길게 늘어나도 튼튼한 합금 소재 나온다

포스텍, 중엔트로피합금 설계법 개발
원래 대로 돌아오는 ‘항복강도’ 187% 향상
항공우주·자동차·에너지 분야서 활용

포스코 포항제철소에 있는 수출용 철강 제품들. 본 기사와는 상관없음./뉴스1

국내 연구진이 길게 늘어나도 강도가 유지되는 합금 설계법을 개발했다. 이 소재는 내구성과 경량화 특성도 우수해 항공우주와 자동차, 에너지 같은 다양한 차세대 산업 분야에 적용될 것으로 기대된다.

김형섭·허윤욱 포스텍 철강대학원 교수 연구팀은 강도와 연신율을 동시에 높인 중엔트로피합금을 설계했다고 12일 밝혔다. 연신율은 금속이 끊어지지 않으면서 늘어나는 비율을 말한다.

중엔트로피합금은 주된 원소가 없이 여러 원소를 비슷한 비율로 혼합해 합금의 강도와 연성, 전자기성을 높인 소재다. 특히 철을 기반으로 하면서 높은 강도와 연신율, 낮은 부식성을 보여 주목받고 있다. 다만 물체가 다시 원상태로 회복하는 힘인 ‘항복강도’가 낮다. 낮은 항복강도를 극복하기 위해 금속 결정구조에서 이상 결정을 분리하는 ‘석출 강화’ 적용하지만, 이때 구조 불안정성이 높아져 연신율이 떨어진다.

김형섭·허윤욱 포스텍 철강대학원 교수 연구팀이 개발한 스피노달 강화 방식 합금 개념도./한국연구재단

연구팀은 기존의 석출 강화 대신 ‘스피노달 강화’ 방식을 사용했다. 스피노달 분해는 균일하고 완전한 고체혼합물이 특정 온도와 조성에서 불안정한 상태에 있을 때 자발적으로 두 개의 다른 상으로 분리되는 현상을 말한다.

연구팀은 열역학 평형 상태에서 실험을 통해 스피노달 분해가 발생하는 조성과 온도 조건을 예측했다. 스피노달 분해는 저온 열처리만으로 나노 수준의 조성 분리가 물질 전체에 균일하게 나타나도록 만들었다. 연구팀이 스피노달 분해로 만든 합금은 기존 소재보다 항복강도가 187%, 연성은 28.5% 높았다.

김형섭 교수는 “이번 연구는 조성이 복잡한 합금에서 스피노달 구조의 기계적 물성을 확인한 데에 의미가 있다”며 “고강도·고연신 합금은 항공우주와 자동차, 에너지, 전자 산업처럼 다양한 분야에 적용될 것”이라고 설명했다.

이번 연구는 과학기술정부통신부와 한국연구재단의 ‘나노소재기술개발사업’의 지원을 받았다. 연구성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 지난 9일 게재됐다.

참고 자료

Nature Communications(2024), DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50078-6

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