[국경밖 과학]항공사들, 中 티타늄항공기에 시선집중

<16>기존 특수 티타늄보다 강도 15%·유연성 20%·연료효율↑…‘티타늄 차’도 나올 듯

중국상용항공기(中國商用飛機)에서 선보인 티타늄 항공기. 물성물리학자들이 만든 새로운 티타늄을 적용해 만든 항공기로 시험 비행을 앞두고 있다/사진=미국 환경보호청

불과 얼마 전까지만 해도 합금은 순금보다 강한 것으로 여겨져 왔다. 때문에 비행기는 물론, 자동차, 기차, 오토바이 등 대다수 탈것에 합금이 사용돼왔다. 과학기술자들 역시 더 강하고 유연한 합금을 만들려고 노력해왔다.

그러나 최근 상황이 바뀌고 있다. 합금보다 더 강한 순금을 만들고 있기 때문이다. 이런 일이 가능한 것은 나노기술이 급속히 발전하고 있기 때문이다. 기존의 똑같은 재료들을 가지고 합금보다 더 강한 순금속을 만들어낸다.

새롭게 탄생한 순금속은 기존 순금속과 이름은 같지만 미세 구조에 있어서는 큰 물리적 차이를 보이고 있다. 나노기술을 적용하고 있는 물성물리학을 통해 안에 있는 미세 구조들을 재결합함으로써 전보다 훨씬 더 강하고 유연한 금속을 만들어내고 있다.

◇물성물리학이 탄생시킨 '신 티타늄'

이런 금속을 만드는 과정에서 문제가 없었던 것은 아니다. 순금속의 구조를 변화시켰을 경우 강한 특성을 강조할 것인지, 아니면 유연한 특성을 강조할 것인지 선택해야 한다. 두 가지를 모두 병행하기가 매우 힘들기 때문이다.

12일 홍콩 '사우스차이나모닝포스트'에 따르면 중국과 미국 물성물리학자들이 이러한 문제를 해결했다. 중국과학원의 책임연구원인 우소뢰 박사는 미국 케롤라이너 주립대 윤티안 주(Yuntian Zhu) 교수와 공동연구를 통해 강하고 유연한 티타늄을 개발하는데 성공했다고 전했다.

이들은 최근 미국 국립과학원을 통해 발표한 논문에서 "새로운 조영기법(fabrication method)을 적용해 이전보다 더 강하고 유연한 티타늄을 개발했다"고 밝혔다. 성능 조사에서 이 티타늄은 놀라운 성능을 입증했다.


기존 항공기 엔진과 골격, 구조물 등에 사용하고 있는 특수 티타늄 ‘Ti6a14v’보다 15% 더 강했다. 유연성에 있어서도 20% 더 탄력이 있는 것으로 나타났다. 연구진은 이 티타늄을 잡아서 늘릴 경우 늘어날 수 있을 정도의 유연성을 갖추고 있다고 설명했다.

우소뢰 박사는 이 티타늄 성분이 매우 순수해 인체에 해를 주지 않으며, 의료용으로 활용이 가능하다고 말했다. 심장 등의 장기 이식 시에도 이 순금속을 활용할 수 있다고 설명했다. 그러나 이 티타늄을 가장 반기고 있는 곳은 항공업계다.

이 티타늄으로 항공기를 만들 경우 기존 항공기보다 훨씬 내구성이 높아지는데다 무게 역시 매우 가벼워 연료비 지출을 대폭 줄일 수 있기 때문이다. 중국상용항공기(中國商用飛機ㆍCOMAC)에서는 이 티타늄을 적용, 지난 2일 시제품을 선보일 정도다.

새로 제작한 티타늄 항공기는 내년 중에 시험비행을 거쳐 상용화될 예정. 그럴 경우 엄청난 양의 티타늄 비행기가 양산될 전망이다. 미국 보잉사가 발표한 통계에 따르면 중국은 최근 국민소득 증가로 항공기 수요가 크게 늘어나고 있다.

◇나노기술 통해 금속 미세구조 업그레이드

향후 20년간 국내 운항에 필요한 항공기만 약 6000대에 달하는 것으로 추산됐다. 경쟁 관계에 있는 다른 항공사들 역시 티타늄 도입을 서두를 것으로 예상된다. 많은 항공사들이 COMAC가 제작한 티타늄 항공기 시험비행을 지켜보고 있는 중이다.

이처럼 새로운 구조의 순금속을 만들어낼 수 있었던 것은 '물성물리학' 덕분이다. 이 물리학을 통해 이전에 볼 수 없었던 새로운 특성을 가진 특수 신소재들을 만들어내고 있다.

'물성물리학'이란 양자역학과 통계역학을 기초로 하여 물질의 성질을 구명하려는 물리학의 한 분야를 말한다. ‘물성론’이라고도 하는데 물질의 여러 가지 거시적 성질을 미시적인 관점에서 연구하는 물리학이다.

화학물리학과 고체물리학을 합한 것에 해당한다. 원자핵 및 소립자 연구와 함께 20세기 들어 급격히 발전한 분야로, 소립자론과 더불어 근대 물리학의 2대 조류를 이루고 있다. 이 물리학이 최근 빛을 발하는 이유는 나노기술 발전과 무관하지 않다.

소립자의 세계를 더 자세히 들여다볼 수 있게 됨에 따라 물성물리학 역시 큰 성장을 거듭하고 있다. 티타늄뿐만 아니라 다른 분야에서도 또 다른 신소재 개발이 가능하고, 새로운 소재를 필요로 하는 산업계에 큰 영향을 미칠 것으로 예상된다.

최근 항공계는 물론 자동차, 가전업계 등 주요 산업들은 전통 소재를 대체하기 위한 신소재 개발 경쟁을 벌이고 있다. 특히 독일 폴크스바겐 사태로 자동차업계는 온실가스 배출을 줄이기 위한 차량 경량화 경쟁을 벌이고 있는 중이다.

그동안 자동차 업계는 생산 차량에 탄소섬유를 적용하는 방안을 모색해왔다. 그러나 새로운 티타늄이 개발되고, 항공업계에서 티타늄 항공기가 제작되고 있는 가운데 자동차업체들의 관심이 이 티타늄에 관심이 쏠리고 있다.

우소뢰 박사는 현재 여러 항공사들과 티타늄 적용 문제를 논의하고 있으며, 자동차 회사들 역시 티타늄 차 생산을 검토하고 있는 중이라고 밝혔다.

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