나노포러스 금의 강도와 리가먼트 크기의 상관관계

Abstract

나노포러스 금(Nanoporous gold)은 나노크기의 리가먼트(고체 부분)와 기공으로 구성된 복연속성(bicontinuous)의 open-cell 구조를 가지는 소재로서, 낮은 상대밀도와 높은 비표면적 특성으로 인해 촉매, 센서, 엑추에이터 등의 다양한 분야에서 각광받고 있는 재료이다. 나노포러스 금의 상용화를 위한 기계적 물성 평가와 신뢰성 향상에 관한 연구들이 활발히 진행되고 있다. 나노포러스 금의 기계적 물성은 일반적인 open-cell 구조와 마찬가지로 Gibson-Ashby식에 부합하는 경향을 보인다. 이와 더불어 나노포러스 금은 나노스케일(nano-scale)에서의 크기 효과(size effect)와 마찬가지로, 뼈대를 이루고 있는 리가먼트(ligament)의 크기가 작아질수록 강도가 증가하는 리가먼트 크기 효과(ligament size effect)를 나타낸다는 점에서 연구의 가치를 보이고 있다. 나노포러스 금의 기계적 물성은 nanoindentation 시험법을 통해 많은 분석이 이루어 졌지만, nanoindentation을 통해 계산된 경도 값을 항복강도 값으로 정확히 변환하는 것에는 한계가 있으며, 기존의 인장 또는 압축 실험을 통해 얻어진 항복강도 값과의 관계를 구하는 것 역시 어려움이 있다. 현재까지의 나노포러스 금의 순수한 항복강도 측정에 관한 인장 및 압축 실험이 몇몇 진행되어 왔지만 재현성과 통계성을 띄기에는 부족하고, 리가먼트 크기 효과에 관한 객관적이며 심도있는 분석은 미미하다. 이러한 사안에 착안하여, 본 연구에서는 나노포러스 금의 열처리를 통한 다양한 리가먼트 크기를 가지는 나노포러스 금을 제작하여, 리가먼트 크기에 따른 나노포러스 금의 인장 및 압축 실험을 통한 기계적 물성을 측정하여, 리가먼트 크기가 강도에 미치는 영향에 대한 관계를 분석하였다. 디얼로잉(dealloying) 공정을 통해 제작된 나노포러스 금을 다양한 열처리 조건을 통해 리가먼트 크기를 제어하였으며, 항복강도 값에 영향을 미칠 수 있는 시험편에 존재하는 결정립계, 결함을 최소화 하기 위해 어닐링을 통해 결정 크기를 최대화 하였으며, 미소크기를 가지는 시험편을 제작하여 모사-단결정을 가지는 시험편을 제작하였다. 전자주사 현미경(SEM)에서의 실시간(in-situ) 인장 및 압축 실험을 통해 나노포러스 금의 기계적 물성에 대한 분석 및 논의를 진행하였다.