사람의 피부는 언뜻 보면 매우 매끈하고 부드럽게 보이지만 실제 현미경을 이용해 들여다보면 전혀 다른 질감과 형태의 표면을 보여준다. 이는 금속도 마찬가지로, 아주 깨끗하고 반짝이는 표면이리지라도 현미경을 통해 들여다보면 전혀 다른 모습의 세계를 관찰할 수 있다. 금속의 표면을 확대해보면 경계면을 가진 다양한 면의 집합체로 구성된 것을 확인할 수 있다. 우리는 이러한 경계로 둘러싸인 하나의 영역을 ‘결정립’이라 부르고 그 경계면을 ‘결정립계’라고 명명한다. 결정립은 그 금속의 고유한 결정격자가 동일한 방향으로 구성된 집합체이며 각각의 결정립은 서로 다른 방위의 결정격자로 인해 그 경계선이 구분된다. 이러한 형태를 총칭해 금속의 미세조직이라고 한다.

 이러한 미세조직은 금속 재료의 기계적 성질을 대변하는 매우 중요한 요소가 된다. 미세조직의 형태에 따라 같은 종류의 금속일지라도 그 특성이 천차만별로 변하기 때문이다. 금속소재의 강화기구는 대부분 이러한 미세조직을 바꾸어 강도를 높이는 방법을 나타내고 있다. 그 중 가장 널리 쓰이고 있는 방법 중 하나가 결정립을 작게 만들어 강도를 높이는 방법이다. 공학적으로 금속의 결정립을 작게 만드는 방법은 매우 다양하지만, 크게 두 가지로 나누면 기계적 가공이나 열처리를 이용하는 등 고체 상태에서 이루어지는 방법과 액체상태의 금속을 응고시키는 주조 과정에서 결정립 크기를 미세하게 형성시키는 방법으로 구분된다.

 마그네슘 소재는 구조재료 가운데 가장 가벼운 금속 소재로, 최근 자동차, 철도, 항공기 및 전자기기 등의 경량화 이슈로 각광받는 소재이다. 다만 아직까지 산업적으로 활용하기에는 개선해야 될 부분이 많다. 때문에 오래전부터 전 세계적으로 많은 연구기관에서 강도와 성형성, 내식성 등 특성 향상을 위한 연구 개발을 수행하고 있기도 하다. 앞에서 설명한 결정립 미세화 기술은 마그네슘 소재의 강도를 높일 수 있는 매우 효과적인 방법인데, 조금 전 언급한 바와 같이 '고체 상태'와 '액체 상태'에서 이루어지는 방법들이 있다. 하지만 고체 상태에서 이루어지는 방법에 비해 액체 상태에서 이루어지는 결정립 미세화 방법은 아직 산업에 쓸 수 있는 정도의 유용한 기술이 부족한 상태이다. 특히 산업에서 가장 많이 쓰이는 마그네슘 주조 부품의 강도를 높이기 위해서는 액체 상태의 마그네슘에서 결정립을 미세하게 응고시킬 수 있는 기술 개발이 필요하다.

 과학기술정보통신부 산하 정부출연연구기관인 ‘재료연구소’는 마그네슘 합금의 응고 조직을 미세하게 형성할 수 있는 핵생성 입자를 용탕 내에서 실시간으로 형성시켜 매우 적은 양의 첨가에도 우수한 미세화 효율을 나타내는 기술을 개발했다. 이는 입자와 액상과의 젖음성, 밀도차, 입자크기, 분율 등을 제어해야 되는 다양한 외부적인 요소를 최적화 할 수 있는 방법이다. 그리고 대용량 주조 설비에 대한 검증 실험을 통해 수 일의 작업 시간에도 효율이 감소되지 않는 공정 개발을 통해 양산 공정에 적용이 가능한 실증 기술을 개발을 완료한 바 있다.

 또한 이러한 결정립 미세화를 대용량의 저압주조 공정에 적용해 세계 최초로 양산용 마그네슘 주조 휠의 결정립을 미세하게 형성하고 기존의 소재보다 강도를 30% 이상 향상시킨 고강도 마그네슘 휠을 제조하는데도 성공했다. 그동안 마그네슘 소재는 대부분의 휠에 사용되고 있는 알루미늄 무게의 70% 수준으로, 더 가볍지만 강도가 낮아 양산되지 못하고 있었는데 결정립 미세화 기술을 통해 그 문제를 해결한 것이다.

 마그네슘 소재의 주조부품 시장은 친환경 차량의 주행거리 연장을 위한 경량화 이슈와 맞물려 더욱 잠재력을 키워가고 있다. 고강도, 고내식, 고성형성 기술 개발 등을 통해 마그네슘 소재가 가진 고유 특성을 더욱 개선하고 향상시킨다면 점차 그 적용 범위가 확대될 것이다.

 출처: 재료연구소 블로그(글. 금속재료연구본부)