첨가제 제조
레이저로 만든 세라믹, 항공우주 산업에 혁명을 일으킬 수 있다
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항공우주 분야에서 세라믹이 중요한 이유
항공우주 재료는 종종 희귀 금속을 사용합니다. 예를 들어, 티탄, 레늄, 이리듐및 텅스텐 (각각의 희귀 기술 금속에 대한 투자 보고서는 링크를 참조하세요.) 이를 통해 비행기와 우주선 프레임, 터빈, 원자로 배기가스, 그리고 기타 핵심 부품들은 비행에 필요한 극한 환경에서 요구되는 열과 기계적 응력에 대한 저항성을 갖추게 됩니다.
사용되는 또 다른 재료는 세라믹입니다. 세라믹은 초기 구성 요소가 비교적 평범한 광물이라는 점에서 금속과 다릅니다. 하지만 적절한 조건에서 생성된 광물들의 적절한 조합은 놀라운 특성을 가질 수 있습니다. 예를 들어, 우주선 대기권 재돌입 시 발생하는 극한의 열을 견딜 수 있는 대부분의 타일은 세라믹으로 만들어집니다.
출처: NASA
세라믹 소재는 금속처럼 녹지 않고 소결되는데, 이는 유리 생산 방식과 더 유사한 과정입니다. 녹거나 유리화된 화합물 중 일부만이 녹지 않은 입자를 결합합니다.
출처: 헹코
또한 소결에는 원료를 최소 2,200도의 온도에 도달할 수 있는 용광로에 넣어야 합니다. ° C (4000°F). 매우 많은 에너지와 시간이 소요되는 과정입니다.
노스캐롤라이나 주립 대학의 연구원 4명이 레이저를 이용해 고성능 항공우주용 세라믹을 생산하는 대체 방법을 발견했을지도 모릅니다.
그들은 그들의 연구 결과를 American Ceramics Society 저널에 발표했습니다.1, 제목 아래 '액상 폴리머 전구체로부터 1단계 선택적 레이저 반응 열분해를 통한 하프늄 카바이드(HfC) 합성".
항공우주공학에서 UHTC의 역할
왜 전통적인 세라믹 제조는 부족한가
초고온 세라믹(UHTC)은 뛰어난 열 안정성, 높은 녹는점(>3000°C), 높은 강도, 산화 및 열 충격에 대한 저항성으로 인해 극한 환경을 견딜 수 있도록 설계된 소재입니다.
이러한 재료 중에서, 하프늄 카바이드(HfC)는 가장 유망한 후보 중 하나로 꼽히는데, 융점은 3900°C 이상이며, 경도, 탄성, 열전도도가 뛰어납니다.
안타깝게도 HfC는 지금까지 생산이 어려웠고 그 결과 매우 비쌌습니다. 특히 일관된 품질의 HfC를 대량 생산하는 데는 상당한 미세구조적 불일치로 인해 구조적 결함이 발생하는 문제가 있었습니다.
새로운 기술, 특히 용광로 기반 폴리머 유래 세라믹(PDC)이 고려되고 있지만, 액체에서 세라믹으로의 수율이 11~21%에 불과합니다.
이러한 생산 문제 외에도, 이러한 방식은 적층 제조(3D 프린팅)와 호환되지 않습니다. 따라서 벌크, 원통형 또는 입방형 형상처럼 금형으로 제작 가능한 단순한 형상에만 호환됩니다.
레이저 소결이 세라믹 생산을 어떻게 변화시키는가
이미 많은 3D 프린팅 방식이 레이저를 활용하여 기존의 성형 및 단조 기술로는 불가능했던 복잡한 형상을 제작하고 있습니다. 이는 제트 엔진 터빈과 로켓 엔진의 생산 방식을 근본적으로 변화시키고 있습니다.
연구자들은 선택적 레이저 반응 열분해(SLRP) 방법을 사용하는 접근 방식을 고려했습니다.
출처: 미국 세라믹 학회 저널
세라믹 제조를 위한 여러 단계의 용광로 방법 대신, 이 방법에서는 폴리머를 세라믹으로 전환하고 열분해하는 단계를 한 단계로 진행합니다.
액체 전구체를 구조물 표면에 도포한 다음 레이저로 소결할 수 있습니다.
시연에 사용된 레이저는 레이저로서는 비교적 강력한 편(120W(CO2) 가스 레이저)이지만, 하프늄 카바이드 생산에 사용되는 기존 용광로와 비교하면 에너지가 매우 낮습니다.
레이저 가공을 위한 세라믹 첨가제 테스트
또한 두 가지 첨가제를 테스트하여 공정을 더욱 효율적으로 만들 수 있는지 확인했습니다. 즉, 열 활성제인 디쿠밀 퍼옥사이드(DCP)와 광 활성제인 벤조페논(BZP)입니다.
DCP는 최소한으로 효과가 있었지만, BZP는 에너지 반사를 크게 줄여 전구체의 적외선 에너지 흡수를 향상시켰습니다.
출처: 미국 세라믹 학회 저널
전자현미경 사진은 모든 온도 조건(1700°C, 1800°C, 2000°C)에서 구형 및 각진 HfC 입자가 균일하게 분포하는 것을 보여줍니다. 고온에서 입자 군집이 클수록 세라믹의 밀도가 더 높음을 나타냅니다.
출처: 미국 세라믹 학회 저널
“액상 폴리머 전구체로부터 이 품질의 HfC를 생성할 수 있었던 사람이 있다는 것을 우리가 알게 된 것은 이번이 처음입니다.”
레이저 소결 vs. 용광로: 어느 것이 더 낫나요?
에너지 절약 외에도, 본 연구에서 개발된 레이저 소결은 훨씬 더 효율적입니다. 노 기반 소결은 최대 약 20~40%의 가교 액체-세라믹 수율을 달성하는 반면, 레이저 기반 소결은 약 50~55%의 수율을 달성합니다.
레이저는 몇 초 또는 몇 분 만에 작업을 완료하지만 용광로는 몇 시간 또는 며칠이 걸리므로 이 방법도 훨씬 빠릅니다.
레이저의 최대 온도도 더 높아서 더 복잡한 기하학적 구조, 더 나은 코팅, 얇은 필름이 가능하고 단 한 단계로 작업할 수 있습니다.
마지막으로, 저희 기술은 비교적 휴대성이 뛰어납니다. 물론 불활성 환경에서 진행해야 하지만, 진공 챔버와 적층 제조 장비를 운반하는 것이 강력하고 대규모의 용광로를 운반하는 것보다 훨씬 쉽습니다.
레이저 소결 세라믹의 새로운 응용 분야
지금까지 HfC는 장시간 동안 극도로 뜨거운 용광로 온도를 견딜 수 있는 기판에만 적용이 가능했습니다.
여기서 발명된 레이저 공정은 파괴력이 훨씬 낮아 훨씬 더 광범위한 적용 분야를 창출합니다.
"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."
예를 들어, 레이저 소결은 탄소 섬유 강화 탄소 복합재(C/C)의 고품질 HfC 코팅을 생성하는 데 사용될 수 있습니다.
"C/C 기판의 HfC 코팅은 초음속 응용 분야 외에도 탄소/탄소 구조가 로켓 노즐, 브레이크 디스크, 노즈 콘 및 날개 선단과 같은 항공 우주 열 보호 시스템에 사용되기 때문에 특히 유용합니다."
시스템의 작은 크기와 휴대성은 기술 잠재력에 장기적인 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, 달이나 화성 기지에서 항공우주 소재를 현장에서 생산하려면 상대적으로 작고 가벼운 장비가 필요합니다.
레이저 기술에 투자
II-VI 말로우 / 코히런트: 레이저 기술 리더
(COHR )
코히런트는 26,000명 이상의 직원을 보유한 대규모 산업 대기업으로, 레이저 기술 분야를 선도하고 있습니다. 첨단 소재 기업인 II-VI Marlow와 레이저 제조업체인 코히런트의 합병으로 탄생했습니다.
이 회사는 인듐 인화물, 에피택셜 웨이퍼, 갈륨 비소 등 레이저, 광학, 포토닉스에 사용되는 첨단 소재 전문 기업입니다.
600년 매출 2013억 달러에서 4.7년 2024억 달러로 지난 XNUMX년간 여러 차례의 인수를 통해 크게 성장했습니다.
이 회사는 매출의 29%를 레이저에서 직접 창출하고, 나머지는 광섬유, 전자 장비 등 관련 장비와 연계되어 있습니다. 계측 장비 부문은 주로 생명 과학 및 의료 분야를 포함합니다.
출처: 코 히어 런트
열광전지와 같은 첨단 소재 분야의 회사 존재 우리는 이전 기사에서 논의했습니다), 탄화규소, 레이저 및 전자 장치는 정밀 제조, 적층 제조(3D 프린팅), 전기화, 재생 에너지의 성장과 같은 구조적 추세의 혜택을 받는 데 도움이 됩니다.
회사는 최근 실리콘 카바이드 사업을 Coherent가 75% 소유한 새로운 회사로 분리했습니다.나머지는 파트너사인 미쓰비시 전기(실리콘 카바이드 전력 IP 제공)와 덴소(전기 및 전력 반도체 분야의 자동차 공급업체로서의 활동 제공)가 동등하게 소유하고 있습니다.
이는 실리콘 카바이드가 점차 독자적인 기술로 자리 잡고 있으며, 주로 전기 자동차, 배터리, 재생 에너지와 같은 고전력 응용 분야에 사용되기 때문입니다.
코히런트는 리더입니다 자율 주행 애플리케이션을 포함한 LIDAR 및 3D 디지털 센싱, 바이오텍 차세대 시퀀싱(NGS) 유동 셀글렌데일 반도체 제조용 레이저주요 시장은 8~20% 성장할 것으로 예상합니다.
출처: 코 히어 런트
직접 에너지 무기, 광자 컴퓨팅, 핵융합, 우주 기술과 같은 레이저의 다른 잠재적인 새로운 응용 분야도 모두 회사의 장기적 성장을 유지하는 데 도움이 될 수 있습니다.
전반적으로 Coherent는 강력한 수직 통합과 혁신을 보호하는 3,100개 이상의 특허를 통해 이 부문에 관심이 있는 투자자들에게 "순수 플레이" 상장 레이저 회사에 가장 가깝습니다.
최신 Coherent(COHR) 주식 뉴스 및 개발
참고 연구
1. halini Rajpoot, Kaushik Nonavinakere Vinod, Tiegang Fang, Chengying Xu. 액상 폴리머 전구체로부터 1단계 선택적 레이저 반응 열분해를 통한 하프늄 카바이드(HfC) 합성. 미국 세라믹 학회 저널.14 월 2025https://doi.org/10.1111/jace.20650
