1. 금속폼과 알루미늄폼이란?
역사의 흐름 속에서 금속 발포체의 발견은 재료공학 분야 전체의 혁명에서 중요한 이정표를 세웠습니다. 금속 발포체는 수많은 기공을 가진 금속 구조로 이루어져 있고 구조를 따라 기체가 채워진 재료입니다[2]. 이러한 금속 발포체의 기공은 서로 연결되거나 밀봉될 수 있으며, 각각 그림 2(a)(b)와 같이 개방형 셀 발포체와 폐쇄형 셀 발포체라고 합니다[3]. 그 중에서도 알루미늄 발포체는 높은 기공률, 낮은 밀도, 가벼운 무게, 높은 강도, 좋은 압축성, 강력한 충격 흡수력, 좋은 흡음 성능, 좋은 전자파 차폐 성능으로 인해 현재 가장 유망한 발포 금속입니다. 따라서 "금속 별"[4]로 알려진 뛰어난 성능으로 항공우주공학, 제조 및 물리과학 분야의 다른 가공 방법에 널리 사용됩니다.
그림 2. 알루미늄 발포체의 구조적 특성: (a) 개방형 셀 알루미늄 발포체; (B) 폐쇄형 셀 알루미늄 발포체 [3]
2. 알루미늄 발포체의 발견
역사를 통틀어 뼈, 나무, 부석과 같은 재료는 오랫동안 널리 사용되어 왔습니다. 많은 연구자들은 이러한 재료의 유용성이 금속 폼과 같은 인공 재료의 생산을 촉진했다고 예측합니다. 현재 사용 중인 대부분의 발포 기술은 1950년대 이후에 제안되었지만, 연구에 따르면 알루미늄 폼의 발견은 Ma De Meller가 프랑스 특허에서 금속 폼을 처음 언급한 1926년으로 거슬러 올라갑니다. Meller는 한때 금속 폼 공정은 용융 금속에 불활성 가스를 주입하거나 용융 금속에 탄산염과 같은 발포제를 사용하여 달성할 수 있다고 제안했습니다. 이는 이 아이디어에 기반한 특허일 뿐이지만 알루미늄 폼 개발에 필요한 다음 단계의 토대를 마련합니다. John C. Elliott는 20년 후 이 아이디어를 더욱 발전시켜 Meller 특허의 업데이트된 버전을 설계하고 최초로 사용 가능한 알루미늄 폼을 출시했으며, 이는 1990년대 일본에서 이 재료의 상용화에 기여했습니다. 이 발표는 토대를 마련했습니다[5].
3. 알루미늄 발포재의 성능 및 적용
발포 알루미늄은 높은 기공률과 다공성 구조를 가진 금속으로, 밀봉된 기공이 금속 재료 전체 부피의 약 4분의 3을 차지하여 재료를 매우 가볍게 만듭니다[7]. 위의 특성 외에도 발포 알루미늄은 뛰어난 에너지 흡수 특성과 높은 압축성을 가지고 있습니다[7]. 밀도와 관련하여 연구진은 대부분의 발포 알루미늄 샘플의 밀도가 약 0.4-1.2 g·cm-3임을 발견했습니다[6]. 또한 발포 알루미늄은 흡음성, 재활용성 및 낮은 열전도도를 가지고 있습니다[7].
알루미늄 폼의 전자기 차폐, 경량성 및 흡수 특성은 극한의 물리적 환경에 대한 내구성으로 인해 제어 핵융합 장치, 자동차, 항공우주 및 건설 산업에 사용되는 부품에 이상적인 후보입니다. 제어 핵융합 장치에서 폐쇄 셀 알루미늄 폼은 탁월한 전자기 차폐 재료입니다. 알루미늄 폼 골격의 상호 연결로 인해 비표면적이 크고 전자기파를 흡수 및 반사하는 능력이 우수합니다. 흡수 손실, 반사 손실 등 다양한 손실이 발생하기 때문에 발포 알루미늄은 우수한 전자기 차폐 성능을 갖습니다. 또한, 발포 알루미늄의 전자기 차폐 효과는 전자파 주파수가 증가함에 따라 처음에는 감소하다가 증가하는 경향을 보이는 것으로 나타났습니다[3]. 항공우주 산업에서 발포 알루미늄은 우주 콘이나 터빈 부품을 만드는 데 사용됩니다. 발포 알루미늄의 품질이 낮기 때문에 항공기 부품의 총 중량을 줄이는 데 특히 유용합니다[7]. 발포 알루미늄은 뛰어난 에너지 흡수 소재로서, 우주선의 완충 장치, 진동 흡수 장치, 그리고 우주선 귀환실 바닥을 제작하는 데 사용되어 우주선이 안전하게 착륙하고 우주비행사와 우주 장비의 안전을 보호할 수 있도록 합니다. 그림 3[8]에서 볼 수 있듯이, 발포 알루미늄은 효과적인 에너지 흡수 및 충격 흡수를 통해 우주선 착륙 시 발생하는 충격으로부터 우주비행사의 안전을 보장할 수 있습니다.
그림 3. 내충격성 빌지의 개선된 부분 구조[8]
1-상부 스킨; 2-폼 알루미늄 스트링거; 3-하부 스킨
자동차 산업에서 발포 알루미늄은 프레임에 사용되는 총 부품 수를 줄이고, 조립 공정의 효율성을 높여 궁극적으로 비용 절감 및 성능 향상에 기여합니다[7]. 현재 발포 알루미늄은 그림 4와 같이 자동차 차체 구조의 충돌 방지 바, 빔, 도어 빔 등에 사용되고 있습니다[9-10].
그림 4. (a)는 자동차 차체의 부분적인 에너지 흡수 부품의 다이어그램입니다.
(B) 폼알루미늄 충돌방지바의 개략도
건설 산업에서 발포 알루미늄은 주로 심각한 소음을 방지하기 위한 보호 및 내화 장벽으로 사용됩니다. 건축 분야에서 폐쇄형 셀 알루미늄 폼이 적용된 대표적인 사례는 상하이 SOHO 푸싱 플라자입니다. 설계자는 그림 6[11]에서 볼 수 있듯이 소리를 흡수하고 차음하기 위해 다량의 발포 알루미늄을 사용했습니다.
발포 알루미늄의 발견은 놀라운 업적으로 여겨집니다. 발포 알루미늄 소재는 뛰어난 전자파 차폐 성능, 경량성, 낮은 밀도, 충격 흡수 및 에너지 흡수 성능을 결합하여 오늘날 다양한 산업 분야에서 매우 우수한 성능을 발휘하고 있습니다. 폭넓은 적용 가능성을 가지고 있습니다. 흥미롭게도, 발포 알루미늄은 재활용이 가능한 친환경 제품이기도 합니다. 즉, 지속 가능한 소재이며 향후 산업 분야에서 대량으로 사용될 것으로 예상됩니다.
게시 시간: 2021년 11월 30일
