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금속을 단단하게 만들수록 수소가 침투해 내구성이 저하되기 쉬운 '수소취성' 딜레마를 해결할 방안을 국내 연구팀이 제시했다. 

수소 저장이나 운송 인프라, 극저온 설비에 필요한 금속 구조체 설계 난제를 해결할 기술로 기대된다.

포스텍은 김형섭 친환경소재학과·신소재공학과 교수팀이 극저온 처리와 열처리를 결합해 금속의 강도와 수소취성 저항성을 동시에 끌어올리는 데 성공했다고 31일 밝혔다. 

연구결과는 지난해 12월 1일 국제학술지 '머티리얼즈 리서치 레터스'에 온라인으로 공개됐다.

탄소중립을 달성하기 위한 차세대 청정에너지원으로 수소가 주목받으면서 수소 저장용기와 배관 등 수소 인프라의 안전성 확보도 중요하다. 

금속 소재의 강도를 높일수록 수소취성이 일어난다는 점이 딜레마로 지목된다. 

수소취성은 수소 원자가 금속 내부로 침투해 약화시켜 균열이나 파손을 유발하는 현상이다. 

보통 금속 내부에 일부러 미세한 결함을 설계해 금속 원자층이 서로 미끄러지는 것을 막아 강도를 높인다. 

미세한 틈은 수소가 침투해 균열이 시작되는 약점이기도 하다.

연구팀은 '나노쌍정'이라는 구조에 주목했다. 나노쌍정(Nanotwin)은 수 나노미터(nm, 1nm는 10억분의 1m) 간격으로 형성되는 결정 내부의 대칭 구조다. 

전위 이동을 효과적으로 막아 금속 강도를 높이면서도 수소가 잘 모이지 않도록 하는 구조지만 나노쌍정을 만드는 과정에서 수소에 취약한 약점이 동시에 생긴다는 점이 숙제다.

영하 196℃ 극저온에서 고엔트로피 합금에 힘을 가해 나노쌍정을 촘촘히 생성한 뒤 500℃ 정도로 데우자 튼튼함에 기여하는 나노쌍정은 남고 수소취성의 원인이 되는 결함만 줄어들었다. 

고엔트로피 합금은 다양한 원소를 동시에 도입해 무질서도(엔트로피)를 높인 소재다.

새로운 방식으로 만든 합금은 일반 합금보다 항복강도가 2.2배 높아졌고 수소가 파고들어 부서지는 표면층 깊이가 크게 줄었다. 

항복강도는 영구적인 변형이 일어나기 시작하는 최소한의 힘을 말한다.

개발된 합금이 상용화되면 수소 저장용기와 배관, 극저온 구조물 안전성을 높이는 데 기여할 것으로 기대된다.

김 교수는 "극저온 나노쌍정 공학을 통해 금속재료의 강도와 수소취성 저항성 사이의 오랜 상충 관계를 극복할 수 있음을 보였다"며 "향후 수소 저장 및 운송 인프라를 비롯한 다양한 차세대 구조재 설계에 새로운 방향을 제시할 것으로 기대한다"고 밝혔다.

<참고 자료> - doi.org/10.1080/21663831.2025.2596162