레이저 기술은 우주 및 방위 응용 분야를 위한 초고온 세라믹 제조에 혁명을 일으켰습니다.

연구진은 레이저를 사용하여 초고온을 견딜 수 있는 세라믹을 만드는 새로운 기술을 시연했습니다. 이 기술은 원자력 기술부터 우주선 및 제트 배기 시스템에 이르기까지 다양한 분야에 적용될 수 있습니다. 이 기술은 세라믹 코팅, 타일 또는 복잡한 3차원 구조물을 제작하는 데 사용될 수 있어 새로운 장치와 기술을 설계할 때 활용도가 더욱 높아집니다.

"소결은 분말 또는 액체 상태의 원료를 세라믹 소재로 변환하는 공정입니다."라고 이 연구 논문의 공동 교신저자이자 노스캐롤라이나 주립대학교 기계항공우주공학과 교수인 셰릴 쉬는 말합니다. "이 연구에서는 하프늄 카바이드(HfC)라는 초고온 세라믹에 초점을 맞췄습니다. 전통적으로 HfC를 소결하려면 원료를 최소 섭씨 2,200도에 도달할 수 있는 용광로에 넣어야 하는데, 이는 시간과 에너지가 많이 소요되는 공정입니다.

"우리의 기술은 더 빠르고, 쉽고, 에너지도 덜 필요합니다."

이 새로운 기술은 진공 챔버나 아르곤으로 채워진 챔버와 같은 불활성 환경에서 액체 폴리머 전구체 표면에 120와트 레이저를 조사하는 방식으로 작동합니다. 레이저는 액체를 소결시켜 고체 세라믹으로 만듭니다. 이 기술은 두 가지 방식으로 활용될 수 있습니다.

첫째, 액체 전구체는 미사일이나 우주 탐사선과 같은 극초음속 기술에 사용되는 탄소 복합재와 같은 하부 구조물에 코팅으로 적용될 수 있습니다. 전구체는 구조물 표면에 도포된 후 레이저로 소결될 수 있습니다.

"소결 공정에서는 전체 구조를 용광로의 열에 노출시킬 필요가 없기 때문에 이 새로운 기술을 사용하면 용광로에서 소결하는 동안 손상될 수 있는 재료에 초고온 세라믹 코팅을 적용할 수 있을 것으로 기대됩니다."라고 쉬 박사는 말했습니다.

엔지니어들이 새로운 소결 기술을 활용할 수 있는 두 번째 방법은 3D 프린팅이라고도 하는 적층 제조입니다. 구체적으로, 레이저 소결 방식은 광조형(Stereolithography)과 유사한 기술과 함께 사용될 수 있습니다.

이 기술에서는 액체 전구체가 담긴 용기에 놓인 테이블에 레이저를 장착합니다. 3차원 구조를 만들기 위해 연구진은 구조의 디지털 설계를 한 다음, 그 구조를 여러 층으로 "슬라이스"합니다. 먼저, 레이저는 폴리머에 구조의 첫 번째 층의 윤곽을 그려 마치 그림에 색칠하듯 채웁니다. 레이저가 이 영역을 "채우는" 동안 열 에너지는 액체 폴리머를 세라믹으로 변환합니다. 그런 다음 테이블이 폴리머 용기 안으로 조금 더 내려가고, 블레이드가 상단을 가로질러 표면을 평평하게 다듬습니다. 그런 다음 레이저는 구조의 두 번째 층을 소결하고, 이 과정은 소결된 세라믹으로 만들어진 완제품이 완성될 때까지 반복됩니다.

"레이저가 액체 전구체 만 소결 한다고 말하는 것은 사실 다소 단순화된 표현입니다 ."라고 쉬 박사는 말합니다. "레이저가 먼저 액체 폴리머를 고체 폴리머로 변환한 다음, 고체 폴리머를 세라믹으로 변환한다고 말하는 것이 더 정확합니다. 하지만 이 모든 과정은 매우 빠르게 진행됩니다. 사실상 한 단계로 진행되는 과정입니다."

개념 증명 테스트에서 연구진은 레이저 소결 기술을 통해 액체 폴리머 전구체로부터 결정질의 순수한 HfC가 생성된다는 것을 보여주었습니다.

"액상 폴리머 전구체로부터 이 정도 품질의 HfC를 생산할 수 있었던 것은 이번이 처음입니다."라고 쉬 박사는 말했습니다. "그리고 이름에서 알 수 있듯이 초고온 세라믹은 원자력 발전과 같이 극한의 온도를 견뎌야 하는 다양한 분야에 유용합니다."

연구진은 또한 레이저 소결을 사용하여 탄소 섬유 강화 탄소 복합재(C/C)에 고품질 HfC 코팅을 제작할 수 있음을 입증했습니다. 기본적으로 세라믹 코팅은 하부 구조에 결합되어 벗겨지지 않았습니다.

"C/C 기판에 적용된 HfC 코팅은 강력한 접착력, 균일한 피복률, 그리고 열 보호 및 산화 방지층으로의 활용 가능성을 보여주었습니다."라고 Xu는 말합니다. "이는 탄소/탄소 구조가 초음속 응용 분야 외에도 로켓 노즐, 브레이크 디스크, 그리고 노즈콘(nose cone)과 날개 리딩 엣지(leading edge)와 같은 항공우주 열 보호 시스템에 사용되기 때문에 특히 유용합니다."

새로운 레이저 소결 기술은 여러 면에서 기존 소결 기술보다 훨씬 더 효율적입니다.

"저희 기술은 초고온 세라믹 구조와 코팅을 몇 초 또는 몇 분 만에 제작할 수 있는 반면, 기존 기술은 몇 시간 또는 며칠이 걸립니다."라고 쉬 박사는 말합니다. "레이저 소결은 더 빠르고 국소화가 잘 되어 에너지 소모가 훨씬 적습니다. 게다가 저희 방식은 수율도 더 높습니다. 특히 레이저 소결은 전구체 질량의 최소 50%를 세라믹으로 변환합니다. 기존 방식은 일반적으로 전구체의 20~40%만 변환합니다."

"마지막으로, 저희 기술은 비교적 휴대성이 뛰어납니다."라고 쉬 박사는 말합니다. "물론 불활성 환경에서 진행해야 하지만, 진공 챔버와 적층 제조 장비를 운반하는 것이 강력하고 대규모의 용광로를 운반하는 것보다 훨씬 쉽습니다."

Xu는 "우리는 세라믹 분야의 이러한 발전에 큰 기대를 걸고 있으며, 이 기술을 실제 응용 분야에 적용하기 위해 공공 및 민간 파트너와 협력할 의향이 있습니다."라고 말했습니다.

"액상 고분자 전구체로부터 단일 단계 선택적 레이저 반응 열분해를 통한 하프늄 카바이드(HfC) 합성"이라는 제목의 논문이 미국 세라믹 학회지(Journal of the American Ceramic Society) 에 게재되었습니다 . 이 논문의 공동 교신저자는 노스캐롤라이나 주립대학교 기계항공공학과 교수인 티에강 팡(Tiegang Fang)입니다. 제1저자는 노스캐롤라이나 주립대학교 박사후연구원인 샬리니 라즈풋(Shalini Rajpoot)입니다. 이 논문은 노스캐롤라이나 주립대학교 박사과정생인 카우식 노나비나케레 비노드(Kaushik Nonavinakere Vinod)가 공동 집필했습니다.

이 연구는 샬럿에 있는 노스캐롤라이나 대학 산하 첨단 세라믹 첨가제 제조 센터의 지원을 받아 수행되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250529124618.htm