극저온서 강력한 첨단합금의 비밀
극저온서 강력한 첨단합금의 비밀
  • 함예솔
  • 승인 2020.03.06 18:30
  • 조회수 789
  • 댓글 0
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요약

 

극저온에서 충격에 강한 '엔트로피 합금'의 비밀이 규명됐습니다. 비밀은 낮은 적층결함에너지에 있다는 사실이 규명된건데요. 이번 연구 결과로 엔트로피 합금의 고도화에 도움이 될 전망입니다. 또한 단순히 학술적 성과에 그치지 않고 산업에서도 파급력을 가져올 것으로 예상됩니다.

영화 <터미네이터>를 보면 로봇에 액체질소를 부어 얼린 후 총을 쏴 산산이 부숴버리는 장면 나오는데요. 이것은 일반적으로 금속이 저온에서 충격에 약한 성질을 가지기 때문입니다. 그러나 지난 2014년, 오히려 극저온에서 충격에 더욱 강한 일명 '엔트로피 합금'이 <Nature>에 보고돼 화제가 된 적이 있었습니다. 그동안 그 원인은 알려지지 않았었는데 마침내 국내 연구진이 그 원인을 과학적으로 규명해냈습니다. 해당 연구는 <Scientific Reports>에 게재됐습니다.

 

엔트로피 합금 저온에서 강했던 이유 '적층결함에너지'에 있었다

 

2014년에 보고된 엔트로피 합금이 저온에서 더욱 강하다는 비밀은 낮은 적층결함에너지에 있다는 사실이 규명됐습니다. 연구진은 실증 연구를 통해 엔트로피 합금의 적층결함에너지가 산업에서 흔히 쓰이는 스테인리스강 대비 45%에 불과하여 일반적인 금속과는 달리 저온에서 충격에 더 강하다는 사실을 알아냈습니다. 

 

일반적으로 금속은 바둑판 같은 격자구조의 점에 원소가 박혀 있는 결정구조를 이루고 있습니다. 이러한 금속에 힘이 과도하게 가해지면 규칙적이던 원소배열의 격자구조가 깨어지면서 불규칙한 적층결함(stacking fault)이 생기는데 적층결함이 발생하는데 필요한 에너지를 적층결함에너지라고 합니다.

 
엔트로피 합금과 같이 적층결함에너지가 낮은 금속은 힘이 가해질 때 원소배열이 대칭적으로 놓이는 쌍정변형이 일어나는 특징이 있습니다. 쌍정변형을 거치면 금속 내 입자 크기가 더 작아져서 단단해지고 충격에도 훨씬 강해집니다. 즉, 연구진은 엔트로피 합금의 적층결함에너지가 낮고 이로 인해 저온일수록 쌍정변형이 더욱 쉽게 나타나 충격에 강해진다는 것을 실험을 통해 규명했습니다.

 

더 자세하게 측정한 결과

 

이번 연구 성과는 원자력연구원과 해외의 첨단 중성자과학연구시설을 활용해 엔트로피 합금의 적층결함에너지를 더욱 정교하게 측정할 수 있었기 때문에 가능했습니다. 기존에는 전자 현미경으로 일일이 관찰하면서 에너지를 측정했습니다. 이때 소재를 절단하고 가공하는 과정에서 실험적 오류가 발생했으며 한 번에 머리카락 굵기(100 마이크로 범위) 정도의 작은 부분만 관찰할 수 있어 실험 결과가 불완전했습니다. 

3D 프린팅법으로 제작된 시험용 엔트로피 함급. 출처: 한국원자력연구원
3D 프린팅법으로 제작된 시험용 엔트로피 함급. 출처: 한국원자력연구원

그러나 연구진은 중성자 빔을 이용해 원자보다 큰 밀리미터 단위 크기의 소재를 한 번에 측정할 수 있었습니다. 또한 실시간(in situ)으로 변형 중인 소재를 측정하면서 변형 공정 중의 결함 변화를 측정할 수 있었습니다. 연구진은 100여회 이상의 반복 실험으로 얻어낸 변형 순간의 에너지 변화 데이터를 확보해 실험의 신뢰도를 높였습니다. 특히 본 연구에서 사용한 시험용 엔트로피 합금은 에너지 직접 조사 방식(Direct energy deposition)의 3D 프린팅 기법으로 자체 제작해 더욱 의미가 있습니다.

시험 중인 엔트로피 합금. 출처: 한국원자력연구원
시험 중인 엔트로피 합금. 출처: 한국원자력연구원

이번 연구 성과는 원리를 찾아낸 것으로 엔트로피 합금의 고도화에 이바지 할 것이며 단순히 학술적 성과에 그치지 않고 산업에서도 파급력을 가져올 것으로 예상됩니다. 향후 연 3조원 규모의 국내 극저온 밸브, LNG 저장탱크 및 액체수소 저온탱크 시장 뿐 아니라 세계적으로 약 50조에 달하는 극지 해양플랜트 소재부품 사업에 기초과학적 기반지식 및 생산기술을 제공하는 역할을 할 것으로 예상됩니다. 또한, 우주·항공, 수소자동차 등의 첨단 미래 에너지 소재분야 등으로 적용분야를 확대할 수 있을 것으로 기대됩니다.

 

연구를 주도한 원자력연구원 양자빔물질과학연구부 우완측 박사는 "이번 연구는 적극적으로 참여해 주신 두산중공업-KIST-충남대·울산대·순천대 및 일본 J-PARC 시설 연구자들과의 협업으로 가능했다"며 "첨단 중성자과학 시설을 활용해 기초과학연구 및 실용화 사업에 적극 참여함으로써 국가 소부장 산업의 경쟁력을 높이는 연구를 지속해나갈 계획"이라고 포부를 밝혔습니다.

 


##참고자료##

 

 


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