금속유리 (Metallic Glass)

한 줄 정의: 금속 원자가 결정을 이루지 못한 채 무질서한 배열로 굳어 유리처럼 비정질 구조를 갖는 금속 재료입니다.

쉽게 풀면

일반적인 금속은 원자들이 규칙적으로 줄지어 결정을 이루며 굳습니다. 그런데 특정 조성의 합금을 매우 빠른 속도로 식히면, 원자들이 미처 규칙적인 자리를 잡지 못하고 액체 상태의 무질서한 배열을 그대로 간직한 채 굳어버립니다. 이런 구조를 유리질(비정질)이라 부르며, 이런 금속을 금속유리 또는 비정질 합금이라 합니다. 창문 유리가 원자 배열이 무질서한 것처럼, 금속유리도 원자 단위에서는 무질서하지만 겉보기에는 단단한 금속 덩어리입니다.

왜 중요한가

금속유리는 결정립 경계나 전위 같은 결정 구조 특유의 결함이 없어서 매우 높은 강도와 탄성 한계, 우수한 내식성을 보이는 경우가 많습니다. 이러한 독특한 성질 때문에 정밀 부품, 스포츠 용품, 센서 소재 등 다양한 응용을 목표로 한 연구가 재료공학 분야에서 지속적으로 이루어지고 있습니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

"Zr 기반 metallic glass는 결정질 합금 대비 약 두 배에 달하는 탄성 한계를 나타냈다."

지르코늄 기반 금속유리가 일반 결정질 금속보다 훨씬 많이 늘어난 뒤에도 원래대로 돌아온다는 뜻입니다.

"metallic glass의 유리전이온도 부근에서의 점성 거동을 열분석을 통해 조사하였다."

금속유리가 유리처럼 부드러워지는 온도 근처에서의 특성을 살펴봤다는 의미입니다.

조금 더 깊게 보면

금속유리를 만들기 위해서는 결정화를 막을 만큼 매우 빠른 냉각 속도가 필요하며, 이 임계 냉각 속도는 합금 조성에 따라 크게 달라집니다. 원자 크기가 서로 다른 여러 원소를 섞으면 원자들이 규칙적으로 배열되기 어려워져 결정화를 방해하는 효과가 있는 것으로 알려져 있습니다. 금속유리는 결정질 금속과 달리 뚜렷한 항복점 이후 국부적인 전단 밴드를 따라 갑작스럽게 파괴되는 경향을 보이는 경우가 많습니다.

주의할 점

금속유리는 강도는 높지만 상온에서 소성 변형 능력이 제한적이어서 취성 파괴가 일어나기 쉬운 편이며, 결정질 금속과 동일한 기준으로 연성을 기대하면 안 됩니다.