누리호 연소기 용접 심장 '전자총' 국산화

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한국전기연구원

전자빔 용접기의 심장인 '전자총'의 국산화 개발에 성공한 한국전기연구원 연구팀. 전기연 제공

국내 연구진이 그간 대부분 수입에 의존했던 전자빔 용접기용 핵심부품 ‘전자총’의 핵심 기술을 국산화하는 데 성공했다. 이번에 개발된 전자총은 세계 최고 수준의 출력과 가속전압을 달성했다. 향후 소형모듈원자로(SMR) 등 다양한 분야에 활용될 것으로 기대된다.

한국전기연구원(KERI)은 한성태 전기응용연구본부 본부장 연구팀이 전자총의 핵심 기술을 개발하고 특허 출원과 해외 학술지 게재를 완료했다고 4일 밝혔다.

전자빔 용접기는 기존 레이저에서 나오는 열 등을 활용하는 용접기와 달리 전자의 운동에너지를 사용해 소재를 붙인다. 전자빔이 쏘여지면 높은 전압으로 가속된 전자가 용접물에 충돌하면서 운동에너지를 열에너지로 변환시킨다. 이때 생긴 고열로 용접물을 서로 접합시키는 원리다.

전자빔 용접의 장점은 기존 용접으로 해결할 수 없었던 두꺼운 소재의 무결함 접합을 가능하게 한다는 것이다. 우주항공이나 방산, 원자력 등 특수 분야에서 주로 사용된다. 2021년 발사된 누리호 발사체의 연소기에도 특수강 소재와 부품을 흠결 없이 붙이기 위해 전자빔 용접기가 활용됐다.

전자빔 용접은 아주 높은 기술력을 요구한다. 한국은 그동안 독일과 일본 등으로부터 관련 장비의 99% 이상을 수입에 의존하고 있었다.

[사진2]전자빔 용접기의 ′전자총′(왼쪽)과 ′전원장치′(오른쪽). 전기연 제공

왼쪽부터 전자빔 용접기의 '전자총', '전원장치'. 전기연 제공

이번 연구에서는 전자빔 용접기의 핵심인 ‘전자총’과 ‘구동전원 시스템’의 국산화를 달성하는 데 성공했다. 높은 성능도 확인됐다. 세계 최고 수준인 60킬로와트(kW)의 출력과 120킬로볼트(kV)의 가속전압을 가졌다. 전자빔 용접기는 전자총의 가속 에너지가 높을수록 소재 내부로 열원을 침투시킬 수 있는 정도가 크다. 웬만한 두꺼운 대형 소재·부품 가공에 거의 다 활용될 수 있는 수준이다.

연구팀은 이번 성과를 통해 우리나라도 해외 의존 없이 전자빔 용접을 할 수 있는 길이 열렸다고 설명했다. 연구를 이끈 한 본부장은 “고성능 전자빔 용접기만이 가능한 맞춤형 첨단 원천 장비를 국내 기술로 만들 수 있다는 새로운 길도 열었다는 측면에서 의미가 크다”라고 전했다.

연구팀은 후속 연구를 통해 차세대 SMR 관련 작업에 활용할 수 있는 176킬로볼트(kV) 이상, 대전류 500밀리암페어(mA) 이상 성능의 전자총 개발에 나선다. 복잡한 금속 구조물의 3D프린팅 등 다양한 분야에서 전자빔 용접을 활용하기 위해 위해 금속용융, 소재경화, 표면처리, 코팅 등 여러 기능을 수행할 수 있는 제어기술도 확보할 계획이다.

전자빔 용접기를 통한 용접 작업 화면. 전기연 제공

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