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“마그네슘은 고순도일수록 잘 녹슬지 않는다?” 1942년 마그네슘에 존재하는 철(Fe) 등 불순물이 부식을 촉진한다는 사실이 알려진 이후, 고비용 초고순도 원소재를 사용하는 것은 마그네슘 기반 소재의 내식성을 확보하는 가장 확실한 방법으로 받아들여져 왔다. 그러나 최근 UNIST 연구진은 이 오랜 통념을 뒤집어, 상용 순도의 마그네슘 합금에서 초고순도 수준의 내식성을 구현했다.

UNIST 신소재공학과 박성수 교수팀은 마그네슘 속 철 불순물을 완전히 제거하는 대신 작은 입자 안에 가두는 설계 기술을 개발해 고내식성 마그네슘 합금을 만들었다고 밝혔다. 마그네슘은 구조용 금속 중 가장 가볍다. 알루미늄보다 가벼워 자동차, 항공기, 드론, 휴대용 전자기기처럼 경량화가 필요한 분야에서 주목받아 왔지만, 타 금속 소재 대비 쉽게 부식되는 탓에 널리 쓰기 어려웠다. 철 불순물은 마그네슘 합금의 부식을 빠르게 키우는 대표적 요인 중 하나다. 상용 마그네슘 소재에는 미량의 철이 들어 있는데, 철이 주변 마그네슘이 먼저 녹도록 만들어 표면을 빠르게 손상시킨다. 또한 불순물의 영향을 배제하기 위해 초고순도 마그네슘을 사용할 경우 기존 대비 수십 배 높은 소재 비용을 감당해야 하는 문제가 있었다.

연구팀은 철 불순물을 입자 안에 가둠으로써 마그네슘과 직접 닿는 것을 차단하는 설계 기술을 통해 고내식성 합금을 개발했다. 마그네슘 합금에 스칸듐을 미량 첨가한 기술이다. 스칸듐을 넣게 되면, 철이 스칸듐 화합물 껍질에 감싸진 ‘코어-쉘’ 구조가 만들어진다. 이 코어-쉘 구조를 만들기 위해서는 합금 응고 과정에서 철을 포함하는 코어가 먼저 생기고, 그 위를 철이 거의 없는 껍질이 덮어야 한다. 연구팀은 여러 원소를 대상으로 이론 계산을 한 뒤, 적합한 첨가물로 스칸듐을 골랐다.

실험 결과, 스칸듐을 넣지 않은 같은 마그네슘-알루미늄 합금은 3일 동안 소금물에 담그자 심하게 녹아버렸지만, 스칸듐을 넣은 합금은 큰 형태 변화가 없었다. 무게 변화로 계산한 부식 속도도 22.2mm/y에서 0.38mm/y로 낮아져, 약 60분의 1 수준에 그쳤다. mm/y는 부식 속도를 나타내는 단위로, 같은 속도로 1년 동안 부식됐을 때 금속 두께가 몇 mm 줄어드는지를 뜻한다. 또 상용 마그네슘 합금에 극미량의 스칸듐을 넣는 것만으로도 부식 속도가 1/7 수준으로 늦춰졌다. 상용 마그네슘 합금은 알루미늄 외에도 망간, 아연 등이 첨가되어 있으며, 극미량 스칸듐 첨가로 인한 소재 비용 증가는 10~20% 정도로 크지 않다.