산화물계 세라믹 원료 산업 동향

이 정 민_ 대전테크노파크 바이오나노융합산업본부 본부장

I. 서언
파인세라믹 원료 광물 처리산업은 파인세라믹의 완성품과 기초출발 원료(광물, 원재료 등)의 중간단계로 전반적인 산업에 걸쳐 중요한 위치를 차지하고 있다. 특히 산업구조의 고도화 및 사회 요구의 고급화 추세에 따라 기존의 소재를 대체하며 그 역할이 크게 강화되고 있으며 이에 따른 고순도화 고기능화 요구가 필요한 상황으로 소재개발이 산업 전반에 미치는 파급효과가 크게 증대되고 있다. 직접적으로는 파인세라믹 원료소재산업 자체 시장성에 의해서 경제성장에 기여하고, 간접적으로는 파인세라믹 산업 및 첨단산업에 응용되어 기존제품의 고부가가치화, 신제품의 개발 등에 기여함으로써 전반적인 국가 산업혁신 또는 수준향상을 가능하게 한다.

그림 1. 파인세라믹의 범위

특히 고기능성 원료광물소재의 원천기술 확립 요구되고, 원료소재기술은 고위험·고수익형(High-risky·High-return)산업으로서 우리나라는 조립분야에 집중하고 있어, 부가가치가 높은 소재는 취약한 상태이며, 중국의 조립 생산 능력 증대로 인하여 선진국형(스마일형) 산업구조로의 개편이 시급하다.

그림 2. 국내 산업 원료 광물 소재와 산업구조

파인세라믹의 원료광물을 구성 성분에 따라 규산질, 규산알루미늄, 알루미나, 석회, 마그네시아, 장석질, TiO2계, 지르코니아, 탄소류 및 산화물 등으로 구분된다.

이러한 파인세라믹 원료 중 세라믹 산업에서 사용량이 많고 중요한 산화물계 세라믹 원료에 관하여 알아보고자 한다.

II. 산화물계 세라믹 원료

1. 규산질
일반적인 규산질 원료는 SiO2계 원료를 명명하고, 천연의 규산질 광물은 규석 혹은 석영이라 하며 지각 구성광물의 약 60%를 차지하는 조암광물이다. 규산질 원료의 용도는 SiO2의 순도에 의해 결정되고, 전자산업에서의 고순도 SiO2는 수입에 의존하고 있으며 국내산 실리카는 대부분 건재, 시멘트, ferro silicon용으로 사용된다.
고순도 실리카(SiO2) 원료는 국내에도 많으나 국내산의 경우 이미 순도면에서 99.5%이상의 품위를 갖는 것은 거의 없는 실정으로 원석내에 부산물(Fe, Na, K) 등이 존재함으로서 화학적인 정제 공정을 거치지 않고서는 거의 파인세라믹 원료로의 가치가 없다.
가공된 나노사이즈의 이산화규소로 많이 사용되는 것으로는 Fumed Silica와 Precipitated Silica가 있고, Fumed Silica의 경우는 동양제철화학(주)에서 생산하고 있으나, 독일의 Degussa, Wacker, 미국의 Cabot, 일본 德山曹達, Admatech 등이 있으며 주 용도로는 Optic Fiber용 원료, 반도체 CMP(Chemical Mechanical Polishing)용 원료, 고급도료의 증점제, 의약용 조제, 칼라토너 및 분쇄 토너용 원료 및 파인세라믹 Si3N4 소재용 원료 등으로 수입되어 사용 되고 있다. Precipitated Silica의 경우에는 국내의 3～5개의 중소기업이 제조 및 판매를 실시하고 있으나 국내시장 점유율은 10%이하라고 알려져 있고, 미국의 세계 최대의 Precipitated Silica 생산업체인 Rhodia, 일본의 德山曹達, 水澤化學, 扶桑化學 등 많은 업체가 각각의 특징을 갖는 제품으로 국내 대부분의 Tire시장을 비롯하여 도료 및 페인트, Silicone Rubber용 Filler, Silicone Silant용 Filler, 도료 증점제, 도료 Matt Agent 등 Fine Chemical용 원료로서 수입되어 사용되고 있다.
국내 제조업체의 경우, 선진원료업체의 제품대비 품위가 떨어지고 다양한 표면처리를 한 제품군을 가지고 있지 않아 선택의 폭이 좁고, 가격경쟁력에서 뒤쳐져 있는 실정으로 이러한 이산화규소의 시장에서의 국내업체 제품의 Market Share를 올리기 위해서는 업체 간의 M&A를 통한 생산규모의 확대, 가격경쟁력을 확보하는 것이 가장 바람직한 방안으로 판단된다. 또한 저가 Grade의 제품의 대량생산화는 물론 기능성 Silica를 상품화하여 신규시장을 개척함과 동시에 조속히 고기능성의 이산화규소 제품 개발에 노력해야 할 것이다.
나노소재 시장에서의 초미립자 이산화규소 (100nm이하)의 경우에는 현재까지 독일의 Degussa의 Pyrogenic Process에 의한 무정형 실리카가 유일하며, 이에 대응 제품을 개발하기 위한 방안으로는 SIlicon Alkoxide를 이용한 신기능 제품의 개발이 유일하다고 보여진다.

1.2. 나노 산화물 졸(SiO2 졸) 시장규모 및 동향
절연성 오일 필러에 고농도 SiO2 졸이 전량 수입되어 사용되고 있으며, 또한 기능성 도료의 중간 원료로서 주로 사용되어지고 있다.
○ 주요 생산국 및 교역(수입) 현황
- 일본 닛산화학 등 다수/ 미국 Dupont사
- 고순도 SiO2 졸 등은 주로 일본업체로부터 수입
○ 선도 업체 현황
- 일본 닛산화학/듀폰
- 국내 석경화학, 렌코 등 일부 중소기업

2. 규산알루미늄
규산알루미늄(aluminium silicate) 원료는 좁은 의미로는 알루미늄의 규산염(Al2O3·mSiO2·xH2O)을 뜻한다. 그러나 넓은 의미로는 알루미늄 규산염의 구조의 일부가 다른 이온으로 치환(置換, substitute)된 것과 다른 이온이나 물을 흡착한 것까지 포함한다.
순수한 규산알루미늄으로 많이 존재하는 세 가지 광물은
① 실리마나이트족(sillimanite group : Al2O3·SiO2)
② 카올린족(kaolin group : Al2O3·2SiO2·2H2O)
③ 엽납석(pyrophyllite : Al2O3·4SiO2·H2O) 이다.

3. 알루미나
순알루미나 광물로는 강옥(鋼玉, Corundum)이 있지만 공업원료로 사용하기에는 양이 적고, 공업원료로 중요한 광상(鑛床, deposit)은 함수알루미나 광물이다. 함수알루미나 광물로서 대표적인 원료자원은 보크사이트(bauxite)이지만, 이것은 우리 나라에서는 산출되지 않는다. 우리나라에서 산출되는 함수알루미나 광물로는 다이아스포어(diaspore)가 있는데 그 산출량은 적지만 고알루미나질 내화물원료로서 귀중하게 여겨지고 있다.
알루미나는 구조용 파인세라믹 제조에 가장 많이 사용되고 있으며, 국내 알루미나 및 수산화알루미늄의 수직 계열화에 의한 관련제품의 제조업체로는 대불공단에 소재한 ㈜KC가 유일하다. 이 업체에서 생산되는 제품의 용도로는 수산화알루미늄의 경우 전선 및 폴리우레탄 발포제품 및 인조대리석의 난연제, 치약, FRP용 Filler 등의 저가위주의 제품으로 국내시장 Market Share를 늘려가고 있다. 그러나 ㈜KC의 알루미나제품의 경우 국내 파인세라믹 산업계에서는 품질이 맞지 않아 사용하지 못하고 있는 실정이며 이는 일본의 스미토모화학, 일본경금속, 소하전공 을 비롯하여 미국 Alcoa 및 중국의 산동알루미나 등 아주 강력한 경쟁력을 가지고 있는 경쟁업체가 가격, 제품의 다양성 및 서비스의 차별화를 무기로 국내시장의 상당부분을 차지하고 있기 때문이다. 연마제용도 및 자동차용 3원 촉매용 Pre-wash Coating제 용도로 많이 사용되고 있는 기상법으로 만들어진 Pyrogenic Alumina(γ-Al2O3)의 경우 독일의 Degussa의 제품이 거의 독점하다시피 하고 있는 실정이다.
알루미나의 경우 경쟁력을 갖기가 현실적으로 매우 어렵다고 보여지며, 유일한 방법은 국내의 유일기업인 ㈜KC의 공정개선 및 신프로세스 개발을 통한 품질경쟁력 및 가격경쟁력은 물론 신제품 개발능력을 확보하여 세계적인 알루미나 원료업체와 경쟁해야 할 것이다.
나노소재시장에서의 초미립자 알루미나(100nm이하)의 경우에는 현재까지 독일의 Degussa의 γ-Al2O3가 유일하며, 이에 대응 하기 위한 제품을 개발하기 위한 방안으로는 Aluminium Alkoxide를 이용한 신기능제품의 개발이 유일하다고 보여지며 이를 위해서는 이산화규소에서와 마찬가지로 Aluminium Alkoxide 등의 유기금속화학공업의 발달이 전제되어야 할 것이다.

3.1. 세라믹에서의 알루미나의 용도
도자기 소지 : 고알루미나 소지의 특성은 내화성이 크고, 어느 온도에서나 화학작용에 대한 저항성이 강하고, 기계적 강도가 크며, 마모(abrasion)에 대한 저항성이 강하고, 경도(hardness)가 높고, 열충격에 대한 저항성이 매우 우수하다.
- 유리 : 일반유리에 알루미나를 도입하기 위해서는 장석이 가장 많이 쓰이고 있다. 유리를 용융할 때 3%의 알루미나분의 존재가 유리의 균일성을 향상시키고, 또 알루미나가 유리의 팽창계수를 낮추고, 인장강도를 크게 하고 광택도 증진시키는 역할을 하며 내산성이나 내수성도 향상시킨다.
- 내화물 : 고온세라믹재료, 화학적 부식에 강하고 열에 잘 견뎌야 한다.
- 촉매 화학활성재료 : 다공질로 큰 비표면적을 갖고 흡착작용, 촉매작용을 하는 것을 활성알루미나라고 한다.
- 광학재료 : 고압 나트륨용 발광판에 사용되는 투광성 다결정 소결알루미나.
- 생체, 생화학재료 : 주로 인공치근, 인공관절 등에 쓰인다. 화학적으로 안정하고 인체에 무해하므로 생체조직과 잘 조화되므로 다결정질 또는 단결정 알루미나(사파이어)가 많이 사용되고 있다.

3.2. 알루미나 시장 규모 및 동향
세계시장에서 2011년 현재 알루미나 생산량은 약 78,865,000톤으로 전년대비 약 2915톤 증가하였으며, 소비량은 77,155, 000톤으로 전년 대비 약 3077톤 증가하였다.
우리나라에서도 반도체/디스플레이 산업의 성장에 따른 급격한 수요증가추세를 보이고 있으며, ‘11년 현재 국내수요는 연간 130톤 수준이나 5년 이내 1,000 톤 이상의 성장이 예상된다. 해외 수요량은 국내 수요량의 약 10배정도로 추산된다.
알루미나의 고순도 제조법으로는 알루미늄염과 탄산수소암모늄을 반응시켜 명반을 형성하여 하소시키는 법과 알루미늄과 알콜로부터 알루미늄 알콕사이드를 제조하여 가수분해/하소하는 방법이 주로 이용된다.

그림 3. 고순도 알루미나 및 사파이어 Ingot 세계시장 규모(백만$, Ingot 가격을 알루미나 가격으로 환산, STC)

그림 4. 고순도 알루미나의 응용별 구성 (Fuji Research)

- 고순도(>4N) 알루미나를 제조하는 기술로 알려진 제조법 중 생산 효율, 환경 영향 등으로 대부분 알콕사이드법을 채택하고 있다.

3.3. 나노 산화물 졸(Al2O3 졸) 시장규모 및 동향
- 잉크젯트 프린터 필름 코팅 및 배리어 필름 보호 코팅도료의 2차원료로 사용되어지고 있으나 국내 생산업체 없음.
- 내스크래치 코팅 도료의 주요 구성분
○ 선도 업체 현황
- 국내 생산업체 없음.

4. 석회
중질탄산칼슘(CaCO3)은 플라스틱, 도료, 고무 등의 충진제로 주로 사용되며, 플라스틱 중 PVC, FRP, PP, PE 등에 대량으로 사용되며 증량이외의 기능성 향상을 위해 사용된다.
- PVC; 열변형 온도, 절연저항, 치수안정성 향상 및 연소 시 염화수소 가스보충
- FRP; 강성 향상, 비틀림 방지 및 수축장지
- PP 및 PE; 균열 수축 방지, 인쇄성 흡습성 강성 열변형온도 열전도 향상
- 기타 농약, 의약, 식품 분야에도 사용

(본 사이트는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2013년 6월호를 참조바람.)

IV. 참고문헌
1. 김진영, 황보상일, 지르코니아 개발현황 및 이용전망, 우리나라 산화물계 세라믹스 원료산업현황, 세라믹스 265호, 2010.6
2. 첨단세라믹 supply chain 분석연구회, 첨단세라믹 supply chain 분석연구, 2010.4
3. KEIT, 소재산업 Value Chain 분석 및 기술수준 조사, 2011.12
4. 요업기술원, 파인세라믹 산업실태 및 발전전략수립, 2008.8
5. 이정민, 알루미나산업과 활용현황, 2012. 10
6. 엄창중, 마그네시아 개발현황 및 이용전망, 우리나라 산화물계 세라믹스 원료산업현황, 세라믹스 265호, 2010.6
7. 이정민, 알루미나 개발현황 및 이용전망, 우리나라 산화물계 세라믹스 원료산업현황, 세라믹스 265호, 2010.6
8. 조남희, 문선민, 민보람, 타탄산바륨 개발현황 및 이용전망, 우리나라 산화물계 세라믹스 원료산업현황, 세라믹스 265호, 2010.6

이 정 민
-1967~71년 경희대학교 화학공학과 학사
-1971~74년 경희대학교 물리화학 석사
-1975~79년 경희대학교 물리화학 박사
-1978~79년 전남대학교 화학공학과 교수
-1985~98년 한국과학기술원 화학공학과 대우교수
-2007~09년 한밭대학교 화학공학과 겸임교수
-1979~09년 한국화학연구원 연구부장/선임부장/연구위원
-2009~10년 공주대학교 화학공학과 초빙교수/KC(주) 기술고문
-2010~현재 대전테크노파크 바이오나노융합산업 본부장