최근 자동차 업계는 ‘연비와의 전쟁’이라고 부를 정도로 연비 개선 기술에 대해 경쟁적으로 나서고 있다. 특히 ‘튼튼하면서도 가볍고, 변형 시에 쉽게 부러지지 않는’ 소재 개발에 대한 관심은 높지만, 이 모든 조건을 만족시키는 소재는 티타늄 외엔 거의 없는 것으로 알려져 왔다. 이런 티타늄에 도전할 새로운 철강 소재가 POSTECH (포항공과대학교) 연구팀에 의해 처음으로 개발됐다.

특히 친환경성과 경제성을 모두 갖춘 이 새로운 소재는 단단하지만 부러지기 쉬워 ‘구조재’로 실용화하기 어려웠던 금속간화합물을 이용한 것이어서 학계 뿐 아니라 산업계의 관심이 집중되고 있다.

POSTECH 철강대학원 박사과정 김상헌, 김낙준․김한수 교수팀은 금속간화합물^*1 FeAl을 이용, 강도와 연성이 뛰어나면서도 그 무게가 가벼운 저비중강(低比重鋼)을 개발했다.
이 연구성과는 세계적 학술지 네이처(Nature) 지난 2월 4일자(현지시간)를 통해 발표됐으며, 그 제조방법과 응용 가능성 때문에 학계의 비상한 관심을 끌고 있다. 특히 기초과학 연구성과가 주로 게재되는 네이처에 이 같은 금속 소재 관련 연구가 게재되는 것은 이례적인 일이며 국내 연구팀의 이 분야 연구가 네이처 본지에 소개된 것은 전례가 없는 것으로 전해졌다.

철강은 헨리 포드가 처음 자동차 소재로 도입한 이래 자동차 산업의 핵심이었다. 하지만, 고연비 등을 이유로 차체 경량화에 나선 자동차 제조사들은 점차 비중이 높은 철강 대신 알루미늄합금과 같은 경량합금의 사용을 늘려가기 시작했다. 이와 함께 철에 알루미늄을 합금화해 비중을 더 낮추면서도 강도를 높이기 위한 연구가 세계적으로 이뤄지고 있었다.
하지만, 비중을 줄이기 위해 철강 속에 알루미늄의 양을 늘리면, 금속간화합물이 생겨나 변형 시에 철강이 오히려 부러지기 쉬워진다는 문제점을 가지고 있었다.

김낙준․김한수 교수 연구팀은 이런 금속간화합물을 아예 부러지지 않을 정도의 작은 크기로 만들어 외부에서 힘을 가했을 때 합금 속 전위들의 움직임^*2을 멈출 ‘스토퍼(stopper)’로서의 기능을 하도록 하는 ‘역발상’을 했다. 여기에는 철강의 일반적인 열처리 온도에 비해 상대적으로 저온에서 생겨나는 금속간화합물을, 니켈로 그 온도를 조절함으로써 금속간화합물의 크기를 수십~수백 나노미터(nm)로 줄이고 그 분포도 고르게 만들 수 있다는 아이디어도 포함됐다.

이렇게 만들어진 새로운 소재는 기존에 연구되어 온 다른 저비중강 소재에 비해 50% 이상 강도가 뛰어나며 가볍고 연성이 좋아 변형 시에 잘 부러지지 않는 성질까지 갖췄다.

특히 가벼우면서도 강도가 강한 것으로 잘 알려진 티타늄과 그 비강도^*1는 비슷하면서도 2배 이상 잘 늘어나 변형이 손쉬우며, 무엇보다 티타늄에 비해 소재 비용이 1/10 이하라는 점에서 경제성도 갖췄다는 것이 이 소재의 강점으로 꼽힌다.

연구팀은 이 소재가 자동차용 강재로 사용될 경우 차체가 경량화 돼 연비가 높아지고 배기가스를 줄일 수 있을 뿐 아니라 우수한 강도로 승차자의 안전성까지 제고할 수 있는 새로운 ‘미래형 자동차’의 개발도 기대할 수 있다고 전망했다.

연구를 주도한 김한수 교수는 “이번에 개발된 소재는 티타늄에 도전할 수 있을 정도로 무게와 강도, 그리고 연성이 모두 우수한 새로운 소재로서 그 비용도 저렴하고 기존 철강제조설비를 활용할 수 있다는 강점을 가지고 있다”며 “이번에 고안된 합금설계 개념을 응용하면 조선, 토목 등 경량화가 필요한 구조재의 또 다른 합금 개발의 가능성도 열 수 있을 것”이라고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 포스코의 ‘철강혁신프로그램’의 지원으로 지난 4년간 수행되었으며, 특히 단기적인 성과주의에 치우치지 않은 기업의 장기적인 지원과 대학의 도전주의를 기반으로 한 연구가 어우러져 맺은 결실로 평가될 수 있다.

현재 이 연구는 이미 2013년에 국제특허 출원을 마친 상태로, 대량생산 가능성 여부를 타진하기 위해 포스코를 통한 시험생산을 앞둔 상태다.

이렇게 만들어진 새로운 소재는 기존에 연구되어 온 다른 저비중강 소재에 비해 50% 이상 강도가 뛰어나며 가볍고 연성이 좋아 변형 시에 잘 부러지지 않는 성질까지 갖췄다.

1. 금속간화합물
합금과 금속간화합물은 모두 두 개 이상의 구성 원소로 이루어져 있으나 이들 사이에는 커다란 차이가 있다. 합금은 구성 원소들이 불규칙하게 무작위로 섞여 있는 혼합물인 반면, 금속간화합물은 서로 다른 구성 원소들이 합금에서보다 강하게 결합이 되며, 특정한 규칙에 따라 배열되어 있다. 일반적으로 합금은 변형 시 쉽게 부러지지 않지만(연성), 금속간화합물은 쉽게 부러지는 성질(취성)을 갖는다.

2. 합금 속 전위들의 움직임
합금을 확대하면 원자들로 이루어진 층이 여러 겹 쌓인 형태로 되어 있다. 합금을 변형하게 되면 이러한 원자층들이 서로 미끄러지면서 형태가 변하는 전위가 생긴다. 연구팀은 이러한 전위들의 움직임을 막도록 합금 내부에 고르게 금속간화합물을 분포시켜 전위들이 미끄러져 금속간화합물을 만났을 때 움직임이 멈추도록 하는 원리로 연성과 강도를 고르게 높였다.

3. 비강도
비강도는 강도를 그 합금의 비중으로 나눈 수치로서, 어떤 합금이 얼마나 가벼우면서 튼튼한지를 나타내는 지표다.