조선대..신소재공학과 신소재공학개론

1주 제1장 신소재와 미래사회 1. 제2차 신소재 혁명 1) 광통신 섬유(광 파이버) 가) 정보통신과 신소재 - 정보화 시대; 세계가 동일한 정보를 공유 현금지급기, 팩시밀리, 각종 뉴스 등 - 광통신 섬유를 이용한 대량정보를 신속히 제공 나) 광섬유 - 20 마이크로미터의 석영유리 섬유 - 하나 당 1만회선 전화통화 - 광신호로 전해져 디지탈화가 가능; 1초에 일억개의 신호 송출 - 빛 투과율; 빛이 물질을 통과하면 세기가 감소 반감거리; 판유리 15 cm 수도물 4 m 광학유리 5 m 다) 광섬유 제조공정 - 산화규소(SiO2 ; 실리카); Quartz(수정, 석영), Quartz sand 융점; 1610 oC - 석영유리; 석영을 녹여 냉각시킨 유리 빛의 투과율이 가장 양호한 고체 - 광파이버용 석영유리; *초고순도 석영 사용 *10데시벨의 광손실(1킬로미터 통과시 1/10 광세기 감소) * SiC4, GeCl4, O2, H2,를 석영유리 내에서 MOCVD 방법으로 제조 * MOCVD 방법(그림1-0) - 광파이버 구조 및 원리(그림 1-1) * 코어(core); 게르마늄 성분이 추가되어 굴절률이 큼(0.5%) * 클래드(cladd); 석영이 주성분으로 굴절률이 적은 부분 * 실리콘 및 폴리머 외피; 광파이버 보호용 * 광파이버 원리; 굴절률 차이에 의한 빛의 전반사 이용 2) 전자재료 가) 신소재 특성 및 응용 예 - 전자제품 및 컴퓨터 부품; 미사일 헤드 - "재료를 지배하는자가 기술을 지배한다" - 신소재 특성 * 방대한 노하우와 고가의 설비 * 유능한 기술자 나) 압전모터의 응용 - 카메라 자동초점 기능; 렌즈의 전후 이동으로 가능 - 압전모터 사용으로 소음이 적고 변속이 가능한 링모양의 모터 등장 - 자동차 창유리의 개폐, 좌석의 각도, 위치 조정용 모터로 사용 다) 압전세라믹스 - 전기적 신호를 진동(기계적 신호)으로 바꾸거나 진동을 전기적 신호로 바꾸어 주는 세라믹스 - 대표적인 세라믹스; 수정, PZT [ Pb(Ti,Zr)O3 ] - 응용; 압전모터, 초음파 진동자(가습기, 부저), 압전센서(세탁기, 맥박측 정, 의료용, 어군탐지기, 소나, 가스라이터 등) 라) 압전모터 원리(그림 1-2) - 링모양의 압전체에 저기신호를 가하면 파동이 형성 -> 회전진동으로 변환 - 링의 중심에서 방사형으로 12-20개 원통형으로 나란히 세워 전극배치 - 압전체의 앞 뒤에 붙인 전극의 각조에 거는 전압파형 에 시간차를 두어 전기신호 공급 -> 링표면의 부풀어 오른 부분이 원통위를 움직여 링 이 회전 마) 압전 액튜에이터 - 액튜에이터; 변위를 만들어내는 구동장치 - 압전체; 1000볼트 가압시 5마이크론 변형 - 1cm 당 일만볼트가 최대전압 -> 이상인 경우 절연파괴 - 다층압전체; 얇은 압전체를 플러스, 마이너스가 교대로 적층 -> 큰 변형(100마이크로 정도)을 얻을 수 있다. - 과학계측, 고속프린터, 연료주입장치에 사용 3) 신소재 공업 가) 신기능재료 개발 - 부존자원이 부족한 나라 -> 고 부가가치를 갖는 신기능 재료 개발 - 파인세라믹스 - 고분자 분리막 - 비정질 합금 - 파인 폴리머 - 화합물 반도체 나) 국가적 장기연구 프로젝트 - 공업기술기반 과제 - 산업기술기반과제 - G7 프로젝트 - 창의적 연구과제 - 산업기술 기반 과제 다) 우주, 항공산업과 소재 - 로켓엔진의 고성능화; 내열합금재료, 항공기용 복합재료 - 연료제조기술(액체질소, 액체수소) 2주 2. 신소재 물성 1) 물질의 기본적 특성 가) 소재의 종류와 특성 금 속; 광택성, 연신성 -> 금속결합 세라믹; 광투과성, 고강도, 취성 -> 이온결합, 공유결합 고분자; 성형성, 열분해성 -> Van der Waals 결합 화학결합력; 원자간 결합을 이루는 힘 나) 소재의 성질; 구성원자, 결합의 종류, 상의 분포에 의해 결정 cf) 원자구조 다) 금속결합 - 결합원리;개개의 원자가 최외각 전자를 버린다음 양이온이 자유전자운(free electron cloud)에 둘러싸여 기하학적 배열을 하는 결합 - 결합력; 양이온과 자유전자운간의 정전기적 인력에 의해 표시. 결합력이 약하다. 연성, 전성이 크다. - 금속; 양이온의 격자사이를 자유전자가 돌아 다니는 고체 - 자유전자; 전기나 열을 잘 전달(열과 전기의 도체) 예) 주기율표에 나오는 대부분의 금속(1,2,3족 원소) 라) 이온결합 - 결합원리; 전자를 주고받아 생긴 양이온과 음이온 간의 정전기적 인력에 의해 결합 - 결합력; 양전하와 음전하간에 작용하는 쿨롱인력과 Van der Waals 척력의 합에 의존; 이온간 거리의 제곱에 역비례 결합력이 강하다. 결합의 방향성이 적다. 예) 소금, 알루미나 등 - 전기전도체, 열부도체, 취성 마) 공유결합 - 결합원리; 원자간에 최외각 전자를 공유하여 이루어진 결합 - 결합력; 궤도간에 전자를 공유하므로 강한 결합력을 갖는다. 특정한 방향으로 전자를 공유하므로 방향성을 갖는다. 예) 대부분의 세라믹스(산화물, 질화물, 탄화물, 붕화물) - 열적, 전기적 부도체, 높은 강도와 취성을 갖으며, 열에 강하다. 라) Van der Waals 결합 - 분극이 진행된 분자간의 결합 - 결합력이 매우작다. - 플라스틱이나 고분자 물질 2) 재료(물질)의 조직제어 1) 재료의 미세구조 - 재료를 수백-수십만배로 확대하였을 때의 물질구조(그림 1-4) - 광학현미경(-2천배) 전자현미경(수백-수백만배) 원자현미경 (원자구조 관찰) - 결정; 원자가 3차원적으로 규칙적인 배열을 갖는 상태 - 단결정; 하나의 결정으로 이루어진 물질 다결정; 작은 결정의 집합체 박막; 수 Å에서 수mm 까지의 2차원적 두께를 갖는 박편 형상의 물질 bulk; 3차원적으로 형상을 갖는 물질 fiber(파이버); 가는 실모양을 갖는 재료 whisker; 장단축비가 20 이상인 분말 가) 입자와 입계 - 재료; 대부분 작은 결정또는 입자(grain)의 집합체 - 입계(grainboundary); 입자간 경계 원자배열이 다른 결정간의 경계 내부보다 에너지 상태가 높고 원자결함이 많다. - 다결정체 재료; 결정입자의 성분, 크기, 모양에 의해 특성과 성능이 변함. 정밀한 제어가 필수 (fine ceramics) - 미세조직 제어기술은 신소재 개발의 핵심기술 - 예) 주철의 미세구조 성분; 철과 탄소(탄소량에 따라 철의 강도가 달라짐) 조직제어; 열처리 방법에 따라 성분분포, 입자형상, 입자크기이 달라 지고 이에따라 철의 강도가 크게 변함 조직관찰; 연마 및 에칭 후 광학현미경이나 전자 현미경으로 관찰 나) 주사전자현미경(SEM; Scanning Electron Microscopy) - 물질에 전자파를 조사한 후 반사된 전자파를 영상처리하여 미세조직을 관찰(그림 1-5) - 최고 10-30만배 까지 관찰가능 - 가격이 싸고 시편준비가 간단. 3) 신소재와 물질의 순도 - 신소재; 재료의 특정기능 만을 발현시킨 재료 - 미세조직과 물성제어를 위해서는 고순도를 유지하는 것이 필수적. - 불순물(impurities); 원하지 않는 물질로서 공정 중에 어쩔 수 없이 포함되는 물질 - 첨가물(additives, dopant, processing aids); 물성제어나 공정제어를 위해 넣어주는 제2의 물질 - 불순물의 유입; 원료 중 또는 공정 중 유입 가) 불순물의 영향 - 적은 양이라도 기계적, 전기적 물성에 치명적 예) 알루미나 - 보오크사이트(Al2O3.2H2O)에 NaOH를 첨가하여 제조 -> 알루미나 분말 에 0.5%의 Na2O가 입계에 잔류 -> 전기절연성 저하, 조대입자 성장으로 기계적 물성 저하 초래 -> 0.05% 이하로 제어해야 신소재로 적합 나) 고순도 재료 - 전자기 및 반도체 재료에서 특히 중요 - 반도체용 실리콘 단결정; 99.99999999(ten nine); 100kΩ의 전기저항 (절연체) - 원소도핑(0.1 ppm); 원자 1000만개에 1개꼴; 저항이 1/1000로 감소 p형 반도체; 붕소(B) 도핑 n형 반도체; 인(P) 도핑 -> 붕소나 인이 포함된 가스를 고온에서 침투시켜 양과 깊이를 제어 다) 고순도 정제 - 99.9% 알루미나 분말 1kg; 15,000원 - 99.99% 알루미나 분말 1kg; 150,000원 - 원료 제조기술; 고순도 정제기술 (저비용 고효율), 고도의 기술과 고 투자비용이 소요 3) 제3세대 세라믹스 - 세라믹스;무기물에 열을 가하여 만든 제품 - 고전세라믹스; 도자기, 유리, 시멘트 - 파인세라믹스; 엔지니어링 세라믹스, 전자세라믹스, 반도체세라믹스 - 세라믹스 원료;광석 등 천연원료, 인공합성원료 - 세라믹스 종류; 산화물, 진화물, 탄화물, 붕화물, 황화물, 인화물 등등 - 세라믹스의 제조; 분말합성 -> 성형 -> 소결 -> 가공 가) 하이테크 세라믹스 제1세대 세라믹스; 도자기, 벽돌 등 생활용품이나 건축용품 제2세대 세라믹스; 광물을 정제하여 제조된 실리케이트계 공업용품. 시멘트, 내화물, 연마재, 유리 등 제3세대 세라믹스; 파인세라믹스 예) 알루미나 기판 (VLSI용); 전기적 부도체이면서 열의 양도체, Na2O의 양을 제어가 필수적 나) 알루미나 기판 - 반도체 제조에 필수적 - 두께; 0.6미리(LSI 용) - 표면에 회로인쇄 - 제조방법; 닥터블레이드법 다) 세라믹스 소결 (그림 1-6) - 미립자를 뭉쳐 불에 구우면 딱딱하게 변함 - 강도증가, 밀도증가 - 원리; 원자의 확산에 의한 결합력 증가 - 구동력; 미세입자의 과도한 비표면적(excess surface energy) - 분말야금 - 치밀화; 성형밀도(40-60%) -> 소결밀도(95-100%) - 입자성장 - 고밀도, 미세입자의 미세구조가 세라믹스에서 바람직 4) 세라믹스 가스터빈 - 1976년 중동전쟁반발시 석유파동때 부터 미국에서 개발시작 - 가스터빈; 1350oC의 가스속에서 분당 15만번 회전 수명이 길어야 사용 가능 - 1981년 일본에서 개발시작 가) 미국에서의 세라믹 엔진 개발 - 1982년 세라믹스 가스터빈 엔진 시제품 개발 - 탄화규소 세라믹스 사용 (작동온도; 1350oC); GE Co. - 질화규소 세라믹스 사용( 작동온도; 1300oC); 포드사 * SiC; 난소결성 재료 -1983년 이후 연구중단 나)독일에서의 세라믹스 엔진개발 - 벤츠사에서 시제품 자동차 개발 - 고비용의 세라믹 엔진 개발 -> 실용화 불가 *세라믹스의 기계적 특성 - 취성 - 미세한 표면균열이나 내부결함에 쉽게 파괴 - 강도가 큰 대신 가공하기 어렵다. - 소결후 연마하여 가공 - 현재는 사출성형에 의해 제조-> 가공량이 적어 비용이 적다. 다) 일본에서의 세라믹스 엔진기술 - 질화규소를 기본소재로 하여 개발 - 내열온도는 낮으나 소결이 쉽고 열충격에 강하다. - 제조공정; 1마이크로 이하의 질화규소 분말 제조 -> 소결촉진제 첨가 -> 수십- 백기압의 질소가스 내에서 가스압 소결 ->소결시간 단축 및 분해방지 -> 고밀도 미세입자를 갖는 소결체 제조 - 가스터빈 엔진 원리(그림 1-7) - 터보차저 세라믹스 날개 (그림 1-8) * 비파괴 검사 - 재료의 파괴없이 결함을 검사하거나 수명예측을 하는 검사방법 - X-선, 초음파, 레이져를 사용하여 검사 라) 세라믹스 엔진의 실용화 - 일본 토요타 자동차는 세라믹 터보차저를 탑재하여 실용화(95년 이후) - 고 유가시대(배럴당 40불 이상이거나 석유자원이 고갈되는 경우)에 도달 하거나 화석원료에 의한 환경오염이 심해지면 실용화 가능 * 세라믹스 엔진의 장점 및 단점 - 작동온도가 높다 -> 열효율이 매우 높아 에너지를 크게 절약 -> 완전연소가 가능하여 환경오염이 적다. - 고온강도가 크다 -> 냉각장치를 없애거나 크게 줄일 수 있다. -> 부속품의 수가 줄며 차체중량이 적어 에너지 절약 - 취성에 의한 파괴 및 수명예측 곤란 -> 신뢰성이 적다. - 비싸다. -> 결함이 작고 적은 균질한 제품의 생산과 완전한 비파괴 검사 체제 확립 이 필수적이며, 대량생산 및 원가절감으로 코스트를 낮추어야 실용화 가능 3주 제 2장 강해지는 세라믹스 1. 변화하는 신소재의 상식 1) 열충격 저항성 유리(뜨거운 물을 부어도 깨지지 않는 유리) 가) 석영유리 - 일반유리 ; 열팽창계수가 크다. -> 열충격 저항성이 낮아 적은 온도변화에 도 열응력이 형성되어 파손됨. - 석영유리; 열팽창계수가 낮다. -> 높은 열충격 저항성을 가짐 -> 웬만한 온도변화에도 깨지지를 않는다. (4 x 10-5) - (석영+TiO2 첨가)유리; -20 ∼ +180에서 열팽창계수가 거의 0 나) 유리의 구조 (그림 2-1) - 원자의 배열이 불규칙한 무기재료(단범위는 규칙적, 장범위는 불규칙) - 석영계 유리; Si 를 중심으로 산소가 사면체를 형성한 배위 다면체가 산소 를 공유하며 연결된 구조 (3차원 망목구조); Si가 불규칙한 배열. 연화점이 1300oC 임 - SiO2가 규칙적으로 배열하면 수정결정(Quartz) 임. - 규산소다유리; Na2O가 석영유리 내에 들어가 망목을 끊고 열린구조(open structure) 를 갖는 유리 -> 열팽창 계수가 크고 낮은 용융점을 갖는다. 연화점이 700oC 정도 -> 낮은 온도에서 가공이 편리. 다) 결정화 유리 - 반도체 기판, 천체만원경의 유리; 초 저팽창성 유리가 필수적 - 결정화 유리; 유리에 결정을 석출시켜 유리의 성질에 결정의 성질을 결합시킨 중간성질의 재료로 열팽창 계수가 매우 낮다. - LAS(Li2O.Al2O3.SiO2)계 결정화 유리; 열처리시 유리내부에 수십나노미터의 미세 석영결정이 석출되고 가열하면 미세결정의 수축이 일어나 전체적으로 열팽창계수가 -100∼200oC에서 0이 됨. - 정밀광학 부품재료, 가스레인지용 냄비 및 방화용 창문재료로 사용. 2) 고강도 유리(사람이 올라서도 깨지지 않는 유리) - 1m2 당 500kg의 하중을 견디는 유리판이 생산됨 - 대형 수족관, 유리못 등에 사용 가) 유리의 고강도화 a) 높은 영률을 갖는 유리 제조 σ= Eε (σ; 응력 ε; 변형률, E ; Young's modulus) - 창유리; Na2O-CaO-Al2O3-SiO2 영률; 70GPa( GPa; 10t/cm2) - 알루미나 및 이트리아 첨가 창유리; 100-120 GPa b) 고강도 결정화 유리 제조 - 유리 내부에 침사이나 섬유상 결정 석출 -> 침상이나 섬유상 결정이 균열전파를 저지 -> 고강도화 (최대 5배) - 결정화 유리의 강도 (그림 II-2) c) 휘스커 강화유리 - 탄화규소(SiC) 또는 질화규소(Si3N4) whisker를 분산시켜 복합결정화 유리 제조 -> 600 MPa 이상의 강도 (MPa; 10Kg/cm2) * 휘스커;장단축비가 20 이상인 분말 - 1000oC에서 최고강도 발현 , 높은 파괴인성을 갖음 * 파괴인성(Fracture toughness); 균열전파에 필요한 에너지 * 복합재료; 두가지 이상의 물질이나 상을 포함한 재료 짚을 섞은 토담, 철근 콘크리트, 탄소섬유 복합재 등 d) 응용 - 고성능 방탄유리, 유리못, 에 응용 - 자동차 부품, 기계부품, 대형 수족관, 도난방지용 유리(박물관, 미술관 등) - 내열유리 (제철소 등 공장) 3) 특수 유리 - 반도체용 유리 - 광학유리 또는 레이져용 유리 - photochromic 유리 - 적외선 투과유리, 적외선 차단유리 - 자외선 차단유리 - 내화학 유리 등 4) 경량화를 지향하는 신소재 - 오토카메라, 디지탈 카메라; 경량화 및 단순화 -> 실용성 - 비디오 카메라 ; 오토 포커스, 소형화, 편리성 (액정 모니터) - 경량화 소재; 플라스틱, 세라믹스 가) 플라스틱 소재 - 고강도, 내구성 플라스틱의 출현 -> 소재의 경량화 및 활용범위 확대 - 기계부품용 또는 엔지니어링 플라스틱-> 알루미늄보다 강도가 큼 - 각종 전자제품, 자동차, 비행기, 기계부품, 초소형 모터 등에 활용 나) 지구환경과 경량소재 - 경량 자동차 -> 연비향상(20% 이상) -> 대기오염 경감 - 전기자동차, 수소연료 자동차, 알코올 자동차 - 전기자동차; 자동차 무게 및 배터리 성능에 효율성이 크게 의존. -> 경량화가 요구됨 다) 초고속전철 - 시간당 200-400 km 주행 - 알루미늄 합금을 본체로 하여 경량화 -> 1/4가량 무게 감소 - 고 제조비용이나 에너지 절약 및 실용성으로 수지타산을 맞춤 5) 신소재와 건축물 (그림 II-3) - 초고층 건물; 콘크리트 구조물에서 철골구조물로 전환 - 강도가 10배 이상 증진된 강재 사용 - 철은 인장강도에는 강하고 압축강도가 약하다 -> 무게를 줄여야만 된다. 가) 철근 없는 콘크리트 - 철근 콘크리트; 철근은 인장강도에, 콘크리트는 압축강도에 강하므로 상호 보완적임 - 피아노선 + 콘크리트; 철도 침목 제조에 활용 - 콘크리트 + 탄소섬유; 콘크리트 패널 제조 -> 빌딩 건축에 활용 * 탄소섬유; 머리털 굵기의 탄소로 이루어진 세라믹스 낚시대, 스키판, 골프클럽, 테니스라켓 제조에 활용 무게는 철의 1/3, 인장강도는 철의 50배, 항절강도가 약함 나) 고분자 섬유강화 콘크리트 - 아라미드 섬유강화 콘크리트; 아라미드 섬유로 제조된 막대를 콘크리트에 강화시킴. -> 자기반응이 없어 군사적 건물 설치에 사용 -> 자기부상열차 궤도에 응용 * 아라미드 섬유; 나이론 보다 강함. 강하나 착색이 어려움 타이어, 방탄조끼에 활용 다) 기타 건축용 신소재 - 인조대리석, 수평몰탈, 접착제, 발포세라믹 내장재, 각종 도료, 안료, - 유리(투명, 반투명), 원적외선 세라믹스(벽돌, 벽지) 등 4주 2. 세라믹스 재료의 새로운 흐름 1) 세라믹스 엔진 가) 세라믹스 엔진의 개발 - 1970년대 미국; 세라믹스 가스터빈 엔진(그림 II-4) - 1990년대 일본; 세라믹스 터보차저의 실용화 나) 제트 엔진의 회전날개 -연료가 연소하면서 발생한 고속의 고온가스가 분출하는 노즐 속에서 회전 - 이회전을 엔진 전방의 공기흡입구내 공기압축날개에 전달 -> 다량의 공기압축 -> 엔진에 전달 - 내열합금으로 제작 - 표면에 작은 구멍을 뚫어 열을 방출하므로서 과열 방지 - 1000oC 이하에서 사용 다) 세라믹스 엔진의 장점 - 고온작동으로 에너지 사용 효율이 높다. - 1300oC에서도 사용가능 - 취성이며, 가공성이 나쁘다. 라) 1300oC 작동 무냉각 자동차용 소형 가스터빈 엔진 개발 -> 터보차저의 실용화 2) 터보차저의 실용화 가) 내연기관 - 피스톤 왕복 사이클에 의한 동력기관 ; 가솔린 기관, 디젤기관 - 왕복엔진의 고온 작동시 문제점 가솔린 기관; 가솔린의 착화온도가 낮아 연료의 점화 전에 불이 착화됨 디젤기관; 흡입된 공기가 데워져 공기농도가 희박 -> 문제점 나) 터보차저 - 엔진에 압축공기를 넣어주는 장치; -> 기관 출력 증대 - 회전 원동력; 엔진에서 뿜어낸 배기가스(700oC) -> 내열합금으로 제조 - 가속성능의 터보차저; 경주용 가솔린 소형차 다) 세라믹스제 터보차저 (그림 II-5) - 내열합금; 코발트가 주성분(비중 8) - 비중 3인 세라믹스로 터보차저 제조 -> 엔진의 가속성능 증대 라) 질화규소 세라믹스 가스터빈 - 제조방법 (사출성형); 질화규소 분말 + 플라스틱 분말 -> 혼합 -> 가열 (200oC) -> 날개모양의 금형에 사출 -> 냉각 후 탈형 - 느린 가열(가소제 제거) -> 고온소성 (1700oC) - 상품화; 닛산자동차 탑재 제조사; 일본 가이시, 일본특수도업 3) 초소성 세라믹스 가) 초소성 지르코니아 세라믹스 - 고온에서 응력을 주었을 때 변형랴이 큰 세라믹스 - 소성가공이 가능 - 지르코니아 세라믹스; 1450oC 에서 소성가공 가능 - 미립자로 형성된 세라믹스 소결체에서 가능(0.5㎛ 이하) -> 잘 미끄러진다. 나) 초미립 세라믹스 소결체 제조방법 a) 상압소결; 소결체 융점의 2/3되는 온도에서 2-5시간 소결 -> 밀도 증가와 동시에 입자가 커진다. b) 미립자 성형체를 낮은 온도에서 짧은 시간에 소결하면서도 고밀도 소결체를 얻는 방법 -> 가압소결 또는 고압소결(Hot Press, or Hot Isostatic Press) c) 입성장 억제제 첨가방법; 입게사이에 이물질이 존재하여 물질이동 방해 예) 지르코니아 + Cu or Mn; 1450oC에서 50초 동안 2배 변형 -> 형틀에 대고 압력을 주어 성형 가능 다) 초소성 Bioceramics - 인공 뼈, 관절, 치아에 사용 - 아파타이트 세라믹스 (Ca10(PO4)6(OH)2) - 1000oC에서 3배 인장 가능 * 뼈나 치아에 사용되는 재료; 알루미나, 티타늄, 유리, 아파타이트 등 라) 초소성 엔지니어링 세라믹스 - 0.5㎛ Si3N4 + 0.2㎛ SiC 복합세라믹스 -> 1600oC 에서 초소성 발견 - 복잡한 엔진부품에의 활용성이 크다. 4) 나노 복합재료 가) 고강도 세라믹스 - 미립 고밀도 소결체 - 입자가 크면 내부가 불균질화될 확률이 크다 -> 균열원(crack origin)이 많다 -> 강도가 낮다. 나) 나노복합재료 - 0.1 ㎛ 크기 이하의 입자를 분산시켜 복합화한 재료 - 미세입자를 결정입자 내부나 입계에 석출 예) 알루미나 + 탄화규소 미립자(5% 분산) 강도; 350 MPa -> 1,500 MPa 증가 파괴인성 50% 증가 예) 0.5㎛ Si3N4 + 나노 SiC 복합세라믹스 -> 강도가 2배 향상 다) 절삭 세라믹스 - 탄화규소 + Si, C 함유 유기 화합물 -> 1600-1900oC 에서 소결 - 입계에 비정질 탄화규소가 석출되어 탄화규소 입자를 강하게 결합시키는 구조 - 1500oC에서 450MPa의 고강도 -> 선반가공 가능 *결 정; 원자가 3차원적 규칙성을 가지면서 배열된 물질 *비정질; 원자가 불규칙적으로 배열된 물질 ** 미세조직 제어 세라믹스 ** 원자가 제어 세라믹스 5주 제3장 금속에 도전하는 고분자 1. 가장 많이 사용되는 신소재 고분자 1) 진화하는 플라스틱 재료 - 자동차 창틀, 휠카바; 플라스틱에 크롬 도금 -> 엔지니어링 플라스틱 - 플라스틱의 평균 비중; 1.3 (철의 1/7) - 플라스틱의 생산량 = 철의 생산량 (부피기준) - 플라스틱; 고분자(polymer)에 첨가재를 넣어 혼합 성형한 소재 - polymer; 탄소, 산소, 수소원자 또는 분자가 쇠사슬 모양으로 연결된 분자 집단 - 환경오염문제 대두 및 재활용 방법 모색이 관건 가) 미국의 플라스틱 개발 - 1970년대 부터 GE사를 중심으로 전력투구 - 플라스틱 성형기술을 중점개발 나) 플라스틱의 두 성질 a) 열가소성 - 가열하면 연화(softening)되고 식으면 경화 (hardening) 또는 단단해지는 성질 - 성형가공(사출, 또는 압출)이 용이하다. - 폴리에틸렌 양동이, 염화비닐 파이프 등 생활용품, 건축용 플라스틱 제조에 이용 - 경화시간이 짧으나 강도가 약함. * 사출; 가열 연화된 플라스틱을 형틀에 넣어 성형하는 공정 * 압출; 가열, 연화된 플라스틱을 형틀을 통하여 뽑아내므로써 행하는 성형 공정 b) 열경화성 - 가열하면 단단해지는 플라스틱 - 쇠사슬모양의 분자가 그물구조로 변하면서 경화 -> 강도 증가 - 최종적으로 산소와 수소가 날아가면서 탄소만 잔류 -> 탄소 및 탄소섬유 - 경화시간이 길지만 강도는 높다 - 자동차나 기계부품 등 엔지니아링 플라스틱에 활용 2) 엔지니어링 플라스틱 - 기계나 자동차 등 고강도를 요하는 곳에 사용되는 플라스틱의 총칭 - 자동차 범퍼, 소형기어 등 기계부품, 가전제품 외관 등 - 그림 III-2; 고분자의 사슬구조 가) 엔지니어링 플라스틱의 종류와 역사 - 1960년대 듀퐁 사에서 처음 개발(상품명; POM, 폴리아세탈) - 내마모성 및 강도 우수 -> 기어제조에 이용 - 마찰열에 변형되지 않도록 내열성이 요구됨 - POM; 100-140oC에서 변형 가격; 5000원/kg, 휨탄성률; 3톤/cm2 - PET수지 (폴리에스테르계 수지); 휨 탄성률이 10-15톤/cm2으로 가장 큼. 가격; 7,000원/kg, 성형성이 나빠 가전제품의 외장부품으로만 사용 - PBT계 수지(폴리 에스테르계 수지); 내열성은 낮으나 강도가 크고 정밀성 우수. 접속용 소켓 등 전기부품에 응용 나) 나일론(듀폰사 상품명) - 분자내에 아미드기(NHCO-)기를 둘이상 함유한 폴리머의 총칭 -> 폴리아미드 - 열가소성이며 내열성, 내충격성, 내약품성 우수 - 높은 온도에서 성형 - 가격; 8,000원/kg - 나일론 66(변형온도 250oC)이 저가격으로 대량생산되어 사용 - 자동차 엔진룸의 각종부품(스파크 플러그 캡 등)에 사용 - 물을 약간씩 흡수하여 약해지도 부피도 변함 - 정밀한 전자부품에는 부적당 다) 투명 엔지니어링 플라스틱 - Polycarbonate(PC)로 유일하게 투명한 플라스틱 - 내충격성과 정밀도 우수 - CD 기판, 중급의 광학렌즈, 조명장식용 광파이버, 각종 튜브, 판재 등에 두루 사용 - 고분자 파이버; 강도가 커 각종 복합재료, 전자재료 기판(페놀수지계)용 으로 활용 2) 내열 플라스틱 - 유기물 폴리머; 열에 취약 - 내열 플라스틱; 이미드계 수지 열경화성 PEI(변형온도; 210-500oC) 가격이 알루미나에 비해 높다(경량 절연부품에 한정되어 사용) 가) 열경화성 플라스틱 - 페놀, 에폭시, 폴리에스테르, 실리콘 수지 등 - 베이클라이트; 대표적 폐놀계 수지 a) 에폭시 수지 - 둘리상의 epoxyrl를 함유한 폴리머; 경화제와 반응하여 경화 - 초기에는 접착제(상품명; araldite)로 사용되었으나 현재는 하이테크 소재 로 활용 - 현재; 40% 이상이 전자기구, 약 40%는 도료, 그리고 약 20%가 접착제로 사용 - 열경화성의 고강도 플라스틱 - 프린트 기판에 사용; 유리섬유로 천을 짠 다음 에폭시를 덮어 압력을 가 하여 박판으로 제조 -> 절연성, 열팽창계수(구리배선과 유사), 신뢰성에서 우수 나) 반도체 칩용 에폭시 수지 a) 반도체 LSI 보호용 고분자 재료 - 4MB 이상의 실리콘 칩; 세라믹스나 유리 기판 위에 고정 반대편에는 세라믹 상자를 씌우고 접착제로 밀착시켜 칩 보호 공정이 복잡하고 비용이 많이 듬 과거에는 대부분 이방법을 사용했으나 현재 4MB 이상의 칩에 주로 사용 - 4MB 이하의 LSI 실리콘 칩; 세라믹스 기판 위에 고정된 실리콘 칩을 에폭시 재료로 싸서 보호 다) 도료용 에폭시 재료 - 내수성, 화학적 안정성 우수-> 자동차용 도장, 음료수병 안쪽 코팅 라) 복합재료용 에폭시 재료 - FRP(Fiber Reinforced Composites); 섬유(세라믹스, 고분자,금속)로 플라 스틱을 강화한 재료 - 생활용품, 자동차, 열차, 항공기, 우주기기용 재료; 주로 열을 받지 않는 외장재료 - 그림 III-3; 비행기에 사용된 고분자 단열재 마) 접착제용 에폭시 재료 - 강력접차제; 항공기까지 사용 - 항공기 재료; 두랄루민(알루미늄 + 구리) ->플라스틱 복합재료 로 대체 -> 용접 대신 접착제 사용 바) 생분해성 플라스틱 - 내구성 플라스틱; 분해가 안되며 폐처리가 어렵다 -> 환경문제 유발 - 박테리아 분해성 폴리머 연구; 현재는 미세분쇄 필요하고 분해속도가 매우 느리다는 한계성을 지님. 3) 초강력 플라스틱 - 아라미드 섬유 - 케블러 섬유(Kevlar); 듀퐁에서 개발한 아라미드 섬유의 상품명 가) 케블러 섬유 - 1971년 부터 생산 - 아라미드; CO와 NH가 결합한 아라미드 결합을 갖는 긴 고리모양의 고분자 - 나이론의 일종으로 화학명은 PPTA (폴리 P 페닐렌테레프탈 아미드) - Chain 결합은 구부리기 어렵고 부러지기 쉽다. - PPTA를 용액에 놓여 체인의 방향을 맞추면 굵기 10-15㎛의 미세섬유 제조 가능 - 큰 탄성률(나이론의 10배)과 인장강도(나이론의 2배) - 유리섬유와 비슷한 특성(신축성이 적다) - 타이어 보강용, 로프재료, 케블러 로프, 벨트 - 특수용 의복; 유도복, 방화복, 방탄조끼 등 - Bulk 상태로는 사용될수 없는 단점이 있다. * 아라미드 섬유의 특허분쟁; pp 82-83 4) 플라스틱과 환경문제 - 분해되지 않는 플라스틱 - 태우면 유해가스(다이옥신 등) 발생 - 실용성과 환경문제에 관련된 문제 과거; 실용성만 강조 -> 사용량 증가 -> 환경오염 대두 -> 자율규제 시행 - 유럽; 염화비닐 사용금지 검토 - 박테리아 분해성 플라스틱 개발 등 5) 기타 플라스틱 - 전도성 고분자, 의료용 고분자, 필터용 고분자 등 6주 1. 신소재 탄소 1) 탄소의 용도 - 탄소섬유 활용소재; 스키판, 테니스 라켓, 콜프샤프트, 낚시대 등 - 각종 자동차, 비행기, 기계부품에 활용 가) 탄소의 구조 - 표준조건에서 탄소이 결정구조; 흑연 - 수평; 6개의 탄소원자가 벤젠고리형 구조를 형성하며 강한 공유결합력을 갖음. 탄소원자간 거리; 1.4Å - 수직; 벤젠고리형 탄소가 반데어발스의 약한 결합 형성 탄소원자간 거리; 6.7Å 나) 탄소재료의 특성 - 전기전도성, 벽개성, 윤활성 - 내열성 (불활성가스나 질소가스 중에서 3500oC까지 사용 가능) - 고온강도 우수(고온으로 갈수록 강도 증대) - 공기중에서는 700oC 이상에서 산화 - 공업용 복합소재, 전극, 활성탄, 필터재료, 탄화물세라믹스 원료 등에 사용 예) 철강의 정련용 전극봉; 직경 50cm, 길이 10m의 대형전극이 대량으로 사용 다) 흑연의 제조 - 원유 정제 후 남은 피치가 주원료; 피치 가열 -> 비정질흑연 -> 2000dC 이상으로 가열 -> 흑연화 진행 -> 흑연구조 형성 -> 가공성 증가 -부품 가공 라) 반도체 제조용 흑연 - 고온용 도가니 또는 보트, 지지대로 사용 예) 8인치(20㎝) 실리콘 결정성장; 50㎝ 석영도가니를 70㎝ 탄소도가니에 넣고 공정진행 - 흑연용기; 고주파유도에 의해 열 발생-> 순도가 높아야 증발에 의한 오염 억제 가능 - 직경 80㎝ 흑연용기; 1000만원/개 이상 마) 원자로용 흑연 - 핵융합로 내벽에 사용 - 핵융합; 중수소와 3중수소의 플라즈마를 100만도 이상으로 가열 -> 핵융합이 일어나면서 에너지와 중성자 방출 -> 노 내벽에 중성자 충돌 - 노내벽 재료는 중성자 충돌시 원자분리가 어렵고 분리된 원자내에 무거운 원자가 없어야 하는데 흑연이 최적 재료임 - 중성자 흡수능력이 우수 -> 중성자 차폐재로 이용 2) 탄소섬유의 종류와 용도 - 탄소섬유의 굵기; 10㎛로 같은 굵기의 피아노 선보다 강하다. - 탄소섬유 다발, 탄소섬유 천 등으로 만들어 사용 - CFRP; 탄소섬유를 에폭시 재료에 강화시킨 복합재료 스포츠용품, 항공기 부품으로 사용 *스페이스 셔틀의 화물실 여닫이 문; 3.6 X 18.3m의 탄소복합재료 사용 가) 탄소섬유 종류 a) PAN계 탄소섬유 - 1961년 poly-acrylonitrile 고분자로부터 일본에서 제조 - 인장강도 우수; 항공기용 b) 피치계 탄소섬유 - 피치를 가열하여 섬유형태로 늘인 다음 아르곤 가스 중 800-1200℃로 가열하여 제조 - 원료가 싸서 비용이 적으나 섬유의 인장강도가 작다. - 유니온카바이드에서 고순도 피치를 사용하여 고강도, 고탄성 탄소섬유 제조. -> 고비용 -> 탄소섬유; 수십만-100만원/Kg *KFRP(Kevlar FRP) 나) 탄소섬유의 응용 - 항공기, 인공위성의 부품재료 - 스포츠용품 업체 3) C-C 복합재료 - 스페이스 셔틀의 앞부분과 주날개에 사용 - 그림 III-6 - 대기권 진입시 기체부분의 온도는 1000oC이상의 고온이 됨. 최고 1450℃. - 1200℃ 이상인 부분; C-C 복합재료 사용 - 1200℃ 이하인 부분; 실리카 타일 사용 가) C-C 복합재료의 제조 - 탄소섬유를 탄소로 굳힌 복합재료 - 고온강도가 크다. - 탄소섬유를 섬유로 짜고 빈공간을 탄소로 채워 복합재료 제조 - 섬유로 천을 짜는 방법에 따라 복합재료 특성이 변함. - 탄소섬유에 탄소함유 유기물(주로 피치)을 천 사이에 도포시킨 후 가열하여 탄소만 빈공간에 남게 함 - 가스발생에 의한 빈공간이 형성 -> 가압소결 방법으로 완전 치밀화 나) 스페이스 셔틀용 C-C 복합재료(RCC) - 전표면의 3.4%, 무게 1.7톤 - 섬유; 나이론 탄화로 제조 - 섬유로 짠 직물에 페놀 수지 투입 -> 고압가스 속에서 열처리 -> 알코올 을 투입시켜 탄화조작 3회 반복 -> 산화방지를 위해 표면에 실리콘을 증착 가열시켜 탄화규소(SiC) 보호막을 만들어 준다. 다) 기타응용 - 브레이크 패드 - 로켓노즐의 단열재(그림 III-7) -1500oC 이상에서 사용되는 기계부품 - 초음속 제트기 내열보호재 *오리엔트 익스프레스; 미국공항 -> 대기권 탈출 ->대기외에서 비행 -> 대기권 비행 -> 아시아 공항 도착; 2시간으로 워싱톤-> 도쿄 비행 7주 제 4장 진보하는 새로운 합금 1. 고온에서도 강한 합금 1) 탄소와 강철의 강도 - 대표적 금속재료; 철 - 철 생산량; 약 1억톤의 조강능력 - 粗鋼; 용광로에서 나온 상태의 강철(탄소 등 불순물이 함유됨) - 철의 종류와 성질; 탄소의 함유량에 따라 의존하며 분류됨 예) 순철, 주철, 강철 등 가) 철의 상변태 및 탄소 함유량 - 철의 용융점; 1540℃ - 1540 - 730℃; 면심입방구조(FCC)를 갖는 austenite. 2.1% 까지 탄소 함유 - 730℃ 이하; 체심입방구조 (BCC), 철을 0.02%까지 함유 Austenite가 갖고 있던 일부 탄소(2.08%)가 철과 반응하여 Fe3C(cementite) 생성 *FCC(face centered cubic) *BCC(body centered cubic) *SC(simple cubic) *HCP(hexagonal closed packing) - 강(Steel); 탄소를 0.02-2.1% 함유한 철 - 연강(mild steel); 탄소를 0.02% 이하로 함유한 철 - 주철; 탄소를 2.1%이상 함유한 철로 탄소가 철속에 모두 고용되지 못하고 일부가 구형입자나 바늘형상 입자로 석출되어 있다. 녹는점이 낮아(1440℃ 이하) 간단한 설비로 용해가능 -> 모래 형틀 에 부어 성형체 제조(주조) - 주철에서 형성되는 탄화철의 형태는 탄소의 양, 냉각속도에 의존한다. - 마르텐사이트 변태; 용융 주철을 급냉시키면 730℃에서 상변태(FCC->BCC) 가 일어나면서 침상의 탄화철 조직이 층상으로 배열한다 -> 마르텐 사이트 조직 -> 강도가 매우 큰 철이 생성됨. 나) 강철을 이용한 검의 제조 a) 검의 요구특성; 날끝은 단단하고 중심은 유연성을 가져야 한다 b) 검의 주요성분 - 검의 주성분; 탄소를 1% 함유한 옥강으로 제조 - 검의 날끝; 탄소성분이 많은 철을 사용 - 날의 중심; 옥강보다 탄소성분이 적은 철을 사용 - 검의 외피; 날 부분을 제외하고 탄소성분이 중심보다 약간 많은 철로 코팅(皮鐵) c) 검의 제조; 가열 단련 -> 열처리 - 단련; 접합부에 남은 녹, 불순물울 제거하고 조직을 균질하게 만드는 공정 - 열처리; 불에 달군 다음 물에 담그는 공정(담금질) 칼표면에 진흙을 부분적으로 발라 냉각속도 조절 표면은 급냉되어 강하고 내부는 이보다 서냉되어 질긴 강재가 됨 - 연마; 표면을 매끈하게 하는 작업 2) 휘스커(섬유) 강화 금속 복합재료 - 휘스커; 장단축비가 20이상인 미세분말(바늘모양 형태) - 강도 및 탄성률이 큰 휘스커나 섬유를 금속에 분산시키면 강도가 큰 재료를 제조 할 수 있다. * FRM - 첨가 휘스커 또는 섬유; 탄화규소 섬유, 알루미나 섬유 등 - 휘스커가 첨가되면 금속에서의 전위이동이 억제되어 강도가 증가한다. * 전위(Dislocation)란 ? 3) 초내열합금 가) 제트엔진 내 공기흡입팬(그림 IV-2) - 내열 고강도 요구 (새가 들어가도 부서지지 않아야 됨) - 엔진에서 분출되는 고온가스로 흡입구 팬을 회전(내열합금이 필요) - 고온가스의 온도에 따라 열효율 결정 예) 가스온도 1000℃ -> 열효율 28% 1200℃ -> 열효율 34% 1400℃ -> 열효율 37% -> 열효율이 높을수록 이산화탄소의 배출양이 적다 -> 소형이며 가벼워야 됨 -> 초내열합금(superalloy)이 필요 나) 초내열합금 - 고온강도가 커 고온변형이 적다 - 고온내식성이 크다 -> 전투기 엔진의 추진력이 발전의 원동력 - 1940년부터 1970년 까지 매년 내열온도 10℃ 증가(740->1050℃) - 니켈계 합금; 니켈 + 크롬(10-20%) + 코발트(20%) + 기타원소(5-6종) -> 가스터빈 내 고속회전날개에 응용 -> 크롬은 산화하여 표면피막 형성으로 고온가스에 의한 내부 침식방지 ex) MAR-M246 - 니켈+텅스텐(10%)+크롬(9%)+코발트(10%)+Al, Mo, Ti(수%) +C,Fe,Zr,B,Tl,Cu(미량) - 내열온도; 1000℃ - 코발트계 합금; 코발트 + 크롬(20%) 다) 초내열합금의 설계 - 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 방법 - 단결정화에 의한 내열온도의 향상방법 라) 단결정 초내열합금 a) lost wax에 의한 주조방법 - 왁스로 거푸집 제조 -> 왁스주위에 가는 모래부착으로 정밀주형 완성 ->용융합금 주입 -> 왁스가 녹아 모래속으로 침투 -> 합금주조품 완성 b) 입자의 단결정화 - 용융합금의 서냉->수mm-1cm정도의 결정입자(단결정)를 갖는 합금제조 -> 입자미끄럼이 방지되어 내열성 향상 -> 열처리 조건과 기압방법을 이용하면 단결정으로 된 터빈날개 제조가 가능 * 세라믹스 단결정; 각종 반도체 재료나 광학재료로 응용 단결정 Si; 반도체 단결정 GaAs; 광 디바이스 대표적 제조방법; Czochralski 방법, Bridgemann 방법 등 8주 9주 4) 입자분산강화 금속 복합재료 가) 알루미나 분산 알루미늄 합금(SAP) - 알루미늄 분말의 공기중 볼 분쇄 -> 알루미늄 표면에 알루미나 형성 - Hot press로 실린더형 bulk 제조 - 열간압출 -> 알루미나 분산합금 SAP 제조 - 알루미나가 알루미늄 중에 균질히 분산됨 나) 입자분산 초내열합금 - 입자분산 금속 -> 전위이동 억제 -> 고온강도 보강 a) 이트리아 분산 초내열합금 - 1000℃이상에서 강도와 화학적 안정성이 우수 - 입자크기가 작고 균질하게 분산(입자간 거리가 0.5㎛이하)되면 효과 大 b) 이트리아 분산 초내열합금의 제조 - 합금 미립분말 제조; 분무법으로 10㎛이하의 분말제조 - 합금분말과 이트리아 분말(0.5㎛이하) 혼합; attrior에 의한 기계적 합금법 * 기계적 합금화 방법 - hot press에 의한 소결 - 현재는 0.1㎛의 이트리아 입자를 분산 - 내열온도; 약 1200℃ 2. 형상기억합금(Shape Memory Alloys) - 일정온도 이상에서 모양이 얻어진 합금을 실온에서 변형시켰다가 다시 일정 온도로 올리면 원형태로 되돌아가는 합금 가) 달표면 안테나에 응용된 NiTi 합금(그림 IV-3) - 1969년 달표면에서의 파라볼라 안테나에 응용 - 150℃에서 접시형 파라볼라 안테나를 조립 -> 실온에서 소형으로 변형 -> 달나라 운반 -> 달표면에 안테나 설치 -> 태양열 (200℃)에 의해 파라볼라 형태로 복원 - 내구성 및 형상기억능이 우수 - 비싸다 나) CuAlNi 합금 - 값이 싸나 반복 사용할 때 형상기억능이 크게 떨어짐 다) 전투기용 형상기억합금 - 니티놀은 비싸나 가벼워 비행기에 사용 a) 전투기의 NiTi 파이프 이음매 - 니티놀의 형상기억온도; 니켈과 티타늄 조성변화로 -50-100℃까지 조절 가능 - 변형온도 영하 20℃에서 파이프이음매 제조(외경 12.5mm, 내경은 파이프의 바같지름보다 0.5mm 작게 제조) - 영하 196℃의 액체질소에 이음매 담금 -> 충분한 냉각상태 유지 - 냉각상태에서 이음매 안지름을 1mmwjd도 확대 - 이음매에 파이프 십입 -> 실온으로 온도 증가 -> 형상기억에 의해 원래크기로 파이프 이음매 축소 -> 강한접속상태 유지 라) 구리계 형상기억합금 이음매를 이용한 조리개 - 형상기억합금의 변형온도; 냉각과 승온시 변형온도의 차이가 있음 니티놀; 10℃ 구리계합금; 100℃(올릴 때 70℃, 내릴 때 -30℃) - 실온에서 이음매 안지름이 파이프 바깥지름보다 약간 작은 이음매 제조 - 이음매를 영하 30℃로 냉각 - 실온에서 안지름을 파이프 바깥지름보다 약간 크도록 넓힘 - 이음매에 파이프를 결합시켜 70℃이상으로 가열 - 이음매 수축 -> 단단한 결합 유도 마) 형상기억합금 응용 자동건조기 및 에어컨의 자동풍향조절기 - 스위치 역할 - 니티놀응용 - 왕복운동하는 형상기억합금 (그림IV-4) - 형상기억합금 용수철; 저온에서 수축 -> 고온에서 형상기억에 의해 팽창-> 온도 변화에 따라 왕복운동 가능 바) 초탄성을 갖는 형상기억합금 - 큰 변형을 가해도 고온에서 제자리로 돌아감 - 변형에너지가 주로 탄성변형에너지로 존재함 - 안경테, 브래지어 라) 형상기억합금 원리 - 저온형과 고온형간의 상변태에 기인 ex) 니티놀 - 고온형; 면심입방 - 저온형; 체심입방 - 고온형 -> 저온형; 마르텐사이트 상변태(원자의 확산이 아닌 비틀림에 의해 상변태가 진행(많은 쌍정이 생성됨) - 저온형을 변형시킴(결정면의 미끄러짐에 의한 변형이 아니고 원자의 단체이동에 의한 변형) - 가열에 의해 변형된 저온형 -> 고온형 상변태가 일어남 원자가 원위 치에 옴) -> 형상기억 10주 제5장 전자공학에 필수적인 신소재 1. 전자공학과 신소재 1) LSI의 집적도 - I.C, LSI, VLSI, ULSI ... - 8-12mm 실리콘 판위에 100만개 트랜지스터 집적 - 마이크로칩 - 256K, 1M, 4M, 16M, 64M, 256M, 1G, 4G, 16G, 256G ... - 그림 5-I LSI 2) 실리콘 단결정 - Chip; 실리콘 단결정을 얇게 절단하여 그 위에 트랜지스터를 심어놓은 형태 - 실리콘 단결정; 결함이 없어야 양호한 단결정 직경이 클수록 단가가 싸다 현재는 15-25츠가 표준품으로 제조 가) 실리콘 단결정의 제조 a) 원료 - 원료; 규석 또는 규사 - SiO2 + C(코크스) -> Si (98-99%) + CO2 b) 고순도화 - Si + 염산 -> 트리클로로시안(SiHCl3(aq), 비등점 32℃) -> 가열 -> 냉각 반복 -> 정제된 트리클로로시안(ten nine) - 트리클로로시안 -> 가열분해 -> 고순도 Si 분말 (단결정 원료) - 그림 V-2 c) 단결정성장방법 - bridgemann 방법; 도가니 속에 Si를 녹여 서서히 냉각시키는 방법 결함이 적은 큰 결정을 만들 수 없다. - Czochlaski 법; 녹인 용융물에 종자결정을 넣고 서서히 잡아당겨 단결정 을 성장시키는 방법. 결함이 적고 큰 단결정 제조가 가능 하여 대부분 이 방법 사용 다) Czochlaski 법에 의한 Si 단결정 제조 (그림 V-3) - 실리콘의 용융온도; 1412℃ - 가열방법; 흑연용기에 코일을 감은 다음 고주파 전류를 흘려 발열(고주파 유도용해로) - 사용도가니; 흑연도가니 내에 석영유리도가니를 넣어 사용 - 온도오차 범위; 0.05℃ - 종자단결정; 일정한 결정방위를 갖도록 제조 - 종자결정을 용융액 표면에 댄 다음 돌리면서 서서히 윗쪽으로 끌어올려 냉각시키며 제조 - 최대직경 ;25cm(직경이 클수록 불균질해짐) - 직경이 클수록 종자결정이 있는 부위에 하중이 커져 깨질 우려 있음 - 고순도 Si 단결정; 저항이 큰 부도체 - 산소와 탄소가 어느정도 불순물로 혼입되나 전기저항에는 별영향 無 라) Si 반도체 - 실리콘에 0.1 ppm의 붕소(p-type) 또는 인(n-type)을 첨가 -> 반도체 - P형과 n형 반도체로 트랜지스터 제조 마) wafer 가공 - 단결정을 1mm이하로 가공 -> wafer - 다이아몬드 saw로 가공하여 연마 3) 광 단결정 가) 루비; 알루미나 + 크롬 -> 단결정 -> 레이져 발광소자 사파이어; 알루미나 단결정 -> 내마모 광학재료 에머랄드; 알루미나 + Fe -> 단결정 나) 레이져 발광소자용 단결정 - 루비; 맨처음 레이져 발광소자로 실용화 -> 구멍뚫기 가공용 등(주파수; 694nm, 적외선) - Nd-YAG; 현재 가장 많이 사용되는 고체레이져용 단결정(주파수; 1,064nm, 적외선) - 레이져광; 일정한 주파수를 갖는 전자파군 다)발광다이오우드 - 다이오드; p형과 n형을 접합한 것 - 발광다이오드; 접합면에서 빛이 나오는 다이오드 - 다이오드 종류에 따라 접합면의 끝 부분에서 모든색이 빛이 방출됨 - 소비 전력이 작고 수명이 길다 -> 네온사인, 쇼윈도 디스플레이, 전기제품 디스플레이 라) 반도체 레이져 - 광 다이오드에서 나오는 빛을 이용한 레이져 - 접합면에서 나온 빛이 밖으로 나오지 못하도록 가둔다음, 빛을 증폭시켜 레이져를 조사하도록 한다. - 갈륨비소 레이져 반도체 -> n형의 갈륨비소 반도체를 굴절률이 작은 p형과 n형의 알루미늄.갈륨. 비소로 씌우고 다시 그 바깥쪽을 n형과 p형의 갈륨.비소로 씌운다. - 광통신용 광원으로 사용; 1초에 10홐의 점멸이 가능 - 레이져 디스크, 컴팩트디스크, 레이져프린터에 응용 마) 화합물 반도체 - 광 검출소자, 태양전지, 광다이오드 등에 활용 - 갈륨비소 단결정; 전자속도가 실리콘 보다 3배 빠름 -> 컴퓨터, 통신용 소자로 기대 - 제조의 난점 - 50-100mm 크기 제조 (그림 V-4) 2. 센서와 신소재 1) 시각센서(그림 V-5) - 무비카메라의 소형화; 촬상관의 소형화에 기인 -> CCD(Charge-coupled device) 카메라의 개발로 가능 가) CCD 카메라 - CCD; 빛이 닿으면 전기가 흐르는 실리콘 광 다이오드 수십만개를 칩 (20X20 mm)에 집어넣은 수광소자 - 빛을 일정시간 저장한 뒤 방출하여 검출하는 것이 가능 - 전하를 저장하는 시간; 1/100초 -> 이신호가 TV 브라운관 상의 1점의 명암 형성 - 적은 빛에도 선명한 상을 형성; 인간의 눈보다 더 감각적 - CCD 카메라의 분해력; 실리콘 칩에 넣는 다이오드의 수에 의존 제조법은 LSI용 마이크로 칩과 유사 나) 빛을 감지하는 칼코겐 화합물 - 칼코겐; 황(S), 셀렌(Se), 텔루르(Te) 등 삼원소를 총칭 - 비정질 셀렌; 빛이 닿으면 전기저항이 낮아져 전류가 흐름. -> 복사기 개발 (제록스사의 건조복사기 감광막) - 비소(As)-셀렌(Se)-텔루르(Te) 화합물; 빛에 대한 전기저항의 변화가 민감 -> 3원소로 감광 박막개발; 사치콘 -> 텔레비젼 촬상관의 광소자로 실용화 -> 영상이 깨끗하고 시간분해의 성능ㅎ양호; 방송용, 고분해 영상용 카메라 에 활용(소형불가) 다) 스파이 위성의 눈 - 가시광선 영역; 400-720 nm 파장의 빛 영역 - 적외선(열선); 720 nm 이상의 파장을 갖는 빛. ·파장이 길어 공기중에서 흡수가 적다. ·인공위성에서 지구관측에 사용(지표온도 등) - 군사위성; 고감도 적외선 카메라 탑재(24시간 군사이동 감시) - 열추적 미사일 - Pin point 폭탄(목표만 정밀폭격하는 폭탄); 비행기가 2대 1조로 구성 ·1대: 목표를 향하여 적외레이져 광선 발사 ·1대; 적외선 검출센서 탑재 레이져 반사광 유도미사일 투하 라) 적외선을 감지하는 텔루르 화합물 - 적외선 감지센서; 인체의 온도분포 측정 -> 암진단에 활용 - Hg-Cd-Te 화합물 반도체 결정; 적외선 감지성능 우수하여 센서로 활용 - 1mm 크기로도 가능, 조성의 불균질이 문제임 마) 비결정질 센서 - 필름모양의 2차원 적외선 센서 개발 - Si-As-Te 화합물의 비결정질 반도체막 사용 -> 한면에 투명한 점 모양의 전극을 붙여서 시각센서로 활용 - 소형카메라로 제작하여 군사용, 수송기계(자동차, 배) 운행용으로 사용 (그림 V-5) 2) 청각센서 - 인간의 귀; 20-20,000 Hz 청취 가능 가) 초음파 센서 - 종파로 주파수가 높으며, 인간은 청취불가, 횡파보다 속도가 빠르다. 밀도가 높은 부분과 충돌하면 반사(메아리) - 펄스; 단시간 음파의 집단 예) 1MHz(1초에 100만번 진동)의 초음파를 1000번 진동시킨 시간; 1/1000초) -> 청취불가 - 펄스를 이용한 수중 거리 측정 및 및 물체형상 확인; sonar 등 -> 군사용(잠수함의 수중 음파 탐지기 등), 어군탐지기, 초음파 검사기 등에 활용 나) 초음파 발사 원리 - 초음파 펄스 발사 및 검지 소자; PZT(Pb(Zr,Ti)O3 세라믹스, perovskite 구조 - 압전체; 물체에 압력을 가하면 순간적으로 전압을 발생하거나, 물체에 전기를 가하면 신축을 나타내는 물체 예) 수정, BaTiO3, PZT, LiNbO3 등 - 수정; 온도에 따른 진동특성의 변화가 적어 시계에 이용 ·수정칩을 공진시켜 이 진동으로 시간 조절 - PZT; 압전성능이 가장 우수 - 초음파 진동자; PZT 양면에 금속코팅으로 전극을 입히고 양면에 리드선을 달아 고주파를 가하면 소자가 진동하여 초음파 발생 - 큰 진폭을 얻을 경우 공진시킴; 공진주파수는 PZT 물성, 진동판 두께로 결정 다) 초음파 검출원리 - 박쥐; 성대로 발사, 고막으로 감지 - 초음파 센서; PZT로 검출 ·반사된 초음파가 PZT에 닿으면 진동하여 전압유기 ·발사 후 반사된 초음파가 되돌아 오는 형태와 시간으로 부터 형상과 거리 측정 라) 재료의 파괴와 음향방출 - 재료에 힘을 가하면 균열이 발생하면서 미세한 초음파 방출 - Acoustic emission(재료가 파괴직적에 내는 초음파 음향) - 재료표면에 PZT를 붙여 음향을 검출하므로서 재료가 파괴되기 전에 감지하 는 것이 가능 -> Intelligent Materials 3) 인공지능형 로봇 가) 감각로봇 - 깨어지기 쉬운 물건을 집어올리는 로봇 - 감지, 단순작업 반복 - 물체인식; 광센서, 또는 CCD 카메라 이용 - 물체 집어올리기; ·1mm 정도 까지 로봇의 팔을 물체에 접근 ·손가락 해당부분을 물체에 접근시켜 닿는 순간 정지시킴 ·다른 손가락을 반대편에서 접근 시켜 집어올림 - 기술적 노하우; ·팔을 순간적으로 정지시키기 ·손가락 끝에 걸려 있는 힘의 감지(손가락 끝에 많은 점 스위치 부착) 나) PVDF 압전체 - 고무 + 탄소가루; 전도성 고무 ·누르면 수축하고 전기저항도 감소 ·감각센서 기능 - PVDF 고분자; 폴리불화 비니덴 ·압전체로 박판제조 가능 ·표면에 전극을 그물모양으로 프린트; 2차원 센서 ·회로에 컴퓨터를 연결하면 순간적인 물체이동 감지 4) 가스센서(후각센서) - 냄새 중에 포함된 물질의 양; 10-4g/cm3 -> 개발의 난점 가) 세라믹 가스센서 - 실용화 가스센서; 가정용 천연가스나 프로판 가스 - 센서원리; 가스가 센서표면에 흡착하여 변하는 전기저항을 검출 가스가 센서표면에서 연소하여 나오는 열량 검출 - 센서종류; 산소, 수소, 일산화탄소, 메탄가스, 암모니아 가스, 알코올 등 다양 나) 가스센서의 문제점 ·하나의 센서로 모든 가스를 검지할 수 없다. ·한번 부착된 가스는 바로 제거되지 않음; 가열하여 제거(히터가 부착됨) 5) 기타센서 - 압력센서; 청각센서와 비슷한 원리로 압전소자 응용 - 이온센서; 특정한 이온을 검출 미각센서나 공해배출이온 검지 - 온도(열 센서); 열이나 온도 감지 화재방지센서, 도난방지용 센서, 자동 문 등에 활용 11주 3. 초프로세스 기술에 의한 전자공학재료 1) 더욱 소형화되는 전자회로 - 전자회로의 구성; 트랜지스터, 콘덴서, 코일, 저항으로 구성 - 실리콘 칩 위에 1억개의 트랜지스터가 집적된 1기가비트 VLSI가 시제품으로 제작. - 수요보다 제조기술이 앞서가는 상태; 기술력 확보가 시장경쟁에서 유리하나 대규모 투자액에 대한 위험부담이 상존 가) 사람에게 용이한 디스플레이(그림 V-6) - 액정화면 ·편리한 기능 ·장시간 사용시 눈이 피로 ·화상이 완벽하지 못함 ·발전가능성이 매우 큰 부분으로 대규모 투자가 진행됨 예) TFT-LCD 는 우리나라가 최고수준 - 전자제품의 소형화 ·트랜지스터의 고집적화, 저항, 콘덴서, 코일의 소형화가 필수적 ·코일의 소형화가 가장 큰 문제; 구리선을 감아 만드는 코일은 한계가 있 음; 지름 10미크론 구리를 감아 1mm 크기로 꼰 코일이 가장 작다. 2) 강유전체로 만드는 소형 콘덴서 - 유전체; 분극되기 용이한 물질 - 콘덴서; 유전체를 전극 위에 샌드위치 모양으로 배열하여 면적을 크게 만든 전자부품(capacitor라고도 함); 그림 V-7 유전율이 소재일수록 용량이 큰 콘덴서를 제조 가) 고유전율 유전체; 티탄산 바륨(BaTiO3) - 콘덴서의 용량; 전극(유전체)의 면적에 비례하고 두께에 반비례 적층시켜 면적을 크게 함; multilayer capacitor(MLC) - 세라믹 콘덴서; 소형 고용량 - 콘덴서 제조기술 ·전극을 입힌 유전체를 적층하여 소결(전극의 용융점 이하에서 소결) ·입자크기가 적은 고밀도 소결체 제조(기공이 적은 소결체)가 필수적 ·소결체내 기공이 있으면 방전이 일어나 유전체 성능이 저하됨 ·현재는 5㎛n 정도로 입자크기 제어 ·콘덴서의 두께; 20-50 ㎛ ·전자회로 사용전압; 10 volts ex) 20㎛ 크기의 콘덴서에 10 volts의 전압 인가 -> 1㎝ 크기에 5000 volts가 걸리는 상태임 -> 작은 기공이 있으면 방전이 일어나 콘덴서 기능이 파괴됨 나) 콘덴서 제조공정 - BaTiO3 + 고분자 첨가제(분산제, 결합제, 가소제 등) + 용매 -> 혼합하여 slurry 제조 -> 플라스틱 필름 위에 넓게 펼쳐 건조시켜 green sheet 제조 (tape-casting 또는 Doctor blade method) -> 시트 한면에 금속입자(은)로 된 paste를 printing하여 전극 도포 -> 시트를 20-50장 집적 -> 한변이 3mm 정도인 칩으로 절단 -> 칩측면에 전극 부착(내부전극이 지그재그 형상이 되도록) -> 소결 다) 입계이용 소형 콘덴서(Boundary layer condenser;BL condenser) - 입자와 입계 - 입계를 콘덴서, 입자를 전극으로 활용 - BaTiO3를 N2(H2)가스 분위기에서 장시간 가열 -> 입자내에서 산소가 일부 빠져나와 전기저항이 감소 -> 질소가스를 산소가스로 치환하여 열처리 -> 표면부는 산화되어 절연체가 되나 내부는 저항이 낮은 상태로 유지됨 -> 입자는 도체로 전극역할, 입계는 절연체로 유전체 역할을 하는 BL반도체가 됨 - 입계두께; 0.1㎛으로 면적이 매우 큼 -> 대용량 콘덴서로 활용 - 그림 V-8 헤드폰 앰프에 사용되는 칩 3) 원자를 다루는 기술 가) 원자 개개를 제어하는 기술 - 미세탐침에 전압을 인가하여 초 진공상태에서 원자 방출 - 탐침과 기판간의 거리 ; 0.1㎛ - 원자현미경의 원리도 비슷 나) Molecular Beam Epitaxy(MBE) - 원자를 기판 위에 인공적으로 한층씩 쌓아가는 기술 - 초진공하(10-8 torr 이하)에서 진행 -> 원자가 뭉쳐 미립자로 성장하는 것을 억제 ex) 철-구리 원자층이 상호병령 연결된 초박막 제조 - 철의 용융점 근처에서 Fe 원자를 증발 -> 적당한 원자수가 증발하면 증발 차단 -> 기판 온도를 제어하여 철원자 부착 - 구리원자를 증발시켜 기판 위에 부착시킴 - 원자층 두께를 정확히 측정하여 단층으로 제어하면서 반복조작 - 원자층 두께 측정 방법 ex) 원자층이 수백층인 두께 -> 기판 상하에 고주파 전압을 걸어 생기는 공진 주파수로 측정 공진주파수는 두께에 따라 민감하게 변화 ex) 단층인 경우 ; Rheed 방법 -> 진공 중에 기판을 향해 전자를 방출하고 반사된 전자선의 강도와 패턴을 이용하여 배열상태의 변화를 확인 -> 한 원자층에 다른 원자층이 쌓이면 전자선의 강도와 패턴이 변화 * 재료의 표면성분 분석에도 사용 다) 극한기술; 초고온, 초저온, 초고압, 초저압(초고진공) 등 가) 초고진공 - 1기압; 780 torr - 일반적인 진공조작; 1차 로터리 펌프, 2차 Diffusion pump(기름의 증발응축이용) -> 10-6 torr 까지 얻음 - 초고진공; 분자축류 펌프 이용 ·터빈 날개를 분당 10만회 이상 회전시켜 기체분자를 강제로 배출 ·baking; 진공용기를 실온에서 200℃로 가열시키면서 진공조작하는 방법 -> 흡착가스가 한꺼번에 제거됨 ·분자축류 펌프와 baking을 동시에 조작; 10-8 torr의 초고진공 얻음 - 인공격자; MBE법에 의해 얻는 인공 다층구조 박막 - 화합물반도체와 초전도체 인공격자에 관한 연구에 응용 12주 제6장 에너지와 신소재 1. 혁신적인 무공해 에너지 1) 태양전지 - 무공해 태양전지; 저전력을 요하는 각종 전자제품에 실용화 비정질 실리콘 등 반도체 세라믹스 사용 - 에너지원이 무한하고 공해가 적음 - 변환 효율이 낮아 대규모 면적이 필요 - 여름-겨울, 낮-밤의 편차 극복, 일조량이 적은 지역에서의 문제점 존재 가) 태양전지 원리 및 소재 - p-n 반도체 접합부에 빛이 닿으면 홀과 전자의 이동이 일어나 전압이 발생 - 에너지 변환 효율이 관건임 - GaAs 결정을 이용한 태양전지; 20%의 효율 -> 효율은 최대이나 경제성이 없다. -> 인공위성 전원 등 제한된 분야에만 이용 - 단결정 실리콘; 15% 효율 ·20cm의 봉으로부터 0.5mm 두께로 잘라 사용 - 다결정 실리콘; 13%의 효율 ·용융상태에서 판상형태로 제조하여 전지판으로 사용 ·3-10 mm의 결정집합체 - 비결정질 실리콘; 7-13%의 효율 · 경제성에서 가장 유리 ·유리판 위에 0.1㎛ 두께의 실리콘 막 부착 나) 비결정질 실리콘 태양전지 제조방법 - 유리판 표면 위에 ITO(Indium Tin Oxide) 전극을 진공증착 - 전극이 부착된 코팅 박막 위에 0.1㎛ 두께의 실리콘을 CVD로 증착 ·원료; 실란(SiH4)가스 ·가스에 고주파 전류 인가 -> 플라즈마 상태(Si4+, H+, e-)로 분해 ·기판의 온도제어로 Si만 증착 -> 비정질 상태로 실리콘이 ITO 위에 부착 * 비정질 실리콘; 원자가 완전한 3차원적 배열을 이루지 못한 상태 수소가 실리콘이 일부 결합됨 - p형(미량 붕소첨가)과 n형(미량 인 첨가)의 비정질 실리콘을 접합 - p형과 n형의 접합계면에 실리콘-수소가 형성하는 높은 저항성 막 삽입 -> 광-전기 변환 효율성 증대 - 실용화된 비정질 실리콘 태양전지의 수율; 7% 다) 내구성이 약한 태양 전지 - 새로운 타입의 태양전지 ex) p형부분; 실리콘을 탄화규소로 대체 n형부분; 질화규소로 대체 -> 효율이 8-9%로 향상 - 다층구조의 태양전지; 효율 11% - 내구성이 낮다 ·초기; 효율이 10% ·1년 후; 7%로 감소 · 10℃ 이하인 경우 효율저하 2) 연료전지 - 수소와 산소 반응 -> 물이 생성되면서 전류발생 - 아폴로 우주선에 활용 (물과 전기 해결) 가) 자동차용 연료전지 - 배기가스 중 이산화탄소; 지구온난화의 주범 - 무공해 자동차 개발의 필요성 a) 제 1세대 연료전지 - 인산염 연료전지 - 인산염 용액을 다공질 세라믹스 담체에 투입한 다음 양면에 탄소전극 부착 - 마이너스 전극에 수소, 플러스 전극에 산소 공급 - 150℃ 이상에서 수소가 인산염에 녹아 H+이온이 됨 - H+이온이 - 전극 쪽으로 확산되어 산소와 반응하여 물 생성 - 음극에서는 수소가 전자를 내놓고 양극에서는 산소와 반응할 때 전자를 하나 받음 - 두전극을 연결하면 전류가 흐름 -> 발전 - 기술적인 문제점; 다공질체와 촉매 ·인산염에 부식이 안되는 다공질 세라믹스 재료 -> 탄화규소 다공질 또는 화이버로 만든 시트 ·탄소전극에 사용하는 백금촉매 -> 코스트가 높다 ·수소; 순수수소는 코스트가 높다. -> 천연가스로부터 분리된 수소와 메탄가스 활용 - 폐열발전; 수소가 이온화하면서 내는 열을 이용하는 발전 - 발전과 냉난방을 동시에 해결하는 방안으로 폐열발전 시스템 개발 b) 제2세대 연료전지; 탄산염 이용 c) 제3세대 연료전지; 지르코니아 연료전지(그림 VI-12) - 효율이 높다. - 고체상태에서 사용 - 지르코니아에서는 산소확산이 용이한 점을 이용 - 저온에서는 확산계수가 낮아 1000℃ 이상에서 작동필요 -> 초기 가열장치 필요 - 구조 및 작동원리 ·튜브 외곽; 수소를 포함한 연료가스 공급 ·튜브 안쪽; 공기공급 ·가열하면 공기 중의 산소가 이온이 되어(전자 2개 받음) 지르코니아 벽을 통과하여 수소와 반응(전자 두 개 잃음) -> 물생성 ·지르코니아 양면에 가스통과성이 있는 적극 부착하여 연결 -> 전류 흐름 3) 수소저장 합금 - 물 분해로 제조가 가능-> 자원이 무한; cost가 문제 - 천연가스 분해로 비교적 싼 값에 제조 - 가스상태로는 부피가 커 저장에 문제가 있음 - 액체수소로 저장 -> 비등점이 20.4 oK(-253oC)로 단열성이 좋은 보온병에 저장 -> 액화에 많은 cost가 소요 가) 수소저장 합금 - 수소 원자는 크기가 작아 합금 원자가 만드는 격자간 틈새로 들어가 존재 (격자간 원자; interstitial atom) ; 그림 VI-3 - 티탄합금, 마그네슘 합금 - 마그네슘과 니켈합금; 1kg 당 409 liter 수소 저장 -> 반응속도가 늦어 신속한 수소의 저장과 방출이 곤란 - 망간-티탄 합금; 1kg 당 193 liter의 수소저장 -> 단시간내 흡입저장(냉각 또는 고 수소압으로)과 방출(가열에 의해)이 가능 - 가열방법; 엔진의 배기열 사용, 초기에는 가열장치 필요 - 전지용과 수소의 정제용으로는 실용화 됨 13주 2. 초전도 재료 1) 초전도와 액체헬륨 - 초전도 물질; 온도 감소시 일정온도 이하에서 전기저항이 없어지는 물질 - 초전도체의 발견; 20C 초 네덜란드인 온네스가 수은을 냉각하면서 4.2 oK에서 전기저항이 사라지는 것을 발견 - 초전도체 물질; 수백여종 가) 영원히 전류가 흐르는 초전도 코일 - 초전도 재료로 코닝을 만들어 저온에서 전류를 흘리면 연구적으로 흐름 - 코일에 전류가 흐르면 자기장 발생; N극과 N극, S극과 S극은 서로 반발 - 초전도 코일에 전류를 흘리면서 다른 보통의 코일에 접근시키면 그 코일에도 전류가 흘러 서로 반발 -> 자기 부상 열차에 응용 나) 자기부상 열차의 원리 - 지상에 보통의 코일 배열 - 열차에는 초전도 코일 장착; 초전도 코일의 자기장에 의해 지상의 코일에 반발력 생성 -> 열차 부상 - 지면에 영구자석을 놓으면 부상력이 항상 생김 -> 무거운 짐을 먼지없이 옮길 수 있음 다) 금속계 실용 초전도 재료 - Nb3Sn; 임계온도 18 oK; 냉각제로 액체헬륨(비등점 4.2 oK) 사용 -> 제조비용이 비싸다. - Nb3Ge; 24 oK 라) 액체헬륨 - 일부 국가에서 천연가스로 부터 추출하여 액화시켜 생산; 미국, 캐나다 등 - 고가; 2만원/ L - 증발로 인하여 1개월 정도의 수명 - 연구기기의 극저온 냉각제로 사용 - 희소성 및 고가로 대량사용에는 부적합 2) 고온 초전도체 - 초전도체 활용; 자기부상, 전력저장.송전 , 전자공학 소자 등 광범위 -> 액체헬륨의 사용에는 한계가 있다. -> 액체질소(비등점 77 OK)에서도 저항이 없는 초전도체 개발 - 구리계 산화물 초전도체 ·1986년 1월 스위스 취리히에 있는 IBM 연구소 뮐러와 베르노르츠에 의해 발견; 임계 전이온도(Tc); 30 oK ·Y:Ba:Cu:O = 1:2:3:7의 산화물(123화합물) 발견 ; 텍사스 대학 추교수 -> 전이온도 90 oK (액체질소로 냉각이 가능한 초전도체) ·액체질소; 100원/L ·비스무스계 산화물 초전도체; 123 phase에 Bi 첨가 -> 임계온도 105 oK ·탈륨계 산화물 초전도체; " Tl " -> 임계온도 125 oK ·현재 공인기록; 127 oK ·유기물 초전도체; 8 oK - 표 6.1 산화물 고온 초전도체 종류 및 임계온도 14주 2) 세라믹스 초전도체의 응용 가) 전자공학에의 응용 a) 조셉슨 효과 - 초전도체 판 2장 사이에 엷은 절연체 삽입 - 전도체에 전압을 높이면 터널효과에 의해 전류가 흐름 - 전압을 낮추면 전류는 흐르지 않음 - 외부로 부터 자기장을 걸어주면 전류가 흐르는 전압의 값이 변화 b) 뇌의 자기장 측정 (뇌자계) - 조셉슨 효과를 역으로 이용하여 작은 자기장 측정 - 뇌파; 지구 자기장의 10만 분의 1로 정신상태에 따라 변화 - 뇌파 측정으로 병의 진단이나 뇌 연구에 활용 - 현재는 Nb3Ge 초전도체 사용하나 - 미래에는 산화물 초전도체를 활용, 액체질소 온도에서 사용하는 진단기계 개발 c) 조셉슨 컴퓨터 - 최대 활용분야임 - 조셉슨 소자를 스위치로 활용 - 집적과 냉각에 대한 문제점이 있슴 -> 박막 형태의 산화물 초전도체로 연구가 진행 - 그림 VI-4 조셉슨 소자를 병렬한 마이크로 칩 d) 자기실드 - 실용화 단계 - 컴퓨터 단층 촬영기(CT); 지자기, 전파, 열차, 자동차 등에서의 노이즈 자 기장에 의해 정밀계측 방해 -> 자기실드 필요 - 초전도체로 자기실드가 실용화됨(24시간 액체질소내 냉각 필요) - 기타 응용; 공장의 계측 기계, 컴퓨터의 자기 실드 나) 전기공학에의 응용; 초전도 코일 a) 초전도 코일 - 100 oK 이상에서 사용되는 초전도 코일; 년 10조원 이상의 시장 - 자기장을 만드는데 사용 - 영구적으로 전류를 흘릴수 있고 코일은 자석이 됨 - 자기부상에 응용하려면 코일의 1㎠ 당 50-100만 암페어의 전류를 흘려보 내는 것이 필요 -> 초전도가 파괴(저항 형성) - 임계전류(Jc); 초전도가 파괴되는 최대 전류 값 물질 및 형상에 의존 b) 초전도 와이어의 결함 - 가늘수록 단위면적당 임계전류밀도가 높다. - 불균질 조직이나 결함 존재시 초전도 상태가 파괴될 확률이 커짐. - 초전도 상태가 파괴된 부분에서 저항에 의한 발열 -> 주변의 초전도 상태 파괴 -> 발열 -> 와이어 파열 - 가는 초전도 와이어를 구리선 내부에 심는 방법으로 부분적 해결 가능 c) 초전도 와이어의 제조방법 - Nb3Sn의 제조방법 ·직경 5mm의 선재 제조 ·선재 30개를 구리선에 분산 ·가능 구멍속을 통하여 인발작업 반복 ·전체굵기를 1mm, Nb3Sn의 굵기를 20㎛ 되는 가는 선 제조 - 산화물 초전도체 와이어 ·금속튜브에 원료분말을 채워 선재화하여 코일을 감은 다음 소결 -> 직선 와이어의 경우 1㎠ 당 10-20만 암페어의 전류를 보내는 것이 가능 ·유기물과 섞어 코일를 제조하여 소결하는 방법 -> 큰 전류가 흐를 경우 높은 하중이 발생하여 금이 갈 확률 대 3) 자기부상에 대한 초전도체의 응용 - 코일을 사용하지 않고 부상하는 방법으로의 접근 - 강력한 영구자석 위에 초전도체를 얹으면 발발력 생성-> 자기부상 - 침상의 긴 산화물 초전도체 결정을 기지상에 석출 -> 임계 전류밀도가 큰 초전도체 제조 - 냉각시킨 초전도체 판 위에 강력한 영구자석을 놓으면 1㎝ 이상 부상 - 마찰없는 운반체 이동에 활용 가능 15주 제7장 다이아몬드와 우주 1. 새로운 다이아몬드 1) 인조 다이아몬드 - 천연 다이아몬드; 지표 아래의 자연적인 고온, 고압에서 생성 -> Kimberlite 광석에서 다이아몬드 산출 - 다이아몬드; 상온, 상압에서는 불안정한 탄소로 구성(그림 VII-1 상평형도 ) ·고온에서는 2만 기압, 1000℃ 이상에서는 4만 기압 이상에서 안정화 ·인조 다이아몬드의 합성시에는 보다 높은 압력과 온도가 필요 -> 에너지 장벽 때문 - 1950년대 G.E에서 인조 다이아몬드 합성 ·5만 기압이 발생하는 벨트장 내에 니켈과 흑연 투입 ·고온, 고압 하에서 니켈이 녹으며 다이아몬드 생성(그림 VII-2) ·니켈이 용매 또는 촉매 역할 ·최대 0.2 mm로 절삭공구용으로 사용 · 금속제 회전톱날 끝 부분에 다이아몬드를 부착하여 실용화 - 특허논쟁(영, 미, 일, 독, 한) 2) 인조 다이아몬드 - 공업용 다이아몬드; 90이상이 합성된 인조 다이아몬드 - 한국에서는 일진 다이아몬드에서 생산함 가) 다이아몬드 특성 - 경도가 가장 크다. - 열전도도가 가장 높다. -> 미래형 LSI의 기판재료로 개발 - 종자 결정성장 방법에 의해 수십개의 경정성장 -> 반도체 기판용 다이아몬드 의 실용화 나) 다결정 다이아몬드 - 소결 다이아몬드 제조에 사용 - 금속분말과 혼합하여 1000℃ 이하에서 1000기압으로 가압소결 -> 회전날에 이용 - 순수 다이아몬드의 경우 1100℃ 이상에서 4-6만 기압으로 가압 - G. E사 공구제조방법 ·초경합금(WC-Co) 판 위에 다이아몬드 분말을 깔고 고압장치 속에서 1500℃ 로 가압 ·Co가 녹아 다이아몬드 입자 사이에 침투 -> 경한 칩 제조 ·날 끝에 칩조립 -> 절삭공구 완성 - 소결 다이아 몬드의 용도 ·보링이나 터널의 굴착용으로 사용 ·굴착속도가 3배 증가 -> 공기단축, 코스트 절감 ·석유시추 탐사봉 용 다) 기상법에 의한 다이아몬드 합성 - 소련에서 시작 - 메탄가스, 수소를 섞어 텅스텐 필라멘트로 가열-> 메탄가스가 분해하여 탄소가 다이아몬드로 석출 - microwave 가열에 의한 다이아몬드 합성 ·시간당 마이크론 단위로 석출 ·알코올, 메탄가스 , 아세틸렌 가스 등으로 부터 다이아몬드 합성 - 메탄 가스에서 만들어진 다이아몬드 입자와 박막(그림 VII-3) - 다이아몬드 제조공정 (그림 VII-4) - 시간당 1mm 비율로 다이아몬드 석출 라) 다이아몬드 박막 - 수십마이크론 다이아몬드 박막은 가능, 그 이상이면 입자상 석출 - 반도체 소자로서의 가능성 ·실리콘과 같은 결정구조 · band gap이 실리콘보다 크다. -> 첨가물로 band gap 조절 ·붕소를 넣은 p형 트랜지스터는 제조 성공 2. 우주와 소재 1) 우주에서 만들어지는 신소재 가) 무중력 프로세스 - 지상에서 400Km 정도되는 우주스테이션; 무중력 상태 . 원심력과 지구의 중력이 동일하여 서로 상쇄된 상태 · 대류가 없다. ·신소재 제조 관련 실험이 가능 - 비중이 큰 금속과 비중이 작은 세라믹스 분말의 복합화 -> 무중력 상태에서는 균질한 분산이 가능 - 결함이 없는 대형 실리콘 단결정 성장 - 균질한 화합물 반도체 결정성장; 무중력하에서는 성분분리나 대류가 없어 제조 가능 -> 현재로는 마라고니 대류오 인해 실험 성과가 없다 - 마라고니 대류 ·융체표면의 온도분포차에 의해 표면장력의 차이가 형성되고, 그 차이에 의 해 일어나는 대류 현상 2) 정밀 우주실험 가) 우주정거장 - sky lab에서 다양한 실험 가능 -> 화합물 반도체와 호르몬 정제실험 - 우주정거장(그림 VII-5), 실험모듈(VII-6) -> 고온에서의 온도제어 실험(정밀도 4배 향상) 3) 경사기능재료 가) 우주비행기의 단열재 - 오리엔트 익스프레스 계획(그림 VII-7,8) - 왕복 우주선의 단열타일 사용; 매번 부분적으로 교체 - 우주비행기용 고강도 단열재; 금속으로부터 세라믹스로 연속적으로 성분이 변하는 재료(경사기능재료)가 필요 예) 니켈-지르코니아 경사기능 재료 ·니켈합금 분말-> 니켈합금분말 + 지르코니아(5%) -> 니켈합금 분말 + 10% 지르코니아 분말 -> ..... -> 니켈합금 분말 5% + 지르코니아 분말 -> 지르코니아 분말 ; 20층으로 제조(50%밀도) ·2000기압, 1600℃에서 1시간 소결; 99% 밀도 · 16주-기말고사