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세라믹
세라믹(ceramic)은 열과 냉각 활동으로 마련된 무기 화합의 비금속 고체이다. 세라믹스라고도 한다. 점토 등 천연의 원료를 사용해서 만들며, 용기로 사용되어 왔다. 이에 대하여 파인 세라믹스(fine ceramics)는 고순도의 인공 원료를 사용해서 만들며, 전자재료, 정밀기계 재료 등 다양한 용도에 쓰인다. 세라믹스는 금속과는 반대로 전기를 잘 전도하지 않을 뿐 아니라, 유기 재료와는 달리 고온에도 잘 견딘다는 것이 특징이다.
일반적으로 세라믹은 수정처럼 원자들이 규칙적으로 배열된 형태를 띠고 있기 때문에, 무기 화합의 세라믹으로 한정하여 세라믹을 지칭하기도 한다. 그러나 그렇지 않은 형태의 세라믹도 모두 포함할 수 있다.
인류가 만든 최초의 세라믹은 도자기류이며, 기원전 27000년 경에 점토로 만들어 구운 조각상을 예로 들 수 있다.
세라믹(ceramic)이라는 낱말은 그리스어 κεραμικός (커라미코스)에서 온 것으로 도기를 뜻하며 인도유럽어족의 낱말 커(ker)는 열을 뜻한다. 세라믹은 요업 제품, 물질, 또는 제조 과정을 모두 가리킨다.
울산과학기술원(UNIST)과 삼성전자 종합기술원 공동 연구팀이 리튬공기전지 내부의 유기물질을 세라믹 소재로 바꿔 그 동안 상용화의 난제로 지적돼 오던 전지 수명 저하 문제를 해결했다. 차세대 전지로 주목받고 있는 리튬공기전지(Li-air battery)는 공기 중 산소를 양극 물질로 사용하는 초경량 전지로 현재 각종 전자 기기와 전기차에 사용되는 리튬이온전지보다 10배 이상 더 많은 에너지 저장이 가능하다. 또 공기 중 산소를 전극재로 쓰기 때문에 금속 소재를 사용하는 리튬이온전지보다 경량화도 유리하며, 가볍고 오래 달릴 수 있어 차세대 경량 전기차 전지로 각광받고 있다.[1]
목차
개요
일반적으로 재료 공학에서는 소재를 금속, 고분자폴리머, 세라믹으로 나누어 구분한다. 그 중 세라믹(Ceramic) 소재를 지칭하는 단어는 도자기를 의미하는 그리스어 'keramikos'에서 유래된 단어이다. 가장 초기의 도자기는 토기(Pottery) 였지만 사실 세라믹이란 용어는 순수한 원소 뿐 아니라 많은 재료를 포함하는 굉장히 넓은 의미의 용어이다.
세라믹은 일반적으로 구성성분에 따라 산화물(oxide), 질화물(nitride), 붕화물(boride) 또는 탄화물(carbide)을 기본적으로 포함하며 고온에서 소결된 비금속 고체를 뜻한다. 많은 세라믹 재료들은 그 재료를 구성하는 원자 사이에 이온 결합과 공유 결합을 모두 포함한다. 세라믹 재료는 원자들의 배열 상태에 따라 결정질(Crystalline), 비정질(Amorphous)로 구분할 수 있다. 일반적으로 우리가 유리(Glass)라고 부르는 물질은 실리콘의 산화물인 이산화규소의 비정질 형태를 뜻한다.
세라믹은 주로 천연 원료인 점토로부터 제조한 요업 가공 물질을 의미하였으나, 현대에는 폭넓은 의미로 결정질을 가지는 무기 물질을 형성하는 요업 제조 과정과 요업 제품까지 포함한다. 세라믹 물질은 고대부터 도자기로 주로 응용되었다면, 현대에는 세라믹 물질의 높은 강도와 고온에서의 안정성으로 말미암아 우주선이 대기권을 벗어나거나 재진입할 때 고온의 열로부터 우주선 본체를 보호하는 보호 재료로도 사용된다.
특성
세라믹 물질은 기본적으로 무기 물질이나 금속의 특성을 가지지 않는 비금속성(non-metallic) 물질이다. 열처리를 통한 결정질을 형성할 수 있는 탄소나 실리콘이 주 성분 원소이다. 세라믹 물질은 단단하고 강도가 높아 압축과정(compression)에 대항하여 잘 견디지만, 유연성이 부족하여 부서지기 쉬우므로 전단력(shearing force)이나 인장력(tensile force)이 부여되는 조건에서는 약한 내구성을 보인다.
세라믹 물질은 화학적으로 비교적 안정하고 강한 산이나 염기, 부식성 조건에서도 높은 저항성을 보인다. 마지막으로, 세라믹 물질의 가장 잘 알려진 특성은 내열성(thermostability)이다. 세라믹 물질은 제조 공정에서 고온(1,000°C 이상)의 열처리를 통해 소결 과정을 거쳤기 때문에 온도 변화에 대한 높은 안정성을 가진다.
세라믹스는 최근에는 생체재료로도 쓰인다. 파인 세라믹스는 금속이나 플라스틱에 비하여 녹이 슬지 않고 불에 타지 않으며 손상되지 않는 특징을 지닌다.
거기에 전자기적, 광학적, 기계적, 생체공학적으로 뛰어난 특성을 갖는 것이 많다. 파인 세라믹스의 주요한 응용으로는 텔레비전, 에어컨 등 가전제품의 각종 소자, 집적회로의 기반, 콘덴서, 가스누출 센서, 헤어 드라이어, 가스 레인지의 점화장치, 스페이스 셔틀의 내열 타일 등이 있다.
하지만 신축성이 없고 부서지기 쉬운 단점도 있다. 한편 바이오 세라믹스는 생체물질 대용으로 사용하는 세라믹스로서 열에 강하고, 약품에 잘 견디며, 잘 긁히지 않고 변형이 거의 없다. 또 생물이나 인체에 해를 입히지 않는다. 바이오 세라믹스의 한 종류인 다공질 세라믹스는 인공치아나 인공뼈, 효소반응 운반체로 널리 쓰인다.
또한 바이오 세라믹스는 맥주의 맛을 좋게 하는 증류 필터나 음식물을 오랫동안 신선하게 보관하기 위한 그릇으로도 이용된다.
종류와 구분
세라믹 재료의 범위는 실로 방대해서 분류하기가 쉽지 않지만 대체적으로 성분에 따라 아래와 같이 크게 4개의 종류로 분류하고 있다.
- 산화물 세라믹
- 질화물 세라믹
- 탄화물 세라믹
- 기타 세라믹
또는 응용범위에 따라 아래와 같이 분류하기도 한다.
- 유리제품 : 유리 거울 렌즈 등
- 점토제품 : 타일 도기 등
- 내화물 제품 : 고온단열재
- 연마제 : 연마 또는 절삭용 공구 부품
- 시멘트 : 건축 및 구조재료
- 기능성 세라믹 : 전자재료 반도체재료 방열소재 및 바이오소재
세라믹 소재
세라믹 '신'소재는 세라믹 '구'소재와 비교할 때, 2가지 점에서 차이가 있다. 우선 사용하는 원료가 다른데, 세라믹 구소재는 주로 점토(粘土), 고령토(高嶺土), 장석(長石), 규석(硅石) 등과 같은 천연원료를 사용하여 제조하고, 오늘날의 세라믹 신소재는 탄화규소(炭化硅素), 질화규소(窒化硅素), 알루미늄(alumina), 지르코니아(zirconia), 바륨티타네이트(barium titanate) 등과 같은 고순도의 합성원료를 사용하여 제조한다.
또 세라믹 신소재는 단순한 특성을 나타내는 것이 아니라, 전기의 흐름을 막거나, 전기를 모아두거나, 전기를 통하면 소리를 내거나, 습도나 산소 함유량을 알아내거나, 열에 잘 견디거나, 가벼우면서도 엄청나게 강하거나 하는 등의 특별한 성질을 발휘한다. 따라서 그 용도가 전기, 자기, 기계, 화학(化學, chemistry), 광학(光學, optics), 바이오 등 광범위하다.
활용
사실 세라믹 신소재는 우리가 늘 사용하면서도 눈에는 잘 띄지 않아 있는지도 모르고 지나는 것이 대부분이다. 컴퓨터의 내부를 들여다보면 수십 개의 반도체 모듈이 꼽혀 있는데, 그 집적회로(集積回路, integrated circuit)를 받쳐주는 것이 세라믹 기판(ceramic base material)이다.
또 TV 후면을 열어보면 크고 작은 단추 같은 것이 수십 개나 두 발같이 생긴 전극을 달고 있는데, 이 역시 세라믹 소재로 이루어진 콘덴서(condenser)나 유전체(誘電體) 공진기(共振器) 등이다. 어디 그뿐 아니라 전자 손목시계나 현관 버저에서 나는 ‘삐삐’ 소리도 세라믹 압전체가 내는 것이다.
그리고 세라믹 신소재는 크게 전자 세라믹과 구조 세라믹으로 나누어지는데, 그 시장 점유율은 약 70:30이다.
여러 산업 분야에서 선진국 기술력 공세가 강화되는 가운데 후발국의 빠른 추격을 받고 있는 우리로서는 그 어느 때보다 독자기술로의 무장이 요구되고 있다. 이와 같은 추세는 세라믹 신소재에서도 예외는 아니다.
세라믹 재료의 제조 공정
세라믹 재료나 부품의 제작을 위한 원료는 점토(Clay), 카올리나이트(Kaolinite), 고령토, 산화 알루미늄(Alumina Al₂O₃), 탄화 규소(Silicon Carbide SiC), 탄화 텅스텐(Tunsten Carbide, WC)과 같은 물질 뿐 아니라 실리콘 또는 다이아몬드탄소와 같이 순수한 원소가 될 수도 있다. 일반적으로는 원료를 물 또는 기타 첨가제와 결합시켜 혼합물을 만든 후 직접 빚거나 몰드를 이용하여 원하는 모양으로 성형을 한다.
세라믹은 고온에서 소결 후 다른 형태로 가공하기가 어렵기 때문에 최초 성형시 원하는 형태로 만드는 경우가 대부분이다. 원하는 형태는 성형시킨 후 고온의 오븐소결로 또는 가마에서 소결시킨다. 소결공정은 재료에 새로운 화학 결합을 형성하기 위해 열적 에너지를 공급하는 공정이다.
세라믹 사용 분야
절연 및 저항 세라믹
시대가 전자시대가 되다 보니 반도체 집적회로가 안 들어가는 곳이 없을 정도다. 컴퓨터의 내부 뿐만이 아니라, 전자 밥통에 까지도 들어가고 있다.
이 반도체 모듈의 집적회로를 받쳐주면서 전기가 통해야 할 곳은 회로로 이어주고 전기가 통하지 않아야 할 곳은 막아주는 것이 세라믹 기판이다. 이 기판의 재료로 주로 사용되고 있는 세라믹은 알루미늄인데, 그것은 알루미늄이 전기저항이 아주 높으면서 1㎜ 이하로 얇아져도 충분히 튼튼하기 때문이다.
군사용, 항공우주용, 슈퍼컴퓨터 등 특수한 용도에 사용되는 반도체 모듈은 그 회로가 더 작은 부분에 더 많이 깔려 있어서 회로로부터 나오는 열이 문제가 된다. 따라서 열전달도 잘 되는 기판이 필요하게 되는데, 질화 알루미늄(AlN), 산화베릴륨(BeO), 탄화규소(SiC) 등의 세라믹 기판이 사용되고 있다. 요즘에 와서는 이것도 모자라 이 기판들을 수십 층 쌓아올린 적층 기판에 적층 패키지까지 사용하고 있다.
유전 세라믹
물을 다스리기 위해서는 물을 모아두는 저수지와 필요에 따라 물을 받고 내보내는 수문이 필요하다. 우리가 사용하는 TV, 라디오, 음향기기, 녹화기, 컴퓨터, 무선전화기 등의 각종 전자기기에서도 마찬가지이다. 그 기기들이 잘 돌아가기 위해서는 우선 전기의 흐름을 적절히 조절해야 하는데, 전기를 저장하고 직류와 교류를 구분해서 받고 내보내는 세라믹 콘덴서가 필요하다. 또 전기적 신호도 적절히 조절해야 하는데, 필요한 주파수만 받아들이는 유전체 공진기가 필요하다.
이에 주로 사용되는 세라믹은 바륨티타네이트(barium titanate)와 스트론튬티타네이트이다. 이들 소재는 전기저항이 높으면서 전술한 여러 가지 유전적 특성을 나타내기 때문이다. 요즘에 와서는 이 콘덴서나 유전체도 수십 층 쌓아올린 적층형(積層型)으로까지 만들어져 사용되고 있다.
유전 세라믹은 TV, 라디오, 음향기기, 녹화기, 컴퓨터, 무선전화기 등의 각종 전자기기에 사용되는데, 단층 콘덴서, 적층 콘덴서, 필터 등의 제품이 있다.
자성 세라믹
자성 세라믹 제품에는 하드 페라이트(ferrite), 소프트 페라이트, 자기기록매체, 특수 자성재료 등으로 나누어진다. 페라이트는 기존의 안테나 코어, TV 편향 요크, 트랜스포머, 자동차용 모터, 전자레인지용 자석, 스피커 등에 사용되고 있다. 자기기록 매체는 테이프, 플로피디스크, 하드디스크 등이 있다.
압전 세라믹
전기를 통하면 휴대폰처럼 '삐삐' 소리를 내기도 하고 가습기처럼 진동하여 물보라를 일으키기도 하며, 라이터처럼 불똥을 튀기는 것이 모두 세라믹 압전체가 부리는 재주이다. 압전 재료는 압전 음향 필터, 초음파 진동자, 버저, 착화소자(着火素子), 압전 센서, 압전 초음파 모터, 액추에이터(actuator) 등에 사용되고 있다.
구조용 세라믹
구조용 세라믹은 힘에 버티고 열과 환경에 견뎌야 하는 어떤 구조물 또는 그 부품에 사용되는 세라믹을 말한다. 따라서 높은 강도, 경도, 내마모성(耐摩耗性), 내식성(耐蝕性), 내열성(耐熱性) 등의 특성을 가진다.
주로 탄화규소(炭化硅素), 질화규소(窒化硅素), 질화붕소(窒化硼素), 지르코니아(zirconia), 알루미나(alumina), 탄화텅스텐(tungsten carbide) 등의 단일 재료와 Al₂ O₃-TiC, Si₃N₄-TiC, Si₃N₄-TiN, TiC-TiN, SiC-SiC 화이버 등과 같은 복합 재료가 있다. 그 예는 물과 같은 액체의 흐름을 막고 열어주는 메커니컬 실(mechanical seal), 마모가 심한 곳에 깔아주는 내마모 라이닝, 정교한 회전이 필요한 곳에 사용되는 볼 베어링(ball bearing), 금속 재료를 원하는 모양으로 깎고 다듬는 절삭공구 등이 있다.
자동차용 세라믹
자동차용 세라믹은 내열, 내마모, 단열 및 고온 강도가 우수한 특성을 이용하여 엔진의 연비 향상, 고성능화 및 유해 배출가스의 발생을 감소시킬 목적으로 사용된다. 자동차용 세라믹의 개발은 미국, 일본, 독일이 주도하고 있으며, 지금까지 스파크 플러그(spark plug), 글로 플러그(glow plug), 로커 암 칩(rocker arm chip), 포트 라이너(port liner), 볼 베어링(ball bearing), 터보차저 로터(turbocharger rotor), 와류실(vortex chamber), 촉매담체(catalystcarrier) 등을 실용화하였다.
현재 실용화되지 않은 부품 중 밸브(valve), 캠팔로워(cam follower), 실린더 헤드(cylinder head), 피스톤 핀(piston pin), 밸브 시트(valve seat) 등의 개발이 진행되고 있으며, 계속되는 자동차의 배출가스 규제 강화와 엔진의 고출력화 요구로 자동차용 세라믹 부품의 채용이 증가하고 있다.
가스 터빈용 세라믹
세라믹 가스 터빈이란 고온의 연소가스에 의해 바람개비처럼 생긴 로터(rotor)를 회전시킴으로써 동력을 얻는 엔진을 말한다.
현재의 가스 터빈은 로터가 특수강으로 제조되기 때문에 터빈의 운전 온도가 약 1000℃ 이하로 제한을 받는다. 가스 터빈의 로터를 세라믹으로 제조할 경우, 터빈의 운전온도를 약 1400℃까지 상승시킬 수 있으므로 약 10%의 엔진 효율 향상이 가능하게 된다. 따라서 이 분야에 대한 연구는 선진국에서 전략적 차원으로 추진되고 있다. 미국의 경우 1200℃, 100000회전의 조건에서 85시간 이상 연속운전이 가능한 자동차용 세라믹 가스 터빈의 개발을 목표로 하고 있다.
이 계획의 성공적인 수행을 위해서는 로터 등 5가지 주요 세라믹 부품이 개발되어야 하는데, 그 요구되는 특성은 고온 강도, 내마모성(耐磨耗性), 경량성, 단열성 등이다.
따라서 기계적 용도의 세라믹 소재 중 가장 엄격한 특성치가 요구되고 있는데, 주로 탄화규소, 질화규소, 지르코니아를 가능성이 높은 소재로 보고 연구를 추진하고 있다.
환경용 세라믹
환경오염 방지 산업에서 사용하고 있는 필터는 주로 고분자섬유나 금속 필터가 주종을 이루고 있으나 특성이 우수한 세라믹 필터로 점차적인 대체가 이루어지고 있다. 세라믹 필터의 산업화는 선진국에서 활발하게 진행되고 있으며, 국내의 기술은 울트라필터레이션(ultrafiltration) 영역까지 적용할 수 있는 여과막의 제조기술이 축적되어 있다.
즉 Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂, 멀라이트(mullite), 코디어라이트(cordierite) 등을 환경오염관리용(폐기 및 정수), 금속처리 및 제련소용, 낙농업용, 제약 및 화학용, 식품 분야용, 가죽 가공 및 염색업용 등으로 개발이 진행 중이다.
각주
- ↑ 김지연 기자, 〈세라믹 소재 전기차 '리튬공기전지' 개발...한 번 충전으로 서울-부산 왕복 가능〉, 《케미컬뉴스》, 2020-10-15
참고자료
- 〈세라믹〉, 《위키백과》
- 〈세라믹〉, 《화학백과》
- 〈세라믹스〉, 《네이버 지식백과》
- 〈(재료공학) 세라믹(Ceramic)의 정의와 활용〉, 《티스토리》
- 김지연 기자, 〈세라믹 소재 전기차 '리튬공기전지' 개발...한 번 충전으로 서울-부산 왕복 가능〉, 《케미컬뉴스》, 2020-10-15
같이 보기
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