한양대, 깨지지 않는 ‘고탄성 세라믹’ 플랫폼 기술 개발

[이데일리 신하영 기자] 한양대 연구팀이 고열에서도 깨지지 않는 고탄성 세라믹 플랫폼 기술을 개발했다.

왼쪽부터 교신저자 한양대 엄영호 교수, 공동제1저자 한양대 김민지(석사), 최혜서(석사과정생) ※사진 제공=한양대

한양대는 엄영호 유기나노공학과 교수팀이 이러한 연구 성과를 거뒀다고 4일 밝혔다.

연구팀은 소결 공정 없이도 복잡한 3차원 구조를 구현할 수 있는 고탄성 세라믹 도우(dough) 성형 기술을 개발했다. 세라믹 특유의 깨지기 쉬운 성질을 극복하고, 극한 환경에서도 안정적으로 작동하는 모듈형 구조체를 구현한 것이다.

세라믹 소재는 단단한 구조를 만들기 위해 고온에서 구워내는 ‘소결 공정’이 필수적이었다. 하지만 이 과정에서 성형 후 가공이 어렵고 작은 충격에도 균열이 쉽게 발생하는 한계가 있다. 특히 우주항공이나 차세대 파워 반도체처럼 고온·고전압·열충격이 발생하는 환경에서는 구조적 안정성과 절연·방열 특성이 요구된다.

연구팀은 이런 요구를 충족하는 소재 개발을 위해 질화붕소(hBN) 기반 세라믹 입자 반죽에 아라미드 슈퍼섬유를 첨가제로 도입하는 혁신적 설계안을 적용했다. 나노·마이크로 스케일의 섬유가 세라믹 입자 사이를 연결하며 균열 전파를 막는 ‘브릿징 구조’를 형성, 소재가 점탄성(viscoelastic)을 갖게 했다. 이를 통해 별도의 가열 없이도 밀가루 반죽처럼 압출·프레스·몰딩 방식으로 복잡한 형상을 빠르게 만들어낼 수 있는 ‘세라믹 도우(dough)’ 플랫폼을 완성했다.

개발된 고탄성 세라믹 도우는 높은 세라믹 충진율을 유지하면서도 성형 후 구조 붕괴 없이 안정적 형태를 유지했다. 또한 소결 없이는 모래성처럼 무너지던 기존 세라믹 구조체와는 달리 균열 저항성과 에너지 흡수율이 월등히 높았다.

이번 연구는 한국연구재단과 한국기술진흥원의 지원을 받아 수행했으며 한양대 김민지 석사와 반도체공학과 최혜서 석사과정생이 제1 저자로 참여했다. 교신저자는 엄영호 교수가 맡았다. 연구 결과는 재료공학 국제 저명 학술지(Advanced Materials) 2월 5일 자에 게재됐다.

엄영호 교수는 “이번에 개발한 기술은 세라믹을 고온 소결 기반의 취성 소재에서 탈피, 성형 가능한 구조 소재로 전환한 플랫폼 기술”이라며 “우주항공, 차세대 파워 반도체 등 다양한 응용 분야로 확장할 수 있는 기술”이라고 설명했다.