정형 나노세라믹
 

광섬유 페룰·마이크로액터·MEMS·단열재·여과 장치와 가스 분리 막으로 상업적 이용이 가능한 새로운 주조가능 나노세라믹이 Ceramatec 社에 의해 개발되었다.

정형 세라믹은 여러 분야에서 응용이 가능하다. 그 예로 광섬유 페룰·마이크로리액터·MEMS·단열재·여과 장치와 가스 분리 막 등이 있다. 새로운 CERCANAMR(Ceramatec Castable Nano Ma
terial의 앞자를 딴 것)이 Ceramatec에서 개발되었다. 이 재료는 앞에서 말한 다양한 분야에서 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
CERCANAM은 Ceramatec R&D의 결과 탄생했다. 이 기술은 미해군(NAVAIR), 국립과학재단(NSF) 미국 에너지 부(DOE)로부터 2백 3십만 달러의 R&D 기금을 받아왔다. CERCANAM은 매우 독특한 특성을 가지고 있어 다양한 응용이 가능하다.(표 1과 2)

광섬유 커넥터와 MEMS
CERCANAM는 마이크로 크기 이하의 정확도로 형상을 주조의 방법으로 복제할 수 있고, 수축을 무시할 수 있어 열처리 후에도 이 형태를 유지할 수 있다. 이러한 특징은 미세한 크기의 형상 제조에 다양하게 응용될 수 있다. 그러나 반응 결합력 즉, 강도를 증가시키기 위한 열처리 공정이 필요하다.
CERCANAM는 800℃로 열처리 하였을 때 거의 수축이 일어나지 않는다. 따라서 이들 미세 형상은 열처리 후에도 마이크로 크기 이하의 정확도를 유지할 수 있다. 이는 열처리 전과 후의 크기 차이가 거의 없도록 해준다.
이러한 독특한 장점은 예전에는 플라스틱에서만 가능했던 세라믹 멀티테르미니(multitermini)(다중 섬유) 페룰을 만들 수 있게 해준다.(그림 1) 멀티테르미니(MT) 커넥터는 광섬유 산업에서 광섬유의 보관, 보호, 그리고 마감된 광섬유 리본의 끝을 연결시키는 역할을 한다. 상업적 열가소성 기반 페룰은 125μm 지름의 홈이 250±2μm의 간격으로 12-72개가 배열을 이루고 있다. MT 페룰의 정확도와 부품간의 재현성은 광 신호 손실을 0.75
dB/연결부로 유지하는데 필수적인 요소이다.
정확한 주조를 통한 기존 세라믹 공정 기술을 사용한 세라믹의 재현성은 뛰어나지 못하다. 소결 과정에서의 수축과 미세 가공에 들어가는 비용은 바람직하지 못하다. 더구나 열가소성 페룰은 동작 온도(80℃)와 내구성에 제한이 있다. 세라믹 MT 페룰을 사용하면 열가소성 페룰을 사용할 때의 단점을 극복할 수 있다.
단, 섬유 세라믹 페룰은 상업적 페룰에 널리 사용되고 있고 전세계적으로 2백 3십만 달러의 시장 규모를 형성하고 있다. 그러나 그러한 커넥터는 상당한 공간을 차지하고 12개 단 섬유 커넥터가 단일 하우징에 패키징된다. 단일 12-섬유 세라믹 MT 페룰은 12개 단일 섬유 커넥터 비해 1/10의 가격과 공간을 필요로 할 뿐이다.
더구나 단 섬유 페룰이 널리 사용하도록 만든 신뢰성과 내구성은 동일하다.
예를 들어 세라믹 다중 섬유 페룰은 비행기 엔진과 같은 혹독한 환경과 뜨거운 위치(200℃)에서도 사용할 수 있다. 이는 중요한 공간 절약 효과를 가져온다. 세라믹 다중 섬유 페룰은 비행기와 궤도 위성의 실린더와 같은 환경에서도 잘 작동한다.
세라믹 MT 기술(그림 1)로 산업적인 요구사항인 <0.75dB 손실/연결부의 조건을 만족시키기 위해 Ceramate 社에서 개발되었다. -65℃에서 125℃의 온도에 노출되거나 염분 테스트, 습도 테스트, 500회의 연결/분리 사이클 테스트를 거쳐도 페룰은 이 요구사항을 만족시켰다.

마이크로리액터/마이크로채널 장치
CERCANAM는 가스 흐름을 바꿀 수 있는 채널 배열을 가진 저가의 단일석(monolithic) 세라믹 부품을 제조하는데 사용할 수도 있다. CERCANAM의 벽은 기본적으로 넓은 표면적을 가지도록 조절할 수 있다. 그렇기 때문에 CERCANAM은  다양한 촉매로 사용될 수도 있다. 뛰어난 CERCANAM 특성-내부식성, 열 충격 저항성과 열 사이클 저항성-은 금속 기반, 실리콘 기반의 마이크로리액터의 한계를 극복할 수 있게 해줄 것으로 기대되고 있다. 이는 특히 고온 환경에서 더욱 더 진가를 발할 것으로 보인다.
CERCANAM의 다공성, 넓은 표면적은 가스가 흐르고 가스를 분리할 수 있는 채널을 만들 수 있게 해준다.(그림 2) 니켈 기반의 촉매는 채널 벽으로 침투될 수 있다. 이 부품은 물질의 재형성과 변환 반응에 사용될 수 있다. NSF로부터 기금을 받은 프로그램을 통해, Cermatec은 메탄과 메탄올 고효율로 재형성할 수 있음을 시연해 보였다. 사람 주먹만한 크기의 모듈에서 메탄과 메탄올의 입력 물질로부터 분당 12L의 수소를 얻어 냈다.(그림 2)
수소를 사용하게 될 미래에는 저가의, 작은 크기의 수소 발생 유닛이 필요하게 될 것이다. 수소를 주 원료로 사용하는 연료 전지에 의해 전원이 공급되는 자동차가 이런 수소 사용의 원동력이다. 성공적인 세라믹 수소 연료 제품(CHFA)들은 목표 제품에 충분한 출력, 효율 그리고 크기 요구 사항을 만족시킬 수 있어야 한다.
개인이 사용하는 제품-연료 전지로 동작하는 자동차에 사용되는 탄화수소 재형성 장치 같은-이 요구하는 작은 크기는 수소 발생 공정들이 적합하지 않도록 만들 수 있다. 그렇기 때문에 고온, 부식되기 쉬운 환경에서도 작동할 수 있는 매우 작은 재형성 장치-마이크로리액터 같은-가 필요하게 된다. 현존하는 기술은 가격이 비싸고, 작게 만들 수 없을 뿐만 아니라 ppm 수준의 황산이 들어있는 천연가스에도 쉽게 부식된다.
2002 DOE 수소, 연료전지와 인프라 기술 프로그램에 따르면, 1.87$의 수소 가격은 0.85$/gal의 휘발유 비용과 맞먹는다고 한다. 이는 현재 기술 수준으로 계산한 것이다. Ceramatec의 목표는 전략적 파트너쉽을 맺어 쉽게 시장에 진입을 함과 동시에 연료전지에 사용될 저가의, 고순도의 수소를 사용하도록 하는 것이다.

저가, 정형 단열
미세한 구멍들을 가지고 있는 다공성 세라믹 부품은 매우 낮은 열전도도를 가지고 있다. 공정과 조성을 바꿈으로써, CERCANAM의 구멍 크기를 10-100 nm로 줄일 수 있다. CERCANAM의 전체 밀도는 2.2에서 0.5g/cm3으로 줄일 수 있다. 이러한 변화를 통해 CERCANAM 단열재는 600℃에서 0.15W/
(mK)의 낮은 열전도도를 갖도록 할 수 있다.
이 재료는 산화와 환원 그리고 부식성 환경에 안정하고 1250℃까지 계속 사용할 수 있다. 더구나, 단열재를 수축이 거의 없는 정형 부품으로 만들 수 있다. (그림 3) 단열재를 정형 부품으로 만들면 가공과 성형 단가를 없앨 수 있기 때문에 단열재의 설치비용을 줄일 수 있다.
CERCANAM의 또 다른 장점은 실리카를 극히 적게 함유하고 있다는 것을 들 수 있다. 실리카를 많이 포함하고 있는 단열재는 고온, 다습한 환경에 적합하지 못하다. 이는 많은 고상 산화 연료 전지 같은 고상 소자의 특성에 악영향을 미치는 SiO가 발생하기 때문이다. 실리카의 함유가 적고 알루미나의 함량이 높은 단열재는 이미 상용화 되어 있다. 그러나, 이 단열재는 가격이 비싸 많이 사용되지 못하고 있는 실정이다. 정형 형성이 가능하고, 저가, 낮은 열 전도도, 내 부식성과 낮은 실리카 함유의 장점을 고루 갖춘 CERCANAM은 열악하고 고온 환경에서 사용할 수 있는 재료 중에서 매우 적합한 재료라고 할 수 있다.