비정질 합금

1. 개요

漢: 非晶質合金 / En: Amorphous Alloy, Metallic Glass, ~~Liquid Metal~~[1]

비정질 합금은 결정을 이루고 있지 않는 합금을 의미한다. 쉽게 말하면 겉은 고체, 속은 액체. 액체를 품은 고체라고 생각하면 이해가 빠를 것이다. 동의어로 비결정성( 非結晶性) 합금이 있다.

1960년, 미국 캘리포니아 공과대학의 P. 듀에이 교수 등은 금과 실리콘의 합금을 녹여 고압의 가스로 동판에 분사시켜 급랭시킴으로써 결정이 없는 금속을 만드는 데 성공하였다. 이것이 급랭을 이용해 최초로 만들어진 비결정질 금속이다. 하지만 듀에이 박사가 만든 비결정질 금속은 겨우 0.1g도 안 되는 얇은 박막으로, 실용화 같은 것은 생각할 수 없었었다.

실용화의 실마리를 만든 것이 일본의 마쓰모토 박사이다. 금속은 고체 상태에서는 원자가 규칙적으로 배열되어 있는데, 액체상태에서 매우 빠른 속도로 순간적으로 냉각시켜 원자에게 원래 상태로 돌아갈 시간을 주지 않는 방식으로 제작하게 되었다. 물보다는 금속 쪽이 열전도가 잘 되므로 냉각된 금속의 표면에 녹인 금속을 흐르게 하는 것이 가장 좋다. 이와 같은 아이디어를 발전시켜서 고온의 녹인 금속을 고속회전하는 롤 위에 흘러 보내어 초급랭하는 방법이 쓰인다. 액체질소를 이용한다고도 한다.

2. 특징

최초에는 팔라듐과 실리콘의 합금으로 만들었다. 그리고 철, 니켈, 코발트 등의 금속으로, 최근에는 지르코늄에 티타늄, 니켈, 구리 등을 섞어서 만든다. 결정구조가 흐트러져있어서 이제까지의 금속이 가지지 않았던 몇가지 특성을 가지고 있다.

2.1. 장점

강도
일반적인 금속에 비해서 강도가 높다. 결정질 금속의 경우에는 결정대로 쪼개지는 현상이 있는데 여기는 안 쪼개진다. 과장하자면 금속 덩어리 하나가 단위체 하나인 것이다. 예를 들자면 철의 경우 결정철의 강도는 기껏 20kg/1㎟ 정도밖에 안 되는데, 비결정질 철합금은 400kg/1㎟ 나 되는 강도를 지닌다.
내식성
전파 투과
결정질 금속의 경우 결정 격자의 독특한 공명으로 인하여 전파가 내부로 투과되지 못하지만, 비정질 합금의 경우에는 전파가 투과한다.
가공성
비정질 합금의 경우, 주물제작을 하였을때 표면이 매끈하여 더 이상의 가공이 필요 없다.

2.2. 단점

열
비정질 합금은 열에 약하다. 급속 냉각에 의해 결정이 형성되지 않았지만, 높은 온도에서는 열에 의해 다시 보통의 결정금속으로 되돌아가버린다. 일반적으로 400~500℃가 그 한계온도이다. 이 점을 극복하기 위해서는 가열해도 결정화되지 않는 합금조성을 찾아내는 일이 중요하며, 현재 700~800℃까지 안정된 합금도 나와 있다.
제작의 어려움
금속을 균일하게 비정질화 시키기가 대단히 어렵다. 금속은 식으면 무조건 결정화를 시작하는데, 제작하면서 부분부분 결정화된 부분이 생기게 되고, 그 부분이 취약하게 되어 잘 부서진다.
재결정화
비정질 합금은 내버려두면 천천히 스스로 본연의 결정구조를 찾아 결정화 되어버린다. 재질에 따라 다른데 짧으면 몇달 내에 결정화 되어버린다.

2.3. 기타

애플이 소비자 전자제품에 대한 liquid metal technology^TM과의 독점적 사용 라이선스를 가지고 있다. 때문에 해마다 차세대 아이폰에 비정질 합금 바디가 채택될 것이라는 루머가 나돌지만 양산의 어려움 탓인지 현재까지 적용된 제품은 없다. 하지만 아이폰4부터 심카드 분리 핀과 아이폰 6부터 애플 로고에 쓰이는등 점점 많은 부분에 쓰이고 있다. 라이선스 만료에 맞춰 계약을 연장한 것으로 보아 상용화를 포기하지는 않은 듯 하다.
2015년 7월에 '튜링 로보틱 인더스트리' 라는 회사에서 뜬금없이 비정질 금속을 이용한 스마트폰을 출시한다고 밝힌 적이 있다. 외장 전체가 비정질금속은 아니고 일부 부분에 사용한 정도라는 듯. #
시계 제품에 대해서는 스와치가 독점적 사용권을 가지고 있다. 그래서 스와치그룹 산하의 오메가에서 다이얼과 베젤을 리퀴드 메탈로 제작한 PO를 한정판으로 출시했었다.
Sandisk에서 2006년 출시한 Cruzer Titanium 제품에 사용하였다. #
현대카드에서 프리미엄 카드 라인업(더레드, 더퍼플, 더블랙)의 한정판으로 리퀴드메탈 소재의 카드를 발급한 적이 있었다.
미군이 개발중인 신형 전차포용으로 리퀴드메탈제 날개안정분리철갑탄을 연구중이라고 한다. ~~이미 관통력이 야마토급 전함 주포급이 된 120mm 열화우라늄탄으로 모자랐더냐......~~

3. 같이 보기

[1] 흔히 리퀴드메탈이라는 이름으로 알려져 있지만 이는 캘리포니아 공과대학교에서 개발한 기술을 바탕으로 비정질 합금을 제품화한 Liquidmetal technology^TM이라는 상표명이다. 그리고 리퀴드메탈이라는 이름에 걸맞은 금속이 이미 있다. 대표적으로 수은. 상온에서 액체 상태로 존재하는 유일한 홑원소 금속이기 때문에 이것만큼 적합한 예시가 더 없다. 합금까지 찾아보면 갈린스탄, 나크 등 꽤 많다.