[과학을 읽다]최고 인장강도 '금속 나노선' 나왔다

KIST-고려대 공동연구팀, 관련 기술 개발해

▲니켈(Ni)/니켈-금(Ni-Au) 다층나노선의 합성방법 개요도.[사진제공=KIST]

[아시아경제 정종오 기자] 최고의 인장강도를 지닌 금속 나노선이 개발됐습니다. 기존 금속 소재의 인장강도를 넘는 '니켈/니켈-금 다층나노선' 구조입니다. 미세 합금화와 나노구조 제어에 따른 금속소재의 초고강도화의 돌파구가 마련된 것으로 풀이할 수 있습니다.

인장강도(Tensile Strength)란 재료의 세기를 나타내는 힘으로 재료가 절단되도록 끌어당겼을 때 견뎌내는 최대 하중을 재료의 단면적으로 나눈 값을 말합니다.

나노선(Nanowire)은 나노미터(nm) 크기의 직경을 가지면서 수백 나노미터에서 수백 마이크로미터의 길이를 가지는 선형 나노구조를 뜻합니다. 전자기, 광학, 미세구조재료, 바이오 분야에서 응용 가능성을 타진하는 연구가 활발히 진행되고 있습니다.

연구팀이 개발한 지름 200 nm크기의 니켈(Ni)/니켈-금(Ni-Au) 다층나노선 구조의 인장강도는 현존 최고치인 7.4(GPa, 인장강도 단위)로 측정됐습니다. 이는 동일 직경의 니켈(Ni) 나노선과 비교했을 때 약 5배 수준의 수치입니다. 통상 알려진 금속소재의 인장강도 값 대비 약 10배 이상으로 니켈이 이론적으로 가질 수 있는 최고 인장강도치를 구현한 것이죠.

연구팀은 나노틀을 이용해 한 개의 전기 도금조에 니켈과 금의 이온을 동시에 녹였습니다. 이어 펄스도금법을 사용해 니켈과 니켈-금 합금 층을 순차적으로 제조했습니다. 이후 다층구조나노선 다발에서 1개의 나노선을 분리해 집속이온빔 장치 내에 장착된 고정밀 인장시험기로 실시간 인장실험을 진행했습니다. 나노선의 미세구조, 원소분포를 측정했고 절단면의 형태를 파악해 강도 증강의 원인을 규명했습니다.

이번에 개발된 다층나노선구조의 경우 금속변형의 원인이 되는 전위의 움직임(dislocation)을 효과적으로 제어하기 위해 니켈 층과 니켈-금 층(금 15%)의 두께를 각각 10 nm 까지 조절했습니다. 기존 나노선에 비해 인장강도를 크게 증가시킬 수 있었습니다.

이번 연구를 통해 기존 연구에서 다층구조를 갖는 나노선의 경우 인장특성이 좋지 않다는 통념을 깼습니다. 미세합금화, 다층화 등 재료과학적 지식에 기반해 금속의 강도를 크게 증강시킬 수 있습니다. 이런 연구결과는 앞으로 금속소재의 초고강도화에 새로운 방향을 제시하고 있습니다.

이번 연구는 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 미래융합기술연구본부 고온에너지재료연구센터 최인석 박사 연구팀과 고려대학교(총장 염재호) 공과대학 신소재공학부 김영근 교수 연구팀이 수행했습니다. 연구 결과는 나노분야 과학지인 'Nano Letters' 5월 9일자 온라인판(논문명: Ultrahigh Tensile Strength Nanowires with a Ni/Ni?Au Multilayer Nanocrystalline Structure)'에 실렸습니다.