철강 권세균 교수팀, 물리학적으로 소성변형 현상 풀어내

 고무공은 손에 쥐고 힘을 주면 모양이 변했다가 힘을 빼면 원래의 모습으로 되돌아간다. 이런 성질을 ‘탄성’이라고 부른다. 하지만 밀가루 반죽은 힘이 없어져도 변화된 모양을 그대로 유지하는데 이런 특성을 ‘소성’이라고 한다. 이러한 소성현상은 철과 같은 금속재료를 두드리거나 굽혀서 물건을 만들 때와 건물과 선박, 다리 등 대형구조물이 안정성을 유지하는데 있어서도 매우 중요한 역할을 한다.

 POSTECH 철강대학원 권세균 교수, 박사과정 조민호씨와 스웨덴 왕립공과대학(KTH) 레벤테 비토스(Levente Vitos) 교수 공동연구팀은 ‘면심입방구조’*1를 가지는 금속재료의 소성변형을 미리 알아낼 수 있는 소성변형 일반이론을 미국 국립과학원회보(PNAS) 4월 21일(현지시간)자를 통해 발표했다.

 금속의 소성변형은 그 현상이 복잡하고 이를 설명할 수 있는 일관된 이론이 없어서 금속재료의 성질을 충분히 이해하고 활용하는데 어려움이 있으며, 새로운 고강도 합금재료 개발의 경우에도 많은 실험이 필요하여 시간이 지체되는 걸림돌로 작용해 왔다.

 연구팀은 원자론에 바탕을 두고 다양한 소성변형 현상을 쉽게 풀어낼 뿐 아니라, 지금까지 여러 차례 실험을 거쳐야 알 수 있던 것을 2차원 형태의 지도(map)에서 쌍정현상(twinning)*2과 같은 소성변형 현상을 실험이 없이도 미리 예측할 수 있는 이론을 만들어냈다. 이 이론은 실제 새로운 합금을 설계할 때에도 활용할 수 있을 것으로 기대를 모은다.

 노벨물리학상 심사위원장을 역임한 스웨덴 왕립공과대학 뵈리에 요한슨(Börje Johansson) 교수는 이 연구에 대해 “금속공학에서 일반적으로 이루어지는 연구와 달리 물리학적 시각을 따라 진행한 이 연구는 응용연구에서도 기초학문이 중요하며, 또한 학제간의 경계를 넘어 문제를 바라볼 때 새로운 결과를 얻을 수 있다는 사례”라고 이야기했다.

 공동저자로 참여한 POSTECH 신소재공학과 이병주 교수도 “원자단위 전산재료과학의 범위가 이번 연구를 통해 소성분야로까지 확대됐다”고 설명했다.

 이번 논문은 특히 포스코(회장 권오준)-POSTECH 철강대학원을 통한 ‘철강혁신 프로그램’의 지원으로 이루어졌다.

1. 면심입방구조(面心立方構造)

입자들이 배열해 결정을 만들 때에는 일정한 규칙에 의해 결정을 형성한다. 이 중 정육면체의 각 꼭지점과 면의 중심에 입자가 오도록 입자들이 배열하는 결정 구조를 면심입방구조라고 한다.

2. 쌍정현상(twinning)

소성변형 현상 중 하나로 결정체에 응력을 가했을 때 인접한 결정원자가 어떤 특정한 면, 혹은 축에 대칭으로 위치하는 쌍결정을 형성하는 것. 이것의 형성으로 결정체는 전단 변형을 일으킨다.