▲ 표준과학연구원 광도센터 이근우 박사팀이 정전기 공중부양장치를 통해 Cu-Zr(구리-지르코늄) 금속에 레이저를 쏘고 있다..

철강이나 티타늄보다 강하면서 녹이 잘슬지 않아 ‘21세기 신소재’로 불리는 비정질 금속의 생성 원리가 국내 연구진에 의해 밝혀져 항공우주, 핵융합 등에 쓰이는 첨단 신소재 개발이 탄력을 받을 전망이다.

한국표준과학연구원(원장 강대임) 광도센터 이근우 박사팀은 벌크 비정질 금속(액체금속) 생성에 결정적인 역할을 하는 것은 ‘결정-액체 계면에너지’로 이 에너지가 클수록 비정질 금속을 쉽게 만들 수 있음을 정전기 공중부양 장치를 이용해 밝혀냈다.

비정질 금속은 일반적으로 규칙적인 결정 구조의 고체 금속을 용기에 담아 고온에서 액체 상태로 만든 뒤, 급랭하면 유리와 같은 액체구조를 가지게 된다.

이렇게 만들어진 비정질 금속은 강도와 탄성이 크게 높아져서 변형이 용이하다. 또한 가벼우면서도 철이나 티타늄보다 더 강도가 세고 다양한 주조가 가능하기 때문에 일반적인 스포츠 용품에서부터 특수한 우주용 부품까지 그 활용도는 무궁무진하다.

그러나 지금까지는 금속을 녹이는 과정에서 금속을 담은 용기가 같이 녹거나, 금속과 용기가 접촉해 금속 자체에 대한 물성변화만 측정하기가 어려워 명확한 생성원인이 밝혀지지 않아 많은 논란이 있었다.

이근우 박사팀은 금속과 용기의 접촉을 원천적으로 차단하기 위해 자체 개발한 ‘정전기 공중 부양장치’로 자기장을 걸어 금속만 공중에 띄우고 레이저를 쏘이는 획기적인 방법을 도입함으로서 이 문제를 해결했다.

이후 어는점 이하에서 과냉각 액체 상태를 유지하면서 고체 결정으로 변하는 시간을 측정한 결과, 계면 에너지가 클수록 고체 결정으로 변하는 시간이 길어져 비정질 금속이 효과적으로 생성됨을 확인했다. 계면에너지는 액체상태인 금속이 고체상태 결정이 되는 것을 방해하는 에너지다.

이근우 박사는 “그동안 비정질 금속의 생성원리를 몰랐기 때문에 많은 연구자들은 기존에 누적된 실험데이터를 추상적으로 참고할 수 밖에 없었지만 이번에 세계 최초로 과냉각 상태에서 비정질 생성원리를 규명했기 때문에 건축, 의료, 전자, 기계, 국방 등 다양한 분야에서 활용할수 있는 비정질 금속 제작이 가능하다”고 연구의의를 밝혔다.

한편 이번 연구는 미래창조과학부(장관 최문기) 신기술융합형성장동력사업 지원으로 이뤄졌으며 결과는 네이처 자매지인 ‘Scientific Reports’ 최신호에 게재됐다.