Technology Brief

첨단 세라믹스 해외기술정보 

나노튜브 ‘샌드위치’로 더욱 뛰어난 조성 개발
직물 세라믹 섬유로 만들어진 강화 화합 직물은 구조용도로 지난 수십 년간 사용되어 왔지만, ‘두께 방향’의 강도, 즉 직물이 적층된 방향에 수직으로 가해지는 힘에 저항하는 능력의 측면에서는 취약한 면모를 보여 왔다.
Rensselaer Polytechnic Institute (미국 뉴욕)와 Hawaii 대학의 연구진들은 이러한 난관을 극복하는데 도움이 될 새로운 공정을 개발하였다. 최근, 연구진은 나노튜브 Velcro 같은 구조를 층간에 삽입함으로써 두께 방향의 물성이 향상됨을 시연해보였다.
화합물을 만들기 위해, 연구진은 탄소 나노튜브 층을 실리콘 카바이드의 섬유로부터 만들어낸 표면에 증착시켰다. 고온 에폭시 기지에 직물 층을 침투시고, 몇 개의 천 층을 각 층마다 넣어 삽입시켜 나노튜브가 두 층을 꽉 붙잡는 잠금 층처럼 작용하는 3차원 ‘샌드위치’ 구조를 형성시켰다.
실험 결과 잠금층 나노튜브는 다양한 하중 조건에서 강도와 취성을 크게 향상시키는 것으로 나타났다. 이 재료들은 파괴 시험에서 뛰어난 특성을 보였으며, 나노튜브가 없는 기존의 세라믹 화합물 보다 5배 큰 강도를 보였다. 이 테스트 결과 열적, 전기적 전도도가 크게 향상된 것으로 나타났다. 이 팀은 약 5×2in (12.5×56cm) 크기의 천을 만들었으며, 연구진에 의하면 이 공정은 더 크게 만드는데 용이하다고 한다. (ACB)

전기방사 투명 알루미나 나노섬유 제조기술 개발
미국 Toledo 대학의 연구진은 1차원 투명 알루미나 나노섬유를 제작하고 처리하고 특성화하는 기술을 개발하는데 성공하였다.
목표 조성은 아세톤 내의 알루미나 프리커서와 에탄올 내의 polyvinylpyrrolidon(PVP)를 1:1로 혼합한 용액으로부터 폴리머-세라믹(polycer) 화합물 섬유를 전기방사하여 얻었다.
고전압 DC 소스를 사용하여 7-9 kV를 혼합물을 포함하고 있는 주사기 침과 컬렉터 사이에 걸어 조기 방사를 유도하였다. 여러 번의 열처리와 체계적인 상변화를 거쳐 polycer가 세라믹으로 변환되었다.열처리 공정에 빠른 제품의 표면적인 특징을 Raman spectroscopy, X-ray 회절, energy dispersive spectroscopy(EDS)와 함께 사용한 전자 주사 현미경, 투과 전자 현미경과 선택 영역 전자 회절 기술을 사용하여 분석하였다.
(ACB)
새로운 세라믹 성과 - 직접 전도
London Centre Nanotechnology의 과학자들에 의해 추진되고 있는 국제 연구 팀은 자기 정렬, 즉 천연적으로 층형 집적회로를 형성하는 새로운 세라믹 재료의 특성에 대해 발표하였다. 이 세라믹(La1.6Sr1.4Mn2O7)은 근방의 자석에 의해 그 전기적 성질이 크게 바뀌는 특이한 성질 때문에 지난 십년간 과학자들의 관심을 받아왔다.
투과 주사 현미경을 사용하여 연구진은 작은 금속 팁을 원자크기 이하의 정확도로 이 물질의 표면을 천천히 훑어가면서 전기적 성질을 감지하였다. 이 결과 데이터를 통해 연구진은 이 세라믹 물질의 표면에 수평 방향으로 완벽한 금속처럼 거동하는 반면, 표면과 수직방향으로는 절연체처럼 거동한다는 것을 알 수 있었다.
또한 이러한 결과는 독특한 전자적 거동에 대한 첫 번째 단서를 제공해주었다고 평가 받고 있다. 기존의 고체에서는, 전하는 전자에 의해 이동하지만, 저러한 세라믹의 경우에는 원래 위치에서부터 국부적으로 벗어난 원자와 자성 소용돌이에 결합되어 있는 전자로 구성된 polaron이라고 알려진 보다 복합한 조재에 의해 떠돌며 이동하게 된다.
스위스 연방 기술 연구소와 Tokyo Lucent 기술 대학에서 이 프로젝트에 대한 추가적인 공동 연구가 진행 중이다. (ACB)

질화갈륨 박막의 특성을 향상
캘리포니아 대학 산타바바라교(UCSB)의 中村修二 교수를 총괄책임자로 하여 운영되고 있는 (독)과학기술진흥기구(JST) 창조과학기술추진사업(ERATO) 中村 불균일결정프로젝트에서는 UCSB, 筑波大學, 東京理科大學과 공동으로 차세대 질화갈륨(GaN)계의 재료 및 디바이스에 관한 연구를 추진하고 있다. 이번에 이 프로젝트에서는 ‘반극성(半極性, semipolar)’또는 ‘비극성(非極性, non-polar)’이라고 하는 새로운 질화갈륨(GaN)계 반도체 박막을 세계에서 선구적으로 개발했다. 이들 반도체 박막이 갖는 새로운 결정방향은 고체조명, 고밀도 정보기록과 기타 응용에 사용되는 GaN계 디바이스에 아주 크게 기여할 것이다.
과거 약 10년에 걸쳐 GaN계 발광디바이스는 차세대 DVD표준기의 자색 레이저 다이오드로서, 또 고휘도 발광 다이오드(LED)를 포함하는 다양한 응용에 주요한 역할을 해 왔다. 中村修二 교수와 그 밖의 연구자의 지금까지의 연구개발 노력으로 GaN계 발광다이오드의 성능은 크게 개선되어 왔는데, 현재의 디바이스는 ‘분극’이라는 테크니컬한 어프로치로서는 쉽게 해결할 수 없는 기본적인 요인에 의해 디바이스의 성능에 제한되어 왔다.
GaN계 디바이스는 육방정형의 결정구조로 제작되어 있고, 결정은 통상 분극이 생기는 방향으로 박막으로 퇴적한다. 현재의 디바이스에 있어 이 분극의 성질은 디바이스의 성능을 기본적으로 제한하는 내부 전장(전계)를 발생하고, 이러한 전계는 발광을 일으키기 위해 필요한 과정인 전자와 정공의 효율적인 재결합을 방해하고 있다.
이번에 이 프로젝트에서는 종래 곤란했던 ‘반극성’ ‘비극성’막의 ①평탄한 성장 ②결정결함의 저감 ③p형 결정의 저저항화 등을 가능케 하고, 이들 결정에 의한 발광디바이스가 (1)전류에 의한 발광파장의 시프트가 적다는 점 (2)레이저 다이오드역 전류밀도와 LED 순방향 전압을 저감할 수 있어 발광을 억제할 수 있다는 점 (3)노은 동작전류까지 발출력이 포화되지 않는다는 점 (4)편향광의 발광이 가능하다는 점 등의 특징을 갖는다는 것을 확인, 실증했다. 이러한 ‘반극성’, ‘비극성’ 결정은 ‘분극’의 영향이 없거나 혹은 적기 때문에 GaN계 발광디바이스, 특히 녹색, 황색~적색 영역에서의 InGaN계 LED 효율의 대폭적인 개선과 순수한 청색·순수한 녹색 레이저 다이오드의 실현에 기여할 것으로 기대된다. (CJ)

초소성 세라믹스 1100℃의 저온에서 가공하는 초소성
지르코니아 소결체 개발
東京工業大學의 若井史博 교수, 吉田道之 연구원 등은 종래보다 약 300℃ 저온에서 가공할 수 있는 초소성 지르코니아 소결체를 개발했다.
단단하고 무른 세라믹스도 결정입경을 서브미크론 스케일까지 미세화하면 마치 껌과 같은 거대한 신장을 보이는 초소성이 일어난다는 것이 알려져 있다. 초소성 현상을 이용하면 세라믹스를 금속과 같은 방법으로 소성가공할 수 있다. 따라서 초소성은 세라믹스의 새로운 프로세스로 각 방면에서 주목되고 있다. 그러나 종래의 서브미크론 스케일의 입경을 갖는 재료의 초소성 가공에는 1400℃~1500℃의 고온이 필요하다. 이 온도영역에서는 SiC제의 틀을 사용할 필요가 있고 따라서 가공원가가 높아진다. 가공온도를 낮출 수 있게 되면, 가공원가가 싼 재질인 세라믹스 틀이나 금속 틀을 사용할 수 있다.
이번에 지르코니아를 보다 저온에서 가공하기 위해서 종래 300~400nm이었던 결정입경을 60nm정도로 작게했다. 나노결정은 고온에서 불안정하므로 낮은 온도에서 소결할 수 있도록 연구했다. 나노미터 스케일의 입경을 갖는 원료분말로 제작한 성형체를 유리 캡슐 속에 진공봉입하고, 2000기압의 아르곤가스 속에서 HIP소결했다. 2000기압의 압력을 가함으로써 종래의 소결온도보다 300℃ 낮은 온도에서 치밀한 소결체를 얻을 수 있고, 그 입경은 60㎚이었다.
이번에 개발한 지르코니아 소결체는 1100℃에서 가공이 가능하다. 초소성 변형은 입계 미끄러짐과 확산의 조합으로 일어난다고 생각되고 있다. 입계 미끄러짐이 메커니즘으로 작용할 경우, 결정입의 미세화는 변형온도의 저하, 가공속도의 증가로 이어진다. 결정입을 나노미터 스케일까지 미세화함으로써 1100℃라는 저온에서 가공이 가능하게 되었다. 앞으로의 목표는 이 방법을 응용하여 보다 저온에서 고속가공이 가능한 나노결정 세라믹스의 개발이다. (CJ)