녹는점 3,422℃ 텅스텐은 녹이지 않고 만듭니다, 가루를 눌러 굽는 분말야금
텅스텐은 녹는점이 3,422℃로 순수한 금속 가운데 가장 높습니다. 그래서 쇳물처럼 녹여서 틀에 부어 만들 수 없어요.
대신 가루로 만들어 눌러 굳힌 뒤 구워서 막대를 만듭니다. 이 방법을 분말야금이라고 불러요. 전구의 가는 필라멘트도, 용접 전극봉도 이렇게 만든 막대에서 나옵니다.
이 글은 네 가지를 쉽게 풀어 봅니다. 왜 녹이지 못하는지, 가루는 어떻게 만드는지, 가루가 막대와 철사가 되는 과정, 3D 프린팅 같은 새 방법의 한계입니다.
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| 철제 쟁반 위의 텅스텐 가루 더미, 거친 회색 막대, 가는 철사 한 타래 |
텅스텐은 왜 녹이지 못할까요?
가장 큰 이유는 담을 그릇이 없기 때문입니다. 스웨덴의 한 3D 프린팅 기업 연구진은 금속 전문 매체 메탈AM(Metal AM)에 이렇게 썼어요.
녹은 텅스텐을 안전하게 담을 만큼 열에 강한 고체 재료가 없다는 것입니다. 그래서 주조 같은 일반적인 용해 방식으로는 덩어리 텅스텐을 만들기 어려워요.
그렇다면 전자빔이나 아크(전기 불꽃)로 녹이면 어떨까요? 방법은 있습니다. 하지만 결과가 좋지 않아요.
프랑스 기술 자료 사이트 테크니크 드 랭제니외르의 1985년 해설을 보면 이런 방식은 연구실 수준에 머물러 있습니다. 녹여서 굳힌 텅스텐은 결정이 굵게 다시 자랍니다. 그래서 결정 경계에서 유난히 잘 부서진다고 해요.
미국 특허 H1179도 같은 이야기를 합니다. 녹여서 만든 텅스텐 덩어리는 결정이 굵고 부서지기 쉬우며 구멍이 많은 경우가 많았다고 적었어요.
그래서 지금 상업 생산은 거의 전부 분말야금에 기댑니다. 이 길은 1910년 미국 GE의 쿨리지가 열었다고 테크니크 드 랭제니외르는 소개해요.
1단계, 텅스텐 가루 만들기
가루 만들기는 APT 같은 중간 원료에서 시작합니다. 국제텅스텐산업협회(ITIA)에 따르면 노란색이나 푸른색 산화텅스텐을 수소로 환원해 텅스텐 가루를 얻어요.
환원은 산소를 떼어 내는 일입니다. 수소가 산소와 만나 물이 되어 빠져나가요.
가루의 크기는 환원 조건으로 바꿀 수 있습니다. ITIA는 평균 입자 크기를 0.1~100㎛까지 만들 수 있다고 설명했어요.
텅스텐 금속 제품과 합금의 출발 분말은 2~6㎛입니다. 머리카락 굵기를 약 70㎛로 보면 머리카락의 12~35분의 1쯤입니다(제 계산).
크기를 정하는 것은 온도, 수소 속 수증기, 분말을 깐 두께입니다. 2021년 국제 학술지 연구를 보면 초미세 분말은 낮은 온도와 건조한 수소에서 만들어요. 그래야 산화물이 증발하지 않습니다.
국내 연구도 있습니다. 대한금속재료학회지의 박원구 연구는 국내 APT로 가루를 만들었어요.
600℃에서 먼저 환원해 미세한 이산화텅스텐으로 바꾸고 800℃에서 최종 환원했습니다. 그러자 2㎛ 이하 가루가 78%였어요.
게재 연도는 확인하지 못했습니다. 환원로가 궁금하다면 텅스텐 제련·정련 장비 편도 함께 참고하세요.
2단계, 눌러 굳히고 구워서 붙이기
가루를 걸러 섞은 뒤 틀에 넣고 눌러 막대 모양으로 굳힙니다. 미국의 한 텅스텐 가공업체는 이때 막대가 붙어 있기는 하지만 깨지기 쉽다고 설명해요.
이 막대를 수소 속에서 약 1,200℃로 한 번 구워 조금 단단하게 만듭니다. 이 단계를 예비 소결이라고 불러요.
그다음이 본 소결입니다. 막대에 전기를 직접 흘려 막대 자체가 달아오르게 합니다. 전기난로의 열선이 스스로 달아오르는 것과 비슷해요.
미국 특허 6,899,845의 배경 설명을 보면 텅스텐은 일반 가마를 쓸 수 없어서 이 방식을 씁니다. 녹는점이 너무 높기 때문이에요.
미국 특허 5,019,330에는 구체적인 숫자가 나옵니다. 약 4,000~6,500암페어를 흘려 막대를 약 2,100~3,000℃까지 가열했어요.
가루가 서로 맞닿은 곳이 붙으면서 단단한 덩어리가 되는 일을 소결이라고 합니다. 도자기를 굽는 것과 원리가 비슷해요.
한 가지 선이 있습니다. 소결 온도가 녹는점 3,422℃를 넘으면 안 된다는 점입니다. 미국 특허 12,559,823은 넘으면 막대가 모양을 지키지 못해 불량이 된다고 적었어요.
철사용 막대는 칼륨 같은 첨가물을 소량 넣습니다. 한 특허는 칼륨을 30~90ppm 넣는다고 했어요. 다른 특허는 이런 첨가가 높은 온도에서 철사가 처지는 것을 막는다고 설명했습니다.
한 특허의 예에서는 소결 뒤 밀도가 이론 밀도의 약 85%였어요. 아직 작은 구멍이 남아 있다는 뜻입니다.
3단계, 두드려 늘이고 뽑아서 가늘게
소결한 막대는 단단하지만 깨지기 쉽습니다. 그래서 아주 뜨겁게 달군 채 두드립니다.
스웨이징이라고 하는데, 대장간에서 쇠를 두드려 늘이는 일과 비슷해요. 911메탈러지스트(911Metallurgist)에 실린 옛 해설은 이 작업 온도를 눈부신 흰 열이라고 표현했습니다.
미국의 텅스텐 가공업체는 이 과정에서 결정이 늘어나 섬유 같은 구조가 된다고 설명해요. 지름이 약 0.25~0.10인치(약 6.4~2.5mm)가 될 때까지 두드립니다. 그 뒤로는 뽑는 작업이 이어져요.
뽑는 작업은 국수를 뽑는 것과 비슷합니다. 윤활제를 바르고 다이아몬드나 초경으로 만든 구멍(다이)을 통과시켜 가늘게 만들어요.
가는 도중에 풀림(열처리)을 해서 다시 가공할 수 있게 합니다. 가장 가는 철사는 0.0005인치로, 약 12.7㎛입니다(제 계산).
왜 이렇게 뜨겁게 가공할까요? 상온에서 너무 잘 부서지기 때문입니다.
ASM 인터내셔널은 텅스텐이 상온에서 매우 부서지기 쉬워 일반 방식으로 가공하기 어렵다고 소개했어요. 시장 조사 매체 에너지트렌드(EnergyTrend)도 텅스텐 철사는 높은 온도에서만 늘일 수 있다고 적었습니다.
이렇게 만든 가는 철사는 25~40㎛ 굵기의 태양전지 웨이퍼 절단용 심선 같은 곳에도 쓰입니다. 텅스텐 가루로 만드는 또 하나의 길은 초경합금이에요. 초경합금의 비밀 편도 함께 참고하세요.
새로운 길, 3D 프린팅은 어디까지 왔을까요?
가루를 눌러 굽는 방식으로는 복잡한 모양을 만들기 어렵습니다. 그래서 3D 프린팅이 주목받고 있어요.
스웨덴 연구진은 전자빔으로 가루를 녹여 층층이 쌓는 방식을 소개했습니다. 균열 없이 밀도가 높은 텅스텐을 얻으려면 작업대 온도를 계속 약 1,000℃로 유지해야 했어요.
독일 카를스루에공대(KIT) 연구진도 전자빔으로 가루를 미리 데운 뒤 녹였어요. 균열 없는 부드러운 재료를 만들었다고 ASM 인터내셔널이 전했습니다.
연구진은 앞으로 기계적 성질을 시험할 계획이라고 해요.
아직 확실하지 않은 것
3D 프린팅이 곧 분말야금을 대신한다는 기대는 이릅니다. 스웨덴 연구진의 글은 3D 프린팅용 가루를 둥글게 만드는 일(구형화)이 비용을 크게 늘린다고 적었어요.
KIT의 연구도 성질 시험은 앞으로의 일입니다. 두 곳 모두 연구 단계예요.
분말야금 텅스텐에도 약점이 남아 있습니다. 같은 글에 따르면 분말야금 텅스텐에는 작은 구멍이 많이 남고, 상온에서 잘 부서져 깎기도 어렵습니다. 불순물이 결정 경계에 모여 더 부서지기 쉽게 만든다고 해요.
공정 조건은 문헌마다 다릅니다. 본 소결 온도는 한 특허에서 약 2,100~3,000℃였고, 다른 특허에서는 2,900℃ 넘게 구웠어요.
예비 소결도 약 1,200℃ 안팎이지만 정확한 값은 분말과 첨가물에 따라 다릅니다. 하나의 정답 온도가 있는 것이 아니에요.
자료의 한계도 있습니다. 위 공정 설명은 특허의 배경과 실시예, 업체의 설명, 옛 문헌에 많이 기댔습니다.
1985년 해설과 1960년대 보고서가 지금의 설비와 같다고 단정할 수 없어요. 한국의 실제 현장 공정은 이번 조사에서 확인하지 못했습니다.
앞으로 볼 것
세 가지를 지켜볼 만합니다. 3D 프린팅 텅스텐이 성질 시험을 통과하는지, 고운 가루를 싸게 만드는 방법이 나오는지, 더 가는 철사가 나오는지예요. 녹이지 않고 만드는 방식은 100년 넘게 이어졌고 당분간 그 자리가 크게 바뀌지는 않을 것으로 보입니다.
※ 본 원고는 공개된 특허, 학술·기술 자료, 업체 설명을 바탕으로 정리한 정보 제공용 글이며, 특정 기업이나 종목에 대한 투자 권유가 아닙니다.
FAQ — 텅스텐 분말야금에 대해 자주 묻는 질문
Q1. 텅스텐은 왜 녹여서 만들지 못하나요? 녹는점이 3,422℃로 너무 높아 녹은 텅스텐을 담을 그릇이 마땅치 않기 때문입니다. 전자빔으로 녹이는 방법도 있지만 굵은 결정이 생겨 잘 부서지고 연구실 수준에 머물러 있어요.
Q2. 분말야금이 무엇인가요? 가루를 틀에 넣고 눌러 굳힌 뒤 구워서 단단한 덩어리로 만드는 방법입니다. 텅스텐은 수소로 가루를 만들고, 눌러 굳히고, 전류로 구워서 막대를 만든 뒤 두드리고 뽑아서 철사로 만들어요.
Q3. 텅스텐 막대는 어떻게 철사가 되나요? 뜨겁게 달군 채 두드려 지름을 줄인 다음, 윤활제를 바르고 다이아몬드나 초경 구멍에 통과시켜 가늘게 뽑습니다. 가는 도중 열처리를 해서 다시 가공할 수 있게 해요.
Q4. 텅스텐은 왜 상온에서 잘 부서지나요? 상온에서 잘 부서지는 성질이 있고, 분말야금 텅스텐에는 작은 구멍과 결정 경계에 모인 불순물이 있어 더 그렇다는 설명이 있습니다. 그래서 높은 온도에서 가공해요.
Q5. 텅스텐을 3D 프린터로 만들 수 있나요? 연구 단계에서 가능성이 보입니다. 전자빔으로 균열 없는 텅스텐을 만들었다는 연구가 있지만 작업대를 약 1,000℃로 유지해야 하고, 성질 시험과 비용 문제가 남아 있어요.
참고 자료
- 협회·특허 자료: 국제텅스텐산업협회(ITIA) 「Properties & Intermediates」(2026년 확인), 미국 특허 6,899,845·5,019,330·6,165,412·12,559,823, 미국 특허 H1179(플라즈마 아크 주조)
- 학술·기술 자료: 대한금속재료학회지 박원구 「국내 APT에 의한 텅스텐 분말 환원 연구(2)」(게재 연도 확인 필요), High Temperature Materials and Processes(2021), 테크니크 드 랭제니외르 「Properties of tungsten and its alloys」(1985), NASA·미 공군 연구 보고서(1960년대), 911Metallurgist 「Metallography of Tungsten」(게재일 확인 필요)
- 산업·기술 매체: Metal AM 스웨덴 3D 프린팅 기업 연구진 기고, ASM 인터내셔널 KIT 연구 소식, 미국 텅스텐 가공업체의 철사 제조 설명(모두 게재일 확인 필요), EnergyTrend(2024.03.22)
