이상훈 한양대학교 공학대학원 환경공학과 교수

1. 서론
산업기술의 발달과 함께 각종 재료의 성질을 개선하고자 하는 연구가 끊임없이 계속 되고 있으며 이에 따라 기존의 재료가 갖지 못하는 우수한 기능성 재료들이 개발되고 있다. 전통적으로 세라믹스는 분쇄나 정제하는 것으로 충분한 기능을 발휘하였지만, 고기능성의 제품으로 사용하기 위해서는 고순도화 및 초미립화 된 세라믹스 제품이 요구되고 있는데 이는 입자 형태 및 입자 크기가 제어된 재료의 합성이 최종 물질의 특성에 큰 영향을 미치기 때문이다. 이에 따라 최근의 연구경향은 화학적, 물리적 방법을 통하여 입자의 크기 및 형태 제어를 100nm이하의 극 미세화 영역에서 행하고자 하는 방향으로 연구가 진행되고 있다. 이러한 극 미세화 나노기술은 나노분말의 합성, 나노구조를 갖는 재료의 개발 및 나노소자의 제조 등으로 크게 대별될 수 있는데, 이는 단순히 크기나 규모의 극 미세화가 목적이 아니라, 이로 인해서 발현될 수 있으리라 예측되는 독특한 특성향상과 전혀 예측하지 못했던 새로운 기능성 부여가 가져오게 될 미래의 신기술 개발에 근본적인 목적이 있는 것이다.
따라서, 본 지면을 통해 전달하고자 하는 “세라믹스 원료산업 발전현황과 미래비전”에 대한 주제를 논하기 위해서는 앞서 밝힌 최근의 첨단 산업동향을 기초로 다양한 접근성을 갖고 소개해야만 하는 매우 어려운 특징을 갖고 있다 할 것이다. 이는 기존의 모든 세라믹스 분말이 그 종류별, 용도별 특성 발현의 기준이 제 각각의 특성적인 영역을 별도로 구축하고 있는 현실에서, 상기한 개발 목적을 만족할 수 있는 범위가 각각 다르기 때문인 것이다. 이에 따라, 본고에서는 현재 이 분야에 종사하고 있는 세계 유수의 연구 기관들과 제조업체들의 실제 응용 분야를 중심으로, 그 현황 및 미래비전에 대하여 간략하게 소개하고자 한다.

2. 본론
가. 천연 광물자원의 고부가가치성 세라믹스 원료 소재화 산업
천연 광물자원을 원료로 하는 소재산업은 모든 산업의 기초가 되고, 타 산업에도 부가가치 향상 등 파급효과가 큼으로써 대부분의 선진국에서도 광물의 정제기술과 고부가가치의 소재산업이 크게 발달하고 있으며, 우리나라에서도 산업의 발달로 최근 비금속 소재광물의 수요가 증가하고 있으나, 국내산은 품질저하로 수요가 한정되어 고품위 원료광물 및 1차 가공소재광물의 수입이 지속적으로 증가하고 있는 실정이다. 따라서, 향후 국내산업의 전문화, 고도화 및 고부가가치화에 따른 첨단산업용 소재 수요는 지속적으로 증가할 것으로 예상됨으로써, 국내 자원산업의 고부가가치 창출과 국제 경쟁력의 향상 및 소재광물의 수입 증가에 따른 무역적자 해소를 위해서는 지금 현재까지는 에너지 및 전략 광물자원에 집중되고 있는 해외자원 개발 대상 광종을 비금속 광물자원까지 확대하여 이를 대상으로 한 보다 적극적인 소재광물의 부가가치 향상 기술 개발이 필수적이라고 사료된다. 한편, 고부가가치 창출을 위한 자원의 소재화 산업은 그 사업특성이 특수 제조업종의 벤처산업과 매우 유사하므로, 이에 대한 정부 지원방안 수립은 기타 벤처 지원정책과 동일한 선상에서 검토·결정되어야 할 것이다.
나. Size Reduction Process에 의한 분체입자로의 세라믹스
    원료 소재화 산업
기초소재, 첨단소재, 기능성소재의 개발은 많은 첨단제품을 만들어, 전기, 전자, 통신, 정보, 광학, 정밀화학 분야 등을 중심으로 일상생활의 근대화를 실현시켜 왔다. 특히 급속한 분체 기술의 확립이 많은 신소재의 개발, 기능성 분체의 개발에 무한한 역할을 다해 왔으며, 금후에도 더욱 새로운 분체 기술의 개발이 많은 신소재를 만들어 내리라 생각한다. 거기에는 소재의 원점이 되는 분쇄에 의해 형상 변화된 입자, 즉 분체의 존재가 있다. 원래 초미분쇄는 농약을 필두로, 3Micron정도의 초미립자 제조를 목표로, JET기류 분쇄기 등을 사용해 왔는데, 특히 근년도의 JET기류 분쇄기를 사용한 초미립자의 제조는 적층콘덴서용 티탄산바륨, 복사기용 토너, 도전성 재료용 Graphite, 금속산화물, 가열포화증기를 이용한 안료용 이산화티탄 등 폭넓은 분야에 이용되어져 왔다. 한편, 최근에는 각종 고순도·미세 구형 bead(0.1, 0.05mm zirconia bead)를 이용한 매체교반형 습식 분쇄기를 이용, 100nm근방의 Micron단위 이하의 분쇄·해쇄된 초미립 분체 제조도 가능하게 되었고, 본인들이 각종 기술세미나 장소에서 수차례 발표해 오고 있는 바와 같이, 국내 기술진들에 의한 건식 나노 초미분쇄기도 이미 상업적 생산규모 바로 직전까지 성공적으로 개발되어 그 응용범위를 점차 넓혀가고 있는 실정이다. 한편으로는 고정밀도 건식 분급기의 개발이 분쇄기만으로는 조절할 수 없었던 정밀한 입도분포를 갖는 분체 제조도 가능하게 하고 있다.
분체는 작은 입자의 집합체로서 미분화되었을 때의 단일입자의 물성과 집합체로서의 물성이 공존하고 있다. 일반적으로 미립자 물성은 재료의 기능성에 관계되고, 집합체로서의 분체 물성은 제조·가공기술에 관계된다고 일컬어지고 있다. 따라서, 각종 정밀 제어된 초미립자 분체 제조 시에 요구되는 주요 물성 및 그 효과는 다시 그 용도에 따라서 목적을 달리하는 경우가 많으며, 급속하게 발전하는 기능성 소재로부터의 요구치는 날로 다양해지고 있는 실정이다. 즉, 초미립자 제조목적의 대표적 효과에 농약, 의약의 시효성·즉효성의 Control을 들 수 있다. 농약, 의약은 입도의 조정에 의해 녹는 시간이 변하고, 약효의 시간을 Control 할 수 있다. 또한 입도 조정된 입자의 표면에 기능성을 부가시키기 위해, 표면처리를 하는 경우가 있다. 그것이 바로 복합화 처리이다. 결과로 용출시간의 Control 등 표면처리에 의해 많은 기능을 부가시킬 수 있다. 입도분포의 조정이 대단히 중요한 복사기용 토너원료는 화질, 화상농도의 향상을 목적으로 Sharp한 입도분포가 요구되는 바, 반복분쇄, 분급을 통해, 입자형상을 구상화하여 토너의 유동성을 향상시킨다. 이러한 다양하고도 정밀성을 요구하는 복잡한 분체제조의 투자부담과 어려움을 동시에 해결하기 위하여, 미국, 일본 등에서는 소재 제조업체가 직접 분체 제조를 행하지 않고 전문 분체 제조업체에 위탁 가공하는 산업구조가 오래 전부터 정착되어 있다. 따라서, 이들과 끊임없이 경쟁해야만 되는 우리나라에서도 이에 대한 후발 주자로서 이미 그러한 전문 업체가 국내에 한일 합자기업으로 수년 전에 준비되어져 있는 바, 이에 대한 적극적인 수용 적용이 국내 세라믹스 산업 발전의 주요 저변 환경 조성 조건으로 작용할 수 있으리라 확신하는 바이다.
다. Particle Growth Process에 의한 합성입자로의
    세라믹스 원료 소재화 산업
일반적으로 널리 알려져 있는 세라믹스 분말 합성법은 크게 Size Reduction Process(Break Down Process)와 Particle Growth Process(Build Up Process)로 대별할 수 있는데, 최근에는 전자의 기술범위에 mechanochemistry 영역까지도 같은 범주에서 고려하고 있으며, 후자는 다시 기상 합성법, 액상 합성법, 고상 합성법으로 분류될 수 있다. 대표적인 기상 합성법에는 증발·응축법과 기상·화학 증착법 그리고 기상 열분해 및 기상 산화·환원법 등으로 세분되어 소개되고 있으며, 액상 합성법은 침전법과 용매 증발법, 졸-겔법 및 수열 합성법 등으로 나뉘어 지고, 고상 합성법은 전형적인 세라믹스 제조 공정 개념의 열 분해법, 환원법, 고상 반응법과 용융염 합성법 등으로 분류 될 수 있다.
상기한 일반적이고 전형적인 세라믹스 분말 합성법 중에서 극 미세의 입자 크기를 갖고 초정밀 제어된 나노세라믹스 분말의 합성법으로 현재 응용되거나 검토되고 있는 대표적인 방법은 mechanochemistry 응용법, 증발·응축법, 에어로졸법, 졸-겔법, 수열 합성법 등이 있다. 이러한 여러 가지 제조 방법들은 그 방법에 따라 최종적으로 얻고자 하는 나노세라믹스 분말의 입도 분포, 형상, 결정상, 분산성, 비표면적 특성 등이 크게 달라지게 되고, 결과적으로 나노분말의 Rheology 특성 등의 기능성의 차이가 생기게 되며, 양산성 등에서도 각각의 장단점을 갖게 되므로, 그 어떤 방법도 단순 공정만의 합성 개념이 아닌 복합적인 공정 혼합에 의한 장단점 보완이 요구되고 있다. 한편, 응용적인 측면에서도, 수요자 측이 단분산 나노분말로 공정에 도입하거나 습식 공정에서 동일한 용매 하에서 졸 형태로 혼합하기를 원하는 경우, 각 요구 조건에 따라, 근원적인 합성 방법을 달리 할 필요도 있으며, 용도에 따라서는 여러 종류의 나노분말을 정량적으로 미리 균일하게 혼합하거나, 표면에 코팅 처리하여 공급할 필요 등이 산적해 있다. 기상 합성법은 나노 분말의 정밀제어가 용이하고 균질한 품위를 얻을 수 있는 점 등에서 큰 이점이 있으나, 제조 설비의 어려움과 제조 단가의 부담 등이 항상 문제점으로 지적되고 있는 실정이다. 또한 수요자가 특정 용매 조건의 나노 졸의 형태로 공급받기를 원할 경우도 많다는 점 등에서, 액상 합성법인 졸-겔법이나 수열합성법 등이 쉽게 적용되고 있으며, 이 경우는 제조 원가가 비교적 저렴하다는 이점이 있는 반면에, 합성 졸의 균일 분산성 구현에 대한 Rheology 측면의 부속 기술 개발과 단분산 분말로의 효과적인 건조 공정 도입의 성공여부에 그 실현 가능성이 좌우된다. 다음 Fig. 1에 액상 합성법에 의한 세라믹 나노 분체(졸)의 적용 가능 범위 및 대상을 주기율표상에서 표시해 보았다.
                    

3. 결론
세라믹스 원료산업(나노 분체, 졸 포함)의 주요 잠재시장 분야로는, Paint Pigment, Cosmetic, Pharmaceutical, Medical Diagnostics 등의 정밀화학공업 분야와 Catalyst & Support, Membrane & Filter 등의 환경 소재산업, 그리고 Batteries & Fuel cell, Magnetic & Optical devices, Flat Panel displays 등을 중심으로 하는 전자재료 및 생체재료, 구조재료 등에서 앞으로도 더욱 더 광범위하게 개발되고 응용될 전망이다. 즉 모든 부품/소재 산업이 그 주요 대상이 되는 것이다.
그러나 이 분야의 현재 국내 기술 수준은 한·일 무역불균형의 주요 원인으로 분석되고 있는 것이 바로 이러한 부품/소재 산업의 대일 의존성 때문인 것과 같이, 그 기초 기반 원천기술인 국내 원료산업의 침체가 보다 더 정확한 원인요소로 사료되고 있는 바, 전체적인 국가 산업경제구조의 선진국형 체제개선 노력과 함께 가장 집중적으로 지원, 육성될 분야일 것이다. 이러한 점이 아직은 세라믹스 원료산업의 미래비전이 그다지 어둡지만은 않을 것이라는 기대감을 갖게 하고 있는 것이다.

Fig 1. 액상 합성법에 의한 세라믹 나노 분체(졸)의 적용 가능 범위 및 대상

이상훈
한국세라믹학회 이사
산업자원부 에너지자원연구회 회장
산업자원부 자원회수연구회 회장
동아시아 기능성 이온협회 자문교수
한양대학교 공학대학원 환경공학과 부교수
한양대학교 미래산업전략CEO과정 주임교수