다성분 합금의 초극저온 변형 거동 분석, 액화수소/헬륨 저장용 신소재 개발 청신호
다성분 합금의 초극저온 변형 거동 분석, 액화수소/헬륨 저장용 신소재 개발 청신호
  • 한국연구저널
  • 승인 2021.10.07 15:09
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포스텍-우크라이나 연구팀, 다성분 합금의 초극저온 변형 거동 분석
기사와 직접적 관련 없는 이미지 Ⓒgettyimagesbank
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대기권 밖 우주에 노출되는 항공우주부품이나 액화수소 저장탱크 등에 쓰일 신소재 개발에 청신호가 켜졌다. 한국과 우크라이나 연구진의 공동연구로 영하 273의 극저온에서 합금의 거동에 대한 비밀이 밝혀졌기 때문이다.

 

앞서 다성분 합금은 다수의 원소가 주요 원소로 작용하여, 높은 혼합 엔트로피에 의해 금속간화합물이 형성되지 않고 단상의 고용체를 형성하는 합금으로 정의된다. 이러한 다성분 합금은 우수한 기계적, 열적, 물리적, 화학적 특성으로 인해 구조 재료, 극저온 재료, 내열 재료, 원자력 소재 등 여러 산업 분야의 고기능성 극한구조용 소재로 주목받고 있다.

특히 최근 탄소중립 에너지로 각광받는 수소를 액화하여 저장 및 운송 하는데 안정적이고 경제적으로 공급하기 위한 액화수소/헬륨 저장용 소재 및 우주/항공분야로의 적용이 기대되며 액화수소 및 액화헬륨의 온도는 각각 약 ~20K(영하 253) ~4.2 K (영하 268.8 )로 이를 저장 및 운송하기 위해서는 초극저온에서의 기계적 안정성이 요구되며, 또한 대기권 밖의 우주의 평균온도는 약 3K (영하 270)으로 초극저온에서의 기계적 특성이 요구된다. 따라서 다성분 합금의 초극저온 분야 산업화를 위해서는 절대 0(0K, 영하 273)까지의 기계적 안정성 확보 및 그 변형 메커니즘을 완벽히 이해할 필요가 있었다.

 

이에 김형섭 교수(포항공과대학교) 연구팀은 우크라이나 과학원 극저온 연구소와 공동으로 영하 272.5 의 초극저온에서 다성분 신합금의 미세조직 변화 및 기계적 거동에 대해 해석해냈다. 다성분 합금은 액체질소 온도(영하 196)의 극저온 환경에서도 충격흡수 같은 기계적 강도가 뛰어나 해양/선박이나 액화수소/ 헬륨 저장탱크, 우주/항공 분야 소재로의 응용이 기대되고 있다.

 

여러 원소가 거의 동일 비율로 혼합된 다성분 합금은 기존 하나의 주원소 개념의 합금계를 벗어나 물리야금의 르네상스를 이끈 일종의 혁신이었다. 하지만 액체질소 온도 아래에서 나타나는 다성분 합금의 변형 거동에 대하여 알려진 바가 없어 소재의 기계적 신뢰성을 예측하지 못하여 극저온 산업으로의 적용이 제한되어 왔다.

 

연구팀은 액화수소와 헬륨의 압력 조절로 영하 272.5까지의 초극저온을 모사한 환경을 구현하고 개발한 다성분 신합금의 변형거동을 해석해냈다.

극저온 환경을 만드는 데 사용되는 가장 낮은 온도의 냉매인 액화 헬륨은 끓는점이 영하 268.8 로 이보다 낮은 온도를 만들기 위해서는 특별한 기술이 필요하다. 이에 연구팀은 액화헬륨이 담긴 챔버 안의 기체화된 헬륨을 진공 펌프를 통해 챔버 외부로 배출하여 챔버 내부의 압력을 낮춤으로써 영하 272.5 를 달성하였다.

 

(그림 1) (A) 액화헬륨을 활용한 극저온 분위기 챔버 및 (B) 초극저온에서의 다성분 합금의 인장 특성(A) 액화헬륨을 챔버 내부에 주입한 후 챔버의 압력을 낮추어 현재의 기술로 구현할 수 있는 가장 낮은 온도인 0.5 K (영하 272.5 ℃) 온도를 구현하였다. (B) 초극저온에서의 다성분 합금은 톱니 형태의 불연속적 소성 변형 (discontinuous plastic flow)이 일어나며, 이 과정에서 합금은 국부적으로 단열 전단 변형(adiabatic shear banding)이 일어나게 된다. 단열 전단 부는 국부적으로 온도 상승 및 하강을 반복하여 기계적 거동에 영향을 미친다.출처 : 연구진이 Elsevier의 허가를 받아 그림을 재사용함. Images reproduced with permission from Elsevier.
(A) 액화헬륨을 활용한 극저온 분위기 챔버 및 (B) 초극저온에서의 다성분 합금의 인장 특성
(A) 액화헬륨을 챔버 내부에 주입한 후 챔버의 압력을 낮추어 현재의 기술로 구현할 수 있는 가장 낮은 온도인 0.5 K (영하 272.5 ℃) 온도를 구현하였다.
(B) 초극저온에서의 다성분 합금은 톱니 형태의 불연속적 소성 변형 (discontinuous plastic flow)이 일어나며, 이 과정에서 합금은 국부적으로 단열 전단 변형(adiabatic shear banding)이 일어나게 된다. 단열 전단 부는 국부적으로 온도 상승 및 하강을 반복하여 기계적 거동에 영향을 미친다. [출처 : 연구팀이 Elsevier의 허가를 받아 그림을 재사용함. Images reproduced with permission from Elsevier.]
■ 초극저온 온도 범위(0.5 ~ 77 K, 영하 272.5 ~ 영하 196 ℃)에서의 열 안정성 및 미세조직 변화 모식도 ■
단열(adiabatic) 과정에서 일어나는 온도 상승은 활성화되는 전위를 칼날 전위(edge dislocation)에서 나사 전위(screw dislocation)로 변화시키며, 이는 합금의 상 안정성에 영향을 미쳐 변형유기상변태 및 전위회복(recovery)이 일반적인 초극저온 거동에서 벗어나게 만든다.
출처 : 연구진이 Elsevier의 허가를 받아 그림을 재사용함. Images reproduced with permission from Elsevier.

나아가 이러한 초극저온에서 다성분 합금의 내부 온도가 상승과 하강을 반복하는 특이현상이 나타나는 것을 알아내고, 이것이 합금의 구조를 더욱 탄탄하게 변화시켜 강도 향상의 실마리가 됨을 알아냈다.

이렇게 향상된 다성분 합금의 강도는 약 1.6GPa 수준으로 기존 극저온용 합금보다 약 1.5배 정도 향상된 것으로 나타났다.

 

이번 연구의 성과는 국제 학술지머티리얼스 투데이(Materials Today)’913일 게재(온라인)되었다.

 

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