엔지니어링 세라믹스 기술의 개발 동향 및 향후 전망

박 상 환_한국과학기술연구원 계면제어연구센터 책임연구원

엔지니어링 세라믹스 분야는 일반적으로 파인 세라믹스 분야 중 전자 세라믹스를 제외한 분야로 대별되고 있으나 본 특집에서는 지속가능 사회 구현에 있어 중요한 분야인 에너지 환경 세라믹스 분야를 별도 특집 분야로 지정되어 있어 엔지니어링 세라믹스 분야를 바이오 세라믹을 제외한 열 기계적 특성이 요구되는 구조용 세라믹스 분야로 한정하여 다루었다. 본 원고에는 우수한 열적, 기계적 특성을 갖는 엔지니어링 세라믹스 분야에서 2013년에 전개된 국내 외 산업 및 연구계의 현황을 돌아보고 향후 산업 전망 및 그에 따른 기술 개발 방향에 관하여 기술하였다.

최근까지 산업체 적용 확대를 위하여 고순도화, 열 기계적 특성 향상 및 다기능화를 위하여 지속적인 연구 개발이 이루어지고 있는 대표적인 엔지니어링 세라믹스는 지르코니아(ZrO2), 알루미나(Al2O3), 이트리아(Y2O3), 코디어라이트(Cordierite) 등과 같은 산화물계 세라믹스와 탄화규소(SiC), 질화규소(Si3N4), 질화아루미늄(AlN) 및 탄화붕소(B4C)등이 있다. 엔지니어링 세라믹스는 그림 1에 보여주는 것과 같이 세라믹스의 고온강도, 낮은 밀도, 내열성, 저열팽창성, 내화학성, 내마모성 등과 우수한 특성을 최대한 활용하고 세라믹스의 취약점으로 인식되는 높은 제조 단가, 취성 파괴 및 낮은 가공성등의 특성을 개선시켜 기간 산업 분야 뿐만 아니라 첨단 산업, 우주항공 및 방위산업등과 같은 초고온, 초고강도 및 초내부식 특성등 극한 특성이 요구되는 한계 산업에서 폭 넓게 적용되고 있다.

엔지니어링 세라믹스의 주요 생산국인 일본에서 엔지니어링 세라믹스 종류에 따른 시장 변화는 표 1에서 보여주는 것과 같이 1985년~2003년 기간에 시기에 따라 산업의 변화와 함께 다르게 나타난다. 고순도 알루미나는 질코니아, 질화규소, 탄화규소, 질화알루미늄 시장을 합한 것 보다 큰 시장을 형성하고 있으며,  이와 같은 현상은 반도체 및 LCD 산업의 활성화에 따른 수요 증가와 맥락을 같이하고 있으며, 탄화규소의 시장 변동은 반도체 산업 및 DPF 시장 형성과 관련되어 있는 것으로 알려져 있다. 기타 소재로 분류된 부분은 대부분 cordierite이며 자동차용 삼원 촉매 담체 산업의 활성화에 따라 시장 규모가 크게 증가되었다.

엔지니어링 세라믹스의 시장 중  30 % 이상이 에너지 환경용 세라믹스 시장으로 분석된다. 따라서, 엔지니어링 세라믹스의 시장은 국가별 수요 시스템 또는 최종 제품 시장 형성과 깊은 관련이 있기 때문에 엔지니어링 세라믹스 산업의 활성화를 위해서는 산업의 세계적인 변화에 대한 분석뿐만 아니라 향후 출현되는 emerging 산업 기술을 실현하기 위해 요구되는 핵심부품에 대한 관심 및 대응 기술 개발이 요구된다.

열 기계적 특성을 갖는 엔지니어링 세라믹스의 분류를 단순히 열적, 기계적, 내마모 특성등과 같은  방법으로 할 수 있으나 우수한 열 기계적 특성이 요구되는 엔지니어링 세라믹스를 산업 및 핵심부품 시장에 따라 표 2에서 보여주는 것과 같이 적용 가능한 엔지니어링 세라믹스 종류와 함께 분류할 수 있으며, 각 분야의 특성에 맞게  시장 및 기술 변화에 따른 대응 전략이 요구된다.

열 기계적 특성을 갖는 엔지니어링 세라믹스의 시장 규모는 정확하게 분석 평가 및 예측할 수는 없으나 중소기업청에서 발표한 2013년 기계구조 세라믹스 산업 로드맵에서 2011년 Advanced ceramic, industrial report(#2794, Freedonia)를 바탕으로 분석 및 예측 평가한 원료를 포함한 넓은 범위에서 엔지니어링 세라믹스의 2000년~2020년 기간의 국내 및 세계 시장은 분야별로 다르지만 연간 평균 7.5% 성장되는 것으로 보고하였다.2 기계 구조 세라믹스의 국내 시장은 2010년 6,500억원에서 2020년 10,400 억원 규모로 증가되며, 세계시장은 2010년 150억불에서 2020년에는 210억불로 증가될 것으로 분석하였다. 세계 첨단 엔지니어링 세라믹스 시장을 주도하고 있는 북미 시장은 2010년~2016년 기간에 년 5.1 %로 성장하여 첨단 엔지니어링 세라믹스 시장은 2010년에 35억불에서 2016년에는 44억불로 성장될 것으로 예측되었다.3  북미의 첨단 엔지니어링 세라믹스 시장은 그림 2 에서 보여주는 것과 같이 시장 규모에 따라 바이오 부품, 방산부품, 내마모/내부식 부품, 절삭공구 부품,  고온부품 및 우주항공부품 순서로 핵심 부품 시장이 구분된다. 바이오세라믹은 가장 큰 규모의 시장을 점유하고 있으며 첨단 엔지니어링 세라믹스 시장 점유율의 50% 정도를 차지하며 2010년 시장 규모는 22억불에서 2016년에는 28억불로 증가될 전망이다. 방산부품 및 내마모/내부식 부품 분야는 2010년 시장 규모는 5~6 억불에서 2016년에는 6~7억불로 증가될 전망이다.

공구 인서트 및 절삭 공구  분야는 산업에서 super alloy 사용 증가 및 고속 가공을 위한 건식 가공의 요구가 증가 되면서 연평균 6%로 성장해 가장 높은 성장률을 보이며 2011년 1.4억 달러에서 2016년 1.9억 달러로 성장된다. 에너지 관련 및 내열 부품 부문은 연평균 5.9%로 성장해 2011년 0.9억 달러에서 2016년 1.3억 달러로 확대되고, 항공기 및 항공 우주 관련 세라믹 분야는 가장 낮은 성장률인 연평균 2.5%로 성장해 2011년 0.15억 달러에서 2016년 0.17억 달러에 달할 것으로 예측된다. 북미의 첨단 엔지니어링 세라믹스의 시장은 북미의 특수한 현상 및 선진국형 산업 구조에 따른 것이지만 대규모 시장을 이루고있는 EU도 비슷한 추세를 갖기 때문에 세계 시장도 비슷할 것으로 생각된다. 열 기계적 특성이 우수한 엔지니어링 세라믹스는 이제는 첨단 산업 뿐만 아니라 기간 산업에서도 핵심부품으로 인식되며 산업의 고도화를 위한 노력 및 극한 환경 산업의 등장으로 엔지니어링 세라믹스 시장은 지속적으로 증가될 것으로 생각된다.

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더 자세한 내용은 세라믹코리아 12월 호 참조