고엔트로피 합금과 중엔트로피합금을 제어하여 신소재 개발

 

- 고엔트로피 합금과 중간엔트로피 합금을 결합, '계면 제어 기술'로 강도-유연성 동시 구현

- 기존 임플란트의 '스트레스 차폐' 문제 해결 및 내마모성 크게 향상… 임플란트 수명 연장 기대

 

 

한국과학기술원(KAIST) 연구팀이 기존 인공 임플란트용 소재의 한계를 뛰어넘는 차세대 생체 임플란트용 신소재를 개발했다.

KAIST 원자력및양자공학과 류호진 교수 연구팀이 중간엔트로피 합금(MEA) 기지에 고엔트로피 합금(HEA) 입자를 분산시키는 방식으로, 강성은 낮게 유지하면서 강도는 높이고 마모에도 강한 새로운 복합재료 합금을 개발했다고 밝혔다.

 

현재 정형외과 임플란트에 널리 쓰이는 합금은 인체 뼈보다 탄성계수(stiffness)가 높아질경우, 임플란트 주변 뼈에 하중이 제대로 전달되지 않아 골밀도가 감소하는 '스트레스 차폐(Stress Shielding)' 현상을 유발한다. 또한 마모 저항성이 낮아 임플란트 수명이 단축되고 재수술의 원인이 되기도 한다. 반면, 탄성계수를 낮추면 재료의 강도와 내마모성이 약해지는 문제가 있었다.

 

류호진 교수 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 두 가지 특성이 다른 합금을 결합하는 새로운 접근법을 시도했다. 낮은 탄성계수를 가진 티타늄-지르코늄-니오븀(Ti-Zr-Nb) 중간엔트로피 합금을 바탕으로, 강도와 내마모성이 뛰어난 몰리브데넘-니오븀-탄탈럼-티타늄-지르코늄(MoNbTaTiZr) 고엔트로피 합금 입자를 강화재로 사용했다.

 

특히 연구팀은 분말야금 및 방전 플라즈마 소결 공정을 이용해 두 합금 사이에 원소들이 서서히 퍼져나가는 '경사 기능성 경계면(Gradient Interface)'을 형성하는 데 성공했다. 이 경계면은 단단한 고엔트로피 합금 입자와 연성이 좋은 중간엔트로피 합금 기지 사이의 급격한 기계적 특성 차이를 완충하는 역할을 한다.

 

그 결과, 개발된 신소재는 낮은 탄성계수(약 65~87 GPa)를 유지하면서도, 항복강도는 기존보다 향상된 750 MPa 이상을 기록했다. 또한, 마모율은 10⁻⁴ ~ 10⁻⁵ mm³/Nm 수준으로 크게 감소하여 임플란트의 장기적인 내구성을 확보했다.

 

KAIST 기계공학과(신현정 교수팀)와 협력하여 수행된 생체적합성 평가에서도 우수한 결과를 보였다. 신소재는 기존 생체 재료인 순수 티타늄이나 스테인리스강(SS-316L)보다 뛰어난 세포 부착 및 증식 능력을 보였으며, 체액과 유사한 환경에서의 부식 저항성 또한 뛰어났다.

 

류호진 교수는 "이번 연구는 성질이 다른 두 합금의 장점만을 결합하고, 그 경계면을 제어하여 닳지 않으면서도 질긴 재료를 구현한 것이 핵심"이라며, "이러한 합금개발 원리를 극대화한다면 스트레스 차폐 현상을 최소화하고 임플란트 수명을 획기적으로 늘리는 데 기여할 것으로 기대한다"고 연구의 의의를 밝혔다.

 

이번 연구 성과는 재료과학 분야의 저명한 국제 학술지 Applied Surface Science Advances 최신호에 게재되었다. 

 

Avinash, Akmal et al. "Gradient-controlled interfaces in medium/high entropy alloys composites for enhanced mechanical and biocompatibility performance," Applied Surface Science Advances, Vol. 30, 100868, December 2025. 

https://doi.org/10.1016/j.apsadv.2025.100868