Update2024.06.08 (토)
‘세라믹 소결’, 최첨단 세라믹 부품의 모체
■ 기술의 개요
◇ 기술의 정의 및 분류
소결(Sintering)이란 분말을 원료로 사용해 만들어진 성형체를 고온에서 치밀화시키는 과정을 의미한다. 이때 분말성형체의 밀도는 40~60%에서 소결이후 80~99.9% 까지 증가하며 부수적인 현상을 동반하게 된다. 가장 대표적인 동반현상은 입자 크기의 변화로서 소결 과정 중에 입자 크기가 10배 이상 증가하는 것이 흔히 관찰된다. 따라서 치밀화와 입자성장은 대표적인 소결현상이라고 할 수 있다.
치밀화와 입자성장이 일어나는 소결 과정은 표면 혹은 계면에너지의 변화와 직접적인 관련이 있다. 치밀화를 통해 입자의 표면적이 줄어들고, 입자성장을 통해 입자와 입자사이의 계면의 면적도 줄어든다. 이러한 에너지의 변화가 물질의 이동을 촉진하는 역할을 한다. 이외에도 소결 과정 중에 화학적인 합성반응이 치밀화 및 입자성장과 동시에 일어나기도 한다.
소결은 치밀화가 이루어지는 기술적인 방법에 따라 상압소결(Normal Sintering), 가압소결(Pressure Sintering), 스파크 플라즈마소결(Spark Plasma Sintering), 반응소결(Reaction Sintering) 등 크게 4가지로 분류된다. 상압소결은 통상의 소결공정으로 성형체를 대기압의 공기 혹은 불활성 분위기의 고온에서 열처리해 치밀화하는 방법이다. 가압소결은 소결체의 외부에서 압력을 가해 치밀화하는 방법이다. 스파크 플라즈마소결은 소결체에 압력을 가함과 동시에 고전류의 펄스를 흐르게 함으로써 저온에서 치밀화하는 기술이다. 마지막으로 반응소결은 소결 과정 중에 외부로부터 제품 내로 물질의 이동이 발생해 새로운 소재가 합성되면서 치밀화가 일어나게 한다.
위의 4가지 소결방법은 모두 소결 과정 중에 치밀화를 촉진하기 위한 기술이라고 할 수 있다. 최근에는 치밀화를 억제하면서도 기능성을 부여하는 다공성 세라믹 소결 기술의 개발도 활발히 이루어지고 있다.
◇ 작동원리 및 적용부품
소결 과정 중의 치밀화 및 입자성장에 대한 모식도는 아래 그림과 같다. 소결 과정에서는 고온에서 표면 및 계면 에너지의 감소가 물질 이동의 구동력이 돼 치밀화가 진행된다. 물질 이동은 주로 입자와 입자 사이의 계면 혹은 입자 내부를 통해 이루어진다. 대부분의 산화물 세라믹의 경우 상압소결에 의해 소결이 이루어지며, 일부 비산화물 세라믹은 N2 혹은 Ar과 같은 비활성분위기에서 소결이 이루어진다.
통상 고내마모성, 고강성이 필요한 부분에 사용되는 산화물 세라믹은 상압소결을 통해 제조할 수 있다.
가압소결 공정은 가스압 혹은 지그 등을 이용해 소결체에 물리적인 힘을 작용시켜 소결체의 치밀화를 촉진시키는 방법이다. 분말을 탄소몰드에 충진한 후 탄소 피스톤을 사용해 소결체 표면에 20~40MPa의 압력을 가하게 되면 물질 이동이 촉진돼 상압소결보다 상대적으로 저온에서 치밀화가 일어난다. 가스압소결의 경우 이러한 가압 역할을 가스가 담당하며 밀도 95% 이상인 소결체의 밀도를 더욱 높이는 데 주로 사용된다. 사용되는 가스압이 10MPa 정도이면 가스압소결(Gas Pressure Sintering), 100MPa 이상이면 고온등방압소결(Hot Isostatic Sintering)이라고 불린다. 가스압이 높을수록 치밀화에 필요한 온도는 낮아진다. 대표적으로 Al2O3-TiC 복합체의 경우 상압소결로 95% 이상의 밀도를 얻은 후 시험편을 다시 고온등방압소결로에 넣어 100MPa 이상의 압력으로 재소결해 99.7% 이상의 밀도를 얻는다.
스파크 플라즈마소결 기술은 최근 연구가 활발하다. 탄소 피스톤으로 시험편에 직접적인 압력을 가해 소결을 촉진시키는 기술이 고온가압소결공정이라면, 스파크 플라즈마소결 기술은 아래 그림에서처럼 탄소 피스톤을 통해 전류를 동시에 흘림으로써 소결을 더욱 촉진하고 더욱 낮은 온도에서 소결을 가능하게 하는 기술이다. 전류의 형태는 매우 다양하나 최근에는 대부분 수십 msec(밀리세컨드) 주기를 가지는 펄스를 사용하는 경우가 많다. 스파크 플라즈마 소결이란 이름은 시험편에 전류를 가할 때 내부에 플라즈마가 발생할 것으로 생각돼 붙여진 이름이나 최근의 여러 연구자들에 따르면 플라즈마의 발생보다는 전류의 흐름에 따라 물질 이동이 빨라져 나타나는 현상으로 이해되고 있다. 이 공정은 저온소결이 가능하며 따라서 입자성장이 극도로 억제된 소결체를 제조할 수 있다는 장점이 있다.
반응소결은 최근 대형소결품을 제조하기 위해 널리 사용되는 소결기법이다. 대표적인 것으로 반응소결 탄화규소(Reaction-bonded SiC)를 들 수 있다. 이 공정은 SiC 분말과 탄소분말을 혼합해 성형한 성형체에 고온에서 금속 Si을 함침해 SiC 생성반응과 치밀화를 동시에 달성하는 방법이다. 함침된 Si은 성형체 내에 존재하는 탄소와 반응해 SiC를 합성하게 되고 기공을 채워 치밀화를 유도한다. 이 공정으로 달성할 수 있는 수축률은 수 % 이내로 다른 소결법의 수축률(통상 15~20%)과 비교해 월등히 우수하다. 따라서 대형제품의 소결 시 형상의 변화가 적어 최종 제품의 가공량도 적은 장점이 있다. 이러한 공정을 이용한 대표적인 제품이 반도체 공정에 널리 사용되는 튜브와 보트류의 반응소결 SiC 제품이다. 반도체·D/P 성장 위한 세라믹 소결기술 확보 필수
■ 기술의 환경변화 및 중요성
◇ 고기능성 세라믹 소결제품의 요구
소재의 성능은 시스템/제품의 성능을 좌우한다. 예를 들어 열전시스템의 성능은 사용된 소재의 성능에 의해 좌우된다. 또한 반도체 공정에 사용되는 반응소결 SiC의 경우 전체 성능은 소결체의 불순물 함량, 잔류 실리콘의 함량에 의해 결정된다. 따라서 새로운 고성능의 제품을 제조하기 위해 기존 소재의 성능을 뛰어넘는 소재가 필요하게 되고 이는 많은 경우 소결기술의 개발과 관련이 있다. 이러한 예로 세라믹의 초소성(Superplasticity) 부여, 강유전소재의 유전율 증가 등과 같은 물성의 향상을 위한 스파크 플라즈마 소결법의 도입을 들 수 있다.
기존 소결법의 치밀화는 상당한 수준의 입자성장을 동반하게 되는데 비해 스파크 플라즈마 소결은 기존보다 수백도 낮은 온도에서의 소결을 가능하게 함으로써 입자성장을 억제하고 소결체에 새로운 물성을 부여할 수 있는 가능성을 열었다. 이외에도 최근에는 소결체에 적절한 기공성을 부여함으로써 기능성을 향상시키는 기술개발도 요구되고 있다. 예를 들어 디젤자동차에 널리 사용되는 매연저감장치(DPF)의 경우 통기성과 동시에 입자상 오염물질을 걸러내는 기능이 요구된다. 이를 위해 기공의 크기뿐만 아니라 개기공성을 적절히 부여하는 소결법이 요구되고 있다.
◇ 대형제품의 소결을 위한 공정기술 개발 필요
한국의 주력산업인 반도체, 디스플레이 산업의 경우 점차로 대형 시스템의 개발을 요구하고 있다. 예를 들어 디스플레이 분야의 대표격인 TV의 경우 소비자의 대형 TV 선호도 증가와 함께 생산성 향상을 위해 점차로 대면적 유리기판을 활용한 제조공정을 도입하고 있다. 현재 8세대급 장비가 주축을 이루고 있다면 향후에는 3,300mm 이상의 11세대 제품의 개발이 요구되고 있는 상황이다. 반도체의 경우 2000년경 200mm 웨이퍼를 사용하는 공정에서 300mm 웨이퍼를 사용하는 공정으로 전환이 이루어지면서 장비의 대형화가 급속히 진전됐다. 2015년 이후 450mm 웨이퍼 공정이 점차로 도입되면 다시 한 번 대형장비의 개발이 요구될 것으로 보인다. 예를 들어 현재 300mm 웨이퍼의 경우 약 650mm 급의 소결제품이 요구되지만 향후 450mm 웨이퍼 공정에는 적어도 800mm 급 이상의 제품이 요구된다. 이러한 대형제품에 들어가는 세라믹 제품은 대부분 소결 공정으로 제조되기 때문에 대형제품용 소결기술 개발이 요구된다고 할 수 있다. 이외에도 최근에는 제강, 비철금속산업에서도 대형제품의 수요가 꾸준히 증가하고 있다. 그러나 이의 제조에 필요한 기술력의 축적이 아직 미흡한 형편이다.
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■ 기술분야별 동향
◇ 상압소결 기술
상압소결 기술은 소결제품의 생산에 가장 널리 사용되는 소결기술로서 꾸준한 기술개발이 이루어지고 있다. 대표적인 예로 대형품의 소결에 필요한 기술 개발이다. 가장 대표적인 상압소결 소재로서 Al2O3를 들 수 있는데 최근에는 2,000mm x 2,000mm급의 제품이 양산되고 있다. 이러한 대형품의 소결을 위해서는 소결 전의 성형체의 전처리 뿐만 아니라 소결로에 제품을 정렬하는 방법, 소결온도 제어 등 다양한 소결기술이 요구된다. 적절한 소결기술이 뒷받침 되지 않을 경우 소결체의 균열이 발생하게 된다. 예를 들어 수축율이 18%일 경우 2,000mm 급의 소결체는 약 360mm의 수축이 일어나야 된다. 이 경우 소결체의 중량이 무거울수록 수축 과정 중에 소결체가 놓이는 세터와의 마찰, 세터의 휨에 따른 인장응력 발생 등 균열이 발생할 가능성이 급격히 증대돼 균열이 발생할 수 있다. 평판형이 아닌 빔형의 경우 최대 3,500mm 급의 제품도 일본에서 생산되고 있다. 어느 경우에나 제품의 크기가 증가할수록 제품의 수율이 급격히 하락하는 경향을 보이며 특히 두꺼운 제품의 경우 그 경향이 두드러진다고 할 수 있다.
AlN(질화알루미늄) 등의 비산화물의 경우 산화물과 비교해 상대적으로 작은 수백 mm 이내의 제품이 주로 생산되고 있다. 따라서 크기에 따른 소결기술의 개발 보다는 열전도도 향상과 같은 물성의 향상에 초점을 맞춰 기술개발이 이루어지고 있다. 주로 소결조제의 종류와 양, 소결온도제어와 같은 기술적인 부분과 관련한 것이다.
◇ 가압소결 기술
가압소결 기술은 최근 10년동안 급격한 기술개발이 이루어졌으며 산업화에 응용됐다. 가압소결제품은 크게 탄소피스톤을 이용한 직접가압방식과 가스압을 이용한 방식으로 나눌 수 있다. 직접가압방식의 경우 직경 300mm 이상의 대형품의 소결기술개발과 소결 생산성을 향상하기 위한 기술개발이 진행돼 왔다.
반도체 산업을 위주로 300mm 이상의 제품 수요가 크게 늘고 있지만 대형제품을 가압소결로 제조하는 것은 생산기술적인 측면에서 매우 어렵다. 예를 들어 300mm 가압소결제품을 제조하고자 하는 경우 가공 등을 고려하면 소결제품의 크기는 320mm가 필요하고 30MPa의 압력을 가한다고 할 때 약 250톤의 대형 프레스가 필요하게 된다. 250톤의 하중을 소결체에 가할 때 균일한 압력을 가하는 것이 매우 어렵다. 특히 대형 소결체의 내부와 바깥쪽의 온도 편차를 일정 이내로 제어하는 것이 어렵다. 이를 해결하기 위해 대형 탄소 피스톤의 내부를 비운 중공형 형태를 사용한다든지, 열전도도가 낮은 탄소소재를 피스톤 중간에 삽입한다든지 하는 방법으로 피스톤을 통한 열전달을 억제하는 기술이 개발되고 있다.
직접 압력을 가하는 고온가압소결의 경우 생산성이 상압소결보다 떨어지는 단점이 있다. 왜냐하면 하나의 프레스로 하나의 소결체를 가압하고 소결체의 냉각이 끝나야 제품의 소결과정이 종료되기 때문이다. 따라서 프레스 1기당 로 1기가 대응돼 프레스 1기당 생산성이 매우 떨어지게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 미국의 세라다인(Ceradyne)사는 1기의 프레스를 중심으로 다수의 소결로를 배치하고 프레스로 소결로의 소결체를 가압하고 소결이 끝나면 소결로가 프레스로 분리돼 냉각과정에 들어가고 다음 소결로가 프레스와 결합해 다시 가압하는 공정을 되풀이하는 연속공정을 개발했다.
또한 소결로에 분말을 장입하는 부분이 기존 수작업으로 이루어져 시간이 많이 걸리는 단점이 있었다. 따라서 분말을 프리폼의 형태로 먼저 성형하고 이를 소결로에 장입하는 방식으로 생산성을 향상시키는 기술도 적용되고 있다. 이러한 방법은 기존의 고온가압소결로의 낮은 생산성을 획기적으로 향상시킨 기술로서 세라다인사의 방탄판 제조에 사용되고 있으며 방탄판 이외의 타 분야에서도 적용가능하리라고 판단된다.
가스압을 이용한 소결기술은 절삭공구의 소결에 가장 널리 사용되고 있다. 절삭공구는 사용 중에 소결체의 모서리부분에 높은 하중이 인가된다. 따라서 높은 소결밀도가 요구되며, 동시에 높은 소결 생산성을 요구한다. 이러한 기술적인 요구를 만족시키기 위해 가스압 소결이 사용된다. 특히 질화규소(Si3N4)계 절삭공구의 경우 가스압 소결을 많이 사용된다.
2000년 이전에는 1,800℃이상의 소결온도에서 질화규소의 분해반응을 억제하는 목적으로만 질소가스를 10기압 정도로 높여 사용했으나 최근에는 소결을 촉진하기 위해 압력을 80기압이상으로 높여 사용하고 있다. 고압을 효과적으로 이용하기 위해 먼저 수 기압 이내의 저압력에서 95%이상의 소결밀도를 달성한 후 고압의 질소를 인가해 치밀화를 촉진하는 2단 가스압 소결법이 개발돼 널리 사용되고 있다. 가스압 소결은 질화규소이외에도 써메트(Cermat), 초경(Tungsten Carbide) 등에도 현재 널리 활용되고 있다. 이외에도 100MPa이상의 고압을 사용하는 고온등방압소결기술도 절삭공구의 제조에 널리 이용되고 있다.
◇ 스파크 플라즈마 소결기술
스파크 플라즈마 소결은 최근 가장 급격히 변화한 기술이라고 할 수 있다. 스파크 플라즈마 소결(Spark Plasma Sintering, SPS)기술이라는 이름은 1966년 일본의 Inoue가 ‘Electric-discharge Sintering’이라는 용어를 사용한 특허를 제출하면서부터 사용되게 됐다. 그러나 실제 플라즈마의 발생부분에 대한 의구심 때문에 최근에는 ‘Field Assisted Sintering Technique(FAST)’ 혹은 ‘Electric Current Activated Sintering (ECAS)’, ‘Pulsed Electric Current Sintering(PECS)’ 등으로 불리고 있다. 모두 약간의 차이는 있지만 통상의 SPS 기술을 의미하므로 본 보고에서는 SPS라는 용어를 사용한다. SPS는 저전압의 높은 전류를 시험편에 인가해 소결체의 자체 발열을 유도하고 소결을 촉진하는 기술이다. 동시에 고온가압소결과 비슷한 구조의 탄소피스톤을 이용해 시험편에 높은 압력을 직접 가함으로써 치밀화를 더욱 촉진시켜 기존의 소결보다 현저히 낮은 온도에서 보다 짧은 시간에 치밀화를 가능하게 하는 기술이다.
스파크 플라즈마 소결에서 다양한 형태의 전류 펄스를 사용하는 방법이 시도됐으나 펄스의 형태나 주파수는 소결에 큰 영향을 미치지 않으며 전류의 양이 클수록 물질의 겉보기 확산계수가 증진되는 것으로 나타났다. 또한 8% Yttria Stabilized Zirconia의 경우 승온 속도가 증가할수록 최종 소결밀도는 크게 변화하지 않았으나 입자 크기가 감소했고, 압력이 증가할수록 유사한 밀도에 도달했을 때 입자 크기가 감소하는 것이 관찰됐다. 즉 높은 승온 속도와 높은 압력이 낮은 온도에서 높은 밀도를 얻는데 핵심적인 요소임을 알 수 있다.
소결체의 크기가 증가할수록 SPS 이후의 소결체의 균일도가 감소된다. 이러한 문제를 해결하고자 최근에는 소결체를 관통해 흐르는 전류에 의한 직접 가열뿐만 아니라 외부의 발열체로부터 발열이 시험편을 가열시키는 간접가열기술이 동시에 적용되는 이중가열(Dual Heating)기술이 적용되고 있다. 이중가열기술을 이용해 소결체 내의 밀도와 입자 크기의 균일도를 향상시킬 수 있다. 또한 최근의 자동화된 SPS의 경우 소결체를 가압하는 탄소몰드를 사전에 가열(Pre-heating)해 소결온도의 균일도를 향상시키는 기술도 개발됐다.
스파크 플라즈마 소결기술은 기존의 고온가압소결과 비교해 현저하게 짧은 소결시간을 가진다. 예를 들어 통상의 ZrB2가 1,900℃에서 2시간 소결된다면 SPS기술로는 1,600℃에서 10분정도에 유사한 소결밀도를 얻을 수 있다. 따라서 소결에 필요한 전체 에너지량 또한 기존의 고온가압소결과 비교해 몇 분의 1로 절감된다. 그러나 SPS는 고온가압소결로와 달리 고가의 설비 투자가 필요하며 이를 해결하고자 연속식 SPS 기술이 개발되고 있다. 일본 스미토모사는 연속식 터널 형태의 SPS 장비를 개발했다. 이 장비는 사전가열, 소결, 냉각 챔버를 가지고 있고 프레스와 탄소몰드를 소결 후 분리할 수 있어 시간당 생산성이 매우 높은 장점이 있다. 최근에는 로봇을 이용해 자동으로 몰드에 분말을 투입하고 소결된 시험편을 제거하는 기능을 갖추고, 로터리 테이블 형태에 여러 개의 몰드를 장착한 자동화된 SPS기술도 개발되고 있다.
연구의 초기단계에서는 SPS 기술이 소형의 시험편에만 적용되는 기술이라고 여겨져 왔다. 그러나 최근에는 직경 300mm 이상의 대형 소결체를 제작하는 장비 또한 SPS 기술을 적용해 개발되고 있다. 이 경우 펄스의 전류크기가 최대 6만A를 상회하게 된다. 따라서 대형 소결체 제작하는 장비의 개발과 비용은 여전히 어려운 문제로 남아 있다.
◇ 반응소결기술
반응소결기술은 대형 세라믹 제품을 제조하기 위해 많이 연구되고 있는 방법이다. 탄화규소(SiC)는 공유결합특성이 높아 상압소결이 매우 어려운 소재로 알려져 있다. 따라서 이를 극복하고 대형 소결제품을 제조하기 위해 반응소결기법을 이용한다. 반응소결 탄화규소는 탄화규소와 탄소로 이루어진 성형체에 용융된 실리콘이 모세관의 힘으로 함침돼 융용 실리콘과 성형체내의 탄소가 반응해 탄화규소를 생성하면서 기공이 채워져 치밀화가 이루어진다. 반응소결 탄화규소의 경우 탄화규소의 생성과 치밀화가 동시에 일어나는 특징이 있다. 용융 실리콘이 함침되기 위해서는 실리콘의 용융온도 이상인 1,500~1,600℃에서 반응소결이 진행된다. 해당 온도는 통상 탄화규소의 상압소결 온도인 2,000~2,200℃보다 월등히 낮은 온도라고 할 수 있다.
반응소결 탄화규소의 성능은 내부에 존재하는 미반응 탄소, 미반응 실리콘, 밀도 및 입자크기에 크게 의존한다. 미반응 탄소가 잔류하지 않도록 성형체를 제조할 때 탄소와 탄화규소 입자간의 균일한 혼합이 매우 중요하며 대형제품을 생산할 경우 소결체 전체에 걸쳐 균일하게 용융실리콘이 함침될 수 있도록 하는 기술의 개발이 진행됐다. 대표적인 방식이 탄소펠트를 이용해 실리콘이 담긴 보트와 성형체의 여러 곳을 연결하고, 실리콘이 용융될 때 탄소펠트를 통해 실리콘이 성형체의 여러 곳으로 동시에 공급하는 함침공정이 개발됐다. 이 방법은 특히 소결체가 크거나 형상이 복잡해 성형체의 모세관력만으로 균일한 실리콘 함침이 어려운 경우 유용하게 적용될 수 있는 방법이다.
최근 반응소결 탄화규소가 반도체산업 등에 널리 사용됨에 따라 고순도 제품의 개발에 대한 요구가 높아졌다. 99.9% 순도급의 개발에는 원료인 탄화규소 입자를 산 세척을 통해 고순도화하는 기법이 적용될 수 있으나 99.99% 이상의 순도를 확보하기 위해서는 고순도 원료를 처음부터 합성하고 이를 고순도 분위기에서 소결하는 기술개발이 필요하다. 또한 최근에는 반응소결 탄화규소의 상온강도, 고온강도를 증진시키기 위해 미세한 입자를 사용하거나, 잔류 실리콘의 함량을 조절하는 기술이 개발되고 있다. 2011년 세라믹 소결 시장 韓 4조4천억, 세계 35조 추산
반응소결 기술은 탄화규소뿐만 아니라 질화규소에도 적용되고 있다. 반응소결 질화규소는 금속 실리콘과 질화규소원료 및 소결조제에 사용되는 산화물을 혼합해 성형한 성형체를 1,400℃ 질소분위기에서 열처리해 실리콘을 질화시키는 전처리 단계를 사용한다. 질화과정 중에 금속실리콘이 대부분 질화규소로 전환되고, 고온에서 소결하면 치밀화가 이루어진다.
이러한 공정을 통해 반응소결 탄화규소에서처럼 소결 수축율이 수 % 이내로 제어된 반응소결 질화규소체를 얻을 수 있다.
최근에는 질화공정을 단시간 내 완료하는 기술에 대한 연구가 활발하다. 사용하는 금속 실리콘입자의 크기를 제어한다든지, 사용되는 소결조제의 종류와 양을 제어해 질화속도와 균일도의 향상을 시도하고 있다.
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■ 기술개발의 주요이슈
◇ 대형소결제품의 생산성 향상
최근 소결기술의 핵심이슈는 대형제품 제조의 생산성을 향상시키는 것이다. 사용되는 소재의 종류에 따라 다양한 소결방법이 적용되고 있으나 기존의 연구가 소재 자체의 성능을 향상시키는데 중점을 두었다면 최근에는 성능 향상뿐만 아니라 생산성을 향상시키는데도 크게 중점을 두고 있다. 예를 들어 고온가압소결을 이용한 방탄판의 제조에서와 같이 연속생산라인을 도입함으로써 제품의 제조 생산성이 크게 향상됐다.
디스플레이 산업에 적용되는 대형 알루미나(Al2O3)기판의 경우에도 소결시간의 단축, 파손율의 감소와 같은 생산성에 직접적인 영향을 미치는 부분에 대한 기술개발이 활발하다. 이러한 소결공정의 생산성 향상은 특히 대형제품의 경우 민감하게 받아들여지고 있는데 이는 해당 제품의 가격경쟁력에 결정적인 역할을 하기 때문이다. 유사한 맥락에서 대형제품의 생산성을 크게 향상시키는 반응소결 기술개발이 활발하다. 다만 반응소결의 경우 적용될 수 있는 소재가 현재까는 탄화규소, 질화규소에 국한돼 있는 실정이다.
◇ 소결제품의 기능성 향상
소결제품의 기능성 향상은 지금까지 꾸준히 추구돼 온 기술개발 방향이라고 할 수 있다.
다만 최근에는 스파크 플라즈마 소결법과 같이 혁신적인 소결공정을 도입해 새로운 기능성을 확보하려는 시도가 활발히 이루어지고 있다. 스파크 플라즈마 소결의 경우 기존 소결방법보다 수백도 낮은 온도에서 치밀화를 달성할 수 있다. 따라서 수십~수백nm 입자크기를 가지는 소결체를 제조할 수 있어 기존에 볼 수 없는 혁신적인 기능성을 제공할 가능성이 매우 높다. 한편 나노복합화를 통한 소결체 물성의 향상을 위한 연구도 꾸준히 수행되고 있다. 단순히 나노복합체의 강도 향상뿐만 아니라 전기, 열적인 특성을 향상시키는 관점에서의 나노복합체의 소결에 대한 연구도 꾸준히 진행되고 있다.
■ 국가별 동향- 미국
◇ 연구개발 현황
국가별로 소결기술의 개발에 대한 주안점이 조금씩 다르게 나타나고 있다.
미국의 경우 방위산업, 에너지 산업을 중심으로 소결기술 개발이 활발하다. 특히 방위산업의 경우 전차 등 중장비용 방탄판 뿐만 아니라 최근에는 이라크, 아프가니스탄에 파병된 병사를 보호하기 위한 개인용 방탄판의 개발이 중요한 이슈이다.
개인용 방탄판의 경우 주로 보론 카바이드(B4C, Boron Carbide)를 사용하며, 주로 고온가압소결법을 사용해 제조하고 있다. 따라서 소결의 생산성을 향상시키는 것이 매우 중요한 이슈가 됐으며 연속공정라인을 개발하는 계기가 됐다.
한편 오크리지 국립연구소를 중심으로 가스 터빈엔진의 블레이드 및 라이너에 대한 질화규소계 부품에 대한 실용화 연구가 진행됐다.
NASA와 공군 주관의 공동연구에 여러 대학이 참여해 지르코늄 디보라이드(ZrB2)계 등의 초고온세라믹스를 연구하고 있다. 이외에도 마이크로웨이브법에 의한 소결 등 새로운 소결법에 대한 연구가 많이 진행됐으나 최근에는 비교적 연구가 침체돼 있다.
■ 국가별 동향-일본
◇ 연구개발 현황
일본은 세계최초로 스파크 플라즈마소결법의 양산장비를 개발한 국가로서 관련 기술 개발이 매우 활발하다. 특히 스미토모를 중심으로 스파크 플라즈마 소결장비의 개발이 꾸준히 이루어졌다.
한편 전통적인 구조세라믹의 영역에서도 매우 활발한 연구개발이 이루어지고 있다. 특히 질화규소 볼베어링의 개발이 활발히 이루어지고 있는데 기존 금속제 베어링과 달리 절연성이면서도 내마모성이 높고 마찰계수가 작다는 등의 많은 장점이 있어 풍력발전의 핵심부품으로 세라믹베어링의 채용이 확대되고 있다.
세라믹제 베어링은 반도체, 화학 산업 등에서도 광범위하게 사용되고 있어 관련 제품의 소결에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
일본은 대학, 연구소뿐만 아니라 교세라 등의 기업을 중심으로 대형 질화규소제품에 대한 연구를 활발히 진행하고 있다. 이외에도 NGK는 질화알루미늄, Covalent Materials는 반응소결 탄화규소계의 연구개발에 상당한 진전을 이루었다.
■ 국가별 동향-EU
◇ 연구개발 현황
유럽은 전통적으로 세라믹 소결제품을 활발히 생산하는 국가이다. 프랑스의 생고방, 독일의 세람텍 등이 대표적인 기업으로서 반응소결 탄화규소, 세라믹 절삭공구 및 부품 등에서 기술개발이 활발하다. 최근 유럽의 친환경기술개발의 요구로 풍력 발전의 질화규소계 볼베어링 소재의 개발이 활발히 진행되고 있다.
한편 독일의 카를스루에(Karlsruhe) 대학의 경우 질화규소계 세라믹스를 디젤엔진용 인젝션 펌프로 사용하기 위한 연구를 집중적으로 수행하고 있다. 바이오 세라믹에서도 인체의 구조를 모방하기 위한 시도로서 3차원 프린팅 기술과 소결 기술을 결합한 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 3차원 프린팅의 경우 액적을 이용해 잉크젯 프린팅하는 기법과 필라멘트를 이용한 프린팅 기법이 모두 사용되고 있으며, 성형 후 소결하는 공정과 프린팅 후 즉시 소결하는 레이져 소결법 등이 응용되고 있다.
■ 국가별 동향-한국
◇ 연구개발 현황
소결공정과 관련해 한국의 연구개발도 활발한 편이다. 소결이론 분야에서는 한국과학기술원이 비정상 입자성장 기구의 연구에서 세계적인 연구 성과를 발표했다. 이외에도 여러 기관에서 구조세라믹, 전자세라믹 등 다양한 분야에 걸쳐 소결을 이용한 연구를 활발히 진행하고 있다.
특히 반응소결 탄화규소의 경우, KIST와 같은 국가연구기관에서는 고순도 제품에 필요한 소결기술을 개발하고, SKC솔믹스, 이노세라 등의 기업은 대형제품의 개발에 집중하고 있다. 한편 LG이노텍은 고온가압소결형태의 고순도 탄화규소의 소결법을 개발하고 있다. 반응소결 질화규소의 개발 또한 재료연구소(KIMS)를 중심으로 활발히 진행되고 있다. 특히 구조세라믹스 뿐만 아니라 나노 크기의 티탄산바륨(BaTiO3)를 사용해 극소형 적층세라믹콘덴서(MLCC)를 소결 제조하는 공정의 개발이 삼성전기 등의 기업을 통해 이루어지고 있다. 이외에도 다수의 기업이 고온가압소결 장치를 이용해 각종 부품을 생산하고 있는 상황이다.
◇ 기술경쟁력 분석
한국은 선진국과 비교해 소결기술이 비교적 빠른 속도로 발달해 왔다. 상압소결, 가압소결 분야에서는 장비개발 및 소결기술이 선진국 대비 상당한 수준이나 반응소결, 스파크 플라즈마 소결의 경우 아직까지 선진국과 비교해 부족한 부분이 많은 실정이다.
■ 국내외 주요기업의 생산활동
대부분의 세라믹 부품은 소결로 제조된다. 일부 유리 제품을 제외하고 구조세라믹, IT용 전자세라믹의 상당 부분이 제조공정에서 소결 과정을 포함한다. 한국의 경우 최근 MLCC(적층세라믹콘덴서) 세계시장 점유율을 급속히 늘려가고 있는 삼성전기를 비롯해 배리스터 등을 생산하는 이노칩테크놀러지 등의 IT부품업체들이 소결공정을 포함한 제품생산공정을 가지고 있다.
한편 제철·제강 등에 사용되는 내화물뿐만 아니라 반도체·디스플레이 산업에 사용되는 각종 내부식 부품, 기능성 부품 또한 소결공정을 통해 만들어진다. 자동차 산업의 경우에도 금속의 가공에 사용되는 절삭공구, 연마재의 거의 대부분이 소결공정을 통해 제조되고 있다.
이러한 현상은 국내뿐만 아니라 해외에서도 마찬가지이다. IT 산업용 부품에서부터 자동차산업의 연마절삭공구까지 대부분 소결공정으로 제작된다. 여기에는 대표적인 기업으로 일본의 교세라·무라타·NGK·NTK·스미토모와 같은 전통적인 세라믹업체가 포함된다. 유럽 기업으로서는 독일의 대표적 구조세라믹업체인 세람텍, 다국적 기업인 생고방 등이 포함되며 미국 기업으로는 세라다인 같은 업체가 소결을 핵심공정으로 하는 제품을 개발하고 있다.
■ 시장규모 및 전망
소결공정을 이용한 시장 규모는 세라믹 부품의 전체 시장 규모와 여러 면에서 유사하다. 대부분의 전기전자, 기계구조용 부품이 소결공정을 통해 제조되기 때문이다. 특히 시장규모가 큰 MLCC 등 유전압전세라믹이 포함된 IT용 세라믹 부품은 세라믹 소결공정이 핵심이 되고 기타 공정이 부수적인 공정이 되는 구조이다.
이와 비교해 LCD 기판 유리 등 유리 관련 산업은 소결보다는 용융을 우선하는 제조공정이다. 따라서 전체 세라믹 시장(생산)규모에서 유리 관련 산업의 시장 규모를 제외해 세라믹 소결 시장 규모를 산출했다. 그 결과 국내시장 규모는 2010년에 약 3조3,000억원으로 추정됐다. 여기서 약 59%인 1조9,500억원이 IT산업용 소결제품이며, 약 38%인 1조2,500억 규모가 기계구조, 원자력산업용의 소결제품인 것으로 나타났다. 세계시장 규모는 아직까지 정확한 통계가 없으며 국내 시장 규모의 8배 정도로 추산되고 있다.
■ 미래의 연구방향 및 국내 산업이 나아갈 방향
◇ 미래의 연구방향
세라믹산업에서 소결공정은 생산기술의 핵심요소에 해당한다. 따라서 소결기술과 관련해 많은 연구가 이루어져 왔고 실제 산업에 적용됐다. 그럼에도 불구하고 한국은 소결의 기초기술 연구와 새로운 소결기술과 관련된 장비의 개발 및 국산화가 미진한 편이다.
산업현장에서는 소결공정을 생산에 필요한 하나의 과정으로 인식하는 경향이 강하나 소결공정을 체계적으로 관리하고 제어하는 기초 기술이 부족한 상태다. 따라서 소결에 관련된 기초기술 특히 소결기구의 해석 및 새로운 소결이론의 개발 등이 요구되고 있다. 한편 일반적으로 널리 보급된 상압소결제품의 경우 소결기술 개발 및 소결장비의 국산화가 매우 진척된 상황이나, 가스압 소결장비 혹은 스파크 플라즈마 소결기술 및 소결장비의 개발은 미진한 상황이다. 특히 소결장비와 관련해 고가 장비의 경우 대부분 수입에 의존하고 있는데 이를 장기적으로 국산화해나가는 것이 필요하다.
◇ 국내 산업이 나아갈 방향
소결기술이 세라믹 생산기술의 가장 핵심적인 위치에 있음에도 불구하고 관련된 인력 배출은 매우 미진한 상태이다. 특히 국내 주요 대학에서의 소결기술에 관한 교육이 매우 취약해 산업체에서 많은 어려움을 겪고 있다. 이러한 현실은 대학 등 교육기관의 연구 내용이 나노과학을 중심으로 한 신소재 연구에 집중해 소결기술에 대한 교육이 부진한 반면, 세라믹 산업계에서는 소결공정과 같이 전통적인 기술이 여전히 높은 중요성을 가지고 있는 등 학교와 산업체간의 간극이 커졌기 때문이다. 따라서 세라믹 소결기술에 대한 교육은 기초연구의 진흥을 위한 연구 인력의 배출 관점에서 뿐만 아니라 산업체에서 활동할 수 있는 기술자의 교육이라는 관점에서 향후 확대가 필요하다.
