비정질 금속에 대한 종합 가이드

1. 비정질 금속 소개

금속 유리라고도 알려진 비정질금속은 무질서한 원자 구조가 특징인 독특한 종류의 재료입니다. 규칙적이고 반복적인 원자 배열을 가진 결정성 금속과 달리 비정질 금속은 이러한 질서가 없기 때문에 특성이 뚜렷합니다. 이러한 결정성의 결여는 고강도, 탄성 및 내식성의 조합을 부여하여 다양한 첨단 응용 분야에 매우 바람직한 재료가 됩니다.

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2. 생산 방법

비정질 금속은 일반적으로 원자가 결정 구조로 배열되는 것을 방지하는 급속 냉각 공정을 통해 생산됩니다. 일반적인 방법은 다음과 같습니다:

• 용융 회전: 용융 금속을 회전하는 휠에서 빠르게 냉각하여 얇은 리본을 형성합니다. 이 방법은 변압기 및 기타 자기 응용 분야용 비정질 금속 테이프를 생산하는 데 널리 사용됩니다.
• 스플랫 담금질: 용융 금속 방울이 두 개의 차가운 표면 사이에서 빠르게 냉각되어 비정질 금속의 얇고 평평한 디스크를 형성합니다. 이 방법은 빠른 재료 분석과 소규모 생산을 위해 실험실 환경에서 사용됩니다.

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• PVD(물리적 기상 증착): 진공 환경에서 금속 원자를 기판 위에 증착하여 비정질 필름을 제어할 수 있습니다. 이 기술은 전자 산업에서 특정 자기적 또는 광학적 특성을 가진 박막을 만드는 데 일반적으로 사용됩니다.

3. 특성 및 응용 분야

비정질 금속은 고강도, 탄성, 내식성 등 고유한 특성을 가지고 있습니다:

• 고강도: 비정질 금속은 입자 경계가 없기 때문에 결정질 금속에 비해 인장 강도가 높은 경우가 많습니다. 예를 들어 Vitreloy 1과 같은 금속 유리 합금은 인장 강도가 최대 1.9GPa로 기존 강철보다 훨씬 높습니다.
• 탄성: 이러한 금속은 상당한 탄성 변형을 일으킬 수 있어 복원력이 뛰어납니다. 비정질 금속은 일반적으로 약 0.2%의 탄성 변형을 보이는 결정질 금속에 비해 최대 2%까지 탄성 변형을 일으킬 수 있습니다.
• 부식 저항성: 결정립 경계가 없고 균일한 구조로 인해 부식에 대한 저항성이 뛰어납니다. 예를 들어, Zr 기반 금속 유리는 염분 환경에서 우수한 내식성을 보여 해양 분야에 이상적입니다.
• 자기적 특성: 특정 비정질 금속은 부드러운 자기 특성을 나타내므로 변압기 코어 및 자기 차폐에 유용합니다. 예를 들어 비정질 철 기반 합금은 결정질 철보다 보자력과 코어 손실이 낮아 변압기의 에너지 효율이 향상됩니다.
• 전기 저항: 높은 전기 저항은 저항기 및 자기 센서와 같은 특정 애플리케이션에서 유용할 수 있는 또 다른 주목할 만한 특징입니다.

비정질 금속은 고유한 특성으로 인해 다양한 산업 분야에서 활용되고 있습니다:

• 전자 제품: 전자: 변압기 코어와 인덕터, 특히 낮은 에너지 손실이 중요한 고주파 애플리케이션에 사용됩니다. 예를 들어 비정질 금속 코어는 기존 실리콘 스틸 코어에 비해 에너지 손실을 최대 70%까지 줄일 수 있습니다.
• 생체 의료 기기: 생체 적합성과 내식성이 뛰어나 의료용 임플란트 및 수술 도구에 적합합니다. Zr 기반 금속 유리는 특히 스텐트 및 정형외과용 임플란트에 사용됩니다.
• 스포츠 용품: 골프 클럽이나 테니스 라켓과 같은 고성능 스포츠 장비에 강도와 탄성을 위해 사용됩니다. 금속 유리의 탄성은 에너지 전달을 원활하게 하여 장비의 성능을 향상시키는 데 도움이 됩니다.
• 방위 및 항공우주: 경량 갑옷과 높은 중량 대비 강도를 요구하는 구조 부품에 사용됩니다. 비정질 금속 코팅은 항공우주 부품을 마모와 부식으로부터 보호하는 데도 사용됩니다.
• 소비자 가전: 내구성과 스크래치 저항성 때문에 케이스와 구조 부품에 사용됩니다. 예를 들어, Apple Watch는 강도와 매끄러운 마감 처리로 인해 케이스에 금속 유리 합금을 사용합니다.

4. 도전 과제와 발전

하지만 비정질 금속은 광범위한 채택과 적용을 제한하는 몇 가지 문제에 직면해 있습니다. 주요 장애물 중에는 생산 비용, 크기 제한, 취성 등이 있으며, 각 장애물은 상황에 따라 상당한 장애물로 작용합니다.

가장 큰 문제는 높은 생산 비용입니다. 결정화를 방지하기 위해 용융 금속을 빠르게 냉각하는 공정에는 특수 장비와 정밀한 제어가 필요하기 때문에 제조 공정이 복잡하고 비용이 많이 듭니다. 이러한 급속 냉각의 필요성은 종종 고가의 첨단 기계를 사용해야 하기 때문에 비정질 금속을 대규모로 생산할 수 있는 능력을 제한합니다. 따라서 비정질 금속은 생산 비용보다 이점이 더 큰 고부가가치 애플리케이션에만 주로 사용되어 왔습니다.

또 다른 중요한 한계는 대량의 비정질 금속 부품을 생산하기 어렵다는 점입니다. 비정질 구조를 유지하는 데 필수적인 급속 냉각은 부품의 크기가 커질수록 점점 더 어려워집니다. 그 결과 현재 대부분의 비정질 금속은 리본, 와이어 또는 얇은 시트와 같은 작은 형태로만 제공됩니다. 이러한 제한으로 인해 소형 품목과 틈새 시장에만 적용하는 데 한계가 있었습니다.

또한 취성은 특히 소재가 상당한 응력과 변형을 견뎌야 하는 구조용 애플리케이션에서 중요한 문제로 남아 있습니다. 비정질 금속은 강도가 높은 것으로 유명하지만 결정 구조가 없기 때문에 부서지기 쉬워 특정 조건에서 쉽게 파손될 수 있습니다. 이러한 취성은 충격을 흡수하거나 파손되지 않고 변형될 수 있는 소재가 필요한 애플리케이션에서 특히 문제가 됩니다.

이러한 문제에 대응하기 위해 비정질 금속 분야에서 상당한 발전이 이루어졌습니다:

• 바로벌크 메탈릭 글래스(BMG)입니다: 산업용 대형 비정질 금속 부품 개발. 예를 들어, 연성이 개선된 BMG가 개발되어 자동차 및 항공우주 산업의 구조용 애플리케이션에 더 적합해졌습니다.

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• 고급 합금: 연성 향상 또는 내식성 향상과 같이 비정질 금속의 특성을 향상시키는 새로운 조성물 개발. Pd 기반 및 Cu 기반 금속 유리는 향상된 기계적 특성으로 주목받고 있습니다.
• 적층 제조: 3D 프린팅 기술을 사용하여 복잡한 비정질 금속 구조를 제작하는 방법을 모색하고 있습니다. 이 접근 방식은 치과용 임플란트나 복잡한 항공우주 부품과 같이 우수한 특성을 가진 맞춤형 부품 생산에 혁신을 가져올 수 있습니다.

5. 비정질 금속 대 금속 유리

"비정질 금속"과 "금속 유리"라는 용어는 종종 같은 의미로 사용됩니다. 두 용어는 같은 종류의 재료를 지칭합니다. 그러나 이러한 용어가 사용되는 방식에는 미묘한 차이가 있으며, 이를 이해하는 것이 중요합니다.

--비정형 금속

비정질금속은 무질서한 원자 구조를 가진 금속으로, 결정성 금속에서 볼 수 있는 규칙적이고 반복적인 패턴이 없습니다. 이러한 무질서한 구조는 용융 금속을 빠르게 냉각시켜 원자가 결정 격자로 배열되지 못하게 함으로써 이루어집니다.

"비정질 금속"이라는 용어는 금속의 원자 무질서를 강조하며 다양한 제조 방법 및 응용 분야를 포함한 더 넓은 범주를 논의할 때 자주 사용됩니다.

--메탈릭 안경

금속 유리는 특히 유리와 같은 구조를 나타내는 비정질 금속의 하위 집합입니다. 이 용어는 실리카 유리와 같은 기존 유리와 유사하지만 금속 합금으로 만들어진 재료의 비결정성 "유리" 상태를 강조합니다.

"금속 유리"라는 용어는 과학 및 학술적 맥락에서 자주 사용되며, 특히 취성 및 탄성 거동과 같은 유리 상태와 관련된 물리적 및 기계적 특성을 논의할 때 자주 사용됩니다.

요약하면, '비정질 금속'과 '금속 유리'는 동일한 일반적인 유형의 재료를 지칭하지만 전자는 산업적 맥락에서 더 광범위하고 일반적으로 사용되는 용어인 반면, 후자는 보다 구체적이며 이러한 재료의 유리 특성을 설명하기 위해 과학적 연구에서 자주 사용됩니다. 이러한 차이점을 이해하면 소재의 특성과 잠재적 응용 분야를 정확하게 전달하는 데 도움이 될 수 있습니다.

6. 결론

무질서한 독특한 원자 구조를 가진 비정질금속은 재료 과학의 중요한 발전을 상징합니다. 고강도, 탄성 및 내식성의 조합은 기존의 결정질 금속과 차별화되어 전자, 생체 의료 기기, 방위 및 항공 우주 분야에서 없어서는 안 될 필수 요소입니다.

높은 생산 비용, 크기 제한, 취성 등의 문제에도 불구하고 지속적인 연구와 혁신으로 이 놀라운 소재의 가능성의 한계를 계속 넓혀가고 있습니다. 업계가 현대 기술과 혁신의 요구를 충족할 수 있는 소재를 찾으면서 비정질 금속은 고성능 애플리케이션의 미래를 형성할 준비가 되어 있습니다. 자세한 내용은 Stanford Advanced Materials(SAM)에서 확인하세요.

참고자료:

[1] UCLA 뉴스(2021, 3월 31일). 비정질 고체에 대한 최초의 3D 원자 이미징으로 세기의 오래된 문제 해결. 검색된 날짜: 2024년 8월 20일, https://newsroom.ucla.edu/releases/first-ever-3d-atomic-imaging-amorphous-solid

[2] Y.C. Xin, P.K. Chu, 11 - 광합금의 플라즈마 침지 이온 주입(PIII), 편집자: 한산 동, 금속 및 표면 공학 분야의 Woodhead 출판 시리즈, 광합금의 표면 공학, Woodhead 출판, 2010, 362-397페이지, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9781845695378500117

[3] 비엔나 대학교(2024년 8월 20일). 벌크 금속 유리의 구조적 불균일성. 검색된 날짜: 2024년 8월 20일, https://sounds-of-matter.univie.ac.at/research-projects/metallic-glass/