국립창원대학교(총장 박민원)는 6일 첨단소재융합학과 전상채 교수 연구팀이 저온 공정 기반 고성능 세라믹 제조 기술을 개발하고, 해당 연구 성과를 세라믹 분야 세계 최고 권위 학술지인 ‘Journal of Advanced Ceramics(IF 16.6, JCR 상위 1.5%, ‘Materials Science, Ceramics’ 카테고리 1위)‘에 게재했다고 밝혔다.
전상채 교수 연구팀은 세라믹 저온소결(cold sintering) 분야의 세계적인 리더인 Clive A. Randall 펜실베이니아주립대학교 교수와의 공동연구를 통해, 최근 주목받고 있는 냉간소결공정(Cold Sintering Process, CSP)을 전처리로 적용하고 이후 고온 소결을 결합하는 단계적(경로 의존형) 공정 전략을 구현했다. 그 결과, 기존보다 훨씬 낮은 온도 조건에서도 높은 치밀도와 우수한 기계적 특성을 동시에 확보하는 데 성공했다.
특히 180℃ 저온 공정과 1200℃ 후열처리를 결합한 조건에서 이론 밀도의 98.11%에 달하는 고밀도를 구현했으며, 최대 비커스 경도 14.99 GPa를 달성했다. 이는 기존 8YSZ 소재가 95% 이상의 치밀도를 확보하기 위해 1400℃ 이상의 고온이 필요했던 점을 고려할 때, 에너지 효율 측면에서 큰 의미를 가진다.
연구팀은 또한 실시간 레이저 팽창 측정(in-situ dilatometry)을 통해 소결 과정에서 발생하는 수축 거동을 정밀 분석하고, 압력·온도·용매가 각각 미세구조 형성에 미치는 영향을 단계별로 규명했다. 이를 통해 냉간소결 단계에서 형성된 입자 배열과 계면 상태가 이후 고온 소결 과정의 치밀화 경로를 결정하는 핵심 요소임을 밝혔다.
이번 연구의 핵심은 세라믹 제조 과정에서 단순히 온도를 낮추는 것이 아니라, 초기 미세구조를 설계함으로써 최종 물성을 제어할 수 있음을 실험적으로 입증한 데 있다. 특히 용매 조건에 따라 높은 경도 또는 높은 파괴인성을 선택적으로 구현할 수 있어, 목적에 따른 맞춤형 소재 설계 가능성을 제시했다.
해당 연구 성과는 「Combining multiple strategies for fast densification and superior mechanical properties in 8YSZ with cold sintering pre-treatment」라는 제목으로 국제저명학술지 ’Journal of Advanced Ceramics‘에 게재됐다.
전상채 교수는 “이번 연구는 저온 공정 기반 세라믹 제조에서 미세구조 설계의 중요성을 규명한 것”이라며 “향후 연료전지, 센서, 항공우주 소재 등 다양한 분야에서 에너지 효율을 높인 차세대 소재 공정 기술로 확장될 것으로 기대된다”고 설명했다.
한편 본 연구에는 국립창원대 소재융합시스템공학과 석사과정 김성현 학생이 제1저자로, 국립창원대 전상채 교수와 미국 펜실베이니아주립대 Clive A. Randall 교수, 중국 시안교통대학교 Jing Guo 교수가 교신저자로 참여했으며, 국립창원대 G-램프(LAMP)사업단(사업단장 박종규)과 과학기술정보통신부, 산업통상자원부 및 미국 국립과학재단(NSF)의 지원을 받아 수행됐다.
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