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투명세라믹재료특 집

CERAMIST

1. 서론

과거다결정세라믹스재료는불투명하다고생각했기

때문에고분자, 유리 (비정질), 단결정세라믹스재료들

만광학적응용처에사용했다. 일반적으로다결정세라

믹스재료가투광성을가지기위해서는빛의산란요소

인결정립, 기공률, 불순물들을제어해야하지만과거에

는해당요소들을제어하는기술이존재하지않았기때

문이다. 1958년 R. L. Coble이 MgO 첨가제와수소분

위기소결을통해투광성알루미나 (α-Al2O3) 제조기술을

개발함에따라처음으로광학적응용분야에다결정세라

믹적용을가능케했다. 다결정세라믹스인투광성알루

미나는 GE社의 Lucalox 라는나트륨램프의발광관으

로상업화에성공했다.

알루미나는 Hexagonal 구조를가지고있어서빛을복

굴절시키기때문에투명하게만드는데는근본적인한

계가있다. 따라서많은연구자들은알루미나외에투명

하게제조가능한등방성의다결정세라믹을개발하기

시작했다. 현재개발된다결정투명세라믹으로서는광전

자기적특성을이용하여광통신재료로쓰이는투명PLZT

계, 고굴절률을이용하여카메라렌즈로사용되는페로브

스카이트계, 단결정 레이저재료를 대체하는 다결정

YAG 그리고투명방탄판으로사용되는 Mg-스피넬및

감마-산질화알루미늄 (γ-AlON)이알려져있다.

투명세라믹스는대체로사용되는조건이까다롭고주

로극한환경에서사용되므로최근에그연구가더욱활

발히진행되고있다. 그중비산화물다결정세라믹인

AlON은소결거동을제어하기어려워높은기술적난이

도를지니지만, 사파이어를대체할만큼특성이유사하

여주목받고있다.

본보고에서는발표된학술논문, 특허, 산업체의제품

을바탕으로다결정투명 AlON 특성및연구동향을분

석하였다.

2. 본론

2.1. 개요1980년대방산업체인미국Raytheon社가다음과같은

목표를가지고투명 AlON을개발하였다.1)단결정사파

이어와유사한광학적, 기계적성질가지는투명세라믹

스,2)전통적인분말공정기술을사용하여낮은가격으로

생산. Table 1과 Fig. 1에서와같이 AlON은사파이어와

다결정 투명 AlON 특성 및 연구동향

글 _ 김지혜*, 이재형***㈜세라트랙 기술연구소

**영남대학교 신소재공학부

Fig. 1. 다양한 투광세라믹스들의 상온 투과율.1)

제17권 제4호, 2014년 12월 || || 31

CERAMIST다결정 투명 AlON 특성 및 연구동향

유사한광학적, 기계적성질을가진다.1,2)

또한다결정 AlON이단결정사파이어에비해원재료,

제조, 연마에관한제조단계별가격경쟁력에서우위를

차지하고있음을 Fig. 2에서나타내고있다.3)이는일반

적인세라믹분말공정으로제조되는다결정투명 AlON

이단결정사파이어보다낮은가격으로복잡한형상과

대형기물의생산이가능하기때문이다. 그러나 AlON은

투자부족과작은시장규모때문에다양한응용처를찾

지못했었다. 비로소 2002년에이르러야 Raytheon로부

터 Surmet社가기술을이전을받으면서상업화연구가

본격적으로시작되었다. 최근에는 Scratch free와방탄

투명소재분야에서각광을받고있다.

Hexagonal 결정구조를지닌알루미나의산소일부가

질소로 치환된 AlON은 Cubic spinel 구조를 가진다.

Inverse cubic spinel 결정구조는 AlON이등방적광학성

질을지니는데결정적으로기여한다.

AlON은 O/N 비에따라다양한상이존재하며, 안정

된 cubic spinel상이존재하는영역은학자들마다견해차

를보인다. 소결조제로는 Yttrium, Lanthanum과 Boron

등이있다.4)

최근에는 Surmet社외에세계적으로여러대학과기

관에서도투명 AlON을연구하고있다. 그중에서도비

교적높은투광성을지니는연구를조사하여 Table 2에

기관별로나타내었다. 물론 AlON에관한연구는여러

곳에서이루어지고있지만, 높은투명도를가지는 AlON

제조는미국의 Surmet社와미육군연구소 (ARL)에제

한되고있다. 근래에는기존의 Hot pressing이나상압소

결 외에도 TLPS (Transient Liquid Phase Sintering),

Microwave sintering과같이다양한공정방법들이시도

되고있다.

2.2. 제조방법사파이어는고강도, 높은내마모성, 내식성및내열성

등으로인해넓은분야에서응용될수있는재료이다.

그러나실제로는특수용도에제한되어사용되고있으며,

이는제작공정에서의제한과그로인한높은가격, 그리

고대면적의생산이어렵다는단점때문이다. 이러한단

Table 1. 다양한투광세라믹스의물리적성질2)

Fig. 2. 근적외선 창으로 사용되는 재료들의 상대적 제조단가.3)

Table 2. 투명AlON 제조에관한최근연구현황

점을극복할수있는다결정세라믹스AlON은일반적인

세라믹분말공정으로제조할수있어고가의단결정성

장법에의해제조되는사파이어에비해크게저렴할뿐

만아니라복잡한형상및대형기물의제조가가능하다.

Surmet社의투명 AlON 제조공정은 Fig. 3과같다. 전

구체를이용하여 AlON 분말을합성하고, 제조된분말을

이용하여냉간정수압성형 (CIP), 슬립캐스팅, 사출성형

등을이용하여성형체를제조한다. 성형체는열처리공

정을거친뒤, 그라인딩, 폴리싱과정을거쳐최종제품으

로생산한다.

기공없이매우높은상대밀도를지닌투광성다결정

AlON을제조하기위해서는 Fig. 4에서처럼다양한공정

루트가존재한다. 이를크게두가지로나눌수있다.

첫번째는최초의제조방법인 McCauley와 Corbin가

제시한 Al2O3-AlN을혼합하여 AlON으로의상변태및

소결을동시에일으키는반응소결법이다.6)이러한반응

소결에도상압소결, 마이크로파소결과 TLPS (천이액상

소결), Hot press와같은다양한공정방법들이동원된다.

마이크로파소결은마이크로파를분말성형체에조사하

여자체발열에의해치밀화를촉진시키는방법이다. 이

방법은전형적인세라믹공정의가열방법보다소결입자

의균일및치밀성, 작업시간의단축, 전기료의절감효과

가크다는이점을가진다.7)

TLPS는액상/고상이존재하

는영역에서적은양의액상이기공제거와치밀화를증

진시켜주는소결방법이다. 소결후남아있는액상은고

상인기지상에용해되어이차상이남아있지않게된다.

이러한결과로깨끗한입계를가지게된다.8)

두번째는 Surmet社의제조방법이기도한전구체로부

터 AlON 분말을합성하여소결하는공정루트이며, 대부

분의투명AlON에대한연구는이공정을따른다. AlON

분말의합성은아직도널리연구되고있으며, 간단하게

Al2O3와 AlN을반응시키거나Al2O3의열탄소환원법,9)

플라즈마아크방전법, self-propagating high-temperature

자전연소합성법 (SHS)과같은다양한방법이있다. 플라

즈마아크방전법은 Al2O3-AlN 분말에직류질소플라즈

마아크를이용해 AlON을합성하는방법이다. 혼합된분

말을아크로녹이게되면증발이일어나고, 다시나노크

기의 AlON 분말로응축되면서미세한입자들이생성된

다. SHS법은반응물들의발열반응열을이용하는방법으

로반응열이큰물질일경우, 외부에서에너지를공급하

지않아도자발적으로반응이전파하면서지속되는현상

을이용하여고체-고체, 고체-액체, 고체-기체사이의반

응을일으켜탄화물, 질화물등의세라믹을합성하는방

법이다. SHS법으로 AlON을합성하는방법은알루미늄

과알루미나를섞어서진공이나높은질소압분위기에서

짧은시간열을가해주게된다. 이렇게만들어진 AlON

분말로기공이전혀없는AlON을제조하기위해상압소

결, Hot pressing, HIP 소결방법들이사용된다.10-12)

2.3. 조성 및 성질Al2O3와AlN에관한첫번째상태도는 1964년Lejus에

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김지혜, 이재형특 집

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Fig. 3. Surmet社 AlON 제조공정.5)

Fig. 4. 투광성 AlON을 제조하기 위한 공정루트.

의해만들어졌다. 여기에서는γ상의중심이25mol% AlN

이다. 1977년에 Gauckler과 Petzo는 AlN을기반으로둔

polytypoids를상태도에추가시켰다. 그후 McCauley와

Corbin이제시한새로운상태도에서AlON은고상고용영

역이있으며, AlN 35.7mol% 가고용영역에중심에있음

을보여준다 (Fig. 5). 최근에많은학자들이열역학적데

이터와실험을통해 Al2O3-AlN의완전한상태도와안정

한AlON상 (phase) 영역을규명하고자노력하고있다.

다음의 Table 3에서같이학자들마다안정한γ-AlON

상의영역이다르다. 주된원인첫번째는 AlON의안정

한 산소압력이 실험적으로 얻기에 매우 낮고 (약 10-16

bar), 1750℃이하에서는굉장히느리게 AlON 상이형성

되어상평형을이루기가어렵기때문이다.13) 두번째는실

험적으로안정한 AlON 영역을찾는데있어로, 도가니,

공정방법들이변수로작용하기때문이다. 예를들면AlN

분말은다음식과같이물과반응하면암모니아를생성

하며가수분해가일어나는특징을지니기때문에공정

진행중에O/N 비율이바뀌게된다.

AlN+3H2O →Al(OH)3+NH3

기존에제안된 AlON의여러화학식모델을검증하는

연구결과도 지속적으로 발표되고 있는데, 그 중에

McCauley 제안모델이가장근접한것으로밝혀지고있

다. AlON은Al(64+x)/3□(8-x)/3O32-xNx (McCauley 제안모델)

의 화학식을 가지는 cubic spinel 결정구조를 가진다.

AlON spinel 구조에대해좀더자세히살펴보면, spinel

단위정안에는 8개의Al 원자가사면체자리를채우고있

으며, 15개의 Al 이온과 1개의양이온공공이 16개의팔

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CERAMIST다결정 투명 AlON 특성 및 연구동향

Fig. 5. Al2O3-AlN 상태도.6)

Table 3. 여러문헌상의안정한AlON 영역범위

Table 4. 투명AlON 세라믹의대표적인물리적성질5)

면체자리를채우고있다.

제조된 AlON의광학적, 열적, 전기적, 기계적물성에

대한분석연구도활발히진행중이다. 현재생산되고있

는투명AlON의대표적인물리적성질들은Table 4에나

타나있으며, 대표적으로근자외선영역부터중파장적외

선영역 (MWIR)에이르기까지 80% 이상의높은투광성

을나타낸다. 0.2 ~ 5.0 µm 파장영역에서굴절률 (n)은1.81 ~ 1.66이다.

2.4. 상업화 연구미국의 Surmet社가투명 AlON 상용화연구를주도해

왔고, 작년에는약 100억원연매출실적을올렸다고한

다. 가장주목받고있는사업영역은방위산업이며, 최근

에는일반산업에도적용하고자많은노력을기울이고있

다. Ceramtec社는투명세라믹을올해주요사업아이템

으로내세우며다양한일반산업응용분야들을제시했다.

샌딩기기전면창의절반을기존유리에서투명세라믹으

로교체해장시간설비를운용해봄으로써투명세라믹의

우수성을입증했다. Fig. 6에서다음과같은다양한응용

예를보여준다:

·창/돔 (자외선영역, 가시광선영역, 적외선영역및군사

적파장영역)

·투명방탄재료

·반도체공정장비용세라믹

·투광성알루미나및강화유리대체재

(예: 나트륨램프발광관, 샌딩기기창)

·POS (Point of Sale) 스캐너창

·저렴한사파이어대체재 (예: 시계창)

·쿼츠의에칭저항성대체재

Fig. 7에보이는바와같이, 강화유리와 AlON의방탄

성능테스트결과, 두꺼운강화유리는 50구경기관총총

탄을막아내지못한반면에상대적으로얇은AlON 방탄

판은총탄을막아냈다. 이처럼투명 AlON 방탄판이절

반이하의두께와무게로투명강화유리방탄판과유사

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김지혜, 이재형특 집

CERAMIST

Fig. 6. 일반산업 (Top) 및 군수 (Bottom) 적용분야.14,15)

Fig. 7. 강화유리 대비 투명 AlON의 방탄 성능.2)

한방탄성능을가지는것으로증명되면서투명방탄판

분야의시장확대가기대되고있다.

국내에서는본보고서의저자가속해있는영남대학교

와㈜세라트랙이투명AlON에대해다년간연구를지속

해오고있다.16)

그러나실험실규모에서는 φ10~30 ㎜급80% 이상의투과율을가지는 AlON을제조하고있으나,

대형화기술은시작단계이다. 작년부터영남대학교와㈜

세라트랙은핵심방산소재과제인“방탄·윈도우용투과

율 80%급다결정세라믹스제조”기술개발에참여해

투명 AlON을연구개발해오고있으며, 최근의결과물이

Fig. 8에나타나있다. 파일롯규모에공정및소결조건

들을적용하여 130×100×5 ㎜크기의투명 AlON 판을

제조하는데성공했다. 제조한 AlON 판은시작품수준으

로향후각공정단계를최적화시켜대형화및상업화

연구에박차를가할계획이다.

2.5. 국내외 특허동향AlON의국가별출원동향을살펴보면, 일본에서 25건

으로가장많은출원이이루어지고있으며그다음으로

미국이 14건으로비교적활발하다. 반면, 유럽및한국에

서는상대적으로출원이저조한편이다. AlON 기술에

대해서는미국및일본에서먼저연구가진행되었으며,

그에따라이들국가에서다수의출원이이루어지고있

는것으로파악된다. 또한, 특허출원이기술및시장선

점효과를가져온다는점에서볼때, 본격적시장형성은

미국과 일본에서 먼저 진행될 것으로 생각된다. 다만,

AlON 기술은 1970년대말부터출원된비교적오래된

개발기술임에도불구하고타기술분야대비출원이활발

하지않은편이다. 이는관련기술에대한용도및시장

이더디게형성되고있는것으로생각된다.

AlON은 1978년에 미국 ARL에서 처음 AlON 관련

특허를출원하였고, 이후패트리엇미사일을제조하는

미국의거대방위산업체인 Raytheon사에서연구를지속

하였다. 이후 2002년기술이전받은 Surmet社에의해상

용화연구가본격적으로시작되었다. 그러나 Surmet (또

는 Raytheon)은 AlON의제조와직접적으로관련된특

허출원은하지않고있다. 이와별개로미육군연구소에

서는기존의 AlON 밀도를향상시키고자 TLPS 기술에

대한추가적인연구개발이진행되고있다.

3. 맺음말

미국은정부와산업계 (군연구소와 Surmet社) 간의

오랜공동연구를통해작년 5월세계에서가장큰크기

인 450×875 ㎜ (18×35 inch)의투명 AlON 창을제조

해냈다.

국내의경우, 실험실규모에서는투과율 80%를상회

하는상당한연구성과를보였지만아직상업화및대형

화연구는시작단계에있다. 우리에비해늦게시작했던

중국도최근몇년간빠른속도로연구가진행되어우리

제17권 제4호, 2014년 12월 || || 35

CERAMIST다결정 투명 AlON 특성 및 연구동향

Fig. 8. 영남대학교와㈜세라트랙이제조한투명 AlON판시작품 (130×100×5 ㎜).

Fig. 9. 다결정 AlON의 국가별 출원동향.17)

와비슷한수준의 AlON을제조할수있게된것으로파

악된다. 적어도중국보다기술우위를선점하려면한발

앞선대형화기술확보와상용화연구가필요하다고판단

된다.

감사의 글

상기보고서는산업통상자원부소재부품기술개발사업의

지원으로이루어졌으며, 이에감사드립니다.

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