Special 우주항공/원자력용 극한소재 개발 현황 및 전망(1)

고내열성 세라믹스의 복잡 형상 제조 공정 개발 동향

이세훈_한국재료연구원 극한소재연구소 책임연구원

1. 서론

실리콘 카바이드(SiC)와 초고온 세라믹(UHTC, Ultra-high temperature ceramics) 등의 고내열성 세라믹스는 우주·항공 및 방위산업에서 필수적인 역할을 수행하는 핵심 소재로 평가받고 있다.[1] 이들 소재는 특히 고온 환경에서 우수한 내구성과 기계적 성능을 제공하며, 이를 통해 지구 재돌입 비행체, 극초음속 체계 및 방어 시스템의 성능을 극대화하는 데 기여하고 있다.[2] SiC와 UHTC의 우수한 물리적, 화학적 특성은 이들이 극한 조건에서도 안정성을 유지하고, 열적 및 기계적 스트레스에 우수한 저항성을 나타낼 수 있도록 한다. 따라서 최근에는 이러한 소재들의 체계 적용을 위한 복잡형상 제조 공정의 개발이 활발히 진행되고 있다.[3]

 SiC는 높은 경도 (~25GPa), 비교적 낮은 밀도 (3.2g/cm3)와 내열성 (대기중, ~1500℃) 덕분에 고온 환경에서의 사용에 적합하다. 일반적인 금속이나 세라믹 소재는 대기중, 고온에서 산화되거나 물성이 열화되는 반면 SiC는 대기 중에서 1500℃ 내외까지 효과적으로 견디며 긴 사용 수명을 보장한다. 이러한 특성 덕분에 SiC는 항공기용 가스 터빈 엔진의 고온부 소재 맟 우주 왕복선의 열차폐 시스템 등 다양한 분야에서 필수적인 소재로 사용되고 있다.[4] UHTC는 1700℃ 이상 고온에서의 내구성이 뛰어나며, 특히 극초음속 비행체 및 지구 재돌입과 같은 높은 열 환경에서도 안정성을 유지할 수 있다. UHTC는 대부분 Zr, Hf 및 Ta의 탄화물 (carbide) 및 붕화물 (boride) 계열 물질로, 이들 물질은 녹는점이 3200℃ 이상으로 매우 높고 2000℃ 이상의 고온에서도 우수한 기계적 물성을 유지할 뿐 아니라 1700℃ 이상 고온에서의 산화에 매우 강한 특성을 지닌다. 재료연구원에서는 높은 순도를 갖고 입도 및 형상 제어가 특정 범위에서 가능한 고품위의 SiC 및 다양한 UHTC 분말을 제조할 수 있는 원천 기술들을 확보하고 있다.[5-6]

그림 1. 재료연구원의 고내열성 세라믹 분말. (위) SiC, (아래) ZrB2

  최근에는 이들 고온 소재의 복잡 형상 제조 공정에 대한 연구와 개발이 활발히 진행되고 있으며, 이를 통하여 복잡한 형상을 요구하는 우주·항공 및 방위산업의 요구에 대응하고 있다. 복잡한 형상이 요구되는 고내열성 SiC 세라믹스 소재의 예로는 항공기 가스터빈용 베인, 슈라우드, 터빈 블레이드 및 재사용형 우주 비행기의 열보호 시스템 (TPS, Thermal protection system) 등이 있으며 UHTC 소재로는 극초음속 체계의 첨두 및 엔진부의 고온 내삭마 소재와 우주 비행기용 TPS 소재 등이 있다. 전통적인 제조 공정에서는 고내열성, 고강도의 특성을 갖는 구조용 세라믹스에 대해 이러한 복잡 형상을 구현하기가 어려운 경우가 많았으나, 최근에는 첨단 기술이 적용된 새로운 제조 공정이 개발됨으로써 복잡한 형상의 부품을 비교적 정확하게 제작할 수 있는 가능성이 열리고 있다. 이러한 공정들은 3D 프린팅, 정밀 주조 및 하이브리드 성형 공정 등을 포함하고 있다.[7]

  세라믹 섬유 강화 복합재료(CMC, Ceramic matrix composites)는 SiC와 UHTC의 성능을 더욱 향상 시킬 수 있는 중요한 방법으로 주목받고 있다. CMC는 세라믹 기지상에 탄소 혹은 세라믹 섬유를 추가하여 기계적 성질을 개선한 복합체로, 고온에서의 기계적 신뢰성 및 열충격 저항성을 크게 개선할 수 있다. 이를 통하여 CMC는 항공기용 가스 터빈 엔진의 고온부 부품 및 우주왕복선의 열 차폐 시스템 등에 활발히 적용되고 있다. 

본 논문에서는 SiC와 UHTC의 일반적인 특성과 제조 공정을 알아보고 최근에 관심이 집중되고 있는 복잡 형상 제조 공정 및 CMC 개발 동향을 간략히 알아보겠다. 이를 통해 각 공정의 장단점과 적용 가능성을 분석하고, 향후 기술 발전 방향을 논의하고자 한다. 

2. SiC 및 UHTC의 특성 및 제조 공정

2.1. SiC

SiC는 높은 경도와 뛰어난 내열성 및 내마모성 등의 장점으로 항공우주, 반도체, 자동차 산업 등에서 핵심적인 역할을 하고 있다. 특히 고온과 고압의 대기 환경에서도 장기간 안정성을 유지할 수 있기 때문에 극한의 조건에서 작업하는 부품에 필수적인 소재로 자리 잡고 있다. 이러한 물리적 특성 덕분에 SiC는 항공기용 가스터빈 엔진의 내열 소재 및 각종 고온 환경에서의 구조적 부품 등에서 중요한 역할을 한다.

  SiC의 전통적인 제조 방법은 주로 고온 소결법(High-Temperature Sintering)과 반응 소결법(Reaction Sintering) 등이 사용되고 있다. 이들 방법은 고밀도, 고성능의 SiC 소재를 제작하기에 적합하나 복잡한 형상의 부품을 정밀하게 제작하는 데는 한계가 있다.

  고온 소결법은 SiC 분말을 고온에서 소결하여 밀도가 높은 세라믹을 형성하는 방법이다. 이 과정에서 일반적으로 소결조제를 적용하더라도 1800°C 이상의 높은 온도가 필요하다. 이런 고온에서의 열 처리는 SiC의 내열성을 개선하기 위하여 의도적으로 수행되기도 한다. 특히 난소결성인 SiC의 소결 후 밀도를 높힘으로써 소재의 성능을 개선하기 위하여 많은 경우 고온과 함께 20MPa 이상의 높은 압력을 동시에 가하는 가압소결이 적용된다. 그러나 이 방법은 단순한 형상의 부품을 제작하는 데 효과적이며, 복잡한 형상 및 대형의 부품을 제작하기에는 어려움이 있다. 또한, 고온에서의 소결 시 발생하는 열적 스트레스와 재료의 불균일한 소결 수축 분포는 정밀한 형상 구현에 어려움을 유발한다.

  반응 소결법은 SiC와 같은 세라믹 소재의 치밀화를 위해 반응이 일어나는 화학적 과정을 이용하는 방법이다. 이 공정에서는 Si 분말과 탄소를 고온에서 반응시켜 SiC를 형성하며, 상대적으로 낮은 온도에서 치밀화가 가능하다. 또한 대형, 복잡 형상의 소재를 비교적 용이하게 제조할 수 있는 장점이 있다. 그러나 반응 소결법의 경우 기지상 내에 잔류하는 Si에 의해 고온 물성이 열화되는 단점이 보고되고 있다.

  소결이 끝난 SiC는 기계 가공을 통해 복잡한 형상을 구현할 수 있지만 높은 경도로 인해 공구의 마모가 심각하며, 이로 인해 가공 비용이 증가하고 공정의 생산성이 저하되는 문제가 발생한다. SiC의 기계적 특성과 관련된 이러한 한계는 제조 공정에서의 효율성을 저해하는 주요 요인으로 작용하며, 이를 극복하기 위해 새로운 제조 기술이 필요한 상황이다.[8] 따라서 이러한 공정적 한계를 극복하기 위해 최근에는 3D 프린팅 혹은 적층 제조(Additive Manufacturing, AM) 공정이 활발히 연구되고 있다.[9]

2.2 UHTC

초고온 세라믹(UHTC)은 주로 탄화 및 붕화 지르코늄(ZrC, ZrB2), 탄화 및 붕화 하프늄(HfC, HfB2), 탄화 타이타늄(TaC) 등의 물질로 구성되며, 녹는점이 3200°C 이상으로 2000°C 이상의 극한 온도에서도 구조적 안정성을 유지할 수 있는 특성을 지니고 있다 (그림 2). 이러한 고온 내구성 때문에 UHTC는 로켓 노즐, 지구 재진입체의 열보호 시스템(TPS) 소재 및 극초음속 비행체의 열보호 소재 등 첨단 우주 체계의 성능 구현에 중요한 역할을 한다. UHTC는 고온 환경에서도 변형되지 않고 높은 기계적 강도와 열적 안정성을 유지하기 때문에 1700°C 이상인 극한의 고온 작동 조건이 요구되는 다양한 산업 분야에서 필수적인 소재로 여겨진다.

그림 2. 재료연구원에서 제조된 HfB2계 세라믹의 내삭마 특성 평가

  초고온 세라믹(UHTC)의 밀도화 공정은 일반적으로 열가압 소결법(HP, Hot Pressing), 소결법(Sintering), 방전플라즈마 소결법(SPS, Spark plasma sintering) 및 반응소결법 (Reaction sintering) 등을 포함한다. 이들 중 소결 도중 높은 압력을 가하여 치밀화를 촉진시키는 HP 및 SPS 방법은 UHTC의 고온 내구성과 기계적 강도를 효과적으로 유지할 수 있는 장점이 있지만 대형 및 복잡 형상의 제작에 한계가 있다. 이에 비해 소결법 및 반응소결법은 외부에서 가해지는 압력이 없기 때문에 대형, 복잡 형상 소재를 제작하기에는 유리하나 UHTC의 높은 융점에서 기인하는 난소결성을 완화하기 위하여 첨가되는 소결 조제 및 미반응 잔류물 등이 UHTC의 고온물성을 열화시키는 단점이 존재한다.[10] 재료연구원에서는 반응소결법으로 잔류물이 존재하지 않고 2600℃ 까지 우수한 내삭마 특성을 갖는 UHTC-SiC 복합재료를 비교적 저온, 저압인 1800℃, 20MPa의 조건에서 치밀화 시키는 원천기술을 확보하고 있으며,[11] 소결조제를 사용하지 않고 SPS를 이용한 고온(2300℃), 고압(100MPa)의 가압소결을 통하여 순도 99% 이상, 상대밀도 96% 이상의 고순도, 고밀도 HfC 소재를 제조하였다 (그림 3). 

그림 3. 재료연구원에서 제조된 고순도 HfC 소결체

3. SiC 및 UHTC의 복잡 형상 제조 공정 개발 동향

3.1 SiC

실리콘 카바이드(SiC)는 그 뛰어난 물리적 특성 덕분에 복잡한 형상을 구현하기 위해서는 기존의 전통적인 제조 방법으로는 한계가 있으며, 이에 따라 적층 제조(Additive Manufacturing, AM) 기술이 주목받고 있다. 특히, 레이저 기반 AM 공정인 레이저 소결(Laser Sintering, SLS)과 바인더 제팅(Binder Jetting) 기술은 SiC의 복잡형상 제조에서 매우 중요한 역할을 하고 있다.[12]

  레이저 소결 공정은 고출력 레이저를 사용하여 SiC 분말을 선택적으로 소결하는 방법이다. 이 공정은 높은 정밀도와 유연성을 제공하여, 복잡한 기하학적 형상이나 미세 구조를 정밀하게 제작할 수 있다. 레이저 소결 기술은 복잡한 형상 제작에 유리하며 설계의 자유도가 높아 다양한 형상의 부품을 제작하는 데 적합하다.[13]

  바인더 제팅 기술은 SiC 분말에 바인더를 사용하여 복잡한 형상을 구현하는 방법이다. 이 공정은 바인더를 통해 분말을 결합하고, 이후 열처리를 통해 최종 제품을 얻는다. 바인더 제팅 기술은 높은 생산성, 낮은 제작 비용, 그리고 복잡한 형상의 구현이 가능하다는 장점이 있다.[14]

  최근 재료연구원에서는 3D 프린팅으로 복잡형상의 몰드를 제조한 후 그 안에 고농도의 SiC 슬러리를 장입한 후 건조하여 복잡형상의 성형체를 얻은 후 이를 전구체 함침 열분해법(PIP, Precursor impregnation & Pyrolysis)으로 치밀화하는 공정을 연구 중이다. 해당 공정에서 건조 공정의 개선을 통하여 건조 도중 발생하는 수축을 효과적으로 억제함으로써 건조 균열의 발생을 효과적으로 제어할 수 있었으며 이를 통하여 복잡 형상을 갖는 비교적 대형의(~12cm) SiC 소재를 제조할 수 있는 기술을 개발 중이다 (그림 4).

그림 4. 재료연구원에서 제조된 SiC 성형체 (위) 균열 형성 억제, (아래) 건조 균열 발생

  세라믹 섬유강화 복합재료(CMC)에서 SiC 기반 복합재료는 우수한 내열성과 강도를 제공하며 특히 고온의 대기중 환경에서도 뛰어난 내구성을 발휘한다. SiC 기반 CMC는 섬유 보강재를 사용하여 기계적 특성 및 신뢰성을 대폭 향상시킬 수 있으며, 이는 항공우주, 방위산업, 자동차 산업 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 하고 있다.[15]

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