적층 제조
레이저 제작 세라믹이 항공우주를 혁신할 수 있다
왜 세라믹이 항공우주에서 중요한가
Aerospace materials often use rare metals, for example, 티타늄, 레늄, 이리듐, or 텅스텐(각 금속에 대한 전용 투자 보고서는 링크를 따라 확인하십시오). 이는 비행에 필요한 극한 조건에서 요구되는 열 및 기계적 스트레스에 대한 저항성을 비행기와 우주선 프레임, 터빈, 반응기 배기구 및 기타 중요한 부품에 제공합니다.
또 다른 재료 범주는 세라믹입니다. 이 재료들은 초기 구성 요소가 보통 비교적 일반적인 광물인 점에서 금속과 다릅니다. 그러나 적절한 조건에서 생산된 올바른 광물 조합은 비범한 특성을 가질 수 있습니다. 예를 들어, 우주선이 대기권 재진입 시 발생하는 극한 열을 견딜 수 있는 대부분의 타일은 세라믹으로 만들어집니다.
출처: NASA
세라믹 재료는 (금속처럼) 녹이지 않고 소결됩니다. 이는 유리를 만드는 과정과 더 유사합니다. 녹거나 유리화된 화합물 중 일부만이 녹지 않은 입자를 결합시킵니다.
출처: Hengko
또한, 소결은 원료를 최소 2,200 °C(4,000 °F)까지 도달할 수 있는 고온로에 넣어야 합니다. 이는 매우 에너지 집약적이며 시간이 많이 소요되는 공정입니다.
노스캐롤라이나 주립대학의 네 명 연구자가 레이저를 이용한 고성능 항공우주 세라믹 생산을 위한 대체 방법을 발견했을 가능성이 있습니다.
그들은 이 연구 결과를 Journal of the American Ceramics Society1에 “액체 고분자 전구체에서 일단계 선택적 레이저 반응 열분해를 통한 하프늄 카바이드(HfC) 합성”이라는 제목으로 발표했습니다.
항공우주 공학에서 UHTC의 역할
전통적인 세라믹 제조가 부족한 이유
Ultrahigh-temperature ceramics (UHTCs) are a class of materials designed to withstand extreme environments, due to their exceptional thermal stability, high melting points (>3000°C), high strength, and resistance to oxidation and thermal shock.
이 재료들 중 하프늄 카바이드(HfC)는 융점이 3,900 °C 이상이며, 높은 경도, 탄성, 열전도성을 갖춘 가장 유망한 후보 중 하나입니다.
불행히도, HfC는 지금까지 생산이 어렵고 그 결과 매우 비쌉니다. 일관된 품질의 대규모 HfC 생산은 특히 문제가 되었으며, 미세구조 불균일이 구조적 결함을 초래합니다.
새로운 기술들이 검토되고 있는데, 특히 용광로 기반 폴리머 유도 세라믹(PDC)이지만, 이 방법은 11%에서 21%에 불과한 낮은 액체 대비 세라믹 수율을 보입니다.
이러한 생산 문제 외에도, 이 방법들은 적층 제조(3D 프린팅)와 호환되지 않습니다. 따라서 대량, 원통형, 입방형 등 몰드로 만들 수 있는 단순 형태에만 적용될 수 있습니다.
레이저 소결이 세라믹 생산을 혁신하는 방법
Many 3D printing methods already leverage laser for creating complex shapes otherwise impossible with traditional molding and forging techniques. This is radically changing how jet engine turbines and rocket engines are being produced.
연구진은 선택적 레이저 반응 열분해(SLRP) 방식을 사용하는 접근법을 검토했습니다.
세라믹 제작을 위한 전통적인 용광로 방식의 여러 단계를 대신해, 이 방법은 폴리머를 세라믹으로 전환하고 열분해하는 과정을 한 단계로 수행합니다.
액체 전구체는 구조 표면에 도포한 뒤 레이저로 소결할 수 있습니다.
시연에 사용된 레이저는 레이저 중에서는 비교적 강력한 120 W (CO₂) 가스 레이저이지만, 하프늄 카바이드 생산에 사용되는 전통적인 용광로에 비하면 매우 낮은 에너지를 소비합니다.
레이저 가공을 위한 세라믹 첨가제 테스트
Two additives were also tested to see if the process could be made even more efficient: dicumyl peroxide (DCP), a thermal activator; and benzophenone (BZP), a photo-activator.
프로세스 효율을 더욱 높일 수 있는지 확인하기 위해 두 가지 첨가제, 즉 열 활성제인 디큐밀 퍼옥사이드(DCP)와 광 활성제인 벤조페논(BZP)이 테스트되었습니다.
DCP는 최소한의 효과만을 보인 반면, BZP는 에너지 반사를 크게 감소시켜 전구체가 적외선 에너지를 흡수하는 능력을 향상시켰습니다.
전자 현미경 사진은 1,700 °C, 1,800 °C, 2,000 °C 모든 온도 조건에서 구형 및 면상형 HfC 입자가 균일하게 분포함을 보여주었습니다. 높은 온도에서 더 큰 입자 군집이 나타난 것은 세라믹이 더 조밀해짐을 의미합니다.
“우리는 액체 고분자 전구체로부터 이와 같은 품질의 HfC를 만든 사례가 이번이 처음이라는 것을 알고 있습니다.”
레이저 소결 vs. 용광로: 어느 쪽이 더 나은가?
Besides saving energy, the laser sintering developed here is much more efficient. Furnace-based sintering achieves a ∼20%–40% crosslinked liquid-to-ceramic yield at best, while laser-based sintering achieves a ∼50%–55% yield.
에너지 절감 외에도, 여기서 개발된 레이저 소결은 훨씬 효율적입니다. 용광로 기반 소결은 최고 약 20%–40%의 액체 대비 세라믹 수율을 달성하는 반면, 레이저 기반 소결은 약 50%–55%의 수율을 달성합니다.
또한, 용광로는 몇 시간에서 며칠이 걸리는 반면, 레이저는 몇 초 또는 몇 분 안에 작업을 완료하므로 훨씬 빠릅니다.
레이저의 최고 온도도 더 높아 복잡한 형상, 우수한 코팅, 얇은 박막을 한 단계만으로 구현할 수 있습니다.
“마지막으로, 우리 기술은 비교적 휴대성이 있습니다. 물론 불활성 환경에서 수행해야 하지만, 진공 챔버와 적층 제조 장비를 운반하는 것이 강력하고 대규모인 용광로를 운반하는 것보다 훨씬 쉽습니다.”
레이저 소결 세라믹의 새로운 적용 분야
지금까지 HfC는 오랜 시간 동안 용광로의 극한 고온을 견딜 수 있는 기판에만 적용이 가능했습니다.
여기서 고안된 레이저 공정은 훨씬 덜 파괴적이며, 적용 가능한 분야를 크게 확대합니다.
“소결 과정이 전체 구조를 용광로의 열에 노출시킬 필요가 없기 때문에, 새로운 기술은 용광로 소결에 의해 손상될 수 있는 재료에 초고온 세라믹 코팅을 적용할 수 있는 가능성을 제공합니다.”
예를 들어, 레이저 소결은 탄소 섬유 강화 탄소 복합재(C/C)의 고품질 HfC 코팅을 만드는 데 사용할 수 있습니다.
“C/C 기판에 대한 HfC 코팅은 극초음속 적용 외에도, 탄소/탄소 구조가 로켓 노즐, 브레이크 디스크 및 항공우주 열 보호 시스템(예: 노즈 콘 및 날개 앞전) 등에 사용되기 때문에 특히 유용합니다.”
시스템의 소형화와 휴대성은 기술 잠재력에 장기적인 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, 달이나 화성 기지에서 항공우주 재료를 현장 생산하려면 비교적 작고 가벼운 장비가 필요합니다.
레이저 기술에 투자하기
II-VI Marlow / Coherent: 레이저 기술 선도 기업
(COHR )
Coherent는 26,000명 이상의 직원을 보유한 대형 산업 콘글로머리트이며 레이저 기술 분야의 선두주자입니다. 이는 첨단 소재 기업 II-VI Marlow와 레이저 제조업체 Coherent의 합병으로 탄생했습니다.
이 회사는 레이저, 광학 및 포토닉스에 사용되는 인듐 인산화물, 외피 웨이퍼, 갈륨 비소와 같은 첨단 소재 분야의 전문가입니다.
지난 10년간 다수의 인수를 통해 매출이 2013년 6억 달러에서 2024년 47억 달러로 크게 성장했습니다.
이 회사는 매출의 29%를 직접적인 레이저 사업에서, 나머지는 광섬유 및 전자 장비와 같은 연관 장비에서 얻습니다. 계측 부문은 주로 생명 과학 및 의료 응용 분야를 포함합니다.
출처: Coherent
회사가 열광전지(이전 기사에서 논의함), 실리콘 카바이드, 레이저 및 전자와 같은 첨단 소재에 관여함으로써 정밀 제조, 적층 제조(3D 프린팅), 전동화 및 재생 에너지와 같은 구조적 트렌드의 성장으로부터 이익을 얻을 수 있습니다.
회사는 최근 실리콘 카바이드 사업을 새로운 법인으로 분리했으며, Coherent가 75%를 소유하고 나머지는 파트너인 Mitsubishi Electric(실리콘 카바이드 전력 IP 제공)과 Denso(전동화 및 전력 반도체 분야의 자동차 공급업체 활동)에게 동등하게 배분되었습니다.
이는 실리콘 카바이드가 자체 기술로 점점 자리 잡고 있으며, 주로 전기차, 배터리 및 재생 에너지와 같은 고출력 응용 분야에 사용되기 때문입니다.
Coherent는 자율 주행용 LIDAR 및 3D 디지털 센싱, 바이오테크 차세대 시퀀싱(NGS) 흐름 셀, 그리고 반도체 제조용 레이저 분야에서 선두주자입니다. 주요 시장이 연간 8%~20% 성장할 것으로 예상합니다.
출처: Coherent
직접 에너지 무기, 포토닉 컴퓨팅, 핵융합, 우주 기술과 같은 레이저의 다른 잠재적 신규 적용 분야도 모두 회사의 장기 성장 유지에 기여할 수 있습니다.
전반적으로 Coherent는 해당 분야에 관심 있는 투자자들에게 ‘순수 레이저’ 상장 기업에 가장 가까운 존재이며, 강력한 수직 통합과 3,100개 이상의 특허로 혁신을 보호하고 있습니다.
Coherent (COHR) 최신 주식 뉴스 및 개발 현황
참조 연구
1. halini Rajpoot, Kaushik Nonavinakere Vinod, Tiegang Fang, Chengying Xu. 액체 고분자 전구체에서 일단계 선택적 레이저 반응 열분해를 통한 하프늄 카바이드(HfC) 합성. Journal of the American Ceramics Society.14 May 2025https://doi.org/10.1111/jace.20650
