柳道馨 공학박사 / 요업(세라믹)기술원 나노소재응용본부 선임연구원 서론 차세대 구조재료로서 세라믹 복합재료의 개발에 대한 기대가 새롭게 높아지고 있다. 지난 20년간 단상재료에서 고강도화 고인성화의 기반 기술이 착실히 이루어졌고 최근 나노복합화 및 나노세라믹 섬유의 개발에 따라서 새로운 복합재료의 기능적 응용분야에 대한 인식이 새로워지고 있기 때문이다. 세라믹 가스터어빈 엔진, 자동차용 구조재료 등으로 촉발되었던 복합재료의 개발동력이 상당기간동안 정체상태에 있었는데, 이는 복합재료의 단순한 역학적 물성향상에 기반한 연구개발 동력을 이끌 만한 충분한 구동력이 존재하지 않았고 또 이를 수행할 소재 제조기업의 부재에도 기인하는 측면이 강하였다. 즉, 산업적으로 성숙되지 않은 분야로서 축적된 기술적인 역량에 비하여 산업적인 기반이 이루어 지지 않는 측면이 있었고, 국내 뿐만 아니라 세계적으로도 세라믹 복합재료의 생산량이 제한적이며 소규모의 벤쳐 기업 규모로 진행되고 있고 대부분이 국방관련 소재분야나 대형 산업용 소재로서만 기능하고 있기 때문이었다. 또한, 복합재료의 제조비용에 비하여 그 성능의 향상이 부족한 측면도 커서 세라믹 복합재료의 주 연구분야가 극한환경용 소재로써 우주항공용 및 초고온 고강도 소재로만 인식되어 왔으나, 최근 이러한 틀에서 벗어나 다양한 새로운 산업분야로의 다양한 진출이 모색되고 있는 단계에 있다. 최근 유럽과 일본 및 미국에서 우주항공용 및 에너지 환경용 소재, 디젤 자동차용 DPF로 활용되기 시작하였고 또 국내적으로도 항공기의 브레이크디스크 및 반도체장치용 부분품 소재, 시스템온팩키지(SOP)의 기판재료 등의 응용분야가 새롭게 개척됨으로써 국내적으로도 복합재료에 대한 새로운 연구동력이 제기되어야 할 시점에 놓여있다. 지난 20년간 소재의 분말제조기술, 성형기술, 소결기술, 복합체의 물성구현 기구에 대한 연구 및 디자인기술에 대한 다각적인 연구가 축적되어 왔다. 복합재료는 이러한 기반을 바탕으로 기존의 구조세라믹스의 물성의 한계를 극복함과 동시에 새로운 기능적 특성을 부가함으로써 고온용 초고강도 고인성 소재를 추구하는 단일한 연구개발 방향에서 벗어나서 다양한 응용분야의 수요에 맞도록 개발되어지고 있다. 복합재료의 분류 복합재료는 둘 이상의 소재의 조합에 의하여 새로운 기능이 발현되거나 단상소재의 기능에 추가하여 첨가되는 다른 하나의 기능이 복합화되는 형태의 재료를 의미한다. 단상소재의 기능이 단순히 보강되는 강화형 복합재료가 일반적인 복합재료의 형태이며 최근에는 두가지의 기능이 함께 발현되거나 전혀 다른 특성이 나타나는 경우도 있다. 복합재료는 재료를 구성하는 분산상 또는 강화제와 기지상 그리고 이들 사이의 계면상의 조합에 따라 다양한 기능을 부여할 수 있다. 표 1에 복합재료를 소재의 조합과 형상 및 기능에 따라서 분류하여 나타내었다. 최근 나노세라믹분말, 나노섬유, 나노복합재료 등의 나노소재에 대한 연구가 활발히 이루어지면서 복합소재의 연구분야도 그와 비례하여 다양하게 전개되고 있다. 최근의 소재간의 융합화가 급격히 진행되면서 분야간 경계를 초월하거나 경계영역에서의 새로운 물성의 도출이 시도되고 있는 것도 고려하여 분류하였다. 소재의 복합화 뿐만 아니라 기능의 복합화를 동시에 추구하여 전기/자기적 기능을 갖춘 구조세라믹스로서의 복합재료 세라믹스에 대한 연구도 활발히 이루어지고 있다. 이러한 복합기능성 세라믹스의 응용분야로는 ①전기적 기능을 갖는 세라믹스 구조소재 및 반도체 장치 부분품 소재 ②내플라즈마성을 가진 세라믹스 구조소재 ③열전도성과 전기전도성을 동시에 가진 세라믹스 소재 ④가공성이 용이한 형태로 제조되는 복합재료 등으로 다양화 되고 있다. 나노복합재료 오사카대학의 니이하라교수 연구그룹이 지난 10여년간 시너지 세라믹스의 연구분야 중의 하나로서 집중적으로 연구해온 세라믹스 나노복합재료는 그간 고강도화, 고기능화, 다기능화, 복합기능화의 방향으로 추구되어 왔다. 미세구조의 조절과 입자의 분산방법에 기초한 나노복합재료의 제조는 기존의 원료분말의 단순혼합에 의한 나노사이즈의 입자분산방법으로 출발하였으나 다양한 형태의 전구체를 사용하는 방법으로 개발방향이 다양화 되었으며 나노/나노 나노/마이크로, 하이브리드, 인터머티리얼의 형태로 변화되어 왔다. 나노복합재료는 Si3N4/SiC계의 경우와 같이 고강도 및 고인성과 함께 상온에서의 가공성 부여도 가능하다. Al2O3-ZrO2-CeO2계의 나노복합재료는 고강도와 고인성이면서 내마모성과 표면가공성이 우수하여 마쯔시다전기에서 자동헤어커트기의 날소재로 이용되고 있는데, 이 소재를 그대로 이용하여 생체재료용의 세라믹 hip joint 소재로 응용되고 있다. 기능성 입자가 분산된 나노복합재료의 경우 자성을 갖는 Ni의 분산을 통한 고강도 및 강자성 부여 세라믹으로 응용되며 고강도의 응력감지센서로 사용될 수 있다. 최근에는 구조세라믹스임에도 전기를 통전하는 세라믹스, 열전도도와 동시에 전기전도도가 실현되는 세라믹스 등 다양한 응용분야를 추구하게 되었다. 절연체이면서 열전도도가 높은 AlN에 전기전도성 입자의 연속적 분산을 통한 전기전도성 AlN 소재가 NGK에 의해서 개발되었으며 반도체 제조장치의 정전척으로 이용되는 것으로 알려져 있다. Niihara그룹에서도 AlN의 전기전도성 소재를 제조하여 보고하였는데 이들은 AlN의 입계상으로 첨가한 Y2O3를 YN상으로 변환시켜서 입계상이 전기전도성을 띄게하는 고열전도성과 전기전도성을 가진 나노복합재료를 제조하였다. 질화규소계 세라믹스에서도 입계상에 이온전도성의 유리질상을 도입함으로써 이온전도성 질화규소세라믹스를 제조하였다. 이처럼 전통적인 고강도 나노복합재료에 자기적 혹은 전기적 기능성을 첨가함으로써 나노복합재료의 응용분야의 다양화가 진행 중에 있는 것은 고무적이다. 다양한 기능의 나노복합소재의 상압소결 및 저온 소결기술이 지속적으로 개발되고 있다. 최근에는 실형상제조가 가능한 상온소결형 나노복합재료의 제조분야의 연구도 시작되었다. 최근 에는 탄소나노튜브로 강화한 알루미나 세라믹스의 파괴인성이 약 9, 7가지 증가하였다는 보고가 있었다. 이 재료의 경우에는 미국방성을 중심으로 새로운 방탄재료로 사용될 가능성이 검토되고 있다고 한다. 국내에서도 대학 및 연구소에서 나노복합재료의 신기능 및 복합화에 대한 연구개발이 지속적으로 이루어지고 있다. 섬유복합재료 그림 1은 세라믹 복합재료의 응용분야를 나타낸 그림이다. 섬유강화 복합재료는 원료 섬유의 가격이 높고 제조공정이 복잡하여 제조비용이 높은 문제가 있어 응용분야가 우주항공용, 국방용 등으로 극히 제한적이었으나 원료소재의 가격 하락과 더불어서 자동차용, 환경용, 일반 산업용 등으로 그 응용분야가 확대되기 시작하였다. 현재 생산량이 가장 많은 복합재료는 탄소/탄소 복합재료이다. 우주선 재진입용 노즈콘, 노즐 부품 등에 사용되고 있으며 국내에서도 주식회사 데크에서 C/C 복합재료를 제조하여 F-16전투기의 브레이크 디스크로 사용되고 있다. C/SiC 복합재료는 최근 경주용 자동차의 브레이크 디스크로 활용되고 있으며 연소실 챔버의 노즐, 초경량 ALTID 망원경 거울로 응용하기 위해서 제조기술이 개발되고 있다. 미국 3M사의 경우에는 자사가 개발한 알루미나계 세라믹 섬유인 Nextel 720 섬유를 강화제로 사용하여 초고압송전선에 사용되는 알루미늄전선재를 강화, 전선의 비강도를 현저히 개선함으로써 송전철탑간의 전선 처짐현상이 억제되는 우수한 복합소재를 개발하여 상업적용하였다. 한편, 세라믹 섬유를 이용한 산업용 버너가 개발되었는데 열전도성과 내열충격성이 강한 SiC/SiC섬유강화 복합재료가 이용되었다. SiC/SiC 복합재료는 핵융합로의 내벽소재로서도 이용될 수 있으며 원자력 연구소를 중심으로 CVI법 및 PIP법을 이용한 복합재료의 제조기술이 개발되고 있다. 섬유강화 복합재료의 연구개발 방향은 보다 저렴한 제조단가에 고성능의 소재를 얻는 방향으로 집중되어 있다. 일본과 미국은 독자적인 강화제용의 세라믹 섬유가 개발되어 있거나 개발 중에 있다. 대표적인 세라믹 섬유인 일본의 니폰카본사의 Nicalon 섬유는 최고사용온도 1500℃의 물성에 도달하는 Hi-Nicalon S제품이 개발·생산되고 있으며 미국은 Dow-corning과 NASA의 협력으로 Sylamic-iBN 섬유가 개발되고 있고 이를 이용한 SiC/SiC 복합재료가 보고된 바 있다. 복합재료의 원료가 되는 섬유의 종류가 다양화 되고 있다. 현재까지 섬유강화 복합재료는 주로 SiC계 복합체를 중심으로 연구되어 왔다. SiC 섬유는 Hi-Nicalon Type, S Tyranno SA, Sylramic 등 SiC 정량비에 가까운 섬유들이 개발되었으나 고온환경에서 보다 안정하고 우수한 특성을 갖는 섬유의 개발이 요구된다. 이를 위하여 SiC, Al2O3와 같이 단순한 이성분계가 아닌 Si-C-N, Si-B-C-N, Si-C-O-N등 다성분계 섬유도 유럽을 중심으로 개발되고 있다. 또한 세라믹 수율이 높고 공정이 용이한 저비용의 고분자 전구체의 개발은 섬유의 단가 감소를 위해서 필수적인 요소이다. SiC 섬유와 기지상제조의 원료가 되는 폴리카보실란을 제조하는 기업은 국내에 없으며 현재 대학 및 연구소가 기초연구를 수행하고 있으며 ADD 등의 수요에 따라서 소량 생산연구를 진행중에 있으며 요업기술원 및 주식회사 데크가 공동으로 산업자원부 차세대과제로서 폴리카보실란제조기술과 이를 이용한 SiC 섬유개발과제를 추진하고 있다. 세라믹 섬유강화 복합재료는 강화제인 섬유와 기지상, 두 상간의 계면상 그리고 내환경성 향상을 위한 표면코팅층으로 이루어진다. 따라서 복합재료의 성능을 향상시키기 위해서는 이들 요소의 상호작용에 관한 과학적인 이해가 필요하다. 또한 각 요소의 제조단가가 높고 각 구성 요소들의 성능도 많은 개선을 필요로 한다. SiC계 섬유복합재료의 계면층은 PyC 및 BN을 대상으로 많은 연구가 이루어졌으나 산화저항성이 낮다는 점이 걸림돌이 되고 있으며 층상형 산화물계, 다층계면, 다공성 또는 fugitive 계면 등에 대한 연구개발이 진행되고 있다. 기지상의 제조는 주로 CVI, PIP, melt infiltration 등의 방법으로 이루어지고 있으나 잔류기공율이 높거나 미반응상의 존재, 긴 공정시간 등이 문제점으로 지적되고 있다. 내환경코팅은 CVD SiC가 일반적이었지만 최근에는 Al2O3, mullite, Y2SiO5, ZrSiO4 등 산화물계 코팅에 관한 연구가 진행되고 있고 코팅을 위한 최적 화합물과 코팅방법의 개선 및 실사용 환경에서의 장기간 특성평가 등이 요구된다. 복합재료의 시장동향 및 전망 복합재료는 일본, 미국, 유럽에서 각기 약간씩 다른 방향으로 기술개발이 추진되어 왔다. 미국은 우주왕복선의 발사와 재귀환에 필요한 내열소재 및 초고온 극한환경용 소재로서 개발이 시작되었고, 일본은 세라믹 가스터어빈의 에너지효율 향상을 위한 에너지 소재의 관점에서 진행되어 왔으며 유럽의 경우 전투기 및 극소음속 항공기용 소재로서 개발이 추진되어 왔다. 한국은 미국과 일본의 경우와는 달리 우주항공산업 및 에너지산업의 기반이 열악하므로 이러한 응용은 장기적인 목표로 설정하고 단기적으로는 자동차, 반도체, 환경산업, 국방산업의 응용을 목표로 기술개발의 방향을 설정하는 것이 바람직하다. 세라믹 복합재료의 국내시장은 발아단계에 있으나 고속철도의 개통과 더불어 고속철의 국산화 진행정도에 따라서 고속철용 브레이크 디스크의 개발수요,국산 항공기 개발 프로젝트가 추진중에 있는 측면, 우주기지가 건설되고 국산위성의 발사계획이 진행중인 점으로 미루어 국내에서도 잠재적인 시장은 확보되어 있다고 볼 수 있다. 한편 미국, 일본, 유럽은 세라믹 터어빈의 제조기술이 2000년대에 들어서 실장테스트에 진입하였고 이에 따라서 복합재료의 전구체와 세라믹 섬유의 수요가 2000년에 비해서 약 10% 정도 증가될 것으로 예상되고 있으며 초고온용 우주항공용 이외에도 중온 복합재료의 새로운 용도가 개발되고 있으므로 잠재적 성장가능성이 충분하다고 판단된다. 결론 세라믹 복합재료는 국방, 자동차, 발전 등의 국가 기간 산업 전반에 미치는 효과가 클 뿐만 아니라 에너지, 환경산업으로의 응용도 폭넓게 확대될 수 있다. 복합재료의 연구 및 산업기반이 아직은 취약하므로 세라믹 복합재료의 국내 산업은 단시일내에 활성화되기에는 어려운 측면이 있으나, 극한환경용 소재 등의 산업용 소재로 점차 응용분야가 확대됨에 따라서 기술개발에 대한 수요가 증가할 것으로 예상된다. 그러나 민간기업의 투자를 이끌어낼 만큼의 시장이 형성될 때까지는 세라믹 섬유의 개발 및 복합재료제조기술 개발 등에 대한 정책적인 지원이 필요하다.