김원효 (재)전남테크노파크 세라믹산업종합지원센터 센터장
최광표 (재)전남테크노파크 세라믹산업종합지원센터 기술실용화팀 팀장

1. 서 론
탄화규소는 다른 세라믹 재료에 비해 고온 물성이 우수할 뿐만 아니라 내산화성, 내마모성, 내부식성 및 열충격 저항성이 우수하여 각종 노즐, 메커니컬 씰, 내화판, 반도체용 치구, 열교환기 튜브, 킬른 퍼니쳐, 베어링, 밸브 트림, 방탄판 등으로 사용되고 있으며, 최근에 들어서는 반도체·디스플레이 산업의 고도화, 신재생에너지산업, 우주항공산업 등의 미래 신성장산업의 급부상으로 기존 소재의 한계를 극복할 수 있는 대체 소재로 각광을 받고 있다.
특히, 정부에서 소재산업 강국 실현을 위하여 추진하고 있는 WPM(World Premier Materials) 프로그램 10대 소재에 초고순도 SiC 소재가 선정되면서 학계 및 산업계의 관심이 고조되고 있으며, 미래 소재로서의 산업적 중요성이 다시 한번 확인된 계기라 할 수 있다.
선진국들은 핵심소재들을 국가 전략소재로 지정하여 엄격한 수출 규제를 하고 있으며, 이러한 규제가 점차 확대될 것으로 예상되고 있어 이에 대한 국가적인 대비가 요구되고 있는 실정이다. 예를 들면 초고온용 세라믹섬유 및 복합소재의 경우 MTCR(Missile Technology Control Regulation) 및 ITAR(International Traffic in Arms Regulation)에 따른 무역 규제 대상품목으로 수출이 철저히 통제되고 있다. 특히, 비산화물 소재는 그 탁월한 물성으로 인하여 전략소재로 취급되고 있어 이러한 소재에 대한 국내 내재화가 향후 전방 미래성장산업의 경쟁력 확보 및 지속적 성장의 관건이 될 것으로 예측된다. 따라서, 탄화규소를 포함한 비산화물 세라믹소재에 대한 국가적인 관심이 보다 확대될 필요가 있다.
탄화규소에 대한 최근의 관심 고조 및 그 산업적 중요성에도 불구하고 현재의 국내 탄화규소 소재산업의 모습은 그리 밝다고는 할 수 없다. 전반적인 세라믹 원료산업과 마찬가지로 탄화규소 원료생산업체는 전무한 실정으로 거의 전량 수입에 의존하고 있는 상황이다.
탄화규소 부품의 경우, SK솔믹스, 이노세라, 대구텍 등에서 반도체용 부재, 발열체, 기계용 부품등을 제조 생산하고 있어 원료산업에 비해서는 양호한 상황이나 산업 경쟁력을 확보하기 위해서는 아직 해결해야 하는 숙제가 많이 남아 있다 할 수 있다. 본 고에서는 비산화물 세라믹 소재 중 가장 주목받고 있는 탄화규소의 기술동향을 파악하고 산업적 응용전망을 분석하였으며, 원료적 관점에서의 시장동향을 예측해보고자 한다.

2. 관련 기술동향
대표적인 탄화규소 분말제조 방법은 1891년 미국의 Edward G. Acheson이 다이아몬드를 합성하는 과정에서 개발된 Acheson 방법으로 코크스 분말과 규석 분말로부터 열탄화 환원법(carbothermal reduction)으로 알파형 탄화규소가 제조되며 가장 많이 사용되고 있는 공업적 제법이라 할 수 있다. 각 용도에 따라 필요한 제품을 제조하기 위하여 알파형 탄화규소 잉곳을 분쇄, 수세, 탈탄, 건조, 철분제거수세, 급 등의 처리과정을 거치며, 내화물/파인세라믹스 소결체 원료, 연삭연마재, 철탄산제용 등에 사용되고 있다. 반도체제조 확산로용 분말소재의 경우에는 별도의 산세정을 통한 고순도화 처리하여 사용되어 지고 있다. Acheson 방법으로는 세계적으로 연간 60만톤 이상이 생산되고 있으며 대표적인 생산기업으로는 독일의 ESK, 일본의 야쿠시마덴코 등이 있다. Acheson 방법외의 분말제조방법으로 실리카·카본 환원법, 실리콘·카본 직접반응법, 기상반응법 등이 있다. 실리카·카본 환원법은 베타형 탄화규소가 얻어지며, 반응로 내의 불활성 분위기하에서 SiO2 분말과 탄소 분말의 혼합물을 1500~1700℃의 온도 구간에 가열함으로서 탄화규소를 합성한다. 이 방법을 적용하면, 분말자체가 미분 상태로 얻어지기 때문에 별도의 분쇄공정이 필요하지 않아 출발원료 순도제어를 통한 고순도 분말을 얻을 수 있다. 다만, 미반응 SiO2와 카본이 남기 때문에 이들을 제거하기 위한 산화 및 산 처리 공정이 필수적이다.
최근, 일본에서는 고주파 열플라즈마 CVD법에 의한 고순도 SiC 나노분말 양산하여 탄화규소의 나노입자화 및 고순도화의 산업화에 성공하였다.
열플라즈마법은 고온, 고활성 및 고속냉각이 쉬워, 나노입자 제조에 오래 전부터 사용되어 방법으로 SiC 나노입자 합성은 plasma gas와 seeds gas에 Ar gas와 수소를 이용하여 발생시킨 고주파열 plasma에, mono silane(SiH4)과 ethylene (C2H4)의 원료가스를 감압 주입하면, 6000K 이상의 고온에서 원자, 이온상태로 순식간에 분해되어 여기된 화학적 활성 seeds가 3000K 이하에서 재결합되면서 탄화규소의 핵을 생성하고, 중심부로부터 약간 떨어진 곳에서는 급격한 온도차이로 핵의 성장을 억제시켜 여기된 화학적 나노입자로 척출되게 된다.
원료가스로부터 직접 탄화규소가 만들어지기 때문에, 기존 방법에서 해야 했던 건조-소성-분쇄 등의 후처리가 일절 생략되어 공정이 간단하고, 장치나 타 환경으로부터의 불순물 혼입을 최소화 할 수 있어 고순도 입자를 용이하게 얻을 수 있다. 통상 평균입자 크기가 약 30nm이며,  Aspect 비가 약 1 로, 거의 구형인 산소함량이 극히 적은 고순도 분말을 제조할 수 있다. 탄화규소는 대표적인 난소결성 소재의 하나로 탄화규소를 소결할 때에는 B, Al계 등의 소결조제를 첨가하거나 실리콘을 함침하는 반응소결법이 이용된다. 반도체 공정용 치공구 부품에서는 오염의 근원이 되는 소결조제를 사용하지 않은 소결체가 필요하고, 실리콘을 함침한 탄화규소 소결체는 열적, 내화학적 특성에 한계를 가지고 있다. SiC 나노입자를 사용하면 마이크론급 분말에 혼합, 가압소결하여 소결조제 없이 치밀한 소결체를 얻을 수 있다. 따라서, 탄화규소 나노 고순도 분말소재를 사용함으로써 지금까지 문제시 되었던 반도체 공정용 고순도 부품의 제조가 가능하게 된다.
최근 LED 및 차세대 전략반도체의 급부상으로 SiC 단결정에 대한 학계 및 산업계의 관심이 크게 증폭되고 있다. SiC는 상압에서 액상을 갖지 않는 화합물로, SiC 단결정은 분말 제조법인 Acheson 법의 분말 제조 시 부산물로 생성되었는데 공업적으로는, Graphite 도가니 안에서 원료인 SiC 분말을 승화시켜 저온에서 재결정시키는 Lely법으로 제조되어 왔다. 그 후 종자 결정을 사용하는 방법으로 개량되고, 종자결정을 원료 분말과 맞보는 방향으로 배치하여 고주파 유도로로 가열하여 SiC 단결정을 제조한다. 현재 대부분의 SiC 단결정 성장은 개량 Lely법으로 이루어지고 있다. 통상 2200~2500℃, Ar과 질소가스 분위기에서 4H, 6H SiC 단결정이 제조되며 성장속도 시간당 1mm 이하(통상 200~400㎛/h) 정도인 것으로 알려져 있다. 기업으로는 미국 Cree사, Dow Corning사, 독일 SiCrystal사, 일본의 신일본제철, 식스온, 브리지스톤사 등이 있다. 현재 4인치 SiC 단결정이 제조 판매되고 있으며, 미국, 일본 등 선진국에서는 6인치 SiC 단결정 개발이 진행되고 있다.
그러나 전기자동차용 전력소자 및 LED 소자용 기판재료로의 대규모 응용을 위해서는 대구경화 및 결함밀도 저감기술의 확보가 요구되고 있다. 국내는 네오세미테크, 동의대학교에서 기술개발이 진행되어 왔으며, 동의대학교 교재 벤처기업인 크리스밴드사가 2인치 단결정 및 웨이퍼를 생산 판매한 바 있다.
이외에도 SiC 단결정 성장방법은 고온 CVD법, Si기판 위 열 CVD로 3C SiC를 성장시켜 웨이퍼화 하는 방법, 용융 Si 고용체로부터 SiC를 척출시키는 용액법 등이 있다.
강화복합재용 SiC 섬유는 현재 일본의 Nippon Carbon사와 Ube사에서 Nicalon 섬유 및 Tyranno 섬유를 생산하고 있으며 미국은 Sylamic 섬유가 대표적이다. 독일, 프랑스 등이 SiC 섬유산업 및 복합재 산업에 참여하여 독일은 2005년 프라운호퍼연구소에서 전구체 고분자 생산용 파일롯 플렌트 설치, SiC 섬유 산업화 추진 중에 있으며, 중국도 국가적 지원 아래 국방과학대학을 중심으로 개발이 진행 중에 있다. 국내도 한국세라믹기술원과 (주)데크에서 개발을 진행하여 왔으나 아직 사업화까지는 이루어지지 못하고 있는 상황이다.

3. 기업동향
탄화규소 분말소재는 독일의 ESK사가 세계 최대 생산업체로 연간 12만톤의 생산능력을 보유하고 있으며, 일본의 경우, 야쿠시마덴코가 일본 제1의 기업으로 알파형 탄화규소를 약 200톤 생산하고 있다.
일본의 이비덴사는 자동차용 베타형 탄화규소 제1의 회사로 약 150톤 규모로 생산하고 있다. 향후 환경대책을 갖춘 유럽(독일, 노르웨이, 네덜란드), 일본, 중국, 브라질, 멕시코의 회사들이 경쟁할 것으로 예상된다.
국내의 경우 SiC 분말 생산업체는 아직 없는 상태이며, 최근에 대기업에 인수합병된 벤처기업인 크리스밴드사가 단결정을 생산한 정도라 할 수 있다.
탄화규소 부품의 경우에는 SK솔믹스, 대구텍, 코미코, 쌍용머티얼, 이노세라, 글로벌코센테크, 대양산업 등 약 10여개 업체가 반도체, 발열체, 정밀기계용 및 내화물을 생산하고 있다. 
중간재인 네오세미테크, 크리스밴드에서 SiC 웨이퍼 생산, 페어차일드, Rohm 사에서 SiC 웨이퍼 응용제품 생산하고 있다. 일본은 도시바세라믹스가 반도체와 산업기계용으로, 2008년 약 1600억 원을 생산, 이비덴은 자동차 및 반도체용으로 1600억원을 생산하여 일본 1, 2위를 차지하고 있으며 이외에 아사히글라스, 생코방, NGK, 교세라, 일본세라, 브리지스톤, 미츠이조선 등 약 20개 사 이상이 탄화규소 제품을 생산하고 있다.
4. 탄화규소 소재 이용전망
가. 산업적 응용전망
탄화규소는 원료소재 관점에서 크게 분말, 단결정, 섬유로 구분될 수 있으며 비산화물 세라믹소재 중에서는 모든 형태의 소재 품목이 제품으로서 각각 상당한 시장을 확보하고 있고 성장측면에서도 가장 크게 기대되는 소재라 할 수 있다. 특히, 국내 최종 수요산업이 반도체·디스플레이, 자동차, 철강산업 등의 글로벌 시장을 보유하고 있는 수출 주력산업들로서 차세대 제품의 핵심소재로 적용되거나 개발되고 있어 적용이 확대될 경우, 그 파급효과는 실로 크다고 할 수 있다. 또한, 국방, 우주·항공, 원자력분야의 핵심 미래소재로 향후 중추적인 역할을 할 것으로 기대되고 있다.
탄화규소 소재의 가장 큰 수요처는 역시 반도체 산업이라 할 수 있다. 반도체 공정장비용 소재로 지금까지 가장 많이 사용되어 왔던 알루미나를 대신하여 SiC, AlN과 같은 비산화물 소재에 대한 연구 및 상용화가 최근 급진전되고 있다. 이는 최근 반도체 공정이 선폭 미세화에 따른 가혹한 공정 환경으로 전환되고 있으며, 대구경 웨이퍼 공정 도입 및 고온 공정 확대에 따른 것이라 할 수 있다.
이러한 반도체산업의 기술적 변화와 맞물려 공정장비용 소재로 SiC의 사용이 증가하고 있다. 자동차용으로는 디젤 자동차 매연 저감용 필터(DPF, Diesel Particulate Filter)가 가장 큰 시장으로 성장할 것으로 기대되고 있다. 경유차가 배출하는 PM(Particulate Matter)에 대한 환경 규제가 전세계적으로 엄격해져 DPF의 장착이 의무화되고 있다.
현재 일본의 이비덴사, NGK사의 SiC계 DPF를 수입하여 사용하고 있으며, 향후 PM 규제가 중량에서 수량으로 전환되면 저배압 극미세 나노 크기의 PM 포집기술이 새로운 기술장벽으로 작용하여 우리나라 자동차 산업에 심각한 장애요인으로 나타날 수 있다. DPF와 함께 차세대 자동차 하이파워 모듈에 SiC 기판의 사용으로 자동차 산업 적용시장이 현재 주력시장인 반도체·디스플레이 시장을 능가할 것이라는 전망도 나오고 있다.
탄화규소가 대표적인 비산화물 세라믹 구조재료로 인식되어 왔으나, p형과 n형의 모두 가능한 화합물 반도체이기도 하다. 실리콘보다 절연파괴강도가 10배, 열전도도가 3배 높으며, 청색발광체로 열과 화학적으로 안정하므로, Silicon Device의 한계를 넘는 자동차, 산업기계용 파워디바이스 및 LED 응용이 기대되어 폭발적인 시장 잠재성을 가지고 있다. SiC 단결정은 방위, 우주항공, 전력용 등으로 향후 1000억원 이상의 시장 형성이 가능할 것으로 예측되고 있어 최근 들어 SiC 단결정에 대한 관심이 크게 확대되고 있다. SiC 섬유는 핵융합로 등의 에너지 발전용, 방위산업용 등에 SiCf/SiC 복합소재의 원료로 응용이 확대될 것으로 예상되며, 전략소재품목이라는 점에서 그 의미가 크다고 할 수 있다.
탄화규소 소재는 이러한 시장의 수요에 대응하기 위하여 현재의 분말위주에서 섬유, 단결정, 박막, 코팅, 복합화 등의 수요맞춤형으로 특화될 것으로 예상되며 분말의 경우도 기술추이에 따라 초미립화, 초고순도화, 형상 제어 및 고기능화 추세로 전환될 것으로 예상된다.

나. 분말소재 시장전망
탄화규소의 세계시장 규모에 대한 자료는 없으나, 일본파인세라믹 산업동향조사(2008)에서는 일본의 탄화규소 생산액은 2006년 82.1억 엔, 2007년 47.1억 엔, 2008년 50.3억 엔으로 연간 660억 원의 규모를 형성하고 있는 것으로 보고하고 있다. 세계 탄화규소 시장규모는 각국의 2008년까지의 수입액 합계 및 연평균 성장률를 기초로 추정해 보면 2008년 8,514억원에서 연평균 약 8% 증가, 2015년에 1조 6천억원, 2020년에는 2조원을 상회할 것으로 예측된다. 일본신산업총연(2007)의 자료를 기초로 2008년 탄화규소의 톤당 단가는 1.69억원으로 산출, 이를 이용하여 생산량은 2015년에 10,000여톤 내외가 될 것으로 추정해 볼 수 있다.
탄화규소의 전방수요산업의 중심이 반도체와 자동차산업임을 감안하여 세계 반도체와 자동차 시장에서 한국이 차지하는 비중이 2015년 8.75%, 2020년 8.43%로 전망되어 이를 기초로 탄화규소의 국내시장을 전망해 보면 탄화규소의 국내시장규모는 2008년 602억원에서 연평균 12.9% 증가하여 2015년에는 1,409억원, 2016년 이후에는 연평균 5.2% 증가하여 2020년에는 1,814억원이 될 것으로 전망된다.
본 시장예측은 탄화규소 분말소재 시장에 국한하고 있으며, 산업적 수요에 맞춰 고부가가치 제품인 고순도, 초미립 분말 수요의 확대가 이루어지면 보다 큰 시장이 형성될 것으로 예측된다.
5. 맺은 말
국내 비산화물 세라믹소재산업은 약 450여개의 기업군으로 구성되어 있으며, 수요산업의 높은 성장가능성에 따라 최근 대기업 및 중소형 벤처기업들이 비산화물 소재사업의 진출이 급속히 이루지는 등 산업환경적 변화를 맞이하고 있다. 그 중심에 탄화규소가 있다고 해도 과언이 아니라 할 수 있다.
국내 최종 수요산업의 소재응용 제조기술은 세계 최고수준의 글로벌 경쟁력을 보유하고 있지만 원료소재는 국내 생산이 전무한 역삼각형 수급구조로 수요산업과 국내 소재기업간의 단절된 가치사슬 구조를 가지고 있다.
따라서 향후 해외 독과점 소재업체들의 전략적 공급조절이 이루어 질 경우 수요기업의 경쟁력이 한계에 봉착할 수 있다는 우려가 제기되고 있는 상황이다. 다행히 국내 대기업 및 소재기업이 탄화규소를 중심으로 비산화물 소재사업에 대한 추진이 가시화되고 있어 큰 전환점을 맞이하고 있으나 기술력, 장비, 투자여력 등은 아직 선진업체 대비 상당한 열위에 있는 게 현실이다.
이에 정부에서는 산업계의 관심이 투자로 연계되고 생산 엔지니어링 기술의 확보가 이루어 질 수 있도록 전략소재의 국산화라는 관점에서 적극적인 지원 및 관심이 필요한 시점이라 할 수 있다.

표 1. 탄화규소 소재 용도 및 사용 부품 예
그림 1. 고주파 열 플라즈마 반응장치 개략도
그림 2. Modified Lely Process
표 2. 유럽의 주요 SiC 제조회사
그림 3. 탄화규소 소재의 Value Chain
표 3. SiC 소결부품 용도(예)
표 4. 탄화규소 분말소재 시장전망
표 5. SiC 분말소재 가격전망

김원효
서울대학교 공과대학 학사
포항공과대학교 석사
포항공과대학교 박사
휘라포토닉스 연구소장
현재 전남TP 세라믹산업종합지원센터 센터장

최광표
연세대학교 공과대학 학사
한국과학기술원 석사, 박사
오리온PDP주식회사 선임연구원
현재 전남TP 세라믹산업종합지원센터 기술실용화팀 팀장

<본 사이트는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2010년 6월호를 참조바랍니다.>