국립경상대·연세대 연구진, 산업기술 알키미스트 프로젝트 성과
망가니즈 함량 줄이고 저온 열처리 통해 강도·연성 ↑
미·일·유럽에 동시 특허 출원…車 경량화 효과 기대

국내 대학 연구진이 세계 최초로 '초고강도 페라이트(ferrite)계 경량철강 소재 제조 방법'을 개발하는 데 성공했다. 페라이트는 금속 미세조직 가운데 하나로 체심입방구조를 가지는 α-Fe(알파 철)을 바탕으로 한 고용체를 말한다. 탄소가 많이 섞여있지 않은 특성상 강도가 낮고, 연성이 크기 때문에 가공성이 뛰어나며 자성을 띈다.

전자신문 보도에 따르면, 설재복 경상국립대 나노신소재융합공학과 교수와 이영국 연세대 신소재공학과 교수 등 국내 연구진은 산업통상자원부와 한국산업기술평가관리원(KEIT)이 추진하는 '산업기술 알키미스트(연금술사) 프로젝트'의 일환으로 망가니즈 함량을 줄인 초고강도 페라이트계 경량철강 소재 제조기술을 개발했다. 

경량철강은 알루미늄과 규소 등 경량원소를 첨가해 기존 철강 소재에 비해 낮은 밀도를 구현한 철강이다. 저탄소를 위한 자동차 연비 향상을 위해 소재 경량화 연구가 활발히 진행되면서 철강 분야에서 주목하고 있는 분야이다. 

현재 자동차 업계에서는 경량화를 위해 탄소복합소재나 알루미늄 합금 등 경량금속 차량 적용 비율을 점차 늘리는 추세인데, 경제성 측면에서 철강 소재 경량화가 가장 주목받고 있다. 철강 소재가 대부분 자동차 전체 무게의 절반을 차지하고 있어서 철·망가니즈·알루미늄·탄소를 기본 성분계로 가진 경량철강 소재를 가장 활발하게 연구하고 있다.

이 가운데 페라이트계 경량철강은 망가니즈 함량에 따라 미세조직이 바뀐다. 현재까지 진행된 연구 대다수는 망가니즈 함량 15~30wt%를 대상으로 했는데, 망가니즈 함량이 높아질수록 접합이 어려워 공정 비용이 상승하기 때문에 상업화까지 한계가 있었다.

이에 국내 대학 공동연구진은 기존 경량철강 대비 낮은 함량의 망가니즈(2.0~3.0wt%)를 첨가한 저망가니즈 초고강도 페라이트계 경량철강 소재를 개발했다. 광범위한 산업 응용 분야에 사용되는 기존 열 기계 가공 과정을 거친 후 추가로 저온 열처리 과정(LTP)으로 강도와 연성을 향상했다.

또 LTP 공정을 통해 'LTP 공정을 통한 결정립 크기 의존적 탄소 파티셔닝(size-dependent carbon partitioning)'이라는 새로운 개념을 적용했다. 탄소 파티셔닝은 탄소 원자가 미세조직 내 고르게 분포하는 것을 말한다. 이 효과에 따라 '전위의 거동'과 '변형기구' 현상이 발현되는 정도의 차이를 규명했다. 전위의 거동은 결정구조를 가진 물질 내에서 응력에 따라 원자 배열이 어긋나는 결함의 일종인 전위의 움직임, 변형기구는 재료 변형과 강화현상에 대한 메커니즘이다.

이번 연구 성과는 '페라이트계 경량 철강의 제조 방법 및 이를 이용한 페라이트계 경량 철강'이라는 발명 이름으로 삼극특허 출원(미국 18/039,655, 유럽 EP 21903648.0, 일본 特願2023-533770)을 완료했다. 삼극특허는 미국, 일본 유럽 특허청에 모두 등록된 특허로, 이 기술은 현재 특허 심사를 받고 있다. KEIT는 특허 등록을 마무리하면 경량철강 소재 관련 국제 협력은 물론 다양한 공동연구 형태가 이어질 것으로 기대했다.