UNIST, 소금물에 담가도 멀쩡한 고내식성 마그네슘 합금 개발 

- 불순물 철 제거 대신 입자 안에 가두는 설계 기술 개발

- 상용 합금 대비 부식 속도 1/7 수준

연구진 사진. 왼쪽부터 박성수 교수, 김정기 연구원. (자료제공: UNIST)

코어-쉘 설계 기술이 적용된 마그네슘 합금(좌측)과 기존 합금(우측). (자료제공: UNIST)

가볍지만 쉽게 삭아버려 널리 쓰이기 어려웠던 마그네슘 합금의 부식을 크게 줄이는 기술이 나왔다. 상용 합금 대비 부식 속도가 1/7 수준으로 줄었으며, 3일 동안 소금물에 담가놓아도 형태 변화 없이 멀쩡했다.

UNIST는 신소재공학과 박성수 교수팀이 마그네슘 속 철 불순물을 완전히 제거하는 대신 작은 입자 안에 가두는 설계 기술을 개발해 고내식성 마그네슘 합금을 만들었다고 8월 12일 밝혔다.

마그네슘은 구조용 금속 중 가장 가볍다. 알루미늄보다 가벼워 자동차, 항공기, 드론, 휴대용 전자기기처럼 경량화가 필요한 분야에서 주목받아 왔지만, 물기나 소금기에 의해 쉽게 분해되는 탓에 널리 쓰기 어려웠다.

철 불순물은 마그네슘 합금의 부식을 빠르게 키우는 요인 중 하나다. 상용 마그네슘 원료에는 미량의 철이 들어 있는데, 철이 주변 마그네슘이 먼저 녹도록 만들어 표면을 빠르게 손상시킨다. 

코어-쉘 구조 입자 형성을 통한 마그네슘 합금 내 불순물 포집. (자료제공: UNIST)

연구팀은 철 불순물을 입자 안에 가둠으로써 마그네슘과 직접 닿는 것을 차단하는 설계 기술을 통해 고내식성 합금을 개발했다.

마그네슘 합금에 스칸듐을 미량 첨가한 기술이다. 스칸듐을 넣게 되면, 철이 스칸듐 화합물 껍질에 감싸진 ‘코어-쉘’ 구조가 만들어진다. 이 코어-쉘 구조를 만들기 위해서는 합금이 굳는 과정에서 철이 많은 코어가 먼저 생기고, 그 위를 철이 거의 없는 껍질이 덮어야 한다. 

연구팀은 여러 원소를 대상으로 이론 계산을 한 뒤, 적합한 첨가물로 스칸듐을 골랐다. 실험 결과, 스칸듐을 넣지 않은 같은 마그네슘-알루미늄 합금은 3일 동안 소금물에 담그자 심하게 녹아버렸지만, 스칸듐을 넣은 합금은 큰 형태 변화가 없었다. 

무게 변화로 계산한 부식 속도도 22.2mm/y에서 0.38mm/y로 낮아져, 약 60분의 1 수준에 그쳤다. mm/y는 부식 속도를 나타내는 단위로, 같은 속도로 1년 동안 부식됐을 때 금속 두께가 몇 mm 줄어드는지를 뜻한다.

또 상용 마그네슘 합금에 극미량의 스칸듐을 넣는 것만으로도 부식 속도가 1/7 수준으로 늦춰졌다. 상용 마그네슘 합금은 알루미늄 외에도 망간, 아연 등이 첨가되어 있다.

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.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 등의 지원을 받아 이뤄졌다. 연구 결과는 세계적 권위의 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 7월 23일 온라인 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]