• 다원소·희토류 첨가 TBC 개발
  다원소, 희토류 첨가 페로브스카이트 타입의 열 장벽 코팅 물질이 NASA Glenn 연구소에서 개발되었다. 이 새로운 세라믹 코팅 물질은 열전도도를 낮춰, 기존의 이트륨을 부분 첨가한 지르코니아 열 장벽 코팅 물질에 비해 상 안정성과 내열성을 향상시키기 위해 개발되었다.
  이 코팅 재료는 열 엔진의 공냉식 부품에 사용될 수 있다. 전형적으로 ABO3의 화학식을 가지고 있는 페로브스카이트 산화물의 열 장벽 성능은 다원소 합금법을 사용할 때 그 성능이 크게 향상됨이 밝혀졌다.
  그렇기 때문에 실험된 화합물은 이트리아(최대 6mol%), 이터비아(ytter
  bia)(최대 2mol%) 그리고 가돌리니아(gadolinia)(최대 2mol%)가 함께 도핑된 지르코네이트(zirconate)를 훨씬 많이 포함하고 있다. 열전도도는 초기 표면 온도 범위에서 레이저 열 흐름 특성에 의해 측정되었는데 0.60과 0.8W/mK였다. 다원소 산화물의 소결 열전도도는 도핑되지 않은 재료의 열전도도에 비해 1/3정도였다. 소결과정과 1,650℃의 열 사이클 평가로 내구성이 증명되었다.                (ACB)

3차원 광학 밴드갭 결정 개발
DOE의 연구진은 세계 최초로 3차원 광학 밴드갭(PBG)을 가진 4제곱미터 너비에 12층의 결정을 클린룸 시설 없이, 즉 클린룸 시설을 만드는데 필요한 수백만 달러를 절약하여 만드는 방법을 개발하는데 성공하였다.
이 기초연구는 DOE의 과학부의 기초에너지 과학부에 의해 지원되었는데, PBG결정의 제조와 관련된 가격을 크게 줄일 수 있게 하였다.          
PBG결정은 어떤 특정 주파수의 빛을 모든 방향에 대하여 차단하거나 수용하게 할 수 있다. 이러한 특징으로 인하여 PBG결정은 단일 컴퓨터 칩 내부에서 사용되는 광학 결정으로 광통신 분야에서 크게 활용될 것으로 기대되고 있다.                    (ACB)

반사경에 세라믹스, 망원경 전체적으로 20~30% 가볍게
인공위성 탑재 겨냥
NEC東芝스페이스시스템(東京都 府中市, 사장 田中勝敏)은 인공위성에 탑재하여 지구와 우주 관측에 사용할 반사식 망원경의 경량화 기술을 개발했다. 반사경에 탄화규소세라믹스를 채용했다. 대형 거울의 경우, 종래 유리제의 반 이하 무게이다. 망원경 전체적으로 20~30% 가벼워질 가능성이 있어, 보다 큰 장치를 쏘아 올릴 수 있게 된다. 앞으로 일본 내외에서 개발할 위성관측 장치에 채용을 권한다.
‘반응소결법’이라는 방법으로 탄화규소세라믹스 반사경을 만들었다. 탄화규소와 탄소의 입자를 섞고 고압을 가해서 굳힌 후, 불필요한 부분을 깎아내는 등으로 하여 반사경의 모양을 만들었다. 그 후, 표면에 실리콘 가루나 덩어리를 얹은 상태에서 섭씨 1,400
도에서 소결했다.
소결 도중에 표면의 실리콘이 녹아서 내부로 스며들어 탄소 입자와 반응해 치밀한 구조의 세라믹스가 된다. 경도는 유리의 약 5배. 뒤틀림이나 휨이 잘 생기지 않으므로 반사경을 얇게 만들 수 있다.
직경이 65센티미터인 반사경을 만든 결과, 무게는 약 10킬로그램이 되었다. 유리제인 종래품의 반 이하였다. 계산상으로는 반사경의 직경이 1미터가 되면 유리제의 3분의 1, 동 2.4미터인 경우는 5분의 1로 경량화할 수 있다. 이 반사경을 망원경에 도입하면 기기가 종래보다 20~30% 가벼워질 가능성이 있다고 한다. 개발한 반사경을 이용할 망원경은 가시광에서 적외광까지 관측이 가능하다. 지구관측위성이나 천문 위성 등에 탑재하여 지상이나 천체 등의 화상을 촬영한다. 로켓으로 쏘아 올리는 관측기기의 종류나 한 번에 쏘아 올릴 수 있는 위성의 수를 늘리려면 관측기기를 가볍게 할 필요가 있다.               (일경산업)

탄화규소 강도 2배로 하는 기술 개발
日揮의 자회사 日本파인세라믹스(仙臺市)는 반도체 제조장치용 등의 부재로 사용하는 탄화규소의 강도를 2배로 하는 기술을 확립했다. 실리콘과 탄소를 반응시켜서 소결함으로써 강도를 높였다. 재료를 얇게 만들 수 있기 때문에 장치의 소형화로 이어진다. 이 회사는 2005년도부터 3년간 仙臺市에 있는 기존의 공장에 10억 엔을 투자하여 양산설비를 건설할 계획이다.
양산할 것은 ‘고강도반응소결탄화규소’라고 하는 재료. 탄화규소 분말과 탄소 분말로 성형, 그 틈새에 실리콘을 함침시킨 재료에 열처리 등을 한다. 제조공정에서의 형상변화가 1% 이하에 그쳐, 치수 정밀도가 높은 소결재료를 얻을 수 있다.
펌프용 고정 베어링이나 메커니컬실(밀봉재)등에 사용하면 각종 장치를 소형화할 수 있다. 불순물이 문제가 되는 반도체 제조장치용 부재로서도 사용하기 좋을 것이라고 한다. 이 회사에서는 올해 안에 샘플출하를 시작해 5년 후에 연 30억~50억 엔의 매상고를 목표로 하고 있다.    (일경산업)     
 

고인성 알루미나 개발에 성공
名古屋工業大學의 淡路연구실은 알루미나가 소량의 니켈(Ni)를 함유함으로써 고인성 나노 복합재료가 된다는 것을 밝혔다. 이 연구는 연구원인 催 成珉씨, 대학원생인 松永拓也군, 小林由朋군 등에 의해 이루어진 것이다. 알루미나에 약 3vol%의 Ni를 함유시키고 소결 후의 적당한 아닐에 의해서 파괴인성이 7.6MPam이라는 보통 알루미나의 약 2배가 되는 고인성 나노복합재료를 얻었다. 파괴인성은 SEVNB로 구했다.
우선 나노 치수의 기공을 갖는 α-알루미나 응집 알맹이에 Ni초산염을 물들여, 가소·환원하는 용액침전법(특허신청중)을 이용하여, 알루미나 알맹이 안에 나노 치수의 금속입자를 채워넣은 분말을 만든다. 이것을 α-알루
자동차 배기가스 등의 고온배기가스에 포함된 NOx는 공해가스로서 배출 규제가 해마다 강화되고 있다. 한편, 자동차용 엔진에 있어 화석 에너지 사용량의 저감 및 배출 CO2의 삭감을 목적으로 하이브리드 시스템이 이용됨과 동시에 연료의 희박연소기술에 의한 린번형 및 디젤형 고연비 엔진으로의 전환이 진행되고 있다. 그러나 연소과정에서의 산소농도가 높아 배출되는 배기가스 속의 산소농도가 높아져 촉매방식에서의 NOx의 연속분해는 기술적으로 용이하지 않다. 따라서 고연비 엔진의 산소농도가 높은 배기가스 정화에 이용할 수 있는 정화기술의 개발이 세계적으로도 요구되고 있다.
(독)産業技術總合硏究所 선진제조 프로세스 연구부문 기능모듈화 연구그룹의 藤代 등은 2004년 11월 10일, 열전변환세라믹스와 이온 전도성 세라믹스 리액터를 이용한 새로운 NOx정화 리액터의 개발에 대해 발표했다.
이 연구그룹에서는 지금까지 이온 전도성 세라믹스를 이용한 전기화학 리액터에 의한 NOx의 전기화학적인 정화기술에 대해 연구를 하고 있고, 산소 3% 이상인 NOx함유 가스를 전기화학 리액터에 의해 저전력으로 선택해 N2와 O2로 연속 분해하는데 성공했다. 이 기술은 한원제 등을 조합시킨 촉매방식에 의한 정화에 비해 직접적으로 NOx를 전기로 분해정화하기 때문에 환원제 등의 분해에 의해 배출되는 분해물 등이 전혀 없는 제로 에미션 가스 정화의 방법으로 주목되고 있다. 한편, 촉매방식과 비교해서 전기화학 리액터 시스템에서의 문제는 리엑터 동작을 위한 전력을 필요로 하는 점이었다. 이 문제에 대한 해결책의 하나로 열을 전기로 변환하는 세라믹스 재료(열전변환세라믹스)를 이용하게 되어 배기가스로 배출되는 폐열과 외기와의 온도차를 이용하여 전력을 발생시켜 전기화학 리액터용 전력으로 이용하는 것을 검토했다. 그 결과, 산화아연 및 산화코발트 세라믹스를 원료로 하는 열전변환세라믹스 소자를 활용한 모듈을 이용하여 400
ppm NOx-4%O2 가스 조건에서 500℃의 온도차를 형성함으로써 열전세라믹스의 발전에 의한 전력으로 전기화학 셀에 약 20%의 NOx분해가 연속적으로 이루어졌다. 이로써 배터리 등 외부로부터의 전력을 공급하지 않고 열전변환 재료에 의한 전력을 이용하는 전기화학 디바이스의 자립 동작을 세계에서 최초로 실증했다.     (CJ)
     

세라믹 복합 레이저 재료 개발
 大阪工業大學(吉田國雄 교수, 神村共住 강사)은 (주)폴리테크노와 공동으로 차세대 고체 레이저 소자인 복합형 세라믹스 레이저 개발에 성공했다. 이 기술은 소자 설계의 자유도가 커서, 소형·고출력화, 높은 빔 품질 발생, 나아가서는 대출력 레이저 개발 등 레이저 성능을 비약적으로 향상시킬 가능성을 내포한 최첨단 기술이다. 지금까지의 단조로운 구조의 단결정 레이저와 달리, 새로운 소자설계에 의해 신기능을 발현할 수 있기 때문에 세계가 주목하는 레이저 개발로 이어진다.
레이저 매질(媒質)의 주류는 Nd:Y
AG단결정이며, 용융응고법을 이용하고 있는데, 제조시간이 길어 막대한 에너지 원가가 든다. 단결정 중에는 광학적인 얼룩이 발생하기 쉬워 작은 결정밖에 제조가 불가능하다. 지금까지의 레이저 소자는 단조로운 구조로, 원하는 구조로 설계·제조할 수 없는 등의 기술관제가 존재하여 레이저 기능상에는 한계가 있었다.
제작한 것은 복수 조성을 가진 세라믹스와 단결정을 조합시켜서 컴포네이트화(化)한 신형레이저 매질과 그 매질을 탑재한 레이저 발진기이다. 원료를 성형한 후, 1,750℃에서 몇 시간 소결함으로써 복합형 세라믹 레이저 소자를 얻을 수 있다. 포인트는 성형방법이 독자적인 연구를 함으로써 복합화를 실현하는 것이다. 또 일단 투명한 세라믹스를 얻은 후에 복수의 세라믹스를 연마·접합해서 복합소자를 얻을 수도 있다. 반도체 레이저에 의한 발진효율은 50~65%로 높아 개발단계에서 10와트급의 출력에 달한다. 세라믹 재료는 기본적으로 사이즈 면에서 제약이 없어 대용량 에너지 전송의 기술개척, 계측과 의료 등과 같은 노이즈 프리의 고품질 빔 발생에도 유력한 기술이 된다. 레이저 기술은 미국이 압도하고 있으나 이 기술은 일본이 세계에 전하는 ‘혁신기술’이 된다. 이 기술은 대출력 레이저 개발에 불가결하여 이미 해외 복수의 조직으로부터 공동개발에 관한 타진이 있다. (CJ)

폐열발전을 이용하여 NOx정화하는 세라믹 리액터 개발

자동차 배기가스 등의 고온배기가스에 포함된 NOx는 공해가스로서 배출 규제가 해마다 강화되고 있다. 한편, 자동차용 엔진에 있어 화석 에너지 사용량의 저감 및 배출 CO2의 삭감을 목적으로 하이브리드 시스템이 이용됨과 동시에 연료의 희박연소기술에 의한 린번형 및 디젤형 고연비 엔진으로의 전환이 진행되고 있다. 그러나 연소과정에서의 산소농도가 높아 배출되는 배기가스 속의 산소농도가 높아져 촉매방식에서의 NOx의 연속분해는 기술적으로 용이하지 않다. 따라서 고연비 엔진의 산소농도가 높은 배기가스 정화에 이용할 수 있는 정화기술의 개발이 세계적으로도 요구되고 있다.
(독)産業技術總合硏究所 선진제조 프로세스 연구부문 기능모듈화 연구그룹의 藤代 등은 2004년 11월 10일, 열전변환세라믹스와 이온 전도성 세라믹스 리액터를 이용한 새로운 NOx정화 리액터의 개발에 대해 발표했다.
이 연구그룹에서는 지금까지 이온 전도성 세라믹스를 이용한 전기화학 리액터에 의한 NOx의 전기화학적인 정화기술에 대해 연구를 하고 있고, 산소 3% 이상인 NOx함유 가스를 전기화학 리액터에 의해 저전력으로 선택해 N2와 O2로 연속 분해하는데 성공했다. 이 기술은 한원제 등을 조합시킨 촉매방식에 의한 정화에 비해 직접적으로 NOx를 전기로 분해정화하기 때문에 환원제 등의 분해에 의해 배출되는 분해물 등이 전혀 없는 제로 에미션 가스 정화의 방법으로 주목되고 있다. 한편, 촉매방식과 비교해서 전기화학 리액터 시스템에서의 문제는 리엑터 동작을 위한 전력을 필요로 하는 점이었다. 이 문제에 대한 해결책의 하나로 열을 전기로 변환하는 세라믹스 재료(열전변환세라믹스)를 이용하게 되어 배기가스로 배출되는 폐열과 외기와의 온도차를 이용하여 전력을 발생시켜 전기화학 리액터용 전력으로 이용하는 것을 검토했다. 그 결과, 산화아연 및 산화코발트 세라믹스를 원료로 하는 열전변환세라믹스 소자를 활용한 모듈을 이용하여 400
ppm NOx-4%O2 가스 조건에서 500℃의 온도차를 형성함으로써 열전세라믹스의 발전에 의한 전력으로 전기화학 셀에 약 20%의 NOx분해가 연속적으로 이루어졌다. 이로써 배터리 등 외부로부터의 전력을 공급하지 않고 열전변환 재료에 의한 전력을 이용하는 전기화학 디바이스의 자립 동작을 세계에서 최초로 실증했다.     (CJ)
     

카본나노튜브로 질화규소 세라믹스에 도전성 부여
질화규소(Si3N4)세라믹스에 대한 도전성의 부여는 SiC나 TiN등의 도전성 입자의 분산과 입계상의 이온전도 등에 의해 검토되어 왔다. 그러나 도전성을 실현하기 위한 대량의 도전성 입자와 이온전도를 위한 Na+이온은 질화규소 본래의 우수한 특성을 열화시키게 되어 버리는 점이 문제였다. 橫浜國立大學 대학원 환경정보연구원의 米屋勝利 특임교수 등은 카본나노튜브(CNT)를 Si3N4세라믹스 속에 균일하게 분산시키면서 치밀화시킴으로써 강도와 인성 등의 특성을 유지한 채, 실용에 가까운 수준으로 본래 절연성인 Si3N4세라믹스에 도전성을 부여하는데 세계 최초로 성공했다.
Si3N4세라믹스는 일반적으로 1800℃ 정도의 고온에서 소성하여 제작된다. 그러나 고온에서 CNT는 질화규소나 입계상의 SiO2와 반응하여 CO나 CO2로 소실되어 버린다. 조교수, 米屋勝利 특임교수 등은 독자적으로 연구를 하고 있는 Si3N4-소결조제계를 적용시킴으로서 CNT의 소실을 억제할 수 있다는 것을 발표했다. 이 Si3N4세라믹스는 종래 가장 일반적으로 사용되었던 Y2O3와 Al2O3 이외에 AlN과 TiO2를 이용하는 것으로, DAL 베어링용 재료로 널리 사용되고 있다. 다른 Si3N4-소결 조제계보다 100~150℃ 저온에서 치밀화할 수 있기 때문에 기체의 생성을 동반하는 CNT의 소실을 방지할 수 있다.
Si3N4-소결 조제계에 CNT를 첨가해서 성형한 후, 소성함으로써 치밀한 소결체 입계에 CNT가 분산된 Si3N4세라믹스를 제작할 수 있다. 도전성은 CNT의 첨가량으로 제어가능하며, 현재까지 3~500S/m의 범위에서 제어한 것이 제작되었다. 또 CNT의 첨가로 내마모성도 향상되었다. 원료의 혼합, 성형, 소성이라는 세라믹스의 제작에 이용되는 통상의 프로세스에서 Si3N4세라믹스에 도전성을 부여할 수 있었다는 것은 실용화라는 관점에서 상당히 가치가 있는 것이다.
도전성을 갖는 Si3N4세라믹스는 베어링 등에서 정전기에 의한 트러블을 회피할 수 있는 등, 각종 접동부품에서 응용범위가 넓고 또한 Si3N4의 우수한 기계적, 열적, 화학적 특성을 갖는 새로운 기능재료로서의 신규용도의 개발도 기대된다.              (CJ)