국내 연구팀이 고온에서도 강도 저하가 거의 없는 ‘내화강’이 인공지능(AI)과 통합전산재료공학(ICME)을 활용해 개발했다. 이 강재는 기존 상용 강재 대비 두 배 이상의 강도를 보이며, 향후 고층 건축물과 인프라 구조물의 안전성을 향상시킬 것으로 기대된다.

4일 포항공과대학교(POSTECH) 친환경소재대학원 김경덕 교수 연구팀과POSCO 기술연구원 및 미국 퀘스텍 이노베이션스(QuesTek Innovations)공동 연구팀에 따르면, 국내 연구팀이600℃ 이상의 고온에서도 우수한 강도를 유지하는 고성능 내화강을 개발했다.

내화강은 일반적인 강철이 고온에서 급격히 약해지는 문제를 해결하기 위한 소재다. 연구팀은 기존 고가 희귀 금속 의존형 내화강의 한계를 극복하기 위해 탄소(C), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V) 등 11가지 합금 원소의 조합을 설계했다.

이후 고속대량스크리닝이 가능한 CALPHAD 기반 모델을 활용해 약 5000개 조성의 고온 강도 특성을 예측했고, 3가지 열처리 조건을 적용해 총 3만 건 이상의 항복강도(YS) 계산을 수행했다. 이 데이터를 바탕으로 AI 분석을 통해 가장 우수한 조성들을 도출했다.

연구팀은 도출된 조성 중 고온 성능이 뛰어난 세 가지를 실제로 제작해 실험 검증에 나섰다. 결과적으로 개발된 내화강은 600도에서 520~770MPa의 항복강도를 나타냈으며, 이는 기존 상용 S355 강재보다 2배 이상 강한 수치다.

제작한철강 중 ‘Alloy 3’로 명칭된 조성은 600도에서 770MPa의 강도를 보여, 고온에서도 실온의 강도를 70% 이상 유지한 것으로 나타났다. 이 같은 성능은 내화강 설계 기준인 66%를 초과한다. 모든 조성은 S355보다 실험 강도가 높았다.

일부 조성은모델 예측값보다도 큰 차이를 보였다. 연구팀은 모델 예측보다 실험 강도가 높게 나온 원인으로석출 강화 기여도의 과소평가가 지적했다. 고온에서 탄화물이 쉽게 조대화될 것이라는 예측과 달리, 실제로는 입자 성장이 억제돼 고강도가 유지된 것이다.

연구팀은 내화강의 뛰어난 고온 강도가 미세한 바나듐 탄화물(VC)의 형성에 기인한다고 분석했다. 600도에서 180분간 유지한 실험 결과, VC 입자들이 균일하게 분포하고, 고온에서도 금속 내 변형 요인인 전위 밀도가 유지되는 구조가 확인됐다.

이번 연구를 이끈 POSTECH 김경덕 교수와 POSCO 양홍석 수석연구원은 "이번 연구는 기존 내화강 연구의 패러다임을 완전히 바꾼 혁신적인 접근법"이라며"앞으로도 통합전산재료공학 기술과 AI를 활용해 다양한 산업용 고성능 합금을 개발할 계획"이라고 전했다.

이번 연구는 국제 학술지 '머티리얼즈 앤 디자인(Materials & Design)' 3월호에 게재됐다.

/육지훈 기자 editor@popsci.co.kr