더 강하고 잘 늘어나는 금속 합금은 금속 소재 연구자들의 핵심 연구주제다. 합금은 주요 금속에 보조 원소를 더해 강도나 유연성 등 물성을 개선해 산업 현장에 적용한다. 이와 달리 고엔트로피 합금은 주된 원소 없이 여러 원소를 비교적 동등한 비율로 혼합하는 방식이어서 이론상 만들 수 있는 합금의 종류가 무한대다. 합금 원소의 종류와 함량을 자유자재로 조절해 합금의 강도와 연성, 내식성, 전자기적 특성, 열적 특성 등을 발전시킨다.

고엔트로피 합금은 소재의 구조나 조직, 결정입자 크기, 형상이 동일한 형태로 만들어진다. 이를 균일한 단상 형태라 하는데 단상 형태를 유지하는 데 코발트나 크롬 같은 고가의 원소를 첨가해야 해 가격경쟁력을 확보하기 쉽지 않다.

신소재공학과 김형섭 교수가 이끌고 있는 구조용 나노금속・공정 연구실은 2020년 6월 물과 기름처럼 서로 섞이지 않는 철과 구리를 기반으로 철·구리와 섞일 수 있는 원소들을 첨가해 비균질성을 극대화한 헤테로구조의 고엔트로피 합금을 만드는 기술을 개발했다. 헤테로구조는 합금 내부의 구조나 조직, 결정입자 크기 및 형상이 동일하지 않고 위치별로 다른 구조를 말한다.

21세기 들어 4차산업혁명이 화두가 되면서 금속 소재 연구에도 많은 변화가 일어나고 있다. 인공지능 기술인 머신러닝과 컴퓨터 시뮬레이션을 실제 실험과 융합한 금속 소재 연구가 이뤄지고 있는 것이다. 연구실은 이같은 첨단 연구 방식을 적용해 나노 스케일부터 마이크로, 거시적 스케일까지 분석 가능한 ‘멀티 스케일 통합형 모델링’을 구축하고 있다.

특히 고엔트로피 합금을 국내 처음으로 연구하기 시작해 글로벌 경쟁력을 갖추고 있다. 3D 프린팅과 머신러닝을 발전시켜 나갈 계획이다. 연구실은 주조와 압연, 3D 프린팅, 강소성 가공, 미세조직, 액체질소를 활용한 영하 196도의 극저온 기계 실험 등 실험을 비롯해 시뮬레이션, 모델링, 머신러닝까지 적용할 수 있다. 재료의 기계적, 열적, 전기적, 화학적 특성을 실험 전에 미리 예측해 재료 특성을 정확하게 모사하는 것도 가능하다.

연구실이 수행한 구리와 철 헤테로구조 고엔트로피 합금 연구는 ‘고엔트로피 합금은 비싸다’는 통념을 깨 고엔트로피 합금 산업화에도 도움을 주고 있다. 시뮬레이션과 머신러닝 기술이 결합돼도 이론과 실체가 없으면 무의미하다는 철학으로 새로운 금속소재 연구의 지평을 넓힌다는 비전을 제시하고 있다.