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입계공학의 역사와 장래 전망

전문가 제언: ○ 다결정 재료의 성질은 결정립계의 미세구조와 그 특성에 의해 큰 영향을 받는다. 1984년에 T. Watanabe는 입계특성분포(grain boundary character distribution: GBCD), 즉 특별한 성질을 가진 입계 미세구조의 비율을 높임으로써 재료의 성질을 향상시키는 방법을 제안하였고, 그것이 입계공학(grain boundary engineering: GBE)의 시초가 되었다.

○ 인접한 두 결정의 어긋남(misorientation)이 점점 커지면 두 결정의 격자점들 중 일부가 주기적으로 일치하는 경우가 생기며, 이 점들의 집합을 CSL(coincidence site lattice)이라 한다. GBCD는 CSL 모델에 근거를 둔 것으로서, 이 초격자의 크기, 즉 입계의 구조적 질서도와 연관된 Σ라는 파라미터를 사용하여 특별한 성질을 나타내는 입계를 규정한다.

○ 입계공학에서는 가공열처리를 통하여 입계에너지가 작은 저-Σ(Σ≤29) 입계의 비율을 높임으로써 재료의 강도/연성을 높이거나 입계균열, 입계부식 등의 억제를 도모한다. 특히 어닐링 쌍정(Σ3)의 생성이 쉬운 fcc 다결정 재료가 입계공학의 주요 대상이 되고 있다. 예를 들어 미국의 INTEGRAN Technologies사는 벌크 및 표면에 쌍정의 비율을 높임으로써 니켈기초합금의 고온 피로, 크리프, 부식에 대한 내성을 부여하는 GBE? 및 GBEST?공정을 개발하였다.

○ XRD와 TEM/수작업에 의존하던 조직의 텍스쳐 및 GBCD 측정이 컴퓨터와 연결된 SEM-EBSD/OIM(Scanning Electron Microscopy based Electron Back Scatter Diffraction/Orientation-Imaging Microscopy)의 등장으로 자동화됨으로써 입계공학은 현실성을 띄게 되었다. 또 삼투이론(percolation theory)에 입각한 입계연결성 모델과 GBCD의 접목은 입계공학의 발전 가능성을 더 크게 하였다.

○ 국내에서는 2000년대 초부터 대학을 중심으로 입계공학에 대한 연구가 시작되었으나 그리 활발하지는 않다. 앞으로 재료성질을 향상시키는 특별한 입계의 선정, 어닐링 쌍정이 없는 시스템에서의 GBE, 3D 시스템에서의 입계연결성 이용 등 해결되어야 할 문제가 많으므로 국내에서도 이 분야의 연구에 많은 노력을 기울일 필요가 있다.

저자: Tadao Watanabe
자료유형: 학술정보