단결정 적층제조 1m 실증 — 류창멍팀, 항공부품 비용도 바꿀까

금속을 크게 뽑는 것만으로는 부족합니다. 비행기에 들어갈 부품은 같은 품질로 반복 생산해야 하고, 오래 사용해도 안전하다는 근거가 있어야 합니다. 이 연구를 읽을 때도 프린터의 가격과 합격한 부품 한 개의 가격을 나누어 생각할 필요가 있습니다.

연구를 이끈 사람들

류창멍은 연구 아이디어를 제안했고, 추이이난·왕자천(Jiachen Wang)·한샤오(Xiao Han)와 함께 실험을 설계하고 수행했습니다. 모리스 왕은 연구 감독에 참여했습니다. 논문은 이들의 역할을 저자 기여 항목에 구분해 적었습니다. 출처: Nature · Author contributions

류창멍의 연구 이력을 보면 이번에 복잡한 형상을 다룬 이유가 이해됩니다. 베이징이공대 공식 소개에는 대형 래티스 구조를 받침 없이 적층하는 국가 연구 프로젝트를 이끈 경력이 나옵니다. 래티스는 가느다란 기둥을 공간 속에서 연결한 격자 구조입니다. 소재를 덜 쓰면서 필요한 하중을 지탱하도록 설계할 수 있습니다. 출처: BIT · Changmeng Liu

모리스 왕 연구실은 적층 소재와 나노구조 금속이 힘을 받을 때 어떻게 변형되는지 연구합니다. UCLA는 현미경과 X선 등을 이용해 결함과 경계의 상호작용을 관찰하는 연구를 소개합니다. 큰 구조를 만드는 경험과 작은 결함을 해석하는 경험이 만난 협업입니다. 출처: UCLA · Yinmin Morris Wang

단결정 적층제조는 결정립 경계를 어떻게 줄이나

보통 금속 안에는 원자 배열 방향이 다른 작은 결정들이 모여 있습니다. 그 사이가 결정립 경계입니다. 이 경계는 어떤 조건에서는 변형을 막아 강도를 높이지만, 높은 온도에서 오래 힘을 받으면 변형과 손상이 진행되는 통로가 되기도 합니다. 그래서 단결정 터빈 소재는 오래전부터 중요한 연구·산업 분야였습니다. 출처: NIMS · Superalloy

류창멍팀의 접근은 와이어를 전기아크로 녹여 쌓는 WAAM에 강약을 조절한 펄스 열입력을 적용합니다. DSP-WAAM이라는 공정으로 결정 성장 방향을 제어합니다. 일반 적층의 반복 가열을 단결정 성장에 활용한다는 발상입니다. 출처: Nature · DSP-WAAM

Nature 해설을 쓴 그레고리 로러는 기성 장비로 복잡한 형상과 최대 1m 길이를 구현한 점에 주목합니다. 기존 결정 성장법으로 만들기 어려운 모양까지 다룬다는 뜻입니다. 다만 기성 장비를 쓴다는 말이 기존 공장에 설정값 하나만 입력하면 같은 품질이 나온다는 뜻은 아닙니다. 출처: Nature News & Views · Gregory S. Rohrer

1. 1
   와이어·열입력

   전기아크와 펄스 제어

2. 2
   결정·형상

   성장 방향과 구조 형성

3. 3
   반복 검증

   검사·수명·양품 비용

이전의 티타늄 적층제조 글은 미세구조를 강화해 인장강도를 높이는 문제를 다뤘습니다. 이번에는 결정 성장과 고온에서의 장시간 변형이 중심입니다. 어느 쪽이 더 우수한지 하나의 강도 숫자로 줄 세울 수 없습니다. 필요한 하중과 사용 온도에 따라 설계 목표가 달라집니다. 관련: 관련 글 · 티타늄 3D 프린팅과 인장강도

1m 실증과 크리프 성능, 어디까지 확인됐나

류창멍팀은 Ti-6Al-4V, 즉 알루미늄과 바나듐이 들어간 티타늄 합금의 미터급 구조와 지그재그 래티스를 보고했습니다. 텅스텐(W)·몰리브데넘(Mo)·니오븀(Nb)과 MoNb 합금에도 적용했습니다. 모든 소재가 1m 크기로 검증됐다는 의미는 아닙니다. 출처: Nature · Abstract

논문이 말하는 크리프 저항 향상은 약 한 자릿수, 즉 대략 10배입니다. 다만 비교 기준은 엔진 수명이 아니라 일반적인 결정립 크기 스케일링 예측입니다. 결정 구조도 따져 봐야 합니다. Ti64는 고온에서 β상이라는 결정 구조로 자라고, 식으면서 α상과 β상이 섞인 조직으로 바뀝니다. 논문의 단결정 평가는 식기 전 β상의 결정 방향을 재구성한 결과를 포함하므로, 완성품 안의 경계가 모두 사라졌다고 보기는 어렵습니다. 출처: Nature · Abstract / Extended Data

공개 확장 데이터에서는 낮은 온도 구간의 항복강도, 즉 영구 변형이 시작되는 힘이 오히려 다결정 쪽에서 더 높았습니다. 순수 텅스텐의 미세균열 문제도 남아 있습니다. 이번 결과를 어떤 온도·재료에서나 통하는 만능 소재로 읽으면 곤란한 이유입니다. 출처: Nature · Extended Data 6, 10

크리프가 줄면 치수 변화 때문에 교체하던 부품의 사용 기간을 늘릴 여지는 있습니다. 여기부터는 조건부 전망입니다. 실제 부품은 반복 하중에 따른 피로, 산화, 표면 상태, 결합부의 손상도 함께 겪습니다. 크리프 하나를 개선해도 다른 원인으로 먼저 교체한다면 유지비 절감은 제한적입니다.

엔진이라는 단어도 구분해서 읽어야 합니다. NIMS가 소개하는 고온 터빈 블레이드는 니켈계 초합금입니다. 이번 Ti64 결과를 그 블레이드의 대체품으로 곧장 연결할 근거는 없습니다. 류창멍팀의 방법을 다른 소재와 실제 형상에서 다시 검증하는 단계가 필요합니다. 출처: NIMS · Nickel-based superalloys

재료를 아껴도 부품 가격은 내려가지 않을 수 있습니다

이 성과를 산업으로 연결할 때 먼저 볼 항목은 원료 투입량입니다. 필요한 모양에 가깝게 쌓으면 큰 덩어리를 깎아 버리는 양을 줄일 수 있습니다. 하지만 표면을 다듬는 가공, 열처리, 검사, 실패한 출력물의 비용을 함께 계산해야 합니다. 이 논문에서 생산 원가 절감률이 확인된 것은 아닙니다.

설명용으로 같은 수량의 후보 부품을 만드는 비용을 비교해 보겠습니다. 기존 공정의 총투입비를 100, 합격률을 100%로 가정합니다. 새 공정의 총투입비가 80으로 내려가도 합격률이 80%라면 합격품당 비용 지수는 80÷0.8=100입니다. 재료와 공정에서 아낀 금액이 불합격품 때문에 사라지는 셈입니다.

검사를 강화한 뒤 총투입비가 90이 되고 합격률이 90%가 되어도 결과는 100입니다. 이 숫자는 실제 공장의 견적이나 실험값이 아닌 계산 예시입니다. 감가상각과 검사비를 포함한 총투입비를, 최종 합격한 수량으로 나눠야 한다는 뜻입니다.

생산성은 시간 문제도 포함합니다. 열입력을 세밀하게 조절하느라 설비를 오래 점유한다면 재료 절감만으로 부족할 수 있습니다. 반대로 비싼 금형과 긴 조달 기간을 피할 수 있는 소량 부품은 다소 느리게 출력해도 유리할 수 있습니다. 견적서에 필요한 숫자는 시간당 쌓는 무게뿐 아니라 주문부터 검사 완료까지 걸리는 기간입니다.

Norsk Titanium이 보여준 인증과 매출 사이의 시간

사업화에 시간이 얼마나 걸리는지 가늠할 때 참고할 만한 사례가 노르웨이의 Norsk Titanium입니다. 이 회사의 RPD(Rapid Plasma Deposition, 플라스마로 티타늄 와이어를 녹여 쌓는 방식)는 이번 DSP-WAAM 단결정 공정과 다른 기술입니다. 회사는 2026년 2월 24일 발표에서 RPD 티타늄 소재 물성 자료가 2025년 12월 항공 인증에 쓰이는 MMPDS 핸드북 게재 대상으로 수락됐다고 밝혔습니다. 출처: Norsk Titanium · 2026-02-24

같은 발표에는 상업화가 당초 일정에 못 미쳤다는 내용도 있습니다. 파브리치오 폰테 CEO는 고객사의 설계·인증·조달 등 여러 조직의 조율이 필요하다고 설명했습니다. 회사는 당시 매출과 현금흐름 전망을 철회했습니다. 이는 그 발표 시점의 사례이며, 10월 현재의 실적이나 전망을 뜻하지 않습니다. 출처: Norsk Titanium · Commercial progress

이 사례가 알려 주는 것은 시장 규모보다 매출에 도달하는 순서입니다. 소재 데이터가 인정받고, 고객이 특정 부품을 설계에 반영하고, 구매 계약과 반복 주문으로 이어져야 합니다. 장비 판매 외에도 공정 사용권과 고객 생산라인 통합이 사업 모델이 될 수 있지만, 이번 연구진의 계약이나 수익화 계획이 확인된 것은 아닙니다.

한국 항공·방산 공급망은 무엇을 준비해야 하나

여기서부터는 논문의 실험 결과가 아니라 한국 기업 입장에서 본 전망입니다. 항공·방산 업체라면 우선 특정 부품의 사용 온도와 손상 원인을 정하고, 단결정이 필요한지부터 판단해야 합니다. 이미 충분히 오래 쓰는 부품에 단결정이라는 이유만으로 비싼 검사 공정을 더하면 가격 경쟁력이 나빠질 수 있습니다.

FAA의 2020년 공식 보고서는 적층 부품에도 기존 제조법과 같은 수준의 엄격한 승인 절차를 적용하며, 위험에 따라 접근한다고 설명합니다. 이 원칙은 단결정 출력 성공이 곧 납품 승인이라는 해석을 막아 줍니다. 보고서가 DSP-WAAM의 인증 방법을 제시하거나 이 공정을 승인한 것은 아닙니다. 출처: FAA · Report to Congress, March 2020

필요한 준비는 반복 생산 이력입니다. 와이어의 조성, 열입력 기록, 결정 방향, 내부 결함, 후가공 조건을 완성품의 시험 결과와 연결해야 합니다. 작은 시편이 통과했는데 큰 부품의 접합부에서 실패한다면 고객은 공정을 다시 확인할 것입니다. 연구장비 구매와 함께 이런 기록을 만드는 인력·검사 체계에도 비용을 배분해야 합니다.

조선 분야는 더 선별적으로 봐야 합니다. 일반 선체 구조물 전체를 값비싼 단결정으로 바꿀 경제적 이유는 이 연구에서 나오지 않습니다. 고온에서 오래 버티거나 교체 접근이 어려운 특수 부품처럼, 개선된 성능의 가치가 검증비보다 큰 경우를 찾아야 합니다. 한국 조선·방산 기업의 채택이나 수주가 이미 정해졌다고 볼 자료도 없습니다.

새 시장이 생긴다면 출력 서비스만의 시장은 아닐 수 있습니다. 결정 방향을 확인하는 검사, 공정 중 이상 감지, 재료별 열입력 제어, 장기 수명 데이터 관리도 거래 가능한 서비스가 될 수 있습니다. 반대로 기존 주조 업체는 바로 사라지기보다 축적한 재료·품질 관리 경험으로 새 공정의 검증 파트너가 될 가능성이 있습니다. 모두 실제 고객 검증을 전제로 한 전망입니다.

류창멍팀의 연구가 던진 질문은 이제 더 구체적입니다. 원하는 모양의 단결정을 만들 수 있다면, 같은 품질로 몇 개를 만들 수 있고 검사까지 얼마가 드는가입니다. 그 답이 쌓일 때 크리프 성능 개선은 항공·산업 부품의 수명과 가격을 함께 바꾸는 기술이 될 수 있습니다. 이 글은 연구 내용과 산업적 의미를 해설한 것이며, 특정 기업에 대한 투자 권유가 아닙니다.

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단결정의 경제적 가치는 반복 생산에서 합격한 부품의 총비용으로 확인해야 합니다.

출처와 참고 링크

• Liu et al., Nature (2026): Additive manufacturing of ultralong and architected single crystals
• Gregory S. Rohrer, Nature News & Views (2026-10-21)
• Beijing Institute of Technology: Changmeng Liu
• UCLA Samueli: Yinmin Morris Wang
• Norsk Titanium operational update, 2026-02-24
• FAA report to Congress on additive manufacturing, March 2020
• NIMS: Superalloy (2023)