포스텍, 금속 강도.연성 갖춘 신소재 개발

김형섭 교수팀 '고엔트로피 합금' 선봬

김형섭 포스텍 교수

금속 세계에서는 '강도'과 '연성(잘 늘어나는 성질)'을 동시에 갖추기 어렵다는 것이 상식이었다. 금속을 단단하게 만들면 부서지기 쉽고 잘 늘어나도록 만들면 약해지는 등 한쪽이 올라가면 반대로 한쪽이 내려가는 시소와 같은 관계였다. 그런데 최근 포스텍 김형섭 교수팀이 이 상식을 깨뜨렸다.

기존에는 여러 금속을 비슷한 비율로 섞어 만든 '고엔트로피 합금'이 주목받아 왔다. 하지만 지금까지의 고엔트로피 합금은 대부분 균일한 구조로 돼 있어 금속의 강도와 연성을 동시에 높이는 데 한계가 있었다. 큰 결정립은 금속이 잘 늘어나게 해 연신율을 높이고 작은 결정립은 금속을 단단하게 만들어 강도를 높일 수 있으나 한 금속 안에서 두 종류의 결정립을 동시에 갖기는 어려웠다.

최근에는 크기가 다른 결정립을 일부러 섞어 만든 비균질 구조가 해결책으로 떠오르고 있다. 이를 구현하려면 '분말야금' 공정을 거쳐야 한다. 이 기술은 금속 가루를 눌러 성형한 뒤 고온에서 다시 가공하는 방식으로 뛰어난 성능을 얻을 수는 있으나 과정이 복잡하고 비용이 많이 들어 산업 현장에서 상용화하기에는 어려움이 있었다.

포스텍 연구팀은 니켈(Ni) 기반의 고엔트로피 합금에 뜨거운 상태에서 금속을 눌러 펴는 작업(열간압연)과 정밀 열처리를 적용해 금속 내부에 마치 달걀처럼 '코어·셸(core·shell) 구조'를 만들어 냈다.

여기서 '코어'는 기존의 큰 결정립으로 달걀노른자에 해당하고 '셸'은 그 둘레를 둘러싼 새로운 작은 결정립으로 달걀흰자와 같다. 이 과정에서 금속의 내부에 형성된 미세한 나노 입자(B2 석출물)가 작은 결정립들의 과도한 성장을 적절히 억제해 구조가 무너지지 않도록 잡아주었다. 마지막 열처리 단계에서는 결정립 경계에서 이 입자들이 선택적으로 형성돼 금속에 힘이 가해질 때 쉘은 방패처럼 전위를 막아 강도를 높이고 코어은 완충재처럼 충격을 흡수해 균열을 완화시킴으로써 재료가 단단하면서도 잘 부서지지 않도록 도와준다.

연구팀이 개발한 합금은 항복강도 1,029MPa(메가파스칼), 인장강도 1,271MPa, 연신율 31.1%라는 놀라운 성능을 기록했다. 쉽게 말해 기존보다 훨씬 더 단단하면서도 30% 이상 늘어날 수 있는 금속을 구현한 것이다. 무엇보다 이 모든 과정을 주조(녹여 틀에 붓는 방식)와 열처리만으로 이뤄냈다는 점에서 큰 의미가 있다.

연구를 이끈 김형섭 교수는 "연구는 분말야금 공정 없이도 복잡한 코어·셸 구조를 주조와 열처리만으로 구현한 첫 사례"라며 "정밀한 석출물 제어를 통해 구조 안정성과 변형 성능을 동시에 확보함으로써 극한 환경에서도 사용할 수 있는 새로운 구조재 개발 가능성을 제시할 수 있을 것"이라고 밝혔다.


포항=김규동 기자 korea808080@