■ 기술의 개요

◇ 기술의 정의

세라믹기지 나노복합소재(ceramic matrix nano-composite, 이하 ‘세라믹 나노복합재’)는 두 종류 이상의 세라믹을 한 소재 내에 복합화 시킨 세라믹 복합재(CMC)의 특성을 더욱 고도화하기 위해 그 구성 입자의 크기를 수백 나노미터 이하의 크기로 한정시킨 새로운 형태의 복합소재다. 이러한 나노 복합화를 통해 기존 소재에 비해 기계적·열적·전기적·화학적·생화학적 등 다양한 물성의 증진효과를 기대할 수 있다.

전통적인 세라믹 복합재는 고온에서 우수한 기계적·열적 특성이 요구되는 정밀기계·자동차·방위·우주항공·생활·스포츠 등에 사용돼 왔다. 최근 나노복합화를 통한 기능성의 발현으로 의료·환경·에너지 산업으로 응용영역이 넓어지고 있다.

구성 요소의 형태 측면에서는 세라믹 복합소재의 기지상을 구성하는 나노 2차상이 입자 형태인 경우, 나노 튜브나 휘스커(whisker)상인 경우, 판상 이나 쉬트(sheet) 상인 경우가 포함된다.

본 고에서는 다양한 종류의 세라믹기지 나노복합재 중 특히 가혹한 환경에서 사용되기 위한 구조소재용 세라믹기지 나노복합재를 중심으로 서술한다.

◇ 기술의 분류

구조재료용 세라믹기지 나노복합재기술은 크게 제품 제조공정에 요구되는 생산기술과 제조공정에서 공통적으로 필요한 기반기술로 구분할 수 있다. 세부적으로는 소재면에서 산화물·비산화물계 복합재, 나노 소재의 형태면으로는 입자형·섬유형·판형 나노복합재로 구분할 수 있다. 기술적으로는 나노 소재 특성 최적화 기술, 기지상 치밀화 기술, 가공 및 접합 등 성형기술과 특성평가 기술 등으로 분류할 수 있다.

▲ 세라믹기지 나노복합재 기술 분류.

■ 환경변화

◇ 에너지산업 관련 세라믹 나노복합재 적용 확대

기존의 세라믹 복합소재는 고온 및 극한환경에서 시스템의 성능향상을 도모하기 위한 구조재료로서 수요 시장이 우주 항공 및 군사 분야로 한정됐으며, 미국 등 소수의 국가에서 개발됐다. 그러나 최근 풍력발전, 차세대 핵발전 및 핵융합발전, 태양열 발전 및 고효율 가스터빈 등 에너지 산업에서 세라믹기지 나노복합재의 적용을 위한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이들 분야는 향후 거대한 시장을 형성할 것으로 기대된다.

◇ 기존의 소재들 보다 가혹한 사용 환경 요구

시스템의 고도화에 의해 기존에 사용되던 소재로는 산업계에서 요구되는 기계적 특성에 대한 대응이 점점 어려워지고 있다. 이에 대한 해결책으로 세라믹기지 나노복합소재가 제시되고 있다. 대표적인 산화물 세라믹스인 알루미나와 마그네시아의 경우 SiC와의 나노 복합화에 의해 강도가 최대 200% 이상 향상되고 있음이 보고되고 있다.

▲ 다양한 조성의 세라믹기지 나노복합 소재(左)Al2O3-SiC, (右)Al2O3-ZrO2.

■ 기술의 중요성

◇ 수명 향상을 위한 내마모 특성 개선

에너지 산업 분야에서 낮은 마찰계수 및 높은 내마모 특성을 갖는 소재에 대한 수요는 지속적으로 증가하고 있는데 이는 이들 특성이 시스템 자체의 부품 교체주기 등 수명에 큰 영향을 미치기 때문이다. 풍력 발전에 핵심소재인 질화규소계 볼 베어링의 경우 나노 복합소재화를 통해 기존의 단상계 질화규소 제품 대비 50% 이상 내마모 특성 등 물성 향상을 달성한 것으로 보고 되고 있다.

◇ 강도, 파괴인성 등의 기계적 물성 향상

나노 복합소재는 기존의 세라믹 재료에 비해 우수한 기계적 특성을 발현시킬 수 있다. 나노 이차상 분말뿐 아니라 탄소나노튜브를 기지상에 도입 할 경우에도 기존소재 대비 강도·파괴인성 등 기계적 특성이 개선되는 것으로 보고되고 있다.

◇ 전기적 특성 등 기능성 추가

탄소나노튜브나 그래핀 등 높은 전기전도 특성 등을 갖는 나노재료를 소량 첨가함으로써 기존의 구조용 세라믹 재료에 새로운 기능성을 부여할 수 있다. 전기적으로 부도체인 질화규소의 경우 1wt%의 탄소나노튜브 첨가만으로 전기전도성의 뚜렷한 향상이 보고되고 있다.

■ 기술분야별 동향

◇ 나노 분말, 나노 튜브 및 나노 plate 합성

○ 나노 분말 합성 기술

수~수백 나노미터 크기의 미세한 분말을 합성하기 위한 다양한 방법이 연구돼 왔다. 입자가 형성되는 상(phase)에 따라 다음의 표와 같이 합성기술을 분류할 수 있다.

▲ 나노분말 합성기술 분류.

기상화학 증착법(CVD)은 원료가스들을 고온이나 플라즈마 등의 에너지원을 활용해 반응시켜 수~수백 나노미터 크기의 분말을 합성하는 방법이며 산화물부터 비산화물까지 다양한 종류 및 크기의 분말을 합성할 수 있는 장점이 있다. 또한 입자의 형상 조절이 가능하며 입도 분포도 어느 정도 조절이 가능한 장점이 있으나 대량생산은 비교적 어려운 것으로 알려져 있다.

PVD법은 원료를 레이저나 전자빔 등을 이용해 증발시킨 뒤 이들 기상의 원료 분말들 간의 핵형성 및 응집현상을 이용해 나노분말을 얻는다. 이 방법으로는 고순도의 나노분말을 얻을 수 있으나 입도 분포의 조절과 대량 생산에는 어려움이 있는 것으로 알려져 있다.

플라즈마 합성법은 나노분말 합성을 위해 플라즈마를 이용한다. 직류나 교류를 사용해 고온으로 원료와 가스를 불꽃 형태로 가열하는 방법이 가장 일반적으로 사용된다. 이외에도 RF나 마이크로웨이브를 사용해 비교적 저온에서 나노 분말을 합성하는 방법도 연구되고 있다. 다음의 그림은 플라즈마를 이용한 나노분말 합성공정을 나타낸다.

▲ 플라즈마를 이용한 나노분말 합성법의 예 (左)AC/DC 이용, (中)RF 이용, (右)마이크로웨이브 이용.

액상 공정으로는 졸겔법(Sol-gel process), 초임계 수열합성법(supercritical hydro-thermal process) 등이 일반적으로 사용되고 있다. 졸겔법은 주로 알콕사이드 계열의 전구체를 물과 반응시켜 수산화물을 만들며 이를 열처리해 분말 및 벌크 형태의 산화물계 세라믹을 제조한다. 이 때 알콕사이드 원료분말이 함유돼 있는 용매와 물을 혼합하는 공정에서 용매의 액적 크기를 계면 활성제 등을 이용해 조절하게 되면 다양한 크기와 형태를 갖는 나노 분말을 제조할 수 있다.

초임계 수열합성법은 기존의 수열합성조건 보다 더 고온·고압의 조건인 초임계 조건에서 수열합성을 진행하며 이 경우 분말의 합성은 진행되나 입자 성장은 억제돼 나노 분말을 얻을 수 있게 된다.

고상 공정에는 열탄화법(carbothermal reduction process), 기계-화학적 공정(mechano- chemical process), 분쇄법(grinding process) 및 열분해법 등이 있다. 열탄화법은 나노미터 크기의 미세한 산화물 원료분말을 탄소 및 붕소계 원료와 반응시켜 탄화물과 붕화물 나노분말을 만드는 방법이다. 이 제조법은 제조방법이 간단하고 대량의 분말을 만들 수 있어 상용화에 유리하나 제조가능한 분말의 크기에 한계가 있고(일반적으로 수십nm 이상) 응집된 형태의 분말이 얻어지기 쉽다는 단점이 존재한다. 재료연구소는 열탄화법을 이용해 150nm내외의 크기를 갖는 HfB₂ 분말과 미세한 나노 ZrB₂-SiC 혼합분말을 제조했다.

▲ 열탄화법으로 제조된 비산화물계 나노 분말들 (左)HfB2, (右)ZrB2-SiC.

기계-화학적 공정은 고속의 혼합기계 등에서 발생하는 기계적 에너지를 이용해 고온에서만 얻어질 수 있는 화학반응을 상온 등 비교적 저온에서 발생시킴으로써 미세한 화합물 분말을 제조한다. 이 방법을 이용해 Al₂O₃·ZrO₂·Cr₂O₃ 등 다양한 종류의 나노 산화물 분말을 합성한 연구결과가 보고되고 있다.

분쇄 공정에 의해 얻어지는 입자의 크기는 가해지는 분쇄 에너지에 따라 결정된다. 재료연구소는 high energy ball mill을 이용해 일차입자의 크기가 10nm 내외로 매우 미세한 ZrB₂ 및 HfB₂ 분말을 제조했다. 그러나 이 방법은 분쇄에 사용되는 milling media에 의한 오염을 억제하기 어렵다는 단점이 존재한다.

기타 공정으로는 금속선을 액체 내에서 폭발시켜 분말을 얻는 전기 폭발법과 액상 원료를 기상 상태에서 분해시키는 스프레이 공정 등이 존재한다.

전기 폭발법은 액체 속에 함침된 금속선에 고압의 펄스전원을 인가해 순간적으로 금속선의 폭발을 유도해 나노미터 크기의 분말을 얻는다.

스프레이 공정은 액상의 원료를 극히 미세한 노즐을 통해 분사하면서 조성 및 열처리 공정의 변화에 의해 나노미터 크기를 갖는 분말을 제조하는 방법으로 다양한 크기 및 형태를 갖는 나노 분말이나 나노분말의 응집체를 제조할 수 있다.

나노복합화 통해 의료·환경·에너지 산업으로 응용영역 확대

선진국, 대학·연구소가 기술개발 주도…다양한 특성 복합재 개발

○ 탄소나노튜브, 나노 와이어 및 나노 판재 합성 기술

탄소나노튜브의 제조를 위해 아크 방전법, 레이저 용사법, CVD 법, 전기분해법, 불꽃 합성법 및 기상합성법(vapor phase growth) 등이 일반적으로 사용된다. 이들 중 CVD법은 대면적 위에 비교적 고품질의 탄소나노튜브를 제조할 수 있는 장점이 있다. 불꽃 합성법은 비정질 탄소가 다량 포함되며 결정성이 다소 떨어지나 저비용 대량 합성에 적합한 것으로 알려져 있다.

세라믹 나노 와이어 제조 방법으로는 VLS(vapor-liquid-solid) 합성법, 용액 속에서의 에칭법, 수열합성법 및 포토 리쏘그래피법 등이 사용되고 있다.

현재 사용되고 있는 나노 판재로는 그래핀과 나노-크레이(nano-clay) 등이 있다. 그러나 아직까지는 그래핀이나 나노-크레이 모두 폴리머 복합소재의 충진재 등으로 주로 사용되며 세라믹 복합소재에의 응용은 활발히 이루어지지 않고 있다.

그래핀의 경우 소량 첨가만으로 뚜렷한 전기적 특성 향상이 보고되고 있다. 이러한 그래핀의 제조 방법으로는 박리 방법, 열 CVD, 플라즈마 (plasma-enhanced) CVD, 화학적 분리, SiC의 열분해 및 탄소나노튜브의 분리 (un-zipping) 방법 등이 보고되고 있다.

▲ CVD 법으로 제조된 그래핀 형상.

◇ 세라믹기지 나노복합재 치밀화 기술

세라믹기지 나노복합재 치밀화 기술에는 상압 소결법, 가압 소결법(HP : Hot Pressing), 열간 정수압 소결법(HIP : Hot Iso-static Pressing), 방전 플라즈마 소결법(SPS : Spark Plasma Sintering), 전구체 함침 열분해법(PIP : Precursor Impregnation and Pyrolysis) 및 화학 기상 침착법(CVI : Chemical Vapor Infiltration) 등이 있다.

가압 소결법은 상압소결법에 비해 저온, 단시간 치밀화가 가능하기 때문에 입자 성장을 효과적으로 억제할 수 있을 뿐 아니라 비교적 대형의 시편 제조가 가능하기 때문에 널리 사용되고 있다. 특히 HP에 비해 높은 압력을 가할 수 있는 HIP 방법과 SPS 방법을 사용할 경우 소결 온도와 유지시간을 더욱 줄여줄 수 있기 때문에 세라믹기지 나노복합재 제조에 많이 적용되고 있다.

화학기상 침착법은 세라믹 프리폼 내에 세라믹 이차상을 화학 증착하거나 두가지 이상의 상들을 동시에 증착함으로써 복합체를 제조하는 공정으로 비교적 낮은 온도에서 제조가 이루어진다. 따라서 고온에서 발생하는 나노구조의 손상을 최소화 할 수 있고 수축 없이 대형 제품을 만들 수 있으며, 기지상의 조성 및 층상 미세구조를 비교적 용이하게 설계할 수 있다.

전구체 함침 열분해법(PIP)에서는 초기에 비정질상으로 얻어지는 기지상의 열처리 조건에 따라 나노미터 크기의 결정질 2차상의 형성을 유도할 수 있다. 기존의 SiC와 Si-C-N계 기지상 외에 열적으로 더욱 안정한 Si-B-C-N 기지상을 갖는 복합재를 제조하는 연구가 보고되고 있다.

▲ 치밀화된 나노 세라믹기지 복합소재 (左)CVI, (右)PIP.

■ 기술개발 주요이슈

◇ 세라믹기지 나노복합재의 입성장 및 반응 억제

미세한 크기를 갖는 입자들은 고온에서 쉽게 입성장이 일어나기 때문에 치밀화 도중 나노 복합소재의 입성장 억제는 필수적이다. 입자의 성장은 소결온도 및 유지시간에 영향을 받으므로 HIP이나 SPS 등 소결 도중 고압을 가할 수 있는 장비를 사용해 소결 온도 및 유지시간을 감소시킬 경우 미세한 구조를 갖는 세라믹기지 나노복합재를 제조하기 용이해 진다. 또한 탄소나노튜브나 나노와이어 등은 고온에서 기지상과 반응해 분해되거나 변형이 일어나기 쉬운데 이 경우에는 가압소결이나 CVI 등의 저온 공정을 통해 나노 이차상의 열화 현상을 억제해 줄 수 있다.

▲ SPS를 이용하여 제조한 나노 복합소재 (左)Al8B4C₇-SiC, (右)알루미나-CNT.

◇ 나노 이차상의 응집 억제

미세한 나노입자, 튜브 및 와이어들은 쉽게 응집이 일어난다. 이는 미세입자들이 갖는 넓은 표면적이 전제 시스템의 에너지를 증가시키기 때문이다. 그러나 전기 이중층이나 입체장애(steric hindrance) 등 응집에 대한 적절한 에너지 장벽을 마련할 경우 이러한 문제를 억제할 수 있다. 또한 100nm 이하의 작은 크기를 갖는 비드(beads) 들을 이용한 분쇄를 통해서도 나노 2차상들의 분산을 촉진시킬 수 있으나 분쇄 메디아에 의한 이차오염에 주의해야 한다.

■ 해외 동향-일본

◇ 연구개발 현황

산업총합연구소(AIST)·물질재료연구기구(NIMS)·이화학연구소·쿄토대학·동경대학·동북대학·오사카대학·동경공업대학·요코하마대학 등에서 세라믹기지 나노복합재에 관한 연구가 활발하다. AIST는 제트밀·비즈밀·쇼크 밀 등 다양한 분산장치를 이용한 균일한 나노 분말 분산공정 개발에 집중하고 있다.

NIMS는 Al₂O₃-ZrO₂ 계 나노 복합소재의 초소성 거동을 연구했다. 최근에는 나노 구조를 갖는 투광성 세라믹스에 관한 연구를 수행하고 있으며, ZrB₂ 등 초고온 세라믹스에 수십 nm 크기의 SiC를 균일하게 분산시켜 기계적 특성 및 산화 저항 특성을 개선하는 연구를 보고했다.

요코하마대학은 Si₃N₄에 나노미터 크기의 TiC 및 탄소나노튜브를 분산해 마찰 및 마모 특성을 개선하는 연구를 수행하고 있으며, 그 연구결과를 풍력발전용 대형 질화규소 볼 베어링에 적용하기 위한 연구를 진행하고 있다.

▲ 세라믹기지 나노복합재 - 일본의 선도 기관.

■ 해외 동향-미국

◇ 연구개발 현황

코네티컷대학에서는 기계적 활성화 방법을 이용해 나노구조를 갖는 SiC와 SiC/Si₃N₄ 복합분말의 대량 합성 연구를 수행했다. 그 결과 결정립의 크기가 20nm 정도에 불과한 미세한 분말들을 톤단위로 생산함으로써 기존의 열탄화 환원법 보다 가격경쟁력을 확보할 수 있었다.

미주리-롤라대학에서는 초고온 세라믹스인 ZrB₂에 나노미터 크기를 갖는 이차상들을 첨가해 강도·소결특성·파괴인성·산화 저항성 등의 특성을 개선하는 연구를 진행하고 있다.

브라운대학에서는 다양한 나노 화이버를 첨가해 세라믹기지상의 파괴인성을 증가시키는 연구를 진행하고 있으며 특히 실제 얻어진 결과 값을 이론값과 비교하는 이론적인 접근을 수행하고 있다.

NASA에서는 용융 함침(melt infiltration)법으로 탄소섬유 강화 ZrC 복합소재 등 나노 복합소재를 제조하는 연구와 탄소나노튜브로 강화된 탄화규소 복합소재의 기계적 특성을 시뮬레이션으로 연구하는 이론적 접근방법이 동시에 이루어지고 있다.

▲ 세라믹기지 나노복합재 - 미국의 선도 기관.

고성능 세라믹기지 나노 복합소재 세계 시장 2015년 1억3천불 전망

韓, 소재 분야 원천기술 확보·공정 개선 등에 국가적 R&D 추진 필요

■ 해외 동향-유럽

◇ 연구개발 현황

독일 바이로이트대학은 최근 Si-C-N계 코팅의 결정화 처리에 의한 나노 결정 형성이 코팅막의 기계적 특성에 미치는 영향을 보고했다. 또한 다양한 형태의 active- 혹은 passive- 계열의 nano-filler를 세라믹 복합소재에 적용시킬 경우 공정 및 기계적 특성 변화 등에 관한 연구를 진행하고 있다. 아헨 공대는 다양한 붕화물계 나노 복합소재의 제조가 시도하고 있으며 최근에는 TiB₂-W₂B₄-CrB₂계 나노 복합소재의 제조를 보고했다.

영국 롱보우대학은 졸겔법을 이용한 나노미터 크기의 HfB₂ 및 HfC 분말을 합성했으며 이를 코팅재료로 응용하는 연구를 진행하고 있다. 브리스톨 대학은 전계방사(electro spinning)법을 이용해 2D 및 3D 형태의 실리카 나노 화이버를 제조하고 있다.

이태리 파도바대학은 Si-O-C 및 Si-C-N 계 전구체를 이용한 전구체 세라믹스를 제조하며 그 결정화를 통해 세라믹기지 나노 복합소재를 개발하고 있다. 국제초전도산업기술연구센터(ISTEC)는 유럽을 선도하는 구조 세라믹스 연구기관 중 하나이며 알루미나·질화규소·탄화규소 및 다양한 종류의 초고온 세라믹스 나노복합소재를 제조하고 있다.

▲ 세라믹기지 나노복합재 - 유럽의 선도 기관.

■ 해외 동향-중국

◇ 연구개발 현황

중국에는 고온용 세라믹 복합소재를 개발하는 7개의 국가 핵심 연구소(State Key Laboratory)가 있다.

○ Northwestern Polytechnical university(NPU)
○ Central south university(CSU)
○ National University of Defence Technology(NUDT)
○ Harbin Institute of Technology(HIT)
○ The Institute of Metal Research(IMR)
○ Tsinghua University (THU)
○ Shanghai Institute of Ceramics(SIC)

이들 연구기관에서 초고온 세라믹스계 나노복합 재료를 연구하는 곳은 HIT·NUDT이며, SiC·나노화이버 등을 이용한 나노 복합소재 제조 연구는 THU·NPU·NUDT에서 수행한다. 층상 나노 복합소재인 MAX 복합소재를 연구하는 곳은 IMR 등이 있다.

HIT는 단섬유 SiC와 반응소결 SiC를 복합소재화하고, 나노 레벨의 SiC 가 섬유 표면에 형성됨을 보고했다. 그 복합소재는 강도 400MPa, 파괴인성 5.1MPa·m1/2의 우수한 특성을 나타내었다.

센양대학에서는 사이알론-Si₃N₄ 경사기능 나노 복합소재의 커팅 툴로의 적용을 시험하기 위한 다양한 마찰 및 마모 실험이 진행되고 있다.

▲ 세라믹기지 나노복합재 - 중국의 선도 기관.

■ 국내 동향

◇ 연구개발 현황

국내에서 나노 세라믹스 연구 분야에 대한 정부의 정책적 지원으로 세라믹기지 나노복합재에 대한 연구는 지속적으로 수행돼 왔다.

서울대는 Si₃N₄/SiC계 나노 복합소재를 제조했으며 그 마찰 마모 특성을 관찰한 결과 이들 특성뿐 아니라 경도와 파괴인성 역시 단상의 Si₃N₄에 비해 개선됐음을 보고했다.

재료연구소는 SiC·Si₃N₄·ZrB₂·ZrB₂-SiC·HfB₂·HfC 등 다양한 종류의 비산화물계 나노 분말 및 나노 구조를 갖는 치밀체를 제조했으며 합성된 나노분말들의 분산공정 최적화 등 성형공정 및 저온 소결공정을 개발하고 있다.

KIST는 SiC 및 MAX 상 등 다양한 비산화물계 구조세라믹스의 나노 복합소재화를 수행했다. 최근에는 원료 분말들의 기계적 활성화를 통해 MoSi₂-SiC-Si₃N₄ 계 나노 복합소재를 비교적 저온에서 치밀화시켰다.

한국원자력연구원은 SiC 섬유강화 SiC 복합소재를 나노미터 크기의 SiC 분말 원료를 사용해 제조했다. 섬유의 코팅 두께 조절 및 섬유 표면의 나노 와이어 형성 등 다양한 공정을 이용해 섬유강화 복합소재의 물성을 개선시키고 있다.

▲ 세라믹기지 나노복합재 - 국내의 선도 기관.

◇ 기술경쟁력분석

한국의 기술수준은 선진국과 비교해 70% 수준으로 일부 기초 연구 분야에서는 선진국 대비 80%의 기술력을 확보했다. 그러나 구조재료용 세라믹기지 나노 복합소재의 산업적 생산은 거의 이루어지지 않고 있으며 특히 산업화 부분이 선진국 대비 취약한 것으로 판단된다.

▲ 세라믹기지 나노복합재 - 기술격차 및 기술수준.

■ 산업 및 시장 동향

◇ 산업동향

미국의 대표적인 나노 세라믹 분말 제조업체는 Cabot, Degussa, Hilton-Davis, Kemira, nanodyne, Nanophase Technologies, PPG, Praxair 등이다. 일본에서는 Smitomo-Osaka cement 등이 nano-SiC 분말을 생산하고 있다. 탄소 나노 튜브의 경우 미국·일본·한국·중국 등지에서 생산이 이루어지고 있다. 다음의 표에서 국내외 나노 세라믹 분말 및 탄소나노튜브 생산업체를 정리했다.

◇ 시장규모 및 전망

현재까지 고성능 세라믹기지 나노 복합소재의 시장은 크게 활성화 되지 못한 상태로 시장 규모는 정확히 알려져 있지 않다. 고성능 세라믹기지 복합소재 시장에서 향후 약 10% 정도를 나노 기지 복합소재가 차지한다는 가정을 할 경우 2015년 까지 세계 시장은 약 1.3억달러 정도로 성장할 것으로 예상된다.

▲ 세라믹 복합소재의 세계시장 규모(단위: 백만달러).

■ 미래의 연구방향 및 국내 산업이 나아갈 방항

◇ 미래의 연구방향

최근까지 고성능 세라믹기지 나노복합재는 산업적인 적용이 제한돼왔으며 우주항공 및 군사 분야의 제한된 영역에서 일부 사용됐다. 그러나 향후에는 저가격화 및 고성능화를 통해 적용 범위를 기계/화학 영역과 에너지/환경 영역까지 확대시키기 위한 노력이 필요할 것으로 생각된다.

나노 세라믹 원료 분야 중 나노 분말의 경우 저가격화·고순도화·형상 및 입도 분포의 고도화 등의 연구가 진행될 것으로 예상된다. 나노 튜브, 나노 와이어 및 나노 판재의 경우 고성능화, 장경비(aspect ratio)의 최적화, 저가격화 및 표면 특성 최적화가 지속적으로 연구될 것으로 예상된다.

에너지 분야에서 세라믹기지 나노 복합소재의 새로운 시장이 형성될 것으로 기대된다. 현재 차세대 고성능 가스터빈의 섬유 강화 세라믹 복합체 사용을 위한 연구가 진행되고 있으며, 기존의 세라믹 섬유강화 복합소재의 기지상에 나노 와이어를 분산시킴으로써 강도와 파괴인성을 개선하려는 노력이 이루어지고 있다.

▲ 향후 세라믹기지 나노 복합소재의 연구 방향.

원자력 발전 분야에서도 차세대 재료로 SiC계 세라믹 복합체가 주목받고 있다. 2020년까지 태양 관련 발전은 전체의 5%에도 미치지 못해 현재의 원자력 발전 정도의 용량을 차지하며, 화석연료가 발전의 약 80%를 담당할 것으로 예상된다. 그러나 2020년 이후 태양 관련 발전은 급격한 성장세를 나타내서 2050년에는 태양열과 태양광의 복합 발전이 전체 에너지의 약 1/4를 담당할 것으로 예상된다. 화석연료는 현재 약 85%를 차지하나 2050년에는 약 50%로 감소할 것으로 예측된다. 이러한 태양열 발전 분야에서도 고성능의 세라믹기지 나노 복합체는 핵심소재로 그 역할을 담당할 것으로 기대된다.

◇ 국내 산업이 나아갈 방향

고성능 세라믹기지 나노복합재는 아직까지 산업현장에 광범위하게 적용되고 있지 않다. 그러나 향후 첨단 장비의 기술 수준을 결정짓는 핵심 소재가 될 것으로 예상된다. 구조용 나노 세라믹 재료의 시장이 미래에는 고가인 우주/항공 분야뿐 아니라 기계/화학 분야와 에너지/환경 분야로 확대될 것으로 예상되며, 이들 분야의 시장 또한 빠르게 성장할 것으로 전망된다. 따라서 고성능의 나노 세라믹 분말·튜브·화이버 및 plate 합성기술 등 소재 분야의 원천기술 확보, 나노 이차상의 균일한 분포를 위한 균일화 공정, 저가격화를 위한 치밀화 공정 개선 등 국가적인 대규모 R&D 프로그램의 추진이 필요하다.