나노포러스 금의 강도에 미치는 리가먼트 크기 효과

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. 이와 같은 분야들에서의 적용을 위해서는 나노포러스 금의 우수한 기계적 신뢰성을 요구하기 때문에, 나노포러스 금의 기계적 물성 평가와 기계적 향상을 위한 연구들이 진행되고 있다. 나노포러스 금의 기계적 물성은 일반적인 open-cell 구조와 마찬가지로 Gibson-Ashby식을 따르게 되며, 상대밀도 증가에 따른 강도가 증가하는 경향을 보인다. 이와 더불어 나노포러스 금의 주목할 수 있는 기계적 물성은 나노포러스 금의 뼈대를 이루고 있는 리가먼트(ligament)의 크기가 작아질수록 강도가 높아지는 리가먼트 크기 효과(ligament size effect)를 보이는 것이 많은 선행 연구들을 통해 밝혀져 있다. 나노포러스 금의 기계적 물성은 nanoindentation 시험법을 통해 많은 분석이 이루어 졌지만, nanoindentation을 통해 계산된 경도값을 항복강도값으로 정확히 변환하는 것에는 어려움이 있으며, 기존의 인장 또는 압축 실험을 통해 얻어진 항복강도값과 연관 짓기 힘들다. 현재까지의 나노포러스 금의 인장, 압축 실험에 대한 분석의 양은 미미할뿐더러, 리가먼트 크기에 따른 기계적 물성을 인장 또는 압축실험에 대한 분석은 미미하다. 나노포러스 금의 기계적 물성의 통계학적이고, 재현성을 가지는 값에 대한 규명이 요구된다. 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 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. 이에 대한 나노포러스 금의 미소크기의 인장 및 압축 실험을 통해 나노포러스 금의 기계적 물성에 대한 분석 및 논의를 진행하였다.