포스텍(POSTECH)은 김형섭 친환경소재학과·신소재공학과 교수 연구팀이 문종언 공주대 신소재공학부·첨단분말소재부품센터 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 새로운 형태의 '헤테로(hetero)' 구조로 금속 재료의 강도와 연성 간 트레이드 오프(trade-off) 딜레마를 해결했다고 1일 밝혔다.
금속 재료는 일반적으로 강도를 높이면 연성이 떨어지는 딜레마 있다. 이를 극복하기 위해 서로 다른 물성을 가진 구조를 결합한 헤테로 구조 연구가 활발히 진행되고 있지만 기존 헤테로 구조에서는 구조 간 경계에서 발생하는 응력 집중으로 인해 소재가 쉽게 손상되는 문제가 있었다.
연구팀은 상변태, 즉 특정 조건에서 금속 성질이 바뀌는 현상과 헤테로 구조 간 관계에 주목했다. 연구팀은 금속이 변형될 때 이러한 상변태가 표면에서 내부로 점진적으로 확산하도록 설계해 기존과는 달리 역동적으로 변화하는 헤테로 구조를 개발했다. 그 결과, 금속 계면에서 강도를 높여주는 추가적인 강화 효과를 얻는 동시에 변형 과정에서 응력 집중 발생으로 인한 데미지 현상을 줄여 금속이 손상되지 않도록 했다.
이 새로운 구조는 항복 강도가 기존 대비 138%가 증가했으며, 연성도 일부 개선된 결과를 나타냈다. 금속 재료 연구의 난제로 꼽히던 강도-연성 딜레마를 극복할 가능성을 보여준 것이다.
김형섭 교수는 “기존에 없던 새로운 헤테로 구조 설계 방안을 제시한 것으로, 합금 설계에 새로운 패러다임을 열었다. 이 설계가 앞으로 다양한 구조 재료에 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.
한국연구재단 나노 및 소재기술개발사업과 기본연구사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구성과는 최근 금속 분야 최고 권위 국제 학술지인 '악타 머티리얼리아(Acta Materialia)'에 게재됐다.
포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
