포스텍(POSTECH) 연구팀이 금속의 강도와 연성을 동시에 향상시킬 수 있는 새로운 방법을 제시했다.
포스텍은 김형섭 신소재공학과·친환경소재대학원 교수와 신소재공학과 통합과정 구강희 씨 연구팀이 금속의 강도와 연성을 동시에 높일 수 있는 나노 스케일 플라즈마 질화기술을 개발했다고 4일 밝혔다.
금속은 강하면 부러지기 쉽고, 와이어처럼 유연할수록 약하다. 이는 금속산업이 오랫동안 풀지 못한 숙제다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 플라즈마 질화법(plasma nitriding)을 활용해 금속 표면에 나노미터(㎚) 규모의 질화물층을 입히는 기술을 개발했다. 스마트폰에 보호필름을 붙이듯 금속에 특별한 보호막을 씌우는 원리다.
기존 플라즈마 기술은 마치 두꺼운 케이스를 씌우는 것처럼 복잡한 형태의 금속에는 적용이 어려웠다. 하지만 연구팀이 개발한 기술은 저압(낮은 압력), 단시간(짧은 공정 시간), 중온(적절한 온도)에서 질화 처리를 진행하여 마치 액정 보호필름처럼 금속 표면에 얇고 균일한 보호층을 형성할 수 있다.
연구팀은 기술 검증을 위해 최근 연구가 활발한 ‘고엔트로피 합금(CoCrFeMnNi HEA)’과 산업적으로 활발하게 사용되는 ‘스테인리스 304’를 대상으로 실험을 진행했다. 그 결과, 금속 표면에 약 300㎚ 두께의 나노 질화물층이 형성되었음에도 기본적인 구조나 결정 같은 재료의 특성은 변하지 않았다. 또 인장 강도가 74.6MPa 증가하고, 균일 연신율이 7.9% 향상되는 등 기존에는 양립할 수 없다고 여겨졌던 강도와 연성을 동시에 높이는 데 성공했다.
김형섭 교수는 “새로운 플라즈마 질화법은 기존 기술과 달리 재료의 조기 파단 없이도 균일한 성능을 제공하며, 특히 후처리 공정 없이 즉각적인 산업 적용이 가능하다”라며, “이 연구를 기반으로 항공과 자동차 산업에 있어 더 안전한 금속 후처리 방법들이 등장할 것”이라고 말했다.
이번 연구는 김형섭 교수와 통합과정 구강희 씨, 이동화 신소재공학과 교수, 허윤욱 친환경소재대학원 교수팀, 정구환 강원대 배터리융합공학과 교수팀, 한국재료연구원 이동준 박사와의 협력 결과다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업 및 ERC 사업, 학문후속세대 펠로우십 지원을 받아 수행된 이번 연구성과는 최근 기계공학 분야 국제 학술지인 ‘인터내셔널 저널 옵 플라스티시티(International Journal of Plasticity)’에 게재됐다.
포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
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