Mg-Cu 모합금의 디얼로잉으로 제조된 나노포러스 구리의 특성

Abstract

벌크 소재에 비해 넓은 표면적을 갖는 나노포러스 소재 (nanoporous material)는 센서, 촉매 및 액추에이터 등 다양한 분야에 활용될 수 있는 고기능성 소재로서 각광받고 있으며, 또한 높은 비강도를 갖는 구조재료로서의 가능성도 제시되고 있다. 나노포러스 구조를 갖는 금속 소재를 구현하는 여러 기법 중 디얼로잉 (dealloying)은 가장 효율적인 방법 중 하나로 알려져 있다. 디얼로잉은 환원 전위 차이가 큰 두 가지 이상의 원소로 구성된 단일상 모합금 (single phase precursor)으로부터, 모합금을 이루는 원소 중 상대적으로 불안정한 원소는 전해액에 용해되고 이에 반해 상대적으로 안정한 원소는 소재에 남아 자체 확산되면서 나노포러스 구조가 형성된다. 이러한 디얼로잉 과정에서 소재 내부까지 균일한 나노포러스 구조가 형성되기 위해서는 모합금 내 희생원소의 양이 일정 비율 이상이어야 하며, 이를 분리한계 (parting limit)라 부른다. 나노포러스 금을 제조하는데 가장 널리 사용되는 금-은 모합금에서 희생원소인 은의 분리한계는 55 at.%, 나노포러스 구리 (NPC)를 만들기 위한 구리-알루미늄 모합금에서 알루미늄의 분리한계는 대략 50 at%로 알려져 있다. 원활한 디얼로잉을 위한 분리한계는 대부분의 모합금에서 50 at% 이상으로 알려져 있으며, 이러한 모합금의 임계값으로 인해 디얼로잉된 나노 포러스 재료들은 일반적으로 높은 부피 수축률을 보인다. 이와 같이 디얼로잉 과정 중 일어나는 부피 수축은 나노포러스 소재 내부에 전반적인 균열 (cracking)을 유발하여 소재의 기계적 특성을 악화시키는 주요 요인으로 작용한다. 본 연구에서는 디얼로잉 과정 시 발생하는 균열을 최소화하여 나노포러스 소재의 기계적 특성을 향상시키기 위하여 매우 낮은 분리 한계치를 보이는 Mg－Cu 계 합금을 이용하였다. 그림 1과 같이 2:1의 Mg/Cu 비를 갖는 Mg2Cu 단일상 합금의 디얼로잉을 통해 제작된 NPC-I은 일반적인 분리 한계 이내에서 제작된 다른 나노 포러스 금속들과 유사한 상대밀도 및 조직을 보인다. 이에 반해 1:2의 Mg/Cu 비를 갖는 MgCu2 단일상 합금에서 디얼로잉된 NPC-II는 매우 높은 상대밀도를 보이며 부피수축이 낮기 때문에 균열 발생이 감소하였다. 또한 이러한 NPC-II에 대해 전해액 내에서 전압인가 후처리를 추가로 진행한 NPC-III는 NPC-II와 유사한 정도의 내부 균열을 갖지만 보다 낮은 상대밀도를 가질 수 있음을 확인하였다. 본 연구에서는 다양한 내부 조직을 갖는 나노포러스 구리가 Mg-Cu 모합금의 디얼로잉을 통해 제조될 수 있음을 확인하였으며, 모합금의 종류 및 디얼로잉 공정에 따른 나노포러스 구리의 미세구조 및 기계적 특성을 비교하여 설명하고자 한다.