불변강 : 온도 변화에도 열팽창 계수와 탄성률이 일정하게 유지되는 특수 합금강

불변강의 정의와 개발 역사

불변강의 정의와 기본 개념

불변강(不變鋼, Invariable Steel)은 주위의 온도가 변화하더라도 재료의 선팽창 계수나 탄성률과 같은 물리적 특성이 거의 변하지 않는 특수 합금강을 의미합니다. 일반적인 금속 재료는 온도가 상승하면 열팽창이 발생하여 길이와 부피가 증가하며, 온도가 하강하면 수축하는 특성을 가지고 있습니다. 그러나 불변강은 이러한 일반적인 법칙에서 벗어나 온도 변화에도 불구하고 치수의 안정성을 유지합니다.

불변강의 가장 대표적인 특징은 극히 낮은 열팽창 계수입니다. 일반 탄소강의 열팽창 계수가 약 12.0×10⁻⁶/℃ 수준인 반면, 불변강은 1.2×10⁻⁶/℃ 수준으로 약 10분의 1에 불과합니다. 이러한 특성은 온도 변화가 빈번하거나 정밀도가 요구되는 환경에서 매우 중요한 역할을 합니다. 불변강은 'Invar(인바)'라는 이름으로도 널리 알려져 있으며, 이는 프랑스어로 불변(Invariable)을 의미하는 단어에서 유래되었습니다.

불변강은 주로 철(Fe)과 니켈(Ni)의 합금으로 구성되며, 일부 종류는 크롬(Cr), 코발트(Co) 등의 원소를 추가로 포함합니다. 이러한 합금 구성을 통해 온도 변화에 대한 저항성을 확보하며, 산업 재료로서 계측 장비, 정밀 기기, 전자 부품 등 다양한 분야에서 필수적으로 사용됩니다.

샤를 에두아르 기욤의 발견과 노벨상 수상

불변강의 역사는 1897년 프랑스의 물리학자 샤를 에두아르 기욤(Charles Édouard Guillaume)이 36% 니켈을 함유하는 철-니켈 합금이 온도가 올라가도 열팽창이 거의 일어나지 않는다는 사실을 발견하면서 시작되었습니다. 기욤은 당시 전기 침수 히터의 온도 조절 장치를 개발하는 과정에서 이 특이한 현상을 우연히 발견하였으며, 이는 재료과학 분야에 획기적인 전환점이 되었습니다.

기욤의 발견은 당시로서는 혁명적인 것이었습니다. 철과 니켈은 각각 양의 열팽창 특성을 가지고 있지만, 특정 비율(약 36% 니켈)로 결합하면 광범위한 온도와 압력에서 거의 열팽창이 없는 재료가 형성된다는 사실은 과학계에 큰 충격을 주었습니다. 이러한 비정상적인 현상은 '인바 효과(Invar Effect)'라고 불리게 되었으며, 재료의 자성과 결정 구조가 복잡하게 상호작용한 결과로 설명됩니다.

기욤의 공로를 인정받아 1920년 노벨 물리학상을 수상하였으며, 이는 합금 분야에서 노벨상을 받은 최초의 사례 중 하나입니다. 그러나 흥미롭게도 노벨상 수상 이후 98년이 지나도록 인바 특이성의 정확한 원리는 완전하게 해명되지 못한 채 남아있었습니다.

인바 특이성의 원리 규명

불변강의 저열팽창 특성, 즉 '인바 특이성'의 원리는 오랜 기간 과학계의 미해결 과제로 남아있었습니다. 노벨상을 받은 대부분의 주제들은 그 원리가 분명하게 밝혀졌지만, 인바의 저열팽창 특성은 예외적으로 완전한 설명이 어려웠습니다. 이는 철-니켈 합금의 자성과 결정 구조, 전자 구조가 복잡하게 얽혀있기 때문입니다.

2018년, 국내 순천대학교 신소재공학과 박용범 교수 연구팀이 노벨상 수상 98년 만에 인바 특이성의 원리를 완벽하게 밝혀내는 데 성공했습니다. 연구팀은 전주도금 방법을 응용하여 인바 합금을 제조하는 과정에서 합금의 미세조직과 자성, 열팽창 거동 사이의 관계를 정밀하게 분석하였습니다. 철과 니켈이 약 36%의 비율로 결합할 때 면심 입방 구조를 형성하며, 이 구조에서 자성의 변화가 열팽창을 상쇄하는 메커니즘을 규명한 것입니다.

이러한 원리 규명은 단순히 학술적 의미를 넘어 산업적으로도 큰 가치를 지닙니다. 박용범 교수팀은 20년 가까이 연구해 구축한 모든 데이터베이스를 논문을 통해 공개하였으며, 이는 국내 기업들이 OLED 디스플레이 산업 등에서 국제경쟁력을 선점하는 데 큰 도움이 되었습니다.

불변강의 종류와 특성

인바(Invar) 합금

인바(Invar)는 불변강의 가장 대표적인 종류로, 0.2% 이하의 탄소, 35~36%의 니켈, 약 0.4%의 망간이 첨가된 철 합금입니다. 인바의 가장 큰 특징은 200℃ 이하의 온도에서 선팽창 계수가 현저하게 작다는 점입니다. 20℃에서의 열팽창 계수는 약 1.2×10⁻⁶/℃로, 보통 강의 12.0×10⁻⁶/℃에 비해 약 1/10 수준입니다.

인바의 구성 성분은 니켈 36%, 철 64%이며, 면심 입방 구조를 특징으로 합니다. 밀도는 약 8.1 g/cm³이고, 용융점은 1,420-1,450℃ 수준입니다. 인장 강도는 약 490 MPa, 항복 강도는 240 MPa, 탄성 계수는 144 GPa로 우수한 기계적 특성을 가지고 있습니다. 또한 열전도도가 10-30 W/m-K로 낮아 열이 전달되기 어려운 특성도 지니고 있습니다.

인바는 상온에서 탄성 계수가 매우 적고 내식성이 우수하여 다양한 용도로 활용됩니다. 대표적인 사용처로는 줄자, 표준자, 시계의 진자와 태엽, 바이메탈, 측량용 기구, 지진계 등이 있습니다. 특히 정밀 측정이 요구되는 분야에서 인바는 필수적인 재료로 자리잡고 있습니다. 또한 액화가스의 생산 및 저장시설, 항공기 제어 장비, 광학 기기 등 첨단 산업 분야에서도 널리 사용됩니다.

엘린바(Elinvar) 합금

엘린바(Elinvar)는 약 36%의 니켈과 12%의 크롬이 첨가된 철 합금으로, 'Elastic Invariable(탄성 불변)'이라는 의미를 담고 있습니다. 엘린바의 가장 큰 특징은 온도 변화에 따른 탄성 계수의 변화가 극히 적다는 점입니다. 인바가 선팽창 계수의 불변성을 강조한다면, 엘린바는 탄성률의 불변성에 초점을 맞춘 합금입니다.

엘린바의 구성은 철 52%, 니켈 36%, 크롬 12%로 이루어져 있으며, 20℃에서 온도 계수는 1.2×10⁻⁶, 탄성 계수는 약 17,600 kg/mm², 열팽창 계수는 8×10⁻⁶ 정도입니다. 상온에서 실용상 탄성 계수가 거의 변화하지 않기 때문에 정밀한 기계적 움직임이 요구되는 곳에 이상적입니다.

엘린바는 주로 고급 시계의 유사(hairspring), 정밀 저울의 스프링, 표준 소리굽쇠, 지진계, 정밀 계측기기의 스프링 재료, 전자기 장치, 각종 정밀 부품 등에 사용됩니다. 특히 시계 산업에서 엘린바는 온도 변화에도 정확한 시간을 유지할 수 있게 해주는 핵심 소재로 평가받고 있습니다. 또한 항공우주 분야에서도 정밀 센서와 제어 장치의 부품으로 활용됩니다.

초인바, 코엘린바, 플래티나이트

초인바(Super Invar)는 30.5-32.5%의 니켈과 4-6%의 코발트를 함유하는 철 합금으로, 인바보다 선팽창 계수가 훨씬 작습니다. 20℃에서 선팽창 계수가 0.1×10⁻⁶ 수준으로 인바의 1.2×10⁻⁶보다 월등히 낮은 값을 나타냅니다. 그러나 초인바는 적용 가능한 온도 범위가 인바보다 좁다는 단점이 있어, 특수한 용도에 한정적으로 사용됩니다.

코엘린바(Coelinvar)는 10-11%의 크롬, 26-58%의 코발트, 10~16%의 니켈을 함유하는 철 합금입니다. 코엘린바는 엘린바에 코발트를 첨가한 형태로, 선팽창 계수가 작고 온도 변화에 의한 탄성률의 변화가 극히 적습니다. 또한 공기 중이나 수중에서 부식되지 않는 우수한 내식성을 가지고 있어, 스프링, 태엽, 기상 관측용 기구 등의 부품 재료로 사용됩니다.

플래티나이트(Platinite)는 44-47.5% 또는 40-50%의 니켈을 함유하는 철-니켈계 합금으로, 열팽창 계수가 유리나 백금과 거의 동일하다는 특징을 가지고 있습니다. 이러한 특성 덕분에 플래티나이트는 주로 전구의 도입선으로 사용되며, 유리와 금속을 봉착하는 용도로도 활용됩니다. 플래티나이트와 유사한 합금으로는 페르니코(Fe 54%, Ni 28%, Co 18%)와 코바(Fe 54%, Ni 29%, Co 17%)가 있으며, 이들도 유리 밀봉용 합금으로 널리 사용됩니다.

불변강의 물리적·화학적 특성

열팽창 계수와 선팽창 특성

불변강의 가장 핵심적인 특성은 극도로 낮은 열팽창 계수입니다. 열팽창 계수(Coefficient of Thermal Expansion, CTE)는 온도 변화 1도당 재료가 팽창하거나 수축하는 정도를 나타내는 지표입니다. 일반적인 금속의 열팽창 계수는 알루미늄이 약 24×10⁻⁶/℃, 스테인리스강이 약 17×10⁻⁶/℃인 반면, 인바는 약 1.2~1.8×10⁻⁶/℃로 현저히 낮습니다.

인바의 선팽창 계수는 온도 구간에 따라 다소 차이가 있습니다. 20℃를 기준으로 -60℃에서는 1.8×10⁻⁶/℃, 0℃에서는 1.6×10⁻⁶/℃, 50℃에서는 1.1×10⁻⁶/℃, 100℃에서는 1.4×10⁻⁶/℃를 나타냅니다. 온도가 더 올라가면 선팽창 계수도 점차 증가하여 250℃에서는 3.6×10⁻⁶/℃, 400℃에서는 7.8×10⁻⁶/℃ 수준이 됩니다. 따라서 인바는 200℃ 이하의 온도 범위에서 가장 안정적인 치수 안정성을 보입니다.

이러한 저열팽창 특성은 철과 니켈의 독특한 상호작용에서 비롯됩니다. 철은 양의 열팽창 계수를 가지지만, 니켈과 결합하면 자성의 변화가 물리적 팽창을 상쇄하는 효과를 만들어냅니다. 특히 니켈 함량이 약 36%일 때 이러한 상쇄 효과가 최대화되어 순 열팽창이 매우 낮아집니다. 초인바의 경우 코발트를 추가함으로써 이 효과를 더욱 강화하여 0.1×10⁻⁶/℃ 수준까지 열팽창 계수를 낮출 수 있습니다.

탄성 계수와 기계적 성질

불변강은 낮은 열팽창 계수뿐만 아니라 우수한 기계적 성질도 가지고 있습니다. 인바의 탄성 계수(Young's Modulus)는 약 140~145 GPa로, 일반 구조강에 비해 다소 낮지만 충분한 강성을 확보하고 있습니다. 이는 불변강이 단순히 치수 안정성만 제공하는 것이 아니라 구조재로서도 사용 가능함을 의미합니다.

인바의 인장 강도는 약 200-240 MPa 또는 490 MPa 수준이며, 항복 강도는 240 MPa 정도입니다. 비커스 경도는 약 160 수준으로 높지 않은 편이지만, 냉간 변형을 통해 강도를 향상시킬 수 있습니다. 냉간 압연을 거친 인바는 인장 강도가 641-731 MPa까지 증가하며, 신장률은 8~14% 정도를 유지합니다. 이 과정에서 강도가 증가하더라도 우수한 소성을 유지하므로 가공성이 양호합니다.

엘린바의 경우 탄성 계수가 온도 변화에도 거의 변하지 않는다는 점이 가장 큰 특징입니다. 20℃에서 탄성 계수는 약 17,600 kg/mm²이며, 온도가 변해도 이 값이 일정하게 유지됩니다. 이는 스프링이나 정밀 기계 부품에서 온도가 변하더라도 동일한 탄성 복원력을 유지할 수 있음을 의미합니다. 불변강의 전기 저항률은 20℃에서 약 0.78 Ω·mm²/m이며, 열전도도는 11 W/(m·℃) 수준으로 낮습니다. 퀴리 온도는 약 230℃로, 이 온도를 넘으면 자성이 소실됩니다.

내식성과 내구성

불변강은 우수한 내식성을 가지고 있어 다양한 환경에서 장기간 사용이 가능합니다. 인바는 상온에서 내식성이 대단히 좋으며, 산화 및 노화에 대한 저항성도 높습니다. 이는 니켈의 함량이 높기 때문으로, 니켈은 철의 부식을 억제하는 효과를 가지고 있습니다. 특히 코엘린바는 공기 중이나 수중에서도 부식되지 않는 탁월한 내식성을 보여 기상 관측 기구나 해양 부품에도 사용됩니다.

불변강의 내구성은 온도 안정성과 기계적 강도의 조합에서 나옵니다. 온도 변화가 심한 환경에서도 치수가 변하지 않아 피로 균열이나 변형이 발생하기 어렵습니다. 또한 인바는 용접 및 납땜이 용이하여 복잡한 구조물을 제작하는 데 유리합니다. 용접 시에는 아르곤 아크 용접을 사용하는 것이 권장되며, 합금 조성의 변화를 최소화하기 위해 0.5~1.5%의 티타늄이 함유된 필러 메탈을 사용하는 것이 좋습니다.

불변강은 응력 부식 균열에 대한 저항성도 우수합니다. 이는 합금이 매우 연성이 높고 결합력이 강하기 때문입니다. 다만 인바는 크리프(creep) 경향이 있어 장기간 하중이 가해지면 서서히 변형될 수 있으므로 주의가 필요합니다. 이러한 특성을 고려하여 응용 분야를 선택하는 것이 중요합니다. 전반적으로 불변강은 내식성, 내구성, 치수 안정성이 모두 우수한 고성능 합금 재료로 평가받고 있습니다.

불변강의 제조 방법과 공정

전통적인 압연 제조 방법

불변강의 전통적인 제조 방법은 압연(Rolling) 공정을 기반으로 합니다. 먼저 철과 니켈 광석을 용해로에서 녹여 쇳물(용탕)을 만들고, 이를 응고시켜 슬라브(slab) 또는 빌릿(billet) 형태의 주괴를 제작합니다. 이 과정에서 탈가스 및 성분 보정을 거쳐 불순물과 가스를 제거하고 합금 조성을 정밀하게 맞춥니다.

응고된 주괴는 면삭기를 통해 표면의 산화물을 제거하고, 균열로에서 고르게 가열하여 압연에 적합한 온도로 만듭니다. 열간압연 공정에서는 재결정 온도 이상(약 1,050~1,100℃)으로 가열한 주괴를 회전하는 롤 사이에 통과시켜 두께를 줄이고 형상을 성형합니다. 이 과정에서 조압연과 사상압연을 거치며 점차 얇은 판재 형태로 만들어집니다.

열간압연 후에는 냉간압연 공정을 통해 재결정 온도 이하에서 추가적으로 두께를 줄입니다. 냉간압연을 거친 강판은 소둔(Annealing) 공정에서 600~850℃로 가열하여 일정 온도에서 유지한 후 냉각시킵니다. 이 과정에서 냉간압연 시 생긴 내부 응력이 제거되고 재결정 조직을 갖게 되어 가공성이 향상됩니다. 압연 방법은 대량 생산에 유리하고 제조 기술이 성숙되어 있지만, 많은 세부 공정이 결합된 복합공정라인이 필요하다는 단점이 있습니다.

전주도금을 이용한 제조 기술

최근에는 전주도금(Electroforming)을 응용한 불변강 제조 기술이 개발되어 주목받고 있습니다. 전주도금 방법은 전기화학적 반응을 이용하여 금속을 석출시켜 원하는 형상의 판재나 부품을 직접 제작하는 보텀-업(Bottom-up) 방식입니다. 이 기술은 순천대학교 박용범 교수 연구팀이 세계 최초로 개발하여 2018년 공개하였습니다.

전주도금 방법의 가장 큰 장점은 극박판 제조가 가능하다는 점입니다. 고화질 OLED 디스플레이를 생산하기 위해서는 메탈마스크의 두께가 7마이크론 정도로 얇아야 하는데, 기존 압연 방법으로는 이러한 극박판 제조가 불가능합니다. 전주도금은 도금 공정 변수를 제어하여 합금의 조성과 두께를 정밀하게 조절할 수 있으며, 패턴된 음극의 형상을 그대로 복제할 수 있어 복잡한 형상 제작에도 유리합니다.

전주도금 인바는 Fe-Ni 2원계뿐만 아니라 Fe-Ni-X 3원계 합금으로도 제조 가능하여 특성을 더욱 최적화할 수 있습니다. 연구 결과 상용 인바 합금의 열팽창 계수의 95% 수준에 도달하는 전주도금 인바 합금 생산 공정이 개발되었으며, OLED 증착공정에 사용되는 인바 합금 메탈마스크가 요구하는 조성, 열안정성, 열팽창 계수 등 재현성을 확립하여 실제 생산 공정 조건이 확보되었습니다. 이 기술은 그동안 전량 일본에서 수입하던 인바 합금을 국산화할 수 있게 만들어 국내 OLED 디스플레이 산업과 철강 산업의 경쟁력 강화에 크게 기여하고 있습니다.

품질 관리와 국제 규격

불변강의 품질은 엄격한 국제 규격에 따라 관리됩니다. 인바 합금은 주로 ASTM(American Society for Testing and Materials) 규격을 따르며, 대표적으로 ASTM B753, ASTM F1684가 있습니다. ASTM F1684 규격에는 3종류의 인바가 정의되어 있으며, 각각 Type FM(Free Machining), Type FC(Free Cutting), Type 36 등으로 구분됩니다.

인바는 또한 UNS(Unified Numbering System) 번호로 K93600, K93601, K93603, K93050 등으로 분류되며, 독일 규격인 DIN-EN에서는 1.3912로 표기됩니다. 미군 규격으로는 MIL-I-23011, MIL-S-16598이 사용되며, 항공우주 산업에서는 AMS(Aerospace Material Specification) 규격도 적용됩니다. 보잉(Boeing) 등 항공기 제조사는 독자적인 사양(D-33078 등)을 요구하기도 합니다.

품질 관리 측면에서는 합금의 화학 조성, 열팽창 계수, 기계적 성질, 표면 품질 등이 중요한 검사 항목입니다. 니켈 함량은 35-37% 또는 36-38% 범위로 엄격하게 관리되며, 탄소는 0.05% 이하, 망간은 0.2~0.6%, 실리콘은 0.3% 이하로 제한됩니다. 열팽창 계수는 20℃에서 1.2×10⁻⁶/℃ 이하를 만족해야 하며, 인장 강도와 신장률도 규격에 따라 검증됩니다.

제조 공정에서는 진공 용해/슬래그 재용해(VIM/ESR) 방법을 채택하여 용강에서 가스, 불순물, 편석을 제거하고 고순도 청정강으로 제조합니다. 이 방법은 강재의 인성(toughness)과 내피로성을 높여 최종 제품의 품질을 향상시킵니다. 열처리 공정으로는 응력 제거를 위한 소둔(530-550℃, 1-2시간)과 경화 제거를 위한 소둔(830~880℃, 30분)이 수행됩니다. 이러한 엄격한 품질 관리를 통해 불변강은 정밀 산업에서 요구하는 높은 신뢰성을 확보하고 있습니다.

불변강의 응용 분야와 산업적 활용

정밀 측정 기기 및 계측 장비

불변강은 온도 변화에도 치수가 일정하게 유지되는 특성 덕분에 정밀 측정 기기와 계측 장비에 필수적으로 사용됩니다. 가장 대표적인 응용 분야는 측량용 줄자와 표준자입니다. 토지 측량이나 건축 현장에서 사용되는 줄자는 온도 변화에 따라 길이가 달라지면 측정 오차가 발생하므로, 인바로 제작된 줄자가 고정밀 측량에 사용됩니다. 특히 1차(고정밀) 고도 레벨링을 수행할 때 사용되는 레벨 직원(레벨링 로드)은 목재나 유리섬유 대신 인바로 제조됩니다.

계측 표준 분야에서도 불변강은 중요한 역할을 합니다. 국가 표준기관에서 사용하는 길이 표준봉, 각도 측정기, 정밀 게이지 등은 모두 인바로 제작되어 온도 변화에도 정확성을 유지합니다. 지진계와 같은 정밀 관측 기구에도 인바가 사용되며, 크리프 게이지나 변형 측정 센서에도 적용됩니다.

시계 산업에서는 엘린바가 널리 활용됩니다. 기계식 시계의 헤어스프링(hairspring)과 진자는 온도 변화에 따라 탄성이 달라지면 시간이 부정확해지므로, 탄성 계수가 온도에 무관한 엘린바로 제작됩니다. 고급 시계와 크로노미터는 대부분 엘린바 스프링을 사용하여 정확성을 확보합니다. 정밀 저울의 스프링과 표준 소리굽쇠도 엘린바로 제작되어 온도 변화에도 일정한 성능을 유지합니다.

OLED 디스플레이 산업

최근 불변강의 가장 중요한 응용 분야는 OLED(유기발광다이오드) 디스플레이 산업입니다. OLED 디스플레이는 빨강(R), 초록(G), 파랑(B) 빛을 발광하는 유기화합물을 유리 기판의 정확한 위치에 증착시켜 제작하는데, 이때 증착 위치를 안내하는 가이드 역할을 하는 것이 메탈마스크(Metal Mask) 또는 섀도우마스크(Shadow Mask)입니다.

메탈마스크는 수없이 많은 미세한 구멍이 뚫려있으며, OLED 증착 공정에서 온도가 올라가도 열팽창이 일어나지 않아야 정확한 위치에 유기물을 증착할 수 있습니다. 만약 메탈마스크가 열팽창하면 패턴이 어긋나 디스플레이의 화질, 선명도, 색상이 모두 왜곡됩니다. 따라서 메탈마스크는 반드시 인바로 제작되어야 합니다.

특히 고화질 UHD OLED 디스플레이를 제작하려면 메탈마스크의 두께가 7마이크론 정도로 매우 얇아야 하며, 이는 전주도금 방식으로만 제조 가능합니다. 삼성전자는 RGB 타입 OLED 디스플레이 세계 시장의 약 95%를 독점하고 있지만, 과거에는 메탈마스크 전량을 일본 히다치 금속과 다이니폰프린팅에서 수입하였습니다. 국내 연구진의 전주도금 인바 기술 개발로 이제는 국산화가 가능해져 제조 원가 절감과 기술 자립을 동시에 달성하고 있습니다.

LG디스플레이는 대형 OLED의 금속봉지(메탈포일) 소재로도 인바를 사용해왔습니다. 금속봉지는 OLED를 수분과 산소로부터 보호하는 막으로, 유리 기판과 열팽창 계수 차이가 작은 인바가 이상적입니다. OLED 디스플레이 산업의 급성장과 함께 인바의 수요도 폭발적으로 증가하여, 2018년 세계 시장 규모가 약 39조원에 달했으며 계속 성장하고 있습니다.

항공우주 및 광학 산업

항공우주 산업에서 불변강은 정밀 구조 부품, 가이드 시스템, 계기, 제어 장치에 널리 사용됩니다. 항공기와 우주선은 지상에서 고공까지, 또는 우주 공간으로 이동하면서 극심한 온도 변화를 경험합니다. 이런 환경에서도 치수 안정성을 유지해야 하는 부품은 인바로 제작됩니다. 특히 항공우주용 탄소 섬유 레이업 몰드나 대형 복합 재료 구조물 제작 시 인바 스트럿이 사용됩니다.

광학 산업에서는 천문 망원경, 레이저 부품, 광학 기기, 측정 기기의 구조 부품과 지지 부품에 인바가 필수적입니다. 광학 렌즈나 거울은 온도 변화에 따라 지지 구조가 팽창하거나 수축하면 초점 거리가 변하고 광학 성능이 저하됩니다. 따라서 렌즈 마운트, 거울 지지대, 광학 벤치 등은 모두 인바로 제작됩니다. 다이아몬드 선삭 공정을 통해 인바 표면을 광학 품질로 마감하여 적외선 렌즈나 반사경으로도 사용됩니다.

화학 산업에서는 인바가 고온 및 부식성 매체를 다루는 장비의 씰, 파이프, 밸브, 펌프에 사용됩니다. 액화천연가스(LNG)의 생산, 저장, 운송 시설에서는 극저온 환경에서도 치수가 변하지 않는 인바가 필수적입니다. 해양 플랜트와 LNG선의 단열 시스템에도 인바가 적용됩니다.

전자 산업에서는 반도체 장비, 전자 부품, 열 센서 제조에 인바가 사용되며, 정밀 금형과 지그(jig)도 인바로 제작됩니다. 텔레비전 섀도우마스크 프레임, 모터 내 밸브, 피스톤 스트럿 등에도 인바가 활용되어 온도 변화 시 열팽창을 제한합니다. 이처럼 불변강은 첨단 산업의 핵심 소재로 자리잡고 있습니다.

불변강의 장점과 한계 및 미래 전망

불변강의 주요 장점

불변강의 가장 큰 장점은 탁월한 치수 안정성입니다. 온도가 변해도 길이와 부피가 거의 변하지 않아 정밀도가 요구되는 모든 분야에서 필수적인 재료로 평가받고 있습니다. 일반 금속의 열팽창 계수가 10×10⁻⁶/℃ 이상인 반면, 인바는 1.2×10⁻⁶/℃ 수준으로 약 10분의 1에 불과하여 온도 변화에 따른 오차를 최소화할 수 있습니다.

두 번째 장점은 우수한 가공성입니다. 인바는 연성이 높고 가소성이 좋아 절삭, 밀링, 드릴링, 터닝 등 다양한 CNC 가공이 가능합니다. 냉간 변형을 통해 강도를 높일 수 있으며, 이 과정에서도 우수한 소성을 유지합니다. 용접과 납땜도 용이하여 복잡한 구조물을 제작하는 데 유리합니다. 특히 정밀 가공을 통해 0.0005인치(약 12.7마이크론)만큼 낮은 공차를 달성할 수 있어 광학 및 항공우주 부품 제조에 이상적입니다.

세 번째 장점은 내식성과 내구성입니다. 니켈 함량이 높아 산화 및 부식에 강하며, 응력 부식 균열에 대한 저항성도 우수합니다. 특히 코엘린바는 공기 중이나 수중에서도 부식되지 않아 해양 환경이나 기상 관측 기구에도 사용됩니다. 네 번째 장점은 기계적 특성이 우수하다는 점입니다. 인장 강도가 490 MPa 이상으로 구조재로도 충분히 사용 가능하며, 탄성 계수가 144 GPa로 강성도 확보되어 있습니다.

불변강의 한계와 단점

불변강에도 몇 가지 한계와 단점이 있습니다. 첫째, 높은 제조 원가입니다. 인바는 니켈 함량이 36%나 되어 원재료 비용이 높으며, 정밀한 합금 조성 제어가 필요하므로 제조 공정도 복잡합니다. 실제로 OLED 디스플레이용 인바 메탈마스크 가격은 동일 면적의 스테인리스강보다 수 달러 비싼 것으로 알려져 있습니다. 이러한 원가 부담으로 인해 LG디스플레이는 일부 모델의 금속봉지 소재를 인바에서 스테인리스강으로 전환하는 계획을 추진하고 있습니다.

둘째, 크리프(Creep) 경향이 있습니다. 인바는 장기간 하중이 가해지면 서서히 변형되는 크리프 현상이 발생할 수 있어, 지속적으로 큰 응력을 받는 구조물에는 적합하지 않습니다. 셋째, 적용 온도 범위의 제한이 있습니다. 인바는 200℃ 이하에서 가장 안정적이며, 온도가 올라가면 열팽창 계수도 증가합니다. 초인바는 더 낮은 열팽창 계수를 가지지만 적용 가능한 온도 범위가 좁다는 단점이 있습니다.

넷째, 가공 시 주의가 필요합니다. 인바는 열전도도가 낮아 가공 중 열이 축적되기 쉬우므로 충분한 냉각이 필요합니다. 또한 경도가 낮아 표면 결함이 발생하기 쉬우므로 날카로운 초경 공구나 고속 강철 드릴을 사용해야 합니다. 다섯째, 자성을 가지고 있어 일부 응용 분야에서는 제한이 있습니다. 퀴리 온도인 230℃ 이하에서는 자성이 남아있어 자기장에 민감한 장비에는 사용하기 어렵습니다.

차세대 기술과 시장 전망

불변강의 미래는 매우 밝은 것으로 전망됩니다. 첫째, OLED 디스플레이 시장의 급성장과 함께 전주도금 인바의 수요가 폭발적으로 증가하고 있습니다. 스마트폰, 태블릿, 모니터, TV 등 다양한 제품에 OLED가 적용되면서 인바 메탈마스크의 시장 규모도 계속 확대될 것으로 예상됩니다. 국내 기업들이 전주도금 기술을 확보함으로써 국제경쟁력을 선점하고 있어 향후 성장 가능성이 높습니다.

둘째, 항공우주 산업에서 불변강 복합재의 활용이 확대될 전망입니다. 항공기 제조사들은 무게와 강도를 개선하면서도 열 저항성을 높이기 위해 불변강 복합재를 더 많이 사용하기 시작했습니다. 이는 연료 효율성과 성능 향상에 직접적으로 기여하여 차세대 항공기 설계에 필수적인 요소가 될 것입니다.

셋째, 차세대 MEMS(미세전자기계시스템)와 고신뢰성 부품 분야에서 인바 도금 기술의 적용이 기대됩니다. 센서, IoT 장치, 웨어러블 기기 등 첨단 전자기기가 발전하면서 미세하고 정밀한 부품의 수요가 증가하고 있으며, 인바의 치수 안정성이 중요한 역할을 할 것입니다.

넷째, 액화천연가스(LNG) 및 수소 에너지 산업에서도 불변강의 수요가 증가할 것으로 보입니다. 극저온 환경에서 안정적으로 작동하는 저장 및 운송 시스템을 구축하는 데 인바가 필수적이기 때문입니다. 마지막으로 국내 철강 산업과 소재 산업의 경쟁력 강화를 위해 정부와 기업이 고부가 금속소재 개발에 투자를 확대하고 있어, 불변강 관련 연구와 생산 기술이 더욱 발전할 것으로 기대됩니다.

구분	인바(Invar)	엘린바(Elinvar)	초인바(Super Invar)	코엘린바(Coelinvar)	플래티나이트(Platinite)
조성	Ni 36%, Fe 64%	Ni 36%, Cr 12%, Fe	Ni 30.5-32.5%, Co 4-6%, Fe	Cr 10-11%, Co 26-58%, Ni 10~16%, Fe	Ni 44~47.5%, Fe
주요 특성	낮은 선팽창 계수	탄성 계수 불변	극저 선팽창 계수	탄성률 불변, 내식성	유리와 유사한 열팽창
열팽창 계수(20℃)	1.2×10⁻⁶/℃	8.0×10⁻⁶/℃	0.1×10⁻⁶/℃	-	-
주요 용도	측량용 자, 표준자, 시계 진자, OLED 메탈마스크	시계 스프링, 정밀 저울, 소리굽쇠	특수 정밀 기기	스프링, 태엽, 기상 관측 기구	전구 도입선