강철보다 10배 강한데 휘어진다…차세대 엔진 소재 '눈앞'

강철보다 10배 강하면서도 플라스틱처럼 변형이 가능한 신소재 기술이 개발돼 차세대 항공기 엔진 개발에 청신호가 켜졌다.

미국 퍼듀대 연구팀이 코발트-알루미늄(CoAl) 금속간 화합물의 강도와 연성(延性)을 동시에 획기적으로 높이는 데 성공했다는 연구 결과를 국제학술지 '사이언스 어드밴시스'에 17일(현지시간) 발표했다.

금속간 화합물은 두 가지 이상의 금속 원소가 규칙적인 결정 구조로 결합한 합금이다. 강도가 뛰어나고 녹는점이 높아 제트 엔진, 가스 터빈 등 극한 환경에 사용되는 핵심 소재로 꼽힌다.

하지만 이런 장점에도 불구하고 상온에서 쉽게 깨지는 취성(脆性)이 커 가공이 어렵고 복잡한 형태의 부품을 만드는 데 한계가 있었다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 기존 주조 방식이 아닌 '마그네트론 스퍼터링 증착'이라는 새로운 공법을 도입했다. 이 과정에서 '비정질 계면 프레임워크(FAIs)'라는 유연한 경계층을 인위적으로 만들어 소재의 구조적 유연성을 확보했다.

이 프레임워크는 소재가 외부 힘을 받을 때 부분적으로 결정화하면서 원자 배열의 불규칙성인 전위(dislocation)를 만들어낸다. 이 전위가 금속이 깨지지 않고 형태를 유지하며 변형될 수 있게 하는 핵심 역할을 한다.

이렇게 개발된 코발트-알루미늄 신소재는 항복강도가 6기가파스칼(GPa)에 달했다. 이는 고강도 구조용 강철보다 6~10배 높은 수치다. 동시에 상온 압축 시험에서 15%의 소성 변형률을 기록하며 뛰어난 연성을 입증했다.

싱항 장 퍼듀대 재료공학과 교수는 "강도와 연성이 뛰어난 코발트-알루미늄 합금은 항공기 엔진 터빈이 더 높은 원심력을 견디며 빠르게 회전할 수 있게 해 성능을 향상시킬 것"이라고 설명했다.

연구팀은 향후 이 기술을 산업 규모의 대량 생산에 적용하고, 다른 금속간 화합물에도 적용 가능성을 검증할 계획이다. 연구팀은 이 기술이 항공우주, 에너지, 국방 분야 첨단 소재 개발에 중대한 영향을 미칠 것으로 기대했다.