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[표지로 읽는 과학]세라믹 신소재, 수 초만에 가공하는 기술

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[표지로 읽는 과학]세라믹 신소재, 수 초만에 가공하는 기술

2020.05.03 08:00
사이언스 제공
사이언스 제공

이번주 ‘사이언스’ 펴지는 두 장의 얇은 판 사이에 작은 입자들이 가득 뭉쳐 있는 모습이 실렸다. 마치 뜨거운 판 사이에 다진 고기를 넣어 만든 햄버거 패티처럼 보이기도 한다.

 

고기 입자처럼 보이는 것은 무기질 재료 입자이고, 뜨거운 판은 3000도의 초고온을 순간적으로 발생시키는 탄소 소재다. 왕청웨이 미국 매랠랜드대 재료과학공학과 연구원팀은 초고온 공정을 이용해 식기부터 첨단재료까지 널리 쓰이는 무기질 소재인 ‘세라믹’을 수 초 만에 제작할 수 있는 새로운 기술을 개발해 사이언스 1일자에 발표했다.

 

세라믹은 작은 입자 형식의 무기질 재료에 높은 온도를 가했다 식혀 굳힌 재료다. 열에 강하고 충격에 잘 견디며 화학 반응을 좀처럼 일으키지 않아 안정적인 덕분에 식기 등에 널리 이용된다. 재료를 바꾸면 다양한 특성을 낼 수 있어 미래의 첨단소재로 널리 연구되고 있다.

 

하지만 만드는 과정 중 하나로 높은 온도를 가한 뒤 식혀 굳히는 ‘소결’ 과정에 여러 시간이 걸려 빠르게 소재를 만들거나 연구하는 데 어려움이 많았다. 소결은 무기물이나 금속 입자를 녹는 온도보다는 낮은 온도로 열처리하는 과정으로, 이 과정을 통해 입자 사이에 결합 현상이 나타나 표면이 매끈해진 새로운 고체 재료로 변하게 하는 과정이다.

 

왕 연구원팀은 염 등 재료를 갈아 입자 형태로 제작한 뒤 높은 압력을 가해 햄버거 패티처럼 얇고 평평한 형태의 ‘펠릿’으로 만들었다. 그 뒤 두 개의 얇은 판 형태의 탄소 소재를 위아래에 배치해 최대 3000도의 온도를 수 초 동안 가해 순간적으로 소결을 시키는 데 성공했다. 이 소재는 실온 상태에서 순식간에 고온을 고르게 발생시켜 소결을 시켰고, 이후 빠르게 식었다.

 

연구팀은 이 장치를 이용해 전기분해 장치나 구멍이 뚫린 복잡한 구조물을 형성시키고, 신소재를 빠르게 찾는 데 활용할 수 있을 것으로 기대했다.
 

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