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경북대-단국대 공동연구팀, 3차원 연속연결구조 고특성 금속 복합재료 개발

  • 2024-01-16 13:19
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경북대 신소재공학부 박성혁 교수팀과 단국대 신소재공학과 주수현 교수팀이 공동연구를 통해 3차원 연속연결구조를 가진 새로운 고특성 금속 복합재료를 개발했다. 개발 신소재는 뛰어난 기계적 특성과 생체적합성을 가지고 있어 미래 수송기기, 우주·항공, 생체용 임플란트 등 다양한 분야에 적용이 기대된다.

금속 복합재료는 금속 기지재(matrix)에 강화재를 첨가하고 이를 분산시켜 금속의 물성을 향상시킨 복합재료를 말한다. 기존의 금속 복합재료는 대부분 분말 또는 섬유 강화재를 사용하여 제조되는데, 이러한 방법은 강화재들이 불균일하게 분포하고 섬유 강화재의 배열 방향에 따라 소재 물성이 달라지는 문제가 있었다.

3차원 연속연결구조는 이러한 문제를 해결하기 위한 혁신적인 금속 복합재료 구조이다. 금속 기지재와 강화재가 서로 3차원 연속연결된 형태로 구성돼 기지재와 강화재 사이의 결합력이 높고 계면 면적이 극대화되어 물리적·화학적·전기적 특성이 기존의 복합재료보다 크게 뛰어나다.

공동연구팀은 금속 용탕 탈성분법(Liquid metal dealloying, LMD)을 활용한 새로운 투스텝(two-step) LMD 공정법을 개발했다. 이 공정을 이용해 알루미늄을 소량 첨가한 3차원 연속연결구조를 가진 마그네슘(Mg)-타이타늄(Ti) 복합재료를 성공적으로 제조했다.

개발 소재는 기존 Mg-Ti 복합재료에 비해 경도가 80% 이상 향상되고, 강도와 연성 또한 훨씬 더 우수하다. 이러한 개발 Mg-Ti 복합재료는 고강도와 경량화가 요구되는 미래 모빌리티 소재로 적용할 수 있으며, 마그네슘의 생분해성과 타이타늄의 생체안전성으로 인해 생체용 소재 적용까지 가능하다.

박성혁 교수는 “이번에 개발한 복합재료는 기존 복합재료의 단점들을 극복하고 뛰어난 특성을 가질 뿐만 아니라 제조 방법이 매우 간단하여 활용성이 높다. 현재 국가과제를 통해 이 복합재료를 미래 항공 모빌리티 소재로 활용하기 위한 연구를 진행하고 있으며, 경북대병원 연구팀과 협력하여 척추 디스크 임플란트에 적용하기 위한 연구도 진행하고 있다.”라고 밝혔다.

연구 결과는 JCR 상위 0.6%로 금속재료 분야 1위 학술지인 ‘저널 오브 마그네슘 앤 얼로이즈(Journal of Magnesium and Alloys)’ 11월 2일자에 발표됐다. 개발 소재는 국내 특허 출원도 완료한 상태다.

<사진 왼쪽부터 경북대 박성혁 교수(교신저자), 경북대 장지은 박사과정생(제1저자)>