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UNIST, 부식 속도 60분의1 저감 고내식성 마그네슘 합금 개발
▲ 연구진이 코어-쉘 설계 기술을 적용한 마그네슘 합금(左)과 기존 합금(右)을 비교하고 있다.
국내 연구진이 가볍지만 부식에 취약해 활용에 한계가 있던 마그네슘 합금의 내식성을 크게 높이는 기술을 개발했다. 철 불순물을 제거하는 대신 입자 내부에 가두는 새로운 합금 설계를 통해 기존 소재보다 부식 속도를 크게 낮추면서 마그네슘 소재의 산업 활용 확대 가능성을 높였다.
UNIST는 신소재공학과 박성수 교수팀이 마그네슘 합금 내 철 불순물을 작은 입자 내부에 가두는 설계 기술을 개발해 고내식성 마그네슘 합금을 구현했다고 12일 밝혔다.
이번 연구의 핵심은 마그네슘 합금에 미량의 스칸듐(Sc)을 첨가해 철과 스칸듐 화합물로 구성된 ‘코어-쉘(core-shell)’ 구조를 형성하는 것이다. 철 불순물이 마그네슘과 직접 접촉하지 않도록 입자 내부에 가둬 부식을 촉진하는 철의 영향을 줄이는 방식이다.
마그네슘은 구조용 금속 가운데 가장 가벼운 소재로 알루미늄보다도 가벼워 자동차, 항공기, 드론, 휴대용 전자기기 등 경량화가 중요한 산업에서 주목받아 왔다. 그러나 수분이나 염분에 노출될 경우 쉽게 부식되는 특성 때문에 실제 산업 적용에는 한계가 있었다.
특히 철 불순물은 마그네슘 합금의 부식을 촉진하는 대표적인 원소다. 상용 마그네슘 원료에 포함된 미량의 철이 주변 마그네슘을 먼저 녹게 만들어 소재 표면의 손상을 가속하기 때문이다.
연구팀은 철을 완전히 제거하는 기존 방식과 달리 철이 마그네슘과 직접 접촉하지 않도록 구조적으로 차단하는 방법을 택했다. 이를 위해 여러 원소를 대상으로 이론 계산을 진행한 뒤 스칸듐을 적합한 첨가 원소로 선정했다.
스칸듐을 첨가하면 합금이 응고되는 과정에서 철이 많이 포함된 코어가 먼저 형성되고, 그 주변에 철 함량이 낮은 스칸듐 화합물 기반의 껍질이 형성된다. 이 과정에서 철이 코어 내부에 집중되면서 마그네슘과의 직접적인 접촉을 차단하는 코어-쉘 구조가 만들어진다.
실험 결과에서도 내식성 개선 효과가 확인됐다. 스칸듐을 첨가하지 않은 동일한 마그네슘-알루미늄 합금은 3일간 소금물에 담갔을 때 심하게 부식됐지만, 스칸듐을 첨가한 합금은 큰 형태 변화가 나타나지 않았다.
무게 변화를 기준으로 측정한 부식 속도는 22.2mm/y에서 0.38mm/y로 감소해 약 60분의 1 수준으로 낮아졌다. mm/y는 금속이 동일한 부식 속도로 1년 동안 부식될 경우 감소하는 두께를 나타내는 단위다.
상용 마그네슘 합금을 대상으로 한 실험에서도 스칸듐의 효과가 나타났다. 알루미늄뿐만 아니라 망간, 아연 등이 첨가된 상용 마그네슘 합금에 극미량의 스칸듐을 첨가한 결과 부식 속도가 기존 대비 약 1/7 수준으로 감소했다.
특히 이번에 개발된 합금은 철 불순물 함량이 초고순도 마그네슘 합금보다 6배 이상 높음에도 더 낮은 부식 속도를 나타냈다는 점에서 의미가 크다. 기존에는 마그네슘 소재의 내식성을 확보하기 위해 철 함량을 극도로 낮춘 고순도 원료를 사용하는 것이 일반적이었지만, 이번 기술은 불순물을 제거하기보다 합금 내에서 유해한 영향을 차단하는 새로운 접근법을 제시했다.
박성수 UNIST 신소재공학과 교수는 “그동안 마그네슘 기반 소재의 내식성을 높이려면 철 함량을 최대한 줄인 값비싼 고순도 원료가 필요하다는 인식이 강했다”며 “이번에 개발된 합금은 초고순도 마그네슘 합금보다 철 불순물 함량이 6배 이상 높은데도 부식 속도가 더 느리다”고 말했다.
이어 “값비싼 초고순도 원료에 대한 의존도를 낮출 수 있어 고가 소재로 인식되던 마그네슘 소재의 산업 경쟁력을 높일 수 있는 설계 기술이 될 것”이라고 강조했다.
한편 이번 연구 결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 7월 23일 온라인 게재됐다. 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단 등의 지원을 받아 수행됐다.