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핵심기술
Core technology
1. 방전 플라즈마 소결 (SPS) 장비 개발
2. 열전 소재 나노라드 및 SPS 장비를 이용한 벌크 열전복합체 개발
3. SPS 장비를 이용한 미세입자로 구성된 스퍼터 타겟 개발
최종목표 Final goal/target
■ 고려대학교
- 열전소재 나노라드 및 스퍼터링 타겟용 나노파티클 합성
- 고결정성 (95.0%), 고순도 (99.0%), 고수율 (0.9)의 나노물질 합성
- 방전 플라즈마 소결방법을 통한 나노라드 기반 벌크 열전복합체 구현

핵심기술
Core technology
1. 방전 플라즈마 소결 (SPS) 장비 개발
2. 열전 소재 나노라드 및 SPS 장비를 이용한 벌크 열전복합체 개발
3. SPS 장비를 이용한 미세입자로 구성된 스퍼터 타겟 개발
최종목표 Final goal/target
■ 고려대학교
- 열전소재 나노라드 및 스퍼터링 타겟용 나노파티클 합성
- 고결정성 (95.0%), 고순도 (99.0%), 고수율 (0.9)의 나노물질 합성
- 방전 플라즈마 소결방법을 통한 나노라드 기반 벌크 열전복합체 구현
- 1.2-1.5의 성능지수 (ZT)를 가지는 나노라드 기반 벌크 열전복합체 구현
- ㈜ 세종소재로 나노물질 개발기술 전수
- Bulk 열전재료 및 각종 타겟 제조용 SPS 소결공정 기술개발 및 전수
■ ㈜ 정민실업, ㈜ 세종소재
- 방전 플라즈마 소결 (SPS) 장비 개발
- DC pulse generator power : 10 V, 1500 A
- 타겟 크기 2 인치, Grain 크기 500 nm 이하, 99%의 소결밀도와 99.999%의 순도를 가지는 나노구조 기반의 스퍼터링 타겟 구현
■ Ioffe Physical Technical Institute
- SPS 장비용 DC Pulse Plasma (Power) Generator Simulation 및 설계기술 이전
- 열전성능 제어를 위한 Simulation, 공정제어 기술 개발 및 기술전수
개발내용 및 결과 Details & result of the R&D
■ 고려대학교
- 결정성 95% 이상의 나노물질 합성
- 순도 99% 이상의 나노물질 합성
- 길이 1-5 ㎛, 직경 60-90 nm 의 Bi₂Te₃/Bi₂Se₃ 코어/쉘 나노라드 합성
- 길이 약 1 ㎛, 직경 10-20 nm 의 PbSe 나노라드 합성
- 길이 약 1-5 ㎛, 직경 50-100 nm 의 SnS 나노라드 합성
- 길이 0.5-3 ㎛, 직경 40-50 nm 의 ZnO 나노라드 합성
- 직경 약 5 nm 의 CdSe/ZnSe 코어/쉘 나노파티클 합성
- 직경 20-30 nm 의 Au 나노파티클 합성
- 직경 3-5 nm 의 Au 나노파티클 합성
- 직경 약 10 nm 의 TiO₂ 나노파티클 합성
- 열전 성능지수 (ZT) 1.21 (나노라드), 1.32 (코어/쉘 나노라드) 를 나타내는 Bi₂Te₃ 나노라드 및 코어/쉘 구조 기반 벌크 열전소재 제조
- ㈜ 세종소재로 나노물질 개발 기술 효과적으로 전수
- Bulk 열전재료 및 각종 타겟 제조용 SPS 소결공정 기술개발 및 전수
■ ㈜ 정민실업, ㈜ 세종소재
- 방전 플라즈마 소결 (SPS) 장비 개발
- DC pulse generator power : 15 V, 2500 A
- 타겟 크기 2 인치, Grain 크기 100-300 nm, 99%이상의 소결밀도와 99.999% 이상의 순도를 가지는 Au, ZnO, TiO₂ 스퍼터링 타겟 구현
■ Ioffe Physical Technical Institute
- ㈜ 정민실업으로 DC Pulse Plasma (Power) Generator 및 플라즈마 제어 기술 효과적으로 전수
- 열전성능 제어를 위한 Simulation, 공정제어 기술 개발 및 기술 전수
기술개발배경 Background of the R&D
열전소재 및 SPS 소결성형 장비 설계기술에 대하여 원천기술을 보유하고 있는 해외 공동연구기관인 러시아 Ioffee 물리연구소, 나노 분말 합성에 관한 핵심기술을 보유하고 있는 주관기관 및 참여기업의 진공장비 제작기술과 분말 소결성형 기술을 융합하여 본 사업을 공동으로 추진하여 국내에서 단시일 내에 습득하기 어려운 원천핵심 기술인 SPS 소결성형 장비, 고성능 bulk 열전소재 및 스퍼터링 타겟을 개발하고자 함
■ Spark Plasma Sintering (SPS) facility
- 세라믹 복합체 및 금속분말을 10분 이내의 공정시간에 소결 성형
- 분말의 화학조성과 크기가 소결성형 공정 동안 유지될 수 있음
- 성형체의 소결밀도는 종래 Hot pressing 성형체에 비하여 높음
- SPS 성형법은 고품질 열전소재와 스퍼터링 타겟을 제조할 수 있는 가장 이상적인 성형시스템임
- 현재 국내는 연구용 및 산업용급 SPS 성형장비를 제조할 수 있는 전문 기업이 없음
■ 열전소재
- 고온부와 저온부의 온도 차이를 이용하여 전기에너지를 발생하는 열전소자는 최근 들어 그린 IT와 관련하여 나노기술을 기반으로 한 새로운 열전소재 및 소자 개발이 활발히 진행중 임
- 열전소자는 신체에너지, 체열, 등을 이용한 ~uW/㎠급 부터 모듈을 대형화할 경우 태양열, 자동차 및 공장 폐열 등을 이용한 ~수십W/㎠급의 발전에 적용 될 수 있음
- 현재 국내는 고효율 열전소재를 전문적으로 제조할 수 있는 기업이 없음
■ 스퍼터링 타겟
- 스퍼터링 타겟은 IT디바이스 박막성형 구조용 핵심소재
- 완제품의 품질 및 성능을 좌우하는 고부가가치 핵심원천 소재임
- SPS 방법에 의해 성형되어 작은 결정입자와 코팅 박막의 균일도가 향상된 각종 산업 적용 고품질 박막형성용 스퍼터링 타겟을 제조하는 국내 소재업체의 국산화 실적이 없고 전량 수입에 의존하는 대표적인 무역역조 제품임
핵심개발기술의 의의 Meaning & potential contribution of the core technology
본 사업에 의해 제안된 기술인 SPS 장비, SPS에 의해 제조된 나노라드 기반 벌크 열전복합체, 스퍼터링 타겟 및 그의 나노분말 합성방법은 현재 국내뿐만 아니라 전 세계적으로도 개발 초기 단계에 있는 핵심 부재 기술이어서 효과적인 기술개발 시, 해당 기술의 뿐만 아니라 해당 기술이 적용된 제품에 대한 폭발적인 수요 전망으로 인하여 즉시 상용화로 진입이 가능한 기술이다.
SPS 장비의 경우 현재 일본의 Sumitomo 사에서 전 세계 점유율의 약 90%를 차지하고 있는 상황으로 국내 원천기술의 개발을 통해 세계 시장 점유 및 국산화가 필요하다. 또한 열전발전, 열전 냉난방 시장은 현재까지 그 규모가 매우 작으나 앞으로 무한한 가능성을 내포하고 있으며, 스퍼터링 타겟 시장의 경우 고품질 박막 형성을 위한 타겟의 개발이 절실한 상황이다.
나노분야의 경우 벌크로의 응용이 어려운 문제로 인해 상용화가 어렵다는 한계가 있었으나, SPS 성형 방법을 이용하여 손쉽고 단시간 내에 나노물질의 형상 및 성질을 유지한채 고밀도 벌크 소결체의 구현이 가능하게 된다. SPS 성형방법에 의한 나노라드 기반 벌크 열전복합체는 나노구조의 장점을 유지할 뿐만 아니라 계면 효과로 인해 기존의 물질보다 뛰어난 열전 성능을 나타낼 수 있으며, 또한 쉽게 상용화 될 수 있다는 장점이 있다. 스퍼터 타겟의 경우 SPS 방법을 이용한 나노분말의 소결을 통해 미세 결정립을 가지는 타겟을 구현하여 고품질의 박막 형성이 가능하다.
적용분야 Applicable areas
■ 방전 플라즈마 소결 (SPS) 성형 방법
– Fine ceramic materials (oxides, carbides, nitrides, etc.)
– Functionally graded materials (ceramic-metal and other materials featuring heat resistance, hardness, electrical conductivity and grading, etc.)
– Electronic materials (thermoelectric semiconductor, target, magnetic and dielectric materials, etc)
– Nanophase materials
– Hard alloy tool materials (ceramic cutting tools, corrosion and wear-resistant materials, etc.)
– Diamond tool materials
– Biomaterials
– Porous materials
– Mold and die materials
■ 나노라드 기반 벌크 열전복합체 (NBTCs)
– Seat cooler/heater
– Refrigerator/Cup cooler/heater
– Defrost/demist
– Quiet/auxiliary HVAC (campers/vans/trucks)
– HVAC (small diesels)
– HVAC (hybrid/electric/fuel cell vehicles)
– HVAC system replacement (cars/trucks)
– Temperature/heat flux sensors
– Humidity sensors
– Electronic component cooling/control
– Laser diode coolers
– Exhaust gas power recovery
– Radiator/engine heat power recovery
– Co-cycle generation
■ 스퍼터링 타겟
– Photovoltaic cells (CIGS, TCO, Au, Mo)
– Phase change memory devices (GST, Au)
– Metal electrodes (Au, Mo)
– Displays (TCO)
– Light emitting diodes (TCO, Au)
– Biosensors (TCO, Au)
– Optical sensors (TCO, Au)
– Thermal sensors (TCO, Cu, Au)
– Gas sensors (Au, Mo)