부식 막기 위해 두꺼운 코팅·고가 원소 추가한다는 통념 뒤집어
포스텍 연구팀이 저가형 스테인리스강에서도 스스로 보호막을 형성해 부식을 막는 기술을 개발했다.
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| ▲ 포스텍 신소재공학과 김용태 교수. [포스텍 제공] |
포스텍은 신소재공학과 김용태 교수, 정상문 연구교수, 곽재익 박사 연구팀이 철-질소-탄소로 이루어진 촉매(Fe-N-C)를 활용해 크롬과 니켈 함량이 낮은 스테인리스강에서 자발적인 보호막 형성에 성공했다고 15일 밝혔다.
이 연구 성과는 코팅·필름 분야 국제 학술지인 '어플라이드 서피스 사이언스 어드밴시스'에 게재됐다.
스테인리스강이 녹슬지 않는 이유는 표면에 '부동태 피막'이라 불리는 얇은 산화막이 형성되기 때문이다. 그러나 이 피막의 안정성이 크롬과 니켈 같은 고가 원소에 크게 의존한다는 점이 문제점이었다.
이 때문에 이들 원소가 적게 들어간 저가형 스테인리스강은 강한 산에서는 쉽게 녹슬어 활용이 제한됐다.
연구진은 이를 해결하기 위해 비귀금속 기반 연료전지 촉매인 철-질소-탄소(Fe–N–C) 촉매를 활용했다.
본래 연료전지에서 산소 반응을 촉진하는 전극 소재지만 이를 금속 표면에 적용해 '부식 반응을 통제하는 촉매'로 새롭게 설계했다.
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| ▲ 철-질소-탄소(Fe–N–C) 촉매 코팅을 통한 산화 피막 형성 촉진 메커니즘. [포스텍 제공] |
0.5M 황산과 같은 강산 환경에서 금속 표면의 산화·환원 반응을 촉매가 조절하도록 해 크롬과 니켈이 부식되기 전에 안정적인 산화막을 먼저 만들도록 반응 경로를 유도한 것이다.
쉽게 말해, 비싼 크롬과 니켈이 녹아버리기 전에 이들이 먼저 단단한 산화막을 이루도록 반응 경로를 유도하는 전략이다.
이러한 표면 반응 공학접근법을 통해 연구팀은 두꺼운 코팅을 따로 입히지 않고도 저가형 스테인리스강이 스스로 얇고 치밀한 보호막을 형성하도록 만들었다.
효과는 확실했다. 부식으로 발생하는 전류는 99.94% 감소했고 금속 용출량도 99.98% 줄었다.
형성된 보호막은 황산에 7일 이상 담가두어도 안정성을 유지했다. 저가형 스테인리스강이 사실상 고급 소재 수준의 내식성을 확보한 셈이다.
김용태 교수는 "부식을 막기 위해서는 두꺼운 코팅이나 고가 원소를 추가해야 한다는 통념을 뒤집은 연구이자 저렴한 금속에서도 안정적인 보호막을 스스로 형성할 수 있음을 보여준 의미 있는 성과"라며 "스테인리스강뿐 아니라 다양한 금속 소재로 확장 가능한 기술"이라고 전망했다.
KPI뉴스 / 장영태 기자 3678jyt@kpinews.kr
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