이번 연구를 수행한 김형섭(왼쪽) 교수와 김래언 박사.[포스텍 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] POSTECH(포항공과대학교) 친환경소재학과·신소재공학과 김형섭 교수 연구팀은 다양한 규모의 헤테로(hetero) 계층 구조를 개발‘ 우수한 기계적 물성과 경제성, 경량화를 동시에 달성할 수 있는 합금 설계 전략을 제시했다.

건축, 기계, 항공우주 등 다양한 산업 분야에서는 여러 금속이 합쳐진 합금이 사용된다. 고온에 주로 사용되는 합금의 경우 고온에서 뛰어난 기계적 특성과 안정성을 제공할 니켈(Ni)과 코발트(Co)를 사용하면 좋은 성능을 낼 수 있지만 가격이 비싸고 무게가 증가하는 문제가 동시에 발생해 산업적 활용이 제한되는 문제가 있었다. 고온 환경에서의 뛰어난 성능에도 불구하고 비용과 무게 문제로 인해 광범위한 적용이 어려운 것이다.

연구팀은 철(Fe) 기반 합금을 통해 가격 경제성과 경량화를 달성하는 동시에, 계층적 헤테로 구조를 도입해 고온에서 기계적 물성을 유지하는 방법을 개발했다. 이 헤테로 구조는 서로 다른 미세구조가 함께 존재해 서로 보완하는 효과로 인해 더욱 강해지는 방식이다. 연구팀은 마이크로미터(㎛), 나노미터(nm), 서브 나노미터 등 다양한 규모에서 단계적으로 헤테로 구조를 구성하여 합금의 기계적 특성을 크게 향상하는 데 성공했다.

계층적 헤테로 구조에 대한 모식도와 해당 합금의 고온-밀도-가격 물성 그래프.[포스텍 제공]

연구팀의 만든 합금은 기존 고온 소재에 비해 절반 이하의 비용으로 경량화를 이루었으며, 순수한 철보다도 가볍다. 또한 이 합금은 고온 및 상온에서 기계적 물성을 기존의 고온 상용 재료와 유사한 수준으로 유지하며 가격과 무게, 고온 물성의 뛰어난 조화를 이루어냈다.

김형섭 교수는 “산업 활용에 최적화된 합금 설계를 통해 차세대 고성능 소재 개발의 새로운 방향성을 제시했다”며 “향후 자동차, 배터리팩, 우주 산업 등 다양한 산업에 활용될 것을 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구결과는 금속 분야 국제학술지 ‘악타 머티리얼리아(Acta Materialia)’에 최신호 게재됐다.