마그네슘 봉재 속 달걀껍데기 분말은 압출 중 어떻게 바뀌나

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달걀껍데기 분말을 마그네슘 블록에 넣고 봉재로 뽑으면, 분말은 그대로 남을까? 노스캐롤라이나주립대가 공개한 자료에 따르면 연구진은 압출 중 분말이 금속에 섞이고 반응하는 과정을 관찰했다. 개념 검증에서는 더 강하고 단단한 마그네슘 재료를 만들었다고 밝혔다.

AI 개념 이미지: 달걀껍데기 분말을 채운 마그네슘 블록에서 봉재가 압출되는 과정을 나타낸 그림이다. 실제 연구 장비를 촬영한 사진은 아니다.

폐달걀껍데기를 마그네슘에 넣는 순서

연구진은 원통형 마그네슘 블록에 일정한 간격으로 구멍을 뚫고 곱게 간 달걀껍데기를 채웠다. 이어 블록을 강철 실린더에 넣었다. 분말을 금속 블록의 여러 위치에 담아 압출을 시작한 것이다.

가운데 구멍이 있는 강철 공구가 블록을 누르며 회전한다. 노스캐롤라이나주립대 자료에 제시된 공구 회전 속도는 분당 300회다. 이 수치는 봉재의 성능값이 아니라 재료를 누르고 섞는 공구의 작동 조건이다.

공구가 누르는 힘에 재료는 가운데 구멍으로 밀려 나와 봉재가 된다. 이렇게 회전으로 재료를 섞으면서 압출하는 방법을 마찰교반압출이라고 한다. 연구진은 폐달걀껍데기를 탄산칼슘 공급원으로 써 고체 상태에서 마그네슘·달걀껍데기 복합재 봉재를 만들었다.

노스캐롤라이나주립대에 따르면 달걀껍데기의 95%는 탄산칼슘이다. 칼슘은 마그네슘의 기계적 성질을 개선하려고 첨가하는 원소다. 이 공정에서 껍데기는 그 원소를 들여오는 원료가 된다.

분말과 마그네슘이 섞이면서 입자와 금속 사이에 마찰이 생긴다. 연구진은 이 마찰이 탄산칼슘을 산화칼슘과 칼슘으로 바꾸고, 고강도 합금상인 Mg₂Ca를 형성한다고 설명했다. 합금상은 금속 내부에 만들어진 별도의 성분 조합이다.

마찰로 생긴 열과 재료가 강하게 밀리고 비틀리는 변형도 함께 작용했다. 연구진에 따르면 이 과정에서 껍데기 분말이 고르게 퍼지고 마그네슘 내부의 결정 조직이 다시 형성됐다. 분말을 어디에 넣었는지만큼 압출 중 금속이 어떻게 변했는지도 중요한 대목이다.

투과전자현미경에서는 탄산칼슘 입자가 나노 크기로 쪼개지고, 입자와 금속이 맞닿는 곳에 산화칼슘·산화마그네슘이 생긴 모습이 관찰됐다. 연구진은 잘게 바뀐 결정 조직과 내부에서 생긴 산화물이 경계면의 결합 상태와 조직 안정성을 높이는 데 기여한다고 설명했다.

원료를 얻는 경로도 달라진다. 기존 칼슘 재료는 광석을 에너지가 많이 드는 공정으로 가공해 만들지만, 연구진은 폐달걀껍데기를 탄산칼슘 공급원으로 삼았다. 광석에서 칼슘 재료를 만드는 단계를 거치지 않고 마그네슘 합금을 제조할 수 있음을 보인 것이다.

연구진은 그 단계를 생략하므로 에너지가 훨씬 적게 든다고 설명했다. 공개 자료에는 에너지 절감량을 수치로 비교한 결과가 없어, 이 설명만으로 절감 폭을 판단할 수는 없다.

연구진의 강도와 경도 발표는 개념 검증에 관한 것이다. 공개 자료에는 향상 폭이나 다른 제조법과의 정량 비교가 없다. 아이컨택은 마그네슘 봉재에 칼슘을 더하려는 경우, 폐달걀껍데기 투입과 봉재 성형을 잇는 공정으로 이 사례를 읽는 편이 유용하다고 본다.