강철보다 100배 강한 금속 개발

과학기술

강철보다 100배 강한 금속 개발
고정관념 깬 방식으로 연구 성공해

2018.09.04 17:20 이성규 객원기자

고강도 강철보다 100배나 더 강한 새로운 금속이 개발됐다. 미국 샌디아국립연구소(Sandia National Laboratories)의 연구진은 세계에서 가장 강한 내마모성을 가진 새로운 백금-금 합금을 개발했다고 발표했다. 이 금속은 다이아몬드와 동일한 등급의 내마모성을 가진 것으로 알려졌다.

다이아몬드는 지하 깊은 곳에서 높은 온도 및 압력 하에서 만들어지므로 탄소가 안정된 정사면체 구조로 배열돼 지구상의 광물 중 가장 단단한 경도를 지닌다. 내마모성 역시 뛰어나 다이아몬드를 밀링머신 등의 표면에 얇게 코팅할 경우 공구의 수명이 4~5배 향상된다.

이 금속의 개발에 참여한 재료과학자 닉 아르기베이는 “우리는 실용적인 금속의 광범위한 성능 향상을 가져다줄 수 있는 몇 가지 합금에 근본적인 변화가 있음을 보여주었다”고 말했다.

샌디아연구소의 과학자들이 새로운 합금 금속을 개발하는 데 사용된 컴퓨터 장비들을 보여주고 있다. ⓒ Sandia National Laboratories(Randy Montoya)

새로 개발된 합금 금속으로 타이어를 만들 경우 우수한 내마모성 덕분에 약 1.6㎞를 주행해도 표면 원자가 단 한 층밖에 벗겨지지 않을 정도다. 이 금속으로 만든 타이어가 완전히 마모되기 위해서는 지구 적도 부근을 500번 정도 돌아야 한다.

새로운 21세기 지식 적용해 연구 성공

일반적으로 금속은 강한 것으로 알고 있지만, 엔진처럼 반복적으로 다른 금속과 마찰하거나 오일 같은 보호막이 없다면 마모되고 변형되어 결국 부식하고 만다. 이 때문에 금이나 다른 귀금속 합금을 표면에 코팅하지만 비용이 많이 든다는 단점이 있다. 또한 코팅을 한다고 해도 반복적인 마찰을 계속하면 마모되는 것은 마찬가지다.

하지만 연구진은 새로 개발한 합금 금속으로 코팅할 경우 항공 산업 및 풍력 터빈, 고집적화 전자공학 등의 분야에서 연간 1억 달러 이상 절약할 수 있을 것이라고 밝혔다.

사실 90% 백금과 10% 금의 조합은 전혀 새로운 게 아니다. 그러나 샌디아국립연구소 연구진은 새로운 21세기 지식과 디자인을 적용해 개발에 성공했다. 기존에는 마찰을 견딜 수 있도록 금속을 딱딱하게 해야 한다고 생각했지만, 이번 연구에서는 금속이 열과 반응하는 방식과 마모가 관련이 있다고 주장하는 새로운 이론을 제안한 것이다.

그들은 그 비밀을 현대적인 전산 도구에서 찾았다. 개별 원자가 물질의 대규모 특성, 즉 관측만으로는 거의 드러나지 않는 연결에 어떻게 영향을 미치는지를 시뮬레이션 계산에서 찾아낸 것. 요즘에는 이처럼 많은 분야의 과학 연구개발에서 계산 도구를 활용한다.

다이아몬드와 유사한 탄소층 박막 형성 확인

닉 아르기베이와 함께 연구에 참여한 마이클 찬드로스는 “근본적인 원자 메커니즘과 미세구조를 연구하고 이런 것들을 모두 하나로 묶어 좋은 성능을 얻는 이유와 그렇지 못한 이유, 그리고 우수한 성능을 지닌 합금을 어떻게 만드는지를 이해했다”고 밝혔다.

이 연구결과는 신소재 분야의 세계적인 권위지인 ‘어드밴스드 메터리얼스(Advanced Materials)에 발표됐다.

한편, 연구진은 새로운 합금이 지닌 놀라운 내마모성의 비밀을 풀기 위해 표면 미세구조를 조사하던 중 흑색 박막이 표면에 형성된다는 사실을 확인했다. 다이아몬드와 유사한 탄소층을 지닌 이 박막이 윤활유 같은 역할을 했으며, 그로 인해 내마모성이 증가한 것이다.

다이아몬드와 같은 탄소층은 보통 특별한 조건을 필요로 하지만, 이 탄소층은 합금에서 자발적으로 합성된다는 점에서 주목을 끌고 있다. 이런 현상은 금속 성능을 더욱 향상시킬 수 있으며, 보다 단순하고 효율적인 방식으로 고급 윤활제를 대량 생산하는 등의 또 다른 응용이 가능할 것으로 기대되기 때문이다.

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