Brilliant Color Alloy의 개발과 기술동향
세종대학교 나노신소재공학과 김기범
1. 서론
그림 1. a) 시간에 따른 기술 부가가치 변화 트렌드, b) 소비자의 기술 수용도와 기술발전의 상관관계[1]
21세기, 4차 산업혁명 시대에 접어들면서 사람들의 소비 패턴은 합리적 소비에서 감성적으로 변화하였다(그림 1-a). 이에 따라, 기술 개발의 비전과 발전 방향은 기술 중심에서 인간 중심으로, 독자적인 기술에서 융합 기술로 전환되고 있다. 감성 소재는 소비자의 호의적인 감정을 유도하고, 소비자들이 원하는 감정에 맞는 자극이나 정보를 제공함에 따라 그들에게 감성적 감동을 주는 것을 목표로 한다. 즉, 물질적 자극뿐만 아니라, 더 나아가 소비자의 니즈에 대한 감각정보 제공을 통해 소비자의 감성적 욕구를 충족시키는 것이다. [2-4]
앞서 언급한 새로운 기술 개발에 대한 감성적 접근을 통하여 현대 기술 발전의 문제점 중 하나인 소비자 수요와 기술 간의 격차를 해소 시킬 수 있다. 이는 Clayton이 저술한 Innovator의 솔루션에서 확인 할 수 있는데, 간략하게 설명하자면, 기술이 기하급수적으로 성장하는 동시에 소비자 수요가 증가하고, 두 수치 간의 격차가 증가하게 된다. 이를 해소 시키기 위해 다양한 방법이 제시되고 있으며, 그 중 기술의 융합이 제안되고 있으며, 디자인과 엔지니어링 기술의 융합 역시 한 가지 방안으로 제시되고 있다.(그림 1-b) [1]
그림 2. 금속 컬러 구현 기술 개발 흐름도
금속 산업계 내에서는 합금 설계 기술과 디자인을 융합한 기술을 개발하기 시작하였다. 인간의 오감 중 가장 예민한 감각인 시각을 자극하여 감성소재의 기능을 극대화 시키기 위하여 금속 표면에 다양한 색을 구현하였다. 오래 전부터 이용해 온 유기 용제를 통한 색 구현과 현재의 다양한 화학적 반응을 이용한 양극 산화법에 이르기까지 다양한 표면처리 기술들이 개발되었다.[2] 이러한 공정은 다양한 색을 구현할 수 있다는 장점을 가지고 있지만 외부의 물리적•화학적인 영향으로부터 자유롭지 못해 색 구현 층이 손상되어 변색될 수 있다는 단점을 가지고 있다. 이와 같은 단점을 보완하기 위해 영구적 색상을 갖는 금속 구현을 위하여 표면 및 내부에 색을 지니고 있는 즉, 자체적으로 색을 갖는 금속을 합금화를 통하여 개발되었다. 일반적으로 금, 은, 구리를 제외한 대부분의 금속들은 광택의 무채색을 가지고 있기 때문에 합금화를 통하여 금속 자체의 전자 구조의 변형을 야기하고 특수한 광학적 특성을 구현해 내었다. 금속의 고용도를 이용하거나 금속간의 새로운 화합물을 통하여 다양한 색을 갖는 컬러 합금이 개발되었다.
2. 국 내외 연구 현황
2015년 한국생산기술연구원에서는 유색도료, 도금 등의 표면처리를 이용하지 않고 색상, 명도 및 복합색을 갖는 합금을 구현하여 소비자의 만족도를 극대화 시킬 수 있는 감성 소재 기술 개발을 진행하였다. 연구원에서는 두 종류의 금속 원소를 혼합하고 터널링을 통하여 한 가지 금속을 추가하여 부족한 기계적 특성을 구현하여 합금 개발을 진행하였다. 금속 원소에는 구리, 티타늄 마그네슘, 아연, 실리콘 등 다양한 금속/비금속을 이용한 컬러 합금을 개발하였고, 색상 코드화도 진행 되었다. 대표적으로 Cu-X(Sn, Zn, Si, Ni)계 컬러 합금의 조성 제어와 표면 형상 제어를 통하여 각각 합금의 다양한 색상과 명도를 구현하였다. [5]
그림 3. 코드화가 진행 중인 컬러 합금 (한국생산기술연구원 인터뷰 발췌)
Institute of optics (New york, University of Rochester) 에서는 펨토 초 레이저 표면 구조화 기술을 이용하여 금속의 반사도를 조절하는 기술을 개발하였다. 연구 내용 발표에 따르면 자외선 영역부터 테라헤르츠 영역에 이르는 광학적 특성 제어기술을 개발하였고, 검은 표면 색을 갖는 소위 블랙 메탈을 개발하였다. 이러한 기술은 공정 과정에서 발생하는 오염이 매우 적으며, 복잡한 형상을 간단하게 처리 할 수 있다는 장점을 가지고 있다.
앞선 펨토 초 레이저 펄스 기술을 응용하여 계층형 나노 및 마이크로 구조체를 형성이 가능하여 다기능 금속 표면을 구현을 진행하였고, 이러한 구조체는 크게 향상된 넓은 영역대의 빛 흡수 능력과 초소수성 및 자체적으로 오염이 제거되는 효과를 가지고 있다. 또한 부식 방지, 결빙 방지 등 추가적인 기능이 형성 될 수 있다는 연구 결과가 발표 되었다. 따라서 이러한 연구는 기존의 표면처리 공정보다 더 다양한 기술 응용 분야에 적용될 수 있는 큰 잠재력을 가지고 있다고 사료된다.[6, 7]
그림 4. 초소수성을 지니는 유색 금속 및 미세구조
State Key Laboratory of Fine Chemical (China, Dalian University of Technology) 에서는 구조적 유색 재료를 이용하여 low angle-dependent 구조색을 개발하고자 하였다. 굴절율이 높은 소재의 구체를 이용한 구조색은 색상에 대한 입사-시야각 사이의 영향이 일반적으로 사용되는 소재에 비해 약해질 수 있기 때문에 입사-시야각이 낮은 구조색을 구현하여 흰색 배경뿐만 아니라 자연광 아래에서도 선명한 색을 구현하고자 하였다. 이러한 연구를 진행하여 다결정 구형 재료의 직경 증가에 따른 구조적 색상의 각도 의존성을 완화 시킬 수 있는 가능성을 확보하였다. 또한 소재에 따른 색 효과 및 광 포화방지 특성을 확인 할 수 있었다. [8]
그림 5. 광결정을 이용한 각도별 유색 소재
3. 금속의 고용도를 이용한 컬러 합금 개발
컬러 합금을 구현하는 방식 중 한 가지는 금속에 또 다른 금속을 첨가하여 금속 고용체 합금을 형성하는 것이다. 대표적인 예시로 동합금을 예시로 들 수 있는데 구리 합금에 아연, 마그네슘 등의 여러 금속들을 첨가하여 다양한 특성을 갖는 컬러 합금이 개발되었다. 구리의 독특한 색은 구리가 갖는 특수한 전자구조에서 기인하는데, 이 구조 상에서 전자의 전이 현상과 외부 가시광선의 상호작용을 통하여 발생한다.[9] 따라서, 첨가하는 원소의 종류와 첨가량에 따라서 구리 합금의 특성의 제어가 가능하며 가시광선 영역대에서 특정 영역의 반사도를 강조하여 특수한 색을 갖게 된다. 핸드폰 외장 및 다양한 장식재에 사용되었던 로즈 골드 컬러 역시 동합금을 이용하여 개발되었으며, 첨가된 원소를 조절함에 따라 색감과 강도를 제어할 수 있다고 보고되었다. [10, 11]
그림 6. a) 조성과 색도에 따른 로즈골드 합금, b) Cu-Zn 합금의 조성별 색도
동합금을 이용한 컬러 구현은 실험을 통한 경험법칙으로 이론이 규명되어 왔기에 금속의 전자기적 특성에 입각하여 색 구현 관련 이론이 규명되기 시작하였다. 금속의 자유전자와 외부로부터 입사되는 가시광선과의 상호작용에 의한 반사광을 예측하기 위하여 시뮬레이션 프로그램을 이용한 데이터 측정을 실시하고, 실제 금속의 반사도 측정 데이터와 비교하며 이론을 규명하기 시작하였다. Cu-Ni 컬러 합금의 전자구조와 가시광선 간의 시뮬레이션 실험과 실제 합금 데이터와의 비교 분석이 진행되었다. 그 결과 조성에 따라 합금의 전기적 구조가 변하게 되고 흡수한 빛을 반사시키는 것이 변화한다는 것을 확인 할 수 있었다.[12]
그림 7. a) Cu-Ni 합금의 E-Band structure 이미지, b) Cu-Ni 합금의 Density of State 그래프
4. 자체적으로 색을 갖는 금속간 화합물을 이용한 컬러 합금 개발
금속의 고용도를 이용한 컬러 합금은 대개 단상을 갖는 컬러 합금이며, 자체적으로 색을 갖는 금속간 화합물을 이용한 컬러 합금의 경우 여러 상을 갖는 합금이다. 금속간 화합물은 일정한 화학적 양론비를 갖고 금속 원소끼리 형성하는 화합물이다. 금속간 화합물이 높은 대칭성의 결정 구조를 가질 때, 특정 파장대의 반사광을 갖게 되고 특수한 색을 발현하게 된다. 이러한 금속간 화합물은 2원계 및 3원계 원소, 합금의 최외각 전자 수, 결정구조를 고려하여 개발 되었으며 향후, 이와 같은 금속간 화합물을 개발하거나 기 개발 합금을 응용한 기술들이 개발될 것으로 사료된다.[9, 13]
그림8. 현재 개발된 2원계, 3원계 컬러 금속간 화합물[13]
금속간 화합물은 금속 원자가 특정 방향으로 결합을 하게 됨에 따라 기존의 금속 원소보다 경도가 매우 증가하는 것을 확인 할 수 있다. 하지만, 특정 결정 방향으로의 결합력이 극도로 감소하기 때문에 합금이 전체적으로 강한 취성을 갖는다.[13] 따라서 특수한 색을 갖는 금속간 화합물을 그대로 다른 산업 분야에 적용이 불가능하기 때문에 조성 제어를 통하여 기계적 특성을 제어하고자 하는 연구가 진행되었다. 앞선 문제점을 해결하기 위해 가공성을 지닌 금속 상에 금속간 화합물을 정출 시키고, 합금 전체에 걸쳐 금속 광택과 특수한 색을 구현할 수 있는 합금을 개발하였다. 이러한 기술은 인접한 두 색을 반복하여 시각적으로 혼합되어 보이도록 하는 병치혼합 기법을 모티브로 개발되었다. Al-Mg-Si 3원계 청색 컬러 합금은 푸른색을 갖는 Mg2Si 금속간 화합물의 정출제어를 통하여 Al과 Mg2Si 상의 색이 혼합된 색을 갖게 된다. 이 합금은 Mg2Si의 부피 분율이 증가함에 따라서 청색도와 경도가 증가하였으며, Si 단상의 형성에 따라서 청색도와 경도가 증가하였다. [9, 14] 추가적으로, Al(ADC12)과 Mg(AZ91)계 상용합금을 이용하여 Al-Mg-Si의 특성을 개선하기 위한 연구를 진행했으며, 기존의 합금과 매우 유사한 특성을 지니지만 청색도가 증가한 합금 개발이 가능했다. 이 연구는 기존 합금의 원가 절감과 폐 금속자원의 재활용 기술로 활용이 가능하였고, 추후 개발되는 컬러 합금 역시 기존의 상용합금을 이용한 특성 개선의 가능성을 보여주었다.
그림 9. a) Al-Mg-Si 3원계 합금의 상태도, b) 순원소를 이용한 합금과 상용합금을 이용한 합금의 비교 모식도[14]
5. 결론
최근 기술의 발전 속도가 급격하게 증가해 왔고, 이에 따라 소비자들의 다양한 니즈를 만족시키기 위하여 기술간 융합을 통해 새롭고 혁신적인 기술 개발이 이루어 졌다. 그 중 감성소재는 인간의 오감을 자극하여 소비자로 하여금 타 제품과의 차별성을 확인하게 하고, 구매로 이어질 수 있게 하는 한 가지 주요 제품이 되었다. 금속 산업계 내에서도 ‘기술 + 감성’ 의 패러다임을 받아들이고 소비자의 오감을 만족 시킬 수 있는 다양한 감성소재가 개발되었다. 금속 표면에 특수한 색을 구현함에 따라 금속 소재는 시각적으로 소비자의 니즈를 만족 시킬 수 있는 한 가지 감성 소재로 변화하였다. 다양한 표면처리 공정들이 개발됨에 따라 금속 표면에 구현된 색 층은 다양한 색과 특성을 갖게 되었다. 하지만 여전히 표면에 구현된 색 층은 외부로부터의 영향에서 자유롭지 못하고 변색되거나 파괴되어 특유의 색을 잃게 된다. 컬러 합금은 앞선 표면처리 공정에 비교적 자유롭고 자체적으로 색을 갖는 합금으로 반 영구적인 색을 갖게 된다. 금속의 고용도와 금속간 화합물을 이용하여 다양한 색과 특성을 갖는 합금 개발이 가능하였다. 고용체 합금을 이용한 컬러 합금은 뛰어난 가공성을 갖는 다는 장점을 갖지만 색 구현범위가 금속간 화합물을 이용한 합금보다 비교적 제한적이라는 단점을 갖는다. 금속간 화합물을 이용한 컬러 합금은 높은 강도와 뚜렷하고 다양한 색을 갖는다는 장점을 갖지만 강한 취성에 의해 가공성이 매우 부족하다는 단점을 갖는다. 각 구현 방식의 단점을 보완하고 장점을 강조할 수 있는 혁신적인 연구가 진행 중이며 컬러 합금의 상용화를 위한 다양한 응용 기술이 개발 될 것으로 사료된다. 또한, 컬러 합금의 구체적인 컬러 구현 매커니즘에 대한 다양한 연구도 진행 중이며 더욱 자유로운 특성 제어에 따라 기존의 응용분야를 확장시켜 금속 소재 시장에 큰 영향을 줄 것으로 사료된다.
6. 참고 문헌
[1] C. Christensen, M. Raynor, The innovator's solution: Creating and sustaining successful growth, Harvard Business Review Press2013.
[2] J. Han, P. Kim, H.-S. Kim, Study on surface processing design of aluminum alloy materials that is applied to IT and electronics, Journal of the Korean Crystal Growth and Crystal Technology 27(4) (2017) 212-219.
[3] N.-C. Park, S.-W. Jeong, Extraction of representative emotions for evaluations of tactile impressions in a car interior, Science of Emotion and Sensibility 16(2) (2013) 157-166.
[4] S. Kim, K. Nah, The Development Direction of Emotional Materials by Increasing Sensorial Experiences–Focusing on the Case Study of CMF Design, Archives of Design Research, 27 (2) 27(2) (2014) 121-135.
[5] K.I.o.I. Technology, Development of Color Materials for Emotional Sense, (2014).
[6] A. Vorobyev, C. Guo, Multifunctional surfaces produced by femtosecond laser pulses, Journal of Applied Physics 117(3) (2015) 033103.
[7] A.Y. Vorobyev, C. Guo, Colorizing metals with femtosecond laser pulses, Applied Physics Letters 92(4) (2008) 041914.
[8] X. Su, H. Xia, S. Zhang, B. Tang, S. Wu, Vivid structural colors with low angle dependence from long-range ordered photonic crystal films, Nanoscale 9(9) (2017) 3002-3009.
[9] S.H. Hong, S.C. Mun, G.C. Kang, H.J. Park, Y.B. Jeong, G. Song, K.B. Kim, Recent development of coloring alloys, Progress in Materials Science 123 (2022) 100811.
[10] Y.B. Jeong, S.H. Hong, H.J. Park, Y.S. Kim, Y.J. Hwang, Y.H. Lee, K.B. Kim, J.T. Kim, Investigation of color change in Cu-Zn alloys by reflectivity and color difference analysis, Journal of the Korean Institute of Metals and Materials 56(3) (2018) 171-176.
[11] Y.B. Jeong, J.T. Kim, S.H. Hong, H.D. Lee, S.Y. Choi, K.B. Kim, Compositional tuning-induced permanent color adjustment and mechanical properties: binary Cu-Mg colored metallic system, Materials & Design 175 (2019) 107814.
[12] 문상철, Development of coloring Cu-based and Al-Mg-Si alloys using concepts of transition energy and juxtaposition, 세종대학교 대학원, 서울, 2021.
[13] J. Westbrook, R. Fleischer, Intermetallic Compounds, Volume 3, Progress, Intermetallic Compounds, Volume 3, Progress, by JH Westbrook (Editor), RL Fleischer (Editor), pp. 1086. ISBN 0-471-49315-5. Wiley-VCH, June 2002. (2002) 1086.
[14] S.C. Mun, G.C. Kang, Y.B. Jeong, H.J. Park, Y.S. Kim, S.H. Hong, G. Song, K.B. Kim, Development of coloring alloys: Color Design for Lightweight Al-mg-Si alloys, Materials & Design (2021) 109449.