[논문]다결정 투명 이트리아의 소결과 응용

박영조; 김진명; 김하늘; 고재웅; 김해두

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문제 정의

5에 소개하였다. 본고에서는 중적외선 대역 윈도우 소재로 각광받고 있는 다결정 투명 이트리아(Y₂O₃) 세라믹스의 소결 및 응용과 관련된 연구개발 동향에 집중하여 기술하고자 한다.

제안 방법

4. 적외선 투과 세라믹스의 군수 응용. (좌)센서윈도우, (중)센서돔, (우) 야간투시경
5. 적외선 투과 세라믹스의 민수 응용. (좌)반도체/디스플레이 공정장비 용치구, (중)터치패널, (우)의료용 온열치료기
한편, 가장 우수한 결과들이 보고되고 있는‘텅스텐 발열체 진공로’를 신규 구입하여 흑연로와 비교 실험하며 투광도의 제고를 기할 연구계획을 수립하였다.

대상 데이터

9)”과 제를 수행하고 있다. 본 과제에서는 본고에서 다루고 있는 가시광 대역 투명 방탄 소재(알론, Mg스피넬) 와 중적외선 대역 투명 윈도우 소재(이트리아)를 망라하고 있다(Fig. 15).

성능/효과

8) 그래프에서 95% 이상의 치밀화 후 급격한 입자 성장을 나타내는 통상소결에 비해, 2SS에 의해서는 이론 밀도에 가까운 치밀화에도 불구하고 입자크기가 0.3 µm급으로 제어됨을 알 수 있다.
11). 결론적으로 tetravalent donor 성분의 소결조제는 작은 입자성장으로 강도 측면에서도 유리하며, 동시에 느린 입계 모빌리티에 도움을 받아 입계 사이의미세 기공이 모두 소멸될 수 있는 kinetics를 제공하여 투광도의 향상에도 적합하다고 할 수 있다. 한편, 입계 모빌리티가 가장 큰 divalent acceptor 소결조제를 사용할 경우, 소결 온도를 대폭 저하시킴으로써 입계 모빌리티가 낮은 영역으로 유도하여 입자성장이 억제되면서 기공 소멸도 꾀할 수 있는 공정조건을 개발한다면, 저온소결에 의한 가격경쟁력 제고도 가능할 것이라 기대 된다.
첫째, 흑연 발열체 및 카본계 단열재의 높은 활성도에 기인하여 소결체 내부에 카본오염이 초래되고, 공기 중 후열처리 시 불완전한 카본 제거 또는 가스상(CO 또는 CO₂) 기포 형성은 광투과도 저하의 원인이 될 수 있다. 둘째, 소결 공정 중 흑연 발열체 진공로의 진공도는 저온에서 고온으로 올라갈수록 저하되어, 텅스텐 발열체 진공로에 비해 전 공정에서 진공도가 낮은 수준으로 유지되기 때문에, 소결체 내부에 산란원으로 작용하는 미세기공이 잔류할 가능성이 높다고 할 수 있다.
상기의 상온 광투과성에 더불어 이트리아는 고온에서의 광투과성도 타 소재에 비해 높게 측정되어 실제상황인 고온의 비행환경 하에서도 가장 우수한 성능을 발휘할 것으로 판단된다. Fig.
우선적으로 산학연 여러 기관에 널리 확보되어 있는 인프라인‘흑연 발열체 진공로’를 사용하여 투명 이트리아가 제조 가능한지 검토를 실시한 결과, 소결용 도가니, 분위기분말 및 승온/냉각 스케쥴의 조절에 의해 고투광성이 달성 가능함이 증명되었다(Fig. 16).
그렇지만 상기의 이론적 추론은 투명 이트리아의 다양한 실험적 보고와 양립하지 않는 현상이 발견되어 이하에 기술한다. 즉, 여러 논문의 투명이트리아의 강도 측정 결과를 종합하면, 입자 크기가 클수록 입내파괴가 지배적인데 반해, 입자 크기가 작을수록 입계파괴가 지배적으로 관찰되어, 결과적으로 특정한 입자 크기에서 최대 강도가 얻어진다는 새로운 주장이 경험적으로 도출된 것이다. 즉, Hall-Petch 관계식에 의해 입자 크기가 작을수록 강도는 증가하는 것이 경험적으로 증명되고 있지만, 입자 크기가 작은 이트리아는 입계파괴로 이행하여 오히려 강도가 저하되는 현상이 새롭게 부각된 것이다.
근래에는‘텅스텐 발열체 진공로’에 의한 연구 결과가 집중적으로 발표 되고 있는데, ‘흑연 발열체 진공로’에 비해 두 가지 면에서 유리한 것으로 추정된다. 첫째, 흑연 발열체 및 카본계 단열재의 높은 활성도에 기인하여 소결체 내부에 카본오염이 초래되고, 공기 중 후열처리 시 불완전한 카본 제거 또는 가스상(CO 또는 CO₂) 기포 형성은 광투과도 저하의 원인이 될 수 있다. 둘째, 소결 공정 중 흑연 발열체 진공로의 진공도는 저온에서 고온으로 올라갈수록 저하되어, 텅스텐 발열체 진공로에 비해 전 공정에서 진공도가 낮은 수준으로 유지되기 때문에, 소결체 내부에 산란원으로 작용하는 미세기공이 잔류할 가능성이 높다고 할 수 있다.

후속연구

KIMS에서는 사업의 정량적 목표인‘직경 100 mm x 두께 3 mm 급의 광투과도 80% 이상’의 소재 개발을 위해 우선은 랩스케일의 소형 시편을 다양한 사양의 출발 원료 및 소결장치를 사용하여 제조 중에 있으며, 어느 정도 데이터베이스가 구축되면 선택과 집중에 의해 실형상 프로토타이프 제조를 시도할 예정이다.
마지막으로 정책 제언을 하자면, 투명 세라믹 소재는 군사적 용도로 사용되는 특수성으로 인해 일반 산업체에서 바로 개발을 시도하기가 매우 어렵고, 또한 장기적인 플랜을 가지고 개발을 추진해야 하는 군수물자의 특성을 감안하면, 산업화를 달성 시 까지 꾸준한 정부의 지원이 계속되어야 할 것이다.
본고에서 다루고자 하는 가시광대역 또는 적외선대역에서 투명한 몇 종류의 세라믹스는 각각 고생존성 방호 재료와 고정밀화 기능재료로의 사용이 주목되어 1960년대부터 연구가 시작되어 이미 현재에도 군수분야에 적용된 사례가 적지 않고, 향후에는 첨단산업을 중심으로 민수분야에도 활용될 것으로 기대되고 있다(Table 1).
결론적으로 tetravalent donor 성분의 소결조제는 작은 입자성장으로 강도 측면에서도 유리하며, 동시에 느린 입계 모빌리티에 도움을 받아 입계 사이의미세 기공이 모두 소멸될 수 있는 kinetics를 제공하여 투광도의 향상에도 적합하다고 할 수 있다. 한편, 입계 모빌리티가 가장 큰 divalent acceptor 소결조제를 사용할 경우, 소결 온도를 대폭 저하시킴으로써 입계 모빌리티가 낮은 영역으로 유도하여 입자성장이 억제되면서 기공 소멸도 꾀할 수 있는 공정조건을 개발한다면, 저온소결에 의한 가격경쟁력 제고도 가능할 것이라 기대 된다.⁷⁾

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

미래 무기 체계의 발전 방향은 어떠한가?

미래 무기 체계의 메가트렌드는 고생존성, 고정밀성 및 고속성을 추구하는 방향으로 발전하고 있으며, 이에 대응하는 경량 방호 재료, 고기능성 재료 및 고온 경량 재료 등의 확보가 선행되어야 하기 때문에, 선진국에서는 국가적 역량을 투입하여 소재 기술 개발에 박차를 가하고 있다 (Fig. 1).

투명 윈도우 소재는 유도무기에서 어떤 역할을 하는가?

한편, 미국의 對이라크전 및 對아프가니탄전을 통해서 증명되었듯이, ‘멀리서 먼저 보고 정밀하게 타격 가능한 유도무기’는 현대전의 승패를 가름하기 때문에, 실질적으로는 군사전력의 대부분을 차지하고 있다고 단언해도 과언이 아니라고 할 수 있다. 특히, 중적외선 대역의 파장을 이용하는 열추적 (heat seeker) 센서 또는 이미지추적 (image seeker) 센서는 유도무기의 눈과 같은 역할을 담당하는 부품인데, 투명 윈도우 소재는 고속 (마하 이상), rain/particle erosion, 급선회 응력 등 극한 사용 환경하에서 눈의 역할을 담당하는 센서의 기계적 보호와 신호 송수신을 위한 투과성능을 제공하는 핵심 소재이다. 적외선 투과 재료가 사용되고 있는 군수응용 및 민수응용의 예를 각각 Fig.

투명 방탄 시스템에 기존의 유리 소재 대신 투명 세라믹 소재를 사용할 경우 어떤 장점이 있는가?

기존의 투명 방탄 시스템에서는 유리 소재가 광범위하게 채용되고 있으나, 목적하는 수준의 방탄성능을 얻기 위해서는 유리의 상대적으로 약한 강도에 기인하여 상당한 두께가 요구되어 무거운 하중을 감내하고 있다. 이에 반해 고강도의 투명 세라믹 소재는 두께를 대폭으로 감소시켜 방탄유리 대비 1/2 이하의 하중으로도 방탄유리와 유사한 방탄효율을 달성하여 기동성 및 경제성과 직결되는 경량화에 이바지하고 있다. 상기 세라믹 방탄의 장비방호와 개인방호의 적용 예를 각각 Fig.

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