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더 강하면서 가공하기 편한 고엔트로피 합금 기술 개발

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더 강하면서 가공하기 편한 고엔트로피 합금 기술 개발

2020.06.01 14:33
김형섭 포스텍 신소재공학과 교수. 한국연구재단 제공.
김형섭 포스텍 신소재공학과 교수. 한국연구재단 제공.

국내 연구진이 더 강하면서 잘 늘어나는 합금 설계 기술을 개발했다. 주 금속에 보조 원소를 더하는 게 아닌 여러 원소를 비교적 동등한 비율로 혼합하는 '고엔트로피 합금' 설계 기술이다. 기존 합금보다 강도가 강하면서도 더 다루기 쉬워 산업 현장에 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 

 

김형섭 포스텍 신소재공학과 교수 연구팀은 고강도·고연성·고가공성의 고엔트로피 합금을 개발했다고 1일 밝혔다. 

 

여러 원소를 비교적 유사한 비율로 혼합하는 고엔트로피 합금은 이론상 만들 수 있는 합금의 종류가 무한대다. 합금 원소의 종류 및 함량을 자유자재로 조절해 합금의 강도, 내연, 내식성, 전자기적 특성, 열적 특성 등이 발전했다. 

 

그러나 대부분 구조나 조직, 결정 입자 크기 및 형상이 동일한 균일 단상 형태로 만들어졌다. 이 단상 형태를 유지하는 데 코발트, 크롬 같은 값비싼 원소를 첨가해야 해 가격경쟁력에서 한계가 있었다. 

 

김형섭 교수 연구팀은 고엔트로피 합금이 균일해야 한다는 고정관념을 역이용했다. 미세조직이 균일하지 않은 ‘헤테로 구조’의 고엔트로피 합금이 더 단단하면서도 유연할 수 있음을 알아냈기 때문이다. 헤테로 구조란 합금 내부의 구조, 조직이나 결정입자 크기 및 형상이 동일하지 않고 위치별로 다른 구조를 말한다. 

 

연구팀은 실제로 물과 기름처럼 서로 섞이지 않는 철과 구리를 기반으로 각각 분리된 두 영역을 형성시킨 뒤 두 영역 모두에 섞일 수 있는 몇몇 원소들을 첨가해 비균질성을 극대화했다. 

 

이렇게 설계된 헤테로 구조의 고엔트로피 합금은 강한 구리와 연한 철로 이뤄졌다. 연한 철은 소재의 연성을, 구리는 소재의 강도를 향상시켰다. 분석 결과 기존 스테인리스 강보다 연구팀이 개발한 고엔트로피 합금이 1.5배 더 단단한 것으로 나타났다. 

 

소재를 절삭하는 데 소요되는 시간도 스테인리스 강보다 약 20배 가량 줄었다. 절삭 시간이 단축되면 소재의 가공비용이 절감된다. 

 

김형섭 교수는 “경제적인 철과 구리에 알루미늄이나 망간 같은 저가의 원소를 조합할 경우 기존 고엔트로피 합금보다 가격 경쟁력을 3~10배 확보할 수 있다”며 “균일 단상 형태에 국한된 기존 고엔트로피 합금을 확장시켜 산업현장에 적용할 수 있는 고엔트로피 합금 개발을 앞당 길 것”이라고 밝혔다. 
 

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