주요 연구 분야 설명회 진행, 연구소 인프라 및 설비 시찰 등 실시
세계 최대의 금속산업 전시회 ‘GMTN 2023’ 전시회를 참관한 본지 시찰단이 독일 뒤셀도르프에 위치한 ‘막스 플랑크 철강연구소(Max-Planck-Institut fur Eisenforschung GmbH)’를 방문했다.
‘막스 플랑크 철강연구소’는 철강과 관련된 기술과 과학을 연구하며, 재료 과학, 기계 공학, 물리학, 화학 등 다양한 분야의 전문가들이 함께 일하고 있다. 막스 플랑크 철강연구소는 세계적인 철강 연구기관 중 하나로, 우수한 연구 인프라와 기술력을 보유하고 있다. 이 연구소에서는 철강의 물성과 구조에 대한 연구를 진행하며, 이를 기반으로 새로운 철강 합금의 개발과 철강 생산 공정의 최적화 등을 연구하고 있다.
시찰단은 연구소 관계자들로부터 설명을 듣고 주요 연구 분야를 살펴보는 한편 관련 설비를 둘러보았다.
‘막스 플랑크 연구소’의 주요 연구 분야를 살펴보면 우선 금속의 특성에 미세 구조가 미치는 영향을 연구한다. 미세 구조는 빈 공간, 전위 및 인터페이스를 포함한 모든 격자 결함의 구조, 크기, 치수, 패턴화 및 화학으로 구성된다. 그리고 미세 구조는 순수한 단결정에서 복잡한 엔지니어링 합금에 이르기까지 모든 재료에 영향을 미친다. 재료의 기계적 성질과 전기화학적 반응, 기능적 특성을 크기에 따라 변경할 수 있다.
연구소는 미세 구조 및 화학 맞춤 제작을 위해 합금 설계, 야금 가공, 조합 합성, 지속 가능한 생산 및 첨가제 제조를 수행하며, 주요 분석 도구는 계산 재료 과학, 기계 학습 및 다중 스케일 및 다중 프로브 특성화이다.
이러한 전문 지식을 바탕으로 연구소는 종종 기계적 강도, 연성 및 연자성 행동과 같은 적대적 특성을 조정하여 새로운 재료, 미세 구조, 프로세스 및 특성 조합의 개발에 대한 전통적인 시도 및 오류 접근 방식과 대조적으로 지식 기반 접근 방식을 개발했다.
두 번째로 연구소는 디지털 경제와 녹색 경제에 대비하여 철강산업의 지속 가능성과 녹색 전환에 대한 연구도 수행한다.
세 번째로 연구소는 복잡한 나노 구조의 재료의 합성, 미세 구조 및 특성 사이의 관계에 대한 기초를 연구한다. 알루미늄, 티타늄, 강철, 고/중 엔트로피 합금, 초합금, 마그네슘, 자기 및 열전 합금과 같은 금속 합금에 중점을 둔다. 연구소는 물질의 특정한 열역학적 특성과 운동적 특성 사이의 근본적인 관계와 미세 구조의 진화 및 기계적 및 기능적 특성에 대한 영향을 이해하는 것을 목표로 한다. 따라서 연구소는 위상(메타-) 안정성, 고체 용액 함량, 적층 결함 에너지, (열) 변환 거동, 자기 이력 또는 화학 반응성과 같은 특정 고유 속성 구배를 따라 재료를 선택, 합성, 처리 및 프로브한다.
또한 이러한 물질이 고온 및 극저온, 높은 자기장 및 기계적 부하와 같은 반응성 및 가혹한 환경에서 어떻게 작동하는지 연구한다. 연구소의 실험은 이론적 개념을 기반으로 심오하고 일반적인 통찰력을 목표로 한다. 그리고 컴퓨터 재료 과학, 기계 학습, 합성, 처리를 원자 및 전자 규모까지 특성화와 결합하며, 많은 프로젝트들이 다른 부서 및 외부 파트너들과 긴밀한 협력 하에 추진된다.
마지막으로 연구소는 특별한 방법론적 전문 분야에 대한 연구도 수행한다. 우선 ‘컴퓨터 재료 과학’ 분야에서 연구소는 마이크로메커니즘 이론과 화학 및 구성 모델링을 사용한 위상 변환과의 비선형 상호 작용을 연구한다. 또한 에너지 변환 응용 분야의 물질 붕괴, 부식 및 환원 과정, 가혹한 환경 조건 및 금속 지속 가능성을 설명하는 데 필요한 것과 같은 미세 기계 및 산화 환원 반응의 상호 작용을 시뮬레이션에 포함하기 시작했다. 25년 이상의 연구 경험과 시뮬레이션 코드는 단일 결정에서 구성 요소 규모까지 다중 물리학 결정 가소성, 열, 위상 변환 및 손상 현상을 모델링하기 위한 무료 시뮬레이션 키트인 소프트웨어 패키지 DAMASK에 캐스팅되었다.
그리고 ‘다중 스케일 및 다중 프로브 미세 구조 특성화’ 영역에서 연구소는 구조, 결함 및 화학에 대한 완전한 상관관계가 있는 원자 스케일 및 중간 규모의 조사를 정확히 동일한 재료 위치에 적용하여 구조, 화학 및 특성 특성을 공동으로 조사한다. 내부 인터페이스의 화학적 장식 및 변형 현상, 환경 저하, 탈구 또는 단일 빈 공간의 경우. 따라서 우리는 데이터의 강화된 정량화를 위해 종종 이론 및 기계 학습과 결합된 원자 프로브 단층 촬영(APT), 제어된 회절 조건(ECCI)에서의 전자 채널링 대조 영상(ECCI), 3D 전자 이미징 및 후방 산란 회절(EBSD), 교차 상관 EBSD 및 현장 이온 현미경(FIM)의 조합을 사용한다.
‘합금 및 공정 설계’ 분야에서 연구소는 높은 기계적 강도와 좋은 연성, 파괴 인성, 열전 성능, 수소 취성 저항 또는 기능적 특성과 같이 종종 상충되는 특성을 가진 특성 프로파일을 가진 재료를 만드는 작업을 한니다. 지속 가능성과 순환 경제를 위한 프로세스, 메커니즘 및 재료 연구에서 미세 구조 중심 접근법은 금속 재료의 지속 가능성을 향상시키는 경로를 식별할 수 있게 한다. 여기에는 환원-탄소-다이옥사이드 1차 생산, 금속 재활용, 스크랩 호환 합금 설계, 합금의 오염 물질 및 수소 내인성, 수소-플라스마 기반 환원, 산화물 감소를 위한 전기 분해 및 철광석의 수소 기반 직접 유도 등의 분야가 포함된다.
‘지속 가능성과 순환 경제를 위한 프로세스, 메커니즘 및 재료’ 분야에서는 연구소의 미세 구조 중심 접근 방식은 최근 연구 과제를 해결할 수 있다. 즉, 감소된 이산화탄소 1차 생산을 포함한 분야에서 금속 재료의 지속 가능성을 향상시키는 경로를 식별할 수 있다. 주요 연구주제는 금속 재활용, 스크랩 호환 합금 설계, 합금의 오염 물질 및 수소 내성, 수소 산화물 기반 환원, 산화물 감소를 위한 전기분해 및 철광석의 수소 기반 직접 환원이다.
이를 위해 연구소는 질량 분석을 통한 모니터링뿐만 아니라 잘 제어된 반응성 경계 조건 및 온도 제어 하에서 해당 실험이 수행될 수 있는 많은 실험실 규모의 원자로를 설계하고 수정했다. 이러한 실험은 M 그룹과 긴밀한 협력 하에 수행된다. 특히, 연구가 활발한 주제는 현재 수소 기반 산화물 직접 환원, 수소 플라즈마 기반 생산 및 전기아크로의 산화물 용해, 가능한 가장 높은 스크랩 및 불순물 분율을 견딜 수 있는 합금 설계이다.