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KIST STORY/KIST 소식(행사·연구성과)

KIST-고려대 공동연구팀, 현존 최고의 인장강도를 지닌 금속 나노선 개발

기존 금속 소재의 인장강도를 상회하는 니켈/니켈-금 다층나노선 구조 개발

미세합금화와 나노구조 제어에 따른 금속소재의 초고강도화의 돌파구 마련



한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 미래융합기술연구본부 고온에너지재료연구센터 최인석 박사 연구팀과 고려대학교(총장 염재호) 공과대학 신소재공학부 김영근 교수 연구팀은 기존의 금속소재의 인장강도 수치를 훨씬 상회하는 현존 최고의 인장강도를 지닌 다층나노선을 개발했다.


연구팀이 개발한 지름 200 nm크기의 니켈(Ni)/니켈-금(Ni-Au) 다층나노선 구조의 인장강도는(*용어설명) 현존 최고치인 7.4(GPa:인장강도 단위)로 측정되었으며, 이는 동일 직경의 니켈(Ni) 나노선(*용어설명) 대비 약 5배 수준의 수치일 뿐만 아니라, 통상 알려진 금속소재의 인장강도 값 대비 약 10배 이상으로 니켈이 이론적으로 가질 수 있는 최고 인장강도치를 구현했다. 


본 연구팀은 나노틀을 이용하여 한 개의 전기 도금조에 니켈과 금의 이온을 동시에 녹인 뒤, 펄스도금법(*용어설명)을 사용하여 니켈과 니켈-금 합금 층을 순차적으로 제조하였다. 이후 다층구조나노선 다발에서 1개의 나노선을 분리하여 집속이온빔 장치 내에 장착된 고정밀 인장시험기로 실시간 인장실험을 진행하였다. 나노선의 미세구조, 원소분포를 측정하였으며, 절단면의 형태를 파악하여 강도 증강의 원인을 규명하였다. 


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 조절하여, 기존 나노선에 비해 인장강도를 크게 증가시킬 수 있었다. 


이번 연구를 통해 기존 연구에서 다층구조를 갖는 나노선의 경우 인장특성이 좋지 않다는 통념을 깨고, 미세합금화, 다층화 등 재료과학적 지식에 기반하여 금속의 강도를 크게 증강시킬 수 있었다. 이러한 연구결과는 향후 금속소재의 초고강도화에 새로운 방향을 제시하였다는 데 그 의의가 있다.


본 연구는 KIST 기관고유사업, 미래창조과학부  중견연구자지원사업 (도약, 융합)의 일환으로 추진되었으며, 나노분야에서 세계적으로 권위 있는 과학지인 ‘Nano Letters’ 2016년 5월 9일자 온라인판에 게재되었다.


* (논문명) Ultrahigh Tensile Strength Nanowires with a Ni/Ni?Au Multilayer Nanocrystalline Structure’

- (제1저자) 고려대학교(현, Masdar Institute, UAE) 안부현 박사

- (교신저자) 한국과학기술연구원 최인석 박사

(교신저자) 고려대학교 김영근 교수 


<그림자료>



<그림 1> 니켈(Ni)/니켈-금(Ni-Au) 다층나노선의 합성방법 개요도(상) 단일 금속 나노선과 다층나노선의 인장파괴 시 절단면 비교(좌하) 다층나노선의 층간 두께에 따른 인장강도(우하)




<그림 2> 3차원원자탐침 단층 촬영기를 이용한 니켈(Ni)/니켈-금(Ni-Au) 다층나노선의 단위부피당 조성 분포(좌)와 나노선 길이 방향에 따른 니켈과 금의 조성분포도(우)