김대호 한국전기연구원(KERI) 선임연구원

국내 연구진이 전자레인지 등에 쓰이는 마이크로파를 고효율의 첨단 열처리 공정에 활용할 수 있는 첨단 기술로 재탄생시켰다.

김대호 한국전기연구원(KERI) 선임연구원팀은 최근 1㎛(마이크로미터) 이하 전도성 나노박막을 1초 이내에 섭씨 1000도 이상으로 열처리할 수 있는 마이크로파 대역의 유도가열 기술을 개발하고, 국내 관련 기업에 기술 이전했다고 밝혔다.

전기연구원이 개발한 ‘마이크로파 유도가열 기술’은 금속 등의 전도성 소재로 이뤄진 박막을 순간적으로 고온 가열할 수 있는 기술이다.

기존의 유도가열 기술은 수십 kHz(킬로헤르츠) 수준의 주파수를 가지는 자기장을 만들어 금속 소재를 가열하는 방식이다.

하지만 기존 유도가열 방식은 1mm(밀리미터) 이상의 두꺼운 소재에만 적용할 수 있었을 뿐, 1㎛(마이크로미터, 1mm의 1000분의 1) 이하의 얇은 두께를 가지는 나노박막은 거의 100% 투과되어 가열할 수가 없었다.

전자기장의 주파수에 따라 금속에 대한 침투 깊이가 달라지기 때문이다. 또한, 기존의 마이크로파 가열 방식은 전도성 박막과 같은 소재에 마이크로파를 가하게 되면 박막 끝부분에 집중되는 전기장으로 인해 쉽게 방전이 일어나 손상되는 문제가 있어 활용하기가 어려웠다.

마이크로파 가열을 위한 유전체 공진기

연구팀은 전자레인지에서 사용하는 2.45GHz의 마이크로파를 유도가열 방식으로 사용할 수 있는 기술을 연구해 고효율의 열처리 기술을 개발했다.

이 기술을 활용하면 열처리가 필요한 전도성 박막만을 선택적이고, 순간적으로, 고온 가열할 수 있다. 특히 나노미터 수준의 두께를 가지는 얇은 전도성 박막을 1초 이내에 섭씨 1000도 이상의 온도로 빠르게 열처리할 수 있다. 연구팀은 높은 유전상수를 나타내는 유전체로 마이크로파 공진기를 구성해 자기장 패턴을 만들어 내는 방법으로 마이크로파 유도가열 기술을 개발했다.

전도성 박막이 있는 기판을 공진기 위에 올리기만 하면 가열할 수 있어 아무리 넓은 기판이라도 가열 위치를 옮기며 스캐닝하는 방법으로 열처리할 수 있다.

이렇게 열처리된 금속 박막의 전도도는 30%가량 향상된다. 열처리 공정속도도 획기적으로 높아진다. 특히 기존에는 할 수 없었던 고온 열처리 공정도 가능해 기존 성능을 뛰어넘는 새로운 소재 공정도 가능하다.

개발된 마이크로파 유도가열 기술은 공급되는 전기에너지에서 열에너지로 전환되는 효율이 70%에 이를 정도로 뛰어난 에너지 전환 효율을 나타낸다.

또한, 고온이 필요한 나노미터 수준의 박막만을 가열할 수 있어 전체 공정 에너지 효율도 기존의 가열 방식들보다 대폭 높아진다. 따라서 공정에 드는 에너지 비용과 장치의 규모를 크게 줄일 수 있어 상용화에 유리하다.

전기연구원은 개발된 기술을 최근 국내기업에 기술 이전했다. 대면적 열처리가 가능한 공정 장비 상용화에 성공할 수 있도록 적극적으로 지원할 계획이다.

김대호 선임연구원은 “기술의 지속적인 연구를 통해 전도성 박막뿐만 아니라 반도체 박막 등 다양한 소재의 열처리가 가능하도록 개발할 계획”이라며 “마이크로파 유도가열 기술이 향후 관련 소재 산업에 새로운 발전 동력이 될 수 있을 것”이라고 기대했다.