[뉴스프리존,대전=이기종 기자] 한국연구재단(NRF)은 포항공과대학교 신소재학과 김형섭 교수팀이 고강도·고연성·고가공성의 고엔트로피 합금을 개발했다고 3일 밝혔다.
고엔트로피 합금은 다수의 원소가 주요 원소로 작용해 높은 혼합 엔트로피에 의해 금속간 화합물이 형성되지 않고 단상의 고용체를 형성하는 합금으로 정의된다.
이 우수한 기계적, 열적, 물리적, 화학적 특성으로 인해 구조 재료, 극저온 재료, 내열 재료, 원자력 소재 등 여러 산업 분야의 고기능성 극한구조용 소재로 주목받고 있다.
하지만 최근 연구는 천이원소나 내화원소에 국한된 단상 혹은 소량의 석출물을 활용하는 합금 설계에 한정됐다.
또 합금 원소 간의 낮은 고용도로 인해 단상 유지에 활용할 수 있는 합금 원소가 제한적이고 단상 유지에 Co, Cr, Ni 등과 같은 고가의 합금원소를 등분율로 첨가하고 있어 가격경쟁력 측면에서 한계가 있다.
이에 고엔트로피 합금의 산업화를 위해서는 강도 및 연신율 등의 우수한 기계적 특성 확보뿐만 아니라 저가의 다양한 합금 원소를 활용함으로써 가격경쟁력을 확보할 필요가 있다.
이번 연구팀은 이러한 제한점을 해결하기 위해 기존 단상의 균질한(homogeneous) 미세조직을 갖는 합금에 비해 다상 조직의 헤테로(heterogeneous) 미세조직을 가지는 합금이 강도 및 경화능(strain hardenability)이 더 우수함을 규명했다.
연구과정을 보면 실제 물과 기름처럼 서로 섞이지 않는 철과 구리를 기반으로 각각 분리된 두 영역을 형성시킨 후, 둘 다와 섞일 수 있는 몇몇 원소들을 첨가함으로써 비균질성(heterogeneity)을 극대화, 전체 소재의 엔트로피를 높였다.
이어 이렇게 설계된 헤테로구조의 고엔트로피 합금은 강한 구리와 연한 철로 구성되는데, 연한 철은 소재의 연성, 강한 구리는 소재의 강도를 향상시킴으로써, 기존 스테인리스 강 보다 1.5배 더 단단한 것으로 나타났다.
또 철과 구리, 이원화된 구조로 인해 소재를 절삭하는 데 소요되는 시간도 역시 기존 스테인리스강보다 20배 줄었고 이로 인해 절삭시간 단축은 소재의 가공비용을 절감할 수 있다.
이 연구결과에 의하면 경제적인 철과 구리에 알루미늄이나 망간 같은 저가의 원소를 조합할 경우 기존 고엔트로피 합금보다 3~10배 높은 가격경쟁력을 확보할 수 있다.
이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리 사업 등의 지원으로 수행됐고 금속공학 분야 국제학술지 ‘스크립타 머터리얼리아(Scripta Materialia)’에 5월 21일 게재됐다.