대기권 밖 우주에 노출되는 항공우주부품이나 액화수소 저장탱크 등에 쓰일 신소재 개발에 청신호가 켜졌다. 한국과 우크라이나 연구진의 공동연구로 영하 273 ℃의 극저온에서 합금의 거동에 대한 비밀이 밝혀졌기 때문이다.  

한국연구재단(이사장 이광복)은 김형섭 교수(포항공과대학교) 연구팀이 우크라이나 과학원 극저온 연구소와 공동으로 영하 272.5 ℃의 초극저온에서 다성분 신합금의 미세조직 변화 및 기계적 거동에 대해 해석해냈다고 밝혔다.

다성분 합금은“다수의 원소가 주요 원소로 작용하여, 높은 혼합 엔트로피에 의해 금속간화합물이 형성되지 않고 단상의 고용체를 형성 하는 합금”으로 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 기대되고 있다.

액화수소 및 액화헬륨의 온도는 각각 약 ~20 K(영하 253 ℃) 및 ~4.2 K (영하 268.8 ℃)로 이를 저장 및 운송하기 위해서는 초극저온에서의 기계적 안정성이 요구되며, 또한 대기권 밖의 우주의 평균온도는 약 3 K (영하 270 ℃)으로 초극저온에서의 기계적 특성이 요구된다.

따라서 다성분 합금의 초극저온 분야 산업화를 위해서는 절대 0도(0 K, 영하 273 ℃)까지의 기계적 안정성 확보 및 그 변형 메커니즘을 완벽히 이해할 필요가 있었다.

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

극저온 환경을 만들기 위해 사용되는 가장 낮은 온도의 냉매인 액화 헬륨은 끓는점이 영하 268.8 ℃로 이보다 낮은 온도를 만들기 위해서는 특별한 기술이 필요하다. 

연구팀은 액화헬륨이 담긴 챔버 안의 기체화된 헬륨을 진공 펌프를 통해 챔버 외부로 배출하여 챔버 내부의 압력을 낮춤 으로써 영하 272.5 ℃를 달성하였다. 

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. 

연구팀은 “극저온 구조용 다성분 합금의 초극저온에서의 변형 거동을 분석함으로써, 다성분 합금의 액화수소/헬륨 저장 탱크 및 우주/항공 분야로의 적용을 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.”고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 국가간협력기반 조성사업(한-CIS협력기반조성), 미래소재디스커버리사업, 중견연구지원 사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제 학술지‘머티리얼스 투데이(Materials Today)’에 9월 13일 게재(온라인)되었다.