▲ 헤테로구조 고엔트로피 합금 설계 전략 및 헤테로구조로 인한 계면 강화 / 불혼화 특성(immiscibility)을 갖는 2원 합금의 두 원소에 모두 섞이는 원소인 합금원소를 각각 고용시킴으로써, 서로 다른 특성을 가지는 이종 합금이 혼합된 헤테로구조의 고엔트로피 합금을 구현하였다. 해당 설계전략으로 제조된 합금은 상간의 계면에서 기하학적 필수전위가 축적되어 강도를 향상시킨다. 본 연구에서는 Cu-Fe 2원계와 Al, Mn 합금원소로 해당 전략을 구현하였다. 출처 : 포항공과대학교 김형섭 교수  © 특허뉴스

더 강하면서 잘 늘어나는 합금을 향한 산업현장의 끝없는 고민에 답이 될 수 있을까.

합금계의 이단아, 고엔트로피 합금을 만드는 새로운 설계방식이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국연구재단은 포항공과대학교 김형섭 교수 연구팀이 고강도·고연성·고가공성의 고엔트로피 합금을 개발했다고 2일 밝혔다.

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

합금원소의 종류 및 함량을 자유자재로 조절하여 합금의 강도, 연성, 내식성, 전자기적 특성, 열적 특성 등을 발전시켜 왔다.

하지만 대부분 균일한 단상 형태(구조, 조직, 결정립 크기 및 형상이 동일한 형태)로 만들어지며, 단상을 유지하는데 코발트, 크롬 같은 고가의 원소를 첨가하는 등 가격경쟁력에서 한계가 있었다.

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

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

▲ 헤테로구조 고엔트로피 합금의 금속 절삭 가공 시제품 및 가격 경쟁력 / (A) 본 연구의 헤테로구조 고엔트로피 합금을 절삭 가공으로 제조한 clamp, plate jig, template jig, gear, shaft 금속 부품. 이종 상 구조로 인해 절삭 특성이 매우 우수하다(304 스테인리스 강의 약 20배 빠른 절삭 속도). 절삭 특성은 소재를 절삭하는데 소요되는 시간을 의미하며, 절삭 시간이 감소할수록 소재의 가공비가 절감된다. / (B) 본 연구의 헤테로구조 고엔트로피 합금의 가격 대비 인장강도. 기존 고엔트로피 합금의 가격(10~35 USD/kg)에 비교하였을 때, 헤테로구조 고엔트로피 합금은 상용 스테인리스 강(SS)에 버금가는 우수한 가격 경쟁력(3.2 USD/kg) 및 인장강도(~ 1 GPa)를 가진다. / 출처 : 포항공과대학교 김형섭 교수  © 특허뉴스

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.

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(인장강도 ~ 1 GPa) 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.

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

연구팀은 단상에 국한된 기존 고엔트로피 합금을 다상으로 확장시킴으로써 산업현장에 적용될 수 있는 고엔트로피 합금 창출을 앞당길 것이라고 내다보고 있다.

이번 연구의 성과는 금속공학 분야 국제학술지 ‘Acta Materialia’ 및 ‘Scripta Materialia’온라인에 각각 4월 12일, 5월 21일 게재되었다.