최근 한국 포항공과대학교(POSTECH)의 재료과학자들은 섭씨 -196도에서 600도에 이르는 극한 온도차 환경에서도 우수한 기계적 성능을 유지할 수 있는 신개념 고엔트로피 합금(High-Entropy Alloy, HEA)을 개발하였습니다. 이 기술적 돌파구는 항공우주, 자동차 및 에너지 산업의 소재 응용에 새로운 전기를 마련할 것으로 기대됩니다.
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하이퍼어댑터의 탄생: 전통 금속의 한계를 돌파하다
POSTECH의 융합 연구팀은 재료과학공학과, 철강기술대학원, 기계공학과로 구성되어 있으며, 김형섭(Hyoung Seop Kim) 교수가 이끌고 있습니다. 이들은 기존 금속이 극한 온도 조건에서 성능이 급격히 변동하는 한계를 극복하기 위해, 새로운 소재 개념인 ‘하이퍼어댑터(Hyperadaptor)’ 를 제안하였습니다.
일상생활에서 우리는 금속이 온도에 매우 민감하다는 것을 자주 경험합니다. 예를 들어, 겨울철 문손잡이는 얼음처럼 차갑고, 여름철에는 손으로 잡기 힘들 정도로 뜨겁습니다. 이러한 특성 때문에 전통적인 금속 재료는 로켓 분사 엔진, 자동차 배기 시스템, 고온 터빈 등 고저온이 급격히 변하는 환경에서의 활용에 한계가 있습니다.
신형 고엔트로피 합금: 800°C 온도차에서도 일정한 기계적 성능 유지
이 신형 니켈 기반 고엔트로피 합금은 니켈, 철, 코발트, 크롬, 알루미늄, 티타늄 등의 원소로 구성되어 있으며, 면심입방체(FCC) 결정 구조를 채택하여 우수한 연성 및 고강도를 지니고 있습니다. 이 합금의 뛰어난 안정성은 내부에 균일하게 분포된 나노급 L1₂ 석출물에서 비롯되며, 이러한 미세 입자는 재료의 변형을 효과적으로 억제하고, 동시에 슬립 메커니즘을 일정하게 유지하여 응력을 조절함으로써, 재료의 기계적 성능이 온도의 영향을 거의 받지 않도록 합니다.
연구에 따르면, 이 합금은 액체질소 온도(-196°C)부터 최대 600°C에 이르는 광범위한 온도 범위에서도 안정적인 강도와 연신율을 유지하며, 업계 최초로 이러한 특성을 입증하였습니다.
산업 응용 전망: 지상에서 우주까지
이러한 온도 비민감성 소재는 잠재력이 매우 크며, 특히 다음과 같은 산업에 적합합니다:
- 항공우주: 로켓 및 제트 엔진 등 극한의 냉·열 순환을 견뎌야 하는 분야
- 자동차 산업: 배기 시스템 및 고성능 엔진 부품 등
- 에너지 산업: 발전용 터빈, 극한 환경의 배관 및 열교환기 등
이러한 환경에서도 소재가 안정성을 유지함으로써, 장비의 안전성과 신뢰성이 향상될 뿐만 아니라, 수명을 연장하고 유지보수 비용을 절감하는 데에도 기여할 수 있습니다.
차세대 소재의 새 시대를 열다
김형섭 교수는 다음과 같이 요약하였습니다. “우리의 고엔트로피 합금은 기존 소재의 성능 한계를 돌파하며, 새로운 ‘온도 비민감성’ 소재 패러다임을 제시하였습니다. ‘하이퍼어댑터’는 단순한 신소재가 아닌 새로운 설계 개념으로, 극한 환경에서의 미래 응용에 강력한 기반이 될 것입니다.”
이번 연구 성과는 국제 재료과학 저널 Materials Research Letters에 정식으로 게재되었으며, 고성능 합금 소재 개발이 새로운 시대에 접어들었음을 상징합니다.
참고 문헌
- “Hyperadaptor； 니켈 기반 고엔트로피 합금의 넓은 온도 범위에서의 온도 비민감성 인장 성능”，作者：Hyojin Park、Sujung Son、Soung Yeoul Ahn、Hyojeong Ha、Rae Eon Kim、Jae Heung Lee、Hyo Moon Joo、Jung Gi Kim 和 Hyoung Seop Kim 和 Hyoung Seop，20255年속보。 DOI：10.1080/21663831.2025.2457346
- 한국 과학자들, 극한 온도에서도 강도가 유지되는 ‘슈퍼 금속’ 개발
- Korean Scientists Develop Super Metal That Remains Strong No Matter the Temperature
(대표 이미지 출처: AI)
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