스파크 플라즈마 소결로 제조된 투명 SiO2 유리의 치밀화

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 14761(2022) 이 기사 인용

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최근 스파크 플라즈마 소결(SPS)이 고체 세라믹 제조에 매력적인 방법이 되었습니다. SPS는 압력 보조 저온 공정이므로 온도와 압력이 준비된 샘플의 구조적 특성에 미치는 영향을 조사하는 것이 중요합니다. 본 연구에서는 SPS로 제조된 SiO2 유리의 제조 조건과 물리적, 구조적 특성 간의 상관 관계를 조사했습니다. 기존 SiO2 유리와 비교하여 SPS-SiO2 유리는 더 높은 밀도와 탄성 계수를 나타내지만 X선 전체 구조 인자의 높이가 더 낮은 첫 번째 날카로운 회절 피크를 나타냅니다. 마이크로 라만 및 마이크로 IR 스펙트럼은 SiO2 분말과 흑연 다이 사이의 경계면에서 이질적인 영역이 형성되었음을 시사합니다. 광흡수 스펙트럼에서 관찰되는 결함 형성을 고려하면, 환원 반응은 주로 SPS-SiO2 유리의 치밀화에 영향을 미칩니다. 따라서 계면에서의 반응은 SPS 기술로 제조된 고체 물질의 구조와 물리적 특성을 조정하는 데 중요합니다.

세라믹은 열적 안정성과 화학적 내구성이 뛰어나 기능성 소재라는 관점에서 주목받고 있다. 지속가능발전목표(SDGs)를 고려할 때 기능성 소재의 제조는 과학적으로뿐만 아니라 환경적으로도 중요합니다. 투명 세라믹은 다양한 광학 응용 분야에 사용되기 때문에 사용 가능한 제조 방법과 재료가 전 세계적으로 조사되었습니다. 기존 세라믹을 합성하려면 에너지가 필요하며, 에너지를 사용하지 않는 제조 공정은 SDGs의 중요한 측면입니다. 투명한 재료를 얻기 위한 한 가지 준비 방법은 스파크 플라즈마 소결(SPS)1,2,3,4,5,6,7,8,9,10입니다. SPS 공정은 기존의 세라믹 합성 방식과 달리 전기 에너지와 방전 플라즈마의 높은 에너지를 활용해 더 낮은 온도와 더 짧은 시간에 소결이 가능하다1. 얻은 고체의 크기는 제한되어 있지만 고압 및 저온에서 소결하는 것은 형광체와 같은 새로운 기능성 재료를 제조하는 데 매력적입니다.

SPS로 얻은 고체재료의 특성은 기존의 재료나 기존의 소결로 얻은 재료의 특성과 다르다고 보고되었다. SPS 기술은 소재 제작을 위해 개발되었기 때문에 연구자들은 기능성을 최우선으로 생각하는 것 같습니다. 물리적, 구조적 특성에 대한 자세한 연구는 재료 분석뿐만 아니라 SPS 기술 개선에도 중요합니다. 그럼에도 불구하고 분광학에 의한 미세한 구조 분석은 기능성 조사에 이어 부차적인 것으로 간주됩니다.

SiO2 유리는 높은 내구성과 화학적 안정성을 지닌 광섬유와 기판의 기초 광학소재로 사용되어 왔습니다. 제조 과정에서 고온이 발생하기 때문에 저온에서 SiO2 유리를 제조하려는 여러 시도가 있었습니다. 여기에는 액상 방법(예: 졸-겔) 및 SPS가 포함됩니다. SPS가 제조한 SiO2 유리는 1990년대에 처음 보고되었습니다. 소결에 의해 제조된 활성화제를 함유한 SiO2 유리의 발광도 보고되었습니다7,8,9,10. 다양한 방법으로 제조된 SiO2 유리는 목적과 용도에 따라 서로 다른 특성을 나타내기 때문에 제조된 SiO2 유리의 구조와 물리적 특성 간의 관계를 조사하는 것이 매우 중요합니다. 그러나 SPS-SiO2 유리의 구조에 대한 자세한 연구는 부족합니다. 본 연구에서는 SPS 공법으로 제조된 SiO2 유리의 구조해석을 수행하고 기존의 SiO2 유리와 그 특성을 비교하였다. 또한, SPS-SiO2 유리의 공간적 이질성을 결정하기 위해 공간 선택적 현미경 분석이 사용되었습니다.