성균관대, 로봇·의료기기 차세대 소재 '금속유리' 판별법 개발

[이데일리 김응열 기자] 성균관대 연구팀이 차세대 로봇·우주항공·의료기기 소재로 주목받는 ‘금속유리’를 빠르게 찾아낼 수 있는 전기저항 기반 판별 지표를 발견했다. 기존 분석 장비보다 수백 배 빠른 속도로 합금의 유리형성능력을 판별할 수 있어 신소재 개발 기간을 단축하는 데에 기여할 수 있을 전망이다.

(왼쪽부터)성균관대의 이동우 교수, 조해찬 연구원, 중국과학원 Yanhui Liu 교수. (사진=성균관대)

성균관대는 이동우 기계공학부 교수 연구팀이 금속유리를 전보다 쉽게 찾아낼 수 있는 전기저항 기반 판별 지표를 새로 발견했다고 21일 밝혔다. 이번 연구는 중국과학원(Chinese Academy of Sciences·CAS)의 Yanhui Liu 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해, ‘

금속유리는 일반적인 금속처럼 원자들이 규칙적으로 배열돼 있지 않고 유리처럼 불규칙하게 배열된 구조의 합금이다. 일반적인 결정질 금속보다 단단하고 내마모성이 우수하며 플라스틱처럼 복잡한 형상으로도 정밀하게 성형할 수 있다. 이에 로봇 부품, 우주 항공 신소재, 차세대 정밀 의료 기기 등의 핵심 재료로 주목받고 있다.

그러나 금속유리가 얼마나 잘 형성되는지를 나타내는 유리형성능력(Glass Forming Ability·GFA)은 예측하기가 어렵다. 어떤 합금이 액체 상태에서 냉각될 때 결정화되지 않고 금속유리 구조를 유지할 수 있는지 판단하기가 쉽지 않다는 의미다. 현재는 수많은 조성을 하나씩 제작한 뒤 X선 회절이나 열분석 장비를 이용해 일일이 측정해야 하며 이 과정에는 많은 시간과 비용이 소요된다.

이러한 한계를 극복하기 위해 연구팀은 합금의 내부 구조가 변할 때 미세하게 바뀌는 ’전기저항‘에 주목했다. 서로 다른 조성을 가진 박막 합금 라이브러리를 대량으로 제작해 약 3500개의 합금 조성을 대상으로 열을 가하는 방식으로 결정화 하는 실험을 진행했다. 그 결과 유리형성능력이 높은 함금일수록 열처리 과정에서 결정 구조가 형성될 때 전기저항이 크게 줄어들지 않는다는 점을 발견했다. 반면 유리 구조를 유지하지 못하고 쉽게 일반 금속으로 변하는 합금들은 전기저항이 큰 폭으로 떨어졌다.

이 전기저항 측정 방식은 한 조성을 검사하는 데 단 몇 초밖에 걸리지 않았다. 기존의 분석 장비를 사용할 때보다 소재 분석 속도가 수백 배 빨라진 것이다. 또 별도의 복잡한 미세 가공이나 고가의 특수 장비 없이도 넓은 범위의 합금 특성 지도를 순식간에 그릴 수 있어 신소재 스크리닝 공정을 단축할 수 있다.

이동우 교수는 “이번 연구 결과는 향후 관련 첨단 부품 소재 국산화와 신소재 개발 속도를 높이는 데 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.