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3강 금속이 액체라면? 임혜인 숙명여대 교수 2편 본문
한국 물리학회 교육 위원회가 주관하고 (주)사이언스북스가 후원하는 「물리 어벤져스 2019」 세 번째 강연의 주인공은 숙명 여자 대학교 임혜인 교수님이었습니다. 지난 8월 30일(금)에 진행된 강연에서 임혜인 교수님은 “금속이 액체라면: 재료 혁명의 시대”라는 제목으로 비정질 금속의 물리학에 대해 강연해 주셨습니다. 여러 산업 영역에서 활용되고 있는 놀라운 성질을 가진 흥미진진한 새로운 재료들, 비정질 금속의 역사와 특징에 대해 알게 된 자리였습니다. 오늘은 1편에 이어 2편을 게재합니다. 현장 스케치 기사는 프리랜서 라이터 신연선 작가가 수고해 줬습니다.
물리 어벤져스 2019
3강 금속이 액체라면? 임혜인 숙명여대 교수 2편
비정질 금속, 얼마나 변형이 가능할까?
이제 본격적으로 비정질 금속의 성질을 살펴보겠습니다. 먼저 기계적 성질입니다. “양쪽으로 당겼을 때(인장), 눌렀을 때(압축), 굽혔을 때, 면에 힘을 가했을 때(전단)” 어떤 성질을 보이는지 확인하는 것이 ‘강도’ 측정입니다.
“세로축의 ‘응력(Stress)’은 재료에 준 힘을 힘에 가한 면적으로 나눈 것이고요. 가로축 ‘변형(Strain)’은 재료의 늘어난 길이를 본래 길이로 나눈 것입니다. 간단히 말해, 힘을 줘서 늘어났다면 얼마만큼 늘어났는지를 확인하는 그래프예요. 주요하게 보실 부분은 ‘탄성 변형’과 ‘소성 변형’입니다. 직선으로 뻗은 탄성 변형까지는 힘을 주면 늘어나고, 힘을 주지 않으면 원래의 형태로 돌아가는 걸 말해요. 그런데 소성 변형부터는 회복이 안 됩니다. 원래 모습으로 돌아가지 않는 거예요.”
더불어 우리는 위 그래프를 통해 “잡아당겼을 때 얼마만큼 견딜 수 있느냐(인장 강도)”와 “탄성 변형에서 소성 변형으로 바뀌는 지점(항복 강도)” 등을 확인할 수 있습니다. 임혜인 교수님은 재료의 강도를 측정할 때 “변형이 얼마만큼 되느냐가 중요한 부분”이라고 강조하며 이것이 비정질 금속의 활용에 중요한 조건이 된다고 설명했습니다.
같은 맥락에서 ‘피로 강도(Fatigue)’등 다른 강도를 살피는 일도 중요하겠죠. ‘Cree’은 온도에 따른 강도 변화를, ‘Hardness’는 다이아몬드처럼 강한 물질로 재료를 눌렀을 때 얼마나 눌리는지를 확인하는 것입니다.
“제가 손에 들고 있는 리모컨도 한 번 쓰고 마는 것이 아니죠. 의자도 마찬가지, 책상도 마찬가지입니다. 재료에 한 번만 힘을 주는 게 아니라 여러 번 반복해서 힘을 주게 되는데요. 피로 강도란 사용한 횟수에 따른 강도 변화를 확인하는 겁니다. 당연히 사용 횟수가 증가하면 강도도 떨어질 텐데 재료마다 그 떨어지는 정도가 다를 거예요. 또한 재료는 온도에도 영향을 많이 받습니다. 온도가 높아지면 강도가 떨어지고요.”
비정질 금속의 기계적 성질을 살펴보았으니 이제 물리적 성질을 살펴볼 차례입니다. ‘전기적 성질’, ‘열적 성질’, ‘자기적 성질’, ‘광학적 성질’을 구분한 임혜인 교수님은 비정질 금속의 조성과 구조, 기계적 성질과 물리적 성질, 합성과 공정 등의 과정이 어떻게 유기적으로 연결되어 중요한 의미를 갖는지 위의 이미지와 함께 설명했습니다. “각 조건이 모두 유기적으로 영향을 미친다.”는 것인데요. 비정질 금속을 조성만으로, 혹은 기계적 성질만으로 결정할 수 없는 복합성을 보여 주는 대목이었습니다.
자, 그렇다면 이제 비정질 금속의 이러한 성질을 측정하는 방법을 알아볼 차례입니다. 다음의 이미지를 보며 임혜인 교수님의 설명을 들어볼까요.
“우선 미세 구조를 파악할 수 있는 가장 강력한 실험 방법은 엑스선 회절 분석법(X-Ray Diffraction, XRD)입니다. 열적 특성을 알 수 있는 실험 방법은 DSC(Differential Scanning Calorimetry)고요. 자기적 성질을 연구할 때 가장 많이 사용하는 기계는 VSM(Vibrating-Sample Magnetometer)입니다. VSM은 양쪽에 자석이 있어서 사이에 자기장을 흐르게 하고요. 그 가운데에 시편을 놓습니다. 이때 시편이 자석으로 바뀌기 시작하는데 얼마나 강한 자석이 되느냐를 측정하는 거예요.”
조금 더 자세히 살펴보겠습니다. 다음 이미지는 비정질 금속과 결정질 금속의 XRD 실험 결과를 비교할 수 있도록 보여 주고 있습니다. 위쪽에 있는 비정질 금속의 그래프와 달리 아래쪽에 있는 결정질 금속 실험 그래프에는 몇 지점에서 솟은 그래프가 보이는데요. 이 ‘피크(peak)’는 과연 무엇일까요.
“결정질의 경우 원자가 규칙적으로 배열하고 있잖아요. 그래프에서 강한 피크가 나타난다는 것은 ‘보강 간섭’이라고 합니다. 원자가 규칙적인 배열을 했을 때 같은 면이 엑스선을 받아 반사를 시키면 이렇게 모이는 거예요. 그러면 이런 피크가 나타납니다. 반면 비정질 금속은 원자가 정확하게 배열되어 있지 않으니까 특정 위치에서 강한 피크를 만들어 낼 수 없는 것이죠.”
열적 특성을 확인하는 DSC(Differential Scanning Calorimetry)에 대해 임혜인 교수님은 “비정질 금속 연구자들이 앞서 설명한 엑스선과 DSC 연구를 아주 기본으로 하고 있다.”라면서 “비정질 금속은 원자 배열이 무질서한 상태다. 열역학적으로 보면 굉장히 불안정한 상태로 볼 수 있는 것이다. 따라서 비정질 금속에 열을 가하면 이들이 더 안정된 상태인 결정이 되고 싶어 한다. 이때 결정이 되는 온도를 ‘결정화 온도(Crystallization temp.)’라고 부른다.”라고 설명했습니다.
그리고 자기적 특성입니다. 임혜인 교수님은 “모든 재료는 자석이다.”라는 말로 설명을 시작했습니다. “모든 재료가 자석이긴 하나 실질적으로 모든 재료를 자석이라고 하지 않는다. 구분하면 아주 강한 자석과 약한 자석이 있는 셈이다. 우리가 자석이라고 부르는 것은 ‘Ferromagnetic’이라고 해서 아주 강한 자석만을 일컫고, 이것이 다시 ‘연자성(Soft magnet)’과 ‘경자성(Hard magnet)’로 나뉜다.”라는 이야기였습니다. 연자성과 경자성의 자기적 특성을 이해하기 위해서는 다음의 이미지를 확인하면 됩니다.
“앞서 VSM를 설명하면서 양쪽에 자석이 있다고 말씀드렸는데요. 위 그래프의 X축이 자기장의 세기입니다. B값이 자화의 크기, 즉 자기장을 걸었을 때 얼마나 자석화가 되느냐이고요. 그래프의 오른쪽 위를 보면 더 이상 자석의 세기가 커지지 않죠. 이 지점이 ‘포화자화’값입니다. 반대로 자기장의 세기를 줄여 보겠습니다. 그런데도 자석의 세기가 줄지 않다가 확 꺾이는 걸 볼 수 있죠. 여기서 연자성(왼쪽)과 경자성(오른쪽)을 비교해 보겠습니다. 약한 자기장 세기로도 N극과 S극을 쉽게 바꿀 수 있는 것이 연자성이고요. 강한 자기장을 걸어야 N극과 S극을 바꿀 수 있는 재료가 경자성입니다.”
비정질 금속은 대부분 연자성에 속한다고 설명하면서 임혜인 교수님은 “우리나라는 Hard나 Soft를 대부분 중국에서 수입을 한다. 특히나 Hard는 전량 수입하는 실정이다. 향후 전기 자동차 시대가 열리면 모터에 들어가는 자석의 성능이 더 중요해지는데 우리나라는 전부 수입에 의존하고 있다. 소재 강국이 되기 위해서는 원천 재료, 특히 영구 자석이라고 부르는 Hard를 연구할 필요가 크다.”라고 강조하기도 했습니다.
비정질 금속이 결정질은 어떻게 다를까?
지금부터는 이제껏 살펴본 비정질 금속의 기계적, 물리적 성질을 바탕으로 비정질 금속이 결정질과 어떤 차이를 갖고 있는지 비교해 보겠습니다. 과연 얼마나 다른 재료인 걸까요? 다음에서 보는 표는 금속과 비정질 금속의 경도 차이를 극명하게 보여 주는 것입니다.
“파란색, 빨간색, 연두색 등으로 표현된 대부분의 금속은 약 300스트레서(Stress) 수준에 분포하고 있습니다. 검정색으로 표현된 비정질 금속은 약 1,800스트레스, 즉 6배 수준의 강도를 보여 주죠. 대단한 강도예요. 비정질 금속의 장점을 얘기할 때 강도에 대한 이야기를 먼저 하곤 합니다. 한편 단점도 있습니다. 일정하게 강도가 올라가는 것을 탄성 변형이라고 했잖아요. 그런데 소성 변형이 없어요. 상당한 힘에 버티는데 깨질 때는 경고가 없는 겁니다.”
그래프를 하나 더 보겠습니다. 금속(Steels)과 비정질 금속(Metallic Glasses), 고분자(Polymers)의 탄성을 비교한 그래프입니다.
“대부분의 금속은 0.5퍼센트와 1퍼센트 사이의 탄성 영역에 있고요. 고분자는 탄성 영역은 비교적 넓지만 강도가 워낙 약합니다. 이에 비해 비정질 금속은 탄성 영역과 강도에서 높은 수준을 보여 주고 있어요.”
강도가 높고, 탄성이 좋은 성질의 비정질 금속. 활용도가 높은 이 재료들은 스포츠용품, 군수품 등 다양한 분야에 활용되고 있습니다. 임혜인 교수님은 특히 비정질 금속의 약한 부분을 보완하기 위해 비정질 금속과 금속을 이용해 만든 복합 재료의 뛰어난 가능성을 이야기했습니다.
“오른쪽 이미지에서 하부의 길쭉한 것이 텅스텐으로 만든 와이어(wire)고요. 이 와이어 사이에 뭔가가 채워져 있는 것을 볼 수 있는데요. 이것이 바로 비정질 금속입니다. 복합 재료의 아주 좋은 예로, 앞서 비정질 금속이 경고 없이 깨지는 성질(brittle)을 갖는다고 설명했죠. 여기에 텅스텐 와이어를 섞고, 기타 와이어(Mo wire, Ta wire)를 넣었더니 소성 변형이 생겼습니다. 제가 미국에서 했던 가장 중요한 연구가 바로 이렇게 비정질 금속에 금속 와이어를 넣어서 복합 재료를 만드는 일이었어요.”
이 연구는 총알 연구에 활용되기도 했습니다. 실제로 임혜인 교수님은 미국에서 연구하던 시절 해당 프로젝트에 참여했다고 소개했습니다. 총알은 목표물에 부딪히면 ‘Self-Sharpening’이 일어납니다. 목표물을 뚫고 들어가면서 스스로 뾰족해지는 겁니다. 임혜인 교수님은 “잘 뚫고 들어가려면 Self-Sharpening을 보여 주는 총알이 있어야 한다.”라고 설명하며 총알이 목표물을 얼마나 뚫고 들어갔는지 측정한 그래프를 보여 주었습니다.
“이 그래프는 각 재료가 뚫고 들어간 깊이를 측정한 결과입니다. WHA라는 것은 기존에 사용된 총알 재료인데요. 제일 아래에 배치되어 있는 걸 볼 수 있어요. 제가 만든 복합 재료들이 더 깊이 들어갔다는 결과를 나타내고 있고요.”
놀라운 재료의 세계입니다. 물리학자들은 새로운 금속을 만들고, 새로운 가능성들을 열어 우리를 새로운 곳으로 인도하고 있습니다. 최근 한전에서는 내년을 목표로 비정질 금속을 활용한 고효율 주상 변압기를 도입하겠다고 밝혀 뉴스가 되기도 했는데요. 과연 임혜인 교수님의 강연 제목인 ‘재료 혁명의 시대’를 실감하게 하는 이야기였습니다. 임혜인 교수님의 강연은 그렇게 재료 혁명, 그다음을 궁금하게 하며 마무리되었습니다.
질의응답
타 분야와 얼마나 협업을 하시고, 연구하시는지 궁금합니다.
저는 물리학과의 많은 교수님들과도 협업을 하고요. 재료 공학부와도 공동 연구를 많이 하고 있습니다. 학생들한테도 해 드리고 싶은 이야기인데요. 물리 배경을 갖는다는 것은 학부 때만 할 수 있는 것 같아요. 대학원에 가서 물리 공부를 더 하겠다고 해도 학부 때 차곡차곡 배우는 것처럼 공부하기가 쉽지 않거든요. 물리를 학부 때 하고, 대학원에서는 응용 분야가 굉장히 많이 있기 때문에 그렇게 진로를 생각해 보셔도 좋겠습니다. 또 요즘은 혼자 연구를 하는 시대는 지났어요. 아주 많은 협업을 하고 있죠. 더구나 고가 장비가 많기 때문에(웃음) 그 모든 것을 연구자 한 명이 다 구축할 수가 없습니다. 장비도 공유하고, 공동 연구도 많이 진행하고 있죠.
비정질 금속이 가지는 장점은 어떤 것들이 있나요?
기계적인 특성은 강연에서 말씀을 드렸죠. 아주 강하다, 하지만 취성이 크다, 이것을 극복할 수 있는 방법이 복합 재료라는 거고요. 시간이 없어서 말씀을 못 드렸는데 결정과 비정질 간의 아주 큰 차이가 표면 거칠기에 있어요. 원자가 균질하게 배열하면 단결정(single crystal)인데요. 의도적으로 만들지 않는 한 대부분은 배열이 계속 달라지는 다결정(polycrystal) 형태가 돼요. 때문에 표면을 보면 아주 울퉁불퉁하거든요. 어떤 제품을 만들었을 때 그 자체로 사용할 수가 없고 다시 표면을 다듬는 작업을 해야 하죠. 이 시간과 비용이 많이 들죠. 반면 비정질 금속은 아주 매끈한 표면을 갖고 있습니다. 굳이 다시 광택을 내고, 마무리 작업을 할 필요가 없는 것이죠. 이것이 비정질 금속의 아주 큰 장점 중 하나입니다.
재료 공학과 재료 공학자들의 미래를 어떻게 전망하고 계시나요?
소재의 시대가 열렸습니다. 뉴스 보셨죠? 예산이 많이 확보되고 있고요. 앞으로 재료 공학과의 전망은 밝다고 할 수 있습니다. 지금 제가 연구재단에서 하고 있는 과제는 비정질 금속을 열처리를 통해 영구 자석을 만드는 것인데요. 이 분야에 해당하는 국내 연구 자료를 살펴보면 너무나 적습니다. 자동차 제조에 이런 자석이 아주 중요한 부품인데 국산화를 시키지 못하고 있고요. 그런데 최근 원천 소재, 부품, 장비 등을 국산화하겠다는 국가 발표가 나왔어요. 지금은 오히려 재료 공학과의 커트라인이 높아질까 걱정을 하고 있습니다. (웃음)
총알이 45도로 갈라지는 원리를 자세히 설명해주세요.
WHA가 원래 총알에 사용되었던 소재인데요. 이것은 물체를 뚫고 들어갈 때 버섯처럼 뭉툭해지는 특성을 갖고 있어요. 이 특성 때문에 물체를 깊이 뚫지 못해서 대체 물질을 찾고 있었던 것이고요. 비정질 금속에 힘을 가하면 45도로 나가는 이유는 비정질 금속이 갖는 고유의 특성이라고 설명할 수 있습니다. 이 복합 재료에 비정질 금속은 20퍼센트밖에 안 들어가는데도 총알에서 45도로 갈라지는 특성을 보였던 것이죠.
4차 산업 시대에 비정질 금속이 가지는 의미는 뭘까요?
강연에서는 비정질 금속의 기계적 특성에 기반해서 응용되는 분야에 대해 설명했는데요. 그밖에 주요한 응용 분야 중 하나가 자기적 특성을 이용한 것이에요. 우리 주변에 있는 스마트폰부터 시작해 로봇 등 모든 기계 및 장치에 자석이 다 들어갑니다. 사실 응용 물리학에서, 특히 전자기 쪽으로 공부하기 가장 좋은 시작점이 모터거든요. 자기장 안에 전류로 인해 자기장이 또 만들어지고 그로 인해 루프가 돌아가는 것이 모터잖아요. 이것이 교과서에 나오는 기본적인 그림이고요. 효율을 더 높이기 위해서는 코일을 만들어 감고요. 코일 안에는 코어라고 하는 자석을 넣어서 더 강하게 만듭니다. 이때 코어에 해당하는 게 비정질 금속이에요.
임혜인
숙명 여자 대학교를 졸업하고, 캘리포니아 공과 대학에서 재료 과학으로 박사 학위를 받았다. 현재 숙명 여자 대학교 응용 물리 전공 교수로 재직하고 있다.
「물리 어벤져스 2019 시즌2」
1강 "킬로그램의 정의가 바뀌었다고? 왜? 어떻게?"
「물리 어벤져스 2019 시즌2」 1강 "킬로그램의 정의가 바뀌었다고? 왜? 어떻게?"가 10월 24일 목요일 저녁 6시 30분에 ‘광주 광역시 김대중 컨벤션 센터 214호’에서 진행됩니다.
※ 이 강연은 한국 물리학회 2019년 가을 학회 대중 강연 프로그램으로 진행됩니다. 가을 학회에 대한 자세한 내용은 아래 링크를 참조해 주시기 바랍니다.
www.kps.or.kr
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