탄화규소 구조세라믹스의 기술현황과 전망 고온용 탄화규소 소재 개발 현황과 전망 李在春 공학박사 / 명지대학교 무기재료공학과 교수 1. 서론 탄화규소(silicon carbide, SiC)의 인공적인 합성은 1892년 미국의 아키슨에 의해 최초로 이루어진 것으로 알려져 있다. 발명왕 토마스 에디슨의 연구원으로써 인조 다이아몬드의 합성을 목적으로 배관 파이프에 코크 분말과 점토를 혼합한 다음 파이프 양쪽 끝에 전선을 연결시킨 후 발전기를 이용하여 전기를 흐르게 하였다. 겉으로 보기에 아무런 반응도 일어나지 않은 것처럼 보였으나 전선 끝에 부착된 작은 알갱이에 의해 유리가 절단될 수 있음을 다이아몬드와 같은 높은 경도를 갖는 물질이 합성되었음을 발견하고는 알게 됐다. 이렇게 만들어진 알갱이가 최초의 합성 탄화규소로 알려져 있다. 그 후 아키슨은 카보런덤(Carborundum)사를 설립하였으며 카보런덤은 탄화규소의 대명사가 되었다. 탄화규소는 잘 알려진 대로 금속 또는 산화물 세라믹 소재에 비해 다이아몬드 다음의 높은 경도(hardness), 철계 금속 밀도의 40% 수준인 낮은 밀도, 우수한 내마모성과 내부식성, 낮은 열팽창률과 높은 열전도도 등의 장점을 가지고 있다. 이러한 탄화규소 소재의 특징을 이용하여, 디젤 입자상물질 제거용 필터(Diesel Particulate Filter, DPF), 물펌프의 밀봉재(seal), 브레이크(brake) 등과 같은 자동차 부품, 열처리 및 화학 플란트에서 사용되는 복사관(radiant tube)및 열교환기(heat exchange), 방탄용 장갑(armour), 메케니칼 실(seal), 베어링, 분사 및 분무용 노즐, 밸브, 가이드 등의 기계 소재가 개발되고 있다. 본 글에서는 이러한 각종 고온구조용 탄화규소 소재 중에서 앞으로 수요증가가 크게 기대되는 DPF와 열교환기용 탄화규소 소재에 대한 최근 기술개발 현황에 대해 기술하였다. 2. 탄화규소 DPF 개발현황 디젤자동차는 가솔린 자동차와 달리 사용되는 경유연료 특성상 도시 대기오염의 주원인으로 손꼽히는 매연과 질소산화물(NOx)와 같은 유해가스를 대량 배출한다. 매연은 불완전 연소된 미세먼지를 발생시켜 호흡기 계통을 손상시키고 질소산화물은 오존생성을 가속화시키기 때문에 두 오염물질은 모두 암 발생의 원인으로 지목되고 있다. 즉 자동차 배기가스중의 이산화질소(NO2)는 자외선에 의해 산성 유해가스인 일산화질소(NO)와 산소원자(O)로 분해된다. 자외선 NO2 NO + O 한편, 산소원자는 공기중의 산소분자(O2)와 결합하여 오존(O3)가스를 발생시켜 대기오염을 증가시킨다. O + O2 O3 따라서 디젤차량은 이러한 입자상 물질과 유해가스를 동시에 처리할 수 있는 매연여과장치가 필요하게 된다. 다양한 형태의 매연여과장치를 제작하여 실험한 결과, 디젤 차량에서 배출되는 매연과 유해가스를 동시에 정화하기 위해서는 촉매 사용과 더불어 DPF를 이용한 입자상 물질(particulate matters) 제거가 매우 효율적임이 판명되었다. 유럽, 미국 및 일본 등은 일찍부터 디젤 자동차의 입자상 물질과 NOx 배출량 규제를 발표하였으며 이에 따라 이들 국가는 1980년대 말부터 매연여과장치를 개발하기 시작하였다. 국내의 경우 1992년부터 환경부 선도기술 개발사업(G-7 사업)으로 산ㆍ학ㆍ연이 공통으로 코디어라이트 DPF를 사용한 매연여과장치 개발을 수행하였다. 1996년에는 개발된 시제품을 서울시 청소차에 장착하여 운행시험에 성공하였다. 그러나 개발된 매연여과장치 장착에 따른 비용이 수 백만원에 이르고 DPF 장착에 따른 정부지원도 중단됨에 따라 개발된 DPF 상용화 추진이 어려워지면서 DPF에 대한 연구개발도 한동안 중단되게 되었다. 대표적인 DPF로 미국 쓰리엠(3M)사의 산화물계 세라믹섬유 또는 일본 니혼카본(Nippon Carbon)사의 니칼론(Nicalon)과 같은 탄화규소 섬유를 원통형상으로 감아 만든 섬유상 DPF와 코디어라이트 또는 탄화규소 입자를 압출공정에 의해 허니컴 형상으로 만든 입자형 DPF가 있다. 최근에 세라믹전문 제조회사인 일본 IBIDEN사는 허니컴 형상의 탄화규소 DPF(그림1)를 개발하고, 프랑스 자동차회사인 프조(Puezo)사는 이 탄화규소 DPF가 장착된 승용차를 생산, 판매하므로써 탄화규소 DPF의 상용화에 성공하였다. IBIDEN사가 제작한 SiC DPF의 주요 특징 중의 하나로 SiC 허니컴 DPF는 소형 SiC 허니컴들을 접합시켜 원통형의 단일 구조물 형태로 제작한다. 【그림 1】은 【그림 2】에 나타나 있는 코디어라이트 허니컴 필터와는 달리 32개의 분할 SiC 허니컴을 한 덩어리로 결집, 접합시켜 하나의 DPF 단일 DPF로 제작된 모습을 보여주고 있다. 한편 ISUZ 자동차 회사의 경우, 니칼론 탄화규소 섬유로 만든 DPF를 제작하였는데 2톤 버스에 장착되는 DPF 가격의 경우 현재 약 400∼600만원 수준으로 알려져 있다. 앞에서 언급한 바와 같이 SiC 소재는 코디어라이트 소재에 내열성이 크고 열전도도는 약 40배 정도 높기 때문에 DBF로 사용하기에 여러 장점이 있으나, SiC 원료 및 SiC 소재 제조공정 특성상 SiC DPF는 코디어라이트 DPF보다 가격이 비싼 문제점을 갖고 있다. 3. 탐화규소 열교환기 개발현황 열교환기(heat exchanger)는 발전(power generation) 또는 고온 폐열회수(exhaust heat recovery) 등을 목적을 위해 사용되는 고온 구조물을 일컫는다. 석탄 또는 가스에 의한 발전 또는 열처리 가열을 위한 고온 연소공정에서 질소 산화물 또는 황산화물(SOx)과 같은 부식성 가스가 수증기와 더불어 발생됨에 따라 열교환기는 일반적으로 고온산화 및 부식성 가스 분위기에 노출되게 된다. 따라서 내부식성과 고온 기계적 강도가 큰 탄화규소로 만든 열교환기를 개발, 고온산화, 부식, 열간하중에 의한 크립발생 등의 문제점을 내포하는 금속계 열교환기를 대체하려는 노력이 이루어지고 있다. 탄화규소 재질로 만든 열교환기는 탄화규소 분말을 고상소결 또는 반응소결(reaction bonding) 공정으로 단일구조물을 제조하거나 탄화규소섬유 또는 탄소섬유를 구조물 강화제로 사용하고 탄소와 용융 실리콘 금속이 반응소결된 섬유강화 복합 구조물 형태로 제작된다. 보다 저렴한 비용으로 탄화규소 열교환기 제작을 위해 반응결합 공정으로 개발하려는 노력이 이루어지고 있다. 일반적으로 반응결합 탄화규소의 기계적 강도는 고상소결 탄화규소의 50% 수준에 그치고 있으나 제조비용이 상대적으로 저렴하므로 반응결합공정에 바탕을 둔 탄화규소 열교환기 제조기술 개발에 대한 연구가 활발하다. 한편, 탄화규소 분말만을 이용하여 제작된 탄화규소 소재가 나타낼 수 있는 취성파괴(brittle fracture)현상을 감소시키기 위한 방법으로 인장강도가 우수한 탄화규소섬유 또는 탄소섬유로 이루어진 섬유복합체 구조물을 용융 실리콘 금속과 반응소결시켜 열교환기를 제작하려는 노력이 이루어지고 있다. 구조강화기능을 부여하는 탄화규소 섬유 또는 탄소섬유 프리폼(free form) 내에 개기공을 갖는 탄소기지를 형성시키고, 1420℃ 이상의 온도에서 용융실리콘을 침투시켜 탄소기지를 탄화규소화하여 섬유강화 탄화규소 구조물을 제작한다. 취성파괴를 막기위한 강화섬유로서 탄화규소섬유 또는 탄소섬유를 사용하는 경우에는 탄화규소 기지와 섬유간의 강한 결합력을 방지하기 위한 섬유 표면 처리기술이 중요하다. 4. 전망 앞에서 기술한 바와 같이 탄화규소는 금속 또는 산화물계 세라믹에 비해 우수한 물성을 많이 가지고 있다. 그러나 탄화규소 소재를 제품화하는 비용이 산화물 세라믹 소재에 비해 고가이어서 일반 산업재, 특히 대형 구조물로서의 활용은 극히 제한적으로 이루어져 왔다. 그러나 자동차 매연절감을 위한 DPF를 탄화규소 소재로 개발하고 최근에 상용화가 이루어진 것을 생각하면, 앞으로 탄화규소 열교환기, 복사관 등의 대형 탄화규소 구조물 제조기술에 대한 연구개발도 더욱 활발해질 것으로 예상된다. 탄화규소 소재가 일반산업에 폭 넓게 적용되기 위해서는 제조비용을 더욱 낮추는 제조공정 연구와 더불어 탄화규소의 내산화 증대기술, 탄화규소 소재의 접합밀봉을 위한 접합밀봉재 및 접합기술, 그리고 입상 탄화규소 소재의 취성파괴를 감소시키기 위한 섬유를 이용한 인성강화 기술에 대한 연구와 개발이 지속적으로 이루어질 것으로 기대된다. 그림 1. 탄화규소 DPF ?