포스텍(포항공대) 철강대학원 김한수 교수 연구팀은 “알루미늄과 니켈을 철과 결합, 강도(强度)와 연성(軟性)이 뛰어나면서도 무게가 가벼운 저비중강(低比重鋼)을 개발했다”고 4일 밝혔다. 연구 결과는 세계적 학술지 '네이처' 최신호에 실렸다. 기초과학을 다루는 네이처가 응용 분야인 소재 관련 연구 성과를 싣는 것은 이례적이다.

철은 단단하고, 잘 부러지지 않는다. 하지만 원자가 작기 때문에 비중이 높아, 무거운 것이 단점이다. 같은 크기의 철은 티타늄·알루미늄에 비해 2~3배 무겁다. 강도·연성·무게를 모두 고려하면 금속 중 티타늄이 가장 우수하지만 가격이 비싸다. 이 때문에 현재 자동차 뼈대 등 무게를 줄여야 하는 곳에는 철·알루미늄 합금을 사용한다.

지금까지의 철·알루미늄 합금은 두 물질이 결합 없이 섞여만 있는 혼합물이었다. 질소·산소 등 공기 중의 각 원소가 아무런 반응을 일으키지 않고 섞여 있는 것과 마찬가지다. 하지만 산소와 수소가 화학반응을 통해 결합하면 전혀 다른 물질인 물이 된다. 김 교수팀이 개발한 저비중강도 혼합물은 합금이 아니라 철강재의 성질 자체를 바꾼 화합물이다.

김 교수는 “철, 알루미늄과 함께 니켈을 넣으면 섭씨 870~920도 사이의 특별한 조건에서 철·알루미늄 화합물이 균일하게 만들어진다는 점을 발견했다”고 설명했다.

이렇게 만들어진 철·알루미늄 화합물 합금은 티타늄과 강도가 비슷했다. 철강재 속의 철 원자는 층층이 포개져 있다. 그 각각의 철 원자 층들 사이에 새롭게 만들어진 철·알루미늄 화합물이 핀처럼 세로로 촘촘히 박혀 강도가 높아진 것이다. 철·알루미늄 화합물이 외부 충격에도 잘 부러지지 않도록 고정하는 지지대 역할을 해주는 것이다. 기존 철·알루미늄 합금에 비해 알루미늄 함량을 늘릴 수 있어 무게도 가볍다. 이 철강재를 사용할 경우 자동차를 현재보다 15% 이상 가볍게 만들 수 있다. 포스코(대표이사 회장 權五俊)는 올해 내로 이 합금을 시험 생산할 예정이다.