한양대, 소결 없이 점토처럼 빚고 찍는 ‘고탄성 세라믹 도우’ 성형 기술 개발

- 아라미드 슈퍼섬유를 활용한 ‘브릿징 기술’ 통해 세라믹 취성 극복

- 열차폐 구조체, 절연·방열 모듈 등 극한 환경 응용 분야로 확장 기대

연구진 사진. 왼쪽부터 교신저자 한양대 엄영호 교수, 공동제1저자 한양대 김민지 석사, 최혜서 석사과정생. (자료제공: 한양대)

소결 없이 복잡 구조를 구현하는 아라미드 브릿징 기반 hBN 세라믹 도우 플랫폼의 개요도, (자료제공: 한양대)

한양대학교(총장 이기정)는 유기나노공학과 엄영호 교수 연구팀이 소결 공정 없이도 복잡한 3차원 구조를 구현할 수 있는 고탄성 세라믹 도우(dough) 성형 기술을 개발했다고 3월 4일 밝혔다. 

이번 연구는 아라미드 슈퍼섬유를 활용한 ‘브릿징(bridging) 기술’을 통해 세라믹 특유의 깨지기 쉬운 성질(취성)을 극복하고, 극한 환경에서도 안정적으로 작동하는 모듈형 구조체를 구현했다는 점에서 학계의 큰 주목을 받고 있다.

기존의 세라믹 소재는 단단한 구조를 만들기 위해 고온에서 구워내는 '소결 공정'이 필수적이었다. 하지만 이 과정에서 성형 후 가공이 어렵고 작은 충격에도 균열이 쉽게 발생하는 한계가 있었다. 특히 우주항공이나 차세대 파워반도체처럼 고온·고전압·열충격이 동시에 발생하는 환경에서는 구조적 안정성과 전기 절연, 방열 특성을 모두 만족하는 소재 확보가 시급한 과제였다.

이에 엄 교수 연구팀은 지점토에서 섬유질 첨가제가 입자 반죽의 질김과 탄성을 높이는 원리에 착안해, 질화붕소(hBN) 기반 세라믹 입자 반죽에 아라미드 슈퍼섬유를 첨가제로 도입하는 혁신적인 설계안을 제시했다. 

나노·마이크로 스케일의 섬유가 세라믹 입자 사이를 연결하며 균열 전파를 막는 ‘브릿징 구조’를 형성하게 한 것이다. 이를 통해 소재가 점탄성(viscoelastic) 거동을 보이게 함으로써, 별도의 가열 공정 없이도 밀가루 반죽처럼 압출·프레스·몰딩 등 다양한 방식으로 복잡한 형상을 빠르게 만들어낼 수 있는 ‘세라믹 도우’ 플랫폼을 완성했다.

개발된 고탄성 세라믹 도우는 높은 세라믹 충진율을 유지하면서도 성형 후 구조 붕괴 없이 안정적인 형태를 유지했다. 또한 소결 없이는 모래성처럼 무너지던 기존 세라믹 구조체와는 달리, 균열 저항성과 에너지 흡수율이 월등히 높으며, 고온에서도 우수한 열적 안정성을 확보해 극한 환경용 모듈 소재로서의 실용성을 입증했다.

엄영호 교수는 “이번 기술은 세라믹을 고온 소결 기반의 취성 소재에서 탈피해, 성형 가능한 구조 소재로 전환한 플랫폼 기술”이라며 “우주항공용 열차폐 구조체, 차세대 파워반도체 절연·방열 모듈 등 다양한 극한 환경 응용 분야로 확장될 수 있을 것”이라고 밝혔다. 

연구팀은 향후 세라믹 충진율 및 섬유 브릿징 구조의 정밀 제어를 통해 물성을 더욱 고도화하고, 대면적 성형 공정으로 확장하기 위한 후속 연구를 이어갈 계획이다.

한양대 유기나노공학과 김민지 석사와 반도체공학과 최혜서 석사과정생이 공동 제1저자로, 엄영호 교수가 교신저자로 참여한 이번 연구는 한국연구재단 및 한국기술진흥원(KIAT)의 지원을 받아 수행됐다. 연구 성과는 재료공학 분야 국제 학술지 ‘Advanced Materials’에 지난 2월 5일 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]