재료연구소(KIMS, 소장 이정환) 분말/세라믹연구본부 박영조 박사 연구팀이 한국과학기술원 김도경 교수, 서울대학교 강신후 교수, 화인테크 나용한 대표와 함께 초음속의 비를 맞아도 안전한 세계 최고 수준의 내열충격성을 가진 투명세라믹 제조 기술을 개발하는데 성공했다.

투명세라믹 제조의 핵심기술은 빛을 산란시키는 기공을 완전히 제거해 이론 밀도에 도달하는 치밀화를 달성한다.

이를 위해 통상적으로 소결조제를 첨가하는데 이는 일종의 불순물로서 열전도도를 저하시키는 결과를 초래시킨다.

소결조제의 특징은 기공을 제거해 강도는 증가시키지만 열전도도는 저하시켜 충분한 목적을 달성할 수 없는 반면 이를 첨가하지 않을 경우 기공 발생으로 강도가 약해지고 투명하지도 않게 된다.

이 기술은 소결조제를 사용하지 않은 고열전도도의 조성에서도 완벽하게 기공이 제거된 투명한 고강도의 세라믹을 제조함으로써 강도와 열전도도를 동시에 향상시킨 획기적인 기술이다.

연구팀은 장치에 의한 오염과 분위기에 의한 환원을 최소화하기 위해 탄탈럼 호일로 시편을 감싼 후 이를 가압 소결했다.

이를 통해 단결정 대비 동등 이상의 투광성을 확보하는 한편 내열충격성을 극대화할 수 있었다.

내열충격성을 가늠하는 대표적인 지표인 핫셀만 지수가 기존 소재의 3배로 측정돼 이례적으로 논문의 제목에 ‘Record-high thermal shock resistance(기록적인 열충격저항)’이라는 표현이 승인됐다.

또한 이 기술은 투명세라믹의 소결장치로 가장 많이 이용되고 있는 고가의 텅스텐 진공로 대신 저가의 범용장치인 가압소결로를 사용한 신공정기술로서 원천성과 사업화의 용이성이 우수하다는 장점을 가진다.

이 기술이 투명세라믹 제조에 적용될 경우 우선적으로 초음속 비행체의 윈도우와 투명 방탄 등의 수동소재에 활용이 기대된다.

또한 투명한 상태를 유지하면서 희토류 이온 등을 도핑할 경우, 레이저 발진자, 신틸레이터, 압전체 등 능동소재로서도 개발이 가능하다.

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.

이번 연구는 산업통상자원부의 핵심방산소재기술개발사업과 재료연구소 연구운영비지원사업의 지원을 받아 수행됐고 연구 결과는 세라믹 재료 분야의 세계적인 학술지인 미국세라믹학회지(ACerS)와 유럽세라믹학회지(ECerS)에 게재 및 특허협력조약(PCT)에 따른 국제특허 출원을 완료했다.

창원=강종효 기자 k123@kukinews.com