기계공학부 이태경(사진) 교수 연구팀이 전류펄스 인가 처리(EPT)*에서 줄열(Joule heat, 열 효과)**과 전류 자체가 유발하는 비열(athermal) 효과***를 단일 시편 내에서 분리·관찰할 수 있는 ‘T-type 시편’**** 기반의 독창적인 방법론을 개발했다. 연구팀은 이를 마그네슘 합금에 적용해 비열 효과가 미세조직 변화 속도를 유의미하게 가속한다는 사실도 입증했다.

* EPT: 전류펄스 인가 처리(electropulsing treatment). 금속 소재에 펄스 형태의 전류를 가해 소재의 미세조직 및 성능을 제어하는 기술.

** 줄열(Joule heat, 열 효과): 재료(도체)에 전류가 흐를 때 전기저항 때문에 전기에너지가 열로 변환돼 발생하는 발열. 19세기 영국의 물리학자 제임스 프레스콧 줄(James Prescott Joule)이 전류에 의한 저항 발열의 관계(줄의 법칙)를 실험적으로 정립했으므로, 이 현상을 줄열(Joule heat)이라 부름.

*** 비열(athermal) 효과: 금속 소재에 전류가 흐를 때 발생하는 줄열(Joule heat)이 소재에 미치는 영향을 열 효과(thermal effect)라 하며, 그 외의 효과를 비열 효과(athermal effect)라 지칭.

**** T-type 시편: 현재까지의 EPT 연구는 I자 형상의 시편을 사용해 왔으나, 이번 연구에서는 T자 형상의 시편을 도입하고 EPT 공정 변수를 최적화해 시편의 특정 구간으로만 전류가 흐르도록 설계한 새로운 방법론을 개발.

‘전류펄스 인가 처리(EPT, Electropulsing Treatment)’는 금속 소재에 펄스(pulse, 순간 전류) 형태의 전류를 가해 열처리하는 기술로, 기존 노(爐) 열처리(furnace heat treatment)* 대비 에너지 효율이 높고 가열 속도가 빠르다는 점에서 차세대 금속 가공 기술로 주목받아 왔다. 그러나 EPT의 효과가 줄열에 의한 ‘열 효과’ 때문인지, 전류 자체가 만드는 ‘비열 효과’가 독립적으로 존재하는지에 대해서는 학계에서 오랜 논쟁이 이어져 왔다.

* 노(爐) 열처리(furnace heat treatment): 소재를 ‘가열로’에 넣어 일정 온도로 데운 뒤 잠시 유지하고 식히는 방식으로, 열만으로 재료 성질을 바꾸는 처리 방법.

이번 연구의 핵심은 기존의 I자형 시편 중심 실험에서 벗어나, 전류가 흐르는 경로와 열이 전달되는 경로를 구조적으로 분리할 수 있는 T자형(T-type) 시편을 설계했다는 데 있다. 연구팀은 EPT 공정 변수를 최적화해 시편의 특정 구간으로만 전류가 흐르도록 만들었고, 특정 조건에서는 같은 시편 내부에서 열 효과와 비열 효과를 분리해 비교할 수 있음을 확인했다.

【T-type 시편을 활용한 전류펄스의 열·비열 효과 분리 개념】

검증 실험은 마그네슘 합금 T-type 시편을 제작해 진행됐다. 시편 내 C지점에는 전류가 흐르도록, D지점에는 전류가 흐르지 않도록 설계한 뒤, 70~77A/mm² 수준의 전류펄스를 인가했을 때 두 지점이 동일 온도로 가열되는 조건을 구현했다. 즉, C와 D에서 열 효과의 크기를 동일하게 맞춘 것이다.

그럼에도 C지점에서는 D지점에 비해 미세조직 변화가 뚜렷하게 가속되는 현상이 확인됐다. 결정립 성장, 저경각계 소멸, 전위밀도 감소, 정적 재결정 등 다양한 미세조직 변화가 일관되게 빨라졌으며, 연구팀은 이를 C지점에만 독립적으로 작용한 비열 효과의 영향으로 해석했다. 전류로부터 추가적인 전기 에너지가 변형 유기 경계 이동(strain-induced boundary mechanism)에 구동력을 제공해 원자 확산과 결정립계 이동을 촉진했다는 설명이다.

이태경 교수는 “이번에 제안한 T-type 시편 방법론은 그동안 명확히 구분하기 어려웠던 EPT의 열·비열 효과를 단일 시편 내에서 분리해 내는 혁신적 시도”라며 “EPT 공정 메커니즘을 해석하는 표준 도구로 활용돼 금속 미세조직 제어 기술을 한 단계 도약시킬 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 기계공학부 이태경 교수가 교신저자, 송종한 연구원이 제1저자로 수행했으며, 부산대 기계공학부 백승훈 교수와 전기전자공학부 노정균 교수, 경북대 금속재료공학과 박성혁 교수가 공저자로 참여했다. 

해당 연구는 국방기술진흥연구소(KRIT)와 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 국제학술지 『Journal of Magnesium and Alloys』 온라인판 2025년 12월 8일자에 게재됐다. 

- 논문 제목: Validating the athermal contribution of electropulsing treatment utilizing T-type Mg specimen(T-type 시편 설계를 통한 전류펄스의 비열 효과 분리)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.jma.2025.11.017

[Abstract]

Metal Design & Mechanics Lab (P.I.: Professor Taekyung Lee) successfully introduced a novel methodology, utilizing T-type specimen, to completely separate the thermal and athermal contributions of electropulsing treatment (EPT) within a single experiment. The key innovation was establishing two reference points (namely, points C and D) where temperatures remained comparable (<6 K deviation). Such a setup ensured that any difference in microstructural evolution arose solely from the athermal effects. The results consistently demonstrated that the region exposed to the electric current (i.e., point C) exhibited remarkably accelerated kinetics of microstructural evolution (e.g., a growth of preexisting grains, a reduction of low-angle grain boundaries, an annihilation of geometrically necessary dislcoations, and the extent of static recrystallization) compared to the heat-only counterpart (point D). This proved that the athermal EPT contribution provides an additional driving force to the strain-induced boundary migration mechanism, stimulating microstructural evolution beyond thermal effects alone. This T-type specimen offers a robust x-framework for decoupling EPT effects at the macroscale, providing a valuable tool for optimizing electrically-assisted forming and other high-efficiency manufacturing processes.

- Authors (Pusan National University): Taekyung Lee (corresponding) & Jong Han Song (1st) (School of Mechanical Engineering)

- Title of original paper: Validating the athermal contribution of electropulsing treatment utilizing T-type Mg specimen

- Journal: Journal of Magnesium and Alloys

- Web link: https://doi.org/10.1016/j.jma.2025.11.017 

- Contact e-mail: taeklee@pnu.edu