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Fall 2026 Vol. 27

Engineering

차세대 고강도 알루미늄 합금 제조를 위한 새로운 강화 전략 제시

August 20, 2026 hit 585

KAIST 기계공학과 심기동 교수 연구팀은 FCC 구조의 알루미늄에서는 침입형 고용체 강화가 어렵다는 기존 인식을 넘어, 스퍼터링 기반 알루미늄-탄소 박막에서 침입형 탄소에 의한 코트렐 대기 형성이 강도 향상으로 이어진다는 사실을 실험적으로 규명함으로써, 알루미늄 합금 강화의 새로운 전략을 제시했다

알루미늄 합금은 낮은 밀도와 우수한 성형성 덕분에 자동차, 항공우주, 해양 구조재 등 다양한 경량 구조용 분야에서 폭넓게 활용되고 있다. 그러나 더 높은 하중 지지 능력과 안전성이 요구되는 차세대 구조 응용으로 갈수록, 알루미늄의 상대적으로 낮은 강도는 여전히 핵심 한계로 남아 있다.

이를 극복하기 위해 알루미늄 합금의 고강도화를 위한 석출 강화, 결정립 미세화, 탄소 기반 보강재의 복합화 등 다양한 접근이 활발히 시도되었지만, 연성 저하나 공정상의 제약을 동반해 보다 근본적인 강화 기구의 필요성을 남겨 왔다.

KAIST 심기동 교수 연구팀은 이러한 한계를 극복할 수 있는 새로운 강화 전략의 가능성을 제시했다. 연구팀은 스퍼터링 기반으로 제조된 알루미늄-탄소 (Al-C) 박막에서 나타나는 항복점 현상에 주목했다. 일반적으로 항복 응력에 도달한 직후 응력이 일시적으로 급격히 하강하는 항복점 현상은 탄소강과 같은 철 기반 재료에서 잘 알려져 있지만, 알루미늄에서는 탄소의 낮은 고용도와 탄화물 형성 때문에 거의 보고되지 않았다.

연구팀은 앞선 연구를 통해 스퍼터링 기반 Al-C 박막에서 탄소가 알루미늄 모재 내에 균일하게 분포할 수 있으며, 이를 통해 알루미늄에서도 침입형 탄소에 의한 강화 가능성이 있음을 제시한 바 있다. 이번 연구에서는 반복적인 하중제거-시효-재하중 시험, 응력 완화 시험, 그리고 광범위한 미세구조 분석을 통해 그 강화의 근원이 코트렐 대기 (Cottrell atmosphere) 형성에 있음을 실험적으로 규명했다 (그림 1a). 코트렐 대기는 탄소와 같은 원자 크기가 작은 용질 원자가 금속 내부에서 변형을 일으키는 전위라는 결함 주변에 모여 전위의 움직임을 방해하는 현상으로, 이러한 전위 고정 효과로 인해 재료의 강도가 크게 향상되는 것으로 나타났다 (그림 1b). 특히 알루미늄에서 이러한 확산 지배형 용질-전위 상호작용을 직접적으로 입증했다는 점에서 학술적 의미가 크다.

Figure 1 (a) 미소 인장시험 순서 모식도, 알루미늄 및 알루미늄-탄소 응력 변형률 곡선 (b) 알루미늄-탄소 박막의 강화 기구 규명 모식도

또한 탄소뿐 아니라 붕소가 도입된 Al-B 시스템, 모재가 알루미늄이 아닌 6000계열 알루미늄 합금을 도입한 Al alloy-C 시스템에서도 유사한 항복점 현상과 강도 향상이 확인돼, 해당 강화 메커니즘이 특정 원소 하나에 국한되지 않고 다양한 경량 원소 및 알루미늄 기반 합금계로 확장될 수 있음을 보여주었다. 특히 연구팀이 개발한 Al alloy (6000계열 알루미늄 합금)-C 박막은 약 715 MPa의 항복강도를 기록했으며, 이는 순수 알루미늄 박막 대비 약 6배 높은 수준이다 (그림 2).

Figure 2 (a) 침입형 용질 고용 알루미늄 합금 박막의 응력 변형률 거동 (b) 경량 금속 소재 대비 비강도 Ashby plot

더 나아가, 후속 연구로써 알루미늄 합금-탄소 박막에 열처리를 적용했을 때 기존 열처리형 알루미늄 합금의 석출 강화 효과와 침입형 탄소에 의한 코트렐 대기 강화 효과가 동시에 적용될 수 있음을 입증하였다 (그림 3a). 실제로 300 °C 열처리된 시편에서는 알루미늄-구리 석출물이 형성되었고, 동시에 열처리 후 나타난 항복점 현상은 탄소에 의한 코트렐 대기 형성이 추가적인 강도 기여를 제공함을 시사했다 (그림 3b). 그 결과 열처리된 알루미늄 합금-탄소 박막은 최대 약 900 MPa 수준의 인장강도를 달성했으며, 연구팀은 이를 통해 침입형 용질-전위 상호작용이 기존 알루미늄 합금 강화 전략을 넘어서는 새로운 설계 경로를 제공할 수 있다고 설명했다.

Figure 3 열처리 후 알루미늄 합금-탄소 박막의 (a) 기계적 거동 그래프 및 (b) 미세구조 변화 모식도

연구팀은 이번 성과가 박막 시스템에 머무르지 않고, 향후 적층 제조 (Additive manufacturing) 기반 벌크스케일 알루미늄 합금으로도 확장될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 국부 용융과 급속 응고를 특징으로 하는 AM 공정은 박막스케일 재료에서 확인된 비평형 미세구조와 유사한 상태를 벌크스케일 재료에서도 구현할 잠재력을 지닌다. 이는 고강도와 경량화를 동시에 요구하는 차세대 알루미늄 합금 구조재 개발의 가능성을 한층 넓혀줄 것으로 기대된다.

KAIST 기계공학과 이시온 박사과정, 김호장 박사가 제1저자로 연구를 수행하고, 심기동 교수가 교신저자로 참여한 이번 연구 성과는 국제 학술지 Advanced Functional Materials 온라인 게재되었으며, 후속 연구로 수행한 관련 성과는 재료 분야 국제학술지인 Materials Today Nano에 2026년 4월 20일자로 게재됐다.