▲ ▲재료연 연구팀이 개발한 두께 5mm 투명세라믹. 직경 100mm 이트리아(Y2O3)(左)와 크기 150mm 스피넬(MgAl2O4).

국내 연구진이 초음속의 비를 맞아도 안전하면서도 공정비용을 절감시킨 세계 최고 수준의 내열충격성을 가진 투명세라믹 제조 기술을 개발해 상용화가 기대되고 있다.

재료연구소(KIMS, 소장 이정환) 분말·세라믹연구본부 박영조 박사 연구팀은 한국과학기술원 김도경 교수, 서울대학교 강신후 교수, ㈜화인테크 나용한 대표와 함께 고강도·고열전도도 다결정 투명세라믹 기술을 개발했다고 18일 밝혔다.

투명세라믹 제조의 핵심기술은 빛을 산란시키는 기공을 완전히 제거해 이론 밀도에 도달하는 치밀화를 달성하는 것이다. 이를 위해 통상적으로 소결조제를 첨가하는데 이는 일종의 불순물로서 열전도도를 저하시키기 때문에 ‘양날의 검’이다.

이에 연구팀은 소결조제를 사용하지 않은 고열전도도의 조성에서도 완벽하게 기공이 제거된 투명한 고강도의 세라믹을 제조함으로써 강도와 열전도도를 동시에 향상시켰다.

장치에 의한 오염과 분위기에 의한 환원을 최소화하기 위해 탄탈럼(Tantalum) 호일로 시편을 감싼 후 이를 가압 소결했다. 이를 통해 단결정 대비 동등 이상의 투광성을 확보하는 한편 내열충격성을 극대화했다. 내열충격성을 가늠하는 대표적인 지표인 핫셀만(Hasselmann) 지수가 기존 소재의 3배로 측정되어 이례적으로 논문의 제목에 ‘Record-high thermal shock resistance(기록적인 열충격저항)’이라는 표현이 승인됐다.

또한 본 기술은 투명세라믹의 소결장치로 가장 많이 이용되고 있는 고가의 텅스텐 진공로 대신 저가의 범용장치인 가압소결로(Hot Press)를 사용한 신공정기술로서 원천성과 사업화가 용이하다.

개발된 투명세라믹은 우선적으로 초음속 비행체의 윈도우와 투명 방탄 등의 수동소재에 활용이 기대된다. 또한 투명한 상태를 유지하면서 희토류 이온 등을 도핑(doping)할 경우, 레이저 발진자(laser medium), 신틸레이터(섬광체, scintillator), 압전체 등 능동소재로서도 개발이 가능하다.

연구에 참여한 재료연구소의 김하늘 선임연구원은 “우리나라의 투명세라믹 연구는 미국, 독일, 일본 등의 선진국에 비해 뒤늦게 시작했지만, 산학연의 열정적이고 유기적인 연구협력을 통해 단기간에 어깨를 나란히 할 수 있는 수준에 이르렀다.”며, “앞으로 보다 더 나아갈 수 있는 연구 여건과 관련 연구자들의 저변 확대를 기대한다”고 말했다.

한편 이번 연구 결과는 세라믹 재료 분야의 세계적인 학술지인 미국세라믹학회지(ACerS)와 유럽세라믹학회지(ECerS)에 게재 및 특허협력조약(PCT, Patent Cooperation Treaty)에 따른 국제특허 출원을 완료했다.