Research

[POSTECH 연구진, 체심입방구조(BCC) 역할 규명... 차세대 극한 환경용 금속 설계 기대]

 액체 질소에 담긴 꽃이 산산조각 나는 실험을 본 적이 있을 것이다. 대부분의 물질은 온도가 내려갈수록 쉽게 깨지고, 더 취약해진다. 하지만, 일부 금속 합금은 반대로 더 강해지는 현상을 보이는데, 최근 POSTECH 연구팀이 그 원리를 밝혀냈다.

 우주선과 심해 잠수정 등 극한 환경에서 사용되는 장비에는 극저온에서도 견딜 수 있는 특수 금속이 필요하다. 여러 금속 원소를 혼합해 만든 '다원소 합금'은 온도가 낮아질수록 오히려 더 단단해지는 특성이 있는데, 이는 특정한 원자 배열인 ‘면심입방구조(이하 FCC)^*1 ‘에 의한 것으로 알려져 있다.

 POSTECH 연구팀은 일본 J-PARC(양성자 가속기 연구소)와의 연구를 통해 새로운 사실을 발견했다. ’실시간 중성자 회절^*2 ‘ 기술을 이용해 금속 합금 내부를 정밀하게 분석한 결과, 알루미늄(Al)과 코발트(Co), 니켈(Ni), 바나듐(V)으로 구성된 합금에서 FCC뿐만 아니라 ’체심입방구조(이하 BCC)^*3 ‘도 극저온에서의 강도 향상에 큰 영향을 미친다는 것을 밝혀냈다.

 FCC는 온도가 낮아질수록 원자 배열이 변화하면서 강도가 높아지는 반면, BCC는 ’미끄러짐을 방해하는 힘(Peierls-Nabarro barrier)^*4 ‘을 통해 금속의 강도를 높인다. 연구팀은 BCC의 미끄러짐 저항이 온도에 특히 민감하게 반응하며, 이 온도 민감성이 극저온에서 더 효과적으로 작용해 금속이 강해지는 원리를 규명했다. 지금까지는 극저온에서 FCC의 변형이 더욱 뚜렷하게 관찰되어 FCC가 주된 역할을 한다고 여겨졌으나, 이번 연구를 통해 BCC의 온도 의존성이 훨씬 더 크다는 사실이 밝혀진 것이다.

 김형섭 교수는 “이번 연구는 심해 탐사 장비와 같은 극한 환경에서 사용될 차세대 금속 소재 개발 연구에 중요한 방향성을 제시했다”라며, “특히, 최근 주목받고 있는 화성 탐사와 달 기지 건설과 같은 우주 산업과 알래스카에 신설할 천연가스 파이프라인의 기초가 될 것”이라고 전했다. 또, “온도에 민감한 BCC 비율을 조절하면 다양한 온도에서 최적의 성능을 내는 맞춤형 합금 설계가 가능할 것”이라고 덧붙였다. 

 이번 연구는 POSTECH 신소재공학과 · 친환경소재대학원 김형섭 교수, 통합과정 구강희 씨, 친환경소재대학원 허윤욱 · 조중욱 교수팀이 일본 J-PARC 스테파누스 하르조(Stefanus Harjo) · 우공(Wu Gong) 박사 연구팀과 함께 수행했으며, 연구 결과는 금속 소재 공학 분야에서 권위 있는 국제 학술지인 ’Journal of Materials Science and Technology‘ 저널에 게재됐다. 

 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노 및 소재기술개발사업의 지원을 받아 수행되었으며, 김형섭 교수와 함께 연구를 주도한 포항공과대학교 통합과정 구강희 씨는 한국연구재단에서 추진하는 학문후속세대 펠로우십의 지원을 받아 연구를 수행하였다. 

DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.11.057

1. FCC(face-centered cubic): 정육면체의 꼭짓점과 각 면의 중심에 원자가 배치된 구조를 말한다.

2. 실시간 중성자 회절(Real-time Neutron Diffraction): 중성자 빔을 이용해 물질 내부 원자 배열과 구조 변화를 실시간으로 분석하는 기법이다.

3. BCC(body-centered cubic): 정육면체의 꼭짓점과 중심에 원자가 배치된 구조를 말한다. 

4. Peierls-Nabarro barrier(페이얼스-나바로 장벽): 결함이 없는 결정 격자 내에서 격자 저항을 극복하고 전위 이동에 필요한 응력으로, 재료에 따라 정의되는 본질적인 값이다.