최근 레이저와 3D 프린팅 기술을 활용해 강도가 높고 유연성을 갖춘 새로운 형태의 합금을 개발하는 데 성공했다.

합금이란, 기본 금속에 다른 금속을 섞어 고온에서 녹인 후 식혀 만들어진, 원래 금속과는 다른 성질을 가진 새로운 금속 물질을 말한다. 이러한 합금을 제작하는 주된 목적은 기계적 성질을 개선하고, 부족한 특성을 보완하여 금속의 기능을 증진시키기 위함이다.

과학기술 전문 매체 사이테크데일리(SciTechDaily)는 레이저 기반 적층 제조 방식을 이용하여 더 강력하고 파손 가능성이 낮은 고엔트로피 합금(HEA)을 만드는 방법을 소개했다.

'고엔트로피 합금(HEA:High entropy alloys)'은 기존의 합금 제조 방식과 비교했을 때 뛰어난 강도와 내구성을 제공하며, 합금의 적용 범위를 확장시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있다. HEA는 심각한 마모, 극한의 온도, 방사선 및 높은 압력과 관련된 응용 분야에서 사용가능하다.

3D 프린팅, 또는 적층 가공(AM)으로 알려진 기술을 사용해 만들 수 있는 합금은 일반적으로 연성이 부족하다는 단점을 가지고 있다. 이는 3D 프린팅을 통해 제작된 고엔트로피 합금이 형태를 유지하는 데 어려움을 겪고, 하중을 받을 때 충분히 변형되거나 늘어나지 않아 쉽게 파손될 수 있다는 것을 의미한다.

그러나 최근 과학자들은 레이저 기반의 적층 가공 방식을 사용하여, 이러한 연성 문제를 개선한 더욱 강하고 연성이 뛰어난 고엔트로피 합금을 개발하는 데 성공했다. 이들은 이러한 성능 향상의 기본 메커니즘을 더 깊이 이해하기 위해 중성자와 X선 산란, 그리고 전자 현미경과 같은 고급 분석 기술을 활용했다.

이러한 연구 결과는 3D 프린팅 합금의 사용 범위를 확장하고, 그것이 적용될 수 있는 산업 분야를 다양화하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 특히, 연성과 강도가 모두 향상된 새로운 형태의 합금은 더욱 까다로운 응용 분야에서도 활용될 수 있을 것으로 전망된다.

잠재적인 산업 응용과 에너지 효율성

산업계는 미래에 제조 과정에서 더욱 강력하고 형태를 쉽게 잡을 수 있는 고엔트로피 합금을 사용 가능할 것으로 기대하고 있다. 이러한 HEA를 산업 응용 분야에 사용하기 위해서는 가벼우면서도 복잡한 형태의 HEA 부품에 대한 높은 내구성, 신뢰성, 그리고 파손 저항성이 요구된다.

새로운 합금은 더 안전하고 연료 효율적인 차량의 제조, 더 강한 제품의 생산, 그리고 더 오래 지속되는 기계의 개발을 가능하게 하여, 소비자와 산업계 모두에 혜택을 가져올 것으로 기대된다.

또한, 레이저를 사용하여 분말 합금을 고체 금속 형태로 융합하는 레이저 기반의 적층 가공 방식은 에너지 효율성이 매우 높다는 점에서, 새로운 유형의 HEA 생산에 있어 매력적인 방법으로 여겨진다. 이는 에너지 소비를 줄이면서도 고품질의 합금 부품을 생산할 수 있는 방법으로, 지속 가능한 제조 및 공정 효율성 측면에서 중요한 역할을 할 것으로 예상된다.

나노 라멜라 구조와 기계적 특성

레이저 기반 적층 가공 공정은 나노미터 두께의 나노 라멜라(얇은 판층) 구조를 생산할 수 있다. 이 공정은 높은 강도를 제공하면서도, 나노 라멜라의 뚜렷한 가장자리가 일정 수준의 미끄러짐(연성)을 허용하여 유연성을 보장한다. 이러한 나노 라멜라는 평균 약 150나노미터 두께의 면심 입방체(FCC) 결정 구조와 평균 약 65나노미터 두께의 체심 입방체(BCC) 결정 구조의 교차 층으로 구성된다.

개발된 새로운 고엔트로피 합금은 약 1.3기가파스칼(인장강도 단위)의 높은 항복 강도를 나타내며, 이는 가장 강한 티타늄 합금의 강도를 능가하는 수준이다. 또한, 이 HEA는 약 14%의 연신율을 제공하는데, 이는 동일한 항복 강도를 가진 다른 AM 금속 합금보다 높은 수치다. 연신율은 재료가 파손되지 않고 얼마나 많은 굽힘을 견딜 수 있는지를 나타내는 지표로, 재료의 유연성과 내구성을 측정하는 중요한 요소다.

HEA 첨단 연구기술 및 시설

한편, 미국 테네시주에 위치한 오크리지 국립연구소(ORNL: Oak Ridge National Laboratory)의 연구원들은 에너지부(DOE) 산하 과학 사용자 시설인 파쇄 중성자원(Spallation Neutron Source)을 통해 변형 상태에서 HEA 샘플의 내부 기계적 부하 분배를 조사할 수 있었다. 이 시설의 중성자 데이터는 합금 내부의 상세한 구조적 정보를 제공함으로써 HEA의 기계적 특성에 대한 깊은 이해를 가능하게 했다.

또한, 연구팀은 ORNL 내의 다른 DOE 과학 사용자 시설인 나노입자 재료 과학(Nanophase Materials Sciences) 센터에 위치한 원자 프로브 장비를 활용하여, 교대로 층을 이루는 나노 라멜라 구조 및 미세 구조의 상세한 3D 이미지를 캡처했다. 

이와 별개로, 미국 일리노이주에 위치한 시카고 아르곤 국립연구소(Argonne National Laboratory)의 첨단방사광가속기(Advanced Photon Source)는 어닐링 과정을 거친 다양한 HEA 샘플의 단계를 연구하는 데 사용되었다. 이 시설에서의 X선 회절 분석은 합금의 열처리 과정이 그 성질에 어떻게 영향을 미치는지를 평가하는 데 중요한 역할을 했다.

미국 내 첨단 연구기술 및 시설의 활용은 HEA의 개발과 응용에 있어 중요한 도약점을 제공하며, 합금의 구조적 및 기계적 특성에 대한 포괄적인 이해를 가능하게 한다.

이러한 첨단 연구는 HEA의 미래 적용 가능성을 확장하고, 재료 과학 분야에서의 혁신적 발전을 촉진할 것으로 기대된다. 연구소들의 고도화된 기술과 시설은 재료의 기본 구조부터 그 성능에 이르기까지 광범위한 분석을 허용함으로써, 합금의 특성을 극대화하고 다양한 산업 분야에 적용할 수 있는 새로운 기회를 열어준다.