연구성과

신소재 김형섭 교수팀, ‘강철의 연금술’ 2000% 늘어나는 합금 설계

2020-06-11 486

– 고강도 초소성 고엔트로피 합금 설계
– 다상 헤테로구조 합금 개발로 가용비용 줄이고 부가가치 10배 올린다

연금술은 납이나 구리 같은 값이 싼 금속을 금이나 은으로 만들려고 했던 전근대 화학술을 말한다. 결국 연금술사의 시도가 모두 실패함으로써 부자로 살고자 하는 인간의 욕망이나 이룰 수 없는 허황된 꿈을 대신하는 말이 됐다. 최근 POSTECH 연구팀이 쉽게 늘어나는 고강도 초소성 고엔트로피 합금 설계에 성공함으로써 현대판 연금술이 실현됐다.

철강대학원·신소재공학과 김형섭 교수, 이종수 교수, 프라빈(Praveen) 연구교수, 자가란(Zargaran) 연구교수, 박사과정 아스가리 라드(Asghari-Rad)씨, 석사과정 응웬(Nguyen)씨 연구팀이 고압 비틀림으로 가공된 나노결정립 고엔트로피 합금*1 소재에서 2000%까지 길이가 늘어나는 세계 최고의 연구결과를 내놓았다. 이 연구성과는 과학 학술 전문지 ‘네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 6월 1일자에 게재됐다.

초소성(high strain-rate superplasticity, HSRS)이란 재료가 늘어나 찢어지거나 끊어질 때까지 300~500% 이상 변형할 수 있는 능력을 말한다. 이런 현상은 높은 온도와 매우 느린 변형속도 등의 특정한 조건에서 일부 소재들에만 나타나는 매우 흥미로운 현상이다. 초소성 재료를 이용하면 기존의 성형 공정으로는 구현하기 어려운 항공기, 우주발사체, 자동차 등에 필요한 복잡한 형상의 부품도 한번에 만들 수 있다.

하지만 초소성 현상은 대부분 느린 변형 속도에서만 발생하기 때문에 성형 시간이 길어져 가공비용이 높아진다.

이에 연구팀은 열적 안정성이 뛰어난 고엔트로피 합금을 이용해 초소성을 달성함으로써 기존 소재의 한계를 극복하고자 했다.

연구팀은ᅠ고엔트로피 합금에 고압 비틀림 가공을 가하여 초소성 현상의 중요한 전제조건인 초미세립/나노결정*2을 형성하고, 고온에서도 결정립 성장이 효과적으로 억제되도록 했다. 이를 통해, 기존의 초당 0.01-0.1% 변형시키는 초소성 공정 속도보다 50~500배 빠른 초당 5%의 고속 변형 하에서 2000%에 이르는 세계 최고 수준의 연신율*3을 달성했다.

이 결과는 상대적으로 빠른 성형 속도에서 우수한 연신율을 달성함으로써, 기존의 초소성 공정의 50~500 분의 1로 성형 시간과 비용을 절감할 수 있다는 데 산업적으로도 큰 의의가 있다.

김형섭 교수는 “이 연구는 고엔트로피 합금뿐만 아니라 지금까지 보고된 금속 소재의 초소성 특성 중 최고 수준 결과”라며, “이 연구에서 제시한 다상의 미세구조는 향후 자동차, 항공기 등 다양한 산업 분야에 적용할 수 있는 핵심적인 요소가 될 것으로 기대된다”고 말했다.

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단에서 추진하는 미래소재디스커버리지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
 


1. 고엔트로피 합금
다수의 원소가 주요 원소로 작용하여, 높은 혼합 엔트로피에 의해 금속간화합물이 형성되지 않고 단상의 고용체를 형성하는 합금.

2. 초미세/나노결정립
결정립의 크기가 1 마이크로미터 이하일 경우를 초미세립이라고 하며, 100 나노미터 이하를 나노결정립이라고 한다.

3. 연신율
쇠붙이 따위가 끊어지지 아니하고 늘어나는 비율. 최대로 늘어난 길이와 원래 길이의 차를 원래 길이로 나누어 그 값을 백분율로 나타낸다.