Special 첨단 기능성 세라믹소재 최신기술 및 산업응용 동향(1)

첨단세라믹 비산화물 질화규소 원료

이명현_한국세라믹기술원 소재융합고도화연구본부 수석연구원
김하늘_한국재료연구원 엔지니어링세라믹연구실 실장

서  언

질화규소(Si3N4)는 내마모성 및 내열충격성이 우수하고 고온강도 및 파괴인성이 뛰어난 비산화물계 세라믹 재료이다. 질화규소는 전방산업을 기준으로 열기관 부품, 기계부품, 내식성 부품, 일반 산업 부품 등의 원료로 사용되며, 소재부품 단위를 기준으로 한다면 철강 부품, 볼 베어링 등의 구조 세라믹스용과 방열기판, 절삭공구 등의 원료로 사용되고, 그 외 태양광 백시트용 이형제, glow plug 등의 원료로도 사용되고 있으나, 국내 질화규소 분말 원료를 생산하는 기업이 없어 전량 수입에 의존하고 있다.
  최근 전기차용 질화규소 부품의 확대가 예상되며 국내의 대기업․중견기업들의 전기차용 부품사업 로드맵에 포함되어 방열기판 사업 신규진입이 모색되기도 하였으며, 전체 자동차 시장 중 전기차 점유율의 급격한 상승 추세에 따라 2022년 이후에 관련 소재부품의 shortage가 예상됨에 따라 일본 기업들의 질화규소 원료 및 소재부품 생산력 확대 움직임도 확인되고 있다. 전기차용 질화규소 소재부품의 shortage 상황이 닥칠 경우, 원료 및 부품용 백판의 수급이 원활하지 않을 것이며, 이후 선진사들의 진입장벽형성으로 전기차용 질화규소 소재부품 시장 진입이 어려워질 것으로 예상된다.
  또한, 전자 제품의 고집적화에 따른 방열복합체용 충전소재, 절삭공구, 반도체장비용 부품 등 국내외 질화규소 분말을 원료로 하는 산업 시장들의 규모가 커지고 있음에 따라 수입에 의존하지 않고 국내의 자체적으로 질화규소 수요에 맞게 고순도 원료 분말을 양산할 수 있는 원료기술 자립화, 안정적 수급 능력 확보와 이를 통한 소재부품 응용분야 사업화가 반드시 필요한 시점이다.

1. 질화규소 분말의 제조방법

질화규소 분말은 직접질화법, 자기연소법, 환원질화법, 기상반응법, 이미드 열분해법 등 여러 가지 방법으로 합성할 수 있으며, 상용공정으로서는 직접 질화법과 이미드 열분해법이 주로 적용되고 있다.1)
  직접 질화법(Direct nitridation)은 실리콘 고체를 질화하여 응집 덩어리를 얻은 후 이것을 분쇄하여 질화규소 분말을 만드는 방법(반응식 : 3Si + 2N2 → Si3N4)으로 비교적 저렴한 원료를 사용할 수 있으며, 분말의 순도도 상대적으로 낮다. 또한, 실리콘 고체가 용융되지 않는 낮은 온도에서 표면으로부터 서서히 질화 반응이 진행되는데 이때 실리콘 고체의 입도를 미리 매우 작게 하거나, 질화 반응 촉매가 되는 중금속류를 첨가하거나 혹은 매우 오랜 시간에 걸쳐 질화 반응을 진행해야 한다는 문제점이 있다. 직접질화법에 의한 분말합성은 1200~1500℃의 온도에서 수 시간 가열하는 공정이 필요하게 되고 그 결과, 대량의 외부에너지와 많은 반응시간이 필요하여 제조장치 및 제조공정이 복잡화되어 제조비용을 증대시키는 문제점이 있다.

그림1 . 질화규소 분말 제조 주요 업체의 분말 전자현미경 이미지

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