고온 환경에서 쓰는 합금, 경제성·경량화 달성

포스텍

김형섭 포스텍 친환경소재학과·신소재공학과 교수(왼쪽)와 김래언 박사과정생(제1저자). 포스텍 제공.

우수한 기계적 물성을 가지면서 경제성과 경량화까지 달성할 수 있는 합금 설계 전략이 제시됐다. 건축, 기계, 항공우주 등 다양한 산업 분야에 필요한 금속 소재를 개발할 때 응용할 수 있을 것으로 보인다.

포스텍은 김형섭 친환경소재학과·신소재공학과 교수 연구팀이 다양한 규모의 헤테로 계층 구조를 개발해 우수한 기계적 물성을 지닌 산업용 금속 소재를 개발했다고 13일 밝혔다. 

500℃ 이상의 높은 온도에서 사용하는 합금인 ‘고온 합금’은 니켈과 코발트가 주로 사용된다. 고온에서 뛰어난 기계적 특성과 안정성을 제공할 수 있다. 하지만 비싸고 무거워 산업적 활용에 한계가 있다. 좋은 성능에도 불구하고 비용과 무게 문제로 광범위한 적용이 어렵다는 것이다. 

연구팀은 철 기반 합금을 통해 경제성과 경량화를 달성하는 방법을 찾았다. 또 계층적 헤테로 구조를 도입해 고온에서 기계적 물성을 유지할 수 있도록 만들었다. 헤테로 구조는 서로 다른 미세구조가 함께 존재해 서로 보완하면서 더욱 강해지는 구조다. 

연구팀은 마이크로미터(㎛), 나노미터(nm), 서브 나노미터 등 다양한 규모에서 단계적으로 헤테로 구조를 구성해 합금의 기계적 특성을 향상시켰다. 연구팀이 개발한 합금은 고온 및 상온에서 기존 고온 상용 재료와 유사한 수준의 기계적 물성을 보였다. 이를 제작하는 데 든 비용은 기존의 절반 수준이고 무게는 순수한 철보다 가벼운 수준으로 경량화했다.  

김 교수는 “산업 활용에 최적화된 합금 설계를 통해 차세대 고성능 소재 개발의 새로운 방향성을 제시했다“며 ”향후 자동차, 배터리팩, 우주 산업 등 다양한 산업에 활용될 것을 기대한다“고 말했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘악타 머티리얼리아’에 최근 게재됐다.

<참고 자료> 
doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120397

[문세영 기자 moon09@donga.com]