나노기술 및 정책 정보

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나노결정 소재는 독특한 마이크로 구조와 우수한 성능(예를 들면 높은 강도, 높은 경도(硬度), 높은 유연성, 초(超) 가소성 등)으로 인해 점점 더 큰 주목을 받음.

지난 수십 년간 대부분의 연구 작업은 주로 미세한 평균 결정 입자 사이즈를 어떻게 얻는가에 주력해 왔으나 공정의 신뢰성에 중요한 마이크로 구조의 균일성에 대한 연구는 거의 없었음.

거시적 소재의 실효(失效)는 일반적으로 마이크로 구조의 제일 취약한 부분에서 발생하기 때문에 결정 입자의 입도 분포를 줄이고 균일한 마이크로 구조를 얻는 것은 나노결정 소재를 포함한 다결정 소재를 개발하여 응용하는 데 중요함.

중국 란저우(蘭州, 난주) 대학교 물리과학 및 기술 대학 리졘궁(李建功, 이건공) 교수 연구팀은 블록 나노결정과 초(超) 미세결정 소재 분야에서 중요한 성과를 얻었으며, 최초로 초(超) 균일 나노결정 소재 개념을 제기하고, 체계적인 이론 분석과 실험 논증을 수행함.

연구팀은 Ostwald ripening 메커니즘에 기반하여 넓은 의미의 LSW-Hillert 결정입자 성장 이론을 해석하였으며, 관련 분석을 통해 큰 결정의 입자 성장 지수(指數)는 더 좁은 일반화 된 입자 크기 분포를 제공할 수 있음을 발견했음.

연구팀은 이번 연구를 통해 블록 소재 소결을 통한 고밀도화(densification) 과정에서 비교적 큰 결정 입자 성장 지수(指數)를 유지할 수 있게 된다면 힐러트(Hillert)의 극한을 돌파하는 초(超) 균일 다결정체 소재를 취득할 수 있게 될 것이라고 예측하였음.

연구팀의 이런 예측은 산화알루미늄 샘플 소결 과정에서 검증되었는데 상대 밀도가 65-70%에 달하는 샘플에서 정규화 결정 입자 스케일 분포는 제일 좁고, 결정 입자 스케일 분포 표준 편차는 0.25밖에 되지 않는 것으로 나타났음.

연구팀은 2단계 소결 방법을 이용하여 Al2O3, 융해하기 어려운 금속(Mo 단일 품질 및 90W-10Re 합금), 복잡한 산화물계(코어 쉘 구조 BaTiO3 및 다구성 고체 용해체 0.87BaTiO3-0.13Bi(Zn2/3(Nb0.85Ta0.15)1/3)O3) 등 여러 체계 속에서 치밀하고 균일한 나노결정, 초미세 결정 소재를 개발하는데 성공하였음.

연구팀은 순수도가 높고, 분산이 잘 된 초미세(4.7nm) α-Al2O3 나노입자를 원료로 사용하고, 소결 변수를 최적화하여 조밀하고 미세한 결정(34nm), 초(超) 균일 산화알루미늄 나노결정 세라믹을 제조하여 정규화 결정 입자 스케일 분포 표준 편차가 0.30밖에 되지 않아 반세기 전 힐러트(Hillert)가 예측한 이론 한계(0.354) 보다 훨씬 낮은 수준에 도달하였음.

본 연구 성과는 ‘Advanced Functional Materials’ ("Ultra-Uniform Nanocrystalline Materials via Two-Step Sintering") 지에 게재됨.