김경훈 한국세라믹기술원 기업지원본부 선임연구원

1. 서론
탄화붕소는 현재 지구상에서 존재하는 물질 중에 다이아몬드, 입방정 질화붕소(c-BN) 다음으로 경도가 높은 재료로 다른 탄화물, 질화물 세라믹스와 동등한 정도의 강도와 인성을 보이며 융융 금속에 대한 내침식성, 산과 염기에 대한 내화학성이 우수하며 중성자 흡수능이 매우 우수하기 때문에 원자력 발전 분야에서도 매우 중요한 재료로 알려져 있다.
탄화 붕소는 비중이 2.52g/cm3으로 대표적인 경량 금속인 알루미늄(2.7g/cm3)보다 낮으며 높은 탄성률을 가지기 때문에 탄성률을 재료의 비중으로 나눈 값인 비강성은 탄소섬유 복합재료나 베릴륨 합금에 버금가는 재료로 평가되고 있는 재료로 내마모 부재, 경량 구조용 부재, 내열 부재로서 기대되고 있는 비산화물 세라믹 소재이다. 특히 최근에는 높은 경도와 경량 소재로서의 장점에 주목하여 경량 방탄소재로 개인용 방탄호구, 헬기, 전투용 차량 등의 방탄 재료로 적용되어 탁월한 특성을 발휘하고 있다.
이와 같이 구조용 재료로서 우수한 특성을 지닌 탄화 붕소는 여타의 탄화물이나 질화물처럼 강한 공유결합성으로 인하여 소결이 매우 어렵다는 단점이 있지만 치밀한 탄화붕소 소결체의 제조에 관한 연구 개발이 꾸준히 진행되어 다양한 소결법을 이용한 성공적인 연구 성과들이 발표되고 있으며 국내에서도 탄화붕소 소재 개발에 관한 관심이 증대되고 있기 때문에 탄화붕소 분말에 대한 수요 또한 증대되고 있다. 현재 국내에서 탄화붕소 분말 중 가장 많이 사용되어 지는 것은 샌드블러스터(sand-blaster)에 사용되는 샌드(sand) 분말과 연마재 분말(abrasive powder)이며, 부정형 내화물 및 소결용 분말로도 일부 사용되어 지고 있다. 본고에서는 탄화붕소의 특성, 분말 제조법 및 응용 분야 등 소재로서의 중요성과 국내외 탄화붕소의 개발 현황에 대하여 논의하고자 한다.

2. 탄화붕소의 특성
탄화붕소는 일반적으로 B4C로 표시되지만 실제로는 탄소 함량 기준으로 8~21 at%의 넓은 범위에서 붕소와 탄소간의 고용체를 이루고 있는 물질이기 때문에 B4C 이외에 다양한 화학식으로 탄화붕소를 표기하기도 한다. 이와 같이 탄화붕소는 넓은 고용 범위를 갖기 때문에 조성의 변화에 따라 그 특성이 변화한다고 보고되었는데 대표적인 물성인 경도의 경우 붕소와 탄소의 비가 4 : 1인 조성에서 가장 큰 값을 나타낸다고 알려져 있다. 탄화붕소의 고온 경도의 경우에는 일반적으로 세라믹스가 보통 800℃ 이하에서 급격한 경도의 저하를 나타내지만 탄화붕소는 1,600℃까지도 경도의 저하 없이 상온 경도를 유지하는 특성을 나타내고 있다.
탄화붕소의 주요한 성질 중의 하나로 중성자 흡수능이 매우 큰 특성을 지니는데 이는 탄화붕소에 포함된 보론의 동위원소인 10B에 의해 중성자가 흡수되기 때문인데 10B가 중성자를 흡수할 경우 아래와 같은 반응이 진행된다.
10B + 1n = 7Li + 4He + 2.4MeV
탄화붕소는 강한 공유결합성으로 인하여 화학적으로 매우 안정한 물질이며 일반적으로 산과 염기에 매우 안정하며 용융 금속에 대한 내침식성이 뛰어나기 때문에 제철 분야의 내화물 소재로 특성이 우수하다. 탄화붕소는 다른 비산화물계 세라믹스와 마찬가지로 온도가 올라가면 산화하기 시작하는데 보통 600℃ 부근에서 탄화붕소 표면에서 B2O3 산화막을 만들어 더 이상의 산화를 억제하지만 온도가 1,200℃ 이상이 되면 B2O3가 휘발하기 때문에 급속한 산화가 진행되기 때문에 고온에서의 사용상에 주의가 요구된다.
탄화붕소의 기계적 성질 중 가장 특징적은 것은 전술하였듯이 높은 경도를 들 수 있는데 Mohs 경도로 약 9.6 이상의 값을 나타낸다. 또한 재료의 원자간의 결합 강도를 나타내는 척도의 하나인 탄성율이 약 450GPa 정도로 다른 세라믹 재료에 비해 높은 값을 나타낸다. 이외에 파괴인성, 꺽임강도 등의 기계적 특성 또한 타 세라믹 소재와 비슷한 값을 나타내는 것으로 보고되고 있다. 이와 같이 탄화붕소가 가지는 고경도, 고탄성률 및 높은 강도 특성과 경량성이 어우러져서 다른 재료에 비하여 탁월한 내마모성과 방탄 특성을 나타낸다.

3. 탄화붕소 분말의 제조
탄화붕소는 자연에서는 존재하지 않고 인위적으로 합성해서 만들어진 화합물로 여러 가지의 붕소 및 탄소원을 출발 물질로 하여 여러 반응 과정을 거쳐 제조되고 있는데 현재까지 개발된 대표적인 방법으로는 ①B2O3 또는 boric acid(H3BO3)를 탄소를 이용하여 환원시키는 방법(Carbothermal reduction), ②B2O3를 마그네슘과 카본블랙을 이용하여 환원시키는 방법(Magnesiothermal reduction), ③보론 원소와 카본 원소를 직접적으로 반응하여 제조하는 방법(Synthesis from elements) 및 ④기상 합성법(Vapor phase reaction)의 네 가지를 들 수 있는데 공업적으로 가장 널리 사용되는 방법이 B2O3를 환원하여 탄화 붕소를 제조하는 방법이다.

3-1. Carbothermal reduction
탄화붕소 분말을 제조하기 위해 공업적으로 가장 널리 이용되는 방법으로 가격이 저렴한 B2O3나 H3BO3를 탄소와 함께 2,000℃ 이상의 고온에서 장시간 열처리를 통하여 탄화붕소 분말을 제조하는 방법으로 아래와 같이 반응이 진행된다.
2B2O3 + 7C → B4C + 6CO
이 반응은 강한 흡열반응(ΔH = 1,812kJ/mol)을 수반하여 아래의 두 단계의 반응을 거치며 진행이 되어 최종적으로 탄화붕소 분말을 생성하게 된다.
B2O3 + 3CO → 2B + 3CO2
4B + C → B4C
이렇게 제조된 탄화붕소 분말은 크기가 조대하기 때문에 분쇄 공정과 미반응 물과 분쇄 공정에서 유입된 불순물을 제거하는 공정을 거쳐야하고 붕소와 탄소의 조성비가 제어가 어려운 단점이 있지만 공정이 매우 간단하기 때문에 상용으로 제조되는 탄화붕소 분말의 대부분이 이 방법으로 제조되고 있다.

3-2. Magnesiothermal reduction
이 방법은 마그네슘과 카본블랙을 이용하여 B2O3를 환원시켜 탄화붕소 분말을 제조하는 방법으로 반응은 아래와 같이 진행된다.
2B2O3 + 6Mg + C → B4C + 6MgO
이 반응은 강한 발열을 동반하기 때문에 carbothermal reduction법 보다 저온에서 분말합성이 가능하며 최근에는 자전연소합성법을 이용하여 분말 합성이 시작되도록 점화반응을 일으켜주어 자발적으로 반응이 진행되도록 하여 분말을 합성하고 있다. 이 방법으로 제조된 탄화붕소 분말은 균일한 조성비와 입도를 갖는 탄화붕소 분말을 제조할 수 있는 장점을 가지기 때문에 꾸준한 연구가 진행되고 있는 분야이다.

4. 탄화붕소의 응용분야
탄화붕소의 산업적인 응용은 이용되는 탄화붕소의 특성에 따라 분류될 수 있는데 고경도 특성을 이용하는 분야로는 연마재, 내마모 부재 및 방탄소재를 들 수 있으며 중성자 흡수능을 이용한 원자력 발전용 소재 등을 대표적으로 들 수 있다.

4-1. 연마재 및 내마모 부재
전술 하였듯이 탄화붕소는 고경도 특성을 가지기 때문에 연마재와 내마모 부재로 매우 우수한 특성을 나타낸다. 탄화붕소의 산업적 이용 분야 중 가장 큰 비중을 차지하는 것은 연마재로서 보통 연자재로 사용되는 탄화붕소 분말은 마이크론에서 밀리미터 크기를 가지며 순도가 낮은 저급의 분말이 이용된다. 폴리싱용 분말, 그라인딩 휠, 샌드블러스터용 샌드 등으로 사용되고 있으며 다이아몬드에 비해 가격이 저렴하기 때문에 널리 사용되고 있다.
탄화붕소는 내마모 특성이 매우 우수하기 때문에 각종 노즐에 널리 사용되고 있다. 특히 샌드블러스터 노즐이나 워터젯 노즐의 경우 알루미나 노즐이나 초경 노즐에 비해 수배 이상 노즐 수명이 향상되는 것으로 알려져 있다.

4-2. 경량 방탄 소재
최근 이라크전과 아프가니스탄전을 거치면서 현대전에서 인명의 보호와 더불어 기동성의 중요성이 부각되면서 경량 방탄소재로 탄화붕소가 가장 중요한 소재로 자리 잡게 되었다. 탄화붕소는 저비중과 고경도 및 강도 특성을 가지기 때문에 경량 방탄소재로 최적의 소재로 평가 받고 있으며 개인용 방탄호구, 헬기 및 전투기, 전투용 차량 등 경량성과 기동성이 중요한  분야의 방탄소재로 적용되고 있다.

4-3. 기타 분야
탄화붕소의 기타 산업적 응용 분야로 중성자 흡수능을 이용하여 원자력 발전에서 제어봉의 제작에 활용되고 있으며, 내슬래그 침식 특성을 이용한 제철 분야에서 내화물로도 사용되고 있다. 최근에는 알루미늄과 같은 경량 금속과 복합체 제조를 통해 고강도 경량 복합소재로도 활용되고 있다.

5. 국내외 탄화붕소 분말 제조 현황
현재 국내의 경우 저급의 탄화붕소 분말은 주로 중국에서 수입하고 있으며 고급의 경우 미국, 독일 등의 업체에서 수입 판매를 하고 있으며 국내 업체에 의해 탄화붕소 분말이 직접 제조되는 곳은 전무한 것으로 파악되고 있다. 다만 1990년대 이후 점차 탄화붕소 소재의 특성과 중요성이 국내에서도 부각되기 시작하면서 일부 대학과 연구소에서 탄화붕소 분말 합성법에 대한 연구가 진행되고 있다. 이러한 연구는 주로 비교적 고품질의 분말을 생산할 수 있는 자전연소합성법을 이용한 탄화붕소 분말의 제조에 집중되고 있기 때문에 상용화에 적용하는 데에는 한계가 따르고 있다.
해외의 경우에는 최근 탄화붕소가 경량 방탄소재로의 중요성이 부각되면서 고품질의 탄화붕소 분말의 생산이 매우 활발하게 이루어지고 있다.
이러한 대표적인 업체로 ESK, H.C. Starck, Electro abrasives, Feldco international 등을 들 수 있다. 이들 업체는 sub-마이크론에서부터 수십 마이크론까지 매우 균일한 크기와 균일한 조성비를 갖는 탄화붕소 분말을 제조하고 있으며 특히 Ceradyne, M-cubed Technology, Cercom Ceramics 등 탄화붕소 분말을 이용하여 경량 방탄소재를 제조하는 업체에 공급되어 사용되어 이고 있다. 특히 미국에서 가장 규모가 크고 다양한 탄화붕소 경량 방탄소재를 제조하는 업체인 Ceradyne사의 경우에는 고품질의 탄화붕소 분말의 공급을 안정적으로 확보하기위해 독일의 대표적인 탄화붕소 분말 제조 업체인 ESK를 인수 합병하여 운영하고 있을 정도로 원료 공급의 중요성이 부각되고 있다.
이와 같이 현재의 탄화붕소 분말의 제조는 저급의 경우는 주로 중국에서 대량으로 생산되어 세계 각지에 공급되고 있으며 고품질의 분말의 경우에는 선진 외국 업체에 의해 독점적으로 생산 공급되고 있다.
탄화붕소의 산업적인 필요성과 응용 분야가 점점 증대되고 있으며 이에 따라 분말의 수요도 증대되고 있기 때문에 고품질의 탄화붕소 분말의 국내 생산 기술의 확보가 절실하다고 사료된다.

6. 맺음말
이상에서 탄화붕소의 특성과 중요성, 응용 분야 및 분말제조 현황에 대하여 알아보았다. 탄화붕소는 물성면에서 여러 가지 장점을 가지고 있지만 무엇보다도 고경도 특성을 들 수 있으며 산업적으로 연마재, 내마모재 및 방탕소재 등의 분야에서 탁월한 특성을 나타내고 있다.
전체적으로는 현재까지는 탄화붕소의 사용 규모가 타 세라믹 재료에 비해 그리 크지 않으며 특히 국내에서는 탄화붕소의 원료분말의 제조가 전혀 이뤄지지 않고 있는 실정이다. 하지만 소재의 사용 환경이 점점 열악해지고 가혹해지고 있기 때문에 기존의 재료보다 우수한 특성을 지닌 재료가 요구되고 있기 때문에 고성능 경질 재료로서 탄화붕소 소재의 중요성이 점점 커지리라 예상된다.
따라서 국내에서도 고품질의 탄화붕소의 원료분말의 제조 기술을 확보가 시급히 요구되고 있으며 이를 바탕으로 하여 응용 제품의 개발에 대한 투자가 이뤄져야 할 것이다.

그림 1. 탄화붕소 연마재 분말
그림 2. 탄화붕소 노즐
그림 3. 탄화붕소로 제작된 경량 방탄 소재

김경훈
한양대학교 학사
한양대학교 공학석사
한양대학교 공학박사
미 스탠포드대학교 Post-Doc 연구원
현재 한국세라믹기술원 기업지원본부 선임연구원

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