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MIT 과학자들이 밝힌 더 강한 금속의 비밀

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MIT 과학자들이 밝힌 더 강한 금속의 비밀

MIT의 연구원들은 금속을 구성하는 아주 작은 결정립들이 극단적인 변형 과정을 겪으면서 강철, 알루미늄, 티타늄, 그리고 합금과 같은 더 가볍고, 더 단단하고, 더 강한 금속을 생산하는 방법으로 이어질 수 있다고 밝혔다. 사진=글로벌이코노믹 DB이미지 확대보기
MIT의 연구원들은 금속을 구성하는 아주 작은 결정립들이 극단적인 변형 과정을 겪으면서 강철, 알루미늄, 티타늄, 그리고 합금과 같은 더 가볍고, 더 단단하고, 더 강한 금속을 생산하는 방법으로 이어질 수 있다고 밝혔다. 사진=글로벌이코노믹 DB
MIT의 연구원들은 금속을 구성하는 아주 작은 결정립들이 극단적인 변형 과정을 겪으면서 강철, 알루미늄, 티타늄, 그리고 합금과 같은 더 가볍고, 더 단단하고, 더 강한 금속을 생산하는 방법으로 이어질 수 있다고 24일(현지시간) 밝혔다.

재료과학금속 MIT 나노기술이라고 명명된 새로운 연구는 금속의 결정립이 나노미터의 비율로 변화하여 금속의 특성을 향상시킬 때 어떻게 되는 지를 보여준다.

금속을 다양한 목적에 필요한 특정 형상으로 성형하는 것은 주조, 가공, 단조, 압연 등 여러 가지 방법으로 이루어진다. 이 과정은 강철, 알루미늄, 티타늄 또는 기타 널리 사용되는 금속과 합금 등 벌크 금속을 구성하는 작은 결정립의 크기와 모양에 영향을 미친다.

MIT의 연구원들은 이제 이 결정립들이 극단적으로 변형되는 과정에서 어떤 일이 일어나는지, 가장 작은 규모로, 몇 나노미터까지 정확하게 분석할 수 있게 되었다. 이 새로운 발견은 경도와 인성과 같은 더 좋고 더 일관된 성질을 생산하기 위한 개선된 처리 방법으로 이어질 수 있는데, 강력한 이미징 시스템의 이미지를 상세하게 분석함으로써 가능해졌다.
네이처 머트리얼스 저널에 전 MIT 포스트닥터인 아메드 티아미유(현 캘거리 대학교 조교수), 크리스토퍼 슈, 키스 넬슨, 제임스 르보, 제 첸, 그리고 전 학생이었던 에드워드 파우는 논문을 제공했다.

슈는 "금속을 만드는 과정에서 특정 구조로 금속을 만들고 있으며, 이 구조는 금속의 사용 특성을 좌우할 것이다. 일반적으로 입자의 크기가 작을수록 금속의 강도가 높아진다”고 말했고 "지난 80년 동안 모든 야금학, 모든 금속 분야에서 가장 중요한 주제였다"고 덧붙였다.

처음으로, 연구원들은 대부분의 고체 금속을 구성하는 아주 작은 결정성 알갱이가 어떻게 형성되는 지를 설명했다.

금속학자들은 고체 금속 조각의 입자의 크기를 줄이기 위해 실험적으로 개발된 다양한 방법을 오랫동안 적용해왔다. 하지만 이 입자들을 더 작게 만드는 것은 쉽지 않았다.

일차적인 방법은 금속이 변형되고 가열되는 재결정 이라고 불린다. 이것은 결정체 전체에 걸쳐 작은 결점들을 다수 만들어내는데, 매우 무질서하고 모든 곳에 있다고 다나에와 바실리스 살라파타스 야금학 교수인 슈는 말했다.

금속이 변형되고 가열되는 과정에서 발생하는 모든 결함은 자발적이며 새로운 결정의 핵을 형성할 수 있다. 이 지저분한 결함의 융합은 새로운 결정체로 변하고 핵으로 생성되었기 때문에 매우 작게 시작한다고 슈는 설명하고 있다.

슈는 단조나 시트 압연과 같은 일반적인 금속 성형 공정은 상당히 빠를 수 있지만, 이 새로운 분석은 몇 배나 더 빠른 공정을 조사해야 한다고 밝혔다.

"우리는 초음속으로 금속 입자를 발사하기 위해 레이저를 사용해야 했다. 눈 깜짝할 사이에 일어난다고 하는 표현조차 절제될 만큼, 정말 눈 깜짝할 사이에 수천 개의 작업을 수행할 수 있다"고 슈는 말했다.

이러한 고속 공정은 단순한 실험실의 호기심이 아니며 가속으로 발생하는 산업적 프로세스가 있다는 것이다. 여기에는 고속 가공, 금속 분말의 고에너지 밀링, 그리고 코팅을 형성하기 위한 콜드 스프레이(cold spray)라고 불리는 방법이 포함된다.

연구원들은 실험에서 "우리는 재결정 과정이 매우 극단적인 속도 아래 있다는 것을 이해하려고 노력했고, 그 비율이 매우 높기 때문에, 이전에는 아무도 그 과정을 정말로 파고들어 체계적으로 살펴볼 수 없었다"고 설명했다.


김진영 글로벌이코노믹 기자