■ 기술의 개요

◇ 기술의 정의 및 분류

세라믹(Ceramic)이란 열을 가해 만든 비금속 무기재료(Inorganic Materials)를 총괄해 부르는 말로서 그리스어의 ‘Keramos (태운 물질)’에서 유래한 것이다.

세라믹의 장점은 열에 잘 견디는 내열성, 표면이 딱딱한 경질성과 내마모성, 화학적 침식에 강한 내식성 등이다. 최근 각종 전자기적 특성을 나타내는 세라믹이 발견, 응용되면서 전자기적 기능성이 또 하나의 장점으로 대두되고 있다. 반면 세라믹은 깨어지기 쉬워서 가공성이 나쁘고, 공정 제어가 어려운 단점이 있다. 하지만 최근 세라믹 기술의 비약적인 발달로 이러한 단점은 대부분 극복됐다. 또한 세라믹이 가지고 있는 특정 기능을 최대한 발휘할 수 있도록 하는 고순도의 미세 원료분말이 개발돼 알루미나·지르코니아·질화규소·탄화규소 등으로 대표되는 파인 세라믹(Fine Ceramics)이 실용화됐다.

세라믹 원료분말의 제조방법은 크게 고상반응·액상반응·기상반응공정으로 분류되며, 주요 내용은 아래의 표와 같다.

▲ 세라믹 분말제조공정 기술 분류표.

◇ 작동원리 및 적용부품

세라믹 분말 합성을 위한 고상 및 액상 반응공정은 다량의 다성분계 산화물의 합성에 적합하며, 페로브스카이트(Perovskite) 산화물과 같은 전자 소재의 제조에 적용된다. 대표적인 세라믹 원료분말의 합성방법은 다음과 같다. 지르코니아(Zirconia)는 옥시-염화지르코늄(Zirconium Oxychloride)의 열분해법과 알루미늄염의 공침법을 통해 합성된다. 질화규소의 경우 실리콘의 직접 질화법과 아미드분해법이 사용되며, 탄화규소는 플라즈마 기상증착법과 실리카 환원법이 주로 이용된다.

일반적으로 고상반응법이나 액상반응법이 주된 세라믹의 합성방법이지만 질화규소와 탄화규소와 같은 비산화물 분말의 경우에는 기상반응법도 적용된다. 액상반응법에서는 일반적으로 금속염, 옥시염화물과 금속수산화물 등의 원료용액으로부터 공침·가수분해·중화 등의 침전 또는 겔화 공정에 의해 전구체를 얻는다. 이후 전구체의 건조와 어떤 물질을 고온으로 가열해 그 휘발성분의 일부 또는 전부를 제거하는 조작인 하소에 의해 중간 원료분말을 얻게 된다. 이렇게 얻어진 중간 원료분말은 하소에 의해 입자성장과 응집이 일어날 수 있기 때문에 건조·분쇄공정이 필요하고 때로는 조립공정이 부가되기도 한다. 이렇듯 액상반응법은 미세하고 균일하며 고순도의 전구체로부터 목적으로 하는 원료분말을 얻을 수 있는 분말합성 공정이라고 할 수 있다. 하지만 액상반응법은 고상반응법과 같이 하소공정이 필요하고 미세한 원료분말을 제조하기 위해 추가적으로 건조, 분쇄와 같은 공정이 필요하다. 따라서 고순도의 미세한 세라믹분말을 제조해야 할 경우 고상이나 액상반응법 보다는 기상반응법을 이용하는 것이 바람직해 보이나 생산수율이 낮고 대량생산이 용이하지 않다는 점 등이 제한사항이라고 할 수 있다.

▲ 세라믹합성 공정의 개략도.

■ 기술의 환경변화 및 중요성

◇ 21세기 친환경 미래소재로서 세라믹 소재의 중요성 부각

세라믹 소재는 현대 산업사회에서 전기전자, 의료, 자동차, 섬유, 조선, 건축 등에 이르기까지 국가 주력산업분야 전반에서 상당히 중요한 역할을 차지하고 있다. 특히, 세라믹 소재는 IT산업의 경쟁력에 큰 기여를 하고 있는데 휴대폰, PDP, 고체산화물 연료전지, 그리고 각종 센서류의 상당 부분이 세라믹 소재로 구성돼 있어 전자산업 전반에서 세라믹소재의 수요가 점차 증가하고 있다. 또한 세라믹 소재는 탄소배출과 밀접한 관련이 있는 석유가 아니라 자연에서 쉽게 구할 수 있는 모래, 규석 등이 주성분이란 측면에서 21세기 녹색성장에 걸맞은 친환경적 소재로서 다양한 분야에서 기존의 소재를 대체하는 용도로 큰 주목을 받고 있다.

◇ 몇몇 선도기업의 기술 및 시장의 독점

현재 세라믹 소재산업은 전통적인 소재강국인 미국·독일·일본 등 일부 국가의 몇몇 선도적인 회사(예, AVX, CeramTec., CoorsTek, 코닝, EDO, Kohler, 교세라, 모건 크루셔블, 무라타, 생고방, 3M)가 제품 및 핵심기술을 독점해 세계 시장을 주도하고 있다. 또한 각 나라는 국가 차원에서 전략적으로 세라믹 소재기술 개발을 지원하고 있으며, 첨단 소재기술에 대해서는 기술 이전을 기피하고 있다.

◇ 독자적인 원천기술의 확보 필요

기능성 세라믹 소재의 경우 시장성장률은 연간 10%가 넘는데 반해 국내 기술력은 아직 그에 미치지 못하고 있다. 특히, 국내에서 소비되는 많은 종류의 세라믹 원료 분말의 경우 해외 의존도가 높아 관련 제품의 가격 경쟁력이 취약해 제품의 원가 상승에 따른 경쟁력 하락 및 선진국에 대한 기술적 예속 가능성이 높아지고 있다. 이에 독자적인 원천기술 확보를 통해 세라믹산업을 고부가가치이고, 기술집약적인 첨단산업지향 구조로 변화시키는 것이 필요하다.

■ 기술분야별 동향

◇ 고상반응공정

○ 고에너지 기계적 밀링(High Energy Mechanical Milling)

고에너지 기계적 밀링은 대량의 세라믹 분말을 제조할 수 있는 가장 간단한 방법 중의 하나이다. 실험실에서 행하는 대표적인 방법은 그라인딩 미디어로 사용되는 직경이 수 밀리미터인 스틸 혹은 세라믹 볼을 전구체 분말과 함께 초경재료 또는 지르코니아로 만들어진 용기 안에 넣어 고속으로 회전시켜 혼합한 후 하소 공정을 통해 원하는 세라믹 분말을 제조하는 것이다. 밀링은 가스상 불순물의 혼입을 방지하기 위해 불활성 분위기에서 최소 수 시간 동안 행해진다.

▲ 고에너지 Planetary ball milling의 개략도.

▲ 화학침전법의 개략도.

◇ 액상반응공정

○ 화학침전법(Conventional Chemical Precipitation)

화학침전법은 용액 내 용해돼 있는 용질의 농도를 용매에 대해 과포화 되도록 하기 위해 용액의 화학적 조건을 변화시키는 방법이다. 이 방법에서는 화학반응 및 화학평형에 의해 용액 중에 화합물을 생성시키고, 이 화합물 농도를 용해도보다 높게 해 과포화 상태를 만들기도 하며 침전을 생성시키기도 한다. 세라믹 분말의 합성에서 일반적으로 물을 용매로 사용하고, 전해질 수용액 중에 생기는 이온교환 반응의 결과로서 얻어진 난용성 화합물의 침전을 이용한다. 이러한 화학침전법의 장점은 비교적 많은 양의 분말을 생산할 수 있다는 것이다.

○ 수열합성법(Hydrothermal Method)

수열합성법은 균질한 수용액이나 전구체 현탁액을 승온, 승압해 세라믹 분말을 합성하는 방법이다. 승온 상태에서 용액 상을 유지하기 위해 압력을 가하는데, 승압의 결과로 확산 계수가 고체 상태 반응보다 크며 상변환 속도가 증가하게 된다. 압력과 온도의 상승효과는 대기압 하에서는 불안정한 여러 가지 평형-안정상의 에너지를 감소시킨다. 따라서 수열 합성은 고체 상태 반응이기보다 용액 상태 반응이며, 용액 화학이 입자를 형성하는데 중요한 역할을 한다. 수열 합성법은 저 비용으로 낮은 온도에서 세라믹 분말을 만드는데 유리한 방법으로 납, 비스무스, 코발트, 니켈 등과 같은 금속을 포함해 대부분의 산화물 분말제조에 적용된다. 대부분의 분말은 300℃, 1,250psi 미만의 조건에서 합성되는데, 일단 최적 반응온도에 도달하면 반응시간도 10분미만으로 비교적 짧은 편이다. “Rapid Thermal Decomposition for Precursors in Solution"으로 알려진 수열합성법은 Battelle Pacific Northwest Laboratories에서 개발됐다. 이 연속공정을 이용해 작은 결정립크기와 미세한 분말크기를 갖는 세라믹 분말을 제조할 수 있다. 또한, 이 방법은 산화물, 옥시하이드록사이드, 티타니아, 지르코니아, 니켈페라이트 분말제조에 적합하다.

▲ 수열합성법의 개략도.

○ 졸-겔 합성법(Sol-Gel Synthesis Method)

졸-겔 합성법은 금속 산화물들의 가수 분해 및 축합 반응을 통해 얻어진 젤을 열처리해 유기 성분을 제거하고 금속 산화물을 얻는 방법이다. 졸-겔 법은 젤화하는 양태에 의해 크게 두 가지로 나누어진다. 첫 번째로 콜로이드법은 용액 내의 콜로이드 입자의 분산에 의해 원료 용액인 졸을 형성하고 그 후에 졸 상태의 불안정화에 의해 젤 상태로 만드는 방법이다. 두 번째 방법은 출발 물질로서 알콕사이드와 같은 금속 유기화합물을 사용해 졸을 만들고 이를 가수 분해 및 고분자 농축 반응을 거쳐 젤 상태로 만들게 된다. 이때 반응속도는 온도, pH, 출발원료의 농도에 의해 결정된다. 반응결과 생성된 겔을 건조한 후, 하소 또는 소결하면 수산화기를 갖고 있는 산화물이 최종 산화물 형태로 변화된다. 여러 금속 졸을 화합시키거나 알콕사이드 혼합물의 동시 가수분해와 축합 반응에 의해 나노 세라믹 혼합 산화물을 만들 수 있다. 졸-겔 법에 의한 세라믹 분말 제조법은 생성된 분말의 우수한 기계적 물성과 높은 화학적 순도 때문에 점차 그 응용 영역이 확대되고 있는 추세이다.

▲ 졸-겔 합성법의 개략도.

○ 전기적 분산반응법(Electric Dispersion Reaction Method)

미국 오크리지 국립연구소(ORNL)는 원하는 형태와 입도를 갖는 극미세 세라믹 분말을 제조할 수 있는 전기적 분산 반응기(EDR, Electric Dispersion Reactor)를 개발했다. EDR 기술을 이용하면 전기응력장(Electrical Stresses)이 축적돼 액적에 용해돼 있는 금속염을 스프레이 노즐에서 분무시킨다. 액적속의 반응물 위치와 농도를 변화시키거나 전기장을 변화시킴으로써 여러 크기와 형상을 갖는 분말 제조가 가능하다.

입도와 형태조절 능력 외에 EDR 방법은 재래 방법에 비해 많은 장점을 가진다. ERB 방법은 이동장치가 없어 에너지 소비가 적고 유지·보수가 용이하며, 세라믹 분말이 슬러리 내에 들어있어 분진 발생이 없다. 또한 모듈 장치를 이용해 규모를 쉽게 늘릴 수 있고 용매를 연속적으로 재사용할 수 있어 폐기물을 최소화할 수 있다.

▲ 전기적 분산반응법의 개략도.

◇ 기상반응공정

○ 기상 증발 응축법(Inert Gas Condensation, IGC)

IGC법은 1986년 H. Gleiter 등에 의해 처음 시도됐으며 융점이 낮고 증기압이 높은 금속 소재를 아래 그림과 같이 진공 배기된 챔버 안에서 가열해 증발시키고 챔버의 한 공간에 액체질소로 냉각된 냉각봉(Cold Finger)을 설치해 두 지점간의 온도차에 의한 열영동력에 의해 나노입자를 냉각봉에 응축시키는 원리이다.

가스증발 응축법은 가열방법에 따라 저항가열, 플라즈마가열, 유도가열, 레이저가열법 등으로 구분할 수 있다. 진공배기된 챔버 내 이송가스가 채워지는데 이 이송가스를 이용해 나노입자의 상태를 조절할 수 있다. 즉, 불활성 가스(He·Ar·Xe·Ne)를 사용하면 순수 금속 나노입자를 얻을 수 있고 질소를 사용하면 질화물, 활성가스(O₂·CH₄·C₆H₆·NH₄)를 사용하면 산화물이나 다양한 상태의 나노입자를 얻을 수 있다. 이러한 나노입자들은 비표면적이 넓어 반응성이 상당히 크기 때문에 반드시 안정화 시킨 뒤 대기 중으로 노출시켜야 한다. 이 나노입자들은 모아서 나노입자로 사용하거나 부속적인 프레스공정을 한 뒤 벌크로 사용할 수 있다.

증발응축법의 장점은 생성된 나노입자의 순도가 우수하고 입자크기가 균일하며, 사용 원료의 제한이 비교적 적다는 것이다.

▲ 기상 증발 응축법의 개략도.

○ 연소합성법(Combustion Synthesis)

고온에서 가수분해를 이용한 나노크기의 세라믹 분말의 제조는 아래의 반응과 유사한 가스상 금속클로라이드의 연소반응을 수반한다.

TiCl_{4 + 2H2 + O2 → TiO2 + 4HCl (고온)}

1940년대 초에 Degussa社는 이 방법을 상업화했다. 1941년 사염화실리콘을 증기로 만들어 산소-수소 불꽃에서 연소시켜 퓸드실리카(Fumed Silica)로 불리는 제품을 생산했다. 현재 Degussa는 실리카 외에 고온연소합성법으로 제조한 알루미나, 티타니아, 지르코니아 분말을 판매하고 있으며, 연구실/파이롯트 규모로 안티몬, 크롬, 철, 게르마늄, 바나듐, 텅스텐 산화물 분말을 만들고 있다. Cabot社는 연소합성법과 유사한 방법을 이용해 퓸드실리카를 생산하고 있다. 이들 기업 외에 Aerochem, MACH, Nanomaterial Research Cooporation, NanoPowder Enterprises, PSI Technologies 등의 많은 중소기업과 연구소에서 연소합성법을 이용해 세라믹 나노분말을 제조하고 있다.

▲ 연소합성법의 예.

○ 고주파 플라즈마에 의한 화학적 합성법(High Frequency Plasma-Chemical Process)

고주파 플라즈마에 의한 화학적 합성법은 아래 그림에서와 같이 유도 자기장으로 발생시킨 플라즈마의 고온 영역(11,000K)의 중앙에 원료(전구체)를 주입시켜 순간 증발을 유도한다. 산화물 나노분말 제조의 경우를 예로 들면, 증발된 원료들은 플라즈마 토치의 시스(Sheath) 가스로 주입된 플라즈마 산소(O2) 가스와 반응해 금속 산화물을 형성하게 된다. 그 후에 반응기의 상부에 투입된 냉각가스(Quench Gas)를 만나면서 나노 입자로 굳어져 분말을 형성한 후에 분말 수거기로 이동하게 된다. 분말 수거기 내부의 집진 필터(Collecting Filter)에 쌓여 있는 나노 분말들을 블로우백(Blow Back) 기능을 통해 수거기 바닥으로 내려 보내 포집하는 과정을 통해 생산된 나노 분말을 수거해낸다. 이 모든 공정은 연속공정이며, 외부의 불순물 투입율이 ‘0’에 가까운, 고순도의 공정기술이라 할 수 있다. 주로 평균입도 20~100nm크기의 고순도 나노입자 제조가 가능해, 고부가가치 응용분야 적용된다.

▲ 고주파 플라즈마를 이용한 나노분말 제조장치 도식표.

■ 기술개발 주요이슈

우수한 특성을 갖는 세라믹 원료분말의 제조와 국산화를 위해서는 고상반응법, 액상반응법 및 기상반응법 등의 일반적인 세라믹 분말 원료 합성 공정상에서 각 공정의 적정성, 제조공정의 경제성, 최적 반응용기의 설계 및 반응조건의 확립 등 산업화 응용을 위한 세라믹 분말제조 공정기술의 확립이 매우 중요하다고 할 수 있다.

◇ 고상반응공정

고상반응공정은 대량의 세라믹 분말을 제조할 수 있는 가장 간단한 방법 중의 하나이다. 그러나 이러한 고상반응공정은 원료분말이 불균일하게 혼합되거나 반응온도가 낮을 경우 중간상이 포함될 수 있다. 따라서 이를 해소하기 위해서는 1000℃ 이상의 고온에서 수 시간의 반응이 필요한데 그 결과 평균입경이 비교적 큰 분말이 얻어진다. 이는 후속공정으로서 건조·분쇄·균질화 등의 공정이 추가되므로 생산효율성을 낮추는 요인이 된다. 또한, 밀링된 나노분말에는 필연적으로 유기 첨가제나 밀링 미디어로부터 나오는 불순물들이 제조된 세라믹 분말 내에 존재할 수 있기 때문에 고순도의 세라믹 분말을 합성하는데 제한요건이 되고 있다.

◇ 액상반응공정

액상반응공정의 가장 큰 문제점은 제조된 분말이 응집된 상태로 형성되며, 이 분말을 소결할 경우 소결체 내에 나노결정립을 만들기가 대단히 어렵다는 것이다. 따라서 제조된 세라믹 분말의 응집을 완화시키는 공정이 필수적이다. 또 다른 문제점은 음이온 불순물(예, 질산이온, 염소이온, 황산이온)의 공침이다. 이러한 불순물은 격자의 결함으로 입자에 섞이거나 분말의 표면에 흡수될 수 있다. 더구나 용액에 녹는 화학종은 입자의 뭉친 덩어리 내에 남게 된다. 이러한 불순물은 세척 과정에서 제거하기가 어렵기 때문에 다음 단계인 성형 공정이나 제품의 성능 등에 나쁜 영향을 준다. 또한, 졸-겔 합성법에서 출발원료로 사용하는 금속 알콕사이드 화합물의 경우 물과 쉽게 반응하기 때문에 보관 및 취급 시 주의가 필요하며, 가수분해속도가 빨라 비교적 까다로운 공정제어가 필요하다. 그리고 금속 알콕사이드 원료자체의 가격이 비싼 것도 단점으로 지적되고 있다.

◇ 기상반응공정

기상 반응공정은 일차적으로 원료가 기상으로 전환돼야 하기 때문에 고융점을 갖는 원료와 증기압이 낮은 원료는 사용할 수 없다. 또한 생산효율이 낮으며, 배치(Batch)형식이기 때문에 연속공정에 의한 대량생산 공정에 적용이 힘들다는 단점이 있다. 최종적으로 생성된 나노입자의 크기, 결정구조 등을 결정하는 공정 변수에는 증발원에서 냉각봉까지의 거리 및 도달시간, 금속증기들의 충돌빈도, 챔버 내의 압력 등이 있는데 고품질의 세라믹 분말 제조를 위해서는 이들 공정변수의 적절한 조절이 필수적이다. 또한, 연소합성법을 이용해 세라믹 분말을 제조할 때 원료 가스상(Gas Phase)의 고온 연소반응을 통해 이루어지기 때문에, 분말의 응집이나 과도한 결정립 성장이 야기될 수 있다. 따라서 발열 분해 공정상의 가스의 유량, 속도, 노(Furnace)와 반응기의 설계 등과 같은 여러 가지 공정요인들을 복합적으로 고려해야 한다.

■ 국가별 동향-미국

◇ 연구개발 현황

미국 신소재 협회(United States Advanced Ceramic Association, USACA)는 USACA2020 전략에서 저비용, 고성능 소재 개발을 중점 추진 과제로 선정했다. 이 연구에서는 세라믹 소재에 대한 합성 공정의 최적화와 자동화를 통해 다음 공정을 예측·제어 할 수 있는 표준화를 추진 중이다.

대학에서는 다양한 분야로 응용 가능한 BaTiO3와 같은 소재의 새로운 합성법을 연구하고 있다. 또한 표준화된 세라믹 분말 제조 공정 기술을 이용해 고순도, 나노사이즈의 세라믹 분말 제조법을 연구하고 있다.

▲ 세라믹 분말제조 공정 기술 - 미국.

■ 국가별 동향-일본

◇ 연구개발 현황

일본의 AIST와 NIMS는 기존의 세라믹 분말 제조 공정을 개량한 새로운 공정법을 연구하고 있다. 표준화된 기술은 벤처회사로 이전하고 있으며, 신공정 연구는 지속적인 국가의 지원 하에 추진하고 있다. 또한 일본의 대학은 다양한 전자소재, 에너지소재, 반도체 소재 등으로 활용이 가능한 다양한 조성의 세라믹 분말을 연구하고 있다. 연구결과는 산·학·연 연계를 통해 실제 상용화 제품에 응용이 될 수 있도록 하고 있다.

▲ 세라믹 분말제조 공정 기술 - 일본.

■ 국가별 동향-EU

◇ 연구개발 현황

독일 세라믹 협회(German Ceramic Society, DKG)는 신소재 세라믹 공정이 가까운 미래에 중요하게 대두될 것으로 예측하고 2009년 “Advanced Ceramics” 로드맵을 작성했으며, 주요 연구기관에서 세라믹 분말 제조에 대한 다양한 연구를 수행하고 있다.

▲ 첨단 세라믹(Advance ceramic) 로드맵.

▲ 세라믹 분말제조 공정 기술 - 유럽.

■ 국가별 동향-한국

◇ 연구개발 현황

세라믹 제조공정 기술은 일본·미국에서 대부분의 특허를 선점하고 있어 우리나라는 기존의 선진국 기술 모방(Catch Up) 위주의 연구를 벗어난 새로운 공정기술 개발에 힘쓰고 있다. 또한 산업화와 접목해 대량화·자동화 공정기술 연구를 추진하고 있다.

▲ 국내 세라믹 분말제조 공정 기술.

◇ 기술경쟁력 분석

미국·일본·유럽 등은 전통 세라믹 분말 제조 공정 기술을 표준화해 상업화 했다. 최근에는 나노 사이즈의 세라믹 분말을 제조하는데 주력을 두고 있다.

한국의 기술력은 선진국과 비교해 20~40%의 기술력을 보유한 것으로 평가된다. 전자재료용으로 쓰이는 세라믹 분말은 일본과 미국에 대한 의존도가 높으며, 적층세라믹 콘덴서(MLCC)의 소재로 사용되는 BaTiO₃의 경우 고용량·슬림화·소형화 기술부족 등의 이유로 세라믹 분말 수입량의 절반 이상을 일본에 의존하고 있는 실정이다.

▲ 세라믹 분말 소재합성 - 기술격차 및 기술수준.

■ 국내외 주요 기업의 생산활동

연료전지 및 이차전지, 태양전지 등과 같은 에너지?환경 소재와 관련된 분야에 대한 관심이 높아지고 있다. 이에 국내외 기업은 보다 높은 성능을 얻기 위해 주로 용액으로부터 산화물을 얻는 습식법을 통해 나노스케일의 미세한 세라믹 분말을 제조하고 있다. 미국·독일·일본 등에서는 다양한 습식 공정을 통해서 세라믹 분말을 제조 및 판매하고 있다. 하지만 아직 국내 수준은 선진국에 미치지 못하므로 많은 부분을 수입에 의존하고 있는 실정이다. 최근 들어 국내에서도 관련 연구가 활발하게 진행되고 있으나 분말소재 시장의 협소함, 기술수준이 낮은 중소기업 위주의 산업구조 등으로 분말 제조 기술 개발에 어려움을 겪고 있다.

▲ 세라믹 분말제조 공정기술 - 국내외 주요 기업의 생산활동.

■ 시장규모 및 전망

세라믹 분말 제조공정 기술의 시장규모를 정확하게 파악하는 것은 어려운 일이나, 상업적으로 제조 및 유통되는 세라믹 분말의 상당부분을 차지하는 파인세라믹스와 나노세라믹분말의 시장동향을 통해 유추가 가능하다.

현재 세라믹 분말 시장에서 미국이 차지하는 비율이 가장 크다. 미국에서 세라믹 분말 시장의 규모는 2010년 기준으로 약 3조1,220억원 정도로 추산되고 있으며 연평균 성장률은 8.9%(2007년~2010년)다. 반면 국내 시장의 규모는 2010년 기준으로 약 2,412억원 규모로 추산되며, 연평균 성장률은 약 20%(2007년~2010년)이다. 하지만 향후 세라믹 분말 제조기술의 향상에 기인한 제조단가 하락과 대량생산 그리고 고부가가치의 세라믹 분말 제조를 통해 연평균 40%이상의 비약적인 성장이 예상된다.

▲ 세라믹 분말제조 공정기술의 국내외 시장 규모(단위: 억원).

■ 미래의 연구방향 및 국내 산업이 나아갈 방향

◇ 미래의 연구방향

향후 세라믹 분말 또는 세라믹 소재는 분말의 크기를 나노화함으로써 새로운 기능을 발현하거나 기존의 분말 크기에서 얻을 수 없는 임계성능의 구현이 가능해져 새로운 용도가 생겨날 가능성이 크다. 나노 분말을 이용해 광학적·전기적·자기적 특성을 유지한 채로 강도가 크고 큰 온도변화를 견딜 수 있는 제품 제조가 가능하다. 또한 나노 분말을 사용해 결함이 없는 정밀 세라믹 소재의 경제적 생산이 가능해진다.

차세대 기능성 소재로서 나노 분말소재의 주요 응용분야는 다음과 같다.

○ 연료전지와 산소센서

나노분말을 이용해 소결한 나노결정질 세라믹의 향상된 이온 전도도를 이용해 산소센서와 연료전지에 사용할 수 있다. 벌크(Bulk)보다는 결정입계를 통해 산소 이온이 더 쉽고 빨리 이동될 수 있는 가능성이 있으며 이온 전도도가 높기 때문에 산소센서나 연료전지는 현재 사용 중인 것보다 더 낮은 온도에서 작동된다.

○ 세라믹필터

나노분말을 이용한 세라믹은 기공 크기가 작고 분포가 좁아서 세라믹 필터로 응용이 가능하다. 크기가 다른 분말을 혼합해 사용하거나 저온에서 조대화 처리를 해 5~20nm 범위에서 선택적으로(1~3nm) 작용하는 필터를 제조할 수 있다. 가스분리막 뿐만 아니라 지지막도 나노분말을 이용해 제조 가능하며 균일하고 좁은 기공분포를 갖고 있어 선택적으로 가스상을 분리시킬 수 있다.

○ 저온소성부품

나노분말의 장점 중 하나는 소결온도가 낮다는 것이다. ZrO₂-3mol%Y₂O₃의 경우, 출발 원료의 크기가 13nm로 줄어들면 1,050℃ 상압소결로도 완전한 치밀화가 가능하다. 일반적으로 상업용 이소결성 ZrO₂-3mol%Y₂O₃보다 150℃정도 낮은 온도에서 소결된다. TiO₂ 나노분말(입자크기 20nm, 응집체 크기 50~80nm)은 다른 산업용 분말에 비해 소결온도가 무려 400℃나 낮으며 610℃ 정도의 낮은 온도에서 완전 치밀화가 가능하다. 소결온도가 낮기 때문에 금속 분말과 함께 처리해 여러 용도로 사용이 가능하다. 또한 다성분계 복합재료 제조시 나노 분말을 사용하면 제조 과정 중 발생하는 열응력 (Thermal Mismatch Stress)을 크게 줄일 수 있다.

○ 세라믹/세라믹 결합

나노 분말은 확산결합방법으로 세라믹의 결합에 사용가능할 것으로 보인다. 대부분의 세라믹 재료들이 확산 결합하기에는 온도와 압력 조건에 미달되지만, 나노 세라믹 분말은 덜 가혹한 조건에서 결합을 촉진시키는 재료로 사용 가능하다.

◇ 국내 산업이 나아갈 방향

세라믹 분말은 분말 자체로서 뿐만 아니라, 다양한 활용 가능성을 갖고 있어 기술전망은 대단히 밝다. 최근 이러한 기술들의 상업화에 성공하는 기업들이 나타나고 있으며, 향후 상업화에 성공하는 기업들은 급격하게 늘어날 것이다.

그러나 아직 국내에서는 본격적인 상업화를 위해 보다 많은 연구개발이 이루어져야 할 것이다. 세라믹 분말 소재의 개발은 분말에서 끝나는 것이 아니라, 후속되는 소재 공정개발에 직접 영향을 미치는 기초소재로서의 성격이 강하기 때문이다.

따라서 다양한 분야의 많은 전문가들이 세라믹분말 및 공정과 관련된 기술개발에 관심을 가질 필요가 있으며, 여타 소재기술들과 마찬가지로 학제 간 융합 연구의 특성을 충족시킬 수 있는 협력 연구체제의 구축이 절실하다.