 및 착륙 장치와 같은 항공기 구조 부품에 특히 유용합니다.

발전 분야에서는 초합금이 터빈 부품에 사용되어 효율을 높이고 가동 중단 시간을 줄이며 비용을 절감하고 에너지 생산을 증가시킵니다. 또한 화학 공정 장비에 초합금을 사용하면 환경 위험을 최소화하면서 신뢰성 있는 성능을 보장합니다. 

자동차 산업에서는 초합금이 가볍지만 견고한 부품을 생산하도록 하여 고속 운전 및 극한 열 사이클을 견딜 수 있게 합니다.

따라서 초합금을 사용하면 제조업체, 설계자, 엔지니어가 까다로운 환경에서 최적의 성능과 내구성을 달성할 수 있습니다. 이는 고품질 초합금에 대한 수요 증가로 이어졌지만, 주요 제약은 여전히 높은 비용입니다.

이러한 이유로 연구원들은 더 나은 초합금을 개발하기 위해 새로운 재료와 기술을 지속적으로 탐구하며 산업을 더욱 발전시키고 있습니다.

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고성능 합금의 돌파구 

지난달에 공유했듯이, 도호쿠 대학 연구진은 가볍지만 강한 티타늄-알루미늄(Ti-Al) 기반 초탄성 합금을 개발했으며, 이는 +127°C에서 -269°C까지 넓은 온도 범위에서 작동할 수 있는 독특한 능력을 제공합니다. 이는 달 탐사 로버용 초탄성 타이어와 같은 미래 우주 임무에 이상적입니다.

다른 최근 주요 연구들을 살펴보면, 이번 달 초에 미국 국립 에너지 기술 연구소(National Energy Technology Laboratory)의 연구원들이 기계 학습(ML)을 이용해 고온 산화 저항성을 가진¹ Ni-Co-Cr-Al-Fe 기반 고엔트로피 합금(HEA)을 개발했습니다. 

이러한 특정 고엔트로피 합금은 눈에 띄는 산화 저항성을 보여 터빈 전력 시스템의 핵심 부품을 보호하는 결합 코팅으로 유망한 후보가 됩니다. 그럼에도 불구하고 Ni-Co-Cr-Al-Fe 기반 HEA는 아직 소수만 탐구되었기에, 연구팀은 기계 학습과 계산을 활용한 설계 프레임워크를 개발하여 신속한 탐색을 수행했습니다.

최근 기계 학습(ML)의 발전은 HEA 연구에 혁신을 가져와 재료 설계에 보다 효과적인 접근 방식을 제공하고 있습니다. 그러나 이번 연구는 상특이적 산화 평가에 중점을 둔 효율적인 프레임워크를 도입하여 Ni-Cr-Co-Al-Fe 시스템 내에서 고온에서 산화 저항성을 가진 HEA를 빠르게 발견하도록 가속화했습니다.

또한 연구는 1150°C에서 산화 저항성 측면에서 기존 MCrAlY 합금을 능가하는 네 가지 새로운 HEA를 보고했습니다. 이를 통해 차세대 터빈 시스템의 요구를 충족할 수 있는 HEA를 찾기 위한 기반을 마련했습니다. 앞으로 연구진은 부식 저항성 향상과 같은 추가적인 특성 최적화를 기대하고 있습니다.

몇 주 전, 여러 미국 대학과 미 육군 연구소의 연구원들은 새로운 구리 기반재료²를 발표했으며, 이 재료는 800°C(1472°F) 이상의 온도를 10,000시간 이상 견딜 수 있습니다.

그들의 재료는 기존 구리(Cu) 합금을 능가하여 실온에서 항복강도 1120 메가파스칼을 나타냈으며, 이는 탄소강의 700 MPa보다도 높습니다. 연구 공동 저자인 키란 솔랑키는 다음과 같이 말했습니다:

“우리의 합금 설계 접근법은 Ni 기반 초합금에서 발견되는 강화 메커니즘을 모방합니다.”

새로운 재료는 구리-리튬 석출물을 탄탈럼이 풍부한 원자 이중층으로 둘러싸고, 이후 소량의 리튬을 추가하여 석출물의 형태를 “안정적인 입방체 구조”로 변형시켜 제작되었습니다. 이는 재료에 우수한 특성을 부여한 정확한 방법이었습니다.

구리의 뛰어난 전도성과 니켈 기반 초합금의 강도 및 내구성을 독특하게 결합함으로써, “군사 분야가 고속 비행체와 고성능 터빈 엔진을 위한 새로운 재료를 만들기 위한 기반을 제공한다”고 레이하이 대학교의 공동 저자 마틴 하머는 말했습니다.

또 다른 연구에서는 금속 재료가 극한 고열을 견디도록 하는 방안을 모색했으며, 엔지니어들이 함께 시연하여³ 적층 제조된 인코넬 초합금의 표면 산화를 맞춤화함으로써 고온 윤활성을 달성할 수 있음을 보여주었습니다.

일반 윤활제는 고온을 견디지 못하지만, 스피넬 산화물은 섭씨 700도(화씨 1,292°F)까지의 온도에서도 윤활성을 유지합니다. 

반보석 그룹에 속하는 스피넬 및 스피넬 구조 산화물은 마찰이나 열 스트레스를 받을 때 자체적으로 윤활되는 독특한 능력을 가지고 있으며, 특정 초합금과 결합될 때도 마찬가지입니다.

따라서 연구원들은 Ni와 Cr 기반의 ‘초합금’인 인코넬 718 샘플을 적층 제조했으며, 이는 600°C를 초과하는 온도에서도 스피넬에 의해 윤활됩니다.

NSF 재료 연구 부서의 프로그램 디렉터인 조나단 매디슨은 이 프로그램이 “재료 과학의 아름다운 복잡성을 강조한다”고 말했으며, 재료의 구조, 특성, 성능이 “역동적이며 환경에 크게 의존한다”고 설명했습니다. 그는 이러한 발견이 “산업을 혁신하고 기술을 진보시키며 궁극적으로 세상을 변화시킬 잠재력이 있다”고 언급했습니다.

최근 연구에서는 ‘하이퍼어댑터’ 합금 개념을 도입했으며, 이는 -196°C에서 600°C까지의 온도 범위에서 인장 특성을 유지합니다.

‘하이퍼어댑터’ 합금의 시대 

합금 분야에서 고엔트로피 및 중엔트로피 합금(H/MEAs)은 뛰어난 열 안정성과 기계적 특성으로 재료 과학 및 공학에서 중요한 성과를 제공합니다.

명확히 말하면, 중엔트로피 합금(MEAs)은 3개 이상의 주 원소를 거의 동등한 원자 비율로 구성하지만 일반적으로 5개 미만입니다. 반면 고엔트로피 합금(HEAs)은 5개 이상의 원소를 동등 비율로 혼합하여 만듭니다.

다수의 주 원소로 구성되기 때문에 전통적인 합금 설계와 달리, 이들은 주된 원소에 의존하는 경향이 적습니다. 이러한 높은 구성 엔트로피는 독특한 미세구조, 향상된 상 안정성, 그리고 부식, 방사선, 온도 변동, 수소 취성 등 다양한 환경에서 뛰어난 기계적 성능을 제공합니다.

이를 활용하여 포항공과대학교(POSTECH)의 연구팀은 인장 특성에서 온도 민감도가 감소된 니켈 기반 고엔트로피 합금(HEA)을 설계했습니다.

이 니켈 기반 HEA는 연구자들이 제시한 ‘하이퍼어댑터’ 개념의 첫 사례입니다. 이는 넓은 환경 자극에 대한 민감도가 최소화된 재료를 의미합니다. 이는 기존 재료를 좁은 온도 범위에 최적화하는 관행과 대조됩니다.

일상 생활에서 우리가 접하는 대부분의 금속은 온도 변화에 민감합니다. 예를 들어, 문고리 손잡이는 여름에 매우 뜨겁고 겨울에 차가워집니다. 이는 이러한 금속 재료가 좁은 온도 범위 내에서 성능을 최적화하도록 설계되어 급격한 온도 변동이 있는 환경에서 효율이 제한되기 때문입니다.

또 다른 예로는 니켈-철 합금인 인바가 있으며, 이는 온도 변화에 따라 팽창·수축이 거의 없어 극저온부터 실온까지 다양한 적용 분야에 적합합니다. 반면 초합금은 고온 환경에 사용됩니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 포항공과대학 연구팀은 재료과학 및 공학부, 연성 기술 대학원, 기계공학부의 김형섭 교수의 주도로 ‘하이퍼어댑터’를 도입하고 이 개념을 포함한 니켈 기반 고엔트로피 합금을 개발했습니다.

하이퍼어댑터는 극저온, 실온, 고온 전반에 걸쳐 일관된 성능을 보여, 온도 변동이 큰 환경에서 냉각 시스템, 다층 구조, 코팅 등 여러 재료나 보조 부품을 사용해야 하는 응용 분야에 이상적입니다.

자동차, 항공우주, 에너지 산업은 이러한 높은 수요를 가진 분야이며, 연구진은 하이퍼어댑터 재료가 다양한 재료나 추가 부품을 대체하는 단일 솔루션이 되기를 목표로 하고 있습니다.

“넓은 온도 범위에서 성능과 안정성을 유지함으로써, 이 혁신은 이러한 시스템의 효율성과 신뢰성을 크게 향상시켜 고성능 산업에 최적화된 접근 방식을 제공할 수 있다”고 연구는 언급했으며, 이 연구는 국제 학술지 Materials Research Letters에 게재되었고 현대자동차그룹 및 한국연구재단(NRF)의 나노·재료 기술 개발 프로그램의 지원을 받았습니다.

이 니켈 기반 HEA는 변형 거동에서 온도 변화에 대한 중요한 무감도를 보여주는 하이퍼어댑터의 최초 사례입니다.

알루미늄(Al)과 티타늄(Ti)을 소량 추가함으로써 나노 크기의 L12 석출물을 더욱 촉진합니다. 이 유형의 석출물은 면심입방(FCC) 기반 합금에서 나타나며, 정렬된 원자 배열이 특징입니다. 나노 규모의 L12 석출물은 변형을 방해하고, 합금의 내부 구조는 온도와 무관하게 일관된 전위 거동을 통해 응력을 관리합니다.

합금의 높은 Ni 함량은 높은 전계 결함 에너지(SFE)를 의미하며, 이는 나노 석출물 강화와 결합되어 니켈 기반 고엔트로피 합금이 일관된 변형 거동을 유지하도록 합니다.

게다가 새로운 합금은 극저온 조건부터 매우 높은 온도까지 강도와 연성을 모두 유지하는 것으로 나타났습니다. 77 K(-196°C)에서 873 K(600°C)까지의 온도 변화에 대한 민감도가 최소화되어, 광범위한 열 조건에서 안정성이 요구되는 응용 분야에 탁월한 후보가 됩니다.

연구에 따르면, 니켈 기반 HEA는 현대 산업 응용의 동적 요구를 충족시킬 수 있는 하이퍼어댑터이며, 다양한 환경 조건에서 신뢰성 있게 작동할 잠재력을 가지고 있어 일관성과 내구성을 요구하는 첨단 엔지니어링 응용에 이상적인 후보입니다.

이는 파이프라인, 로켓·제트 엔진, 발전소 터빈, 자동차 배기 시스템 등 급격하거나 극한 온도 변화를 겪는 응용 분야를 의미합니다.

새로운 합금이 가혹한 조건에서도 성능을 유지하는 능력은 이러한 까다로운 환경에서 효율성과 안전성을 크게 향상시킬 잠재력을 가지고 있습니다.

“우리의 HEA는 기존 합금의 한계를 뛰어넘어 온도에 무관한 새로운 재료 클래스를 확립합니다. 하이퍼어댑터 개념은 극한 조건에서도 일관된 기계적 거동을 보이는 차세대 재료 개발에 대한 획기적인 진전을 나타냅니다.”

– 김 교수

항공우주 부문에 대한 투자

ATI Inc.

ATI는 항공우주 및 방위 시장을 위한 고성능 재료를 전 세계적으로 제조하며, 의료, 전자, 특수 에너지 분야의 핵심 응용 분야에도 공급합니다.

주요 사업은 두 부문으로 운영됩니다: 고성능 재료 및 부품(HPMC) 부문은 티타늄 및 니켈 기반 합금과 초합금으로 만든 재료와 부품을 생산하고, 고급 합금 및 솔루션(AA&S) 부문은 스트립, 시트, 플레이트 제품 등 다양한 형태의 특수 합금을 제조합니다.

ATI의 재료를 통해 고객 제품은 더 높이, 더 빠르게 비행하고, 더 강하게 견디며, 더 뜨겁게 연소하고, 더 깊이 잠수하며, 더 오래 지속됩니다.

ATI의 시가총액은 62억 5천만 달러이며, 주가는 44.32달러로 연초 대비 19.5% 하락했습니다. EPS(TTM)는 2.55, P/E(TTM)는 17.35, ROE(TTM)는 22.82%입니다.

지난 해 전체 매출은 44억 달러로 12년 만에 최고치를 기록했으며, 전년 대비 5% 증가했습니다.

전년 대비 15% 증가한 7억 2,900만 달러의 조정 EBITDA를 기록했으며, 이는 사장 겸 CEO인 킴벌리 A. 필즈가 “2025년에도 지속될 것으로 기대되는 견고한 수요”를 반영한다고 언급했습니다. 이 기간 동안 자유 현금 흐름은 2억 4,800만 달러로 2023년 대비 50% 증가했습니다.

2024년에는 비핵심 자산 매각으로 6,500만 달러 이상의 현금 수익을 창출했으며, 이는 신뢰성 및 병목 해소 전략의 일환으로 재투자할 계획입니다. 지난해 자본 지출은 2억 3,900만 달러로, 용량 및 역량 확대에 사용되었습니다.

ATI는 2024년 말에 7억 2,100만 달러 현금을 보유했으며, 이 중 2억 6,000만 달러는 자사 주식 재매입에 사용되었습니다. “우리는 ATI가 2025년 및 그 이후에도 성장과 가치를 촉진할 강력한 실적을 지속할 수 있는 좋은 위치에 있다고 믿는다”고 필즈는 말했으며, “성장 기회를 포착하고 주주에게 자본을 반환하기 위해 자본을 배치하는 데 전념하고 있다”고 덧붙였습니다.

한편, 순이익과 주당순이익은 2023년 대비 감소했으며, 이는 회사의 평가충당금 환입 때문입니다. 또한 해당 연도에는 고급 제조 생산 크레딧으로 2,270만 달러의 혜택을 받았습니다.

2024년 말에 회사는 자산 기반 대출(ABL) 신용 시설 아래 약 5억 2,500만 달러의 추가 유동성을 보유했으며, 미지급 차입금은 없었습니다. 1억 5천만 달러 규모의 채무 만기(채권)는 올해 마지막 분기에야 도래합니다.

2024년 “강력한 마무리” 이후, ATI는 “항공우주 및 방위 공급망이 정상화되고 지정학적 불확실성이 진화함에 따라 민첩성을 유지하고 준비하는” 데 집중하고 있으며, 필즈는 “우리 최종 시장에서 매우 강한 수요가 있기 때문에 2025년 및 그 이후에도 성장과 마진 확대를 실현할 수 있다고 믿는다”고 덧붙였습니다.

최근 ATI는 설계, 제조, 가공, 열처리 및 검사 역량을 포함하는 12,250㎡ 규모의 새로운 적층 제조 제품 시설을 구축했으며, 이 시설에서 고품질 부품을 대량 생산할 예정입니다. 또한 미국 해군 원자력 추진 프로그램을 지원하기 위해 BPMI와 첫 계약을 체결했습니다.

“층층이 쌓이는 적층 제조는 고객을 위한 고성능·고복잡도 부품을 더 빠르고, 폐기물을 줄이며 생산할 수 있는 능력을 제공합니다.”

– 필즈

한편 2024년 4분기에 ATI는 스트래스클라이드 대학교의 첨단 성형 연구 센터(AFRC)와 협력하여 지속 가능한 항공 여행을 위한 차세대 재료 및 공정 기술을 개발했습니다. 같은 시기에 ATI는 정밀 롤 스트립 사업을 울브리히에 매각하여 운영을 간소화하고 전략적 항공우주 및 방위 시장에 집중했습니다.

결론

수십 년 동안 초합금은 내구성과 성능을 설계하는 방식을 혁신해 왔으며, 이제 ‘하이퍼어댑터’ 합금이라는 새로운 개념은 극한의 저온과 고온 사이의 격차를 메우는 통합 솔루션을 제공함으로써 엔지니어링 분야의 가장 큰 재료 과제 중 하나를 해결하려 합니다.

이 새로운 돌파구는 극한 온도 범위에서도 뛰어난 강도와 연성을 유지하는 능력으로 큰 기대를 모으고 있습니다. 이를 통해 이 혁신은 초합금의 미래를 재정의하고, 항공우주, 에너지, 자동차 산업 전반에 걸쳐 효율성을 향상하고 안전성을 높일 잠재력을 가지고 있습니다.

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참조 연구:

1. ​Tan, X., Trehern, W., Sundar, A., Bahl, S., Jiang, D., Beese, A. M., Xiong, W., & Liu, Z.-K. (2025). 기계 학습 및 고처리량 계산을 통한 고온 산화 저항성 Ni-Co-Cr-Al-Fe 기반 고엔트로피 합금 개발. npj Computational Materials, 11(1), 93. https://doi.org/10.1038/s41524-025-01568-8

2. Hornbuckle, B. C., Smeltzer, J. A., Sharma, S., Nagar, S., Marvel, C. J., Cantwell, P. R., Harmer, M. P., Solanki, K., & Darling, K. A. (2025). 고온 나노구조 Cu-Ta-Li 합금 및 복합체 안정화 석출물. Science, 387(6741), 1413–1417. https://doi.org/10.1126/science.adr0299

3. Zhang, Z., Hershkovitz, E., An, Q., Wang, Q., Xiao, P., Zhou, Y., Zhou, Y., Liu, M., Zhang, W., & Zhou, L. (2024). 스피넬 산화물이 초합금에서 고온 자체 윤활을 가능하게 함. Nature Communications, 15, 10039. https://doi.org/10.1038/s41467-024-54482-w

4. Park, H., Son, S., Ahn, S. Y., Ha, H., Kim, R. E., Lee, J. H., & Kim, H. S. (2025). 하이퍼어댑터; 넓은 온도 범위에서 온도에 무관한 니켈 기반 고엔트로피 합금의 인장 특성. Materials Research Letters, 13(4), 348–356. https://doi.org/10.1080/21663831.2025.2457346