플라스마 질화법 적용…질소 보호층 형성하여 인장강도 및 균일 연신율 향상
“별도 후처리 필요 없어져, 항공과 자동차 산업 등에 적용 전망”

포항공과대학(POSTECH/포스텍)이 스테인리스(STS) 304 강종 등 산업 전반에 사용되는 특수금속을 더 강하고 유연하게 만드는 제조 기술을 개발했다. 해당 기술은 기계공학 학술지인 ‘국제가소성저널(International Journal of Plasticity)’에도 실렸다.

포스텍 김형섭 포스텍 신소재공학과·친환경소재대학원 교수 연구진은 금속 표면에 질소를 침투시키는 ‘플라스마 질화법(plasma nitriding)’으로 금속의 강도와 연성을 모두 높일 수 있단 내용을 발표했다. 플라스마 질화법은 금속 재료 표면에 질소 원자를 침투시켜 질화물층을 생성(경화)시키는 열처리 공정이다. 

연구진이 개발한 기술의 핵심은 낮은 압력과 적절한 온도에서 짧은 시간 내에 질화 처리를 할 수 있다는 점이다. 스마트폰에 얇은 액정 보호필름을 붙이듯 비교적 단시간 금속 표면에 균일한 보호층을 만들 수 있다.

김형섭 교수 연구팀은 이를 산업계에서 활발하게 사용하고 있는 ‘STS304 강종’과 최근 연구가 활발한 ‘고엔트로피 합금’에 적용한 결과 금속 표면에 약 300㎚ 두께의 나노 질화물층이 형성된 점을 확인했다고 밝혔다. 기본적인 구조나 결정 같은 재료의 특성은 변하지 않은 가운데 인장강도가 향상되고 균일 연신율이 7.9% 증가하는 등 강도와 연성이 모두 높아진 점을 확인했다.

일반적으로 금속 소재의 강도가 높아지면 연성이 악화되고, 그 반대로 금속 소재 연성이 높아지면 강도가 악화되는 가운데 이번 기술은 강도와 연성을 모두 적정 향상하는 성과를 거뒀다. 

김형섭 교수는 “새로운 플라스마 질화법은 기존 기술과 달리 재료의 조기 파단 없이도 균일한 성능을 제공하며, 특히 후처리 공정 없이 즉각적인 산업 적용이 가능하다”며 “연구를 기반으로 항공과 자동차 산업에 있어 더 안전한 금속 후처리 방법이 등장할 것”이라고 밝혔다.

한편, 김형섭 교수는 지난해 미국 금속·재료학회(TMS)로부터 ‘2025 TMS MPMD’의 Distinguished Scientist/Engineer Award 부문 수상자로 선정된 바 있다. 이에 3월 미국 라스베이거스에서 열리는 제154회 TMS 학술대회에서 수상을 받을 예정이다.