SiC 복합체의 균열 자기치유 기술 및 산업 전망

이 시 현_ Morgan Advanced Materials Korea 전무

심 광 보_ 한양대학교 신소재공학부 교수

1. 서 론

세라믹은 우수한 기계적, 열적 특성 및, 마찰특성으로 산업적으로 광범위하게 사용 되고 있다. 구조 세라믹스는 열저항 한계가 1273K-1773K로써 금속보다 우수한 특성을 나타내고 있다. 이러한 장점으로 인하여 bearings, turbo charger rotors, diesel engine components and cutting tools 등으로 활용되고 있다. 그럼에도 불구하고 세라믹은 brittle특성 때문에 낮은 fracture toughness인하여 금속과 비교, 기계적인 신뢰성이 열세이다. 이러한 세라믹의 brittle 한 특성이 극복된다면 세라믹 부품의 신뢰성과 제품의 수명이 획기적으로 개선 될 것 이다. 낮은 fracture toughness를 극복하기 위한 많은 연구가 수행 되었으며 다음의 두 가지 방향으로 개선이 이루어 졌다.
a) fiber or whisker 이용하여 기계적 강도를 강화하거나 microstructure control (b) 가공이나 사용 중에 생성되는 미세 균열을 치유하는 자기치유 (crack self-healing). 그 중에 자기치유 기술이 활성화 된다면 a) 부품의 신뢰도 향상 b) machining and polishing 및 검사 비용의 감소 c) 유지 비용의 감소 및 세라믹 제품의 수명 연장과 같은 세라믹 소재의 개선이 이루어 질 것이다[1].

2. 탄화규소 세라믹스의 활용 및 시장

탄화규소(SiC) 세라믹스는 원자결합의 대부분이 강한 공유결합으로 이루어져 있어서 경도, 내열성, 내식성, 열충격 저항성 등의 특성이 우수할 뿐만 아니라 높은 열전도도의 장점을 갖고 있다. SiC 세라믹스는 alumina, silicon nitride, mullite, zirconia 등과 복합체를 이루어 독특한 특성을 나타내며 high performance combustion systems, fuel-flexible gasification systems, fuel cell/turbine hybrid systems, nuclear fusion reactors, high tempera-ture gas-cooled fission reactors 등 첨단 에너지 시스템의 엔지니어링 부품과 첨단 반도체 공정의 부품으로 사용 되고 있다.
탄화규소의 세라믹스 시장은 세계 시장이 3조원 규모로 국내 시장은 10%인 3000억 정도이며 연간 10% 성장하는 시장이다 [2]. 탄화규소 세라믹스는 성능과 경제성을 만족 시키기 위해서 다양한 제조방식이 적용된다. SiC monolith인 poly crystal의 CVD-SiC 가 반도체 및 전자 부품으로 시장을 확대 하고 있으며 single crystal SiC는 고전압 고출력 반도체 소자의 wafer로서 전기자동차 및 풍력, 태양광 등의 신재생 에너지 시장의 성장과 더불어 고성장이 기대 된다. 소결체나 재결정체로 얻어지는 SiC 세라믹스는 산업기계용 및 자동차용으로 시장이 확대 하고 있다.

3. 자기치유 Mechanism

SiC 세라믹스에서의 자기치유는 균열이 발생한 SiC의 표면에 산화반응으로 SiO2의 막이 형성 되는 발열반응 이며 반응식은 다음과 같다[3-5].
SiC + 2O2 → SiO2 + CO2(CO)(1)
Si3N4 + 3O2 → 3SiO2 + 2N2(2)
2SiC + Y2O3 + 4O2 → Y2Si2O7 + 2CO2(CO)(3)
자기 치유과정을 이해하기 위하여, 자기 치유된 산화막의 표면을 XRD (X-ray Diffraction) analysis와 EPMA (Electron Probe Micro Analyzer)를 통하여 관찰하면 SiO2와 함께 CO2 or CO gas가 검출 된다. 자기 치유 과정은 그림1과 같이 Crack hea-ling model을 도식화 할 수 있다.
식 (1)에서 알 수 있듯이 SiO2는 crystal과 glass phase가 나타나며, 상온에서는 phase의 차이에 따라 강도의 차이는 크지 않으나, crystal phase가 많을수록 고온에서 견디는 특성과 고온강도는 우수 하다. 결국 자기치유 과정은 얼마나 많은 crystal phase를 형성 하느냐에 달려있다. 그림2와 같이 자기치유 조건, healing time, temperature등에 따라서 XRD로서 관찰 가능 하다[3].

4. 자기치유 실험 및 고찰

4-1. pre-crack generation
Vickers indentation을 이용하여 임의로 균열(crack)을 발생 시키며, load를 10N, 20N, 30N, 40N, 50N 증가 시킴에 따라 균열의 길이와 깊이는 비례적으로 증가 하게 된다[6].
형성된 균열을 SEM으로 관찰하면 그림4(a)와 같이 indentation의 형태와 균열의 길이를 측정 할 수 있고 이에 따라 fracture 표면에서 깊이 방향으로 전개 된다. 작은 균열이 main crack에 따라서 전파 된 것을 그림4(b)에서 볼 수 있다[7].

4-2. mechanical strength test
Bending strength(굽힘강도)는 3점강도(three-point sterngth, 그림5)와 4점강도(four-point strength, 그림6)이 공식적으로 사용되며, 예로서 CVD-SiC 제품의 경우에 1300℃ 에서 Test 결과는 four-point는 표1에서 보듯이 450Mpa, three-point 는 560Mpa로서 약간 높게 나타난다[8].

자세한 내용은 세라믹 코리아 7월호에서 확인하실 수 있습니다.