더 가볍고 강한! 나노 구조 금속 소재 나온다[수정]

나노 구조의 우수한 기계적 특성을 유지하면서 큰 덩어리(bulk) 금속 소재를 만들 수 있는 새로운 소결법이 개발됐다. 텅스텐, 알루미늄 등 다양한 금속 재료를 벌크 형태로 나노 가공·제조하는 기술이다. 일반 소비재부터 차량 경량화, 정밀 전자부품, 군수분야 등 소재 성능 개선과 기술 개발에 기여할 것으로 기대된다.

a: 기존 액상 소결법, 가속 소결법과 나노구조 분리소결법 비교표. 기존 소결법 구조 크기가 1마이크로미터 이상에 분포하는 반면 나노구조 분리소결법은 나노미터대에 분포했다. 액상 소결법(b), 가속 소결법(c)의 물질 구조 확대 사진과 나노구조 분리소결법 확대 사진(e, d)

박만수 메사추세츠공과대학 재료공학부 박사는 나노 구조를 가지는 벌크형태 금속 재료를 제작할 수 있는 ‘나노구조 분리소결법’을 개발했다고 27일 밝혔다. 관련 연구논문(Accelerated sintering in phase-separating nanostructured alloys)이 최근 국제 과학저널 네이처 커뮤니케이션스 온라인판에 게재됐다.

나노 구조로 형성된 물질은 강도와 경도, 전기 전도성 등 기계·전기적 특성이 뛰어나다. 기존 마이크로 구조 물체에서는 나타나지 않는 다양한 물성을 가져 산업적 응용 공법과 소재 기술 개발이 활발히 이뤄졌다. 구조적 불안정성으로 인해 부피를 형성하기 어려워 얇은 2차원 형태나 물질 표면 공정 등에만 활용됐다.

박 박사는 나노 구조 유지를 위해 낮은 열처리 온도에서 빠른 속도로 소결을 유도했다. 소결법은 분말 알갱이를 열로 굳혀 형태를 만드는 제조 공법이다. 기존 소결법은 고온에서 나노 구조를 유지하지 못했지만 과포화와 높은 나노결정도가 동시에 충족될 때 나타나는 빠른 물질 확산으로 이를 해결했다. ‘나노구조 분리소결법(Nano-phase seperation sintering)’이다.

새 소결법으로 텅스텐 합금을 나노 구조로 형성하는 데 성공했다. 텅스텐은 금속 중에서도 녹는점이 높아 가공이 어렵다. 나노 구조 형성에 성공한 만큼 녹는점이 낮은 다양한 금속 재료에 새 소결법을 적용해 쉽게 가공할 수 있다.

박 박사는 미국 특허를 출원했다. 소결법으로 만든 제품도 미국 현지 연구소에서 성질 테스트중이어서 수년 내 상용화가 가능할 것으로 예상했다. 다양한 형태로 크기 제약 없이 나노 구조체를 생산할 수 있어 산업적 활용도가 높다.

박만수 박사는 “소결법을 활용하면 간단한 장비로 뛰어난 물성의 나노 구조 제품 생산이 가능해 응용 분야가 무궁무진하다”며 “다양한 금속으로 적용 분야를 넓히는 연구를 지속하고 있고 성질 테스트에서 좋은 결과가 많이 나오고 있어 수년 내 상용화가 될 것으로 예상한다”고 말했다.

박정은기자 jepark@etnews.com

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