탄소중립 에너지, 액화수소/헬륨 저장용 신소재 개발한다-포스텍-우크라이나 연구팀, 다성분 합금의 초극저온 변형 거동 분석

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2021. 10. 5.

탄소중립 에너지, 액화수소/헬륨 저장용 신소재 개발한다-포스텍-우크라이나 연구팀, 다성분 합금의 초극저온 변형 거동 분석

 

등록일2021.10.05.

 

 

 

탄소중립 에너지, 액화수소/헬륨 저장용 신소재 개발한다

포스텍-우크라이나 연구팀, 다성분 합금의 초극저온 변형 거동 분석

 

 

 

□ 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.

 ㅇ 다성분 합금은 액체질소 온도(영하 196 ℃)의 극저온 환경에서도 충격흡수 같은 기계적 강도가 뛰어나 해양/선박이나 액화 수소/ 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. 

 ㅇ 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 272.5℃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. 

 ㅇ 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. 

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

 

□ 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.

 

주요내용 설명

 

 

키워드 

Medium-entropy alloy; Cryogenic temperatures; Discontinuous plastic deformation; Martensitic phase transformation; Dislocation

논문명

Deformation behavior of a Co-Cr-Fe-Ni-Mo medium-entropy alloy at extremely low temperatures

저널명 

Materials Today

DOI

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.08.001

저  자

김형섭 교수(교신저자/포항공과대학교), 문종언 박사(제1저자/포항공과대학교), Elena Tabachnikova (B. Verkin 극저온 연구소), Sergii Shumilin (B. Verkin 극저온 연구소), Tetiana Hryhorova (B. Verkin 극저온 연구소), Yuri Estrin (Monash University), Jamieson Brechtl (The University of Tennessee), Peter  K. Liaw (The University of Tennessee), Wenqing Wang (University of Illinois at Urbana-Champaign), Karin A. Dahmen (University of Illinois at Urbana-Champaign), Alireza Zargaran (철강대학원), 배재웅 박사(막스플랑크 연구소), 도현석(포항공과대학교), 이병주 교수(포항공과대학교)

 

  <작성 : 포항공과대학교 김형섭 교수>

1. 연구의 필요성

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

ㅇ 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. 

ㅇ 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.

ㅇ 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.

ㅇ 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.

 

2. 연구내용 

ㅇ 극저온 분야에서 사용되는 가장 낮은 온도의 냉매인 액화헬륨은 4.2 K (영하 268.8 ℃)의 끓는점을 가져 그 이하의 온도를 달성하기 위해서는 특별한 기술이 필요하다. 액화수소 및 액화헬륨의 압력을 낮춤으로써 0.5 K(영하 272.5 ℃)까지의 초극저온 분위기를 달성하였으며, 냉매 속에서 새롭게 개발된 다성분 신합금의 변형 시험을 실시하여 미지의 변형 거동을 세계 최초로 분석하는데 성공했다. 

ㅇ 절대온도 영도(0 K, 영하 273 ℃) 부근의 초극저온에서는 금속 소재의 열전도도(thermal conductivity) 및 비열(specific heat capacity)이 0이 되어 열이 외부로 배출되지 못하는 단열(adiabatic) 과정으로 금속 내부의 온도가 상승하게 되는데, 이로 인해 온도에 따른 상 안정성(phase stability)과 전위(dislocation)의 활성화 거동이 변화한다는 것을 밝혀냈다.

ㅇ 단열 과정으로 인한 금속 내부의 온도의 상승은 변형유기상변태 및 전위회복이 일반적인 거동과 반대되는 특이현상(low-temperature anomaly) 으로 이어지며, 해당 특이 현상을 이해하는 것은 금속의 초극저온 기계적 거동을 성공적으로 해석하는 원동력이 될 것으로 기대된다.

   ※ 변형유기상변태 : 물리적 변형으로 인해 변형 도중에 일어나는 상변화

   ※ 회복(recovery) : 변형된 결정이 전위 등의 결함의 소진 및 재배열로 저장된 변형 에너지를 낮추는 과정

 

3. 기대효과

ㅇ 극저온 구조용 다성분 합금의 초극저온에서의 변형 거동을 분석 함 으로써, 다성분 합금의 액화수소/헬륨 저장 탱크 및 우주/항공 분야로의 적용을 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

 

그림 설명

 

 

 

 

 

 

(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.

 

 

 

 

 

 

(그림 2) 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.

 

 

 

연구 이야기

 

                                     <작성 : 포항공과대학교 김형섭 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은? 

 

한-우크라이나 국제협력기반조성 사업을 수행하며 다양한 다성분 신합금을 개발하며 초극저온 산업현장 적용을 도모하던 중, 최근 각광받는 탄소중립 산업에 적용할 수 있는 다성분 신합금을 목표로 본 연구개발을 시작하게 되었다. 초극저온에서 변형 쌍정, 변형유기상변태 등의 추가적인 메커니즘으로 우수한 기계적 특성을 가지는 다성분 합금은 초극저온에서는 다양한 특이 현상이 관찰되었는데, 이를 이해하고 해석하는 것이 향후 신합금 개발의 초석이 될 것이라는 생각에 절대 영도(0 K)에 가까운 초극저온에서의 연구가 시작되었다.

 

 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

 

본 성과는 독창적인 온도 제어 기술을 통해 절대 영도 부근의 초극저온을 달성하였고, 초극저온에서의 단열 과정과 전위 회복 및 전위 거동의 연관성이 다성분 합금의 변형유기상변태와 기계적 특성에 영향을 미친다는 것을 밝혀낸 최초의 연구이다. 이를 바탕으로 초극저온에서 금속의 변형 경화(strain hardening)와 다양한 특이 현상(low-temperature anomaly)을 성공적으로 해석하였으며, 이를 통해 그동안 다소 미지의 영역이었던 금속의 초극저온 변형 거동에 대한 인류의 도전이 지속적으로 발전할 가능성이 농후하다. 

 

 

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

 

본 연구로 인한 초극저온 변형 거동에 대한 이해는 향후 초극저온 분야 합금 설계에 대한 새로운 패러다임을 제시할 뿐만 아니라 강화 메커니즘 구현에 밑바탕이 될 것으로 예상된다. 앞으로 실용화를 위해서는 초극저온 특이 현상에 대한 제어 및 추가 강화 메커니즘 도입을 통해 더욱 뛰어난 초극저온 안정성을 가지는 신합금을 개발하는 것이 관건이고 산업체와의 공동연구를 통하여 하나씩 해결해 나아가고 있다.

 

 

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은? 

 

향후 해당 연구 결과를 활용하여 더욱 뛰어난 초극저온 기계적 특성을 가지는 “슈퍼 다성분 합금”을 개발하고 싶고, 액화수소/헬륨 저장 및 운반 산업과 우주/항공분야의 산업 현장에 금속 제품으로 적용되는 것을 목표로 하고 있다.