3D 프린팅 금속의 강도를 높이는 희귀한 수정 모양 발견

앤드류 이암스는 전자 현미경을 들여다보던 중 이상한 것을 보았습니다. 그는 원자 수준에서 새로운 알루미늄 합금의 조각을 조사하면서 강도의 열쇠를 찾고 있었는데, 원자가 매우 특이한 패턴으로 배열되어 있는 것을 알아챘습니다. "그때 제가 흥분하기 시작했어요." 재료 연구 엔지니어인 이암스가 말했습니다. "준결정을 보고 있는 것 같았거든요."

그는 이 알루미늄 합금에서 준결정을 발견했을 뿐만 아니라, 그와 그의 동료들은 미국 국립표준기술원(NIST)에서 이 준결정이 합금을 더 강하게 만든다는 것을 발견했습니다. 그들은 Journal of Alloys and Compounds 에 연구 결과를 발표했습니다.

합금은 금속 3D 프린팅의 극한 조건에서 형성되며, 금속 부품을 만드는 새로운 방법입니다. 원자 수준에서 이 알루미늄을 이해하면 항공기 구성 요소, 열교환기 및 자동차 섀시와 같은 완전히 새로운 범주의 3D 프린팅 부품이 가능해집니다. 또한 강도를 위해 준결정을 사용하는 새로운 알루미늄 합금에 대한 연구의 문을 열 것입니다.

준결정이란 무엇인가?

준결정은 일반 결정과 비슷하지만 몇 가지 주요 차이점이 있습니다.

전통적인 결정은 원자나 분자가 반복되는 패턴으로 이루어진 고체입니다. 예를 들어 식탁용 소금이 흔한 결정입니다. 소금의 원자들이 서로 연결되어 정육면체를 이루고, 그 미세한 정육면체들이 서로 연결되어 육안으로 볼 수 있을 만큼 큰 정육면체를 형성합니다.

원자가 반복되는 결정 패턴을 형성하는 가능한 방법은 230가지뿐입니다. 준결정은 그 어떤 것에도 속하지 않습니다. 준결정의 독특한 모양 덕분에 공간을 채우는 패턴을 형성하지만, 결코 반복되지 않습니다.

테크니온-이스라엘 공과대학(Technion-Israel Institute of Technology)의 재료과학자 댄 셰흐트만(Dan Shechtman)은 1980년대 미국 국립표준기술연구소(NIST)에서 안식년을 보내던 중 준결정을 발견했습니다. 당시 많은 과학자들은 그가 발견한 새로운 결정 형태가 일반적인 결정의 법칙으로는 불가능했기 때문에 그의 연구에 결함이 있다고 생각했습니다. 그러나 셰흐트만은 면밀한 연구를 통해 이 새로운 유형의 결정이 존재한다는 것을 의심의 여지 없이 증명하여 결정학에 혁명을 일으켰고, 2011년 노벨 화학상을 수상했습니다.

수십 년 후, 셰흐트먼과 같은 건물에서 일한 앤드류 이암스는 3D로 인쇄한 알루미늄에서 자신만의 준결정을 발견했습니다.

금속 3D 프린팅은 어떻게 작동하나요?

금속을 3D로 인쇄하는 방법에는 여러 가지가 있지만 가장 일반적인 방법은 "파우더 베드 퓨전"이라고 합니다. 작동 방식은 다음과 같습니다. 금속 파우더를 얇은 층으로 고르게 펼칩니다. 그런 다음 강력한 레이저가 파우더 위로 이동하여 함께 녹입니다. 첫 번째 층이 완성되면 새로운 파우더 층을 그 위에 펼치고 이 과정을 반복합니다. 레이저가 한 번에 한 층씩 파우더를 녹여 단단한 모양으로 만듭니다.

3D 프린팅은 다른 방법으로는 불가능한 모양을 만듭니다. 예를 들어, 2015년에 GE는 금속 3D 프린팅으로만 만들 수 있는 비행기 엔진용 연료 노즐을 설계했습니다. 새로운 노즐은 엄청난 개선이었습니다. 복잡한 모양이 프린터에서 단일 경량 부품으로 나왔습니다. 반면 이전 버전은 20개의 개별 조각으로 조립해야 했고 무게가 25% 더 무거웠습니다. 지금까지 GE는 이러한 연료 노즐을 수만 개 인쇄하여 금속 3D 프린팅이 상업적으로 성공할 수 있음을 보여주었습니다.

금속 3D 프린팅의 한계 중 하나는 소수의 금속에서만 작동한다는 것입니다. 논문의 공동 저자인 NIST 물리학자 Fan Zhang은 "고강도 알루미늄 합금은 인쇄하기가 거의 불가능합니다."라고 말합니다. "균열이 생기기 쉽고, 이로 인해 사용할 수 없게 됩니다."

알루미늄 인쇄가 어려운 이유는?

일반 알루미늄은 약 700도 C의 온도에서 녹습니다. 3D 프린터의 레이저는 온도를 금속의 비등점인 2,470도 C보다 훨씬 더 높여야 합니다. 이렇게 하면 금속의 많은 속성이 바뀌는데, 특히 알루미늄은 다른 금속보다 더 빨리 가열되고 냉각되기 때문입니다.

2017년 캘리포니아에 있는 HRL 연구소와 UC 산타바바라의 한 팀이 3D로 인쇄할 수 있는 고강도 알루미늄 합금을 발견했습니다. 그들은 알루미늄 파우더에 지르코늄을 첨가하면 3D로 인쇄된 부품이 균열되는 것을 방지하여 강력한 합금이 생성된다는 것을 발견했습니다.

NIST 연구원들은 원자 수준에서 이 새로운 상업적으로 이용 가능한 3D 인쇄 알루미늄-지르코늄 합금을 이해하기 위해 나섰습니다. "이 새로운 금속을 군용 항공기 부품과 같은 중요한 구성 요소에 사용할 만큼 신뢰하려면 원자가 어떻게 맞물리는지에 대한 심층적인 이해가 필요합니다."라고 장은 말했습니다.

NIST 연구팀은 이 금속을 그토록 강하게 만드는 요인이 무엇인지 알고 싶었습니다. 그 해답의 일부는 준결정이었습니다.

준결정은 어떻게 알루미늄을 더 강하게 만들까?

금속에서 완벽한 결정은 약합니다. 완벽한 결정의 규칙적인 패턴은 원자가 서로를 지나가기 쉽게 만듭니다. 그렇게 되면 금속이 구부러지거나 늘어나거나 깨집니다. 준결정은 알루미늄 결정의 규칙적인 패턴을 깨뜨려 금속을 더 강하게 만드는 결함을 일으킵니다.

준결정 식별의 측정 과학

Iams가 수정을 딱 맞는 각도에서 보았을 때, 그는 수정이 5중 회전 대칭을 가지고 있음을 보았습니다. 즉, 수정을 축을 중심으로 회전시켜서 동일하게 보이게 하는 방법이 5가지가 있다는 뜻입니다.

"5중 대칭은 매우 드뭅니다. 그것이 준결정이 있을 수 있다는 확실한 신호였습니다." Iams가 말했습니다. "하지만 측정이 정확해질 때까지는 완전히 확신할 수 없었습니다." 준결정이 있다는 것을 확인하기 위해 Iams는 현미경 아래에서 결정을 조심스럽게 회전시키고 두 가지 다른 각도에서 3중 대칭과 2중 대칭이 있다는 것을 보여야 했습니다.

"이제 이런 발견이 있으니 합금 설계에 새로운 접근 방식이 열릴 것 같아요." 장이 말했습니다. "준결정이 알루미늄을 더 강하게 만들 수 있다는 걸 보여줬어요. 이제 사람들은 미래의 합금에서 의도적으로 준결정을 만들려고 할지도 몰라요."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/04/250407172912.htm