포스텍 연구팀, 강도·연성 동시에 높인 금속 개발…더 단단해지고 더 늘어나고

분말야금 공정 없이 주조와 열처리만으로 복잡한 코어-셸 구조 구현

포스텍 김형섭 교수

포스텍 통합과정 박효진 씨

포스텍(포항공대) 연구팀이 단단하면 부서지기 쉽고, 잘 늘어나면 약해지는 금속의 한계를 극복하는 기술을 개발해 화제를 모으고 있다.

금속의 강도와 연성을 동시에 구현한 이 연구결과는 최근 재료과학 분야 국제 학술지 '재료 과학과 기술 저널(Journal of Materials Science ＆ Technology)'에 게재됐다.

포스텍 친환경소재대학원·신소재공학과 김형섭 교수·신소재공학과 통합과정 박효진 씨 연구팀은 금속 한계를 극복하기 위해 크기가 다른 결정립을 섞어 만든 비균질 구조에 주목했다.

하지만 이를 구현하기 위해선 '분말야금' 공정을 거쳐야 하는데, 비용이 많이 들고 산업현장에서 상용화하기가 어려워 적용이 쉽지 않다.

분말야금은 금속 가루를 눌러 성형한 뒤 고온에서 다시 가공하는 방식으로, 뛰어난 성능을 얻을 수는 있으나 과정이 복잡하다.

이에 연구팀은 니켈(Ni) 기반의 고엔트로피 합금에 뜨거운 상태에서 금속을 눌러 펴는 작업(열간압연)과 정밀 열처리를 적용해 금속 내부에 마치 달걀처럼 '코어–셸 구조'를 만들어 냈다. 고엔트로피는 5개 이상의 원소가 유사한 원자비로 혼합된 합금을 말한다.

연구팀이 개발한 합금은 항복강도 1천29MPa(메가파스칼), 인장강도 1천271MPa, 연신율 31.1%라는 놀라운 성능을 보였다.

쉽게 말해 기존보다 훨씬 더 단단하면서도 30% 이상 늘어날 수 있는 금속을 만들어낸 것이다.

무엇보다 이 모든 과정을 주조(녹여 틀에 붓는 방식)와 열처리만으로 이뤄냈다는 점에서 큰 의미가 있다고 연구팀은 설명했다.

김형섭 교수는 "이번 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 것으로 기대된다"고 했다.