소재강국을 실현하는 글로벌 종합 소재연구기관

세라믹재료연구본부

엔지니어링세라믹연구실

실장 김하늘
실장 김하늘

연구실 소개

엔지니어링세라믹연구실은 세라믹 재료의 기계적·열적·화학적 및 내구성 특성 강화를 위한 맞춤형 세라믹 소재 및 공정기술을 개발하는 연구를 수행하고 있다.

055-280-3426

주요 실적

  • “세라믹 나노섬유 구조체, 광촉매로 개질된 세라믹 나노섬유 분리막 및 이들의 제조방법” 해외 특허(유럽/20770229.1) 1건 출원 및 국내특허(한국/2260674) 1건 등록
  • "질화규소계 세라믹 및 이의 제조 방법" (한국/2206446) 특허 1건 등록 및 우수 SCI 논문 1편
  • "열충격 특성이 우수한 투광성 이트리아 제조 방법 및 그에 의해 제조된 투광성 이트리아 소결 부품" (한국/2244157) 특허 등록 및 투명이트리아 소재 SCI 국제논문 4건 게재
  • 내플라즈마 세라믹 소재 SCI 국제논문 1건 게재
  • "표면 개질을 통해 우수한 내오염성을 갖는 세라믹 분리막 및 그 수처리 방법“ (한국/2006133) 등록
  • 기술이전 : Si3N4 세라믹 플레이트 소결 기술 (유제이엘, 30,000 천원)
  • 언론 홍보 : 반도체 공정의 오염입자 저감 내플라즈마 나노복합세라믹 개발

주요 연구분야

  • 고강도·내열충격·내마모 세라믹 소재 및 공정기술
  • 광‧전자·내플라즈마 세라믹 소재 및 공정기술
  • 환경·에너지 대응 다공질·나노섬유 세라믹 소재 및 공정기술
  • 유·무기 하이브리드 세라믹 소재 및 공정기술

향후 연구계획

  • 레이저발진용 광학급 투명 세라믹 소재 기술 개발
  • '90W/mK-900MPa'급 차세대 파워디바이스용 기판 소재 개발
  • 첨단공정장비용 질화규소 볼베어링 소재 기술 개발
  • 친환경 정화용 다공성 세라믹 소재 개발

연구개발 추진실적

상압소결에 의한 질화규소 방열기판 제조 기술 개발

[과제 소개]

  • 전기차 파워모듈의 내구성/신뢰성 확보에 필수부품인 방열기판용 질화규소 개발
  • 상용 질화규소 방열기판은 1900℃ / 9 기압 N2 조건에서 가스압소결하고 있어, 공정장치 투자비용이 높고 유지보수 작업도 까다로운 문제가 있음.
  • 본 과제는 질화규소 방열기판을 1800℃이하 / 1 기압 N2 조건인 상압 소결 공정을 개발함으로써 장치 투자비용/유지보수/공정비용을 절감하여 경쟁력을 제고하기 위함.
  • 상압소결만으로 75 W/m·K 이상 열전도도 구현이 가능한 신조성 개발 목표

[기술개발 내용 및 특징, 성과]

  • 다양한 산화물 첨가제 조합 탐색을 통한 >70 W/m·K 급 신조성 개발
  • 1750℃ / 1 기압 N2 상압소결 공정으로 최고 77.9 W/m·K 질화규소 소재 개발
  • 현재까지 알려진 상압소결 질화규소 중 최고 열전도도 구현 (종전 : 75.6 W/m·K, Ceram. Int. 2021)
다양한 조성별 1750℃ 상압소결 고열전도 질화규소 소재

반도체 장비용 오염입자 저감 내플라즈마 세라믹 소결 기술

[과제 소개]

  • 반도체 선폭 미세화 경쟁의 우위를 차지하기 위해 고출력 플라즈마 공정에 대응하여 오염입자를 저감할 수 있는 세라믹 소재 개발
  • 결정립 미세화를 통한 표면조도 제어가 가능한 Y2O3-MgO 나노복합세라믹 개발
  • 고가 Y2O3 세라믹 대체 YAG 세라믹의 물성 및 내플라즈마성 제고 기술 개발

[기술개발 내용 및 특징, 성과]

  • ‘결정립크기 300nm - 에칭 후 표면조도 Ra=2.3nm’특성 보유 Y2O3-MgO 나노복합세라믹 개발
    - 세계최초 나노미터급 내플라즈마 세라믹 개발 및 관련 논문의 언론홍보 실시
    - 합성분말이 아닌 상용분말을 사용함으로써 산업화의 가능성 제시
  • 밀링 전처리 고도화 및 hot press 소결에 의한 결정립크기 1미크론급 고밀도 YAG 소결 기술 개발
마이크론급 Y2O3 모노리스와 나노 결정립 Y2O3-MgO 복합세라믹의 SEM 미세구조 (a, b) 및 에칭 후 표면조도 제어에 관한 모식도 (c,d)

수처리용 친환경 다공성 세라믹 소재 기술

[과제 소개]

  • 다공성 세라믹 폼 제조기술로서, 높은 투과성을 가지며, 강산성/강염기성, 고온/고압 등 극한 조건에서 높은 내구성을 가지며 내 오염성을 보유하는 소재 개발 기술
  • 지르코니아 소재를 사용하여 상용화 가능한 고유전율 다공성 세라믹 폼 제조기술 개발

[기술개발 내용 및 특징, 성과]

  • 다공성 세라믹 폼의 기공 제어 분야와 기능성 부여 분야, 다공성 세라믹 폼의 특성평가 분야 등 3 분야로 크게 구분하여 연구 추진
  • 고유전율 다공성 지르코니아 세라믹 폼 기공 제어 기술 : 기공크기 (mm 급 이하), 강도 (3 MPa 이상)
(좌) 제조한 다공성 지르코니아 세라믹 폼 및 (우) 밀도와 압축 강도 분석

유연 세라믹 나노섬유 필터 소재 기술

[과제 소개]

  • 유연 세라믹 나노섬유 필터 소재는 고분자 나노섬유 필터의 취약한 내구성을 개선할 뿐만 아니라 세라믹 소재의 취성을 향상시켜 수질/대기환경 정화용 필터소재 응용 가능한 기술임 (예: 정밀여과 및 헤파필터)

[기술개발 내용 및 특징, 성과]

  • 세라믹 나노섬유의 조성 및 공정변수를 제어하여 섬유직경, 기공크기, 유연성, 유체 투과도, 여과효율 등 필터소재의 전반적인 특성평가 및 분석
  • 유연 세라믹 나노섬유 필터를 기반으로 수질/대기정화를 위한 정밀여과 및 헤파필터 개발 연구
유연세라믹 나노섬유 필터 이미지 (상단) 및 필터 특성 예시 (하단)

연구개발 성공사례

Si3N4 세라믹 플레이트 소결 기술

[과제 정보]

  • 연구책임자 : 박영조 박사
  • 전화 : 055)280-3356
  • E-mail : 이메일 확인
  • 연구기간/비용 : 19.11.01~20.06.30 / 142,500천원
  • 참여기관 : 한국재료연구원, ㈜유제이엘

[기술의 핵심]

  • 반도체 스텍의 열간압착접합용 히터모듈에 적용하기 위해 기계적 물성 및 급승온과 급랭에 대한 내열충격성이 우수한 질화규소 세라믹 소재 개발
  • 다수의 스텍을 동시에 접합하기 위해 대면적 히터 소재가 요구되며, 대면적 히터의 온도 균일성을 확보하기 위해 특히 면방향의 열전도도 향상이 요구됨

[기술 개발 내용 및 특징]

  • 상대적 저온소결에 의한 고열전도도 달성 (개발 1800oC, 기존 1900oC)
  • hot press 수직면의 c-축 입자배향에 의한 면방향 열전도도 극대화
  • hot press 공정에 의한 결함크기 감소에 의한 Weibull 계수 향상
  • 대면적 히터모듈 제작 및 열싸이클 신뢰성 검증 완료
열간압착접합용 대면적 히터모듈

[상용화 실적 및 산재권/논문실적]

  • 기술이전 : 1건 (㈜유제이엘, 30,000 천원)
  • 국내 및 해외 특허 출원/등록 (2018~현재) : 6건 (KR 2206446 외 5건)
  • 국외 SCI 논문 게재 (2018~현재) : 6건

[기술효과 및 활용분야]

  • 기존의 AlN, SiC 히터소재를 대체하는 Si3N4 소재 독자원천기술 확보
  • 히터용 고강도‧고열전도도 질화규소는 전력반도체용 기판 소재 및 반도체 프로브카드 소재로 적용 가능