Special 첨단 기능성 세라믹소재 최신기술 및 산업응용 동향(2)

구조세라믹의 기술 발전 동향

김하늘_한국재료연구원 엔지니어링세라믹연구실 실장
박영조_한국재료연구원 엔지니어링세라믹연구실 책임연구원
김미주_한국재료연구원 엔지니어링세라믹연구실 기술기원
마호진_한국재료연구원 엔지니어링세라믹연구실 선임연구원
이재욱_한국재료연구원 엔지니어링세라믹연구실 선임연구원
고재웅_한국재료연구원 엔지니어링세라믹연구실 책임연구원

1. 서론

세라믹이란 말의 기원은 고온에서 탄 재료를 나타내는 그리스어 "Keramikos"에서 파생되었다. 흙, 모래와 같은 소재를 뭉쳐서 형상을 만들고 태워서 도구로 써왔기 ㅤㄸㅒㅤ문에 나온 기원이라고 할 수 있다. 고대로부터 공예품이나 도자기 등에 세라믹를 사용하는 것이 역사적으로 알려져 왔으며, 그 후 오랜 시간을 거쳐 제조 기술이 진화함으로써 원래의 부서지기 쉽고 파괴 강도가 낮은 특성으로부터 보다 단단하고 충격에 강하고 난연성, 전도성 등의 우수한 특성으로 진화하고 변형되어 왔다. 이 지속된 기술적 발달의 중심에 "구조 세라믹" 소재의 개발이 20세기 후반부터 집중적으로 이루어져 다양한 산업 분야에 적용할 수 있는 반드시 필요한 소재로 자리를 잡았다.1)

그림 1. BC 430년 그리스에서 사용한 Keramikos (좌) 현대에 사용되는 첨단 세라믹 (우)2-3)

  구조 세라믹에서 가장 대표적인 소재들인 알루미나(Al2O3), 질화규소(Si3N4), 탄화규소(SiC) 및 지르코니아(ZrO2)와 같은 세라믹의 일반적인 장점은 대표적인 금속 소재인 강철과 비교하여 경량 소재, 고온에서의 화학적 및 열적 안정성, 우수한 내마모성 등을 들 수 있다. 또한 세라믹의 높은 항복 응력으로 인해 장기간 사용하여도 정확한 치수를 유지하는 정밀하게 가공된 부품을 생산하는 것이 가능하다. 이는 세라믹을 구성하는 원자들 간의 강한 화학 결합 덕분이기도 한데, 한편으로는 취성 파괴의 원인이 되어 신뢰성이 낮은 기계적 특성을 초래하기도 한다. 따라서 세라믹의 취성 거동은 일반적으로 구조물이나 응력을 받는 부품으로의 적용을 제한해 왔었는데, 1980년대 이전까지의 구조 세라믹은 일반적으로 나사산 가이드 및 세라믹 절삭 공구와 같은 내마모성 부품과 세라믹 펌프 및 송풍기와 같이 매우 낮은 응력에서 사용되는 구조 부품으로 응용이 제한되었다.4)
  그 이후, 비교적 높은 하중/응력에서 작동하는 기계 부품으로 구조 세라믹을 적용하는 데 상당한 기술적 진보가 이어져 왔다. 1980년대에 질화규소 세라믹은 터보차저 로터 및 글로우 플러그를 포함한 일부 자동차 부품에 성공적으로 적용되었는데, 이러한 적용은 세라믹 가스터빈에 대한 연구 개발을 통해 성취된 다양한 기술 발전의 결과였다. 이러한 기술적 발전에는 (1) 세라믹의 파괴 인성 향상, (2) 취성 파괴의 원인이 되는 결함 생성을 억제하기 위한 공정 기술 개발, (3) 최대 응력을 감소시킨 세라믹 부품 설계 기술 개발 및 (4) 적용 부품의 강도를 확인하고 소재 내부 결함을 탐지하기 위한 검사·평가 기술의 발달 등이 모두 포함되어 있다. 하지만, 자동차 엔진 부품으로써 질화규소의 적용은 기술적·비용적 한계에 부딪혀 1990년대에 퇴출되거나 적용량이 점차 감소하는 상황을 맞이하였다.
  그 후 2000년대 들어서는 반도체/디스플레이용 공정 장비의 부품으로 점차 고순도 알루미나, 탄화규소, 이트리아 등의 세라믹 소재로의 적용을 확대해 나가고 있고, 2010년대 이후 탄화규소계 세라믹 복합소재의 본격적인 산업적용이 시작되면서 시장의 팽창이 예상되고, 최근에는 전기차 시장의 대두 및 탄소중립 등 친환경 산업에 적용되는 부품으로써 구조 세라믹 소재의 응용 분야가 더욱 확대될 것으로 기대되고 있는 상황이다.

2. 2010년대 이전 산업용 구조 세라믹 기술

2.1. 반도체 생산용 부품
반도체 생산 공정에서 실리콘 웨이퍼를 열처리하는 확산로 부품에는 고순도 탄화규소가 사용된다. 확산 열처리 중 불순물의 오염을 억제하려면 고순도가 필요하며, 특히 탄화규소 웨이퍼 보트와 확산 불순물을 차단하는 라이너 튜브에 특히 중요하다. 탄화규소의 높은 열전도율은 국부적인 온도 구배를 균질화하는 데에도 유리하다. 고순도 탄화규소를 제조하는 일반적인 절차는 다음과 같다. 고순도 반응 소결 탄화규소를 고순도 탄화규소 분말의 성형체로부터 제조하고, 고온에서 고순도 액체 실리콘을 성형체에 주입하여 치밀한 세라믹으로 만들고, 마지막으로 표면에 CVD 공정을 통해 SiC로 코팅된다.5)
  그림 2는 Si 웨이퍼의 열처리 공정에 사용되는 일반적인 탄화규소 보트 및 확산로 사용예시를 보여주고 있다. 그림 3은 웨이퍼 보트 단면의 주사 전자 현미경 사진으로, 보트 재료가 표면에 조밀한 CVD SiC로 덮인 반응 소결 탄화규소로 구성되어 있음을 나타내고 있다.

그림 2. 실리콘 웨이퍼 확산열처리용 탄화규소 보트 및 확산로 사용 예시

-----이하 생략

<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2022년 7월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>