Win Tech - 고감도 플렉시블 금속 기술 I
Win Tech는 공공연구기관의 연구성과 확산을 위해 국가과학기술연구회(NST)와 공동으로 우수 공공기술을 선별하여
게재하고 있습니다.
▲ 염종택 책임연구원
재료연구소 타이타늄연구실
고감도 플렉시블 금속은 일반금속 대비 수십 배 잘 휘어지고 바로 복원되며 극지방 및 달에서도 그 특성이 유지되는 특징을 가지고 있다(그림 1 참조).
특히, 강도 대비 무게가 다른 금속보다 가벼우며 내식성이 뛰어나고 생체친화적인 소재로 인체에 무해하여 스마트기기, 생체 소재, 안경테, 골프채 등 우리 생활 속에 광범위하게 활용할 수 있다.
또한, 별도의 장비 없이 이미 구축돼 있는 일반 금속제조 설비를 그대로 이용해 대량생산이 가능하며, 생산 소재 부품을 고온 성형이 아닌 상온에서 자유자재로 성형할 수 있어 부품화 비용도 줄일 수 있는 특징을 가진다.
본 글은 재료연구소에서 개발된 다기능의 특징을 가지고 있는 고감도 플렉시블 금속에 대한 발현 기구, 특징, 적용 분야 등을 자세히 다루고자 한다.
보다 구체적으로 고감도 플렉시블 금속은 기계적·물리적·화학적으로 탁월한 특성을 가지는데 일반적인 타이타늄 합금에 비해 초고강도(1,100~1,500MPa)이고, 생체의료용 임플란트에서 중요한 특성인 초저탄성(40~60GPa), 고내식성, 우수한 생체적합성을 가지며, 플렉시블에 중요한 인자인 초탄성(~2.7%)의 특징을 가진다.
또한, 냉간 성형성이 99% 이상 가능하여 부품 생산비용을 절감할 수 있으며, 특히 영하 150℃에서 영상 250℃까지 극심한 온도 변화에도 안정적이어서 중동지방, 극지방, 심지어 일교차가 300℃인 달에서도 사용할 수 있는 장점을 가진다.
이러한 특성은 본 금속의 독특한 원자구조에서 답을 얻을 수 있는데, 일본에서 개발된 고강도 초탄성 소재인 ‘GUM 메탈’이 가지는 원자구조(G1)에 비해 우수한 강도와 탄성을 발휘할 수 있는 독특한 장범위 규칙격자의 원자구조(D03)를 가지며, 이러한 결정구조는 고감도 플렉시블 금속이 가지는 여러 우수한 특성을 발휘할 수 있게 한다(그림 2 참조).
일반적인 금속소재는 강도가 높아지면 원자 단위 내부에 결함이 많이 생겨 조금만 구부려도 영구 변형되거나 심지어 부러진다.
그러나 플렉시블 금속은 독특한 원자구조의 특성으로 인해 강도가 높아져도 내부 결함이 거의 없이 잘 휘어지고 바로 복원하는 능력을 가진다.
또한 철, 알루미늄, 마그네슘, 타이타늄 등의 합금 개발에서 이상적인 강도는 20%까지 구현하는 데 그쳤지만, 플렉시블 금속은 70% 수준까지 높일 수 있어 일반 금속에 비해 수십 배 잘 휘어지고 복원된다.
플렉시블 금속은 초고강도지만 상온 단면 감소율이 99.75% 이상으로 상당한 냉간 성형성을 가지며, 이는 생산 소재 부품 제조시 열간 성형이 필요 없어 제조단가를 최소화할 수 있는 장점이 있다.
일례로, φ20㎜ 봉재를 φ1㎜ 와이어로 상온에서 재가열 없이 성형하거나, 2㎜ 두께 판재로부터 재가열 없이 0.1㎜ 두께 박판을 제조할 수 있는 우수한 상온 성형성을 가진다.
또한, 플렉시블 금속은 타이타늄을 기반으로 합금화하였기 때문에 마그네슘, 알루미늄, 스테인리스강과 달리 바닷물, 빗물 등 극한환경에서 부식되지 않는 것이 특징이며, 우수한 생체적합성을 가지고 있어 피부와 알레르기 반응이 없고, 극심한 온도변화에도 그 특성을 유지한다.
플렉시블 금속은 일본의 토요타 자동차에서 처음 개발하여 현재, GUM 메탈로 널리 알려진 타이타늄 기반 초탄성 금속과 비교하여 강도, 성형성, 초탄성율 등의 측면에서 10년의 격차를 추월한 우수한 특성을 가진다.
일본의 GUM 메탈은 최대 강도가 1,000MPa정도로 현재, 안경테에 일부 적용되고 있는 수준으로 피로강도와 1,000MPa 이상의 강도를 요구하는 생체의료 분야에는 상용화가 이루어지지 않은 상태이다.
반면에 플렉시블 금속은 최대 강도가 1,500MPa에 달하면서 저탄성계수(60GPa 이하)를 갖기 때문에 생체의료용 소재로 더 적합하다.
플렉시블 금속은 극한의 유연성, 즉 기존 금속 대비 8배 이상 유연하면서 동시에 상온에서도 성형이 가능하며, 생체적합성, 고내식성 등의 특징을 가진다.
이러한 특성으로 인해 스마트 기기에서 요구하는 튼튼하고 휘어져도 부러지지 않을 것, 얇고 가벼울 것, 인체 무해할 것, 바닷물이나 빗물 등 극한 환경에서도 녹슬지 않을 것, 지구촌 어느 곳에서도 사용 가능할 것 등 충족 조건들을 잘 반영할 수 있다.
일례로, iPhone 6에서 채용된 금속 케이스가 휘어지는 현상이 자주 발생함에 따라 미국의 Watergate 사건의 Gate와 Bend를 결합한 ‘Bendgate’라는 용어가 생성될 정도로 금속 케이스를 적용하는 경우 얇은 두께에서의 강도는 상당히 중요한 인자이다.
또한 스테인리스강을 채용한 각종 스마트 기기 케이스의 경우 신체와 접촉하여 알레르기 반응이 자주 발생하는 문제로 생체 적합성이 우수한 금속소재는 선택이 아닌 필수 조건이라 할 수 있다.
플렉시블 금속은 초고강도를 가지고 있어 기존 금속대비 40% 이상 가볍고 80% 이상 얇게 제작할 수 있어 초경량, 초슬림 제품을 구현 및 적용할 수 있고, 외부충격을 600~1,800% 이상 흡수할 수 있다.
또한 영하 150도에서 영상 250도까지 그 특성을 유지하며, 내식성이 뛰어나고 생체친화적인 소재로 피부 알레르기 반응이 없어 각종 스마트 기기 사용에 적합하다.
한편, 플렉시블 금속의 이러한 우수한 특성은 생체 의료용 임플란트로의 적용 가능성을 높게 한다.
현재 임플란트로 순수 Ti(Gr.4)나 Ti-6Al-4V 합금이 주로 사용되고 있으나, 탄성계수가 110GPa로 뼈의 탄성계수 10~30GPa과는 많은 차이를 보이고 있다.
이로 인해 응력차폐 효과가 발생해 뼈가 퇴화하는 문제점이 보고되어 임플란트의 저탄성계수화는 이러한 문제점을 보완하기 위해서 필수적인 요구조건이다.
또한, 최근 임플란트의 소형화 추세에 따라 고강도를 가지면서 저탄성계수를 요구하고 있다. 이에 플렉시블 금속은 초고강도, 초저탄성을 구현하여 생체의료용 소재의 실용화 관점에서 매우 큰 장점이 있다.
가장 주목할 점은 현재, 해외 1위 의료업체인 Straumann사에서 개발한 Ti-Zr계 신합금을 적용한 “Roxolid”라는 차세대 혁신 제품의 목표치에 비해 플렉시블 금속은 수 단계 초과달성한 결과를 얻을 수 있었으며, 이는 플렉시블 금속이 치과 및 정형외과용 임플란트 시장에 진입한다면 막대한 이윤창출이 가능하다는 것을 의미한다.
끝으로, 본 플렉시블 금속은 각종 스마트 기기 금속지지체에 적용하여 초경량화 및 초슬림화 구현에 공헌할 수 있을 것으로 기대되며, 초고강도, 초저탄성 특성으로 임플란트, 인공생체재료 등 바이오 분야와 안경, 골프채 등 생활 및 레저용품에 일차적인 적용이 예상된다.
또한 어떠한 환경에서도 안정적이고, 가볍고 자유자재로 휘어지는 특성은 첨단 웨어러블 기기의 대중화와 산업화에 크게 기여할 것으로 예상된다.