첨단세라믹스

나노기술을 통한 세라믹 혁명은
아직 이루어지지 않았다.

편집부(외신)

고체산화물 연료전지, 열전기 재료와 같은 다른 시스템으로의 세라믹 나노기술 적용은 오랜 시간 기다려온 세라믹 혁명을 이끌 수 있을 것이다.

지난 30년은 많은 면에서 세라믹 발전의 혁명적인 기간이었다. 지난 30년 동안, 무압으로 소결된 탄화규소와 반응결합 질화규소, 강도가 증가하고 상변화 된 산화 세라믹, 세라믹 복합 합성물, 고온 초전도 세라믹과 투명한 세라믹 같은 고온 구조 세라믹이 출현하였다.
단순히 과학적인 관점에서 볼 때, 재료의 특성과 공정 이해에 대한 부분에서는 많은 발전을 이루었다. 하지만 이것으로는 1980년대 중후반에 ‘세라믹 열병’의 중심에 있던 사람들에게 세라믹 혁명은 아직 먼 이야기이다.
대부분의 중요한 세라믹은 미국에서 생산되었고 이러한 세라믹 재료는 여러 나라에서 고온 열 교환기, 단열 자동차 엔진, 파워 변속기, 에너지 축전기와 같은 다양한 산업에서 적용되었다.
새로운 세라믹 재료들과 장비들은 경제전반에 막대한 영향을 미쳤다. 세라믹 벌집 촉매 컨버터의 발명은 20세기 세라믹 응용에 있어서 매우 중요한 발명품 중 하나였다. 이것은 환경, 에너지, 삶의 전반적인 질 향상에 큰 영항을 미쳤다.
지르코니아와 같이 강경한 세라믹으로 구성되었거나 이것으로 코팅된 생물 의학 부품의 발전 또한 많은 영항을 미쳤다.
부식저항, 식각 챔버에서 고온 구성물의 사용, 웨이퍼 이동 공정, 확산 퍼니스, 증착 챔버 등의 발전이 같이 이루어지지 않았다면 전체적인 반도체 산업 역시 발전하지 못하였을 것이다.

Applied Materials, Novellus, LAM과 같은 주문자 상표에 의한 기업(OEM)에서 사용했던 이러한 새로운 재료들을 이용해서 Intel이 얼마만큼 성장할 수 있었는지는 평가할 수 없다. 전기통신분야의 급성장 역시 고 성능의 기판과 패키지, 수동부품과 능동부품을 통하여 큰 성장을 이루었다. 30년 전까지만 해도 적절한 재료의 이해와 상업적인 적용의 부족으로 이러한 부품의 구성과 제조는 가능하지 않았다.
그러므로 이러한 상황에서 볼 때, 세라믹 혁명이 이루어지지 않았다고 정의 내리는 것은 이치에 맞지 않다고 할 수 있다. 그러나 그 속에는 세라믹 열병의 절정에 있었던 동안 우리가 예상했던 것 보다는 분명하지 않고 미묘한 어떤 것이 자리 잡고 있었다.

두 번째 혁명의 도래?
Webster는 ‘혁명’을 지난 30년간 세라믹 분야에서 경험했던 것 보다는 더욱더 파괴적이고 갑작스러운 현상과 같은 것이라고 정의한다.
그러므로 나는 이런 점을 고려할 때 아마도 두 번째 세라믹 혁명이 도래하고 있다고 생각한다. 나는 이 혁명이 세라믹 혁명에 걸 맞는 파괴적인 힘을 지닌 나노기술과 어깨를 나란히 할 것이라고 믿는다.

세라믹 분야의 많은 기술 중에서 나노기술은 새로운 것이 아니다. 세라믹 연구자들은 지난 수십 년 동안 나노재료를 사용해 오고 있다. 농유제, 많은 세라믹 화학식의 성분과 더불어 건식 실리카는 세라믹 구성의 기초 물질로 사용되고 있다.
유사하게 카본 블랙은 퍼니스 절연, 전자 페이스트 구성성분, 탄화물의 탄화 열 합성 반응의 구성성분, 붕소화물과 질화물 파우더 같은 곳에 사용되고 있다. 나노 크기의 산화 세라믹은 화학적 기계적 연마, 배터리의 전극 물질, 연료 전지 구성성분, 촉매 서포터로 사용되고 있다.
나노재료 산업은 구성, 화학식, 입자 크기와 분포, 코어 셀 재료, 액시큘러 조직 등 넓은 범위를 합성할 수 있는 가능성의 길을 열었다. 이것은 세라믹 분야가 전체적으로 혁명적인 제품을 디자인하고 개발을 위하여 사용할 수 있는 새로운 방식을 제시해 주었다.
실제로 이러한 수많은 새로운 제품들은 긍정적인 면에서 우리의 삶과 이것으로 누릴 수 있는 삶의 질을 향상시키고 다음 세대에게 갑작스럽고 파괴적인 변화를 가져 올 수 있는 가능성을 가지고 있다.
아마도 우리 경제의 어떤 요소도 에너지 사용에 있어서 나노기술과 세라믹의 만남만큼 파괴적인 가능성을 가지고 있는 것은 없다. 가능성은 무한하며 현저한 발달은 에너지 사용에 있어서 에너지보존과 제품의 이용측면에서 넓은 범위로 이루어지고 있다. 나의 믿음이 특별히 중요하다는 것을 증명해 줄 두 가지가 있는데, 연료 전지와 벌크 열전자 재료이다.

고체산화물 연료전지
연료전지는 19세기 말에 처음으로 소개되었지만 에너지 제품 시장으로의 진입은 실패하였다. 다른 기술과 비슷하게 연료전지는 경제 효용의 중요한 수단이다. 자본 비용과 동력 발전 시스템의 동작 비용이 다른 것과 경쟁하기 어려울 정도로 높기 때문에, 연료 전지의 사용은 다른 중요한 이점을 가지고 있더라도 실제로 적용하는 데는 한계가 있다.
예를 들어, 만약 연료전지가 전기를 발전시키고 전기를 생산, 운반, 축적하는데 요구되는 비용을 필요로 하고 동력으로 변환되는 수소가 배터리, 내연기관 엔진, 다른 동력 장치와 같이 더욱 경쟁력 있는 기술보다 많이 요구된다면 시장에서의 연료전지의 사용은 어려울 것이다.
주조된 탄산염, 고체 산화와 같이 세라믹을 기본으로 한 연료전지의 개발은 지난 20년 동안 빠르게 진행되었다. 그러나 매우 이례적으로 대체 에너지 자원 분야로의 적절한 경제 효용을 이룩하는 데에는 실패하였다.
지난 5년 동안, 우리는 고체산화 연료전지를 통하여 아주 특별한 전극과 전해질 구조를 설계할 수 있었다. 이것은 나노 크기의 시동재료, 나노 입자의 콜로이드와 솔 젤 합성을 통하여 아주 얇은 코팅이 가능하고 이것의 실용성 있기 때문이다.
이러한 발전을 통하여 우리는 매우 다공성이고 촉매작용하며 전기적으로 능동 미세구조를 제조하는데 있어 나노 입자를 완벽히 조절할 수 있게 되었다.
그러므로 특정 양과 세라믹 부피공간을 이용하여 수소와 탄화수소로부터 얻을 수 있는 동력의 양이 상당히 증가하였다. 수용 시스템과 동력 생산에 있어서 고전적이고 점차적인 사용이 가능한 연료전지와 비교하여 볼 때 큰 성과를 이룩하게 되었다.
또한 이 시스템에서 세라믹 온도의 안정성은 다른 이익을 가져다준다. 동력 출력 측면에서 고체산화 연료전지에서 발전되는 고효율의 열과 웨이퍼를 얻을 수 있다.
게다가 세라믹의 가벼운 특성으로 인하여 더욱 이동성 좋은 동력 발전 시스템을 얻을 수 있다. 세라믹은 작은 공간이나 동력과 이동 하부조직이 존재하지 않는 불충분한 공간과 같이 도달하기 어려운 지점에 이동되거나 자리 잡을 수 있다.

열전기 재료
벌크 열전기 재료는 수십 년간 우주선과 같이 제한된 옵션이었던 응용분야에 주로 사용되어 왔다. 하지만 또다시 경제 효용성에 관한 문제가 포함되었다.
열전기 재료는 방출열의 흐름에서 종종 발생되는 열 구배를 통하여 동력을 발전시킨다. 우주 진공의 경우, 단향성의 방사열은 중요한 무료 ‘연료’이다.
그러나 열전기 재료는 가장 중요한 요소인 비용이 높기 때문에 동력 발전 시스템의 경제적인 효용성을 고려하여야만 한다. 다시 말하면, 배터리와 같이 열전기 재료는 정상 상태 모드에서 에너지를 생산할 수 있다. 그러나 만약 열전기 부품의 비용이 비싸다면 생산된 에너지의 가치는 에너지의 사용에 있어서 정당하다고 할 수 없다.
재료와 열전기 현상이 향상되었던 지난 20년 동안 성능은 빠르게 향상되었다. 우리는 특정 재료의 상태를 통하여 알아 온 이러한 지식 기반과 성능에 대한 기준을 확립하고 있다. 연구자들은 재료 선별과 고정 가격, 효용성에 의하여 크게 좌우되는 여러 복합 요소를 제공하는 벌크 열전기 재료의 개발에 대한 도전을 설득력 있는 결과로 공격해 왔다. 이것은 잠재성 있는 다양한 적용을 통하여 수많은 중요한 에너지 생산과 보존 응용에 획기적인 발전을 가져다주었다.

이전에 연구되었던 지름이 20~50nm인 열전기 재료의 코어 셀 버전은 이용 가능한 벌크 구조로 적용되어왔다. 연구진은 같은 조성으로 만들어진 기존의 크기 입자들 보다 3~5배가량 큰 입자로 구성된 매트릭스의 성능을 시연해 보인바 있다.
열전기 시스템 설치 상태에서 추가적인 비용 없이 기체와 액체 같은 산업적인 공정 흐름인 전환된 소비 열이 전력으로 되는 효과를 상상해보자.
40~60lb의 무게를 지닌 기존의 자동차의 라디에이터에 들어가는 수입 기름의 소비에 대한 효과와 잠재적인 에너지 절약 측면에서 볼 때 열전기 재료의 사용으로 10lb까지 사용을 줄일 수 있다.
이것은 냉각 유동체, 물 펌프, 송풍기 벨트 없이 열전기 재료의 사용 가능한 전력을 이용하여 엔진이나 탑승자의 객실을 시원하게 할 수 있다.
추가적으로 열전기 재료로 소비 엔진 열을 가져올 수 있고 전력 부속 부품 시스템으로 전기를 발전할 수 있으며 배터리를 충전할 수 있다. 무게의 감소는 연료 효율성에서 큰 효과를 얻을 수 있다.
미세 크기 측면에서 살펴보면 열전기 재료는 작동하면서 열을 발생하는 휴대용 컴퓨터의 집적 회로 아래에 놓을 수 있다. 이것은 세류 충전으로 충분한 전력을 공급할 수 있고 휴대용 배터리의 수명을 획기적으로 연장할 수 있다. 이것은 계속해서 동작하는 기계이며 점점 현실화 되고 있다.

혁명의 빠른 진행
발광소자 조명의 성능과 경제적 이점은 잘 조절된 나노 물질의 적용에 의하여 획기적으로 향상되어 왔다. 가정과 사업에서 백열등이 발광소자 조명으로 바뀜으로 매년 수십억의 에너지 절감 효과를 가져왔다.
향상된 비용과 성능으로 인하여 새로운 광전 변환 공학이 기존의 기술과 새로운 기술의 융합으로 성립되었다. 기존의 티타늄 이산화물 입자와 증착된 나노 크기의 클러스터는 매우 효과적인 그래츨 셀을 만들 수 있다.
하이브리드 자동차를 위한 성능이 향상된 배터리는 나노 세라믹 전극과 전해질 물질을 이용하여 개발되고 있다. 충전과 방전 사이클은 나노 크기의 리튬 휘코발트광의 사용으로 가능하며  주석이 도핑 된 탄소 나노 튜브, 다른 독특한 재료는 기존의 재료보다 매우 우수하다. 그러므로 거대한 시장에서 이것을 이용한 자동차의 성능과 이것의 수용은 다른 분야와 비슷하게 자동차 분야에서도 혁명적일 수 있다.
전력을 생산하기 위하여 고성능의 고체산화 연료전지, 열전기, 광전 변환 공학, 고성능 배터리를 이용한 미래 세대를 상상해 보자. 나노 발광소자 조명, 무게가 감소된 자동차, 소비 열의 회복으로부터 에너지 절약이 가능하다는 것을 상상해 보자. 이로 인하여 실제로 에너지 사용과 전 세계적으로 혁명적인 삶의 질 향상의 효과에 관하여 상상해 보자. 
(Ceramic Bulletin)

SOFC에 사용되는 나노재료의 파장
20 나노미터 크기의 코어-셀 열전기 나노 입자

첨단세라믹스

현대의 입자 특성 분석 방법

편집부(외신)

입자 기술에서는 입자 크기 기능으로서 입자의 표면적과 다공성 또는 입자 크기의 표면적과 다공성에 대한 독립성이
중요하다.

미세한 입자는 자연 재료나 합성된 재료의 특성을 판단하는데 중요하다. 미세한 입자는 용해, 흡착, 반응률과 같은 공정에 상당한 영향을 미친다. 대부분의 경우에 있어서 이러한 효과는 크기, 모양, 표면적 또는 각각 입자의 다공성 그리고 입자의 응집 작용 기능이다.
이러한 입자와 관련된 특성은 얻고자 하는 효과를 최대화하기 위하여 효과적으로 검사해야만 하며 측정이 필요하다. 이러한 입자의 특성은 자연 현상에서 결정되어지는 요소이거나 자연에서 발생되어지거나 자연 현상에 의하여 결정된다. 입자의 특성을 검사하는 것보다 이것을 이해하거나 이용하는 것이 목적과 더욱 부합된다. 또한 측정은 목적을 달성하기 위하여 사용되는 기본적인 정보를 제공한다.
복합적인 기술은 같은 입자의 면적을 결정하며, 같은 입자라 하더라도 각각 고유한 장점과 단점을 가진다. 적용을 위한 부적절한 기술의 선택은 측정을 통하여 얻은 입자의 질에 많은 영향을 미친다.

나노재료
나노 과학은 나노 크기의 현상에 관한 지식을 얻고 이것의 이해를 돕게 해 주며, 새로운 제품을 개발하기 위하여 나노기술을 이용한다. 이렇게 얻어진 제품은 촉매작용, 부식저항과 의복저항, 강도가 향상되며 고온에서 잘 견딜 수 있는 특성을 가지게 된다. 대체로 이러한 것들은 성능이 향상된 재료들이다.
일반적으로 나노 구조의 재료는 많은 과학 분야에서 새로운 기회를 제공한다. 그러나 우리가 나노재료에 대하여 이러한 관심을 가지게 하는 가장 큰 매력은 크기가 아닌 나노재료의 특성이다. 나노 재료의 특성은 거시적인 상태의 같은 물질의 특성과는 전혀 다르다.
재료가 50nm미만의 충분히 아주 작은 크기(미량)로 작아지면 기존과는 다른 물리적·화학적·생물학적 특성을 가지게 되어 새로운 응용분야에 적용할 수 있게 된다. 게다가 이것들의 표면 특성은 분자의 변형을 통하여 특별한 응용분야에 효과적으로 활용될 수 있다.
특성이 변화되고 향상되어지는 근본적인 이유는 증가된 표면-부피비와 재료의 광학적·자기적·전기적 특성을 결정하는 양자 효과의 증가에 있다.

나노 스케일 시스템을 연구하기 위해서는 조작·측정·크기와 같은 특성 조절을 위한 특별한 기술이 필요하다. 또한 나노 스케일 현상은 고전역학보다는 양자역학을 다루기 때문에 여기에 적합한 다른 지식이 요구된다.

특징 분석 방법
기체 흡착과 나노 구조 테스트는 나노 재료의 기공 특성과 표면적을 결정하는데 선호되는 방법이다. 그러나 이론 수은 침투를 이용한 기공률 측정 원리 또한 나노 크기 기공의 측정이 가능하다. 30kpsi 압력 하에서, 수은은 지름이 5nm인 기공으로 들어가며, 60kpsi 압력 하에서는 지름이 2nm인 기공으로 들어갈 수 있다.
샘플의 밀도 또한 나노재료의 특성을 부여하는데 유용하게 쓰이며, 샘플의 측정으로 많은 정보를 얻을 수 있다. 예를 들어, 만약 특정 표면적이 모노 크기의 분산으로 결정되어 있다면 재료의 입자 크기를 계산할 수 있고 전형적으로 구형의 일정한 형상을 지니며 기공이 없는 각각의 입자를 규정할 수 있다.
재료의 특성을 부여하는 정도 또한 측정된 질량을 재료의 이론적인 결정 밀도와 비교하여 결정할 수 있다.
비록 대부분의 새로운 특성들은 크기에 민감하지만, 나노크기의 파우더를 얻기 위하여 우리가 흔히 이용하는 많은 방법들을 사용하면 나노크기의 파우더가 서로 다른 크기가 된다. 생산 공정단계에서 크기를 완벽하게 제어할 수 있어야 하며, 제품을 적절히 제어하기 위하여 나노 크기보다 작은 파우더의 측정을 위한 빠르고 선명도가 뛰어난 방법을 찾아야만 한다.

표면적
불규칙한 입자를 우리가 얻고자 하는 크기와 형태의 작은 입자로 부순다. 분자 크기로 결정되고 크기에 상관없는 실제 입자는 평면 영역에 자리를 잡는다. 하지만 이 입자들은 격자 왜곡, 전위, 갈라짐 현상을 포함하고 있는 경우가 많다. 이것은 입자의 실제 노출되는 표면이 기하학적 형태로 가정되어 계산된 특정 입자보다 훨씬 더 크다는 것을 의미한다.
몇몇 종류의 표면적 기계는 저온 일정 유지 하에서 측정을 통하여 분자 단계에서의 표면적을 밝혀내는 것이 가능하다. 이것의 최상위 단계는 품질관리와 연구개발 욕구를 위하여 적합한 결과의 제공이 가능한 다목적이고 정교한 유닛이다.
중간 단계는 빠른 처리, 24시간 가동, 품질과 생산 조절 효과를 위한 신뢰성 있는 서비스를 위한 것이다. 가장 하위 단계는 저렴하고 일상에서의 사용을 위한 반자동이며 수동성 기계이다.
처음에 모든 기계는 열의 발생과 헬륨, 질소와 같은 흡착되지 않는 기체(질소는 상온에서 몇몇 재료에 흡착되지 않는다)의 배출, 불순물 제거에 의한 습도, 대기 중 수증기와 같은 환경에 영향을 받지 않는다. 이때 온도는 액체 질소, 액체 아르곤 또는 기체와 수증기를 흡착시키기 위한 다른 적절한 냉각제에 의하여 떨어진다.

흡착 기체는 장비의 설계에 따라 달라진다
● 증분 량 (고정된 체적 측정 기술)
● 샘플이 수용할 수 있는 범위에서 지속적인 주입 (적응성 비율 기술)
● 흡착되지 않는 헬륨이 포함 된 유동성 혼합물로의 성분 주입 ( 동적이며 지속적 순환 기술)

일정한 온도에서 기체의 압력에 따른 흡착된 기체의 축적량은 흡착-등온 그래프를 가진다. 데이터는 샘플의 특정 표면적 값을 나오게 하기 위하여 기체 흡착 이론에 따라 처리한다.
기존의 흡착 이론은 1930년대부터 이용해 왔다. 이 이론은 증가 압력 하에 깨끗하고 차가운 표면에 있는 기체 분자들이 두 번째 층을 형성하기 전에 표면 위에 분자 하나 크기의 층을 형성한다는 것이다.  
데이터를 처리 하는 기술로 첫 번째 층을 형성하는 기체의 양을 조절하고, 이때 기체 분자 층에 의하여 가려진 면적은 이 기체의 수많은 분자와 기체 분자의 방향에 의하여 결정된다. 실제로 흡착된 기체 분자들은 고체 표면에 달라붙는 것이 아니라, 그 후에 다른 분자들이 그 위에 쌓여지는 동안 유지되는 것이다. 모든 표면에는 기체 분자들을 잘 달라붙도록 하거나 그렇게 하지 못하는 부분이 상존한다. 
흡착의 실질적 현상은 고체 표면에 일시적으로 존재하는 기체 분자들과 기체상에 존재하는 기체 분자들 사이에서 일어나는 연속적인 교환 작용이다. 수많은 분자들은 일정 지점에 도달할 때까지 기체 압력의 상승 시 어떤 순간적인 증가상태에서 고체에 붙게 된다. 그리고 이것은 통계적으로 일정한 형태를 가지기 위하여 단분자층을 고려하여야만 하며 오직 평균 조건에서만 실제 존재하는 흡착된 단분자층이 나타난다.
이전의 모델들은 많이 변형 되었는데, 이중 몇몇 모델들은 경험적 또는 반 경험적 근거를 기본으로 하며 또 다른 모델들은 열역학 또는 운동학 이론에서 비롯되었다. 이러한 모든 데이터 변형 방법들은 오직 등온의 일정 부분에서만 적용되는 공통된 특성을 가진다.
좀더 새로운 접근 방법은 통계 열역학 원리를 기본으로 하고 이러한 기본 원칙을 새로운 형식의 컴퓨터 기술과 조합한다. 그리고 모든 등온 범위에서 적용할 수 있는 단일 또는 단일화의 이론적 모델을 모색한다. 이러한 접근 방법은 밀도범함수이론을 사용하는데, 이 이론을 효과적으로 구현함으로써 이전에 컴퓨터로 처리하기 어려웠던 변형 업무를 빠르게 처리할 수 있게 되었다.
밀도범함수이론을 통하여 수학적으로 특정한 온도와 압력 하에서 시스템 내에 있는 분자들의 정확한 밀도를 계산할 수 있다.
이 계산을 최소 에너지 상태에서 풀면 평형상태에서의 분자 밀도를 분석할 수 있다. 이때 시스템의 에너지는 분자 시스템에 노출된 고체 기판의 표면 에너지를 고려하여야 한다. 그러므로 분자 밀도의 분석을 통하여 다양한 분자 층들이 고체 표면이나 근처에서 어떻게 형성되었는지 알 수 있다. 이 방법을 이용하면 0에서 포화 압까지 압력범위에서의 기체 흡착을 보여주는 일련의 분석표를 얻을 수 있다.
밀도범함수이론은 모든 흡착 등온선에서 사용할 수 있다. 그러나 최상의 결과를 얻기 위해서는 선명도가 매우 뛰어나고 저압에서의 데이터가 가능한 더욱 정교한 기계와 함께 측정되어야 하며 이것으로부터 가장 질이 좋은 결과를 도출해낼 수 있다.

활성 표면 특징부여
화학 흡착은 외성 흡착이라고 불리는 합성물질 배열의 개발로 인하여 나타났다. 촉진제가 없었다면 현재 우리는 영양분, 의료용 약제, 합성 섬유, 유기 용매, 계면 활성제, 가솔린과 다른 연료의 불충분한 공급을 겪어야 했을 것이다. 촉진제의 작은 무리, 기공, 공동의 중요한 속성은 산업 사회를 지탱하는 화학 반응을 발생시키는 것이다.
예를 들어, 세라믹 벌집 구조의 표면위에 있는 로듐 금속은 자동차 배기 시스템의 기본이 된다. 로듐 금속이 일산화질소(NO)와 일산화탄소(CO)와 같은 치명적인 배기가스를 무해한 질소(N2)와 이산화탄소(CO2)로 변형시키는 것은 촉진제의 전형적인 활동이다.
고온에서 자동차 배기의 일산화탄소(CO)는 로듐 표면과 결합한다. 일산화질소(NO)가 로듐 표면과 결합하면, 로듐은 이것을 산소와 질소(N2)로 분리하고 이전에 분리된 산소는 이산화탄소(CO2)를 형성하기 위하여 일산화탄소(CO)와 반응을 한다. 일산화질소(NO)와 일산화탄소(CO)의 다른 분자들이 남아있는 질소에 다가가면 두 번째 이산화탄소(CO2)와 질소(N2) 분자들이 형성된다.
실제 사용되는 촉진제는 매우 특별한 표면적을 가짐으로써 특징을 가지게 되는데 이 촉진제는 무반응성의 표면에서 매우 잘 구분되어 있는 분산된 금속으로 구성되어 있다.
최신의 가장 획기적인 촉진제는 제올라이트이다. 제올라이트는 주로 알루미늄, 실리콘, 산소로 구성되어 있으며 다공성 결정으로 극 미소 물체의 채널과 엉켜 있다. 이때 분류되어진 다른 성분들은 이동되고 대체될 수 있으며 채널은 적합한 사이즈로 바뀌어진다.

표면적과 촉진제의 기공 구조는 성분들의 거동에 매우 중요한 영향을 미친다. 촉진제의 표면은 반응성이 매우 좋기 때문에 장비와 장비 사이로의 이동시 대기에서의 노출에 의하여 변형이 잘 된다. 그러므로 정확한 측정을 하기 위하여 화학 흡착 장비를 준비하여야 한다.
화학 흡착 측정을 위한 변수는 활성 요소의 면적(활성 요소의 비율은 정해져 있다), 금속의 분산, 표면 산도, 산성 부분의 강도이다.
가장 간단한 화학 흡착 장비는 적정 농도(역동적이고 지속적인 흐름) 기술을 이용하는 것이다. 수소, 산소, 일산화탄소, 아황산가스, 암모니아와 같은 기체들은 헬륨과 같은 운송 기체내로 섞여서 샘플 촉진제를 지나가게 된다.
기체 혼합물의 하류부분은 알맞은 열적 전도성 검출기로 검출한다. 동일한 반응성 기체를 반복적으로 주입하면 어떤 기체도 화학 흡착을 할 수 없다.
화학 흡착에 의하여 누적된 기체양은 소비된 모든 기체들을 합산하여 계산할 수 있다. 금속의 표면적, 분산, 산도와 같은 다른 중요한 매개변수들은 화학 흡착된 기체 양을 통하여 계산할 수 있으며 화학량론적인 요소, 기체의 특성, 메탈의 성분들도 계산할 수 있다.
단일 주입의 구경 측정이나 시험은 세척기 또는 내제된 주입 루프를 사용하여 할 수 있다. 장비의 두개의 포트 디자인은 높은 수율을 낼 수 있다. 비록 샘플 준비가 하나의 포트에서 준비된다고 하더라도 분석결과는 다른 포트에서도 얻을 수 있다.
(Ceramic Bulletin)

TriStarTM 3000은 완전히 자동화된 3개의 스테이션을 가진 최첨단 표면적, 다공성 분석 장치이다.

첨단세라믹스

세라믹스 접합기술의 현상과 과제

菅沼 克昭 Osaka University

1. 들어가는 말
세라믹스와 금속은 원자결합양식, 결정격자, 나아가서는 탄성률 등의 각종 물성에 있어 커다란 차이를 갖는다는 점에서 양자의 접합에서는 계면형성 메커니즘뿐 아니라 계면을 통한 구조안정성도 이해하는 것이 필수이다. 이를 위해서는 재료에 관한 폭넓은 지식과 신뢰성 설계의 기초를 필요로 한다. 접합기술의 연구개발에서는 오랜 세월, 계면의 젖는 성질 등의 마크로 반응이 중심으로 검토되어 왔으나, 접합의 본질을 이해하고 실용적인 기술로 이어나가기 위해서는 나노레벨 해석 기술과 시뮬레이션 기술의 숙성이 필요하다고 알려져 왔다. 과거 20년 정도의 세라믹스/금속접합기술개발에는 괄목할만한 것이 있지만, 같은 시기에 기초적인 분야도 상당히 이해가 진전되어 세라믹스와 금속의 접합영역은 기술로서도 학문으로서도 이미 완성영역에 가까워졌다고 할 수 있을 것이다. 예를 들면, 초고분해능 전자현미경 관찰(HREM)에 의한 원자배열의 직시와 조성분석, 또 광전자분광분석법(XPS)과 오제 분석에 의한 원자결합양식의 해석 등에 의해 오늘날 상당히 많은 사항이 해명되고 있다. 따라서 접합의 대상만 결정되면 기술은 자연스럽게 제안할 수 있는 수준이 되었다고 말해도 과언이 아니다. 여러 가지 접합을 좌우하는 인자가 밝혀지고 있는데, 그중에서도
계면형성
열응력의 완화
라는 두 가지 포인트가 기술 성공의 열쇠가 된다.
한편, 모든 응용이 가능해졌다는 것이 아니라, 아직 상당히 접합이 곤란한 대상도 있는 것이 사실이다. 예를 들면, 큰 면적의 신뢰성 높은 접합을 가능케 하는 기술이나 500℃를 넘는 내열성이 있는 접합 등은 여전히 큰 과제로 남아 있다. 그 주요 원인으로는 열응력의 문제가 깊게 관계되어 있다. 이러한 어려운 접합대상을 실현하기 위해서는 오늘날의 기술에서도 각각에 대응한 세심한 고려가 필요하며 실용화를 고려하는 제품의 성질에 따라 다양한 접합형태를 제안해야 한다. 특히 부가가치를 높이고 신뢰성을 중시하는 어플리케이션의 경우에는 나노레벨에서 마크로 구조까지의 접합구조의 건전성을 보증할 수 있어야 할 것이 요망된다.
세라믹스/금속의 접합기술을 실용화한 것의 대부분은 전자기기 분야에 집중해 있다. 이것은 여러 가지 세라믹스의 전기적·자기적인 특성이 기여하고 있기 때문인데, 대부분의 경우에 금속에 의한 배선이나 전극의 형성이 이루어진다. 또 진공기기에서는 절연세라믹스가 금속의 플랜지 등에 대해 강하게 접합되는 경우가 많다. 질화규소 등 구조재료에 대해서도 세라믹스와 금속의 접합기술이 적잖이 실용화되고 있다. 이하의 장에서는 접합에 관한 과학적 기초를 개관하고 과거의 기술도 포함하여 접합기술의 실용화 상황에 대해 간단히 개괄하여 정리하겠다.

2. 접합의 과학적 기초
가. 계면결합
계면결합을 좌우하는 중요한 인자로서 생각할 수 있는 것에는 화학결합상태와 결정격자 정합성의 두 가지가 있다. 실용적으로는 단결정을 다루는 일은 드물기 때문에 결정격자의 정합성이 실용재료에 주는 영향을 고려하는 것보다도 전자인 화학결합을 컨트롤하는 것이 포인트가 된다. 원자결합 양식을 생각하면 세라믹스에서는 이온 결합, 공유결합, 팬 데어 월스 결합이 주체가 되는 데에 대해 금속에서는 자유전자가 지배적인 금속결합이 주체가 된다.
접합계면의 강도는 오래 전부터 젖는 성질 실험에 의해서 평가되어 왔다. 그림 1에는 액적법(sessile drop)의 모식도를 제시하였다. 그림 속의 접촉각 θ를 이용하여 금속의 표면 에너지 Υm과 부착 작업량 Wad가 차식으로 구해지는 (Young-Dupre식)
Wad=Υm(1+cosθ)         ⑴
접촉각 θ의 측정으로 ⑴식에 의해 접합성을 평가할 수 있다. 대부분의 순금속 표면 에너지는 열역학 데이터베이스가 되어 있으므로 ⑴식에서 구해진 Wad는 계면결합강도의 편리한 지표가 된다.   
기본적으로는 반응하기 좋은 계가 계면형세에 유리하지만, 알루미나 위의 각종 금속인 Wad와 반응성의 관계가 그림 2처럼 구해진다. 여기에서는 반응성으로서 금속의 산화물 형성 표준 자유에너지 ΔG0에 주목하고 있다. 이 예에서는 산소에 대해 활성한 금속일수록 즉 산화되기 쉬운 금속일수록 계면결합이 커진다. 알루미나 속의 알루미늄 원자도 계면형성이 기여할 것이며, 상대 금속에 고용하거나 금속간 화합물을 형성하여 안정계면형성에 기여한다. 예를 들면, 백금은 산화가 어렵지만 알루미나와는 강한 계면을 형성한다. 이것은 표 1에 나타나 있듯이 백금원자가 알루미늄 원자와의 결합이 강하다는 것으로 설명이 된다.
특수한 경우이지만 단결정 재료의 접합에서는 결정방위에 강하게 의존하여 계면강도가 변화한다. 여기에는 계면을 사이에 둔 결정의 화학결합의 이방성(異方性)과 결정구조의 차이가 영향을 준다. 제1원리 계산에 기초한 계면결합의 시뮬레이션에서 세라믹스와 금속의 계면에는 금속 측에 1원자층 정도의 얇은 화학결합 천이층이 형성되어 세라믹스화하고 있다는 것을 나타내고 있다.
MaxPlank를 중심으로 하는 연구에 의해 초고분해능 전자현미경 관찰(HREM)과 수 nm영역의 국소상태 분석(ERNES)으로 계면형성에 기여하고 있는 상당히 얇은 원자열이 특정되어 있다. 구리/알루미나는 산소분압이 낮은 상태에서는 계면반응층은 형성하지 않고 직접 두 상이 접합한다. 이때 알루미나 측의 최표면층에 알루미늄 원자나 산소원자 둘 중 어느 것이 나와서 구리 원자와의 결합을 할 것인가는 알루미나의 결정방위에 의존한다. 알루미나의 (1120)면은 더블의 O층(D-O-T), 싱글 O층(O-T), Al층(Al-T) 가운데 어느 것인가가 가능한데, HREM에서 D-O-T이냐 Al-T인가가 제시되고, ERNES에서 Cu-Al결합이 관찰되고 있다. 또한 면 간격이 검토되어, Cu-Al이 늘어선 모노레이어가 계면에 형성된다는 결론이 나왔다. 한편 (0001)면의 경우는 O-T가 알루미나의 최표면이 되고, 이것이 구리원자와의 계면을 형성한다. 단, 이러한 계면구조는 시료의 준비상태 등을 포함한 효과가 존재할 가능성도 부정할 수는 없다.
나. 계면밀착의 달성
접합계면의 밀착 달성률은 시간, 온도 및 압력의 영향을 크게 받아 강도에 반영한다. 그림 3에는 고상접합에 있어 계면밀착도에 미치는 압력의 효과를 나타내었다. 압력의 상승에 따라 밀착도는 증가한다. 또 접합이 중요한 파라미터인 온도와 시간도 압력과 마찬가지의 효과를 가진다. 따라서 계면의 밀착도를 완전하게 하기 위해서는 온도를 높이고, 시간을 길게, 또 압력을 높게 하면 좋은데, 한편으로 계면반응에 의한 화합물층 성장을 억제할 필요가 있어 접합의 온도와 시간은 한정된다. 따라서 실용재료에서는 계면 위에 미접착 부분이 남게된다. 또 금속 내의 원자의 확산은 세라믹스 안일 경우보다 훨씬 빠르기 때문에 카켄들 효과에 의해 계면 근처에 공동이 생기는 일도 있다. 이렇게 해서 계면 위에 형성된 미접착 부분이나 공동은 접합강도 저하의 원인이 된다. 이러한 결함의 생성을 막기 위해서는 특히 고상접합의 경우가 그러한데, 압력을 높게 설정하는 것이 바람직하다. 핫프레스와 같은 한 축 가압에서는 높은 부하가 시료의 현저한 소성변형을 일으키므로, 10~20MPa가 상한의 압력이 된다. 열간 정수압법(HIP)에서는 이러한 염려가 없어 100MPa를 넘는 높은 압력으로 접합할 수 있기 때문에 거의 100%의 밀착을 얻을 수 있다.    
한편, 납땜의 경우에도 다소의 가압이 효과를 가진다. 그림 4는 질화규소끼리를 알루미늄으로 납땜한 경우의 접합강도에 미치는 접합압력의 효과를 나타내고 있다. 무가압에서는 강도의 흩어짐이 크고 평균치도 낮은 것에 대해, 겨우 0.05MPa의 가압력으로도 흩어짐이 적은 고강도 접합이 가능해진다. 납땜에 있어 압력의 효과는 주로 납 재료 층을 얇고 균일하게 하는 데에 있다.
다. 반응층의 성장
계면 반응층의 성장은 확산하는 원소의 고용도와 확산속도의 관계로 세라믹스 측보다도 금속 측으로 커진다. 반응층 성장은 확산 율속(律束)인 경우가 많고, 반응층의 두께를 X로 하면 다음의 식으로 표기된다.
X2=A·t·exp(-Q/RT)           ⑵
여기에서 A는 정수, t는 시간, Q는 활성화 에너지, R은 가스 정수, T는 온도이다. 이 식처럼 반응층 두께는 반응시간의 평방근에 비례하고 이 현상이 인정되는 것이 반응이 확산 율속이라는 하나의 기준이 된다.
반응층의 성장은 접합강도를 크게 좌우한다. 그림 5에는 다이아몬드/구리 합금 고상접합체의 인장강도의 접합의존성을 나타내었다. 접합강도는 어느 합금에 대해서도 일정한 시간까지는 증가하지만, 최대치에 달한 후 감소한다. 이것을 이해하기 위해서 반응시간과 접합강도의 관계를 도식화한 것이 그림6이다. 접합 초기 강도의 상승은 계면에 있어 밀착면적의 증가와 계면의 원자결합의 달성에 의한 것이며, 이것은 시간이 흐를수록 접합에 플러스로 작용한다. 한편, 반응층은 시간과 함께 성장하여 두껍게 성장한 반응층은 내부에 크랙이 발생하기 쉽기 때문에 이것이 후반의 강도저하의 원인이 된다. 따라서 주로 이들 효과의 균형으로 접합강도에 피크가 나타난다. 이상을 통해서 고상접합에서는 높은 압력을 가하여 계면밀착을 용이하게 하고 저온에서 단시간에 접합할 것, 납땜에서는 납땜 재료의 점성도 고려하여 납땜 재료층이 얇고 균일하게 되도록 다소의 압력을 가하는 것이 바람직하다고 할 수 있다.
라. 열응력(잔류응력)의 문제
일반적으로 세라믹스는 금속에 비해 열팽창률이 작다. 접합체가 온도변화를 받을 경우에는 소재간의 열팽창률 차이 때문에 계면 근방에 큰 휘어짐이 발생한다. 접합재료 중의 열응력 분포는 일정하지 않으며 접합계면 근처에서 높아진다. 접합체의 강도에 가장 악영향을 미치는 것은 인장응력인데, 이 인장응력은 접합계면에 거의 수직방향으로 작동하므로 외관상으로 계면강도의 저하를 초래한다. 또 열응력의 값이 접합면적에 의존하는 점과 접합강도의 흐트러짐이 커지는 점 등의 사항에 주의를 요한다.
마. 접합면 조도(粗度)
접합면의 조도는 접합에 대해서,
앙카 효과
계면밀착과 젖는 성질의 저해효과
표면손상층의 잔류 효과
의 세 가지 효과를 주로 갖는다. 뒤의 두 가지는 접합을 저해하므로 주의가 필요하다.
일반적으로는 면 조도가 클수록 밀착의 저해가 일어난다(Wenzel의 이론). 납땜의 경우에는 접합각이 90°보다 큰지 작은지에 따라서 전혀 반대되는 작용을 한다. 90°보다 작은 경우(젖은 경우) 면은 거칠수록 밀착을 촉진하고, 90°보다 큰 경우(젖지 않은 경우)에는 그 반대가 된다. 단, 현실의 접합에 있어 현상은 단순하지 않고, 실측에서는 90°라는 값에는 관계  없이 면은 거칠수록 젖지 않게 된다는 보고도 있다(이것은 전진접촉각 - 후퇴접촉각의 차이가 원인이라고 생각되고 있다. 액적/고체 사이가 젖은 상태에서는 평형상태에 이르기까지 접촉각에 시간변화가 있어 접촉각이 감소할 경우(젖은 면적이 넓어질 경우)를 전집 접촉각, 그 반대를 후퇴 접촉각이라고 칭한다)
일반적으로 세라믹스는 연삭됨으로써 표면에 상처와 잔류응력을 가진 손상층을 형성하고 강도가 현저하게 저하된다. 만약 접합면에 가공손상층이 남으면 강도 저하의 한 원인이 된다. 이것이 가공손상층의 효과이며, 실제로 접합체에 이르는 이 영향은 크다. 하나의 예로서 그림 7을 제시하였다. 이것은 알루미늄으로 납땜된 질화규소 접합체에 있어 접합면의 조도가 강도의 흐트러짐에 주는 영향을 나타내고 있다. 접합면이 매끄러운 쪽이 강도의 흐트러짐이 적고, 평균값으로서도 고강도를 얻고 있다. 이 케이스에서는 앙카 효과보다도 표면손상조직의 영향이 크게 강도열화를 부른다는 것이 나타나 있다. 면 조도가 가진 효과는 면의 연삭이나 연마의 방법에도 의존한다. 고강도 달성에는 피해가 적은 연마법에 의해 어느 정도 거칠게 마무리하는 것이 바람직하다.

3. 각종 접합기술
세라믹스와 금속의 접합기술은 여러 가지가 있는데, 간편한 것은 볼트 조이기와 유기·무기계의 접합체에 의한 것 등도 있다. 그 주요 분류는 표 2에 정리하였다. 이하에서는 주요 접합법의 개요를 소개하겠다.
가. 메탈라이즈법
전자세라믹스 부품에 대한 금속의 접합에는 대부분의 경우에 세라믹스 표면을 메탈라이즈한 뒤에 납땜을 한다. 절연 애자나 집적회로의 절연기판에는 알루미나가 사용되고 있으며, 그 접합은 알루미나 표면을 금속화하는 Mo-Mn법으로 처리가 이루어지고 있다. 이 프로세스에 있어 계면변화를 그림 8에 도식적으로 나타내었다.
기본적으로 고온에서 알루미나 속의 실리카가 망간 산화물과 액상을 형성함으로써 계면의 젖음을 확보하여 강한 결합을 낳는다. 이런 원리로 알루미나 속에 첨가되는 실리카가 적을 경우, 계면강도는 낮아진다. 따라서 접합이 가능한 세라믹스가 한정되게 된다. 또 결정입경의 영향도 받아서 입경은 어느 정도 큰 편이 효과적이다. 그림 9는 전자부품 메탈라이즈 제품의 예를 나타내었다. 최근에는 W등을 이용한 동시소성에 의한 메탈라이즈법이 사용되고 있다. 이들 메탈라이즈법에서 얻을 수 있는 계면강도는 구부렸을 때, 200MPa를 넘어 후술할 활성금속법에 의해 얻어지는 값에 필적한다. 또 내열온도도 납땜 재료의 내열온도와 산화거동에 좌우되기는 하지만 활성금속과 거의 다름이 없다. 따라서 활성금속법과 비교하면 프로세스가 다소 복잡하다는 결점은 있지만, 거의 동등한 기술이라고 생각할 수 있다.  
나. 공정(共晶)접합법
알루미나와 헤리리어 등의 산화물 세라믹스와 구리의 접합에서는 공정융점을 이용한 접합이 가능하다. 이 방법에서는 접합 시의 산소의 분압을 제어함으로써 구리 위에 Cu2O막을 생성시키고, 이 층이 접합온도 1063~1083℃ 사이로 가열되면 용융하여 계면의 젖음을 촉진한다. 구리를 붙이는 기판의 제조에 다용된다. 그림 10에는 구리-산소 상태도의 구리 측을 나타낸 것인데, 미량의 산소가 존재함으로써 고액(固液) 공존의 영역을 얻을 수 있다. 구리는 25㎛이상(50~130㎛)의 두께가 필요하며, 접합강도는 140MPa, 최고온도 300℃까지의 열피로에 견딜 수 있는 접합이 가능하다. 또 이 방법은 세라믹스 표면이 산화되고 있는 상태라면 질화알루미늄 등에 대해서도 유효하다. 이 방법은 기본적으로 금속 측이 구리, 세라믹스 측은 산화물로 한정되지만, 특별한 장치도 필요치 않은 경제적인 방법이다.
다. 활성금속법
세라믹스의 종류를 구별하지 않고 강한 계면형성을 가능하게 하는 것이 활성금속을 납땜재료에 미량 첨가하는 활성금속법이다. 활성금속법에서는 일반적인 금속용 납땜 재료에 티탄, 지르코늄, 하프늄 등이 몇 % 첨가된다. 활성금속법의 응용으로서 금속시트를 다층으로 겹치거나 미리 이들 금속을 세라믹스 면에 증착해 둘 수도 있다. 납땜이기 때문에 그만큼 응용범위도 넓어 오늘의 새로운 응용분야의 접합기술의 주류가 되고 있다. 납 재료의 대표적인 것에는 Ag-Cu-Ti계, Cu-Sn-Ti계, Co-Ti계, Ni-Ti계, Al합금계 등이 있다. 그중에서도 Ag-28Wt%-Cu-(1~3)Wt%-Ti(은납에 티탄을 첨가한 합금)은 가장 많이 사용된다. 접합계면 강도는 모재의 강도와 납땜층이 두께에 의존하고 질화규소 등이 강한 경우에는 500
MPa를 넘는다.
그림 11에는 질화규소를 활성금속 납땜한 경우의 전형적인 계면조직을 나타내었다. 계면에는 질화규소 측에서 얇은 TiN층과 Ti5Si3층 M6N(M:Ti, Si, Ag, Cu)의 질화물이 생기고, 납재료 층은 Ag와 Cu-Ti의 공정조직이 된다. 이렇게 세라믹스가 질화물이면 세라믹스 측에서 제 1층째에 TiN이 생기는데, 탄화물이라면 TiC, 산화물이라면 TiO가 형성된다. 이들 산화물은 부정비화합물이며 금속액체와의 젖음은 양호해진다. 이 납 재료는 대부분의 세라믹스에 대해 유효하다. 대기 중에서 이 납 재료의 사용 상한온도는 모재인 은 납과 비슷하며, 내열강도와 내산화성의 면에서 대략 500℃이다.
티탄 등의 활성금속은 다량으로 첨가하면 그만큼 납 재료의 세라믹스에 대한 젖음 성질은 향상되지만 동시에 화합물을 형성하기 쉬워져 납 재료의 취화(脆化)를 초래한다. 따라서 활성금속의 첨가에는 한도가 있다. 소량첨가로 젖은 성질의 향상을 얻기 위해서는 활성금속의 납 재료 안에서의 활성을 증가시킬만한 제 3의 합금원소의 첨가가 유효해진다. 예를 들면, Cu-Ti 납 재료에 주석이나 인듐을 소량 첨가하면 티탄의 첨가량이 3Wt% 정도에서도 질화규소에 대해 충분한 젖음성을 달성할 수 있다. 알루미늄이나 그 합금은 소프트 메탈로서뿐 아니라 납 재료로서도 유효하다. 오늘날까지 탄화규소, 질화규소 등을 비롯해 많은 세라믹스에 관한 보고가 있다. 기본적으로는 알루미늄 자체가 활성이기 때문에 합금원소의 첨가는 필요하지 않은 경우가 많다. 강도로서는 납 재료 층의 두께가 얇을 때에 질화규소에 대해 500MPa정도를 얻을 수 있다. 이 강도는 모재 강도에 의존하는 것으로 강한 세라믹스를 사용하면 강도는 더욱 높아진다.
전자재료와는 달리 구조재로 분야에서는 접합기술의 실용화 예는 극히 적지만,  Ag-Cu-Ti계의 활성금속으로 접합한 예를 몇 개인가 볼 수 있다. 자가용차에 실용화된 질화규소제 터보차저 로터(질화규소제 날개를 구리 샤프트에 접합)이나, 로커 암에 대한 응용, 타페트에 대한 응용 등은 그 대표적인 것이다. 그림 12에는 그러한 예들을 제시했다. 최근 유리의 접합에서 납을 사용하지 않는 납땜에 활성금속을 이용한 마찰 납땜법이 개발되었다. 이 방법은 진공 이중 유리의 접합법으로서 개발된 것으로 높은 스루풋, 고강도, 기밀성 등을 특징으로 한다. 납은 Sn-Zn계에 활성금속이 미량 첨가되어 있다.
라. 고압주조접합법(SQ접합법)
알루미늄을 고압 주조에 의해 세라믹스에 직접 접합하는 방법이 개발되었다. 이 방법의 프로세스의 개략을 그림 13에 제시하였는데, 고압 하에서의 금속 용탕의 산화막 제거효과를 이용하고 있다. 이 방법에서는 우선 접합되는 부품 재료와 금형을 일정한 온도로 예열한다. 이 온도는 금형이 250~600℃, 세라믹스는 500~800℃의 범위가 된다. 한편, 알루미늄 납 재료를 700~800℃에서 용해 유지한다. 부품을 금형에 세트하고 재빨리 납 재료를 부어 10~100MPa의 가압을 한다. 납 재료는 고압을 가하면 접합면의 틈새로 침투하여 곧장 응고한다. 응고는 가압에서 1분 이내로 종료되어 부품을 금형에서 꺼내어 냉각하면 종료가 된다. 이 일련의 작업은 모두 대기 중에서 실시 가능하다. 세라믹스에 열충격을 가하지 않는 예열온도조건을 설정할 필요가 있다. 하이브리드 자동차 등의 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor : 절연 게이트 바이폴라트랜지스터)에서 폭넓게 실용화되고 있다(그림 14).
 마. 고상접합법
계면을 녹이지 않고 접합하는 방법을 고상접합법이라고 한다. 핫프레스 등에 의한 한 축의 가압이나 열간 정수압 등에 의한 등방가압을 이용한 방법이 주인데, 마찰압접법 등도 시도되고 있다. 고상접합법은 납땜 재료 등 융점이 낮은 재료를 매개로 하지 않기 때문에 내열성이 우수하다는 특징이 있지만 반대로 형상의 제약, 높은 원가 등의 결점을 갖는다. 산업계에서의 실례는 적고 단품적인 이용에 한정된다. 특수한 고상접합의 방법으로서 상온활성화 접합도 개발되고 있다.

4. 맺음말
본고에서는 세라믹스와 금속의 과학적 기초와 접합기술에 관하여 몇몇 실례와 함께 소개했다. 세라믹스와 금속의 접합기술 그 자체는 기원전에 장식물이나 식기 등에서 실용되어 있었다고 한다. 한편, 산화물 세라믹스에 대한 공업적 실용화가 진행된 것은 제 2차 대전 전후의 일렉트로닉스 산업의 발달에 의한 것으로 비산화물계에서는 1980년대의 파인세라믹스의 붐에 의한 것일 것이다. 본고에서 기술한 것처럼 초고분해능 전자현미경 등을 이용한 실제의 계면관찰이나 제 1원리 계산 등의 시뮬레이션으로 접합계면에 있어 나노레벨에서의 현상의 해명은 상당히 진전되어 있다. 응용기술에 있어서도 여러 가지 방법이 개발되고 있으며 또 무엇이 가능하고 무엇이 불가능한지도 이해되고 있어 기술의 선택에 그만큼 고민할 필요가 없어졌다. 그렇지만 본 특집의 보충 기사로서 소개할 열응력 등의 과제는 실현가능한 접합형태가 아직 제한적이며 접합체의 수명을 크게 좌우하는 인자라는 것을 충분히 알아 둘 필요가 있다. 세라믹스와 금속의 접합은 제품에 가까운 곳에서 최종단계의 물건 만들기 기술이 된다. 그 제품의 신뢰성을 얼마나 높이고 부가가치를 부여할 것인가는 항상 중요한 명제가 되며 계면형성과 동시에 열응력의 처리방법 등에 적확한 판단을 해야 한다. 이를 위해서도 접합의 과학적 기초에 대해 충분한 이해를 하는 일이 요망된다.                 (Ceramics Japan)

그림 1. 세라믹스 위의 금속 액적의 젖음
그림 2. 몇 개의 금속 알루미나 위의 부착작업량과 산화물 형성 에너지의 관계
표 1. 산화물 생성 자유 에너지 ΔG0와 합금형성의 열에너지 ΔHR(kJ/mol)
그림 3. 알루미나와 금속의 고상접합에 있어 접합압력과 접합면적율의 관계
그림 4. 알루미늄으로 납땜한 질화규소 접합체의 굴곡 강도에 미치는 접합압의 영향
그림 5. 다이아몬드/구리 합금 접합체의 강도에 미치는 접합시간의 영향
그림 6. 접합시간이 접합체 강도에 미치는 영향
그림 7. 알루미늄으로 납땜한 질화규소 접합체의 강도에 미치는 접합면 연삭 상태의 영향
그림 8. Mo-Mn법의 접합 과정
그림 9. Mo-Mn 메탈라이즈에 의한 Al2O3모듈(NTK카탈로그에서)
그림 10. Cu-O 상태도
그림 11. Si3N4/Ag-Cu-Ti 접합계면조직(SEM)
그림 12. A:터보차저 로터와 그 접합구조(日産자동차에서), B:활성금속법으로 제작된 Si3N4/강접합 롯커 암(NTK카탈로그에서), C:철강의 상변태에 의해 열응력을 경감하여 접합한 Si3N4/강접합 타페트(NTK카탈로그에서).
그림 13. 고압주조 접합법의 프로세스
그림 14. 주조접합법에 의해 제조된 AIN/Al접합기판(Al층의 두께는 500㎛)

<본 사이트에는 일부 표가 생략되었습니다. 자세한 내용은 월간세라믹스를 참조바랍니다.>