金瑛郁 공학박사 / 서울시립대학교 신소재공학과 교수 金申漢 / 서울시립대학교 산업기술연구소 연구원 1. 서론 세라믹 분야는 지난 수십년간 많은 기술의 진보가 이루어져, 소위 뉴세라믹스(New Ceramics) 시대를 맞고 있다. 뉴세라믹스는 금속에 비해 낮은 밀도, 낮은 열전도도, 높은 경도, 높은 강도를 갖고 있기 때문에 많은 분야에 있어서 그 사용 분야를 넓혀가고 있는 신소재이다. 이러한 뉴세라믹스의 특징은 전통 세라믹스에 비해 세라믹스가 나타내는 여러 특성들을 최대한 살린 것으로, 기능적 특성, 기계적 특성 등 여러 가지 특성은 전통세라믹스와는 비교가 되지 않을 정도로 향상되었다. 뉴세라믹스 중에 특히 힘에 버티고 열과 환경에 견뎌야 하는 어떤 구조물 또는 그 부품으로 쓰이는 세라믹스를 구조세라믹스라고 한다. 오늘날 연구되고 있는 구조 세라믹스를 살펴 보면, 이들은 천연원료를 쓰는 것이 아니라 질화규소, 탄화규소, 알루미나 등과 같은 고순도의 합성원료로 만들어진다. 뿐만 아니라 지난 20년 사이에 이러한 구조세라믹스를 합성하거나, 원하는 모양으로 성형하거나, 고온으로 가열하여 소결하는 기술이 눈에 띄게 발달하여, 세라믹스만이 지니는 여러 장점들을 최대한 살릴 수 있게 되었다. 이러한 구조세라믹스 중에 열과 환경에 견뎌야 하는 어떤 구조물 또는 그 부품으로 쓰이는 세라믹스, 또는 금속으로는 사용이 불가능한 초고온에서의 사용이 가능한 세라믹스를 특히 내열성 세라믹스라고 한다. 세라믹 가스터빈 또는 자동차 배기가스를 이용하여 추가적인 동력을 얻는 세라믹 터보차저로타 등이 내열성 세라믹스의 예이다. 일반적으로 터빈입구온도가 높아야 높은 열효율을 낼 수 있는데, 금속 가스터빈의 경우에는 입구온도를 900℃ 이상 올릴 수 없지만 내열성 세라믹스를 이용하는 경우에는 1300℃ 이상의 고온에서 사용이 가능한 장점을 갖고 있다. 가스터빈을 세라믹화 하게 되면 터빈의 열효율 상승 및 공해물질의 배출 감소 등의 장점을 갖고 있다. 본고에서는 해외에서의 내열성 세라믹스 개발 동향과 국내에서 연구되고 있는 내열성 세라믹스 개발 동향에 대해 정리하였다. 2. 내열성 세라믹스의 연구개발 동향 가. 마이크로 가스터빈 개발 마이크로 가스터빈은 각 건물에 설치함으로써 건물에 필요한 전기를 자체발전으로 조달하는 장비로서, 21세기의 분산형 현장 전원으로서 각광 받고 있는 기술이다. 현재 일본에서는 도요타 터빈시스템이 자동차용 가스 터빈 기술을 살려 50kW급 마이크로 가스터빈을 개발하여 판매를 개시했고, 미쯔비시 중공업에서는 75kW급 마이크로 가스터빈을 개발 중이다. 또한 가와사끼 중공업에서는 내열성 세라믹스를 사용한 30kW급 마이크로 가스터빈을 개발하고 있는데, 고온내열성에 우수한 세라믹스를 터빈 날개에 채용함으로써 30kW급 세계 최고의 열효율인 30%의 실현을 목표로 하고 있다. 지구환경에 대한 관심이 높아지고, 에너지 사업의 규제 완화를 배경으로 잇달아 신규 참여 업체가 늘어나고 있으나, 마이크로 가스터빈 사업의 성공여부는 열효율의 향상에 달려 있고, 열효율이 향상은 내열성 세라믹의 사용에 의해 성취될 것이다. 나. 우주선용 초내열 세라믹스 우주왕복선의 선단부에 사용하기 위한 초내열성 세라믹 재료로 탄화규소(SiC)-붕화하프니움(HfB2) 복합재료가 개발되었고, 미국 항공우주국의 에임스연구실 (Ames Research Lab)에서 우주왕복선의 지구 재진입을 위한 내열재료로 채택하여 현재 시험 중에 있다. 다. 초내열 세라믹스 개발 일본의 우베흥산 우베연구소에서는 알루미나의 단결정과 잇트륨알루미늄산화물(YAG) 단결정이 3차원으로 이어지면서 복잡하게 얽혀 있는 새로운 구조의 초내열세라믹스를 개발하였다. 개발된 신소재는 대기중, 1700℃의 고온에서 1000시간 동안 두더라도 산화되지 않고 강도를 유지하는 초내열성 소재이다. 이러한 신소재가 항공기나 발전기의 터빈재료로 사용된다면 고온연소가 가능해져, 에너지 효율을 높여 연료가 대폭 절감되며, 지구온난화의 주범인 이산화탄소의 배출량도 대폭 줄이는 것이 가능하다고 판단된다. 라. 세라믹스 디젤분진필터(DPF) 개발 일본의 히노자동차는 2005년 배출가스규제에 적합한 새로운 디젤분진필터를 개발하였다고 발표하였다. 이번에 개발된 시스템은 배출가스의 전량을 고내열성 세라믹벽을 통해 여과하는 미세구멍 세라믹 필터를 적용한 새로운 디젤분진필터(DPF)이다. 한편 일본의 이비덴사에서는 소결 탄화규소로 제조된 디젤분진필터(DPF)를 개발하여 여러 자동차 회사에 납품하고 있다. 자동차 배기가스에 대한 환경규제가 엄격해지면서 세라믹스 디젤분진필터(DPF)의 사용은 더욱 확장될 것이다. 마. 내열 세라믹스의 개발 질화규소는 내열성, 내식성, 내마모성 등에서 산화물을 능가하는 특성을 갖고 있어서 자동차 엔진 부품으로 사용되고 있는 내열성 세라믹소재이다. 현재 질화규소는 그로우 플러그, 스월챔버, 터보차저로타 등 자동차 엔진의 부품으로서 사용되고 있다. 일본의 교세라사에서는 질화규소에 Lu2O3를 소결첨가제로 사용한 내열 신소재를 개발하였고, 실온 강도가 1400℃까지 유지되는 내열 세라믹스를 개발하였다. 한편 국내에서는 서울시립대에서 KIST, 서울대, 일본의 재료연구소와 공동연구로 실온강도가 1400℃까지 유지되는 내열 탄화규소 세라믹스가 개발되었다. 3. 내열성 세라믹스의 제조법 일반적으로 세라믹스는 어느 정도 온도까지는 상온 강도를 유지하지만 온도가 어떤 임계온도를 초과하게 되면 불순물이 많이 모여 있는 입계상(결정립과 결정립 사이의 경계 부분)이 고온에서 연화되면서 강도가 낮아지게 된다. 따라서 내열성 세라믹스를 제조하기 위해서는 고온에서 입계상을 안정한 상태로 유지할 수 있게 만들어야 한다. 입계를 안정한 상태로 만들기 위한 방법으로 다음의 네 가지 방법이 제안되었고 연구되고 있다. 첫 번째 방법은 고온에서 안정한 세라믹을 액상에 첨가함으로써 고온에서 액상의 연화를 지연시키는 방법이고, 두 번째 방법은 입계상의 양을 줄임으로써 고온에서의 입계상으로 인한 미끌림 현상을 방지하는 것이다. 세 번째 방법은 소결공정 이후에 추가적인 열처리를 통하여 입자 사이에 존재하는 입계상을 결정화시키는 방법이고, 네 번째 방법은 입계상이 주성분과 고용체를 형성하는 조성을 선택함으로서 입계상을 제거하는 것이다. 본 고에서는 첫 번째 방법과 네 번째 방법을 동시에 사용하여 탄화규소 세라믹스에 적용한 예를 설명하고자 한다. 탄화규소의 액상 소결에 있어서 일반적으로 사용되는 소결 조제의 조성은 알루미나(Al2O3)-이트리아(Y2O3)계이다. 이러한 소결조제는 탄화규소의 표면에 항상 존재하는 산화규소와 반응하여 산화물 액상을 형성하고 온도가 증가하면 탄화규소가 그 속에 용해되어 산탄화물 유리질을 형성한다. 이 제조된 탄화규소 세라믹스는 육각 판상의 입자와 입자사이의 입계 유리상으로 구성된다. 이러한 입계 유리상의 존재는 상온에서 파괴인성과 강도를 증가시키지만, 고온에서 입계유리상이 연화되어 강도의 저하를 가져온다. 그렇기 때문에 완전 치밀화가 가능하면서 동시에 높은 강도와 높은 내열성을 유지할 수 있는 소결조제 조성에 대한 연구는 매우 중요하다. 최근에 서울시립대에서는 질화알루미늄(AlN)-산화어비움(Er2O3)을 소결첨가제로 사용하는 새로운 조성의 내열세라믹스를 개발하였다. 그림 1은 개발된 내열세라믹스의 대표적인 미세구조를 보여주며, 그림 2는 개발된 내열세라믹스와 기존의 알루미나-이트리아계 소결조제를 사용한 탄화규소 세라믹스의 고온강도를 보여준다. 그림 2에서 보듯이 개발된 내열세라믹스는 기존의 알루미나-이트리아계 소결조제를 사용한 탄화규소와 달리 상온강도가 1400℃까지 유지되는 것을 보여주는데, 이는 소결첨가제로 사용한 질화알루미늄이 탄화규소의 격자내부로 용해되어 고용체를 형성하여, 입계유리상에서 알루미늄 성분을 제거함으로서 내열성을 향상시켜, 고온강도를 크게 증가시켰기 때문이다. 4. 전망 현재 내열성 세라믹스는 그 특성이 계속 향상됨에 따라 그 응용 분야를 넓혀가고 있다. 특히 높은 에너지 효율과 환경오염과 관련된 엄격한 규제의 적용과 관련하여 마이크로 가스터빈, 고온용 가스터빈, 디젤엔진용 분진필터와 같은 금속이나 고분자로써는 사용이 불가능한 분야 및 우주항공분야로의 진출이 활발히 이루어진다면 내열성 세라믹스의 시장성은 밝다고 볼 수 있다. 현재 국내에는 내열성 세라믹스의 생산 기반이 거의 없는 실정이나, 국내에서도 연구의 유행을 따라가지 않고 누군가는 이러한 분야의 연구를 지속하는 것이 장래에 기술선진국에 종속되지 않고, 독자기술을 가질 수 있는 길이라고 생각된다.