Technology Brief
  첨단세라믹스    해외기술정보

소결 시뮬레이션 개발
(재)파인세라믹스센터에서는 (주)中電시티아이와 공동으로 세라믹스 등의 소결과정을 계산/해석하는 시뮬레이션 기술을 개발했다.
종래 세라믹스 제품의 개발과정과 제조과정에는 거기에 종사하고 있는 기술자의 현장에서의 노하우가 여전히 많아서 제품 개발의 신속화, 고효율화를 저해했다. 특히 세라믹스 제품의 기능과 구조는 복잡화하고 새로운 설계지원기술이 요구되고 있다. 세라믹스의 제조공정 가운데에서도 소결공정은 제품의 기계적, 기능적인 특성을 결정짓기 위해 상당히 중요하다고 할 수 있다. 한편 최근 컴퓨터 기술의 향상은 눈부셔 시뮬레이션을 이용한 재료설계기술이 실용단계에 들어서고 있다. 파인세라믹스 센터에서는 지금까지 中電시티아이와 공동개발을 계속해 온 세라믹스와 금속 등의 소결과정을 계산/해석하는 시뮬레이션 기술을 대폭 개량하여 실용화 레벨까지 완성시키는 데 성공했다.
이 시뮬레이션은 두 개의 방법을 나뉘어 있는데, 몬테카를로(MC)법에 의한 미크론 레벨의 소결이다. 입성장 계산과 MC법과 점소성(粘塑性)의 유한요소법(FEM)의 방법을 연대시킨 미크로-마크로 레벨에서의 소결계산이 그것이다. MC법은 몇 미크론부터 수 백 미크론에서의 입자의 소결·입성장 과정을 시뮬레이션 하는 것으로, 원료분말조건과 성형체 조건, 소결온도 조건 등이 소결·입성장 과정에 주는 영향을 계산할 수 있다. MC-FEM연대법에서는 미크론 레벨 정보와 동시에 마크로 레벨에서의 소결과정의 형상변화와 밀도분포의 변화 등을 시뮬레이션 하는 것으로, 소결 시의 자중(自重)과 마찰의 영향, 성형체 밀도분포와 성형체 내부의 장소마다 수축속도의 차이 등이 소결체에 주는 영향 등을 계산할 수 있다.
이 두 가지 계산법을 이용함으로써 지금까지의 트라이 앤드 에러에 의해 가장 적합한 소결체 특성을 얻는 제품개발공정에 대한 대폭적인 신속화, 고효율화와 제조공정에서 발생하는 소결 불량품의 문제해결 등에 도움이 될 것이라고 생각된다. (CJ)
 
세라믹스에 불순물 첨가 강도증가 원리 해명 
이트륨 원자의 위치 식별
東京大學공학계연구과 총합연구기구의 幾原雄一 교수 등은 세라믹스에 불순물을 첨가하면 강도 등이 증가하는 메커니즘을 원자레벨에서 최초로 해명했다. 최신예 주사투과전자현미경(STEM)으로 원자를 한 개 한 개 직접 관찰하여 알루미나 다결정의 입계에 불순물 원자인 이트륨이 들어가 있는 모습을 관찰하고, 계산기 해석으로 이트륨이 주변의 산소를 공유결합하여 강하게 끌어당기고 있는 기구를 최초로 밝혀냈다. 이로써 보다 강한 세라믹스 등의 재료개발을 촉진할 수 있다고 한다.
미국 미주리 캔자스시티 대학과의 공동연구로 자세한 내용은 미국 과학잡지 「사이언스」 전자판에 실려 있다. 세라믹스에 불순물을 미량 첨가하면 고온에서의 변형이 극적으로 개선된다는 것이 경험적으로 알려져 있었지만 이번에 그 메커니즘을 최초로 밝혀냈다. 이 연구팀은 알루미나 단결정 벌크를 접합하여 입계의 방위를 인공적으로 제어한 시료 만들기에 성공했다. 이 시료를 전자선을 0.1나노미터 지름으로 조이는 최신예 STEM으로 원자 한 개씩 주사하면서 투과관찰했다. 전자선이 원자에 닿으면 무거운 원소일수록 산란이 커지는 검출법을 채용, 무거운 이트륨 원자의 위치를 식별할 수 있도록 했다.
단결정 속에서는 알루미 원자는 6원환(圓環)을 만들지만, 입계에서는 6원환이 무너지고, 7원환 등 공동이 큰 다원환이 된다. 이들 다원환에만 이트륨이 들어가는 모습을 명확하게 관찰할 수 있었다. 이 결과에 기초하여 제1원리계산을 실시, 그 기구를 밝혀냈다. 알루미나는 원래 완만한 결합인 이온결합이지만, 입계 속의 다원환에 들어간 이트륨은 공유결합으로 주위의 산소를 강하게 끌어당겨서 강고한 결합을 만든다는 것을 계산으로 최초로 알게 되었다고 한다. 이 해명에 의해 앞으로 계산기 상에서 최적인 첨가원자와 그 농도 등을 쉽게 탐색할 수 있어 세라믹스 엔진 등의 재료개발에 새로운 바람을 불러일으킬 것이다. (NK)