미국 에너지부(DOE)의 오크리지 국립 연구소(ORNL) 연구팀은 레이저 기반 적층 제조(AM)를 사용하여 더 강하고 파손 가능성이 적은 고엔트로피 합금을 개발했다. 적층 제조는 금속 분말을 레이저나 열 등으로 녹여서 원하는 모양의 구조물을 만드는 공정으로, 3D 프린팅이라고도 한다.

미국의 과학기술 전문 매체인 사이테크데일리(SciTechDaily)에 따르면 연구원들은 다섯 가지 이상의 원소를 일정 비율로 혼합하여 고엔트로피 합금(HEA)이라는 내구성 있는 합금을 개발했다. 고엔트로피 합금은 심각한 마모 저항성, 극한의 온도와 방사선, 높은 응력을 견딜 수 있는 특성으로 인해 다양한 산업 분야의 사용이 기대된다.

그러나 기존의 3D 프린팅으로 만든 고엔트로피 합금은 강도는 높지만 연성이 부족해 성형하기 어렵고 하중이 가해질 때 쉽게 파손될 수 있다는 단점이 있다. 이는 합금의 응용 범위를 제한하는 문제점 중 하나다. 

새로운 고엔트로피 합금의 특징

연구팀은 레이저 기반 적층 제조 공정을 활용하여 나노미터 두께의 나노 라멜라 구조를 가진 새로운 고엔트로피 합금을 개발했다. 이 나노 라멜라는 서로 다른 결정 구조를 가지고 있어 고강도를 제공한다. 또한, 이 판들의 명확한 가장자리는 일정 정도의 어느 정도의 미끄러짐을 허용하여 합금에 연성을 제공한다.

 

이것은 나노 라멜라가 여러 층으로 쌓인 판 구조와 유사하다는 것을 의미한다. 이러한 층과 층 사이에는 서로 다른 원소들이 포함되어 있다. 이 구조 덕분에 각 층이 서러 잘 붙어 강도가 높아지고, 판의 가장자리가 미끄러짐을 통해 연성이 향상되는 것이다.

새로운 고엔트로피 합금의 성능

 

새로운 고엔트로피 합금은 기존의 3D 프린팅 고엔트로피 합금에 비해 강도가 1.3배, 연성이 2배 이상 향상됐다. 이는 고엔트로피 합금의 한계를 극복하여 다양한 산업 분야에서 활용 가능성을 높일 것으로 기대된다.

 

연구팀은 오크리지 국립 연구소에 있는 파쇄 중성자 소스(Spallation Neutron Source)와 고급 광자 소스(Advanced Photon Source)를 활용하여 나노 라멜라의 구조와 특성을 분석했다.

파쇄 중성자 소스는 핵분열을 통해 생성된 중성자를 이용하여 물질의 내부 구조를 연구하는 장비이다. 반면, 고급 광자 소스는 고에너지의 광자를 사용하여 물질의 구조와 특성을 조사하는 장비다.

연구팀은 이러한 장비를 사용해 나노 라멜라의 두께와 결정 구조를 측정하고, 나노 라멜라가 합금의 강도와 연성에 미치는 영향을 연구했다.

연구 결과 나노 라멜라의 두께가 100나노미터(nm) 미만인 경우 강도가 가장 높고, 나노 라멜라의 결정 구조가 서로 다른 경우 연성이 가장 높다는 것을 발견했다.

 

고엔트로피 합금 응용 분야

연구팀은 이번 연구를 통해 레이저 기반 AM을 사용하여 고엔트로피 합금의 강도와 연성을 동시에 향상시킬 수 있다는 것을 보여주었다. 이는 고엔트로피 합금의 한계를 극복하여 다양한 산업 분야에서 활용 가능성을 높일 것으로 기대된다.

예를 들어, 새로운 고엔트로피 합금은 더 안전하고 연료 효율적인 차량, 더 강력하고 더 오래 지속되는 기계를 생산하는 데 사용될 수 있다.

새로운 고엔트로피 합금은 △더 가볍고 강한 항공기 및 우주선 제작, △더 안전하고 연료 효율적인 자동차 제작, △더 내구성이 뛰어난 풍력 터빈 및 태양광 패널 제작, △더 강하고 내식성이 뛰어난 의료 기기 제작 등에서 활용될 수 있다.