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레이저를 이용한 세라믹 필름 열처리 기술 개발

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작성일17-03-15 10:15 조회2,263회

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레이저를 이용해 의료용 초고감도 자기 센서 가격 10분의 1 이하로 낮춘다!

재료, 레이저를 이용한 세라믹 필름 열처리 기술 개발로

세라믹 3D프린팅, MEMS 센서 기술 응용확대 기대

 

   # 국내 연구진이 빛을 이용해 세라믹 소재만을 선택적으로 열처리할 수 있는 공정기술을 개발했다.

   # 최근 주목 받고 있는 세라믹 3D프린팅 기술은 물론, 금속과 세라믹을 이용한 MEMS 소자에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

 

   재료연구소(소장 김해두, KIMS) 분말/세라믹연구본부 류정호 박사 연구팀은 미국 버지니아공대 에너지하베스팅연구센터 샤상크 프리야 교수 연구팀, 한국과학기술연구원(원장 이병권, KIST) 강종윤 박사 연구팀, 한국과학기술원(총장 신성철, KAIST) 정성윤, 강석중(, 한국세라믹기술원 원장) 교수 연구팀과 함께 레이저를 이용해서 세라믹 소재만을 선택적으로 열처리하는 기술을 개발했다. 이는 세라믹 3D프린팅에 바로 적용 가능할 뿐만 아니라, 금속 기반의 전자 세라믹 MEMS 센서 소자에도 적용이 가능하다. 연구진은 이를 초고감도 극미세 자기센서용 소재로 활용 가능한 도자기 재질의 압전 세라믹 필름에 적용해 본 결과, 이론적으로 얻을 수 있는 수준의 높은 전기적, 자기적 특성이 얻어지는 것을 확인할 수 있었다.

 

   도자기 재질의 세라믹은 의료용, 우주항공, 국방, 기계산업, 전기, 전자 부품 등에 다양하게 활용되고 있다. 하지만 세라믹은 원리적으로 고온의 열처리를 해야 하기 때문에 세라믹 3D프린팅은 금속이나 고분자 3D프린팅에 비해 매우 까다로운 공정기술을 필요로 한다. 연구진은 이런 세라믹의 근본적인 한계를 극복하기 위해, 상온에서 세라믹을 매우 높은 밀도로 쌓을 수 있는 상온 분사 과립 공정(Granule Spray in Vacuum: GSV)을 이용했다. 이를 통해 수 마이크론(백만분의 1m) 두께로 만든 뒤 가시광선 레이저를 이용해 결정화 시키는 공정을 적용, 세라믹 소재만을 선택적으로 고온 열처리하는 기술을 개발했다. 이 기술은 기판으로 적용되는 금속에는 전혀 손상을 주지 않을 뿐만 아니라 금속과 세라믹의 경계면에서도 반응 없이 세라믹 층만을 열처리 하는 게 가능하다.

 

   이번에 개발된 기술은 세라믹 3D프린팅뿐만 아니라 전자기기, 자동차 등에 광범위하게 사용되는 MEMS 소자에도 확대 적용될 수 있다. 각종 센서가 스마트폰과 같은 모바일 기기에 장착되기 위해서는 쌀알보다 작은 크기로 제작되어 사용된다. 일반적으로 이러한 소자들은 실리콘과 전자 세라믹 필름을 이용해 제작되는데 공정 중에 세라믹 필름의 열처리가 필요한 경우가 많다. 또 실리콘은 부서지기 쉽고 가격이 비싸기 때문에 유연한 소자를 만들거나 넓게 만들 필요가 있는 소자의 경우 실리콘 대신 금속을 사용하려고 하는 연구가 세계적으로 진행 중이다.

   하지만 도자기 재질의 세라믹과 금속은 열처리 과정 중에 두 소재의 화학적 및 열적인 반응이 생기거나 서로 떨어져 버리는 문제가 있어 일반적으로 사용되기에는 한계가 있었다. 본 기술이 적용되면 이러한 문제점 없이 금속과 세라믹이 융합된 MEMS형 전자 소자를 세라믹 3D프린팅 기술을 이용해 실용화하는 것이 가능할 것으로 기대된다.

 

   연구진은 본 기술을 냉각이 필요 없는 차세대 초고감도 자기장 센서로 사용이 기대되는 자기-전기 복합체 구조에 일차적으로 적용했다. 이 결과, 기존의 자기장-전기장 변환 특성(자기장을 소재에 가했을 때 전기신호가 발생하는 특성)100배 이상 향상시켰을 뿐만 아니라 이론적으로 계산되어지는 특성에 근접한 결과를 얻을 수 있었다. 이는 지금까지 개념적으로만 가능할 것으로 여겨졌던 자기-전기 복합체를 이용한 MEMS형 자기 센서, 자기장 에너지 하베스터가 실제 가능하다는 의미를 가진다. 연구진은 우선적으로 의료용 기기에 사용될 수 있는 매우 미세한 자기장을 감지할 수 있는 센서나 인체 유해한 자기장 노이즈를 전기로 바꿔주는 에너지 하베스터로 활용하는 것을 기대하고 있다.

 

   연구책임자인 재료연구소 류정호 책임연구원은 본 기술은 다양한 종류의 세라믹을 이용한 공정 기술, 특히 세라믹 3D프린팅을 이용한 초소형의 MEMS 소자 개발에 획기적인 공정 기술이 될 수 있다., “이번 연구에서 극미세 자기센서용 자기-전기 복합체 개발에 적용해 본 결과, 병원에서 사용되는 10억원 이상의 MRI/MEG/MCG용 극미세 자기장 센서를 본 기술을 적용한 자기센서로 이용할 경우, 10분의 1 이하의 가격으로 대체할 수 있을 것이라고 말했다.

 

   이번 연구는 재료연구소의 주요사업, 글로벌 프론티어사업, 미 해군의 연구 지원을 받아 신소재 분야의 세계적 학술지인 어드밴스트 머테리얼스지(Advanced Materials, 1저자: Haribabu Palneedi 박사)314일 표지 논문으로 출판됐다.