나노기술 및 정책 정보

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중국과학원 금속 연구소 산하 "선양(瀋陽) 재료과학 국가 연구 센터" 루커(盧柯) 원사(院士)와 리슈옌(李秀艶) 연구팀은 급속 가열된 구리 나노 결정립에서 변형된 거친 입자의 재결정 온도보다 훨씬 높은 융점의 최대 0.6 배 온도에서도 안정적으로 유지되는 결과를 얻음. 이는 고밀도 나노 트윈 생성으로 인한 열 유도 입자 경계 완화로 나노 구조 물질을 안정화시키는 새로운 방법을 제공하는 것임.

연구팀은 이번 연구를 실행하는 과정에서 액체 질소 속에서 표면 기계 연마 처리(SMGT) 방법을 이용하여 순수도가 99.97%에 달하는 산소가 존재하지 않는 굵은 결정 구리 막대 샘플 에서 계단 나노 결정 표면 층을 개발하였음. 제일 표면층에서는 평균 가로 방향 사이즈가 40nm에 달하고 가로와 세로 비가 1.7에 달하는 결정입자들이 무질서한 방향으로 분포하고 있었음. 가로 방향 결정 입자 크기는 내부로 들어갈수록 증가하는데 18μm의 깊이에 달할 때 약 60nm 수준에 달하고 150μm의 깊이에서는 200nm 수준에 이르렀음. 나노 결정 조직 속에서 취약한 {111}〈110〉 결정면과 방향을 발견하였음.

연구팀은 이번 연구를 통해 나노 결정 표면층에서 변형되는 굵은 결정 구조를 관찰해 냈으며, 준비된 계단 나노 결정 샘플을 다양한 속도로 사전에 확정한 온도인 523K(동 온도는 굵은 결정 Cu 속의 어널링(annealing) 트윈 결정의 형성 온도임)로 가열한 다음 급속히 냉각시켰으며, 열량 스캐너 기기를 통해 4개 가열 속도(각각 1, 80, 160과 240K/min)를 정밀 제어하여 가열 속도가 나노 결정 입자의 조대화(Coarsening)에 끼치는 영향을 분석함.

연구팀은 이번 연구를 통해 열 결정계 이완 후의 나노 결정은 특이하게 높은 열 안정성을 나타내며, 조대화(Coarsening)가 시작되는 온도는 0.6Tm(Tm은 용융점임)에 달한다는 점을 발견하였는데 이는 기계 결정계 이완 후의 Cu 나노 결정 입자의 조대화 온도 보다 높을 뿐만 아니라(약 0.45Tm) 변형된 굵은 결정 입자 Cu의 일상적인 재결정 온도(0.4Tm)보다 약 280K나 더 높은 것임. 따라서 나노 결정 입자는 열 이완 결정계 속에서 변형된 굵은 결정 입자 구리의 전통적인 결정계보다 더욱 높은 열안정 상태를 유지한다는 점을 의미하고 있음.

열 유도의 결정계 이완은 급속 가열 과정에서의 나노 결정계 트윈 결정으로 인해 만들어지는데 이런 새로운 안정화 방안은 낮은 층의 결함 에너지(Fault energy)가 존재하는 기타 나노 구조 소재에도 적용될 수 있음. 예를 들면 오스테나이트(austenite) 스테인리스강(stainless steel)과 니켈 베이스 고온 합금과 같은 공정 합금 분야에도 적용할 수 있기 때문에 연구팀이 이번 연구에서 취득한 혁신 성과는 나노 구조 소재의 고온 응용을 추진하는 면에서 중대한 의미를 가지고 있음.

본 연구 성과는 ‘Science Advances’ ("Rapid heating induced ultrahigh stability of nanograined copper")지에 게재됨.