세계 최초·귀금속만의 「고엔트로피 합금 분말」이, 재료 분야의 지평을 개척

지금 주목을 끄는 「하이엔트로피 합금」이란?

─이번 귀금속만으로 구성된 고엔트로피 합금 분말의 개발이라는 세계에서도 유례없는 쾌거를 이루었습니다. 우선 '하이엔트로피 합금'에 대해 자세히 알려주세요.

호소이: 아직 정의가 명확하지 않은 곳도 있습니다만, 5종류 이상의 원소가 같은 정도의 원자수의 비율로 포함되어, 단체의 원소가 절반 이상을 차지하지 않는 합금을 「하이엔트로피 합금」이라고 부릅니다.

콘도：그 개념이 발표된 것이 약 20년전이므로, 금속의 긴 역사로부터 생각하면 꽤 최근이 되어 등장한 것으로, 국내외에서 대학이나 기업등이 활발히 연구를 시작하고 있어, 트렌드가 되고 있습니다.

호소이 : 원래 합금이란, 복수의 금속이나 비금속이 섞인 금속을 말한다. 합금 중에서도 한층 더 분류가 있어, 원자 레벨에서 녹아 있는 고용체나, 금속끼리로 화합물(금속간 화합물)을 만드는 것 등이 있습니다. 고용체를 예로 들면, 일반적으로 원자 사이즈는 원소마다 다른 경우가 대부분이므로, 다른 원소가 원자 수준에서 혼합되면 원자 배열에 변형이 생깁니다. 그 결과 원자의 이동 자체가 어려워지고 강도나 내열성 등이 향상되는 현상이 나타납니다.

콘도: 예를 들어, 친밀한 합금에 스테인리스가 있습니다. 스테인리스의 주성분인 철은 녹슬기 쉬운 금속입니다만, 크롬을 더해 합금화하는 것으로 녹슬기 어렵게 하고 있습니다. 또한, 배합 비율을 바꾸거나 니켈 등의 원소를 첨가하면 다양한 특성을 나타냅니다. 단순한 혼합물로서가 아니라, 열을 가하는 등 합금으로 하는 것으로, 강도, 내열성, 내약품성, 도전성 등의 향상을 도모할 수 있으므로, 용도에 맞추어 다양한 합금이 개발되어 세상에 보급되고 있습니다.

호소이 : 새롭게 등장한 하이엔트로피 합금은, 5개 이상의 다른 원자가 섞여 있고, 알기 쉽게 말하면 초만원의 전철 수준과 원자끼리가 비좁은 상태가 되고 있습니다. 그렇게 되면, 종래 알려져 있던 특성 이상의 퍼포먼스를 나타낼지도 모르고, 「칵테일 효과」라고 불리는, 각각의 원소가 갖고 있지 않는 새로운 효과가 태어날 가능성도 숨기고 있다고도 알려져 있습니다.

귀금속 전문가가 도전하는 완전히 새로운 고 엔트로피 합금 개발

─개발에 임한 계기는 무엇이었을까요?

호소이 : 세상은 눈부신 속도로 변화하고 있습니다. 그 중에서 신속하고 정확한 정보를 입수하고, 요구를 이해하고 고객에게 기뻐할 수 있는 재료나 제품을 개발해 왔습니다. 다만, 이만큼 크게 변화하고 있는 지금, 종래대로의 요구 있어의 스탠스에서는, 이 앞에 요구될 것이다 것을 낳아 나가는 것은 어려운 것이 아닐까, 라고.

그래서 한번 원점으로 돌아와 좋은 제품이란 무엇인가, 우리가 할 수 있는 일은 무엇인가를 생각해 보았습니다. 그 결과 좋은 제품이란 “고객이 기뻐할 수 있는 제품을 통해 사회에 공헌하는 것”이라는 결론에 이르렀습니다. 귀금속 메이커로서, 역시 귀금속 분야에서 사회 공헌하고 싶다고 다시 생각했군요.

우리 회사는 "귀금속을 찾는다"라는 상위 개념을 가지고 있습니다. 그렇다면 지금까지 아무도 달성하지 못한 새로운 것을 만들어 봅시다. 그것도 우리 부서가 오랫동안 귀여워 온 귀금속 분말 분야에서 '귀금속을 찾는' 것을 목표로 하려고 했던 것입니다. 우리가 지금까지 축적한 시즈──개발의 기초 같은 것을 잘 응용하면서, 당사가 길러온 기술을 살리면 새로운 것이 가능하다는 것을 증명하고 싶었다. 그것이 이번 개발의 동기부여를 강화하는 데 이르렀을지도 모른다.

─거기서 주목한 것이 하이엔트로피 합금이었다고.

호소이: 네. 하이엔트로피 합금은 최근 상당히 주목이 높아지고 있어, 종래에는 없는 특성을 출현할 가능성이 있는 것 외에, 귀금속 분야에서도 연구가 진행되고 있어 흥미로운 특성이 확인되고 있었습니다. 그러나 아직 연구 용도가 많아 분말 분야에서 양산성을 확립한 사례가 발견되지 않았다. 우리 부서는 고객의 요구에 맞는 제품 개발 및 양산화 기술을 자랑합니다. 이 영역에서 우리가 공헌할 수 있다면──충분한 생산성·품질을 확보한 고엔트로피 합금 분말을 제품화해, 모든 고객에게 부담없이 평가할 수 있는 재료를 제공하는 것이라고 생각했습니다. 물론, 다나까귀금속 이라면 「귀금속 온리」의 하이엔트로피 합금일 것이다.

콘도: 귀금속은 각각 단체에서도 다양한 특성이 뛰어납니다. 그것이 하이엔트로피 합금이 되는 것으로, 한층 더 뛰어난 특성이 나오는 것이라는 기대도 있었습니다.

호소이: 게다가 여러 금속 합금 분말을 만들 수 있는 기술을 확립하면, 그 이하의 조성수의 대응은 비교적 용이하게 됩니다. 니즈가 나온 곳에서, 각종 조성에 대한 스피디한 대응을 할 수 있을 것입니다. 게다가, 미세하고 균일한 분말을 만드는 것 자체가 어려운데, 5원 이상의 균일한 고엔트로피 합금 분말 생기면 대단한 것이라고는, 호기심에도 돌진되었습니다.

길러 온 노하우나 기술력이, 스피드감이 있는 제작을 가능하게

─시작 시작부터 약 1개월이라는 단기간에 제작에 성공했다고 합니다만, 그 이유는 무엇이었다고 생각합니까?

호소이 : 단원 혹은 2종류의 합금 분말은, 당사에서 이미 오랜 세월에 걸쳐 개발·생산하고 있어, 자동차용의 배기 가스 센서나 저항체, 수전해 촉매 등의 원료로서 사용되고 있습니다. 또, 귀금속은 양산품으로서 취급하고 있어, 고엔트로피 합금 분말의 원료의 입수는 비교적 용이하였다. 게다가 단원이지만, 각각의 금속 분말을 제조하기 위한 노하우도 축적되어 있어, 이들을 참고로 하면서 개발을 진행해 나갈 수 있었습니다.

콘도：실은 시작 시작 후, 약 1개월로 「우연히 되어 버렸다」라고 말하는 편이 좋을지도 모릅니다. 만약 그 때에 되어 있지 않았다면 "역시 간단하게는 할 수 없었다"가 되어, 여기까지는 하지 않았을지도 모릅니다. 그것도 포함해 짧은 기간에 처음 제작에 성공할 수 있었던 것은 사내의 많은 분들이 과거부터 쌓아온 것이 있었기 때문이라고 느끼고 있습니다.

그 후에 프로토타입 조건을 바꾸어, 예를 들면 처리량을 늘리거나, 처리하는 형태를 바꾸거나 하면, 균일한 합금을 할 수 없게 되는 시기도 있었습니다. 또 이번 사용한 것이 Pt(백금), Pd(팔라듐), Ru(루테늄), Ir(이리듐), Rh(로듐)의 귀금속 5원소로, 그 중 Ru만 결정 구조가 다른 점에는 고생했습니다. 같은 결정 구조를 가지는 원소끼리가 합금이 되기 쉽기 때문에, 시행착오를 거듭하면서 원료의 사이즈나 전처리 조건을 바꾸어, 어떻게든 안정적으로 제작할 수 있게 되었습니다. 이번 개발에 있어서, 실패도 포함한 많은 데이터를 축적할 수 있었으므로, 향후, 유효하게 활용해 가고 싶습니다.

─특허로서 등록을 받기까지의 스피드도 빨랐다든가.

콘도: 네. 저에게는 첫 특허 신청이었지만 2023년 2월에 출원하여 6월에는 등록되었습니다. 승인받는 것이 예상보다 빠르기 때문에 놀랐습니다.

호소이: 특허는 선행기술이 있는 경우에 그와의 차이를 서술할 필요가 있기 때문에, 특허 평가를 얻기 위해서는 특허청과 복수회의 응답을 실시하는 것이 일반적입니다. 그러나 이번 합금 분말은 심사관으로부터 한 번도 지적을 받지 않고 등록 사정을 받았습니다. 나도 과거의 특허 신청에는 매우 고생하고 있었기 때문에 기뻤습니다.

점점 퍼지는 '유일무이의 합금'에 대한 기대

─향후의 전개에 대해서는 어떻습니까?

호소이 : 지금까지 다양한 종류의 귀금속종이나 분말 사이즈의 합금 분말을 프로토타입해 왔습니다만, 우선은 약 1㎛ 입경 사이즈를 가진 Pt, Pd, Ru, Ir, Rh의 5원계 고엔트로피 합금 분말의 양산성을 확립했기 때문에, 샘플 제공에 착수했습니다.

콘도：현재는, 어떤 용도로, 어떤 분야에서 사용할 수 있을까를 어느 정도 상정하면서, 그 때 어떤 특성이 있는지, 어떤 특성이 필요한가를 생각하면서 조사를 실시하고 있습니다.

호소이 : 고엔트로피 합금 분말은 다양한 용도로 사용할 수 있다고 생각합니다. 예를 들면, 유기물과 혼합 페이스트 화하여 전도막에. 또, 분말 야금에 의한 구조체 등에의 활용을 생각할 수 있습니다. 앞으로도 뛰어난 특성을 찾아가면서 구체적인 용도를 찾아 나갈 것입니다만, 균일한 조성 분포가 요구되는 구조체의 원료로서 이용할 수 있는 재료라고 생각합니다.

─전례가 없는 합금이라고 하는 것으로, 기대는 높아지는 한편이군요.

콘도：공장 내에서 한 달에 1회, 개발의 진척 보고를 실시하고 있습니다만, 타부서의 기술자도 「속보는 아직?」라고 말해 줍니다. 흥미를 가져주시는 사람들이 많아서 매우 감사합니다. 새로운 것을 알면 점점 공유하고 조금씩이라도 앞으로 나아갈 수 있다고 생각합니다. 특허도 취득할 수 있었으므로, 고객에게도 이 합금을 알 수 있는 기회가 늘어날 것을 기대하고 싶습니다.

호소이：공정을 확립하는 것으로, 이 합금을 「평가하고 싶다」 「트라이하고 싶다」라고 생각하는 고객에게 비교적 부드럽게 제공할 수 있는 단계까지 왔습니다. 우리 재료 제조 업체는 제품의 마지막 끝까지 평가할 수 없습니다. 다만, 지금까지 「하고 싶지만 원료가 없다」라고 곤란했던 고객에게 이 완전히 새로운 원료를 제공하는 것으로, 새로운 가치가 태어나, 나아가 우리의 생각 그리는 「귀금속을 통한 사회 공헌」으로 연결되는 것은 아닐까 생각하고 있습니다.

아직 탐구해야 할 일이 많이 있습니다. 예를 들면, 조금 조성을 어긋나고 싶다고 하는 세세한 리퀘스트에도 대응할 수 있으면, 한층 더 폭넓은 요구에 응하기 쉬운 것이 아닌가 하는 것입니다. 계속해서 포기하지 않고 도전을 계속하고 싶습니다.

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탄생한 귀금속 온리의 「고엔트로피 합금 분말」. 많은 가능성을 지니고 폭넓은 용도로의 활용이 기대되고 있다. 현재의 과제 해결의 실마리가 될 가능성이 높은 것 이외에 기존의 합금에는 없었던 뛰어난 특성이 인출되어 각 산업의 상식을 바꿀 정도의 가치를 낳을지도 모른다.

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