첨단 세라믹스 해외기술정보
거대 압전 응답을 나타내는 신규 압전막 개발
東京工業大學의 舟窪 조교수, 神奈川産業總合硏究所, (독) 물질·재료연구기구, 불루카 에이엑스에스(주)의 산학관 공동연구팀은 신규 기구에 기초한 거대 압전 응답을 갖는 압전막의 개발에 성공했다는 것을 보고했다.
압전막은 저구동 전압으로 큰 변위를 기대할 수 있어, 잉크젯 프린터의 헤드 부분이나 하드디스크 헤드 등 미소전자기기 시스템(MEMS)에 대한 응용을 시야에 두고 연구가 정력적으로 이루어지고 있다. 그러나 현시점에서 많은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 소결체나 단결정 등의 벌크에서 보고되고 있는 듯한 큰 압전성을 막으로 얻을 수 있었다는 보고는 없었다. 그 이유의 하나로 막이 기판에 의해 구속되는 ‘크래핑’이 지적되고 있다. 실제로 막을 섬 모양(島狀)으로 떼어냄으로써 기판에서의 구속을 대폭 줄여서 큰 압전성을 얻을 수 있다는 것을 확인되었다. 그러나 실용상 중요한 기판에 구속된 연속적인 압전막으로는 벌크 재료에 필적하는 압전성을 얻기는 어렵다고 알려져 왔다.
이번에 舟窪 조교수 등 연구팀은 가장 대표적인 압전체인 티탄산 지르콘산 납(PZT)에서 종래의 한계를 깨고, 벌크와 동등하거나 혹은 그 이상(주사형 프로브 현미경으로 측정한 d33에서 400㏘/V이상)의 압전성을 발현하는 압전막의 제작방법을 찾아냈다. 그 키포인트는 다음과 같이 요약된다.
①지금까지 강유전체의 자발분극축을 인가전계의 방향으로 나란히 배치하는 것이 바람직하다고 알려져 왔는데(이것은 소결체의 분극처리와 같은 이치이다), 그와 반대로 이번 방법에서는 자발분극축이 전계방향에 대해 수직(혹은 평형이 아닌)인 분극을 가진 결정영역(도메인)을 늘림으로써 큰 압전성을 얻을 수 있었다.
②벌크 등에서는 정방정상과 능면체상(菱面體相)이 공존하는 상 경계 조성이 가장 큰 압전성을 얻을 수 있는 조성이라고 알려져 왔는데, 이번 연구에서는 상 경계 근방의 정방정상으로만 구성된 배향막에서 큰 압전성을 얻을 수 있었다.
상세한 기구에 대해서는 완전히 밝혀지지 않았지만 종래는 기판의 구속 때문에 거의 일어나지 않는다고 알려져 왔던 도메인 반전이 전계인가 시에 일어난다는 것이 현장 관찰 결과가 시사하고 있다. 앞으로의 연구에서 거대 압전성 발현의 기구가 밝혀지면 PZT 이외의 폭넓은 압전막에서 응용이 가능한 ‘막 특유의 압전성 발현기’를 확립할 수 있어 비연 압전체 등도 포함한 폭넓은 물질에 대해 적용할 수 있을 가능성을 시사한다. (CJ)

1600℃ 이하에서 소결가능한 질화알루미늄 분말 개발
三井化學(주)는 (독)産業總合硏究所 선진제조프로세스연구부문과 공동으로 저온소결성 질화알루미늄 분말을 개발했다. 질화알루미늄은 열전도율이 구리나 알루미늄과 같은 레벨에 있고 기판으로 이용했을 경우에는 전자디바이스의 고밀도 실장화가 가능하게 된다. 따라서 전자기기나 반도체 관련 수요가 급증하고 있다. 그러나 소결체 제조에 1800℃ 이상의 온도가 필요하여 배치식 전기로에서만 소성할 수 있기 때문에 소결체 제조 원가가 비싸고 또 생산효율이 낮다는 문제점이 있었다. 일반적으로 세라믹스는 입자 지름이 작아질수록 소결성은 높아지지만 그 한편 응집력이 높아지기 때문에 소결 온도를 낮출 수 없어서 질화알루미늄의 소결온도를 낮추기 위해서는 특수한 소결조제의 사용이 필요했다.
三井化學은 지금까지 독자 프로세스인 유기알루미늄의 기상반응법으로 고순도이며 열전도율을 악화시키는 산소의 함유량이 적은 질화알루미늄 분말을 공급해 왔는데, 이번에 개발한 분말은 기상합성법이 가진 나노 입자 생성이 가능하다는 특징을 살리고, 또 얻어진 응집분말을 기계적으로 처리하여 응집을 경감한 것이다. 이 분말은 단독으로는 일반적인 소결조제(이트리아, 카르시아)를 이용하여 1500℃ 이하에서 소결이 완료된다. 또 입자 지름이 약 2㎛인 질화알루미늄 분말(三井化學製 MAN-2)은 이 분말을 극히 소량 첨가해도 소결이 촉진되어 1600℃에서의 소결이 가능하게 되었다.
이 기술로 생산한 질화알루미늄 기판의 열전도율은 1800℃ 이상의 고온에서 소결한 경우와 거의 같은 수준의 열전도율을 갖는다. 질화알루미늄의 소결은 소결조제 존재 하에서는 액상소결기구에 의해 진행하지만, 나노입자를 첨가함으로써 액상으로의 용해가 가속되어 그 결과 액상의 양이 증가하고, 나아가서 석출량의 증가가 일어난 것이라고 생각하고 있다.
소결온도가 1600℃로 낮아지면서 특수한 소성로가 필요치 않게 되어, 일반적인 전기로에서 연속적으로 소성함으로써 원가적으로 비싸다고 알려져 있는 질화알루미늄 소결체를 싼값에 생산할 수 있게 되어, 그 응용 용도가 넓어질 것으로 예상된다. 앞으로 더 광범위한 분야에서 적극적인 용도전개를 해 나갈 계획이다. (CJ)
세라믹스 원료 분말 습식 제트밀로 분쇄하는 기술 개발
분산까지의 공정시간 단축
産業技術總合硏究所 선진제조 프로세스 연구부문은 세라믹스 원료분말을 습식 제트밀로 분쇄하는 기술을 개발했다. 종래의 볼밀, 비즈밀에 의한 방식에 비해 분말의 분쇄, 혼합, 분산의 각 공정의 시간을 대폭 단축할 수 있다. 또 입자가 재응집하지 않기 때문에 고밀도의 성형체가 가능하게 되는 등 고품질의 세라믹스 제품의 제조로 이어진다.
습식 제트밀에 의한 방식은 식품분야에 이용되고 있는데, 세라믹스 분야에서의 응용은 처음이라고 한다. 이 방식은 알루미나 등의 원료분말과 물 또는 에탄올을 혼합한 액체를 이용한다. 일단 둘로 나눈 액체 유로를 다시 연결함으로써 액체끼리 충돌시켜서 분쇄하여 충돌 시의 혼류로 혼합, 분산하는 구조이다. 충돌 시는 압력 200메가펄스에서 매초 370미터의 속도가 나온다.
충돌속도가 빨라 연속처리가 가능하기 때문에 분말과 물의 혼합시간을 포함해도 분말의 분쇄에서 분산까지의 공정이 종래의 볼밀이나 비즈밀 방식의 8분의 1인 약 3시간으로 단축할 수 있다. 또 입자끼리의 상호작용이 적어 재응집하지 않기 때문에 낮은 점성 상태를 유지할 수 있다. 볼밀 등을 사용하면 충돌로 떨어진 볼 등이 불순물이 되어 섞일 우려가 있었다. 또 충돌 시 입자에 과잉한 에너지가 가해져 재응집이 일어나기 쉽다. 따라서 액체의 점도가 시간과 함께 높아져 성형 후나 소결 후의 품질악화로 이어지는 일도 있다. 습식 제트밀 방식에서는 석고 주형에 의한 성형 후의 밀도는 67.2%(볼밀 방식은 57.7%), 소결 후의 수축률은 11.2%(동 16.8%)로 볼밀 방식보다도 양호한 데이터가 나왔다. 수축률이 낮기 때문에 소결 시의 치수정도도 좋아진다. 시간경과에 의한 점성변화가 없어서 밀도의 비균일화가 적다고 생각되어 소결 후의 갈라짐이나 뒤집힘도 잘 일어나지 않는다고 한다. 앞으로는 저점성에서 안정적이 되는 액체의 특성을 살리는 연구를 진행하여 분사방식에 의한 성형 등 새로운 성형기술을 개발할 방침이다. 성형공정도 스피드 향상을 꾀하여 세라믹스 제품의 제조공정 전체의 시간을 대폭적으로 단축하는 것이 목표이다.  (NK)

지르코니아 기반 화합물 제조 성공
일본 오사카 대학과 나가오카 기술 대학의 연구진은 지르코니아와 모나자이트 파우더에 펄스 전류 소결(PECS)을 적용하여 8YSZ-모나자이트 화합물을 제조, 특성화하는데 성공하였다. 초기 모나자이트 함량은 5에서 20 wt%로 다양하게 하였다.
PECS법은 기존 방법에 비해 낮은 소결 온도와 적은 소결 시간이 필요하기 때문에, 지르코니아와 모나자이트간의 반응을 억제해 밀도 높은 8YSZ-LaPO4 세라믹 나노화합물을 만들 수 있어 기계적 특성을 향상시키는데 핵심적인 역할을 할 것으로 보인다. 미세구조를 관찰한 결과 이론 밀도의 99%에 이르는 밀도를 가지고 있음이 밝혀졌으며 미세한 결정립 나노구조를 가지고 있음이 밝혀졌다.
이 지르코니아 기반 화합물은 열 장벽 코팅이나 기계부품과 같은 고온 구조재로 사용될 것으로 기대되고 있다. (ACB)

SOI위에 MOSFET 제작 성공
독일의 Advanced Microelectronic Center의 연구진은 세계에서 최초로 결정질 가도리늄(gadolinium) 산화물(Gd2O3)을 게이트 절연체로 사용한 초박막 바디 SOI(Silicon-on-insulator)위에 MOSFET을 제작하는데 성공했다고 발표하였다. 연구진은 실험에서 결정질 Gd2O3를 기존의 SOI CMOS 기술 플랫폼과 접목시키는데 성공하였다. 게이트로는 타이타늄 나이트라이드 금속 게이트를 사용하였으며 800℃에서 열처리 하였다.
한편 Darmstadt 기술대학의 연구진들은 벌크 실리콘 위에 Gd2O3 게이트 산화물을 사용한 MOSFET을 제조하기 위해 화학적 기계적 폴리싱을 사용하여 게이트를 형성하였다. 이 소자들은 재료의 성능을 평가하기 위한 기초 자료를 만들기 위해 제작되었다. 모든 박막은 하노버 대학에서 성장시켰다. (ACB)

초소성 SWCNT TEM 내부에서 형성
미국의 보스턴 대학, Lawrene Livermore 국립 연구소와 Massachusetts 기술원의 연구진은 단단한 단일 벽 탄소 나노튜브(SWCNT)가 엄청난 변형을 견뎌낼 수 있는 조건을 발견했다고 발표했다. 다중벽 CNT의 전기 파괴를 이용하여 길이 24nm, 직경이 12nm인 SWCNT를 고해상도 TEM 내부에서 형성시켰다. 압전 조작장치를 사용하여 SWCNT에 변형을 가하였다.
인장 파괴 시에 SWCNT는 91cm길이였으며(280% 길이 증가) 직경은 0.8nm(1/15로 수축)줄어 있었다. (ACB)

결정립계 강화
알루미나에 있는 결정립계는 특히 고온에서 크립하는 동안 결정립계 글라이딩 현상에서 변형 기제에서 중요한 역할을 한다.
일본의 도쿄대학과 미국의 Missouri-Kansas City 대학의 연구진은 원자단위를 관찰할 수 있는 현미경과 고정밀 계산기를 사용하여 이트륨으로 도핑되어 있는 알루미나 결정립계에 있는 원자 크기의 구조와 크립 억제에 대한 관계에 대해 연구하였다. 연구진은 결정립계를 다라 국부적으로 이트륨이 석출되어 있으며 국부적인 결합 환경이 바뀌어져 있어 기계적인 크립에 대하여 강도가 증가함을 발견하였다. 단일 결정립계에 대해서도 이트륨 도핑으로 크립 저항력이 100배 이상 강화된 것으로 나타났다. (ACB)

교류전압으로 적외선 발광하는 산화아연 박막을 개발
파인세라믹스센터(JFCC)는 교류전압을 가하면 적외선을 발광하는 산화아연 박막을 개발했다. 산화 엘븀을 첨가한 산화아연박막을 이용했다. 자외선을 조사하여 적외선을 발광하는 산화아연 박막은 있지만 교류전압을 가해서 발광하는 것은 처음이라고 한다. 발광다이오드나 반도체 레이저 등에 사용되는 광기능 소자재료로서의 용도가 기대된다.
JFCC가 이번에 기술 개발한 석영유리기판에 알곤가스를 방전하는 스팩터링법으로 전극막을 형성하고, 그 위에 산화 엘븀을 첨가한 막후 약 1마이크로미터의 산화아연 박막을 합성한다. 그 박막 위에 전극 막을 하나 더 형성하고 아연박막을 사이에 끼운 다음 위 아래 전극 막에 교류전압을 가했다. 그 결과, 6와트 정도에서 최초로 발광했다. 발광파장은 1.5마이크로미터로, 파장에 의한 분류로는 근적외선이 된다.
실용화를 위해서는 아연박막의 전기저항을 크게 하는 일 등 재질개선이 필요한데, 발광의 안정성과 발광강도를 높일 필요도 있다고 한다. (NK)