헤테로구조 고엔트로피 합금 설계 전략 및 헤테로구조로 인한 계면 강화.[포항공대 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 더 강하면서 잘 늘어나는 고엔트로피 합금을 만드는 새로운 설계방식이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국연구재단은 포항공과대학교 김형섭 교수 연구팀이 고강도·고연성·고가공성의 고엔트로피 합금을 개발했다고 밝혔다.

고엔트로피 합금은 주된 금속에 보조원소를 더하는 일반적 합금과 달리, 주된 원소 없이 여러 원소를 비교적 동등한 비율로 혼합하는 방식으로 이론상 만들 수 있는 합금의 종류가 무한대다.

하지만 대부분 균일한 단상 형태로 만들어지며, 단상을 유지하는데 코발트, 크롬 같은 고가의 원소를 첨가하는 등 가격경쟁력에서 한계가 있었다.

연구팀은 고엔트로피 합금은 균일해야 한다는 고정관념을 역이용했다. 미세조직이 균질하지 않은 헤테로구조의 고엔트로피 합금이 더 단단하고 더 연할 수 있음을 알아냈기 때문이다.

헤테로구조란 합금 내부의 구조, 조직이나 결정립 크기 및 형상이 동일하지 않고, 위치별로 다른 구조를 말한다.

실제 물과 기름처럼 서로 섞이지 않는 철과 구리를 기반으로 각각 분리된 두 영역을 형성시킨 후, 둘 다와 섞일 수 있는 몇몇 원소들을 첨가함으로써 비균질성을 극대화, 전체 소재의 엔트로피를 높였다.

이렇게 설계된 헤테로구조의 고엔트로피 합금은 강한 구리와 연한 철로 구성된다. 연한 철은 소재의 연성, 강한 구리는 소재의 강도를 향상시킴으로써, 기존 스테인리스 강 보다 1.5배 더 단단한 것으로 나타났다.

또한 철과 구리, 이원화된 구조로 인해 소재를 절삭하는 데 소요되는 시간 역시 기존 304 스테인리스 강보다 20배 줄었다. 절삭시간 단축은 소재의 가공비용 절감으로 이어진다.

경제적인 철과 구리에, 알루미늄이나 망간 같은 저가의 원소를 조합할 경우 기존 고엔트로피 합금보다 3~10배 높은 가격경쟁력을 확보할 수 있다는 설명이다.

김형섭 교수는 “단상에 국한된 기존 고엔트로피 합금을 다상으로 확장시킴으로써 산업현장에 적용될 수 있는 고엔트로피 합금 창출을 앞당길 것”이라고 전망했다.

이번 연구성과는 금속공학 분야 국제학술지 ‘Acta Materialia’과 ‘Scripta Materialia’온라인에 4월 12일, 5월 21일자에 각각 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com