국립 경상대학교(GNU) 공과대학 나노·신소재공학부 K-금속센터(설재복 교수, 김정기 교수, 성효경 교수)는 포항공과대학교(김형섭 교수, 배재웅 박사) 연구팀과 공동으로 최근 국내 기술력만을 이용해 소재에 존재하는 원자 단위의 단범위 규칙을 가시화하고 이를 측정하는 데 성공했다.
단범위 규칙은 소재를 구성하는 원자들 배열의 나노 크기 국부적인 모임 혹은 벗어남 현상이다. 이번 성과는 국내 최초이자 ‘엔트로피 소재’의 경우로는 세계 최초이고 소재 전체의 경우로는 일본, 미국에 이어 세계 세 번째이다.
또한 ‘엔트로피 소재’의 극저온 변형 중에 수 나노미터 크기의 단범위 규칙이 출현하며 변형량이 증가할수록 이의 밀도가 증가하여 소재의 강도가 향상된다는 사실을 세계 최초로 실험 방법을 통해 밝혀냈다.
이 연구는 금속소재공학 분야 상위 1위 저널인 ≪악타머트리얼리아(Acta Materialia)≫ 8월호에 게재됐다.
이는 경상대학교와 포항공과대학교의 전문가가 참여한 연구팀 10명이 2017년부터 3년간 연구해온 결과이다.
1915년 노벨물리학상은 엑스레이(X-ray) 분석장비를 개발한 공로로 윌리엄 브래그 부자에게 돌아갔다. 아들 윌리엄 로렌스 브래그는 소재를 구성하는 원자들의 이상배열 혹은 단범위 규칙(short-range order) 존재를 주장했다. 그 이후부터 현재까지 수많은 과학자들은 단범위 규칙이 금속소재의 강도와 연성을 변화시킬 수 있다고 주장했다.
그러나, 수 원자단위의 매우 작은 크기의 단범위 규칙을 가시화하는 것은 불가능하다는 이유로 이의 존재를 부정하는 주장도 있었다. 1996년 일본 도호쿠대학교에서 투과전자현미경을 이용하여 화합물반도체에서 이의 존재를 실험적으로 측정했다.
최근 미국 로렌스(Lawrence) 버클리대학교는 같은 실험 방법을 이용하여 타이타늄 합금에서 단범위 규칙 존재를 실험적으로 측정하여 세계적 과학잡지인 ≪사이언스 어드밴스즈(Science Advances)≫에 2019년 12월 게재했다.
한편 미국 로렌스 버클리대학교와 존스홉킨스공과대학교 연구진들은 최근 가장 이목을 끄는 소재인 ‘엔트로피 소재’에서도 단범위 규칙 존재가 가능하다는 연구를 ≪네이처≫와 ≪미국국립과학원회보≫에 소개해 관심을 끌었으나 이를 가시화하고 측정하는 데 실패했다.
한편 이번 연구를 주도한 경상대학교 설재복 교수는 “과거 해외 의존도가 높았던 소재 분석기술을 벗어나서 국내 기술력만으로 단범위 규칙의 가시화에 성공했을 뿐만 아니라, 이를 이용하여 소재의 강도를 더욱 증가시킬 수 있는 새로운 창의적인 방법이다”라고 말하고 “순수 국내 기술력으로 세계 최고의 금속소재 강국이 될 수 있도록 계속 연구·개발하겠다”라고 강조했다.
설재복 교수는 “이번 연구 결과는 세계적으로 약 50조 원에 달하는 우주항공산업 및 극지 해양플랜트 소재부품 사업에 사용되는 여러 소재에 적용할 수 있다”라고 말했다.
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