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[연구기관 탐방] 포스텍 구조용 나노금속・공정 연구실

등록일2025.09.01
조회수2025

포스텍 구조용 나노금속・공정 연구실

POSTECH Structural Nano Metals & Processing Lab.

글. 포스텍 친환경소재대학원 / 신소재공학과 김형섭 교수

강하고 가벼우며, 다양한 환경에서도 견디는 금속을 만든다면 어떨까요? 여기에 3D 프린터로 복잡한 구조까지 자유롭게 찍어낼 수 있다면요? 구조용 나노금속・공정 연구실(SNMPL, Structural Nano Metals & Processing Lab)에서는 금속 재료의 새로운 가능성을 탐구하며, 미래 산업의 핵심 기술을 주도하고 있습니다. 특히 이 연구실은 고엔트로피합금, 금속 적층 제조, 그리고 디지털 트윈 기반 시뮬레이션과 인공지능이라는 세 가지 주제를 중심으로 혁신적인 연구를 진행합니다.

고엔트로피합금:

기존 금속의 한계를 넘어서다

고엔트로피합금(High-Entropy Alloy, HEA)은 철, 니켈, 코발트, 크롬, 망간처럼 5종 이상의 원소를 서로 유사한 비율로 섞어 만든 새로운 개념의 합금입니다. 기존 금속들이 특정 주 원소에 소량의 합금 원소를 더하는 방식이었다면, HEA는 여러 원소를 균등한 비율로 조합하여 ‘혼돈 속의 질서’를 끌어냅니다. 이러한 독특한 조성은 고온에서의 안정성, 뛰어난 기계적 강도와 연성, 부식 저항성, 심지어 극저온에서의 탁월한 물성1도 발현시킵니다. SNMPL에서는 이러한 고엔트로피합금을 실제 구조재료2로 활용하기 위해 나노구조 제어, 가공 공정 최적화, 복합 기능화3 연구를 수행하고 있으며, 이론뿐만 아니라 실제 부품 제조까지 도전하고 있습니다.

여러 원소가 균등한 비율로 구성된 고엔트로피 합금의 원자 구조, 인장 강도 및 연신율 특성을 나타냄

금속 적층 제조:

3D 프린터로 금속을 찍어내다

“복잡한 구조? 자유롭게 찍어내면 됩니다.”

SNMPL에서는 직접에너지증착(Direct Energy Deposition, DED)4과 분말베드융합(Powder Bed Fusion, PBF)5방식의 금속 3D 프린팅 기술을 활용해 금속 재료의 새로운 제조 방법을 탐색하고 있습니다. 기존의 절삭・압연6 방식과 달리, 적층 제조(Additive Manufacturing, AM)는 원하는 부품을 하나의 공정에서 바로 만들어낼 수 있어 소재 낭비가 적고 형상 자유도가 매우 높습니다. 연구실에서는 이러한 3D 프린팅을 활용해 복합재료화7, 기능성 소재 구현, 신소재–신공정의 동시 개발을 지향하고 있으며, 특히 고엔트로피합금과의 융합을 통해 차세대 구조재료의 성능을 끌어올리고 있습니다. 일론 머스크의 SpaceX 역시 대부분의 부품을 직접에너지증착법으로 제조하고 있습니다.

직접에너지증착(DED)과 분말베드융합(PBF) 방식의 금속 적층 제조 공정을 설명

디지털 트윈과 인공지능:

실험 대신 시뮬레이션으로 예측하다

금속을 만들고 실험을 반복하는 데는 시간과 비용이 많이 소모됩니다. 이를 해결하기 위해 SNMPL에서는 디지털 트윈(Digital Twin)8 기술과 머신러닝 기반의 시뮬레이션을 도입하고 있습니다. 연구실은 다양한 실험 데이터를 기반으로 공정–구조–물성(Process–Structure–Property, PSP) 간의 상관관계를 학습시켜 예측 모델을 구축합니다. DREAM.3D와 같은 시뮬레이션을 활용해 실제처럼 미세조직을 구현하고, 유한요소해석(FEM)9을 통해 재료의 거동을 예측합니다. 이러한 방식은 최적의 공정 조건을 빠르게 도출하고, 실험을 최소화하면서도 정확한 결과를 얻을 수 있게 해줍니다.

유한요소해석(FEM)과 AI 기반 시뮬레이션을 통해 합금 개발을 효율화하고 물성 예측을 가능하게 하는 과정을 보여줌

금속은 단단하고 정적인 소재라고 생각할 수 있지만, SNMPL에서는 그 가능성을 유연하게 확장하고 있습니다. 새로운 금속(HEA)을 만들고, 자유로운 형상(3D Printing)으로 구현하며, 예측할 수 있는 미래(Digital Twin)를 설계하는 이곳에서는, 바로 내일의 산업과 기술이 태어나고 있습니다. 관심 있는 포스테키안 독자 여러분, 금속의 미래를 함께 만들어갈 준비가 되셨나요? 연구실 소식 및 김형섭 교수님의 연구 성과는 연구실 홈페이지(https://snmpl.postech.ac.kr/)에서 확인하실 수 있습니다. 관심 있는 학생과 연구자는 언제든지 연구실로 편하게 연락해 주시길 바랍니다.