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초음속 '비' 맞아도 깨지지 않는 유리 소재 개발

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초음속 '비' 맞아도 깨지지 않는 유리 소재 개발

2019.02.18 19:51
두께 5mm의 투명세라믹이다. 투명하게 글씨가 보이는 것을 볼 수 있다. 재료연구소 제공
두께 5mm의 투명세라믹이다. 투명하게 글씨가 보이는 것을 볼 수 있다. 재료연구소 제공

국내 연구팀이 고강도와 고열전도도를 가진 다결정 투명세라믹 기술을 개발했다. 단결정이 가지고 있던 가격, 형상, 크기, 생산성과 같은 치명적 약점을 극복해 초음속 항공기나 방탄 유리 소재로 사용될 것으로 기대를 모은다. 


재료연구소(KIMS)는 박영조 분말세라믹연구본부 책임연구원 연구팀이 초음속으로 날다가 비를 맞아도 멀쩡할 정도의 내열 및 내충격성을 가진 투명세라믹 제조 기술을 개발했다고 18일 밝혔다. 이번 연구에는 김도성 KAIST 신소재공학과 교수, 강신후 서울대 재료공학부 교수, 나용한 화인테크 대표 연구팀도 참여했다. 


투명 세라믹 제조는 빛을 산란시키는 기공을 제거하는 것이 중요하다. 이론밀도에 도달하는 치밀화를 달성해야 한다. 이를 위해 일반적으로 소결 조제를 첨가한다. 소결이란 분말입자들이 열적 활성화 과정을 거쳐 하나의 덩어리가 되는 과정을 뜻하는데 밀도를 높이기 위해 사용되는 첨가제를 소결 조제라 한다. 하지만 소결 조제가 기공을 제거해 강도는 증가되지만 열전도도는 저하되는 한계가 있다. 소결 조제를 첨가하지 않을 경우엔 기공 발생으로 강도가 약해지고 투명도도 떨어진다.


연구팀은 이런 한계점을 극복했다. 소결조제를 사용하지 않으면서도 높은 열전도도를 가지며 기공이 없는 투명한 고강도 세라믹 제작에 성공했다. 장치에 의한 오염과 분위기에 의한 환원을 최소화하기 위해 탄탈럼 소재로 된 호일로 시편을 감싼 후 이를 가압 소결했다. 이를 통해 단결정 대비 동등 이상의 투광성을 확보하고 내열충격성을 극대화했다. 내열충격성을 가늠하는 대표적인 지표인 핫셀만 지수가 기존 소재보다 3배로 측정되기도 했다


또 연구팀은 고가의 텅스텐 진공로 대신 저가의 범용장치인 가압소결로를 사용한 신공정기술을 사용해 원천성과 사업화의 용이성이 우수하다고 밝혔다. 결정의 물성을 변화시키기 위해 희토류 이온 등과 같은 소량의 불순물을 첨가할 경우, 레이저 발진자, 섬광체(방사선과 부딪혀 빛을 내는 물질), 압전체(압력을 전기로, 반대로 전기를 압력으로 바꾸는 물질) 등 능동소재로 개발이 가능하다고도 말했다.


김하늘 선임연구원은 “한국의 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.
 

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