UNIST 연구진이 철 불순물을 제거하는 대신 입자 안에 가두는 방식으로 상용 마그네슘 합금보다 부식 속도를 1/7 수준으로 낮춘 고내식성 마그네슘 합금을 개발했다.
UNIST 신소재공학과 박성수 교수팀은 마그네슘 속 철 불순물을 완전히 제거하는 대신 작은 입자 안에 가두는 설계 기술을 개발해 고내식성 마그네슘 합금을 만들었다고 12일 밝혔다.
마그네슘은 구조용 금속 중 가장 가벼운 소재로 알루미늄보다 가벼워 자동차와 항공기, 드론, 휴대용 전자기기 등 경량화가 필요한 분야에서 주목받아 왔다. 다만 물기나 소금기에 의해 쉽게 분해되는 특성 때문에 활용에 한계가 있었다.
특히 상용 마그네슘 원료에 포함된 미량의 철 불순물은 주변 마그네슘이 먼저 녹도록 해 합금의 부식을 빠르게 진행시키는 요인 중 하나다.
연구팀은 철 불순물이 마그네슘과 직접 닿지 않도록 입자 안에 가두는 방식으로 내식성을 높였다. 이를 위해 마그네슘 합금에 스칸듐을 미량 첨가했다.
스칸듐을 첨가하면 철이 스칸듐 화합물 껍질에 감싸인 ‘코어-쉘’ 구조가 만들어진다. 이 구조를 형성하려면 합금이 굳는 과정에서 철이 많은 코어가 먼저 생기고, 이후 철이 거의 없는 껍질이 이를 덮어야 한다.
연구팀은 여러 원소를 대상으로 이론 계산을 진행한 뒤 이 같은 구조를 만드는 데 적합한 첨가물로 스칸듐을 선정했다.
실험에서는 스칸듐을 넣지 않은 같은 마그네슘-알루미늄 합금을 3일 동안 소금물에 담갔을 때 심하게 부식됐지만, 스칸듐을 첨가한 합금은 큰 형태 변화가 나타나지 않았다.
무게 변화를 바탕으로 계산한 부식 속도는 22.2mm/y에서 0.38mm/y로 낮아져 약 60분의 1 수준으로 줄었다. mm/y는 같은 속도로 1년간 부식됐을 때 금속 두께가 몇 mm 감소하는지를 나타내는 단위다.
알루미늄 외에도 망간과 아연 등이 첨가된 상용 마그네슘 합금에 극미량의 스칸듐을 넣었을 때도 부식 속도가 1/7 수준으로 감소했다.
연구 결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 7월 23일 온라인 게재됐으며 과학기술정보통신부와 한국연구재단 등의 지원을 받아 수행됐다.
박성수 교수는 “그동안 마그네슘 기반 소재의 내식성을 높이려면 철 함량을 최대한 줄인 값비싼 고순도 원료가 필요하다는 인식이 강했는데, 이번에 개발된 합금은 초고순도 마그네슘 합금보다 철 불순물 함량이 6배 이상 높은데도 부식 속도가 더 느리다”며 “값비싼 초고순도 원료에 대한 의존도를 낮출 수 있어 고가소재로 인식되던 마그네슘 소재의 산업 경쟁력을 높일 수 있는 설계 기술이 될 것”이라고 말했다.
헬로티 이동재 기자 |
