‘쇠 녹여 쌓았더니 2배 단단'…산학협력 '강철 레시피'

[포항=뉴시스]송종욱 기자 = 쇠를 녹여 한층씩 쌓았더니 원래보다 두배 가까이 단단해졌다. 답은 금속 안에 숨어 있는 아주 작은 ’버팀목'이었다.

포스텍은 친환경소재학과·신소재공학과 김형섭 교수 연구팀과 금속 3D 프린팅 기업 브이에프스페이스(VF Space) 연구팀이 레이저로 금속 와이어를 녹여 쌓은 스테인리스강이 일반 제품보다 최대 2배 높은 항복 강도를 보인다는 사실을 확인했다고 9일 밝혔다.

이번 연구는 재료 공학 분야 국제 학술지 'Materials Science and Engineering: A' 온라인판에 실렸다.

최근 금속 와이어를 레이저로 녹여 쌓는 3D 프린팅이 큰 부품도 효율적으로 만들 수 있어 주목 받고 있으나 금속이 녹을 때 속이 어떻게 바뀌고, 얼마나 튼튼한지는 충분히 밝혀지지 않았다. 이를 정확히 알아야 산업 현장에서 믿고 쓸 수 있다.

이번에 사용한 316L 스테인리스강은 바닷물에도 잘 녹슬지 않아 주방용품부터 의료기기, 선박, 화학 설비까지 두루 쓰인다. 브이에프스페이스는 금속 3D 프린터로 316L(지름 1㎜) 스테인리스강 와이어를 레이저로 녹여 한 층씩 쌓아 가로·세로·높이 4㎝의 금속 블록을 만들었다.

포스텍 연구팀은 이 블록을 서로 직각인 세 방향으로 잘라 양쪽에서 잡아당기는 실험을 하고, 전자현미경과 방사광가속기, 컴퓨터 시뮬레이션으로 내부를 살펴 '얼마나 강한가?'·'왜 강한가?'를 확인했다.

실험결과 항복 강도는 방향에 따라 444~514 메가파스칼(MPa)로 나타났다. 항복 강도는 금속이 힘을 받다가 원래대로 돌아오지 못하고 휘어지기 시작하는 지점이다. 이 수치는 일반 압연 제품의 256MPa보다 70~101% 높고, 가장 강한 방향에 2배에 달했다. 또 금속은 원래보다 37~46% 늘어날 때까지 끊어지지 않고 안정적으로 버텼다.
 
비밀은 금속속에 고르게 퍼진 '델타 페라이트'라는 미세 조직이었다. 금속은 원자 배열속 '어긋남(전위)'이 미끄러지듯 움직이며 휘어지는데 레이저로 순간 녹였다가 빠르게 굳히는 과정에서 생긴 '델타 페라이트'는 이 어긋남이 움직이는 길을 막는 버팀목 역할을 했다.

대학과 기업이 산학 협력을 통해 함께 진행한 이번 연구는 금속 3D 프린팅이 모양을 만드는 기술을 넘어, 금속의 '속'까지 설계하는 기술로 나아갈 수 있음을 보여줬다.

연구팀이 밝힌 공정과 속 구조, 강도 사이의 연결 고리는 원하는 성능에 맞춰 공정을 조절하는 '레시피'가 될 전망이다. 선박이나 플랜트처럼 크고 튼튼한 금속 부품이 필요한 산업 현장에 활용할 것으로 기대한다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 재원으로 한국연구재단의 나노 및 소재기술개발사업과 연구 과제 지원을 받아 이뤄졌다.


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