기계공학부 이동우 교수 연구팀이 중국과학원(Chinese Academy of Sciences, CAS)의 Yanhui Liu 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해, ‘금속유리(Metallic Glass)’를 매우 빠르고 쉽게 찾아낼 수 있는 혁신적인 전기저항 기반의 새로운 판별 지표를 발견했다고 밝혔다. 이번 연구 결과는 소재 과학 분야의 세계적인 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’에 게재되었다.  

금속유리는 일반적인 금속처럼 원자들이 규칙적으로 배열되어 있지 않고, 유리처럼 불규칙하게 배열된 독특한 구조를 가진 합금이다. 일반적인 결정질 금속보다 단단하면서도 내마모성이 뛰어나며, 플라스틱처럼 복잡한 형상으로도 정밀하게 성형할 수 있어 로봇 부품, 우주 항공 신소재, 차세대 정밀 의료 기기 등의 핵심 재료로 큰 기대를 모으고 있다. 그러나 금속유리가 얼마나 잘 형성되는지를 나타내는 유리형성능력(Glass Forming Ability, GFA)은 미리 예측하기 어렵다. 즉, 어떤 합금이 액체 상태에서 냉각될 때 결정화되지 않고 금속유리 구조를 유지할 수 있는지를 판단하는 것이 쉽지 않다. 지금까지는 수많은 조성을 하나씩 제작한 뒤 X선 회절이나 열분석 장비를 이용해 일일이 측정해야 했으며, 이 과정에는 많은 시간과 비용이 필요해 금속유리의 새로운 조성을 찾는 데 큰 어려움이 있었다.  

연구팀은 합금의 내부 구조가 변할 때 미세하게 바뀌는 ‘전기저항’에 주목했다. 서로 다른 조성을 가진 박막 합금 라이브러리를 대량으로 제작해 총 약 3,500개의 합금 조성을 대상으로 열을 가해 결정화 하는 실험을 진행했다. 그 결과, 유리형성능력이 높은 함금일수록 열처리 과정에서 결정 구조가 형성될 때 전기저항이 크게 줄어들지 않는 독특한 물리적 특징을 찾아냈다. 반면 유리 구조를 유지하지 못하고 쉽게 일반 금속으로 변하는 합금들은 전기저항이 큰 폭으로 떨어졌다.  

이 전기저항을 측정하는 방식은 한 조성을 검사하는 데 단 몇 초밖에 걸리지 않아, 기존의 분석 장비를 사용할 때보다 소재 분석 속도가 수백 배 빨라지는 혁신적인 효율성을 자랑한다. 또한 별도의 복잡한 미세 가공이나 고가의 특수 장비 없이도 넓은 범위의 합금 특성 지도를 순식간에 그려낼 수 있어 신소재 스크리닝 공정을 획기적으로 단축했다. 연구팀은 이 지표가 얇은 필름 형태뿐만 아니라 공장에서 대량으로 찍어내는 일반적인 리본 형태의 금속 신소재에도 동일하게 적용될 수 있음을 검증해 기술의 신뢰성을 더했다.  

이동우 교수는 “이번에 발견한 전기저항 변화 지표는 원자 배열의 무질서함과 복잡한 나노 결정화 과정을 가장 직관적이면서도 빠르게 대변해 주는 강력한 도구”라며 “수억 가지가 넘는 복잡한 다성분계 합금 공간에서 차세대 벌크 금속유리 신소재를 발굴하는 지도를 손에 쥔 것과 같아, 향후 관련 첨단 부품 소재 국산화와 신소재 개발 속도를 크게 끌어올릴 것”이라고 연구의 의의를 밝혔다.  

본연구는 4단계 BK21사업 대학원생 해외연수 지원사업, 중소벤처기업부의 중소기업기술정보진흥원(TIPA) 기술혁신개발사업과 과학기술정보통신부 정보통신기획평가원(IITP)의 지원을 받아 수행되었다.  

한 번의 공정으로 수백 개의 합금을 제작 및 평가하고, 전기저항 변화율을 이용해 금속유리 유리형성능력을 빠르게 탐색하는 소재 개발 플랫폼 개념도