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  • 기사등록 2021-09-08 12:00:05
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▲ 왼쪽부터 손석수 고려대 신소재공학과 교수, 최벽파 KAIST 신소재공학과 교수, 장태진 고려대 신소재공학과 석박통합과정, 최원석 KAIST 신소재공학과 박사후연구원



[기계신문] 고려대학교 신소재공학과 손석수 교수 연구팀이 KAIST 신소재공학과 최벽파 교수팀과 공동 연구를 통해 양립하기 어려운 강도와 연성, 두 마리 토끼를 모두 잡은 초고강도-고연성 중엔트로피 합금의 실마리를 찾아냈다.


일반적으로 고강도 합금 합성에는 석출(precipitation)이 이용된다. 여러 금속을 녹여 고르게 섞은 후 식히면 금속 내부에 합금 원소들이 과포화된 상태로 존재하게 되며, 이 과포화 원소들에 열을 가하면 입자(precipitate) 형태로 석출되면서 금속이 더 단단해지는 원리다.


입자가 작고 고르게 분포할수록 합금의 강도는 높아지며 금속과 입자 사이 경계면의 속성에 따라 입자의 크기와 분포가 결정된다고 알려져 있었다.


경계면이 불안정한 높은 에너지를 가지면 이를 해소하기 위해 입자가 빠르게 성장한다. 이를 방지하기 위해 기존에는 경계면에서 금속과 입자의 원자 배열을 연속적으로 연결시킨 정합 계면을 이용했다. 경계면의 에너지를 낮춤으로써 입자의 성장을 억제하기 위함이었다.


하지만 이 경우 정합 계면을 가지는 석출입자를 형성시킬 원소가 매우 제한적이기에 합금에서 석출될 수 있는 다양한 입자를 활용하기에 어려움이 있었다.



▲ 마이크로부터 원자 단위까지 멀티스케일 분석을 통한 반정합 석출 입자의 형성 기전 분석



이에 연구팀은 기존 방식에서 벗어나, 반정합 계면 입자를 활용하여 초고강도 중엔트로피 합금을 설계 가능성을 제시하였다. 금속과 입자 사이의 원자 배열을 특정 주기로 연결시킨 반정합 계면을 활용, 경계면의 에너지를 낮추고 입자의 성장속도를 지연시킨 것이다.


금속에 힘을 가했을 때 특정 방향을 따라 영구변형이 집중되는 부위를 이용해 수십 나노미터 크기의 석출입자를 형성시켰으며, 합금 전체에 걸쳐 변형 집중부위가 균일하게 형성되도록 해 석출 입자를 고르게 분포되도록 할 수 있었다.


그 결과, 초고강도 강판에 버금가는 인장강도(1.6GPa)를 가짐과 동시에 모양이 변해도 쉽게 부서지지 않는 높은 연성(27%)을 갖는 중엔트로피 합금을 얻을 수 있었다.



▲ 본 연구에서 개발된 신개념 중엔트로피 합금의 설계 개념 및 기계적 물성



이번 연구에서는 전통적인 석출 강화형 합금 설계의 틀에서 벗어나 구조적으로 이질적인 석출 입자를 통한 새로운 합금 설계를 통해 세계 최고 수준의 기계적 물성을 가지는 초고강도-고연성 합금을 개발하였다.


기존의 합금 설계 방식에서는 기지조직과 유사한 결정 구조를 가지는 석출 입자 형성을 통해 정합 계면을 가지도록 해야 했으므로 석출 입자의 종류와 이를 형성시키기 위한 원소의 종류가 매우 제한적이었다.


따라서 이번 연구 결과는 향후 초고강도 합금 개발에 있어 석출 입자 선택의 자유도가 매우 큰 폭으로 확대될 수 있음을 시사하며, 다양한 기지조직-석출 입자의 조합을 통해 다양한 성질의 우수한 합금을 개발할 수 있는 기초적인 틀을 제공한다.


고려대 손석수 교수는 새롭게 개발된 초고강도-고연성 합금은 우주, 항공, 발전, 해양 분야 등의 산업이 발전함에 따라 요구되는 극한의 환경에서 극심한 하중을 견뎌야 하는 구조 소재 부품에 활용될 것으로 기대된다”고 밝혔다.


한편, 연구팀은 이번 연구를 통해 상온에서의 기계적 물성을 확인한 데 이어 고온이나 극저온 환경에서의 기계적 물성에 대해 후속연구를 진행할 계획이다.


과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 우수신진연구, 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 8월 4일 게재되었다.


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권혁재 기자 hjk@mtnews.net

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