Research

친환경소재/신소재 김형섭 교수 연구팀, 금속의 ‘헤테로’ 구조, 강도와 연성 동시에 높였다

[고엔트로피 합금 속 ‘경한 영역과 연한 영역 비율’ 조절해 강도·연성 향상] 금속은 강하게 만들면 깨지기 쉽고, 유연하게 만들면 약해진다. 오랫동안 풀리지 않았던 이 딜레마에 POSTECH 연구진이 새로운 해법을 제시했다. POSTECH 친환경소재대학원·신소재공학과 김형섭 교수 연구팀은 합금 내부에 ‘헤테로’ 미세 구조를 만드는 전략으로 금속의 ‘강도’와 ‘연성’을 동시에 높이는 데 성공했다. 이번 연구 결과는 재료과학 분야 학술지 중 하나인 ‘머터리얼즈 리서치 레터스(Materials Research Letters)’ 온라인판에 최근 게재됐다. 항공우주와 에너지, 국방 분야에서는 극한 환경에서도 견딜 수 있는 소재가 필수다. 이러한 요구 속에서 주목받고 있는 소재가 바로 ‘고엔트로피 합금’이다. 일반 합금이 철이나 알루미늄처럼 한 가지 금속을 중심으로 다른 원소를 소량 섞는 방식이라면, ‘고엔트로피 합금’은 여러 금속 원소를 거의 같은 비율로 섞어 만든다. 다양한 원소가 뒤섞이면서 독특한 결정 구조가 형성되고, 그 결과 강도, 내구성, 내식성에서 기존 합금을 뛰어넘는 성능을 보인다. 연구자들은 고엔트로피 합금을 더 강하게 만들기 위해 ‘석출 강화’라는 방법을 활용해 왔다. 금속 내부에 작은 입자들을 고르게 분산시켜 외부 힘이 가해졌을 때 쉽게 변형되지 못하도록 만드는 방식이다. 미끄러운 바닥에 작은 돌멩이를 흩어 놓으면 쉽게 미끄러지지 않는 것과 비슷한 원리다. 하지만 금속 강도를 높일수록 잘 늘어나지 못하는 ‘강도-연성 딜레마’는 여전히 남아 있었다. 이를 해결하기 위하여, 연구팀은 기존의 ‘균일 강화’ 접근에서 벗어나 ‘구조적 대비’를 만드는 전략을 택했다. 금속 전체를 단단하게 만드는 대신, 경한 영역과 상대적으로 연한 영역을 공존시키는 ‘헤테로’ 구조를 설계한 것이다. 연구팀은 고엔트로피 합금 내부에서 형성되는 두 가지 석출 방식에 주목했다. 결정 내부에 고르게 형성되는 ‘연속 석출’과, 결정 경계 주변에서 비교적 거칠게 형성되는 ‘불연속 석출’이다. 연구팀은 열처리와 기계적 가공 조건을 정밀하게 조절해 이 두 구조의 비율을 다르게 설계한 합금을 만들고, 실험을 통해 기계적 특성을 비교했다. 그 결과, 불연속 석출이 더 많이 형성된 헤테로 합금에서 ‘항복 강도’(더 큰 힘을 견디는 능력)와 ‘변형 경화 능력’(변형될수록 더욱 단단해지는 성질)이 모두 높아졌다. 이는 단순히 경한 영역인 불연속 석출 영역이 많아졌기 때문만은 아니다. 단단한 영역과 상대적으로 연한 영역이 함께 존재하면, 힘을 받을 때 두 영역은 서로 다른 속도로 변형된다. 이 과정에서 내부에 추가적인 저항이 형성되고, 금속은 변형될수록 스스로 더 단단해진다. 연구팀은 이러한 현상을 ‘헤테로 변형 강화효과’로 설명했다. 서로 다른 특성을 지닌 영역 간의 변형 차이가 추가적인 가공경화를 유도해, 기존 합금보다 더 높은 강도와 우수한 변형 안정성을 동시에 구현했다는 것이다. 이번 연구가 주목받는 이유는 새로운 제조 설비나 복잡한 공정 없이 이 구조를 구현할 수 있다는 점이다. 산업 현장에서 널리 사용하고 있는 열처리·기계 가공 공정만으로 충분히 구현할 수 있어 실제 산업 적용 가능성이 높다. POSTECH 김형섭 교수는 “차세대 고강도 구조용 합금이 필요한 분야에 폭넓게 적용될 수 있을 것으로 기대한다"라며 기대를 전했다. 한편, 이 연구는 한국연구재단 나노 및 소재기술개발사업 지원으로 수행됐으며, 논문 제1저자인 이재흥 씨는 한국연구재단 2025년도 이공분야 학문후속세대 지원사업(박사과정생연구장려금지원사업)의 지원을 받았다. ▶️ DOI: https://doi.org/10.1080/21663831.2026.2615167

환경 감종훈 교수 연구팀, 태풍은 재난일까, 가뭄 막는 생명줄일까

[태풍이 사라진 세계 가정한 분석 통해 가뭄 완화 역할 확인] POSTECH 감종훈 교수 연구팀이 태풍으로 인한 강수가 사라진 상황을 가정해 태풍이 전 세계 가뭄을 완화하는 핵심 요소라는 사실을 밝혀냈다. 이번 연구는 ‘태풍이 사라진 세계를 상상하는 것은 미래의 가뭄을 이해하는 출발점’이라는 메시지를 남기며 최근 지구과학 분야 국제 학술지인 ‘Geophysical Research Letters’에 게재됐다. 태풍은 흔히 홍수와 피해를 가져오는 재난으로 인식된다. 그러나 태풍이 남기는 비는 가뭄을 늦추고 물 순환을 유지하는 중요한 역할을 한다. 그러나 태풍의 부재가 가뭄에 미치는 영향은 그동안 체계적으로 분석된 적이 거의 없었다. 이번 연구는 ‘태풍이 오지 않았다면 가뭄은 얼마나 달라졌을까’라는 질문에서 출발했다. 연구팀은 1980년부터 2020년까지 40년 동안의 지구 전역의 데이터를 바탕으로 태풍 강수가 있는 경우와 없는 경우를 가정하고 수문 모델 실험을 진행했다. 쉽게 말해, ‘태풍이 존재하는 세계’와 ‘태풍이 사라진 세계’를 나란히 놓고, 토양 수분, 하천 유출, 가뭄 강도가 어떻게 달라지는지를 비교·분석했다. 태풍 강수가 사라지는 경우 세계 곳곳에서 토양 수분이 급격히 줄어들고, 가뭄이 훨씬 더 심각해지는 양상이 확인됐다. 특히, 태풍이 토양을 적시는 방식과 그 효과는 지역마다 뚜렷한 차이를 보였다. 오세아니아 같은 건조·반건조 지역에서는 태풍이 남긴 토양 수분이 1년 이내에 빠르게 사라졌으며, 태풍이 오지 않을 경우 극심한 가뭄이 발생했다. 반면, 동아시아 같은 습윤 지역에서는 태풍 강수가 없더라도 토양 수분이 완전히 고갈되지 않았다. 이는 태풍의 부재가 어떤 지역에서는 가뭄을 촉발하는 결정적 요인이 되고, 또 다른 지역에서는 가뭄을 악화시키는 조건으로 작용할 수 있음을 보여준다. 이번 연구는 기후변화 시대에 물 관리의 새로운 변수를 제시한다. 태풍 경로와 빈도가 변화하면, 일부 지역은 예상보다 훨씬 심각한 가뭄에 직면할 수 있다. 그 영향은 농업 생산을 넘어 수자원 관리, 도시 물 공급, 재난 대응 방식까지 확장될 가능성이 크다. 나아가 이번 연구는 태풍을 바라보는 관점도 확장한다. 감종훈 교수는 “태풍 상륙이 주로 홍수·피해의 관점에서만 논의됐지만, 태풍이 가뭄을 완화하는 역할을 할 수도 있다는 점을 과학적으로 보여준 사례로 태풍과 가뭄을 다같이 잘 모사할 수 있는 기후 모델의 필요성을 강조한 것”이라며 이번 연구의 의의를 전했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단 개인기초 연구사업의 지원으로 수행됐다. ▶️ DOI: https://doi.org/10.1029/2025GL120290

친환경소재/신소재 김형섭 교수팀, 단단한 금속 유연하게 만든 ‘노른자·흰자 전략‘

[김형섭 교수팀, 단순 주조와 열처리만으로 금속 강도와 연성 잡는 신소재 개발] 금속 세계에서는 '강도'과 '연성(잘 늘어나는 성질)'을 동시에 갖추기 어렵다는 것이 상식이었다. 금속을 단단하게 만들면 부서지기 쉽고, 잘 늘어나도록 만들면 약해지는 등 한쪽이 올라가면 반대로 한쪽이 내려가는 시소와 같은 관계였다. 그런데 최근 POSTECH(포항공과대학교) 김형섭 교수팀이 이 상식을 깨뜨렸다. 기존에는 여러 금속을 비슷한 비율로 섞어 만든 '고엔트로피 합금*1'이 주목받아 왔다. 그러나 지금까지의 고엔트로피 합금은 대부분 균일한 구조로 되어 있어, 금속의 강도와 연성을 동시에 높이는 데 한계가 있었다. 큰 결정립은 금속이 잘 늘어나게 해 연신율을 높이고, 작은 결정립은 금속을 단단하게 만들어 강도를 높일 수 있으나, 한 금속 안에서 두 종류의 결정립을 동시에 갖기는 어려웠다. 최근에는 크기가 다른 결정립을 일부러 섞어 만든 비균질 구조가 해결책으로 떠오르고 있다. 그러나 이를 구현하려면 ‘분말야금(powder metallurgy)’ 공정을 거쳐야 한다. 이 기술은 금속 가루를 눌러 성형한 뒤 고온에서 다시 가공하는 방식으로, 뛰어난 성능을 얻을 수는 있으나 과정이 복잡하고 비용이 많이 들어 산업 현장에서 상용화하기에는 어려움이 있었다. POSTECH 연구팀은 니켈(Ni) 기반의 고엔트로피 합금에 뜨거운 상태에서 금속을 눌러 펴는 작업(열간압연)과 정밀 열처리를 적용해 금속 내부에 마치 달걀처럼 ‘코어–셸(core–shell) 구조’를 만들어 냈다. 여기서 ‘코어(core)’는 기존의 큰 결정립으로 달걀노른자에 해당하고, ‘셸(shell)’은 그 둘레를 둘러싼 새로운 작은 결정립으로 달걀흰자와 같다. 이 과정에서 금속의 내부에 형성된 미세한 나노 입자(B2 석출물)가 작은 결정립들의 과도한 성장을 적절히 억제해 구조가 무너지지 않도록 잡아주었다. 이와 함께, 마지막 열처리 단계에서는 결정립 경계에서 이 입자들이 선택적으로 형성되어, 금속에 힘이 가해질 때 쉘은 방패처럼 전위를 막아 강도를 높이고, 코어은 완충재처럼 충격을 흡수해 균열을 완화시킴으로써 재료가 단단하면서도 잘 부서지지 않도록 도와준다. 연구팀이 개발한 합금은 항복강도 1,029MPa(메가파스칼), 인장강도 1,271MPa, 연신율 31.1%라는 놀라운 성능을 기록했다. 쉽게 말해 기존보다 훨씬 더 단단하면서도 30% 이상 늘어날 수 있는 금속을 구현한 것이다. 무엇보다 이 모든 과정을 주조(녹여 틀에 붓는 방식)와 열처리만으로 이뤄냈다는 점에서 큰 의미가 있다. 연구를 이끈 김형섭 교수는 “이번 연구는 분말야금 공정 없이도 복잡한 코어–셸 구조를 주조와 열처리만으로 구현한 첫 사례”라며, “정밀한 석출물 제어를 통해 구조 안정성과 변형 성능을 동시에 확보함으로써, 극한 환경에서도 사용할 수 있는 새로운 구조재 개발 가능성을 제시할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 친환경소재대학원·신소재공학과 김형섭 교수, 신소재공학과 통합과정 박효진 씨 연구팀이 참여한 이번 연구는 최근 재료과학 분야 국제 학술지 ‘Journal of Materials Science & Technology’에 게재됐으며, 과학기술정보통신부 나노·소재기술개발사업, 현대자동차그룹의 연구 지원을 받았다. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.04.017 1. 고엔트로피 합금(HEA, High-Entropy Alloy): 고엔트로피 합금(HEA)은 기존의 전통적인 합금과 달리, 하나의 주 원소(base element)가 아닌 5개 이상의 원소가 유사한 원자비로 혼합된 합금을 의미한다. 이러한 조성으로 인해 높은 혼합 엔트로피를 가지며, 독특한 미세구조와 우수한 기계적 성질을 나타낸다.

친환경소재/신소재 김형섭 교수·기계 김동식·이안나 교수 공동 연구팀, 3D 프린터가 만든 미니 우주 엔진, 소형 위성 시대 열까

[POSTECH 연구진, 금속 3D 프린팅으로 소형 위성용 초정밀 추력기 개발 성공] 최근 친환경소재대학원·신소재공학과 김형섭 교수, 기계공학과 김동식·이안나 교수 연구팀이 금속 3D 프린팅 기술을 활용하여 기존 방식의 한계를 뛰어넘는 우주 탐사용 고정밀 마이크로추력기를 개발하는 데 성공했다. 이번 연구는 엔지니어링 분야 국제 학술지인 ‘Virtual and Physical Prototyping’ 온라인판에 최근 게재됐다. 최근 우주에 점점 더 많은 소형 위성이 올라가고 있다. 이들은 지구의 날씨를 관측하고, 전 세계 통신을 연결하며, 기후 변화를 감시하는 중요한 역할을 한다. 우주에서 위성이 제대로 움직이려면 자동차 엔진처럼 ‘추진 장치’가 필요한데, 문제는 소형 위성에 들어갈 추진 장치는 손가락 크기만큼 작으면서도, 우주의 극한 환경을 견뎌야 한다는 점이다. 지금까지는 실리콘을 깎아 만들거나, 초소형 기계 부품들을 조립하는 'MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)' 기술을 사용했지만, 성능과 내구성에 한계가 있었다. POSTECH 연구팀은 ‘금속 3D 프린팅(Laser Powder Bed Fusion, LPBF)’ 기술을 활용했다. ‘금속 3D 프린팅’은 레이저로 금속 가루를 녹이며 층층이 쌓아 원하는 모양을 만드는 기술이다. 이 기술을 이용하면 기존 방식으로는 불가능했던 매우 얇고 복잡한 구조도 정밀하게 제작할 수 있다. 연구팀이 만든 마이크로추력기는 아주 작지만 놀라운 성능을 보였다. 연소가 일어나는 챔버(chamber) 벽 두께는 0.5 mm에 불과하다. 이는 동전 두께보다도 얇은 수준이며, 연료가 분사되는 구멍은 약 180 마이크로미터(µm, 10-6m) 수준인데, 이렇게 정교하게 제작된 추력기는 실제 우주 환경과 비슷한 700도의 고온에서 1분 동안 진행된 연소 실험에서도 구조적 손상 없이 안정적으로 작동했다. 추진 효율도 매우 높았다. 특성 속도 효율은 84.3%, 비추력 효율은 91.7%를 기록했다. 이번 연구는 우주 탐사에 새로운 가능성을 열어줄 것으로 기대된다. 훨씬 작고 가벼우면서 성능이 뛰어난 추력기를 저렴하게 만들면, 더 많은 소형 위성을 우주에 보낼 수 있고 이는 곧 더 정확한 일기예보와 지구 관측, 더 빠른 통신이 가능해진다는 의미다. 화성이나 소행성 같은 먼 우주 탐사에도 활용할 수 있다. 김형섭 교수는 “이번 연구는 금속 3D 프린팅을 활용해 소형 우주 추진기를 가볍고 정밀하게 만든 최초 사례”라며 이번 연구의 의의를 전했다. 또한, “특히 학생들이 주도적으로 연구를 이끌어 탁월한 성과를 낸 점에서도 큰 의미가 있다”라는 말을 전했다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부(MSIP), 한국연구재단(NRF), 방위사업청, 산업통상자원부, 한국기초과학연구원 연구사업과 글로컬대학 30 사업의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1080/17452759.2025.2533944

신소재/친환경소재 김용태 교수팀, 불가마 대신 오븐으로 수소 생산 효율 6배 높였다

[POSTECH·서울대, 제조온도 800℃→300℃로 낮춰 비용 절반... 재생에너지 저장 혁신 기대] 최근 국내 연구진이 800℃가 넘는 불가마 대신 300℃ 오븐만으로도 수소 생산 효율을 6배 높인 혁신 기술을 개발했다. 이번 연구는 POSTECH(포항공과대학교) 신소재공학과·친환경소재대학원 김용태 교수, 정상문 박사 연구팀, 서울대 신소재공학과 손준우 교수, POSTECH 신소재공학과 김영광 박사 연구팀이 수행했으며, 소재 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 표지로 지난 17일 출간됐다. 태양광이나 풍력 발전은 날씨에 따라 전기 생산량이 들쭉날쭉하다. 맑은 날에는 전기가 남아돌고, 흐린 날에는 부족하다. 이러한 불규칙성을 해결할 열쇠가 바로 ‘수소’다. 남는 전기로 물을 분해해 수소를 만들어 저장해 두었다가 필요할 때 다시 전기로 바꿔 쓸 수 있기 때문이다. 마치 '전기 저장 탱크' 역할을 하는 셈이다. 하지만 물을 수소와 산소로 분해하는 과정에는 문제가 있다. 수소를 만들기는 쉬운데, 산소를 만드는 과정이 너무 느리고 전력을 많이 잡아먹는다는 것이다. 이를 해결하기 위해 반응 속도를 빠르게 해주는 '촉매'가 필수다. 요리할 때 센 불로 빨리 끓이는 것처럼, 촉매가 있어야 물 분해가 빠르고 효율적으로 일어난다. 연구팀이 이번 연구에서 주목한 소재는 '페로브스카이트' 구조를 가진 물질이다. 이 물질은 구조가 안정하고 성분 조절이 쉬워 촉매로 주목받지만, 입자의 크기가 100nm 이상으로 커 반응성이 떨어지는 한계가 있었다. 연구팀의 핵심 아이디어는 '엑솔루션(Exsolution)' 현상을 활용하는 것이다. 이는 페로브스카이트 내부에 숨어있던 금속 이온들이 표면으로 자발적으로 나와 나노 입자를 형성하는 현상이다. 기존에는 이 과정에 800℃ 이상의 고온과 수 시간의 열처리가 필요했지만, 연구팀은 '비드 밀링(Bead milling)'이라는 공정을 이용해 300℃의 저온에서도 같은 효과를 내는 데 성공했다. 비드 밀링은 작은 구슬(비드)과 함께 물질을 회전시켜 물리적 충격을 가하는 기술이다. 세탁기에서 빨래와 세탁볼이 부딪히며 때를 빼내는 것처럼, 이 과정을 통해 페로브스카이트 입자를 50nm 이하로 잘게 부수면서 결정 구조를 느슨하게 만든다. 그러면 내부 금속들이 표면으로 훨씬 쉽게 이동할 수 있게 된다. 이렇게 개발된 새로운 촉매는 기존 페로브스카이트 촉매보다 산소 발생 반응 활성을 약 6배 높였다. 더 중요한 것은 제조 온도를 300℃로 낮춤으로써 에너지 비용을 크게 절약할 수 있다는 점이다. 이는 대량생산 시 경제성을 크게 높일 수 있는 핵심 요소다. 연구를 이끈 김용태 교수는 “이번 연구는 고성능·저비용 수전해 촉매 개발의 중요한 전환점을 마련했다"라며, ”나노 수준에서의 정밀한 구조 제어 기술이 수전해 시스템 효율 향상의 핵심 열쇠가 될 것"이라고 전망했다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 H2NEXTROUND사업, 나노소재기술 개발사업 등의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202506227

환경/시스템생명/융합 황동수 교수팀, 고대 황금실크, 한국 바다에서 되살렸다

[POSTECH 연구팀, 버려지던 키조개로 시실크 재현… 친환경·지속가능 섬유로 주목] 고대 황제들만 누렸던 최고급 섬유가 우리나라의 과학 기술로 되살아났다. 최근 환경공학부·시스템생명공학과정·융합대학원 황동수 교수, 화학공학과 이기라 교수, 환경연구소 최지민 교수 연구팀은 멸종위기로 채취가 금지된 지중해 조개 대신 우리나라 연안에서 기르는 키조개를 활용해 2,000년 전 황금빛 섬유를 재현하고, 그 빛이 변하지 않는 비밀까지 밝혀냈다. 이번 연구는 재료 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 게재됐다. '바다의 황금 섬유'로 불리는 시실크(Sea Silk)는 고대 로마 시대부터 오직 황제나 교황 같은 소수 권력자만 사용할 수 있었던 최고급 작물이다. 이 실크는 지중해에 사는 거대한 조개인 '피나 노빌리스(Pinna nobilis)'가 바위에 몸을 고정하려고 내뿜는 실인 ‘족사’를 이용하여 만든다. 시간이 지나도 바래지 않는 색과 가벼운 무게, 뛰어난 내구성으로 ‘전설의 실크’라 불릴 만큼 귀하고 특별한 소재였다. 하지만 최근 바다 오염 등으로 인해 거의 멸종 위기에 처했고, 유럽연합(EU)은 현재 피나 노빌리스가 채취를 전면 금지한 상태다. 이에 따라 시실크는 극소수 장인들만이 극히 소량을 만들 수 있는 ‘박물관 속 유물’로 남게 되었다. 연구팀이 주목한 것은 우리나라 연안에서 식용으로 기르는 '키조개'다. 키조개는 피나 노빌리스와 마찬가지로 족사를 이용해 몸을 고정하는데, 두 조개의 족사가 물리적·화학적으로 매우 유사하다는 사실에 착안해, 연구팀은 키조개의 족사를 전통 시실크처럼 가공하는 데 성공했다. 단순히 모양만 비슷하게 만든 것이 아니라, 이 섬유가 왜 황금빛을 띠고 수천 년 동안 색이 바래지 않는지 그 비밀까지 과학적으로 풀어낸 점이 이번 연구의 핵심이다. 시실크가 특별한 이유는 그 색에 있다. 이 황금빛은 염료를 써서 만든 것이 아니라, ‘포토닌(photonin)’이라는 둥근 모양의 단백질이 여러 겹으로 쌓이면서 빛을 독특하게 반사해 생기는 ‘구조색’ 현상 때문이다. 구조색은 비눗방울이나 나비의 날개처럼 물질 구조 자체가 색을 만들어 내는 현상으로, 시간이 지나도 쉽게 변하지 않는다는 특징이 있다. 또한, 단백질 배열이 정돈될수록 구조색이 더욱 선명해진다는 사실도 밝혀냈다. 이는 염료를 입히는 일반적인 염색 방식과 달리, 단백질 정렬에 따라 빛의 반사 방식이 달라져 황금빛이 나타나는 것이다. 이러한 구조 덕분에 시실크는 수천 년이 지나도 색이 거의 바래지 않는 뛰어난 광안정성을 지닌다. 이번 연구의 또 다른 의의는 그간 버려지던 키조개 족사 부산물을 고부가가치 섬유로 바꾸었다는 점이다. 이는 해양 폐기물 문제 해결에 기여할 뿐만 아니라, 친환경적이면서 문화유산을 품은 새로운 섬유 소재로서의 가능성을 보여준다. 황동수 교수는 "구조색 기반의 섬유는 변색하지 않는 특성이 있어 염료나 금속 없이도 오래가는 색을 구현하는 이 기술은 친환경 패션 산업과 첨단 소재 개발에 새로운 길을 열 것"이라고 말했다. 한편, 이번 연구는 해양수산부(KIMST RS-2025-02305544) 과제와 세종과학펠로우쉽(RS-2024-00340746), 한국연구재단 중견연구과제(2022R1A2C2007874)의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202502820

신소재/친환경소재/기계 김형섭 교수팀, 극한 온도에서도 끄떡없는 슈퍼 금속 나왔다

[POSTECH 연구팀, -196 ℃~600 ℃ 강도와 유연성 유지하는 새로운 금속 소재 개발] 최근 신소재공학과·철강대학원·기계공학과 김형섭 교수 연구팀이 고온에서도, 저온에서도 우수한 성능을 유지하는 혁신적인 금속 소재를 개발해 우주·항공·자동차 산업의 주목을 모으고 있다. 이번 연구는 재료과학 분야 국제 학술지인 '머티리얼즈 리서치 레터스(Materials Research Letters)'에 게재됐다. 일상생활에서 우리가 사용하는 금속은 대부분 온도에 민감하게 반응한다. 추운 겨울날 금속 문고리가 차갑게 느껴지고, 반대로 여름에는 뜨겁게 달궈지는 것이 대표적인 예다. 그로 인해 기존 금속 소재들은 특정한 온도 범위에서만 최적의 성능을 발휘하도록 설계되어 넓은 온도 범위에서 안정적인 성능을 제공하는 소재는 거의 없었다. POSTECH 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 '하이퍼어댑터(Hyperadaptor)' 개념을 제안하고, 이를 구현하기 위한 니켈(Ni) 기반의 ‘고엔트로피 합금(High entropy alloy, 이하 HEA)*1 ’을 개발했다. 이 새로운 합금은 영하 196도(77K)부터 600도(873K)까지 넓은 온도 범위에서도 강도와 유연성을 거의 일정하게 유지한다는 점이다. 연구팀이 개발한 합금의 비밀은 나노 크기의 L1₂ 석출상*2 ’이다. 이 물질은 합금 내부에 고르게 퍼져 있는 아주 미세한 입자로, 금속이 쉽게 찌그러지지 않도록 잡아주는 역할을 한다. 또, 금속이 변형될 때 내부 구조가 미끄러지듯 움직이는 특성이 온도와 관계없이 일정하게 유지되어, 극한의 환경에서도 안정적인 성능을 발휘한다. 이 합금은 극한의 온도 변화가 일어나는 다양한 산업 현장에서 혁신을 가져올 것으로 기대된다. 로켓이나 항공기 엔진처럼 짧은 시간에 급격한 온도 변화가 발생하는 환경에서도 안정적인 성능을 발휘해 안전성과 효율성을 크게 높일 수 있고, 자동차의 엔진이나 배기 시스템, 발전소의 터빈과 파이프라인 등 고온 부품이 필요한 분야에도 폭넓게 활용될 수 있다. 김형섭 교수는 “연구팀이 개발한 HEA는 기존 합금의 한계를 뛰어넘어 넓은 온도 범위에서 안정적인 성능을 제공하는 신개념 소재로 자리 잡을 것"이라며 "하이퍼어댑터 개념은 극한 환경에서도 일관된 기계적 특성을 유지할 수 있는 획기적인 기술이 될 것"이라는 기대를 전했다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 나노·소재기술개발사업, 현대자동차그룹의 지원을 받았다. DOI: https://doi.org/10.1080/21663831.2025.2457346 1. 고엔트로피 합금(HEA, High-Entropy Alloy): 기존의 전통적인 합금과 달리, 하나의 주 원소가 아닌 5개 이상의 원소가 유사한 원자비로 혼합된 합금을 의미한다. 이러한 조성으로 인해 높은 혼합 엔트로피를 가지며, 독특한 미세구조와 우수한 기계적 성질을 나타낸다. 2. L1₂ 석출상: FCC 기반 합금에서 생성되는 석출상으로, 원자가 규칙적으로 배열된 질서 구조를 가지며 대표적으로 Ni₃Al, Ni₃Ti으로 나타난다. 전위의 움직임을 효과적으로 방해하여 재료의 강도 및 연신율 향상에 기여하는 강화상이다.

친환경소재 김경덕 교수팀, AI, 화재 속 생명 지키는 ‘튼튼한’ 철강 만들다

[POSTECH·POSCO·Questek Innovations LLC 통합전산재료공학과 AI 활용해 고성능 내화강 개발] 대한민국 역대 최악의 산불 참사가 발생한 가운데, POSTECH 연구팀이 화재로 인한 건물 붕괴를 막을 튼튼한 철강을 개발했다. 일반적인 강철은 화재가 발생했을 때 600℃ 이상의 고온에서 강도가 급격히 저하되어 건물 붕괴로 이어질 수 있다. ‘내화강(Fire-resistant Steel)’은 600℃ 이상 고온에서도 강도 3분의 2 이상을 유지할 수 있도록 만들어진 소재다. 하지만 몰리브덴(Mo) 같은 희귀 금속이 필요해 원가가 높다는 문제가 있었다. 친환경소재대학원 김경덕 교수 연구팀은 POSCO 기술연구원, 미국 퀘스텍 이노베이션스(QuesTek Innovations) LLC 연구팀과 함께 고속대량스크리닝 CALPHAD*1 기법과 AI(인공지능)를 결합해 이러한 한계를 극복하는 새로운 접근법을 제시했다. 연구팀은 11가지 합금 원소를 다양하게 조합하고, 각 조성에 대해 고체 용액 강화, 석출 강화 등 강도에 영향을 미치는 요소들의 기여도를 계산했다. 그리고, 5,000개의 조성에 세 가지 열처리 조건을 적용하여 30,000개 이상의 고온 항복강도를 예측하는 대규모 시뮬레이션을 수행한 후, 방대한 데이터베이스를 AI로 분석했다. 이를 바탕으로 연구팀은 이론적으로 가장 우수한 성능을 보이는 조성을 찾고, 실제 제작에 성공했다. 개발된 내화강은 600℃에서 520~770MPa에 달하는 항복강도를 보였으며, 이는 기존 S355(항복강도가 355MPa 이상인 강철) 강재의 강도를 두 배 이상 초과하는 수치다. 연구팀이 개발한 튼튼한 내화강은 고층 건물과 교량의 안전성을 획기적으로 높이고, 화재 발생 시 인명과 재산 피해를 크게 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 이번 연구를 이끈 POSTECH 김경덕 교수와 POSCO 양홍석 수석연구원은 "이번 연구는 기존 내화강 연구의 패러다임을 완전히 바꾼 혁신적인 접근법"이라며, “앞으로도 통합전산재료공학 기술과 AI를 활용해 다양한 산업용 고성능 합금을 개발할 계획이다"라고 전했다. 한편, 이 연구는 최근 ‘머티리얼즈 앤 디자인(Materials & Design)’ 온라인판에 최근 게재됐으며, POSCO 기술연구소의 연구 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2025.113721 1. CALPHAD: 열역학 기반 상태도 모델링 기법이다.

친환경소재 홍지현 교수팀, 리튬이온배터리, 꺼질 때까지 쓰면 수명 줄어든다!

[POSTECH 홍지현 교수팀, 리튬이온전지의 숨겨진 양극 계면 열화 메커니즘 규명] 배터리 수명을 단축시키는 숨겨져 있던 원인이 밝혀졌다. 친환경소재대학원 배터리공학과 홍지현 교수 연구팀(KIST 전승윤 연구원, 임국현 박사)은 최근 성균관대 김종순 교수 연구팀과 리튬이온배터리의 사용 과정에서 발생하는 새로운 열화 메커니즘을 발견했다. 이 연구는 에너지 소재 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’의 표지 논문으로 선정됐다. 전기자동차에 필수적인 역할을 하는 리튬이온배터리는 니켈, 망간, 코발트로 이루어진 삼원계 양극재*1 를 주로 사용한다. 최근 경제성을 높이기 위해 비싼 코발트 대신 니켈 함량을 높이는 추세지만, 니켈의 함량이 높아질수록 배터리의 수명이 빨리 줄어드는 문제가 있었다. 그동안 배터리 성능 저하는 주로 과충전 과정에서 발생한다고 알려져 왔다. 하지만 안정적인 전압에서도 배터리 성능이 저하되는 현상은 설명하지 못했다. 연구팀은 이 수수께끼를 풀기 위해 배터리 방전(사용) 과정에 주목했다. 연구팀은 배터리를 재충전하지 않고 오래 사용하는 경우 양극재 표면의 산소가 빠져나가는 '준-전환 반응(quasi-conversion reaction)’*2 이 발생함을 발견했다. 이 반응은 배터리 방전과정 중 3V 근처에서 일어나며, 표면의 산소 일부가 리튬과 결합해 리튬산화물을 형성한다. 이렇게 만들어진 리튬산화물은 배터리 내부의 전해질과 반응해 가스를 발생시키고 배터리 성능을 떨어뜨린다. 특히, 니켈의 함량이 높을수록 이 현상이 더욱 심하게 나타났으며, 연구팀은 배터리 대부분의 용량을 소진할 정도로 오래 사용하는 경우 배터리가 부풀어 오르는 등 성능 저하가 가속화된다는 것도 확인했다. 주목할 만한 점은 이 문제를 해결하는 방법이 생각보다 간단하다는 점이다. 연구팀은 배터리 사용률을 최적화하는 것만으로도 배터리 수명을 크게 늘릴 수 있음을 증명했다. 니켈의 함량이 90% 이상인 고니켈 배터리로 실험한 결과, 준-전환 반응이 발생할 때까지 사용한 배터리는 250회 사용 후 남은 용량이 3.8%에 불과했지만, 사용 정도를 조절한 배터리의 경우 300회 사용 후에도 73.4%의 용량을 유지했다. 연구를 이끈 홍지현 교수는 "실제 배터리 사용 과정인 방전이 미치는 영향은 그간 간과됐다"라며, "이번 연구는 더 오래 쓸 수 있는 배터리를 만들기 위한 중요한 개발 방향을 제시했다"라고 전했다. 한편, 이 연구는 산업통상자원부 한국산업기술진흥원 산업혁신인재성장지원사업 (R&D, 배터리특성화대학원지원사업), 한국산업기술평가관리원 이차전지첨단전략 산업, 글로벌협력지원사업 및 수요기업 맞춤형 고출력축전지(슈퍼커패시터) 성능 고도화기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202404193 1. 삼원계 양극재: 리튬이온배터리의 양극재 중 하나로서, 니켈, 코발트, 망간 전이금속을 함유하고있는 층상구조를 갖는 양극재이다. 2. 준-전환 반응: 본 연구팀은 낮은 방전 전압 구간에서 삼원계 양극재 표면에서 전자를 받는 환원반응에 의해 전환 반응이 유도되고 그 결과 산소 손실과 양극재 표면 결정구조 변화가 유도됨을 규명하였다.

친환경소재/신소재 박규영 교수팀, 충·방전에도 끄떡없는 배터리! ‘나노 스프링’에서 해답 찾았다

[POSTECH·삼성SDI·美 노스웨스턴대·중앙대, 나노 스프링 코팅으로 배터리 내구성·에너지 밀도 개선] POSTECH 친환경소재대학원·신소재공학과 박규영 교수 연구팀은 삼성SDI, 미국 노스웨스턴대(Northwestern university), 중앙대 연구팀과의 공동 연구를 통해 전기차 배터리의 수명과 에너지 밀도를 획기적으로 높일 기술을 개발했다. 이 연구는 재료 분야 국제 학술지인 ‘ACS 나노(ACS Nano)’ 온라인판에 최근 게재됐다. 전기차 배터리는 충·방전이 반복되면서도 성능을 유지해야 한다. 하지만 현재 기술에는 한 가지 큰 문제가 있다. 충·방전 과정에서 배터리 양극 소재가 팽창과 수축을 반복하면서 내부에 미세한 균열이 생기고, 시간이 지나면서 성능이 급격히 저하되는 것이다. 이를 방지하기 위해 강도를 높이거나 보강재를 추가하는 방식이 연구되고 있지만, 근본적인 해결책이 되기에는 한계가 있었다. 이번 연구의 핵심은 탄성을 가진 구조를 설계할 수 있는 ‘나노 스프링 코팅’ 기술이다. 연구팀은 배터리 양극재 표면에 다중벽 탄소나노튜브로 구성된 코팅을 도입해 충·방전 과정에서 발생하는 변형 에너지를 흡수해 균열을 방지하고, 전극 수준에서도 두께 변화를 최소화해 전극의 안정성을 높였다. 이를 통해 배터리 내부 균열을 효과적으로 억제하고, 수명과 성능을 동시에 개선하는 데 성공했다. 이 기술을 활용하면 소량(0.5wt%, 중량백분율)의 도전재*1 만으로도 소재의 부피 변화로 인한 저항을 최소화할 수 있어 570Wh/kg*2 (와트시퍼킬로그램) 이상의 높은 에너지 밀도를 실현할 수 있다. 또한, 1,000회 이상의 충·방전 후에도 초기 용량의 78%를 유지하며 뛰어난 수명 특성을 보여준다. 특히, 연구팀의 기술은 기존 배터리 제조 공정과 쉽게 결합할 수 있어 대량 생산과 상용화가 쉽다. 이를 통해 전기차 배터리의 에너지 밀도와 수명 한계를 극복하고, 보다 성능이 뛰어난 전기차 개발에 기여할 것으로 기대된다. 박규영 교수는 “이번 연구는 기존과 다른 접근으로 배터리의 충·방전 과정에서 발생하는 변형을 효과적으로 제어했다”라며, “이차전지 산업뿐 아니라 소재의 내구성이 중요한 여러 산업 분야에도 이 기술이 폭넓게 활용될 수 있을 것”이라며 이번 연구의 의미를 전했다. 한편, 이번 연구는 삼성SDI, 산업통상자원부, 과학기술정보통신부 기초연구의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.4c14980# 1. 도전재(Conductive maetial): 활물질로 전자가 전달될 수 있도록 전극에 넣어주는 고 전도성 물질. 일반적으로 탄소 계열 물질이 사용되며, 종류로는, super P, CNT, graphene과 같은 종류들이 있다. 2. Wh/kg(Watt-hour per kilogram, 비 에너지 밀도): 배터리가 1kg당 저장할 수 있는 에너지(Wh)를 나타내는 단위로 배터리의 에너지 밀도를 나타낸다.