더 강하고 더 다루기 쉬운 고엔트로피 합금 설계-단상 균질구조에서 벗어난 다상 헤테로구조 합금 개발

더 강하고 더 다루기 쉬운 고엔트로피 합금 설계-단상 균질구조에서 벗어난 다상 헤테로구조 합금 개발

 

등록일 2020.06.01.

 

더 강하고 더 다루기 쉬운 고엔트로피 합금 설계
단상 균질구조에서 벗어난 다상 헤테로구조 합금 개발

□ 더 강하면서 잘 늘어나는 합금을 향한 산업현장의 끝없는 고민에 답이 될 수 있을까. 합금계의 이단아, 고엔트로피 합금을 만드는 새로운 설계방식이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
ㅇ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 김형섭 교수(포항공과대학교) 연구팀이 고강도·고연성·고가공성의 고엔트로피 합금을 개발했다고 밝혔다.

□ 고엔트로피 합금은 주된 금속에 보조원소를 더하는 일반적 합금과 달리, 주된 원소 없이 여러 원소를 비교적 동등한 비율로 혼합하는 방식이어서 이론상 만들 수 있는 합금의 종류가 무한대다.
ㅇ 합금원소의 종류 및 함량을 자유자재로 조절하여 합금의 강도, 연성, 내식성, 전자기적 특성, 열적 특성 등을 발전시켜 왔다.
ㅇ 하지만 대부분 균일한 단상 형태(구조, 조직, 결정립 크기 및 형상이 동일한 형태)로 만들어지며, 단상을 유지하는데 코발트, 크롬 같은 고가의 원소를 첨가하는 등 가격경쟁력에서 한계가 있었다.

□ 이에 연구팀은 고엔트로피 합금은 균일해야 한다는 고정관념을 역이용했다. 미세조직이 균질하지 않은 헤테로구조의 고엔트로피 합금이 더 단단하고 더 연할 수 있음을 알아냈기 때문이다.
※ 헤테로구조 : 합금 내부의 구조, 조직이나 결정립 크기 및 형상이 동일하지 않고, 위치별로 다른 구조.

□ 실제 물과 기름처럼 서로 섞이지 않는 철과 구리를 기반으로 각각 분리된 두 영역을 형성시킨 후, 둘 다와 섞일 수 있는 몇몇 원소들을 첨가함으로써 비균질성(heterogeneity)을 극대화, 전체 소재의 엔트로피를 높였다.

□ 이렇게 설계된 헤테로구조의 고엔트로피 합금은 강한 구리와 연한 철로 구성되는데, 연한 철은 소재의 연성, 강한 구리는 소재의 강도를 향상시킴으로써, 기존 스테인리스 강 보다 1.5배 더 단단한(인장강도 ~ 1 GPa) 것으로 나타났다.

□ 또한 철과 구리, 이원화된 구조로 인해 소재를 절삭하는 데 소요되는 시간 역시 기존 304 스테인리스 강보다 20배 줄었다. 절삭시간 단축은 소재의 가공비용 절감으로 이어진다.
ㅇ 또 경제적인 철과 구리에, 알루미늄이나 망간 같은 저가의 원소를 조합할 경우 기존 고엔트로피 합금보다 3~10배 높은 가격경쟁력을 확보할 수 있다는 설명이다.

□ 연구팀은 단상에 국한된 기존 고엔트로피 합금을 다상으로 확장시킴으로써 산업현장에 적용될 수 있는 고엔트로피 합금 창출을 앞당길 것이라고 내다보고 있다.
ㅇ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리 사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 금속공학 분야 국제학술지 ‘Acta Materialia’ 및 ‘Scripta Materialia’온라인에 각각 4월 12일, 5월 21일 게재되었다.

주요내용 설명

<작성 : 포항공과대학교 김형섭 교수>

키워드
Medium-entropy alloys; Heterogeneity; Multiphase; Phase separation; Nano-scale twins
논문명
A new strategy for designing immiscible medium-entropy alloys with excellent tensile properties
저널명
Acta Materialia
DOI
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.03.050
저 자
김형섭 교수(교신저자/포항공과대학교), 문종언 박사(제1저자/포항공과대학교), 박정민(포항공과대학교), 배재웅 박사(포항공과대학교), 도현석(포항공과대학교), 이병주 교수(포항공과대학교)

< 연구의 주요내용 >
1. 연구의 필요성
ㅇ 고엔트로피 합금은 “다수의 원소가 주요 원소로 작용하여, 높은 혼합 엔트로피에 의해 금속간화합물이 형성되지 않고 단상의 고용체를 형성하는 합금”으로 정의된다.
ㅇ 우수한 기계적, 열적, 물리적, 화학적 특성으로 인해 구조 재료, 극저온 재료, 내열 재료, 원자력 소재 등 여러 산업분야의 고기능성 극한구조용 소재로 주목받고 있다.
ㅇ 하지만 최근 연구는 천이원소나 내화원소에 국한된 단상 혹은 소량의 석출물을 활용하는 합금 설계에 한정되었다. 합금 원소 간의 낮은 고용도로 인해 단상 유지에 활용할 수 있는 합금 원소가 제한적이기 때문이었다. 또한 단상 유지에 Co, Cr, Ni 등과 같은 고가의 합금원소를 등분율로 첨가하고 있어 가격경쟁력 측면에서 한계가 있었다.
ㅇ 따라서 고엔트로피 합금의 산업화를 위해서는 강도 및 연신율 등의 우수한 기계적 특성 확보 뿐만 아니라 저가의 다양한 합금 원소를 활용함으로써 가격 경쟁력을 확보할 필요가 있었다.

2. 연구내용
ㅇ 기존 단상의 균질한(homogeneous) 미세조직을 갖는 합금에 비해 다상 조직의 헤테로(heterogeneous) 미세조직을 가지는 합금이 강도 및 경화능(strain hardenability)이 더 우수함을 규명하였다. 다상 조직의 변형율 구배에 의해 계면에서 기학학적필수전위(GND)*를 발생시키기 때문임을 알아냈다.
* 기학학적필수전위(GND) : 재료 변형 중 발생하는 변형율 구배를 해소시키기 위하여 생성되는 전위.
ㅇ 이에 착안하여, 높은 혼합 엔탈피로 인해 서로 합금화되어 섞이지 않는 구리(Cu)와 철(Fe)의 불혼화 특성(immiscibility)을 활용하여, 각각 구리(Cu)와 철(Fe) 기반의 두 영역을 형성시킨 뒤, 제 3, 4의 합금 원소를 각각에 고용시켜 고엔트로피화시킴으로써 소재의 불균질성을 극대화하였다.
ㅇ 구리(Cu)와 철(Fe)의 심각한 불혼화 특성으로 인해 기존의 합금설계에서는 이를 회피하고자 하였으나, 오히려 이를 고엔트로피 합금 설계에 활용함으로써 초기 미세조직의 불균질성을 극대화시키고 높은 계면 강화 효과로 인한 우수한 기계적 특성을 가지는 헤테로구조 고엔트로피 합금을 구현하는 데 성공했다.

3. 연구성과/기대효과
ㅇ 헤테로구조 고엔로피 합금은 기존 철강재료에 버금가는 가격경쟁력(3.2 ＄/kg)과 더 우수한 특성(인장강도 ~ 1 GPa, 연신율 ~ 30%)을 보여, 상용화에 가장 유리한 고엔트로피 합금으로 평가되고 있다.
ㅇ 우수한 절삭 특성 및 기계적 특성, 가격경쟁력으로 인해 금속공학 분야 국제학술지 Acta Materialia(Acta Mater. 193 (2020) 71-82.) 및 Scripta Materialia (Scripta Mater. 186 (2020) 24-28.)에 소개되었다.
ㅇ 가전제품과 스마트폰 부품으로 적용하기 위해 후속 연구를 진행하고 있다.

그림 설명

 

 

(그림1) 헤테로구조 고엔트로피 합금 설계 전략 및 헤테로구조로 인한 계면 강화
불혼화 특성(immiscibility)을 갖는 2원 합금의 두 원소에 모두 섞이는 원소인 합금원소를 각각 고용시킴으로써, 서로 다른 특성을 가지는 이종 합금이 혼합된 헤테로구조의 고엔트로피 합금을 구현하였다. 해당 설계전략으로 제조된 합금은 상간의 계면에서 기하학적 필수전위가 축적되어 강도를 향상시킨다. 본 연구에서는 Cu-Fe 2원계와 Al, Mn 합금원소로 해당 전략을 구현하였다.
출처 : 포항공과대학교 김형섭 교수

 

 

(그림2) 헤테로구조 고엔트로피 합금의 금속 절삭 가공 시제품 및 가격 경쟁력
(A) 본 연구의 헤테로구조 고엔트로피 합금을 절삭 가공으로 제조한 clamp, plate jig, template jig, gear, shaft 금속 부품. 이종 상 구조로 인해 절삭 특성이 매우 우수하다(304 스테인리스 강의 약 20배 빠른 절삭 속도). 절삭 특성은 소재를 절삭하는데 소요되는 시간을 의미하며, 절삭 시간이 감소할수록 소재의 가공비가 절감된다.
(B) 본 연구의 헤테로구조 고엔트로피 합금의 가격 대비 인장강도. 기존 고엔트로피 합금의 가격(10~35 USD/kg)에 비교하였을 때, 헤테로구조 고엔트로피 합금은 상용 스테인리스 강(SS)에 버금가는 우수한 가격 경쟁력(3.2 USD/kg) 및 인장강도(~ 1 GPa)를 가진다.
출처 : 포항공과대학교 김형섭 교수

 

연구 이야기

<작성 : 포항공과대학교 김형섭 교수>
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

미래소재디스커버리 사업을 수행하여 다양한 합금을 개발하며 산업현장 적용을 도모하던 중 “고엔트로피 신합금 개발” 과제를 통해 산업에 적용할 수 있는 고성능, 저가 및 경량 고엔트로피 합금을 목표로 본 연구개발을 시작하게 되었다. 무한한 합금 원소의 조합이라는 컨셉과는 다르게 대부분의 고엔트로피 합금은 단상이 아닌 금속간화합물 또는 그 복합체였으며, 기존의 높은 혼합 엔트로피를 사용하여 단상을 찾는 합금 설계에 문제점이 있음을 인지하고 새로운 합금 설계 방법론을 찾기 위한 연구가 시작되었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

본 성과는 기존 고엔트로피 합금이 가지고 있는 1.5R 이상(R: 기체상수)의 높은 혼합 엔트로피와 균질한 단상 미세조직의 고정 관념에서 과감하게 벗어난 새로운 패러다임으로, 높은 혼합 엔탈피를 가지는 구리(Cu)와 철(Fe) 합금 원소를 활용하여 이상 분리를 활용했으며, 구리와 철에 각각 고용도가 높은 저가 및 경량 합금 원소인 알루미늄(Al), 망간(Mn)을 첨가하여 구리계 엔트로피 합금과 철계 고엔트로피 합금의 복합체를 만드는 것에 그 의의가 있다. 이러한 합금 설계 방법론을 이용하면 금속간화합물 형성으로 인한 합금의 취성을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 헤테로구조로 인한 상강 계면 강화 효과로 인해 고강도의 헤테로구조 고엔트로피 합금을 설계할 수 있다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

본 연구의 헤테로 구조 고엔트로피 합금은 상용화되어 있는 철강소재에 버금가는 가격 경쟁력을 가질 뿐만 아니라 높은 기계적 특성과 가공(절삭) 특성을 가지고 있어 실용화의 가능성이 매우 높다. 지속적인 과제를 통해 가전제품 및 스마트폰의 금속 부품에 적용하는 것을 긍정적으로 검토하고 있는 중이다. 앞으로 실용화를 위해서는 합금 제조의 대형화, 실용처의 추가적인 요구 특성을 만족시키는 것이 관건이고 산업체와의 공동연구를 통하여 하나씩 해결해 나아가고 있다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

향후 해당 합금 설계 방법론을 활용하여 고강도/고연성/내부식/내열 특성 등을 모두 만족시키는 “슈퍼 고엔트로피 합금”을 개발하고 싶고, 실제 산업 현장에 금속 제품으로 적용되는 것을 목표로 하고 있다.