리쯔메이칸 대학 이공학부 기계 공학과의 연구 그룹은 금속 재료의 역학 특성을 비약적으로 향상시키는 것이 가능한 세계 최초의 재료 창제법의 개발에 성공했다. 

현재 의료 분야(임플란트, 인공 관절, 미소 의료 기구 등) 및 항공 우주 분야(로켓, 인공 위성) 등 보다 고품질 금속 재료가 요구되는 분야에서 안전성과 내구성을 보증하면서 부품을 소형화·경량화하는 것이 요구되고 있다. 한편, 기존의 상식으로는 금속 재료는 여러 가지 방법으로 고강도화해도 강도와 연성의 트레이드 오프(Trade-off)가 불가피해 당연히, 강도가 높아질수록 인성도 저하되는 문제가 있어 금속 재료를 사용한 부품의 소형화·경량화에는 한계가 있었다. 

이번에 개발한 기술은 "조화 조직 제어법"이란 금속 재료 창제법이다. 프로세스는 (1) 원료 금속 분말의 표면 초강 가공, (2) 성형·소결, (3) 마무리 단계로 이루어진다. 기존의 분말 야금법과의 차이는 (1) 표면 초강 가공 뿐이다. 원료 금속 분말의 표면에만 큰 변화를 주어, 분말 표면에 나노미터 크기의 초미세 결정 입자 조직이 형성된다. 그 후, (2) 성형·소결을 실시함으로써 미세 결정 입자의 네트워크 조직이 대형 결정 입자를 감싸는 구조를 가진 금속 재료를 창제할 수 있었다. 미세 결정 부분이 고강도를 발휘하고, 대형 결정 입자가 연성을 유지함으로써 전체적으로 고강도 및 고인성을 양립시키는 메커니즘이다. 

지금까지, Ti(티타늄), Al(알루미늄), Ni(니켈), Fe(철), Cu(구리), Co-Cr-Mo 합금(코발트 합금), SUS(스테인리스 강) 등 거의 모든 금속 재료에서, 기존 창제법에 비해 높은 강도와 고인성을 모두 부여하는 매우 유용한 방법임이 밝혀졌다. 예를 들면, 생체 재료로도 쓰이는 순수 Ti의 경우, 기존 방법과 비교하여 인장 강도 1.5배, 인성 2.2배로 강도와 인성이 동시에 향상되는 것으로 나타나 고신뢰성이 실증되었다. 

2014년 4월부터, 가나자와 대학 의약 보건 연구 영역의 연구그룹과 본 재료 창제법으로 가공한 Co-Cr-Mo합금, 순수 Ti 등의 금속 재료를 바탕으로 스텐트를 시제작하고, 향후 실용화를 고려한 공동 연구를 개시할 예정이다. 

이번 연구는 JST산학 공동 창조 기초 기반 연구 프로젝트 기술 테마 "혁신적 구조용 금속 재료 창제를 목표로 한 헤테로 구조 제어에 근거한 새로운 지도 원리의 구축"으로 실시되었다. 또한, 국제적인 학술 잡지 Materials Transactions(2014년 1월호), Materials Science & Engineering:A지(2014년 3월호)에 게재되는 등 20편 이상의 국외·국내 학술지에 실린 성과를 정리해 보고하는 것이다. 3월 22일에는 일본 금속 학회 2014년 춘계 대회에서 발표가 예정되어 있다. 

본 연구는 금속 재료의 역학 특성을 비약적으로 향상시키는 것이 가능한 세계 최초의 재료 창제법이다. Ti(티탄), Al(알루미늄), Ni(니켈), Fe(철), Cu(구리), Co-Cr-Mo합금(코발트 합금), SUS(스테인리스 강) 등 거의 모든 금속 재료에서 본 창제법이 기존 창제법에 비해, 기존의 상식으로 트레이드 오프의 관계라고 알려진 고강도와 고인성 모두를 만족시키는 매우 유용한 방법임이 밝혀졌다. 본 창제법은 의료 분야, 항공 우주 분야 등 보다 고품질 금속 재료가 요구되는 분야에서 활용될 것으로 기대된다. 

유사 이래 여러 가지 분야에서 이용되고 있는 금속 재료의 최대 특징은 구부리거나 펴거나 다양하게 가공할 수 있고, 재료의 미세 구조를 제어함으로써 역학적 성질 등의 특성을 바꿀 수 있는 것이다. 재료를 보다 고강도로 하면, 부품의 소형화나 박형화로 이어지고, 경량화할 수 있으므로 자원 절약, 에너지 절약은 물론, 이산화탄소 배출 저감에도 공헌할 수 있다. 일반 구조용 금속 재료는 다수의 결정 입자의 모임으로 되어 있다. 따라서 고강도 구조용 금속 재료 개발 연구가 더욱 균일하고 미세한 결정 입자를 지닌 미세 구조의 제어 및 더 정밀한 합금 설계 등 다양한 방법에 의해 진행되어 왔다. 그러나, 금속 재료는 여러 가지 방법으로 고강도화해도, 강도와 연성의 트레이드 오프가 불가피해 당연히 인성이 떨어진다는 문제점이 있었다. 그래서 지금까지 고강도와 고 인성을 양립하는 것은 불가능하다고 여겨져 왔다. 

"조화 조직 제어"란 금속 재료의 결정 입자 크기와 배치를 인위적으로 제어하는 것이다. 이렇게 미세 구조를 제어한 재료를 조화 조직 재료라고 부른다. "조화 조직 제어법"에 의해 제조되는 재료는 특히 의료 분야(스텐트나 임플란트, 미소 의료 기구 등), 항공 우주·위성 분야(미소 케이스·기판, 미소 체결 부재 등)와 같은 신뢰성이 요구되는 분야에서의 응용이 기대된다. 이들 분야에서는 다양한 장치와 부품의 소형화, 경량화가 중요하지만 기존 재료의 경우 충분한 역학 특성을 확보해야 하기 때문에, 소형화에는 한계가 있었다. 고신뢰성을 보증하고 소형화나 박형화하기 위해서는 고강도·고인성을 동시에 만족시켜야 한다. 

이에 대해 본 개발법에서는 순수 티탄의 미세 구조를 조화 조직 제어하는 것만으로 높은 강도와 고인성을 양립시킬 수 있어 보다 소형으로 만드는 것이 가능하게 되었다. 본 연구에서는 금속 재료의 역학적 성질을 거시적 조화 조직이라는 구조로 디자인함으로써 크게 향상시킬 수 있음을 실증했다. 이는 이른바 "창발, emergence"라는 개념과 유사하다. "창발"이란 생물학 등에서 쓰이는 용어지만, 재료학에서도 그동안 나노 스케일에서 논의된 성질이 거시 규모로 새로운 구조를 만들었을 때에, 완전히 새로운 기능(고강도·고인성)을 낳게 되었다는 점에서 "창발"이라고 할 수 있다. "조화 조직 제어"는 재료학의 패러다임에 변화가 될 수 있음을 시사하고 있어, 향후의 재료 설계의 새로운 지침이 될 것으로 기대된다. 
 

* 자료 - KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』