- ‘엔트로피 합금’의 저온에서 강한 특성, 낮은 ‘적층결함에너지’가 원인임을 증명  -

□ 영화 터미네이터를 보면 로봇에 액체질소를 부어 얼린 후 총을 쏴 산산이 부숴버리는 장면 나온다. 이것은 일반적으로 금속이 저온에서 충격에 약한 성질을 가지기 때문이다. 그러나 지난 2014년, 오히려 극저온에서 충격에 더욱 강한 일명 ‘엔트로피 합금’이 네이처(Nature)지에 보고되어 화제가 된 적이 있었다. 그 원인은 알려지지 않았는데 마침내 국내 연구진이 그 원인을 과학적으로 규명해냈다.

□ 한국원자력연구원(원장 박원석)은 2014년에 보고된 엔트로피 합금이 저온에서 더욱 강한 비밀은 낮은 적층결함에너지에 있음을 규명했다고 밝혔다. 한국원자력연구원 주도 하에 2014년부터 국내외 총 7개 기관 및 9명의 전문가가 참여한 이번 연구 결과는 네이처 자매지인 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 2020년 1월호에 게재되었으며 게재 후 한 달여 만에 전 세계적으로 600회가 넘는 논문 다운로드 횟수를 보이며 학계와 산업계에서 큰 관심을 불러일으키고 있다.

                                  사진1(왼). 3D 프린팅법으로 제작된 시험용 엔트로피 합금              사진2(오). 시험 중인 엔트로피 합금

□ 연구진은 실증 연구를 통해 엔트로피 합금의 적층결함에너지가 산업에서 흔히 쓰이는 스테인리스강 대비 45%에 불과하여 일반적인 금속과는 달리 저온에서 충격에 더 강하다는 사실을 알아냈다. 

 ㅇ 일반적으로 금속은 바둑판같은 격자구조의 점에 원소가 박혀 있는 결정구조를 이루고 있다. 이러한 금속에 힘이 과도하게 가해지면 규칙적이던 원소배열의 격자구조가 깨어지면서 불규칙한 적층결함(stacking fault)이 생기는데, 적층결함이 발생하는데 필요한 에너지를 적층결함에너지라고 한다. 

 ㅇ 엔트로피 합금과 같이 적층결함에너지가 낮은 금속은 힘이 가해질 때 원소배열이 대칭적으로 놓이는 쌍정변형이 일어나는 특징이 있다. 쌍정변형을 거치면 금속 내 입자 크기가 더 작아져서 단단해지고 충격에도 훨씬 강해진다. 즉, 연구진은 엔트로피 합금의 적층결함에너지가 낮고, 이로 인해 저온일수록 쌍정변형이 더욱 쉽게 나타나 충격에 강해진다는 것을 실험을 통해 규명했다.

□ 이번 연구 성과는 원자력연구원과 해외의 첨단 중성자과학연구시설을 활용해 엔트로피 합금의 적층결함에너지를 더욱 정교하게 측정할 수 있었기 때문에 가능했다. 

 ㅇ 기존에는 전자 현미경으로 일일이 관찰하면서 에너지를 측정했다. 이때 소재를 절단하고 가공하는 과정에서 실험적 오류가 발생했으며, 한 번에 머리카락 굵기(100 마이크로 범위) 정도의 작은 부분만 관찰할 수 있어 실험 결과가 불완전했다.

 ㅇ 그러나 연구진은 중성자 빔을 이용해 원자보다 큰 밀리미터 단위 크기의 소재를 한 번에 측정할 수 있었다. 또한 실시간(in situ)으로 변형 중인 소재를 측정하면서 변형 공정 중의 결함 변화를 측정할 수 있었다. 연구진은 100여회 이상의 반복 실험으로 얻어낸 변형 순간의 에너지 변화 데이터를 확보해 실험의 신뢰도를 높였다.  

 ㅇ 특히 본 연구에서 사용한 시험용 엔트로피 합금은 에너지 직접 조사 방식(Direct energy deposition)의 3D 프린팅 기법으로 자체 제작해 더욱 의미가 있다.

                    사진3(왼). 실험에 활용된 일본 J-PARC의 중성자과학시설       사진4(오). 한국원자력연구원의 연구로 하나로(HANARO) 내의 중성자과학연구시설           

□ 이번 연구 성과는 원리를 찾아낸 것으로, 엔트로피 합금의 고도화에 이바지 할 것이며 단순히 학술적 성과에 그치지 않고 산업에서도 파급력을 가져올 것으로 예상된다. 향후 연 3조원 규모의 국내 극저온 밸브, LNG 저장탱크 및 액체수소 저온탱크 시장 뿐 아니라 세계적으로 약 50조에 달하는 극지 해양플랜트 소재부품 사업에 기초과학적 기반지식 및 생산기술을 제공하는 역할을 할 것으로 예상된다. 또한, 우주·항공, 수소자동차 등의 첨단 미래 에너지 소재분야 등으로 적용분야를 확대할 수 있을 것으로 기대된다.

□ 연구를 주도한 원자력연구원 양자빔물질과학연구부 우완측 박사는“이번 연구는 적극적으로 참여해 주신 두산중공업-KIST-충남대/울산대/순천대 및 일본 J-PARC 시설 연구자들과의 협업으로 가능했다”며, “첨단 중성자과학 시설을 활용해 기초과학연구 및 실용화 사업에 적극 참여함으로써 국가 소부장 산업의 경쟁력을 높이는 연구를 지속해나갈 계획”이라고 포부를 밝혔다.