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도펀트 첨가에 의한 이트리아 세라믹스의 소결성 향상

전문가 제언: ○ 본고는 도펀트 첨가에 따른 이트리아(Y2O3) 다결정체의 소결성 향상을 전자론적 입장에서 검토한 것이다. 99%의 상대밀도를 갖는 이트리아 소결체의 소결온도는 2가 양이온 첨가에서는 Zn?Ni?Mn?Mg?Ca?Sr 순으로 높아지고 3가 양이온 첨가에서는 Ga?Al?In?Ho?Nd?La 순이었다. 소결온도는 도펀트의 최외각 전자의 에너지준위가 낮을수록 낮아진다는 사실을 규명하였다.

○ 도펀트의 최외각 전자궤도 에너지가 높으면 산소이온과 강한 이온성 결합을 형성하기 때문에 산소이온의 이온성도 높아지고 결과적으로 Y3+과의 결합도 국소적으로 높아져 Y3+의 확산을 억제한다고 추정된다. 따라서 최외각 전자의 에너지준위가 낮은 도펀트(Zn2+, Ni2+ 등)를 첨가하여 Y3+의 확산을 촉진시키면 소결온도를 낮출 수 있다.

○ 상대밀도가 100% 가까운 기공이 없는 투명한 소결체를 얻기 위해서는 응집이 없고 이상 입성장이 일어나지 않도록 원료입자의 분포가 좁고 크기가 submicron 이하로 작아야 한다. 가장 쉬운 방법은 기공중의 가스가 입자, 입계를 통과할 수 있도록 또 입계의 이동을 방지하기 위해 제2성분 즉 도펀트를 첨가하여 입계부분의 조성을 변화시키는 방법이 매우 유용하다.

○ 국내에서는 1960년대 중반부터 각 대학 재료공학 관련 학과, KIST, 삼성전기, 중소기업(한남세라믹, 동일세라믹스, 씨노텍 등)에서 Y-TZP, YSZ와 같이 Y2O3를 도펀트로 이용한 연구가 많았다. 2000년대 후반부터 투명 Y2O3 세라믹스에 대한 연구가 일본, 중국, 러시아에서 활발히 진행되고 있다. 그 이유는 Nd, Sc, La와 같은 도펀트를 첨가한 투명 이트리아 세라믹스는 Nd:YAG보다 열전도도, 가시 및 적외선 투과율이 약 2배 높고 내부식성도 높기 때문이다.

○ 따라서 투명 Y2O3는 고체 레이저의 호스트재료로 주목받고 있으며 레이저 마킹기, 투명레이저 신틸레이터 등에 Nd:YAG가 이용되고 있으며 (주)이이엠에서도 레이저 발광다이오드를 이용한 근육통증 완화에도 이용되고 있어 앞으로 투명 Y2O3 세라믹스의 응용연구가 확대되길 기대한다.

저자: Hidehiro Yoshida, Kohei Soga and Takahisa Yamamoto
자료유형: 학술정보