복잡한 세라믹 제조 간소화, 혁신적 방법으로 생산 속도 향상된 과학 연구 발표

Seoul홍콩과학기술대학(UST)의 공과대학 연구진이 세포형 세라믹을 더 쉽게 제조할 수 있는 방법을 개발했습니다. 기계항공공학과의 양정바오 부교수가 이끄는 연구팀은 전통적 적층 제조의 문제를 극복한 새로운 방식을 선보였습니다. '표면장력 보조 2단계(STATS) 가공 전략'이라 명명된 이 방식은 에너지, 전자, 생의학 등 세라믹 재료를 사용하는 산업에 혁신을 가져올 수 있습니다.

STATS 기법은 두 가지 주요 단계로 구성됩니다:

• 기본 구조를 형성하기 위해 첨가제 제조 기술을 사용하여 세포 기반 유기 격자를 준비합니다.
• 필요한 성분이 포함된 전구체 용액으로 이러한 격자를 채웁니다.

팀은 격자 구조 내에서 액체의 형태를 관리하는 데 큰 도전에 직면했습니다. 그들은 격자 안에 있는 액체를 제자리에 고정하기 위해 표면 장력을 활용했습니다. 이를 통해 액체의 모양을 정밀하게 제어할 수 있었고, 매우 정확한 제조 과정을 이끌어낼 수 있었습니다.

연구자들은 이론적 및 실험적 연구를 통해 셀룰러 세라믹의 설계를 개선했습니다. 그들은 유닛 셀과 컬럼으로 이루어진 격자의 기하학적 세부 사항을 면밀히 조사하여 3D 유체 인터페이스를 생성하는 데 도움을 주었습니다. 이를 통해 다양한 셀 크기, 모양, 밀도, 구조 및 재료를 갖춘 셀룰러 세라믹이 개발되었습니다. 재료를 만드는 과정과 구조를 제작하는 과정을 분리함으로써 이 방법은 고도로 프로그래머블하게 되었습니다.

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새로운 공정은 여러 가지 장점을 가지고 있습니다. 전통적인 세라믹 제조 방법은 다공성과 기계적 강도를 조절하는 데 어려움을 겪지만, STATS 기술은 전체적으로 다공성 구조를 가지면서 특정 영역에서는 강한 구조를 만들어냅니다. 이러한 향상된 구조는 셀룰러 압전세라믹스의 성능을 개선합니다. 연구자들은 약 200 pC N-1의 높은 압전 상수를 달성했으며, 전체 다공성도 90% 이상 유지하고 있어 현재 방법에 비해 큰 발전을 이루었습니다.

규조류, 즉 복잡한 실리카 기반의 세포벽을 가진 단세포 조류에서 영감을 받은 이 전략은 자연의 정교함을 본뜬 것입니다. 이 방법은 다양한 분야에 광범위하게 응용될 수 있으며, 그 예로는 필터, 센서, 액추에이터, 로봇공학, 배터리 전극, 태양 전지, 그리고 항균 장치 등이 있습니다.

이 새로운 방법은 표면 처리와 새로운 제조 기술을 결합하는 재료 공학의 현재 동향과 잘 맞아떨어집니다. STATS 전략은 새로운 재료 구조 및 스마트 시스템을 창조하는 데 도움을 줄 수 있으며, 이는 여러 기술 분야에서 발전을 이끌 수 있습니다. 양 교수는 이 방법이 전통적인 기법의 문제를 해결할 뿐만 아니라 복합 세라믹 구조를 설계하는 새로운 방안을 제공한다고 강조했습니다. 앞으로 이 접근법은 더 발전되고 효율적인 장치를 만드는 데 기여할 수 있을 것입니다.