알루미늄이 "티타늄급"으로? MIT가 3D 프린팅으로 강도 5배의 새로운 합금을 만든 이유

알루미늄이 이렇게 강해질 수 있다니.

MIT(매사추세츠 공과대학교)의 연구팀이 3D 프린팅(적층 조형)에 적합한 새로운 알루미늄 합금을 설계하여 주조의 동등 재료에 비해 강도가 5배에 달하는 것을 보여주었다. 게다가, 알루미늄이 약점으로 여겨왔던 고온 영역에서도 성질이 안정적이며, **최대 400℃**까지 견딜 수 있다고 한다. 가벼움이 무기인 알루미늄이 “고강도·내열”을 손에 넣으면, 항공기에서 데이터 센터까지 설계의 전제가 바뀔 가능성이 있다. ScienceDaily

「100만 가지」를 AI로 「40가지」로 압축한 재료 탐색

합금 설계는 성분의 조합이 방대하다. 기존의 방법으로 “적중 배합”을 찾으려면, 시뮬레이션만으로도 100만 가지 이상의 평가가 필요할 수 있다. 이번 연구에서는 시뮬레이션과 기계 학습을 결합하여 탐색 공간을 한 번에 압축하였다. 최종적으로 약 40개의 후보 조성을 중점적으로 평가하여 목표 특성에 도달하는 레시피에 도달했다고 설명되어 있다. ScienceDaily

여기서 중요한 것은, 기계 학습이 단순히 “빠른 계산기”로서 작동한 것이 아니라, 합금 특성을 좌우하는 요인(어떤 원소가 어떤 미세 구조를 지배하고 있는지)을 단서로 탐색의 초점을 제시한 점이다. 연구자 자신도 「비선형 요인이 너무 많아 길을 잃을 상황」을 기계 학습으로 벗어날 수 있었다는 취지를 설명하고 있다. ScienceDaily

강도의 열쇠는 「나노 석출물」—작고 밀집될수록 강하다

금속의 강도는 재료 내부의 “미세한 구조”에 크게 좌우된다. 이번의 주역은 알루미늄 모상 안에 생기는 석출물(precipitates)이다. 석출물이 작고, 밀집되어 분포하면 전위의 움직임이 막혀 강도가 올라간다. 반대로, 냉각이나 열 이력이 길면 석출물이 자라서 거대화되어 강도가 떨어지기 쉽다. ScienceDaily

연구팀은 3D 프린팅 후의 조직 관찰에서 나노 스케일의 석출물이 고밀도로 존재하는 것을 보여주며, 이 “밀집된 나노 구조”가 강도를 지탱하고 있다고 설명하고 있다. ScienceDaily

3D 프린팅이 “약점”이 아닌 “무기”가 되는: 급속 응고의 위력

여기가 이번의 재미있는 부분이다. 일반적으로 알루미늄은 3D 프린팅에서 다루기 어려운 소재 중 하나로 여겨져 왔다. 그러나 연구팀은 레이저로 분말을 녹여 층마다 굳히는 **LPBF(Laser Powder Bed Fusion)**의 성질——즉, 「녹은 층이 얇고, 금방 굳는다」 급속 응고——를 역이용하였다. ScienceDaily

주조처럼 “천천히 식는” 공정에서는 석출물이 자라기 쉽다. 그러나 LPBF에서는 레이저로 녹은 금속이 순간적으로 얼어붙는다. 그 결과, 기계 학습이 목표로 한 「미세하고 고밀도의 석출물」을 “현실에 고정화”할 수 있다. MIT의 발표는 바로 「3D 프린팅이 새로운 문을 연다」고 표현한다. ScienceDaily

얼마나 강한가? 얼마나 열에 강한가?

발표에 따르면, 완성된 시료는 주조품 대비 5배의 강도를 보이며, 기계 학습의 예측을 실험으로 뒷받침하였다. 게다가, 기존의 시뮬레이션 중심 설계로 만들어진 합금보다도 50% 강하다고도 언급되고 있다. 그리고 주목할 점은, 알루미늄 계열로서는 높은 온도 영역인 **최대 400℃**에서도 조직이 안정적이었다는 점이다. ScienceDaily

다른 소스에 게재된 논문 요지 기반의 기술에서는 특정 합금 클래스(예: Al–Er–Zr–Y–Yb–Ni)에서 급속 응고에 의해 준안정상이 석출되고, 그 후의 열처리에서도 나노 석출물이 거대화되기 어려운 것이 강도 유지의 열쇠가 된다고 한다. 또한, 400℃에서 8시간의 시효 후에 인장 강도가 395MPa에 도달했다고 하는 정량 정보도 제시되어 있다. 테크·아이 기술 정보 연구소

항공기만이 아니다. 「가벼움×형상 자유도」가 효과적인 산업은 모두 후보

왜 항공이 처음으로 언급되는가. 엔진의 팬 블레이드처럼, 경량화가 연비·항속·CO₂에 직결되는 부재에서는 소재가 바뀌는 임팩트가 크기 때문이다. MIT는 팬 블레이드가 현재 **티타늄(알루미늄보다 50% 이상 무겁고, 비용이 최대 10배)**이나 복합재로 만들어지고 있는 점을 들어, 동등한 강도와 내열이 확보되면 대체가 일어날 수 있다고 시사한다. ScienceDaily

게다가 용도는 항공기에 국한되지 않는다. 3D 프린팅은 복잡한 형상에 강하고, 재료 수율도 좋다. MIT 측은, 고성능 차량, 진공 펌프, 데이터 센터의 냉각 장치 등에도 전개할 수 있다고 말하고 있다. 열과 가벼움, 형상 자유도가 가치가 되는 영역이라면, 응용처는 넓다. ScienceDaily

그렇다면 과제는? 「재료가 대단하다」에서 「산업에서 사용할 수 있다」까지의 거리

재료 뉴스가 뜨거워질수록 현장은 냉정해진다. 「시험편에서 강하다」는 것과, 「양산 부품으로서 안정적으로 만들 수 있다」는 것은 별개의 문제다. LPBF는 프로세스 조건(레이저 출력, 주사, 분말 품질, 분위기)으로 성질이 흔들리기 쉽다. 대형 부품으로의 스케일업이나 품질 보증(비파괴 검사, 로트 관리)도 필요하다.

또한, 항공기 부재라면 피로 강도, 내식, 장기 열 이력에서의 조직 변화, 접합이나 표면 처리와의 궁합 등, 클리어해야 할 지표가 많다. 연구팀도 앞으로, 같은 기계 학습 방법으로 「다른 특성의 최적화」를 진행할 것이라고 하며, 여기서부터가 구현 단계다. MIT 뉴스

SNS의 반응(어떤 목소리가 나왔나?)

※주요 SNS는 열람 제한이나 취득 제한이 있으므로, 여기서는 공식 게시물의 존재나, 댓글란에서 확인된 반응을 중심으로 “경향”으로 정리한다.

1) 「AI가 소재를 발명하는 시대」에 대한 기대

LinkedIn에서는, 「AI와 재료 과학의 융합으로 제조의 미래가 변한다」「알고리즘이 “물질을 발명한다”」라는 톤으로 소개되며, 댓글에서도 「산업 간에 능력을 재정의할 것 같다」는 기대의 목소리가 보인다. LinkedIn

2) “투명 알루미늄” 이야기가 나오는 것도, 버즈 과학 뉴스의 흔한 일

SciTechDaily의 댓글란에서는, SF로 유명한 “투명 알루미늄”을 인용하는 게시물이 있으며, 이에 대해 「투명 알루미늄(알루미늄 산질화물)은 80년대부터 가능」이라는 보충 설명이 이어지는 흐름도 확인되었다. 기술의 화제가 문화의 문맥에서 소비되는 전형적인 예다. SciTechDaily

3) 공식·준공식 계정의 확산으로 「먼저 헤드라인이 도달」

X(구 Twitter)에서는, MIT 관련 계정이나 개인 계정이 MIT News 기사에 대한 링크를 게시하고 있으며, 먼저 “강도 5배”라는 헤드라인이 확산되는 구조가 보인다(※게시물 본문의 상세 확인은 환경상 제한 있음). X (formerly Twitter)

4) 기술자 커뮤니티는 「양산성·비용·적용 범위」를 보러 간다

공학계 미디어나 업계 관련 기사에서는, 강도뿐만 아니라 「고온에서 안정」「티타늄 대체 가능성」「기계 학습으로 탐색을 압축」과 같은 요소가 강조되며, 구현을 위한 시점에서 정리되기 쉽다. 엔지니어링 디자이너