경량·고강도·고연신 ‘타이타늄 중엔트로피합금’ 개발

국내 연구진이 원자 수준의 규칙성을 활용해 가볍고 강한 타이타늄 중엔트로피합금 개발에 성공했다.

일반적인 합금은 주요 금속 원소에 보조원소를 더하지만, 중엔트로피 합금은 여러 원소를 비교적 동등한 비율로 혼합해 높은 혼합 엔트로피를 가지며, 합금원소의 종류와 함량을 더 자유롭게 조절해 합금의 강도, 연성, 내식성 등을 발전시킬 수 있다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 포항공과대학교 김형섭 교수 연구팀이 타이타늄에 중엔트로피합금 설계 전략을 통합한 신합금 설계 기법을 제안하고, 합금 내 원자 수준의 규칙성을 규명하여 경량·고강도·고연신을 동시에 실현한 합금을 구현했다고 밝혔다.

웨어러블 기기, 항공기, 자동차부품 등 일상생활에서부터 최첨단 산업에 이르기까지 가볍고 강한 구조용 합금 수요가 증가하고 있지만, 일반적인 금속 재료는 강도와 연신율이 반비례하는 한계가 있다.

이를 극복하기 위해 낮은 질량에도 높은 하중을 견딜 수 있는 타이타늄 합금과 여러 원소를 동등한 비율로 혼합하는 방법으로 설계의 폭을 넓힌 중엔트로피합금의 융합 연구가 주목받고 있다.

하지만, 새로운 조성을 찾는 설계 전략만으로는 우수한 기계적 물성의 타이타늄 기반 중엔트로피합금을 개발에 한계가 있었다.

연구팀은 타이타늄 합금 설계기법과 중엔트로피합금의 서로 다른 설계기법을 통합하여 경량·고강도·고연신을 실현할 수 있는 새로운 합금 설계법을 제시하였다.

연구팀은 원자 수준의 관측이 가능한 고해상도 전자투과현미경과 에너지분산분광법을 통해 타이타늄 중엔트로피합금에서 다수의 주요 원소가 합금 내부에서 복합적인 상호작용을 거치며 단거리 범위 규칙(SRO : 원자들이 큰 영역으로는 무질서하게 배열되어 있지만, 가까운 거리에서는 일정한 규칙성이나 배열을 지닌 상태)이 형성됨을 규명했다.

이는 원자 구조 수준에서 물성을 제어할 수 있는 새로운 경량 합금 설계 방향을 제시한 점에서 기존 연구와 차별점을 갖는다.

또한 이 같은 규칙이 합금의 변형에 대한 저항력을 높이고, 금속이 늘어날수록 강도가 증가하는 가공경화 효과를 유도해 높은 연신율(재료가 끊어지기 전까지 얼마나 늘어날 수 있는지를 백분율(%)로 나타내는 값)까지 확보할 수 있음을 밝혔다.

연구책임자인 김형섭 교수는 “새로운 합금 소재는 운송·에너지·우주항공 등 다양한 산업의 부품 경량화를 이끌어 연료 효율 향상과 온실가스 감축에 기여할 것으로 기대된다”라며, “이번 연구는 타이타늄 중엔트로피합금 개발의 출발점으로, 앞으로 다중 강화기구를 더욱 활용한 초고강도 타이타늄 중엔트로피합금 개발에 도전하겠다”라고 설명했다.