나노재료 작을수록 강한 이유 밝혀냈다

한국기초과학지원연구원 오상호 박사

국내 연구진이 나노 재료의 결정 크기가 작아질수록 강해지는 이유를 밝혀냈다.

한국기초과학지원연구원 전자현미경연구부 오상호 박사는 19일 전자현미경 내에서 마이크로미터 이하 크기의 알루미늄 결정에 힘이 가해질 때 일어나는 변화를 관찰하는 데 성공했다고 밝혔다.

이 연구는 마이크로미터 크기 이하의 재료 결정에서 일어나는 변화를 처음으로 관찰한 것으로 영국 학술지 '네이처 머티리얼스(Nature Materials)' 최신 인터넷판에 게재됐다.

재료의 결정 크기가 작아지면 동일한 재료라도 더욱 강해지며 변형하기 어려워지는 ‘크기 효과’가 나타나며 기계 공학자들은 ‘크기 효과’를 이해하기 위해 지난 수 년간 재료 및  미세 가공된 마이크로 및 나노 재료의 변형 실험을 거듭해 왔다.

재료의 강도와 경도 등에 영향을 미치는 ‘크기 효과’는 학문적 관심뿐 아니라 마이크로 결정과 나노입자, 나노와이어 등의 가공 및 응용에 지대한 영향을 미치기 때문이다.

학자들은 기존 방법인 투과 전자현미경으로 직접 마이크로 또는 나노 재료를 변형하고 전위의 움직임을 관찰하려고 시도했지만 실패했다.

오 박사팀은 새로운 방식인 집속이온빔(Focused Ion Beam)을 이용, 서브마이크로미터 크기의 인장 시편으로 가공했고 여기에 폴리머 기판 위에 접합된 알루미늄 단결정 박막(두께 500나노미터)을 사용해 투과전자현미경 내에서 재료의 변형과 전위의 생성, 활주, 소멸 과정을 관찰했다.

그 결과 서브마이크로미터 크기의 결정에서는 전위를 생성할 수 있는 소스의 수가 적고 전위 생성에 더 큰 힘이 필요하다는 것을 밝혀냈다. 또한 생성된 전위는 움직일 수 있는 거리가 제한돼 쉽게 재료 표면을 통해 소멸되는 반면 새로운 전위의 증식은 일어나지 않았다. 서브마이크로 결정의 소성 변형은 불규칙하게 진행되며, 전위 밀도는 비교적 일정하게 유지되는 것이 관찰됐다. 
 
오 박사팀은 “2000년대 재료과학의 난제 중에 하나인 재료의 기계적 특성의 ‘크기 효과’를 직접 실험을 통해 증명하였는데 의의가 있다”며 “앞으로  마이크로, 나노재료의 응용에 유용한 기초자료로 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.

최소영 기자 [e-mail]
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