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질화규소 세라믹스의 구조재료 응용과 역사

전문가 제언: ○ 질화규소(Si3N4)는 그간 집중적으로 연구한 구조용 세라믹스 재료이다. 그러나 우수한 열적 특성에도 불구하고 소결체의 치밀화가 어려웠다. 이들 재료는 융점이 매우 높아 소결이 어려운 난소결성 재료이다. 즉 고순도의 분말을 이용하여 성형·소성하는 것만으로 고밀도의 소결체를 얻을 수 없다. 따라서 이들의 소결에는 소결조제나 특수한 방법을 이용해야 한다.

○ 질화규소는 고온특성과 내열 충격성이 다른 세라믹스에 비해 탁월하여열기관용 소재로 잠재력이 높았다. 따라서 미국은 1971년 질화규소 관련연구가 대규모로 시작되었다. 또한 일본도 국가 주도의 여러 가지 프로젝트가 시행되었다. 프로젝트 수행에 따라 구조용 세라믹스에 대한 어느 정도 기술발전이 있었으나, 완전한 세라믹 엔진개발에는 이르지 못하여 구조용 세라믹스 개발 열기가 식은 상황에 있다.

○ 질화규소는 희토류 산화물이나 알칼리토류 산화물을 첨가하여 질화물의 소결조직을 매우 치밀하게 만들어 열전도성, 내열 내식성, 고강도 특성을 비롯한 물리적 성질을 향상시키고 있다. 또한 고열전도성이나 내마모성과 같은 특성을 부여하는 연구가 1990년대에 시작되었다. 질화규소는 절삭공구, 노즐, 베어링 등에 활용되고 있지만, 이 재료의 우수성에 비해 산업현장에서 제한적으로 사용되고 있다. 이는 기존 부품에 비해 가격이 매우 높기 때문이다.

○ 국내의 세라믹스 분야는 전자와 구조재료로 구분되며, 이중에서 전자재료는 제품으로 많이 개발되어 관련 시장을 확보하고 있다. 그러나 구조용 세라믹스는 제품개발이 활성화되지 못하고 있어 시장도 빈약한 실정이다. 그러나 세라믹기술원, 한국기계연구원이나 일부 대학에서만 연구가 진행되고 있다. 또 대구텍(구, 대한중석), 쌍용머터리얼, 한국야금 등에서 절삭공구에 대한 제품을 생산하고 있으나 전반적으로 연구나 시장이 침체되어 있다. 향후 구조용 이외도 높은 열전도율을 이용하는 기판의 개발 등에 대한 관심과 연구자들의 분발을 기대한다.

저자: Shoji Kohsaka
자료유형: 학술정보