이성민  요업기술원 이천분원 구조세라믹부 선임연구원
김해두  한국기계연구원 부설 재료연구소 구조세라믹연구그룹 그룹장
류도형  요업기술원 나노소재응용본부 책임연구원

기계구조세라믹스는 열적, 기계적, 혹은 열적/기계적 응력이 동시에 가해지는데 사용가능한 세라믹 소재를 총칭하는 용어로서 전자세라믹스와 비교해 전체 세라믹스 시장의 30% 정도를 차지하고 있다. 기계구조세라믹스는 고유의 기계적, 열적 특성에 의해 자동차, 기계, 우주항공, 반도체·디스플레이, 로봇, 원자력, 에너지 등 기계구조산업에 소재 혹은 부품으로 사용되고 있으며, 전체 시스템의 성능을 좌우하는 핵심 부품 역할을 차지하고 있다. 특히 상기 산업이 국가 경제에 차지하는 비중을 고려한다면 기계구조세라믹 소재, 부품의 중요성을 새삼 재론할 여지가 없다고 하겠다.
상기 산업 중 반도체·디스플레이 산업, 자동차 산업 등은 세계적 경쟁력을 갖추고 세계를 선도하고 있으며, 지속적으로 세계 선두권을 지키기 위해서는 상기 산업이 미래를 선도해야 하며, 미래의 기술을 선도하기 위해서는 원하는 미래 spec을 만족하는 소재의 개발이 필수적으로 뒷받침 되어야한다.
이와같은 요구를 만족하기 위해서는 소재의 기계적, 열적, 화학적 임계성능을 극복하는 기술개발이 절실히 필요하며, 이의 구현을 위해서는 원자/나노 단위의 계면제어 기술이 가장 효과적일 것으로 판단된다.
본 소재원천 과제는 3개의 세부과제로 구성되어 있으며, 제1세부과제는 반도체·디스플레이 산업의 미래 기술 수요를 만족하기 위해 내플라스마 소재, 극고순도 소재, 맞춤형 소재를 개발하고 있다. 제2세부과제는 정밀기계, 에너지, 환경산업에 소요될 고강도, 고인성, 내마모 소재를 저렴하게 제조할 수 있는 기술을 개발하고 있다. 제3세부과제는 미래 우리나라에서도 적극적으로 참여하게 될 항공우주기술에 소요될 소재를 개발하고 있다.
전체 과제 구성도가 그림 1에 나타나 있다.

1. 계면제어기술에 의한 고밀도 플라즈마 환경 및 고온열화학환경용 소재 기술
1-1. 서론
반도체 및 디스플레이 공정의 대부분은 침식성이 매우 높은 플라즈마 환경 혹은 고온이면서도 오염의 가능성이 극히 적어야 하는 고순도 환경이 요구된다. 그림 2는 반도체 공정장비중의 하나인 식각시스템을 보여주고 있다. 그림에서 보이듯이 반도체를 처리하는 챔버 내벽은 내플라즈마성이 우수한 세라믹으로 이루어져 있고 웨이퍼를 고정하는 부분은 정전기력을 이용하는 세라믹 부재로 이루어져있다. 또한 금속외벽은 세라믹재질로 표면개질되어 있으며 웨이퍼의 이송을 담당하는 부품 또한 세라믹으로 이루어져 있다. 즉 최근의 반도체 공정용 장비소재의 상당부분이 세라믹화되고 있다고 할 수 있다. 이는 전통적으로 세라믹 부재가 널리 사용되었던 확산로에서부터 증착, 식각 등 반도체 전공정 핵심 장비의 내부소재까지 세라믹의 채용이 확산되고 있음을 보여준다.
사용되는 세라믹 부재는 여러가지 방법으로 분류할 수 있지만 기능에 따라서는 정전척(electrostatic chuck), 히터 등과 같이 능동적인 기능이 요구되는 부분과 확산로의 boat, carrier 등의 치구류와 같이 수동적인 기능이 요구되는 부분으로 구별할 수 있다. 그림 3는 대표적인 반도체 공정 장비용 세라믹 부재들을 보여주고 있다.
현재 반도체 산업용 장비에서 사용되는 대표적인 세라믹스 소재는 Al2O3, quartz 등을 들 수있다. 최근에는 이전까지 주력이었던 200mm 웨이퍼에서 300mm 웨이퍼 공정으로 대부분의 반도체 공정이 진화하고 고밀도 플라즈마가 사용됨에 따라 내플라즈마성, 내식성, 고열전도도 등의 기능성이 뛰어난 SiC, AlN 소재의 채용이 급격히 증가되고 있는 추세이다. 또한 2015년 25nm선폭의 기술이 도입되는 초집적 반도체 제조공정에서는 특히 초고순도 소재의 채용이 요구되고 있다. 이러한 소재의 요구 조건을 적용부위별로 표 1과 같이 정리하여 볼 수 있다.
1-2. 본론
향후 반도체 산업의 생산기술의 메가트랜드는 크게 초미세선폭화와 대구경화로 나누어 볼 수 있다. 산업계에서는 현재 48nm 공정에서 2015년도에는 25nm 공정이 도입되며, 웨이퍼의 크기로는 현재의 주력인 300mm에서 2012년부터 450mm 웨이퍼의 도입이 시작된다고 보고 있다. 이러한 반도체 산업의 생산기술 변화는 관련 장비용 소재의 발달경향에도 많은 영향을 미치게 된다. 이를 정리하면 크게 세 가지로 요약할 수 있다.

1) 웨이퍼 처리공정중 입자발생을 억제하는 내플라즈마 소재의 채용 확대
2) 반도체의 오염을 방지하는 초고순도 소재의 적용
3) 균일한 온도분포, 신속한 웨이퍼가열 등을 가능하게 하는 복합기능성 소재의 적용

이와 같은 반도체 산업의 메가트랜드와 장비용 소재의 발달경향을 참고하여 본 과제는 그림 4에서와 같이 크게 3가지 토픽으로 구성되어 있다. 먼저 내플라즈마 소재의 평가기술과 내플라즈마 소재의 개발을 주요한 토픽으로 삼았다. 또한 현재 채용이 널리 확대되고 있는 AlN, SiC 소재의 열전도도, 전기저항 등 기능성에 대한 연구와 아울러 고순도화에 대한 연구가 병행되도록 하였다. 각각을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

1-2-1. 내플라즈마 평가기술/소재 개발
반도체 공정장비용 소재의 핵심은 먼저 플라즈마 공정중에 입자의 발생이 적어야 한다는 점이다. 기존에는 플라즈마저항성 소재가 필요한 공정이 식각공정 정도로 제한적이었다. 그러나 최근에는 증착공정에서도 챔버내벽에 증착된 물질의 입자화를 방지하기 위하여 플라즈마 크리닝 공정이 대부분 채용됨에 따라 증착시스템에도 내플라즈마 소재의 도입이 필요하게 되었다. 그림 5 는 전형적인 세라믹소재인 알루미나가 CF4:O2 플라즈마 환경에 노출되었을 때 식각 후의 미세구조를 보여주고 있다. 알루미나 결정입자의 탈락뿐만 아니라 공정에 치명적인 입자의 발생이 다수 진행되고 있는 것을 볼 수 있다. 본 연구에서는 우수한 내플라즈마성을 가지는 소재를 개발하고자 하며 동시에 내플라즈마성을 정량적으로 평가하는 기술을 확보하고자 한다.

1-2-2. 고열전도도/고저항 AlN 소재 개발
웨이퍼의 크기가 점차적으로 200mm, 300mm, 450mm로 증가함에 따라 공정중의 웨이퍼의 온도 균일도를 확보하는 것이 중요한 이슈가 되어왔다. 웨이퍼의 온도차이는 식각속도, 증착속도의 차이를 불러와 전체적으로 생산공정의 수율저하로 이어지게 된다. 따라서 웨이퍼와 직접 접촉하는 소재의 고열전도도화와 웨이퍼를 이에 밀착시키기 위하여 고전압을 적용하였을 때 누설전류의 최소화가 필요하게 된다.
이를 위하여 본 과제에서는 대표적인 고열전도 소재인 AlN의 고열전도도화와 고온 고저항의 향상을 연구하고 있다. 고열전도도 소재의 개발은 특히 저온 공정에서의 온도 균일도에 기여할 것으로 판단되며 고저항 소재는 특히 고온 히터용 소재에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

1-2-3. 고순도 반응소결/가압소결 SiC 소재 개발
탄화규소(SiC)는 우수한 열적, 기계적 특성, 내화학성, 내구성 및 전기적 특성을 가짐으로 초고집적 반도체 공정에 적용할 수 있는 소재로 많은 연구가 이루어지고 있다. 그러나 탄화규소는 공유결합이 강하여 소결이 어렵기 때문에 SiC 분말만을 사용하여 소결을 하는 것이 어렵다.
따라서 반도체용 탄화규소 제품 제조공정에서는 저온소결 및 제품의 대형화를 위하여 다양한 소결 공정이 사용되고 있는데 이중 대표적인 것이 반응소결 공정이다. 반응소결 공정은 일반적인 탄화규소 소결과는 달리 1450~1600℃ 온도 범위에서 기공이 존재하지 않는 탄화규소 소결체를 짧은 시간 내에 제조할 수 있으며, 반응소결 후 성형체의 치수와 형상을 그대로 유지하기 때문에 최소한의 가공만으로 원하는 형태의 제품을 제조할 수 있어 높은 경제성을 갖는다. 본 연구에서는 이러한 반응소결 탄화규소 소재의 순도를 99.9999% 이상으로 획기적으로 향상시켜 별다른 후속 처리 없이 확산로 등의 반도체 공정에 적용할 수 있도록 하고자 한다. 또한 본 연구는 탄화규소의 기능성 향상 특히 전기저항을 감소시켜, 전기저항이 주요한 성능 요소가 되는 캐소드, 히터 등의 용도로 탄화규소를 사용가능하도록 전기저항이 제어된 탄화규소를 개발하고자 한다.
1-3. 결론
현재 반도체 장비시장에서는 미국의 AMAT, 일본의 TEL 등 다양한 업체가 공존하고 있는데 비하여 장비용 소재의 경우 일본 소재 업체가 주도권을 가지고 있다. 내플라즈마소재, SiC 세라믹스 분야에서는 도시바가, AlN세라믹스에서는 NGK가 세계적인 주도권을 가지고 있다. 본 연구개발이 성공적으로 이루어진다면 향후 반도체 장비용 소재로 확산이 예상되는 내프라즈마 소재, AlN, SiC 등 비산화물 분야에서 국내 시장에서의 수입대체 뿐만 아니라 한국이 장비용 시장에서 세계적인 리더쉽을 발휘하는 계기가 될 것으로 판단된다. 장기적으로 현재 20% 이내에 불과한 국내시장에서의 점유율 확대뿐만 아니라 년평균 12% 이상씩 성장하여 2016년 년간 약 4조원으로 성장이 예상되는 세계 시장에서 한국소재업체의 규모 및 위상이 강화되리라고 기대된다. 부수적으로 장비소재의 국산화가 효과적으로 진행된다면 년간 20조원에 이르는 반도체 장비시장에서도 국내업체의 위상 강화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

2. 계면제어 미세조직 제어에 의한 고강도 / 고인성 / 내마모 / 저비용 소재개발
2-1 연구개발사업의 배경
고강도/고인성/내마모 특성이 탁월한 기계구조 세라믹스(Engineering Ceramics)는, 고온/고부하 등의 극한 환경에서 유일무이하게 안정적인 성능을 발휘하는 소재일 뿐만 아니라, 금속 또는 초경 등의 기존 소재가 사용한계에 도달한 일부 응용처 등에서는 이들의 대체재로써 평가되고 있다. 사용 분말의 고순도화 및 미세화와 공정개발에 의해 현재는 소재특성 면에서 상당한 업그레이드가 이루어져, 물성만을 고려한 스펙은 이미 달성된 소재도 다수 존재한다. 기계구조 세라믹스의 우수한 특성은 획기적인 생산성 향상을 실현하는 핵심기반으로 산업현장에서 실증되고 있으며, 그 한 예로써 질화규소 세라믹스의 실적은 눈부실 정도라고 할 수 있다[표 2]. 그렇지만 요구되어지는 소재특성을 이미 달성한 소재의 개발에도 불구하고 현실적으로는 실용화가 상당히 제한되고 있는 것은 세라믹 부품의 고단가에 크게 기인한다. 본 연구개발사업의 반응소결/후소결에 의한 질화규소/사이알론 세라믹 소재는 저가 원료의 사용 및 near-net shape 제조에 의해 저비용화를 실현할 것으로 기대된다[7-9]. 또한, 습동부의 내마모성 소재에 대한 요구가 점점 중요하게 부각되는 산업계의 메가트랜드를 고려하여 나노벌크 소재 및 표면층 개질 소재의 개발을 동시에 진행하고 있다.
상기 분야는 현재 세계적으로는 소수의 연구 집단에 의해서만 연구가 진행 되어지는 첨단의 분야이며, 따라서 관련된 분야의 선점을 위하여 더 이상 지체될 수 없는 시급성을 요구하는 과제라고 할 수 있다. 체계적인 연구수행으로 비교우위의 소재특성을 구현한 원천소재를 개발하고, 나아가서 실용화 기술을 선점하여 관련 소재의 국산화 및 수출국화를 달성함으로써, 선진국과 중진국 사이에서 협공당하는 샌드위치 상태의 국가기술 위기를 타개하는 돌파구를 제공할 수 있다고 기대된다.
2-2 관련 연구의 국내외 동향
규소분말 성형체를 1200~1400℃ 온도범위에서 질소가스와 반응시켜 반응소결 질화규소(RBSN: Reaction-Bonded Silicon Nitride)를 얻는 반응소결법은 이미 1950년대에 개발되어 미국과 영국을 중심으로 활발하게 연구가 이루어졌으나, 이론밀도의 85% 정도에 그치는 불완전 치밀화의 문제를 해결하지 못하여 첨단재료로써의 사용가능성이 제한되어 한동안 연구동력의 상실기가 존재하였다. 반응소결 연구의 전환점이 된 것은, 1980년대 초에 Ford 자동차의 연구실에서 반응소결 질화규소에 소결조제를 첨가하여 후소결을 실시함으로써 치밀소결체의 개발에 성공함으로써 상용화의 길을 대폭 넓히게 된 것이다[10]. 반응소결체를 후소결 할 때의 수축율은 5~10% 정도로, 일반적으로 분말 성형체를 소결할 때의 수축율인 15~30% 보다 현저히 작으므로 소결 후 가공에서 유리한 장점이 있으며, batch 생산의 양태를 따르는 비산화물의 소결 공정에서 생산성을 향상시키는 장점도 있다. 그림 6는 질화반응의 모식도로써, 규소 입자간의 거리가 반응의 진행에도 불구하고 변하지 않는 것은, 반응에 의해 생성되는 질화규소가 성형체의 공극을 채우면서 소결효과를 나타내는 것을 설명하고 있다.
최근 일본 AIST의 연구자들에 의해, 기존의 고가 질화규소 분말을 사용하여 통상의 소결법으로 얻어지는 소재특성과 유사한 품질의 질화규소를, 염가의 규소분말로 출발하는 반응소결 및 후소결에 의해 달성할 수 있는 가능성이 검증되었다[11]. 국내의 경우, 반응소결법에 관한 연구는 대표적인 비산화물계 세라믹스인 탄화규소와 질화규소 두 소재 모두에 대해 상당한 수준의 연구성과를 축적하고 있다. 반응소결 탄화규소(RBSC)는 한국과학기술연구원(KIST)을 중심으로, 반응소결 질화규소(RBSN)는 한국기계연구원부설 재료연구소(KIMS)를 거점으로 하여 대형 국책 사업 및 기관 고유 사업 등의 형태로 10여년 이상 연구를 수행해 오고 있다.고강도/고인성/내마모 소재 관련의 국외 및 국내 기술개발현황을 각각 [표 3], [표 4]에 정리하였다.
2-3 세부 연구과제 개요
2-3-1 반응소결/후소결에 의한 저비용 질화규소/사이알론 세라믹스 제조
(1) 연구목표
상대적으로 염가인 규소 분말을 출발원료로 사용하여 반응소결법에 의해 질화규소 세라믹스(Si3N4, SiAlON) 소재를 저가로 제조하는 기술을 개발한다. 연구의 핵심은 소결조제와 기공형성제의 조성 및 첨가량을 조절하여, 계면제어에 의해 초임계 특성을 구현하는 치밀체 및 다공체를 개발하는 것이다. 본 연구를 통해 개발되는 치밀한 소결체는 고가의 질화규소 분말을 사용하는 기존의 소재와 비교하여 동등이상의 열적·기계적 특성을 보유하고, 다공성의 소결체는 기공율 및 기공크기가 응용처 별로 맞춤형으로 제어 가능한 것을 목표로 한다.

(2)연구내용
- 강화 Sintered RBSN : 새로운 소결조제 시스템(Lu-Mg 계, Lu-Si 계)을 사용하여 질화조건, 후소결 조건 및 Seed 입자크기별 미세구조 평가를 수행한다. 이 경우 침상형 입자와 기지상 간의 계면구조를 HRTEM을 통해 평가하여 새로운 소결조제 원소가 계면 내에 어떠한 상태로 결합되어 있는지 분석하여 기계적 특성과 연계하여 분석한다.
- α/β-sialon 합성 : α-sialon은 경도가 높은 장점이 있으며 β-sialon은 인성이 높은 장점이 있는바, α/β-sialon 복합체의 상비, 치밀화 등을 제어하여 고강도, 고인성 세라믹 소재를 제조하고자 한다. 이 경우 입자와 액상간의 계면 제어가 치밀화의 핵심변수이며, 액상의 양 및 종류 등에 따른 치밀화 거동을 제어하는 것은 계면을 제어하는 기술과 동일하다.
- Duplex structure : 풍력발전기 등에 사용되는 대형 베어링볼의 경우 내부는 인성이 높은 β-sialon, 표면은 경도가 높은 α-sialon으로 구성하여 최적의 특성을 발현하게 한다. 이 경우 표면층과 내부 간의 계면제어가 핵심기술로 인식된다.
- 다공성 세라믹스 : 질화규소, sialon의 입자크기 제어는 기공크기와 직결되므로 포집율이 우수하면서 배압이 낮은 필터 소재를 개발하는데 필수적이다. 입자성장과 수축율 제어는 상호 trade-off 적인 경향을 나타내므로 이의 최적화가 필요하다.

2-3-2 나노 벌크 소결체 제조
(1) 연구목표
소결체 입자의 나노 사이즈 제어에 의해 고강도/내마모성 세라믹 소재를 개발하고자 한다. 나노벌크 소결체의 제작을 위하여 ① 세라믹 프리폼에 pre-ceramic 고분자를 함침하여 초기밀도를 높이는 방법과 ② 통전활성소결(SPS) 또는 마이크로웨이브소결 등의 저온/단시간 소결법을 적용하여, 입자성장이 억제된 치밀소결체를 얻는 연구를 수행한다.

(2) 연구내용
- 고분자 함침에 의한 나노벌크 소결: 함침을 위한 성형체 조성, 성형밀도 및 고분자 조성 조절; 반응소결을 위한 filler 선정 및 첨가량 조절, 반응소결 조건 최적화; 소결 조건 확보를 수행한다.
- 공정개발에 의한 나노벌크 소결: 통전활성소결장치 및 마이크로파 소결 장비의 구성, 분위기 제어 장치 구축; 상용 나노 Si3N4 분말 소결, 고비표면적에 의한 산소 함량이 높기 때문에 이에 기인하는 제2상 석출 제어; 혼합분말 및 전구체를 이용한 나노 복합재료 소결; 나노 소결체의 입자 크기와 내마모 특성의 상관 관계를 규명한다.

2-3-3 표면개질에 의한 내마모 세라믹스 제조
(1) 연구목표
SiC와 같은 탄화 세라믹스의 표면을 염소/수소 가스 비 조절과 온도 조절, TiC와 같은 탄화물과의 모재 복합재 재료 등을 통해 표면의 탄소조성과 나노구조 등이 제어된 세라믹 소재를 개발하는 것이 본 연구의 최종 목표이다. 즉 마찰계수 0.12 이하, 마모율은 1x10-6mm3/Nm 이하의 초임계 세라믹 소재를 개발하여 반도체 분야, 우주 환경 분야, 극한 환경 분야의 내마모 부품으로 사용되고 있는 환원소재를 개발하고자 한다.

(2) 연구내용
본 연구에서는 ① 반응층 두께 조절 및 SiC와 탄소 비율을 제어하고, ② 수소/염소 가스비를 조절하여 나노 탄소상의 구조를 제어하고, ③ 모재의 미세구조 제어 및 탄화모재의 복합화를 통해 탄소층을 제어하고, ④ 최적화된 탄소 표면 미세구조를 설계하는 연구를 통해 내마모/저마찰 특성이 향상된 세라믹 소재를 개발한다.
 
1. Ceramic Source ’89
2. M. Savitz, Am. Ceram. Soc. Bull., 1999;78(3):52
3. Ceramic Guide Roller Brochure, Shinagawa Refractories Co,. Ltd.
4. Guide Ceram Brochure, NGK Co., Ltd.
5. M. Ota, T. Itaya, M. Mori, 機械と工具, 1988:70
6. N. Akio, “切削工具·治工具への應用,“New Ceramics, 1989;2(4):63
7. A. J. Moulson, J. Mater. Sci., 1979;14:1017
8. G. Ziegler, J. Heinrich and G. Wotting, J. Mater. Sci., 1987;22:3041
9. B. T. Lee, J. H. Yoo and H. D. Kim, Mater. Sci. Eng. A, 2002;333:306
10. J. A. Mangles and G. J. Tennenhouse, Am. Ceram. Soc. Bull., 1980;59:1216
11. X. Zhu, Y. Zhou Y, K. Hirao, J. Euro. Ceram. Soc., 2006;26(4-5):711

3. In-situ 계면제어에 의한 세라믹 fiber 및 고신뢰성 복합소재 제조기술
3-1 연구개발사업의 배경
세라믹스 섬유강화 복합소재는 세라믹스 기지상을 고강도의 세라믹스 장섬유로 강화한 것으로 고온·고압의 극한환경에서 고강도, 고인성, 내식성 및 고신뢰도의 구조적 특성을 유지하는 소재로 세라믹 섬유와 기지상 및 두 상간의 계면상, 내환경성 향상을 위한 표면코팅층으로 구성된다.
섬유강화 복합소재가 극한환경에서 우수한 성능을 발현하기 위해서는 고강도의 내열 세라믹스 섬유가 기본 요소가 되며 이 섬유를 원하는 형태의 프리폼으로 형상화하여 최적의 기계 구조적 특성을 갖도록 하는 섬유의 배열/직조기술이 요구된다. 또한 입자간 계면제어, 나노복합화 등에 의한 고강도의 치밀 기지상과 섬유/기지상 간의 적절한 계면 형성기술이 필요하다. 따라서 고강도, 고신뢰성의 섬유강화 복합소재를 위해서는 섬유, 프리폼, 기지상 및 계면상 등에 있어 나노, 원자수준에서 센티미터 수준에 이르기까지 다차원의 in-situ 계면제어 기술이 요구된다. 세라믹 복합재료에 쓰이는 대표적인 세라믹스 섬유 중 SiC 섬유는 완전 결정화 및 치밀화를 통해 나노사이즈의 SiC 입자들 간의 계면제어를 통해 초고온 초고강도 섬유를 만들 수 있다.
세라믹스 섬유로 강화된 세라믹스 복합재료는 전통적인 구조 세라믹스의 특성을 획기적으로 개선시킬 수 있음에도 불구하고 제조비용이 높아 우주항공, 국방, 원자력 산업 등 국가 전략산업 분야에 그 수요가 한정되어 있었으나 원료소재의 가격 하락을 통해 반도체 및 자동차, 에너지·환경 등 일반 산업분야로 그 용도가 급속히 증가할 것으로 예상된다. 아래 그림 7은 세라믹스 섬유강화 복합재료의 주요 응용분야를 나타낸 것이다[1-4].
3-2 관련 연구의 국내외 동향
21세기 에너지자원의 확보라는 측면에서 선진국들은 에너지관련 소재를 포함한 미래형 에너지기술 개발 및 에너지자원의 효율적인 이용에 많은 예산과 인력을 집중하고 있다. 특히 첨단 에너지재료 개발을 위해 정부주도의 대형화 사업이 수행되고 있는데, 미국의 CFCC program(1992~2001)과 Vision 21 program
(2001~2015)과 일본의 Synergy Ceramics Program (1994~2006), 유럽의  Vision Ceramics 2000 (2000~2002) 등이 대표적이다.
세라믹섬유 복합소재는 이러한 에너지 관련 산업에 적용할 목적으로 래디언트 튜브(radiant tube), 열교환기 튜브, 섬유강화 복합재료 래디언트 히터, 래디언트 버너 스크린, 고온 배기가스 집진 필터, 그리고 환경 저부하 에너지용 복합기능 구조재료 개발 등 다양한 연구가 진행되고 있다.
대표적 세라믹 섬유인 SiC 장섬유는 현재 일본과 미국에서 상용 SiC섬유를 제조되고 있으나 응용 및 시장의 확대와 더불어 고품질 염가의 섬유제조 공정기술개발이 이슈가 되고 있다. 미국 Advanced Ceramics Association의 Road Map의 Vision 2020에 따르면 SiC 섬유의 가격을 1/10 이하로 설정해 놓고 있으나, 이는 전구체의 염가개발이 이루어져야 하기 때문에 PCS를 염가로 제조하는 공정기술개발이 매우 중요하다[7]. 일본의 Ube 사의 경우에도 2010년 이후 원료의 가격을 2005년 대비 1/10 정도로 낮추어 국제적 가격경쟁력을 갖추겠다는 계획을 진행하고 있다. 표 5는 해외 주요국의 세라믹스 섬유강화 복합소재 관련 기술개발 현황을 요약한 것이다.
국내에서는 주로 카본섬유와 유리섬유를 기반으로 하는 저온용 및 중온용 복합재료가 생산되고 있으며, 초고온용의 세라믹스 복합체 제조회사로는 (주)데크가 Cf/C 복합재료로 구성된 항공기 브레이크 디스크 제조기술을 바탕으로 Cf/SiC, SiCf/SiC 복합재료에 대한 연구개발을 진행하고 있다. 국방용 소재는 한국화이버(주)와 대양산업(주)에서 미사일 발사추진체용 복합체를 생산하는 기술을 보유하고 있으며, 이외에 열기관용 복합재료는 KIST, KIER에서 일부 제품에 대한 시작품을 개발한 바 있다.
그러나 아직 국내에서는 세라믹스 섬유를 제품화나 양산화하고 있는 업체는 없는 상태이며, 일부의 대학교에서 산화물계의 경우, sol-gel 공정에 의한  Al2O3-SiO2계 섬유제조나 폴리카보실란이나 폴리카보실록산 등의 합성에 의한 SiC 섬유제조 관련 기반연구를 수행하고 있다. 표 6은 세라믹스 섬유강화 복합소재 관련 국내의 주요 기술개발 현황을 요약한 것이다.
요업기술원 (KICET)은 차세대 신기술개발사업으로 초고온용 섬유제조를 위한 고분자 전구체 제조기술 및 개질에 대한 기초기술 및 SiC 섬유 제조 기초기술을 개발을 수행하였다. 이 사업을 통해 촉매공정을 통한 폴리카보실란의 상압반응 합성기술을 개발하였고 이로부터 1800℃ 이상에서 소결하여 치밀하고 완전 결정화된 섬유를 제조하는데 성공하였다. 그러나, 경제적 섬유상 원료제조의 핵심공정기술인 나노촉매공정 기술이 효율적인 공정기술과 결합되지 못하여, 나노촉매공정을 이용한 고수율의 원료의 확보가 가능하나, 촉매사용공정이 초래하는 중합공정의 시간이 오래 걸리는 등 많은 과제를 안고 종료되었다.
KCC는 고분자 전구체의 합성원료인 M2(dimethyldichloro
silane)와 MCS (methylchlorosilane)의 상업양산을 통해 SiC 섬유의 산업화의 기반을 조성하고 있다. 현재 전주공장에 연산 25,000톤 규모의 양산 시스템을 구축하였으며 2012년에 17만 톤 규모로 확충할 계획에 있다.
또한 충남대에서는 SiC, SiCN용 폴리머 전구체 연구에 상당한 진전을 보이고 있으며 이를 이용하여 SiC foam 제조 및 MEMS 등에 응용하고 있다.
한국에너지기술연구원 (KIER)에서는 탄소섬유 강화 탄화규소 복합재료 제조기술에 대한 연구를 지속적으로 수행하였으며 연속상 탄소섬유의 대형 제품 형상화 기술을 확립하고, 이의 탄화 및 LSI (Liquid Silicon Infiltration) 소성공정 적용을 통한 전체 공정을 확립하였다. 또한 CVD (Chemical Vapor Deposition), CVI (Chemical Vapor Infiltration) 공정 및 탄화규소 분말을 이용한 고온가압소결 공정, 고분자 함침공정 (PIP) 등을 적용하여 탄화규소 섬유 강화 탄화규소 (SiCf/SiC) 복합체 제조를 위한 기반기술과 세라믹스 섬유의 인성강화를 위한 섬유코팅 기술을 개발하였다.

3-3 세부 연구과제 개요
3-3-1 폴리카보실란으로부터 유도된 SiC 섬유의 In-situ 계면제어기술 개발
(1) 연구목표
본 연구는 고신뢰성 복합소재 개발을 실현하는 첫 번째 단계로 다음의 몇 가지 주요 목표를 가지고 있다.
i) PCS 로부터 유도된 SiC 섬유의 In-situ 계면제어기술 개발
ii) 기능성 SiC계 세라믹스 제조를 위한 원천성 무기고분자 첨가제 합성 및 응용연구
iii) 1400℃에서 2.5 GPa 이상의 강도를 갖는 SiC섬유 제조기술 개발

(2) 연구내용
- 기존의 nano zeolite 촉매공정 보다 합성 공정 개선 및 반응 효율을 향상시킬 수 있는 신촉매 (Al2O3, WO3 촉매) 공정 및 촉매 담지체(Catalytic supporter) 공정개발 연구를 수행한다.
- 또한, 이로부터 제조된 PCS의 올리고머 정제 및 이를 통한 PCS 분자량/레올로지 제어 기술을 개발한다.
- 초고온/고강도 섬유제조를 위해 Al-doped PCS 또는 Al, B co-doping PCS 개발을 통해 ABC 섬유의 원료 전구체 개발 및 in-situ 계면제어기술 확립한다.
- 상기 목표 달성을 통해 1400℃에서 2.5 GPa 이상의 강도를 갖는 초고강도 SiC 섬유를 제조한다.

3-3-2 섬유이방성 및 계면제어에 의한 Near-Net Shape Preform 형상화 기술 개발
(1) 연구목표
고탄성, 고인성을 갖는 SiC 섬유 강화 SiC 복합체 소재를 이용한 고효율 래디에이션 히터 (Radiation Heater) 및 원자력발전용 차세대 판형 열교환기를 개발을 목표로 하며 이를 위해 SiC 섬유간 계면특성 향상을 위한 내산화성, 내화학성 코팅 기술 및 SiC를 이용한 3차원 성형체 패터닝 기술 확립을 위한 원천기술 확보하고자 한다.

(2) 연구내용
- 섬유 페터닝 기술개발을 위해 국민대학교와의 협력하여 섬유의 등방성 및 이방성 제어하고 또한 섬유의 3D 네트워크 구조를 제어하기 위해 직조, 적층 및 배열 조건을 최적화시키기 위한 연구를 수행한다.
- 섬유 및 복합체의 구조 모델링을 통해 계면 잔류응력 제어, 탄성 제어 연구를 진행하고 이로부터 복합소제의 역학거동을 평가한다.
- 섬유의 코팅기술 확립을 위해 PyC, BN 등의 코팅원에 대해 코팅 반응 및 In-situ 대면적, 연속증착 조건을 최적화 하기 위한 연구를 진행한다. 
- 이러한 연구를 토대로 3차원 페터닝 기술을 확립하고 라디에이션 히터를 형상화 한다.

3-3-3 하이브리드 공정을 이용한 고신뢰성 섬유강화 복합체 개발
(1) 연구목표
본 연구에서는 화학기상법 및 고온가압소결법에 의한 SiCf/SiC 복합체 제조 기반기술 구축을 위해 다음과 같은 정량적 목표를 설정하였다.
i) 곡강도 700 MPa, 파괴인성 20 MPa·m1/2 이상인 SiCf/SiC 복합체 제조기술 개발
ii) 섬유 Mat 복합체 히터용 기지상 제조기술 개발 (직경 20cm)

(2) 연구내용
- 복합체의 제조기술 확립을 위해 SiC 섬유/기지상간 열분해탄소 계면상 제어 공정과 프리폼 내부로의 슬러리 침투공정 및 기지상 복합화를 위한 SiC 나노와이어 성장 공정 연구를 수행한다.
- SiC 분말과 소결조제 혼합 슬러리가 침투된 SiCf/SiC 복합체의 고온가압소결 공정을 개발하고 이와 더불어 SiC 나노와이어 성장에 따른 프리폼 내부의 슬러리 침투거동 연구를 통해 고효율 슬러리 침투용 개량공정 기술 개발한다.
- SiCf/SiC 복합체 고밀도화를 위한 SiC 나노와이어 최적 비율 선정하고 복합체내의 기지상 입계, 섬유/기지상, 나노와이어/기지상 등의 계면에 대한 multi-range 계면제어 연구를 수행한다.
- 이러한 연구들로부터 대면적 섬유 Mat 복합체 히터용 계면 및 SiC 기지상 두께 균일도 가 향상된 복합체 매트를 제조한다.
 
1. R. Naslain, Comp. Sci. Technol. 64, 155 (2004).
2. R. H. Jones, D. Steiner, H. L. Heinisch, G. A. Newsome, and H. M. Kerch, J. Nucl. Mater. 245, 87 (1997).
3. A. Kelly, J. Mater. Sci. 41, 905 (2006).
4. T. M. Besmann, B. W. Sheldon, R. A. Rowden, and D. P. Stinton, Science 253, 1104 (1991).
5. 초고온 경량 신소재에 대한 한미불 과학기술 협력방안 조사단 사업보고서, 한국기계연구원, 2006.
6. A. R. Bunsell and A. Piant, J. Mater. Sci. 41, 823 (2006).
7. Advanced Ceramics Technology Roadmap-Charting Our Course, Energetics Inc. and Richerson Assoc., 2000.

그림 1. 과제 구성도
그림 2. 반도체공정시스템의 예 (Applied Materials(美)의 식각시스템)
그림 3. 대표적인 반도체 공정장비용 세라믹 부재
표 1. 반도체 공정장비용 소재의 요구기능
그림 4. 연구과제의 구성도
그림 5. 플라즈마 식각 후의 알루미나 표면미세구조

표 2. 질화규소 세라믹 부품과 기존 초경/금속 부품의 성능 비교[1-6]
                      적용분야 초경/금속 질화규소 비고
그림 6. 질화반응의 모식도

표 3. 고강도/고인성/내마모 소재의 국외 기술개발 현황
표 4. 고강도/고인성/내마모 소재의 국내 기술개발 현황
그림 7. 세라믹스 섬유강화 복합소재의 주요 응용분야

표 5. 해외 주요국의 기술개발 현황

표 6. 국내 기술개발 현황

<본 사이트에는 표가 생략되었습니다. 자세한 내용은 월간세라믹스를 참조바랍니다.>

이성민
한국과학기술원 공학박사
(주)대구텍 선임연구원
요업기술원 이천분원 구조세라믹부 선임연구원

김해두
영국 Sheffield 대학 공학석사
독일 Aachen 공대 공학박사
미국 ORNL 방문연구원
국립창원대학교 겸임교수
국립경상대학교 겸임교수
한국기계연구원(KIMM) 부설 재료연구소(KIMS) 구조세라믹연구그룹 그룹장

류도형
서울대학교 공과대학 공학박사
일본 오사카대학 산업과학연구소 외국인특별연구원
요업기술원 나노소재응용본부 책임연구원