한국과학기술연구원(KIST) 미래융합기술연구본부 고온에너지재료연구센터 최인석 박사 연구팀과 고려대학교 공과대학 신소재공학부 김영근 교수 연구팀은 기존 금속소재의 인장강도 수치를 훨씬 상회하는 현존 최고의 인장강도를 지닌 다층 나노선을 개발했다고 밝혔다. 연구팀이 개발한 지름 200nm크기의 니켈(Ni)/니켈-금(Ni-Au) 다층 나노선 구조의 인장강도는 현존 최고치인 7.4GPa로 측정됐다. 이는 동일 직경의 니켈 나노선 대비 약 5배 수준의 수치이며, 통상적으로 알려진 금속소재의 인장강도 값 대비 약 10배 이상으로 니켈이 이론적으로 가질 수 있는 최고 인장 강도치를 구현했다.
연구팀은 나노틀을 이용하여 한 개의 전기 도금조에 니켈과 금의 이온을 동시에 녹인 뒤, 펄스 도금법을 사용하여 니켈과 니켈-금 합금 층을 순차적으로 제조한 후, 다층구조 나노선 다발에서 1개의 나노 선을 분리하여 집속이온빔 장치 내에 장착된 고 정밀 인장시험기로 실시간 인장실험을 진행했다. 이와 함께 나노선의 미세구조, 원소분포를 측정했으며, 절단면의 형태를 파악하여 강도 증강의 원인을 규명했다. 이번에 개발된 다층 나노선 구조의 경우 금속변형의 원인이 되는 전위의 움직임을 효과적으로 제어하기 위해 니켈 층과 니켈-금 층(금 15%)의 두께를 각각 10 nm까지 조절하여, 기존 나노선에 비해 인장강도를 크게 증가시킬 수 있었다. 이 연구는 KIST 기관고유사업, 미래창조과학부 중견연구자지원사업 일환으로 추진된 것으로 나노분야에서 세계적 권위지인 ‘Nano Letters’ 2016년 5월 9일자 온라인판에 게재됐다.
<그림 1> 니켈(Ni)/니켈-금(Ni-Au) 다층나노선의 합성방법 개요도(상) 단일 금속 나노선과 다층나노선의 인장파괴 시 절단면 비교(좌하) 다층나노선의 층간 두께에 따른 인장강도(우하)
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