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극저온에 더 강한 첨단 합금 원리 밝혀냈다

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극저온에 더 강한 첨단 합금 원리 밝혀냈다

2020.02.26 16:50
3D프린팅으로 자체 제작한 시험용 엔트로피 합금이 테스트중이다. 한국원자력연구원 제공.
3D프린팅으로 자체 제작한 시험용 엔트로피 합금이 테스트중이다. 한국원자력연구원 제공.

영화 터미네이터에서 로봇에 액체질소를 부어 얼린 후 총을 쏘면 산산이 부서지는 장면이 나온다. 일반적으로 금속은 저온에서 충격에 약하기 때문이다. 반대로 극저온에서 충격에 더욱 강한 이른바 ‘엔트로피 합금’도 있다. 지난 2014년 국제학술지 ‘네이처’에 엔트로피 합금이 보고돼 화제가 됐다. 그러나 엔트로피 합금이 어떤 이유로 충격에 강한지 알려지지 않았다.

 

한국원자력연구원은 국내외 7개 기관과의 공동연구를 통해 엔트로피 합금이 저온에서 더욱 강한 원인은 낮은 ‘적층결함에너지’라는 사실을 규명하고 국제학술지 ‘사이언티픽 리포트’ 1월호에 게재했다고 26일 밝혔다. 논문 게재 후 한달만에 전세계적으로 논문 다운로드 횟수가 600회를 넘기며 학계와 산업계에서 관심을 끌고 있다. 

 

연구진은 실증 연구를 통해 엔트로피 합금의 적층결함에너지가 산업에서 흔히 쓰이는 스테인리스강 대비 45%에 불과해 일반 금속과는 달리 저온에서 충격에 더 강하다는 사실을 알아내는 데 성공했다. 

 

일반적으로 금속은 바둑판 같은 격자구조의 점에 원소가 박혀 있는 결정 구조를 이룬다. 과도한 힘이 가해지면 규칙적이던 원소 배열의 격자구조가 깨지면서 불규칙한 적층결함이 생기는데 적층결함이 발생하는 데 필요한 에너지를 적층결함에너지라고 부른다. 

 

엔트로피 합금은 힘이 가해질 때 원소 배열이 대칭적으로 놓이는 쌍정변형이 일어난다. 이 과정을 거치면 금속 내 입자 크기가 더 작아져서 단단해지고 충격에도 강해진다. 연구진은 엔트로피 합금의 적층결함에너지가 낮고 이로 인해 저온일수록 쌍정변형이 더욱 쉽게 일어나 충격에 강해진다는 사실을 실험을 통해 규명했다. 

 

이번 연구는 원자력연구원과 해외의 첨단 중성자과학연구시설을 활용해 엔트로피 합금의 적층결함에너지를 더욱 정교하게 측정할 수 있었기 때문에 가능했다. 기존에는 전자현미경으로 일일이 관찰하면서 에너지를 측정했다. 이 때 소재를 절단하고 가공하는 과정에서 실험적 오류가 생겼다. 한번에 100마이크로미터(1마이크로미터는 100만분의 1미터) 정도만 관찰할 수 있어 실험 결과가 불완전했다. 

 

연구진은 중성자 빔을 이용해 원자보다 큰 밀리미터 단위 크기의 소재를 한번에 측정하는 데 성공했다. 또 실시간으로 변형중인 소재를 측정하면서 변형 공정 중의 결함 변화를 측정할 수 있었다. 100여회 이상의 반복 실험으로 얻어낸 변형 순간의 에너지 변화 데이터를 확보했다. 

 

연구진은 이번 연구 성과를 통해 엔트로피 합금의 고도화가 가능할 것으로 기대했다. 학술적 성과에 그치지 않고 산업에서도 파급력을 가져올 것으로 예상된다. 향후 연간 3조원 규모의 국내 극저온 밸브, 액화천연가스(LNG) 저장탱크 및 액체수소 탱크뿐만 아니라 전세계 시장규모가 약 50조원에 달하는 극지 해양플랜트 소재부품 사업에 기초과학적 지식 및 생산기술을 제공할 것으로 기대된다. 

이번 연구에 활용된 시험용 엔트로피 합금은 에너지 직접 조사 방식의 입체(3D) 프린팅 기술을 활용해 자체 제작됐다. 

 

이번 연구에는 한국원자력연구원과 두산중공업, 한국과학기술연구원(KIST), 충남대, 울산대, 순천대 및 일본 J-PARC 시설 연구자들이 참여했다. 연구를 주도한 우완측 한국원자력연구원 양자빔물질과학연구부 책임연구원은 “첨단 중성자과학 시설을 활용해 기초과학 연구 및 실용화 사업에 적극 참여, 소재부품장비 산업의 경쟁력을 높이는 연구를 지속할 계획”이라고 말했다. 

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