해외기술

많은 곳에 적용 가능한 새로운 화합물의 발견

 편집부(외신)

다른 결합의 시도를 통하여 그동안 밝혀지지 않았던 탄탈룸(Ta)과 아연(Zn)의 특성 발견

하나의 물질은 종종 또 다른 물질을 초래한다.
Inna Talmy와 Naval Surface Center Carderock Div.에 있는 그녀의 팀은 고온 도성합금을 준비하기 위하여 ZnB2 와 Ta의 결합을 연구하였다. 하지만 ZnB2와 Ta의 결합을 통하여 하나가 아닌 세 개의 새로운 화합물을 발견하였다.
비슷한 시기에 미국에너지국의 Ames Lab에 있는 Nonel Materials Group은 희토, 전이금속과 아연의 결합을 연구하기 시작하였다. 또한 이 그룹의 팀장인 Paul Canfield의 보고서에 따르면 이 결합을 통하여 대략 70~140 종류의 화합물을 개발할 수 있을 것이다.
Talmy는 새로운 화합물의 연구를 통하여 우수한 강도를 가지고 높은 온도에서 고성능인 세라믹의 존재를 증명하였다. 그 중 첫 번째로 개발한 화합물이 Zr0.5Ta0.5B이다.

Zr에서 파생된 Hf
Talmy와 연구진은 Zr과 Hf 이 화학적으로 유사하기 때문에 우리는 Hf와 유사한 화합물이 형성될 수 있는지 증명하기 위하여 많은 실험을 하였다. 실험이 성공적으로 이루어졌을 때, 4족인 전이 금속의 세 번째 금속인 Ti를 주요 실험대상으로 하여 성공적인 결과를 얻을 수 있었다. Talmy는 “새로운 화합물은 2300℃보다 높은 녹는점을 가지고 있다”고 말한다.
모두 세 가지의 화합물이 다른 출발 혼합물로부터 합성되었다. 예를 들어 Zr을 이용하면 다음과 같다.
·0.5ZrB2 + 0.5Ta
·0.5Zr + 0.5Ta +B
·0.5TaB2 + 0.5Zr
다른 새로운 화합물의 혼합물에서 Hf 또는 Ti는 Zr을 대신한다. 또한 화합물은 상압이나 진공에서 1800~1900℃의 온도 범위에서 가열될 때 형성된다.
Talmy는 “화합물은 동일한 결정 구조(FeB 형태)를 갖는다. 결정격자 매개변수는 금속들의 원자 반경 차이 때문에 다소 다르게 나타난다. 또한 화합물은 각각 다른 화학적 특성을 가지고 있을 것으로 추정되지만 우리는 화합물의 특성을 정확히 알 수 없다”고 말한다.
“이러한 화합물로 구성된 세라믹은 유사한 연동 바 구조를 가지며 기계적 특성 또한 매우 유사하다. Ti가 기본 구성인 세라믹은 다른 두 가지(Hf, Zr)를 기본 구성으로하는 세라믹보다 좋은 내산화성을 갖는다.”
세라믹은 고온에서 압착으로 만들 수 있다. 또한 약 500
MPa의 강한 굽힘 강도와 약 20GPa의 경도를 갖는다. 이러한 특성 때문에 ZrB2를 포함하여 세라믹은 터빈 엔진과 우주선 등의 지구 대기권 재돌입체에 이용할 수 있는 후보 물질로서 세 가지의 새로운 물질은 우수한 내산화성(Talmy에 따르면 대략 1200~1300℃)뿐만 아니라 뛰어난 부식 저항을 나타낸다.
Talmy와 그녀의 팀은 ZrB2와 Ta를 50대 50의 몰분율로 혼합하여 붕소가 이론적으로 Ta, Zr과 공유한다는 것을 알았다. 그러나 TaB의 존재는 확인하였으나 ZrB는 존재는 확인하지 못하였다. Talmt는 “전이 금속인 모노보라이드의 모든 가능한 결정 구조 형태를 조사함으로써 FeB 형태의 구조가 새로운 화합물의 가장 적절한 조합인 것으로 확인하였다”고 말한다.
이것은 그들이 여러 번의 실험을 통하여 얻은 결론이다.
이 연구는  Office of Naval Research와 Air Force Office of Scientific Research가 후원하고 있다. Ceramic Sciences Group은 Navy에서 가장 중요한 세라믹 연구개발 그룹이다. 이 그룹의 다섯 멤버인 David Shifler, Joan Fuller, Jim Zaykoski, Mark Opeka, Ericc Wuchina, Curtis Martin은 초 고온 물질 연구 분야에서 가장 유능하다고 평가받고 있다.
 
아연과의 연관성
Carderoc에 있는 연구자들이 Ta를 연구의 주요 물질로 이용한 반면 Canfield, Sergey Bud’ko와 Iowa State University Dept. of Physics & Astronomy 졸업생인 haung Jia는 Zn을 주로 연구하였다. 이 두 가지의 다른 물질은 모두 희토이며 전이금속이다.
미국 에너지 사무국의 Basic Energy Sciences 프로그램이 이 연구를 후원하고 있다.
R은 희토이고 T는 전이금속이라고 하고 이것들을 매개변수로 하면 RT2Zn20이라는 방정식을 얻을 수 있다. 이 방법으로 만들어진 물질들에는 흥미로운 현상이 나타난다. ‘조정 가능성’이란 Canfield가 다른 물질들의 물리적 특성과 반응을 조사하기 위하여 조정된 물질의 특성을 설명하기 위하여 만들어낸 단어이다. 또한 아연이 성분의 87%를 구성할지라도 많은 좋은 결과들을 얻을 수 있다.
Canfield는 “우리는 전이 금속을 위한 10가지의 화합물을 만들 수 있다. 또한 10가지의 화합물에 우리는 7가지에서 14가지 사이의 희토를 포함시킬 수 있다”고 말한다.
연구자들은 화합물 중 하나인 YFe2Zn20의 강자성적 특성이 Pd와 거의 같다는 것을 발견하였다. 사실 Ames Lab에서 만든 화합물의 강자성적 특성이 팔라듐보다 더 좋다. Ni, Fe, Co와 같이 일반적인 금속의 자성에 대한 연구에서 YFe2Zn20을 팔라듐 기판으로 사용하는 것이 가능하게 되었다. 비록 많은 금속들이 연구에 맞는 좋은 특성을 나타내지만 연구자들은 팔라듐의 강자성적 특성이 낮은 온도에서 다른 일반적인 금속보다 좋기 때문에 팔라듐을 많이 사용한다.
Canfield는 “문제는 팔라듐은 쉽게 조절할 수 없는 물질이라는 것이다. 일단 팔라듐 사이트가 존재하면 이것은 다방면으로 사용하기 어려워진다. 실용적인 물질뿐만 아니라 기본적인 연구를 위하여 우리는 물질의 특성을 조절할 수 있는 화합물이 필요하다. 우리는 RT2Zn20을 우리의 목적에 맞게 조절할 수 있기 때문에 더욱 강자성적 특성을 갖도록 화합물을 조절할 수 있다”고 말한다.
궁극적으로 연구자들은 물질이 아주 낮은 온도에서도 좋은 강자성적 특성을 가질 수 있도록 조절하기를 원한다. 이것은 단지 강자성의 전과 후의 ‘사진’이 아닌 실제로 현상을 볼 수 있는 기회를 제공하게 될 것이다.
올해 Ames Lab의 60주년 기념행사에서 Ames Lab은 미국 에너지국으로부터 연구 후원을 받을 것이다. 이 연구의 주요 주제는 새로운 물질들과 물질의 합성에 관한 연구이다.
 (Ceramic Bulletin)

그림 1. Naval Surface Warfare Center carderock Div.에 있는 Ceramic Sciences Group에 의하여
        새로운 화합물로부터 파생된 세라믹은 미래 미국항공우주국(NASA)의 지구 대기권 재돌입체에 이용될 것이다

그림 2. 왼쪽 : 1시간동안 1900℃에서 가열되고 20MPa로 가압된 Ta0.5Ti0.5B 세라믹의 주사전자현미경(SEM) 사진 
         오른쪽 : 1시간동안 1800℃에서 가열되고 20MPa로 가압된 ZrB2+Ta (50대 50의 몰분율)의 주사전자현미경(SEM) 사진

그림 3. YFe2Zn20의 단일 결정은 YFe2Zn20이 반사면을 가지고 있음을 보여준다