마이크로파 - 열을 만들어 내다
편집부(외신)

물을 전자레인지로 데우듯, 마이크로파를 이용하여 재료를 건조하는데 사용할 수 있다. 일반적으로 엔지니어들은 전자레인지를 이용하여 실험을 시작한 뒤, 실제 응용을 위한 장치를 고안한다. 그 결과, 현재 마이크로파는 재료를 건조하는 공정에 널리 이용되고 있다.
그러나 세라믹 재료들은 상온에서 마이크로파를 잘 흡수하지 않기 때문에, 마이크로파 열원을 이용하여 반응, 하소, 용융, 소결 등을 촉진시키기에는 어려움이 있다.
전자레인지는 이러한 응용에 대한 테스트 시 충분하지만, 시편을 단열시키고, 균일한 열을 가하기 위해서는 열 패키지에 대한 노하우가 더욱더 필요하다.
거의 모든 세라믹 재료들은 높은 온도에서 마이크로파 흡수(유전열)율이 급속히 증가하기 때문에, 마이크로파와 함께 사용할 수 있는 2차 열원 또는 예열 장치가 필요하다.
1990년대, 영국에서 40여개의 회사들이 참가한 국제 컨소시엄을 통해 굉장히 우수한 기술이 보고되었다.
이 기술은 일반적인 가스로와 전기로에 마이크로파를 장착한 마이크로파 보조 기술로 알려져 있다.
초기 제작된 터널 모양의 49-ft(15-m) 대형 로를 테스트했다. 이 로는 2900℉(1600℃)까지 온도를 올릴 수 있고 23개의 작은 로가 내장되어 있다.
공기분위기의 이 터널로는 60kW 마이크로파가 장착되어 있고 여덟 구역으로 나눠져 있다.
이 로는 3교대로 한주에 5일 동안 연속적으로 여러 달 동안 조건을 강화하면서 테스트되었다.
여러 해 동안 위생도기, 점토제품 및 무기세라믹 등 여러 재료들을 테스트했다.

개선된 균일성
마이크로파와 일반적인 방사열을 함께 사용하는 이유는 온도 균일성을 증가시킬 수 있기 때문이다. 마이크로파가 가열과는 다른 무언가로 작용한다는 설이 있지만, 온도가 증가한다는 것은 열적 효과가 아닌 “마이크로파 효과"가 있다는 것을 의미한다.
영국의 C-기술혁신(구 EA기술의 일부분)센터에서 개선된 온도 균일성은 확실하게 입증되었다.
높은 균일성에 의해 빠른 속도로 가열이 가능했고, 다른 경우에 있어서도 많은 장점들이 있다. 보다 나은 미세구조제어가 가능하다. 이는 최근 나노기술응용에 도움 될 것이라 생각된다.
Ceralink사는 현재 C-기술혁신센터로부터 기술 이전 및 협약을 통해 마이크로파 응용 기술(CerMAT
TM)에 대한 특허 출원중이다.
로 제조사들과 마이크로파 제조사들은 Ceralink사와 계약을 통해 CerMAT 로 생산에 참여할 것이다.
MAT의 기본 개념은 생산량을 증가시키면서 저에너지로 세라믹제품을 대량으로 생산하는 것이다. 이것은 실제로도 가능하고, 또한 여러 영국의 업체에서 비용 및 이익에 대해 많은 연구가 진행되고 있다.
이러한 연구들은 마이크로파가 장착된 기본적인 장비제작 비용이 비싸지 않기 때문에 낮은 수익의 벽돌, 백자 산업에도 응용될 수 있다.
개선된 품질, 낮은 플루오르 방출 그리고 작아진 접지면 등 CerMAT의 다른 장점들은 전형적인 세라믹제품생산에 있어서 초기 투자금에 대한 부담을 줄여준다.

생산역사
초기 CerMAT은 특히, 균일성과 미세구조 제어가 가능하다는 최대 이점 때문에 고부가가치 제품에 이용될 것으로 예상되었다.
여러 장치들이 설치되고 제품생산에 이용되고 있다. 그리고 여러 업체들이 장비개발을 시작하면서 장비에 대한 모든 사항들이 대외비로 관리되고 있다.
미국에서는 온도변화에 의한 균열을 견뎌내는 고내화성 세라믹을 생산하는데 MAT로가 설치되었지만, 열처리 주기가 너무 길기 때문에 일반적인 열처리로서는 세라믹 구조가 제안되고 있다.
유럽의 로 제조사들은 일반적인 가스로를 제작하고, 또한 C-기술 설계 및 마이크로파 개선을 위한 연구를 진행하고 있다.
연속공정이 가능한 로는 2900℉(1600℃)까지 열처리가 가능하며, 353ft3(10m3)공정 용량을 가지고, 60kW 마이크로파를 출력할 수 있다. 일반적인 열처리로와 다르게 열처리 주기가 절반 밖에 되지 않기 때문에, 열처리 시간에 의해 제품의 품질이 더 이상 제한되지 않는다.
현재 5백만 달러 규모의 공장에서 MAT가 주요공정으로서 사용되고 있다. 자세한 내용은 언급할 수 없지만, C-기술혁신센터에서 공정 개발되었고, 초기 제작된 모델이 적용되고 있다. 초기 제작된 시스템을 그대로 다시 제작했을 것이다.
Loughborough 대학과 Ceralink사는 MAT를 이용하여 공정개발을 진행해 왔다.
Loughborough 대학교수인 Jon Binner는 C-기술혁신센터가 제작한 MAT전기로를 이용하여 나노세라믹, 전자세라믹 및 세라믹 복합물의 소결에 대하여 연구하였다.
Binner교수는 MAT을 이용하여 개선된 균일성을 증명하였고, 일반적인 열처리 또는 마이크로파만을 이용하는 것보다 MAT를 이용함으로써 더욱 미세한 나노구조를 제조할 수 있다는 것을 증명하였다.
MAT로를 이용하여 소결한 결과 65-nm 결정립크기와 99%이상의 밀도를 가진 나노세라믹을 얻을 수 있었다.
이러한 결과로 비춰볼 때, 마이크로파를 이용한 기술의 응용 및 수요가 늘어날 것으로 예상된다.
산업적 측면으로 볼 때, CerMAT 연구소의 로는 개선된 세라믹제품에서부터 기존 세라믹 제품의 품질 제어시험, 새로운 기술의 발전 및 원자재에 대한 시험을 가속화 시킬 것으로 예상된다.
빠른 열처리에 대한 실질적인 가치는 기존에 일주일씩 걸리는 공정을 단 몇 시간 또는 수일 내에 새로운 조성이나 모양 및 크기의 제품을 생산할 수 있다는데 있다.
장비에 대한 많은 점검과 기존 품질과 다른 제품에 대한 점검 또한 빠른 시일 내에 이루어져 공정흐름을 개선하고, 불량률을 낮춰야 한다.
재고 비용을 최소화하고 입하된 재료를 곧바로 제품의 생산에 투입하는 상품 관리 및 제조단가를 낮추기 위해서는 보다 빠른 기술개발 및 공정 피드백이 필요하다.                          (Ceramic Bulletin)

그림 1. 마이크로파 보조 기술이 가미된 터널 모양의 49-ft(15-m) 대형 로에는 23개의 작은 로가 내장되어 있고, 2900℉(1600℃)까지 온도를 올릴 수 있다. 공기분위기의 이 로는 60kW 마이크로파가 장착되어 있고 여덟 구역으로 나눠져 가열된다

그림 2. 인턴 엔지니어가 Ceralink's CerMATTM 연구실에서 마이크로파 전기로를 이용하여 실험하고 있다.

그림 3. 제품이 MAT 마이크로파 가스로에 적재되고 있다.

그림 4. Ceralink의 마이크로파 시험 센터의 엔지니어들,
 CerMATTM 엔지니어(왼쪽), CPI AutowaveTM
 엔지니어(오른쪽)

그림 5. MAT 연속 로에서 열처리를 하기 위한 벽돌이
        팔레트에 쌓여져 있다.