[논문]고엔트로피 합금의 연구동향

박푸른솔; 이호준; 조영준; 구본승; 최원준; 변종민

doi:10.4150/kpmi.2019.26.6.515

고엔트로피 합금의 연구동향
Research Trends of High-entropy Alloys 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.26 no.6, 2019년, pp.515 - 527

박푸른솔 (서울과학기술대학교 신소재공학과) , 이호준 (서울과학기술대학교 신소재공학과) , 조영준 (서울과학기술대학교 신소재공학과) , 구본승 (서울과학기술대학교 신소재공학과) , 최원준 (한양대학교 신소재공학과) , 변종민 (서울과학기술대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

High-entropy alloys (HEAs) are generally defined as solid solutions containing at least 5 constituent elements with concentrations between 5 and 35 atomic percent without the formation of intermetallic compounds. Currently, HEAs receive great attention as promising candidate materials for extreme environments due to their potentially desirable properties that result from their unique structural properties. In this review paper, we aim to introduce HEAs and explain their properties and related research by classifying them into three main categories, namely, mechanical properties, thermal properties, and electrochemical properties. Due to the high demand for structural materials in extreme environments, the mechanical properties of HEAs including strength, hardness, ductility, fatigue, and wear resistance are mainly described. Thermal and electrochemical properties, essential for the application of these alloys as structural materials, are also described.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 고에서는 전세계적으로 큰 관심을 받고 있는 차세대 극한환경재료인 고엔트로피 합금에 대한 전반적인 소개와 더불어 특성 향상을 위한 국내외의 연구 동향을 소개하고자 한다.
또한 변형쌍정(Deformation twinning) 거동이 극저온 환경의 조건에서만 확인되었다[49]. 따라서 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 Cr과 Co를 줄인 Fe₄₀Mn₄₀Co₁₀Cr₁₀ 합금을 대상으로 연구를 수행하였으며, Fe₄₀Mn₄₀Co₁₀Cr₁₀ 합금의 경우 변형쌍정 거동이 상온에서도 발생하는 것을 확인하였다. 그림 9는 Fe₄₀Mn₄₀Co₁₀Cr₁₀ 합금에 인장 변형을 가했을 때의 미세구조의 변화를 나타낸 것이며, 변형률이 10% 이하일 때는 평면 슬립(Planar slip)이 일어나는 반면 10% 이상의 변형률에서는 변형쌍정이 추가로 작용하는 것을 확인하였다.
따라서, 이번 장에서는 고엔트로피 합금의 물리·화학적인 특성을 기계적 특성, 열적 특성, 전기화학적 특성으로 분류하여 소개하고자 한다.
피로란 재료가 항복강도 이하의 하중을 반복적으로 받으면서 강도가 약해지는 현상이며, 하중 변화 값이 작음에도 불구하고 하중 변화의 빈도가 크기 때문에 재료의 파괴가 발생하기 쉽다. 이러한 피로는 구조재료로 적용되기 위해서는 반드시 검증이 필요한 특성 중 하나이므로 전 세계적으로 많은 연구자들이 고엔트로피 합금에서의 균열성장 거동과 특히 고주기 피로 거동을 밝히기 위한 연구를 수행하였다.

성능/효과

그림 15는 1300℃의 산화 분위기에 일정시간 노출된 고엔트로피 합금의 중량 변화이다. 결과적으로 V은 산화저항을 낮추고 Si과 Ti은 산화저항을 높이는 효과를 가지는 것으로 확인되었다. V이 산화저항에 부정적 영향을 끼치는 이유는 V이 산화물의 공극률(Porosity)을 높이고 VO_x로 인한 기공 형성으로 인해 금속과 산화물 계면에 산소가 잘 침투되기 때문이며, 반면에 Si의 첨가는 VOx 형성을 억제하고 (Nb,Ti)₅Si₃ 상이 형성되어 산소 확산을 방지하기 때문에 산화저항을 높인다고 보고하였다.
계산 결과는 표 2와 같으며 Al의 함량이 증가할수록 포논의 영향이 강하게 작용함을 알 수 있다. 이는 격자 왜곡이 심하게 작용할수록 포논의 영향이 강해지는 것을 의미한다.
그림 7은 다양한 합금들과 고엔트로피 합금의 피로 특성을 비교하여 나타낸 것이다. 고엔트로피 합금은 Al 합금 및 Mg 합금 등과 같은 일반적인 합금에 비하여 상대적으로 높은 최대인장강도(Ultimate tensile strength, UTS)와 피로한도(Fatigueendurance limit, EL)를 가지며, 피로 비율(Fatigue ratio, EL/UTS) 또한 다른 합금계보다 큰 값을 보이는 것을 알 수 있다.
5Ti_y 합금을 대상으로 Al과 Ti의 첨가량을 달리하여 마모실험을 수행하였다[31]. 그 결과 Al_3.2Co_24.2Cr_16.1Fe_16.1Ni_24.2Ti_16.1 합금은 공구강(Tool steel)인 SKD61이나 SKH51보다 경도가 낮음에도 불구하고 우수한 내마모성을 갖는 것을 확인하였다. 이러한 원인으로는 마모의 경우 산화로 인해 표면이 연화되면서 발생하는데 고엔트로피 합금은 구조적 특성으로 인해 기본적으로 높은 고온 경도를 가지며, 더불어 표면에 치밀한 산화막의 형성으로 인해 산화 저항성이 우수하기 때문이다[31, 51].
Zaddach 연구팀은 그림 8과 같이 NiFeCrCoMn 합금이 약 20 mJ/m²의 낮은 적층결함에너지를 가진다고 보고하였다[43]. 원소 첨가량 최적화를 통해 Ni₁₄Fe₂₀Cr₂₆Co₂₀Mn₂₀ 합금이 3.5 mJ/m²의 매우 낮은 적층결함에너지를 가지며 이는 낮은 적층결함에너지를 가진 다른 합금들보다 현저히 낮은 수치임을 확인하였다.

후속연구

알루미늄만큼 가벼우나, 비정질 합금보다 강한 경량 고엔트로피 합금은 자동차 등의 운송수단에 구조재로 적용 가능할 것이며, 고융점 원소를 바탕으로 제조된 고융점 고엔트로피 합금의 경우에는 우수한 고온특성으로 인해 기존 Ni기 초내열합금을 대체하여 가스 터빈, 로켓 노즐 등에 적용 가능할 것으로 예상된다. 또한 77K의 극저온에서도 우수한 파괴인성을 나타내는 고엔트로피 합금은 고망간강을 대체 가능한 재료로 탁월한 선택이 될 수 있을 것이다.
하지만 현재까지 고엔트로피 합금의 발전 속도를 고려해 봤을 때 그리 멀지 않은 시점에 상용화가 이루어질 것으로 기대된다. 알루미늄만큼 가벼우나, 비정질 합금보다 강한 경량 고엔트로피 합금은 자동차 등의 운송수단에 구조재로 적용 가능할 것이며, 고융점 원소를 바탕으로 제조된 고융점 고엔트로피 합금의 경우에는 우수한 고온특성으로 인해 기존 Ni기 초내열합금을 대체하여 가스 터빈, 로켓 노즐 등에 적용 가능할 것으로 예상된다. 또한 77K의 극저온에서도 우수한 파괴인성을 나타내는 고엔트로피 합금은 고망간강을 대체 가능한 재료로 탁월한 선택이 될 수 있을 것이다.
고엔트로피 합금은 현재 기술 및 시장 선점을 위한 경쟁이 치열하게 진행되는 상황이므로 우리나라 역시 주요 기술선진국들이 상용화에 성공하여 진입장벽을 굳건히 하기 전에 정부의 제도적인 지원을 바탕으로 산·학·연이 협력을 통해 관련 연구를 활성화하고 원천기술을 확보할 필요가 있다. 이러한 원천기술의 확보는 국내 소재 산업의 발전에도 큰 도움을 줄 것이 자명하므로 가까운 미래에는 우리나라 또한 관련 기술 및 산업을 주도하는 기술선진국 반열에 진입할 수 있을 것으로 기대된다.
이러한 노력에도 불구하고 고엔트로피 합금의 상용화를 위해서는 실제 노출 환경에서의 신뢰성 확보와 제조 공정 최적화 등이 여전히 해결해야 할 사안으로 남아있는 상황이다. 하지만 현재까지 고엔트로피 합금의 발전 속도를 고려해 봤을 때 그리 멀지 않은 시점에 상용화가 이루어질 것으로 기대된다. 알루미늄만큼 가벼우나, 비정질 합금보다 강한 경량 고엔트로피 합금은 자동차 등의 운송수단에 구조재로 적용 가능할 것이며, 고융점 원소를 바탕으로 제조된 고융점 고엔트로피 합금의 경우에는 우수한 고온특성으로 인해 기존 Ni기 초내열합금을 대체하여 가스 터빈, 로켓 노즐 등에 적용 가능할 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고엔트로피 합금이 일반 합금계의 고용체와는 다른 농축 고용체로 구성되면서 갖게되는 특성은?	그 결과, 고엔트로피 합금은 금속간화합물을 형성하지 않고 체심입방(Face-centered cubic, FCC) 구조 혹은 면심입방(Body-centered cubic, BCC) 구조의 단상(Single phase)을 형성하며, 일반적인 합금계에서의 고용체와는 다소 상이한 농축 고용체(Concentrated solid solution)로 구성되는 것으로 알려져 있다[7]. 이와 같이 독특한 조성과 미세구조로 인하여 고엔트로피 합금은 상온에서 높은 강도(Strength)와 경도(Hardness)를 가질 뿐만 아니라 저온 및 고온에서도 우수한 기계적 물성을 가지며, 적절한 조성설계를 통해서 우수한 내마모성, 내산화성, 내부식성 등의 특성을 나타낼 수 있다[8-11]. 이와 같이 우수한 특성으로 인해 고엔트로피 합금에 대한 관심은 현재까지 지속적으로 증가하고 있다.
	극한환경재료란?	일반적으로 높은 온도와 압력, 산화 분위기, 중성자 조사와 같이 극한의 환경에서 사용되는 재료를 극한환경재료라고 칭하며, 가스터빈엔진 등에 쓰이는 Ni기 초내열합금이나 우주항공 분야에 사용되는 섬유강화 복합재료, 또는 극저온용 고망간강 등이 그 대표적인 예이다. 이러한 극한환경재료들은 각각의 극한환경을 견디기 위해 필요한 물성을 충족시키는 방향으로 발전을 거듭하여 왔다.
	고엔트로피 합금의 특징은?	일반적으로 통용되는 합금계의 경우 철, 구리, 니켈, 알루미늄 등과 같은 주요 원소와 더불어 첨가량이 제한된 소량의 합금 원소로 구성되며, 이와 같이 합금 원소를 소량으로 제한하는 이유는 합금원소가 많아질수록 금속간화합물(Intermetallic compounds)이 생성되고 이들이 지닌 취성으로 인해 기계적 성질이 약화되기 때문이다. 이에 반해 고엔트로피 합금은 유사한 원자 반경을 갖는 5개 이상의 원소들이 거의 같은 분율로 구성되어 있으며 높은 배열 엔트로피(Configurational entropy)로 인한 심한 격자 왜곡과 느린 확산속도를 갖게 된다. 그 결과, 고엔트로피 합금은 금속간화합물을 형성하지 않고 체심입방(Face-centered cubic, FCC) 구조 혹은 면심입방(Body-centered cubic, BCC) 구조의 단상(Single phase)을 형성하며, 일반적인 합금계에서의 고용체와는 다소 상이한 농축 고용체(Concentrated solid solution)로 구성되는 것으로 알려져 있다[7].

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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