탄화규소 구조세라믹스의 기술현황과 전망 구조세라믹스의 기계적 특성 현황과 전망 朴火同洙 공학박사 / 한국기계연구원 책임연구원 구조재료는 크게 금속재료, 세라믹스 재료 그리고 유기 고분자 재료로 나누어 볼 수 있다. 세라믹스 재료는 금속재료나 유기 고분자 재료보다 고온에서의 기계적 특성이 우수하고 높은 경도와 탄성계수, 낮은 열팽창계수를 가지므로써 내마모성과 치수 안정성이 우수하여, 높은 정밀도를 요구하는 최신예 기계시스템에서 요구하는 특성을 갖추고 있으며, 이에 따라 그 활용이 빠르게 증가하고 있다. 구조 세라믹스에는 다양한 종류의 세라믹스가 있으며, 각 종류마다 고유하고 독특한 특성을 가지기 때문에 사용되는 용도에 따라서 가장 적합한 것을 선택하는 것이 바람직하다. 그동안 가장 널리 연구 개발되어온 구조 세라믹스들을 예로 든다면, 탄화규소, 질화규소, 알루미나, 지르코니아 등이 있다. 탄화규소에 관하여는 본 특집의 다른 곳에서 설명되고 있기 때문에 더 이상 언급하지 않기로 하고, 여기에서는 질화규소계 세라믹스를 중심으로 살펴 보고자 한다. 질화규소는 세라믹스 재료 가운데 강도, 파괴인성, 고온강도, 경도, 내마모성 등의 기계적 특성이 고루 우수하여 많은 주목을 받아오고 있다. 질화규소의 우수한 특성은 미세구조와 밀접한 관계를 갖는다. 즉, 질화규소의 결정립들은 소결과정 중에 침상 또는 주상의 형태로 변화하게 되며, 이들 결정립들이 서로 얽힌 구조를 가지므로써 우수한 기계적 특성을 나타낸다. 질화규소 세라믹스의 상온 꺾임강도는 미세구조 상의 결정립이 미세할수록, 결정립들의 에스펙트 비(길이/두께)가 클수록 증가한다. 최근에는 극히 미세한 원료 분체를 사용하고 결정립의 성장을 억제시키는 기술에 의해 상온 최고 강도 1900MPa의 고강도 질화규소 세라믹스가 보고된 바 있다. 질화규소의 높은 파괴인성 역시 미세한 침상정들로 구성된 기지에 막대모양의 주상정들이 휘스커와 같은 보강재의 기능을 함으로써 얻어진다. 질화규소의 파괴인성은 보강 결정립의 크기를 크게 할수록 유리한 것으로 보고된 바 있다. 그러나, 결정립이 조대화되면 질화규소의 강도는 저하하게 되며, 이러한 강도와 파괴인성 간의 반비례 관계는 다른 세라믹스에서와 같이 질화규소에서도 반드시 극복되어야 하는 문제이다. 최근 질화규소의 조대 주상정들을 일방향으로 배열함으로써, 꺾임강도와 파괴인성을 모두 향상시킨 새로운 재료가 개발되었다. 일방향으로 배열된 주상정 또는 침상정들로 구성된 미세구조를 갖는 질화규소는 이들 결정립들의 배열 방향과 수직한 방향으로의 꺾임강도 와 파괴인성이 동시에 우수하여 약 1650GPa의 꺾임강도와 13MPam0.5의 파괴인성 값을 나타내기도 한다. 미세구조를 일방향으로 배열하는 방법으로는 압출공정을 통한 방법, 테이프 케스팅 공정을 통한 방법과 고온에서의 초소성 변형을 이용하는 방법 등이 있다. 또, 압출공정이나 테이프 케스팅 공정을 이용하는 경우에는 소량의 종결정을 첨가하고 이들이 성형공정 중에 배향되는 것을 이용하는데, 이때 사용되는 종결정으로는 베타상의 주상정 결정립 또는 베타상의 휘스커를 사용한다. 이들 종결정은 출발원료인 알파상의 질화규소 보다 안정하고 결정립의 크기도 커서 소결과정중에 우선적으로 성장한다. 휘스커를 종결정으로 사용하고 테이프 케스팅 공정에 의해 배향시킨 조대 주상정들을 갖는 질화규소 소결체의 미세구조를 보이는데, 어둡게 보이는 긴 결정립들이 휘스커로부터 성장한 조대 결정립들이다. 이러한 미세구조를 갖는 질화규소의 기계적 특성은 방향에 민감하여, 조대 주상정의 배열방향과 수직한 방향으로는 높은 강도와 파괴인성을 동시에 나타내지만, 평행한 방향으로는 낮은 강도와 파괴인성을 나타낸다.【그림 1】 그러나, 특정한 방향이지만 기존 질화규소의 문제점이었던 강도와 파괴인성 간의 반비례 관계를 해결하였고, 더욱이 균열의 길이가 짧더라도 높은 파괴인성 값을 나타낸다는 점에서 향후의 응용이 기대되는 재료라고 생각된다. 질화규소의 경도는 상(phase)에 따라 큰 차이를 보인다. 알파상의 질화규소 단결정은 누프 경도로 측정하여 1900~2400kgf/mm2의 값을 갖는다. 질화규소의 고용체인 사이알론의 경우에도 마찬가지로 알파 사이알론은 Vickers 경도 2000kgf/mm2 정도의 높은 값을 나타내지만, 베타 사이알론은 베타상의 질화규소와 비슷한 1400~1600kgf/mm2 정도의 값을 나타낸다. 적절한 양의 소결조제를 첨가함으로써 알파상의 높은 경도와 베타상의 파괴인성을 조화시키면, 경도와 파괴인성, 꺾임강도를 조화시킨 질화규소계 세라믹스를 만들 수 있다. Ukyo와 Wada는 소량의 알파상과 베타상의 비율이 1:9인 질화규소 소결체를 제작하였다. 이 특정 조성의 사이알론의 경우에는 경도 1800kgf/mm2, 파괴인성 5.6MPam0.5, 상온 꺾임강도 1200GPa, 1300℃ 꺾임강도 1100GPa 등의 우수한 특성을 나타내었다. 최근에 Chen 과 Rosenflanz는 베타상의 질화규소 분체를 원료로 하여 적절한 소결조제를 첨가하고 소결함으로써, 주상정의 결정립들을 갖는 고경도, 고인성 고강도 알파 사이알론 세라믹스를 개발하였다. 질화규소의 내마모성은 다른 세라믹스와 같이 미세구조상의 결정립의 크기가 증가함에 따라 감소한다. 이러한 세라믹스의 마모거동은 마모면에서의 인장응력에 의한 균열보다, 결정립의 pull-out(뽑혀나옴)과 micro-fracture(미세파괴) 등에 의해 진행된다. 일방향으로 배열된 주상정을 갖는 질화규소 소결체의 마모량을 배열방향과 평행한 방향 및 수직한 방향으로 측정한 결과, 【그림 2】에 보이는 바와 같이 배열방향과 평행한 방향으로의 마모량이 수직한 방향으로의 마모량 보다 높았다. 이러한 방향에 따른 마모량의 차이는 마모시험 시에 발생하는 균열이 주상정의 수직방향보다 평행방향으로 크게 생기기 때문이다. 더욱 흥미로운 것은 주상정의 배열 방향과 수직한 면의 마모량은 매우 낮아서 탁월한 내마모성을 나타내는 것이다. 이것은 주상정들이 마모면에 수직하게 박혀있는 상태이어서 마모과정 중에 결정립들이 뽑혀나오는 것이 지극히 어렵기 때문이다. 에로젼은 입자들에 의한 마모현상으로 실제 여러 가지 응용분야에서 발생하는 현상이다. 【그림 3】는 질화규소와 기타 구조용 재료들의 에로젼 시험결과를 보인다. 에로젼 시험은 입자들의 충돌각도에 따라 다른 결과를 보이지만, 입사각이 30°로 낮은 경우에는 소성 변형에 의한 에로젼이 주로 발생하여 고경도 재료인 세라믹스가 금속보다는 유리하다. 그러나 입사각의 증가에 따라 취성파괴에 의한 에로젼이 중요하여지며, 【그림 3】에 보이는 바와 같이 90°근처의 고각 충돌에서는 파괴인성이 우수한 금속이 세라믹스 보다 우수한 에로젼 특성을 갖는다. 질화규소의 주요한 응용처를 【표】에 나타내었다. 이외에도 많은 응용처가 있으며, 표에서 보인 바와 같이 기존의 금속재료를 대체하여 해당 분야의 생산성을 크게 향상시키는 결과를 얻게 된다. 특히, 최근에는 질화규소를 비롯한 세라믹스 베어링에 관한 수요가 증가하고 있으며, 디젤엔진이나 초소형 터빈(Micro-turbine)용 부품으로의 응용이 시도되고 있다. 그림 1. 일방향으로 배열된 주상정들을 갖는 질화규소 세라믹스의 방향에 따른 꺾임강도(위에 기록된 수)와 파괴인성(아래 기록된 수)의 변화 그림 2. 일방향으로 배열된 주상정을 갖는 질화규소 세라믹스의 방향에 따른 마모량의 변화 그림 3. 여러 가지 금속재료와 질화규소의 500℃ 에로젼 시험 결과 표. 질화규소 세라믹스의 응용처의 예 질화규소 세라믹스 부품의 몇가지 예시 : 생산성을 획기적으로 향상 적용분야 기존 질화규소 비고 회주철 절삭기공(m/s) 6 25 ?4배 베어링 한계회전속도(dia. X rpm) 100만 150만 1.5배 베어링 피로수명(cycle) 500만 2,000만 4배 동압출 다이스(초경기준) 1 5~10 5~10배 Boeing 777의 APU nozzle수명(시간) 2,200 ?7,040 ?3.2배 Business Jet의 Seal Runner수명(시간) 700 2,000 2.8배 용접용 Guide Pin(수명, 타점) 10 200 20배 동 선재 압출용 Roller(수명) 1주 12주 12배