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4 C.O.V.E.R News in brief 38 Ceramic & Advanced Material News Special_전략산업 핵심소재 탄화물 기술 개발 동향 및 산업 전망(1) 48 사고저항성 핵연료 피복관용 SiC 복합체 연구개발 현황 김원주_한국원자력연구원 원자력소재개발부 책임연구원 55 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체의 소결조제 기술동향 윤당혁_영남대학교 신소재공학부 교수 외 1인 65 탄화규소 소재를 이용한 수처리용 세라믹 필터 기술 동향 송인혁_재료연구소 분말/세라믹연구본부 책임연구원 외 3인 표지설명 탄화규소는 첨단산업과 극한 환경의 필수 핵심 소재로 응용되고 있다. 이번호 특집 전략산업 핵심소재 탄화물 기술동향 과 관련된 이미지를 표현했다. Focus 76 제5회 첨단세라믹 전시회(ACE 2015) 월드클래스 300 및 글로벌 전문기업 육성 사업 기업 선정 정책동향 82 산업부, 첨단소재를 가공하는 기계솔루션 기술개발 착수 년 산업부 R&D중점투자방향 확정 독자 기고 86 중국 상해 국제공업세라믹전 참관기 Interview 94 강원테크노파크 신소재사업단 김상호 단장 연구개발 98 세계 최고 효율 삼원색 양자점 발광다이오드 개발 101 냄새 맡는 전자피부 개발 세라믹라이프 104 KCDF기획전, 소재의 무한한 가능성 합 1 ceramic korea

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6 Solar Technology Brief 108 태양광 해외기술정보 Technology Brief 114 세라믹스 해외기술정보 문화 127 이달의 신간소개 전시회 128 나노코리아 2015 과학터치 132 자석 이야기 Patent Information 136 세라믹스 원적외선 특허 공개목록, 내용 단신 동정 141 단신 및 동정_취재부 세라믹스 자료실 142 신설법인 캘린더 143 이달의 국내외 주요 행사 세라믹스 자료실 144 통 계 도자기류 수출실적(2015년 5월) 시멘트 수요 공급 현황(2015년 5월) 위생도기 업체별 생산 출하 현황(2015년 5월) 위생도기 품목별 생산 출하 현황(2015년 5월) 내장타일 생산업체별 생산 출하현황(2015년 5월) 바닥타일 생산업체별 생산 출하현황(2015년 5월) 유리품목별 생산 출하현황(2015년 5월) 내화벽돌 생산 출하현황(2015년 5월)

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8 광고목록 표지1 _ CERAMIC KOREA 표지2 _ 유로산업 표지3 _ 사고 표지4 _ 대호CC AMC 건우 권풍 대한히타 맥테크 백상기계 삼양세라텍 삼원종합기계 삼조실업 삼화제도 세라믹ENG 신명 신성열연 아세아연마제 아전 오리엔트 발행인 겸 편집인 Publisher 상무이사 CFO Executive Director 편집국 Editorial Dept. 편집국장 Editor in Chief 기자 Editor 디자이너 Designer 마케팅사업부 AD & Event Dept. 부장 Advertising Manager 대리 Assist. Manager 사원 staff 총무부 Managing Dept. 과장 Manager 황호연 Hwang Ho-Yun 서승종 Seo Seung-Jong 서승종 Seo Seung-Jong 주학님 Joo Hak-Nim 여현진 Yeo Hyeon-Jin 문향진 Moon Hyang-Jin 정수경 Jung Soo-Kyeong 박수야 Park Soo-Ya 심미연 Shim Mi-Yeon 박자경 Park Ja-Kyung 박중규 Park Joong-Kyu 이광호 Lee Kwang-Ho 허성희 Heo Seong-Hee 정우석 Jung Woo-Suk 유일테크 진산아이티 케이텍 코스전열 크레퓨 태양애자 태영전열 통신원 Correspondent. 김왕현 Kim Wang-Hyun (강원TP 세라믹신소재산업클러스터사업단 기획조정팀 책임연구원) 박윤현 Park Youn-Hyun (한국세라믹기술원 기업지원본부 창업보육센터 센터장) 방일환 Bang Il-Hwan (전남TP 세라믹산업종합지원센터 기업육성팀장) 백승우 Baik Seung-Woo (맥테크 부설기술연구소 소장) 이범재 Lee Beom-Jae (대전TP 바이오나노 융합산업본부 기획운영팀장) 출력 및 인쇄 (주)케이피알 인쇄인 김정운 포세라 하이템스 한경 TEC 한국엥기스 발행처 (주)월간세라믹스 서울특별시 서초구 서초대로40길 42(서초동, 대호B/D 4층) (우) TEL : ~6 FAX : http : // ceramagazine@korea.com 한국화인썸 해륭 홍경산업 본지는 한국 간행물 윤리위원회의 윤리강령 및 실천요강을 준수한다. 이 책에 실린 어떤내용도 무단으로 복제해서 사용할 수 없습니다. 또한 인터넷 홈페이지에 무단활용을 금합니다. 복제나 활용이 필요시 저작권자와 협의 바랍니다.

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24 한국화인썸 주식회사

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38 Ceramic & Advanced Material News 한국세라믹총협회 2015년도 임시총회 개최 지난달 21일 한국과학기술회관 12층 아이리 스 홀에서 2015년도 한국세라믹총협회 임시 총회 가 개최됐다. 임시총회엔 한국세라믹총 협회 신재수 회장, 한국파인세라믹스협회 전선규 회장, 한국세라믹학회 김형준 학회 장 등 산 학 연 관계자 40여 명이 참석했 다. 이번 임시총회의 안건으로 2015년도 사 업보고 및 수지예산안 변경 승인의 건, 정관 개정의 건, 임원 선임의 건 이 상정됐다. 첫 번째 안건으로 재료분야산업 인력양성사 업(인적자원개발위원회 구성 및 사무국 설 치), NCS 학습모듈개발사업, 2015년 동 반성장 셀(Cell) 운영 사업 등 2015년도 추 가된 사업보고 가 있었다. 사업이 늘어남에 따라 수지예산 변경이 불가피하게 됐다. 두 번째 안건은 한국세라믹총협회에서 한국세 라믹연합회 명칭 변경으로 인한 정관 개정의 건 으로, 세라믹산업계와 산업통상자원부의 제안을 적극 수용하여 이뤄졌다. 세 번째 안 건은 임원선임의 건 으로 파인세라믹스협회 가 한국세라믹총협회 이사로 가입하게 되면 서 전선규 회장이 총협회의 부회장으로 선임 되었다. 총회에 참석한 파인세라믹스협회 전 선규 회장은 입회 수락 인사를 통해 세라믹 연합회가 세라믹산업을 대표하는 조직으로 만들기 위해 노력하며, 세라믹산업계의 원활 한 업무협조체계를 위해 적극적으로 협력하 겠다 며 소감을 전했다. 이날 총회에 상정한 3건의 의안은 모두 승인 됐다. 신재수 회장은 새로운 세라믹산업 환 경으로 인한 시대적 요청과 정부 방침에 부응 하여 협회 명칭과 정관을 개정하게 되었다 며 임시총회에서 원안대로 모두 승인됨에 따라 총협회가 더 큰일을 할 수 있게 되었다 고 인 사말을 전했다. 3D 바이오 프린터로 장기 출력한다 3D 프린팅을 이용해 크기가 큰 조직과 장기 까지 출력하는 기술이 개발됐다. 조동우 포스텍(POSTECH) 교수와 이상화 가 톨릭대 교수, 심진형 한국산업기술대 교수가 공동연구를 통해 혈관조직이 내 외부로 골 고루 분포된 뼈조직을 3D 프린팅으로 출력하 는데 성공했다. 연구진은 혈관과 뼈조직으로 재생할 수 있는 치수(치아 내부 조직)유래 줄기세포를 3D 바 이오 프린팅 재료로 사용했다. 혈관내피성장 인자(VEGF)와 뼈형성단백질(BMP-2)을 각 각 혈관과 뼈조직이 필요한 곳에 세포와 함께 선별적으로 프린팅했다. 대체 장기 중심부에 혈관이 부족해 세포가 괴사하는 것을 감안해 뼈조직 중심부에 VEGF를 선별적으로 배치했 다. 이를 통해 혈관이 초기에 빠르게 생성돼 프린팅된 뼈조직 전체가 체내에서 원활하게 성장하도록 했다. 조동우 교수는 세포 및 성장인자 위치를 자 유자재로 조절할 수 있는 3D 바이오 프린팅 기술을 이용하면 향후 크기가 큰 조직이나 장 기 재생뿐 아니라 뼈, 근육, 혈관 등 다양한 조 직으로 이루어진 복합조직 재생도 가능할 것 이라고 말했다. 이번 연구는 미래창조과학부 연구성과실용화진흥원이 추진하는 신산업창 조프로젝트와 한국연구재단이 추진하는 리더 연구자지원사업(창의적연구) 지원으로 수행 됐다. 신산업창조프로젝트를 추진하는 김판 건 기술사업화전문가 단장은 3D 프린팅301 기술과 의학분야 통합으로 혈관이 포함된 장 기를 직접 각각 인체에 맞춰 제작할 수 있다 는 점에서 산업적 파급효과가 매우 크다 며 현재 티엔알바이오팹을 설립해 기술 이전과 실용화 연구가 진행 중 이라고 밝혔다. 연구결과는 영국왕립화학회(RSC)가 발간하 는 국제학술지인 저널 오브 머티리얼스 케미 스트리 B(Journal of Materials Chemistry B) 7월호 표지논문으로 게재됐다. 에스티아이, 세라믹 3D 프린터 국책사업 주관기관 선정 반도체 디스플레이 장비기업 에스티아이(대 표 서인수 김정영) 가 산업통상자원부 생활 세라믹제품 및 산업세라믹부품용 세라믹기반 3D 프린팅301 기술개발 국책사업 주관기업 으로 선정되었다. 기술개발 국책사업은 오는 9월부터 2018년 8월까지 3년간 진행한다. 에스티아는 스페인 세라믹 소재기업 토레시 드(Torrecid)와 함께 각각 장비와 소재 개발 에 참여한다. 38 ceramic korea

39 Ceramic & Advanced Material News 에스티아이는 세라믹프린팅과 3D 프린팅 기 술을 동시에 보유해 역량을 인정받았다. 지난 2005년부터 잉크젯 기술을 확보했고 그 노하 우를 기반으로 2013년 3D 프린터를 개발했 다. 올해 초에 총 4건 3D 프린터 디자인 등록 을 출원했다. 스페인 토레시드는 1963년 설립한 세라믹 소 재 등을 전문적으로 생산하는 기업으로 디지 털 세라믹 잉크를 세계 최초로 개발했다. 세 계 24개국에 자회사와 지사를 보유했으며 2013년 기준 매출 1조원을 기록했다. 양사는 이번 국책사업으로 세라믹 3D 프린팅 시장을 선점한다는 목표다. 세계적으로 세라 믹 3D 프린팅 기술은 초기 개발 단계다. 소재 특성상 고온에 강하고 내구성이 좋지만 3D 프린팅에 적용하는 기술 난이도가 높아 상용 화되지 못했다. 에스티아이는 FDC(Fused Deposition of Ceramics) 방식으로 3D 프린터를 개발할 계 획이다. 컬러 구현 방식에도 집중해 경쟁력을 높일 방침이다. 세라믹 기반 3D 프린터를 상 용화하면 생활세라믹, 전자, 자동차, 항공, 의 료 등 다양한 산업군에서 다품종 소량생산에 필요한 다양한 정밀 부품 소재에 응용할 수 있다. 현재 3D 프린팅 시장에서 미국 스트라 타시스와 3D시스템즈가 경쟁하지만 대부분 플라스틱과 일부 금속 소재에 국한됐다. 국내 도 플라스틱과 일부 금속 소재에 국한된 3D 프린팅 기술 개발만 진행돼 새로운 복합소재 개발이 시급하다. 시장조사기업 홀러스리포트(Wohlers Report)는 세계 3D 프린팅 시장 매출 규모가 2018년 125억달러(14조3000억원)까지 성 장할 것으로 전망했다. 양사는 이 중 세라믹 3D 프린팅 시장이 전체 10%에 달할 것으로 내다봤다. 김정영 에스티아이 대표는 3D 프 린터는 각 설비 특성에 맞게 소재를 개발해야 하는 만큼 세라믹소재 강국 스페인 기업과 협 업해 시너지를 내도록 연구에 매진하겠다 고 말했다. 중소 레미콘업계, 동양시멘트 인수 선언 중소 레미콘업계가 시장에 매물로 나온 동양 시멘트 인수를 선언했다. 동양시멘트 인수를 통해 기존 독과점 산업구조를 개선하겠다는 목표다 레미콘 업계는 지난달 20일, 서울 여의도 중 소기업중앙회에서 기자간담회를 열고 시멘 트 시장은 동양을 포함한 7개사가 주도하고 있는데 이들 가운데 한 곳이 동양시멘트를 인 수하면 상위 업체 독과점이 심각해진다 며 인 수전에 나선 배경을 설명했다. 한국시멘트협회에 따르면 지난해 국내 시멘 트 출하량 가운데 쌍용이 전체 19.8%(865만 톤)을 차지했고 한일 성신 동양 라파즈 한라 현대 5개사가 각각 10.0~13.6%, 아 세아가 7.3%를 점유하고 있다. 이들 업체 중 한 곳이 동양시멘트를 인수하면 시장점유율 1위로 올라서게 된다. 서상무 한국레미콘공업협동조합연합회장은 중소 레미콘업계가 동양시멘트 인수를 꿈꾸 는 것은 생존을 위한 절박함 때문 이라며 구 멍가게가 대형마트를 인수하려 한다며 비웃 는 이들도 있지만 인수 필요성에 대한 공감대 가 형성돼 있어 희망을 놓지 않고 있다 고 말 했다. 중소 레미콘업체가 국내 시멘트 시장 최대 수 요자임에도 독과점 산업구조 때문에 시멘트 가격 인상 등 피해를 보고 있다는 주장이다. 중소기업계는 지난해 시멘트 국내 출하량 4370만톤 가운데 87%인 3800만톤을 레미 콘 업체가 구매했고 이 가운데 중소 레미콘업 체가 62%인 2700만톤을 사간 것으로 보고 있다. 박정환 광주전남레미콘공업협동조합 이사장 은 유연탄 가격 하락과 엔저로 시멘트 회사 에 원가 하락 요인이 많았지만 최근 3~4년간 시멘트 가격이 50%가량 올랐다 고 하소연 했다. 중소 레미콘업체는 동양시멘트를 인수 해 가동률을 끌어올려 시멘트 마진을 적정 수 준으로 낮추고 수익이 낮은 수출 비중을 줄여 내수용 시멘트를 활발하게 공급하겠다는 방 침이어서 궁극적으로 독과점을 깨 시멘트 시 장 적정 가격 형성에 도움이 될 것이라는 주 장이다. 레미콘 업계 관계자는 인수자금은 현재도 중 소 레미콘업체 참여가 이어지고 있고 증권사 등 투자자들의 참여 의향도 이어지고 있어 큰 문제는 없을 것 이라고 전했다. 차세대 태양전지 수명 효율 높일 수 있는 신소재 개발 국내 연구진의 연구로 차세대 태양전지로 각 광받고 있는 페로브스카이트 태양전지 상용 화에 한걸음 더 나아갔다. 페로브스카이트란 August

40 Ceramic & Advanced Material News 부도체 반도체 도체 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 금속 화합물로 기존 역구조 페로브스카이트 태양전지의 전자가 빠져나간 빈 구멍을 투명 전극으로 옮겨주는 정공수송 층 소재를 새롭게 개발해 수명은 약 3배, 효 율은 10% 이상 향상시킨 것이다. UNIST에 따르면 이 학교 김진영 교수와 한양 대학교 최효성 교수가 주도하고 미국 캘리포 니아주립대학교 산타바바라 분교와 공동으로 수행한 이번 연구가 미래창조과학부와 한국 연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업 및 BK플러스사업 으로 수행됐다. 또 이 연구 논 문은 네이쳐 커뮤니케이션지 온라인판 지난 달 17일자에 게재됐다. 페로브스카이트를 광흡수층으로 한 태양전지 는 기존의 실리콘 태양전지 보다 제작단가가 획기적으로 낮고 효율도 비슷한 수준으로 유 지할 수 있어 차세대 태양전지로 각광받고 있 다. 전지 내에서 전자 전달체와 전공 수송층 의 위치를 맞바꾼 역구조 페로브스카이트 태 양전지는 고효율의 휘고 접히는 모양으로의 제작도 가능하다. 하지만 기존 역구조 페로브스카이트 태양전 지에서 정공수송층으로 널리 쓰이는 소재는 강산성으로 빛을 흡수하는 면(광흡수층)을 부식시켜 소자 수명을 단축시켰다. 연구팀은 새로운 정공수송층 소재로 중성의 CPE-K 물질을 개발해 광흡수층의 부식을 억제함으 로써 소자의 수명을 약 3배 늘렸다. 연구진이 개발한 CPE-K는 전지를 제작했을 때 균일한 결정을 형성시킬 수 있어, 정공 수 송 속도를 기존 대비 60배 빠르게 하고 전지 의 효율도 10% 이상 향상시켰다. 또 CPE-K는 200 이하에서 용액을 스프레 이 혹은 잉크젯프린팅 방법 등으로 박막을 형 성하는 공정인 저온 용액 공정이 가능해 종이 에 인쇄하듯 소자를 대량 생산할 수 있어 휘 거나 접을 수 있는 역구조 페로브스카이트 태 양전지 상용화를 크게 앞당길 것으로 보인다. 김진영 교수는 이번 연구는 모든 박막 광전 자소자에 적용 가능한 원천기술로 차세대 광 전자소자 개발에서 선도국과의 격차를 줄일 수 있을 것 이라고 밝혔다. 최효성 교수는 페 로브스카이트 태양전지 소자 제작 분야에서 가장 앞서나가고 있는 우리나라에서 소재 개 발 분야에도 중점적인 연구투자가 이뤄진다 면 관련 분야에서 독보적인 원천기술을 확보 할 수 있을 것 이라고 내다봤다. KIST, 2차원 나노소재 형성 메커니즘 밝혀 한국과학기술연구원(KIST 원장 이병권) 광 전소재연구단 송용원 박사팀이 2차원 나노소 재 합성 메커니즘을 수학적으로 유도하고, 이 를 정량적으로 증명했다. 이 메커니즘은 성장 환경, 촉매 기판, 전구체 를 함수로 넣어 최종적으로 합성될 2차원 소 재 정량적 형태를 정확히 예측했다. 연구팀은 새로운 비금속 절연 기판 소재인 감마상 알루미나(γ-Al 2O 3) 기판을 그래핀 21 합성을 위한 촉매이자 기판으로 개발하 고, 여기에 그래핀을 금속 촉매 없이 직접 합 성하는 데 성공했다. γ-al 2O 3 기판에 합성한 그래핀은 추가 금속촉매 제거공정 없이 바로 사용할 수 있다. 기존 구리(Cu)와 니켈(Ni) 촉매를 사용해 합성한 그래핀보다 우수한 특 성도 가졌다. 연구팀이 수학적으로 유도한 2차원 나노 소 재 일반적인 형성 메커니즘은 시스템에 주입 한 탄소 전구체 종류, 압력, 촉매 기판 정보로 부터 탄소 전구체가 수소를 잃으면서 촉매 기 판 위에 공급되는 탄소 원자량을 바탕으로 한 다. 이 메커니즘으로 예상한 그래핀 합성결과 와 실제 그래핀 합성 결과는 저온공정에서 고 온공정, γ-al 2O 3 촉매 절연기판, Cu 등 전이 금속 촉매 기판 모두에서 그래핀 성장 결과가 정확히 일치했다. 연구 과정에서 개발한 절연촉매 기판인 γ -Al 2O 3은 다른 금속 촉매 도움 없이 그래핀을 합성할 수 있고, 기판 자체가 전사 공정이 필 요 없는 절연기판이어서 합성된 상태에서 바 로 사용할 수 있다. 제1저자인 박재현 박사는 2차원 나노 소재 에 대한 일반적 합성 메커니즘을 다양한 정량 적 활성화 에너지를 바탕으로 도출한 식으로 표현했다 며 활성화 에너지 값이 2차원 소재 성장에 어떤 영향을 미치는지 보여주는 실질 적인 해석 틀을 제공했다 고 말했다. 이어 새 로운 2차원 나노 소재 합성에 있어 고려할 중 요한 판단 근거를 제공할 수 있을 것 이라 밝 혔다. 대우인터내셔널-한국실리콘, 중국 태양광 시장 공략 대우인터내셔널과 한국실리콘이 지난달 7일, 중국 장쑤성에서 썬텍 태양광모듈로 유명한 중국 태양광발전 전문기업 SF-PV그룹과 40 ceramic korea

41 Ceramic & Advanced Material News 만달러 규모 태양전지용 폴리실리콘 공 급 계약을 체결했다고 밝혔다. 대우인터내셔 널은 중국 내 현지 영업거점을 활용해 계약을 주도해 한국실리콘 중국 시장 진출을 지원했 다. 한국실리콘은 연 1만5000톤 규모 폴리실 리콘 생산라인을 보유한 기업으로 2013년 법 정관리를 벗어났지만 최근 폴리실리콘 가격 하락으로 영업에 어려움을 겪어 왔다. 대우인터내셔널은 지난해 11월에도 중국 대 형 웨이퍼 셀 제조업체인 다하이와 연간 8000만달러 규모 폴리실리콘 공급계약을 체 결했다. 당시 우리 기업으로부터 폴리실리콘 을 구매한 뒤 이를 다하이에 판매하는 중계자 역할을 했다. 이번 SF-PV그룹 공급으로 대우인터내셔널 은 올초부터 적극 파고든 중국 태양광시장에 안정적으로 발을 들여놓았다. 현지법인 등 네 트워크를 활용해 직접 대형 수요처를 발굴해 공급을 늘리고 있어 향후 추가 계약 전망도 밝 다. 대우인터내셔널은 이번 계약을 모기업 포 스코가 해외시장 성공을 위해 강조하는 글로 컬라이제이션(Glocalization) 의 대표적 성공 사례라고 설명했다. 대우인터내셔널은 2008년 태양광패널 공급 을 시작으로 태양광 소재부터 발전소 건설까 지 전 영역에 걸쳐 다양한 사업을 전개하며 태 양광산업 밸류체인 구축에 역량을 집중해왔 다. 최근엔 태양열(CSP)발전과 지열발전으 로 글로벌 신재생에너지사업을 확대하며 신 규 수익원 발굴에 적극적이다. 대우인터내셔널 관계자는 현지 법인이 적극 나서 중국 내 태양광시장 수요 증가를 사전에 예측하고 신규 고객사에 대한 밀착 영업을 통 해 일궈낸 성과 라며 SF-PV와 태양광 발전 소 건설 등 6대 전략사업 협력을 확대해나가 겠다 고 밝혔다. 포스텍, 세계 최초로 제올라이트 2종 설계 및 합성 홍석봉 포스텍 교수팀이 샤오동 쩌우 스웨덴 스톡 홀름대 교수팀, 폴 라이 트 영국 세인트앤드류스 대 교수팀과 공동 연구를 통해 제올라이트 구조를 직접 설계하고 합성하는데 성공했다고 지난 달, 15일 밝혔다. 석유화학, 천연가스 등 에너지 자원 생산효율 을 높이고 기후변화 문제 해결을 위해 이산화 탄소 분리 회수에 대한 관심이 높다. 제올라 이트는 무수히 뚫려 있는 미세한 구멍을 이용 한 이산화탄소 흡착제로 각광받고 있다. 하지 만 아직 정확한 합성 메커니즘이 밝혀지지 않 아 활용에 한계가 있었다. 그동안 다양한 제 올라이트 구조가 보고되지만 설계가 아닌 우 연에 의한 합성이 이뤄지는 상황이다. 연구팀은 기존 제올라이트 구조를 분석한 결 과 특정 단위 기본 구조체가 일정한 규칙을 가지고 더해지면서 제올라이트 구조가 점점 확장되는 원리를 발견했다. 이를 활용하면 현 재보다 확장된 구조체를 만들 수 있을 것으로 예측해 합성 전략을 세웠다. 기존에 제올라이트를 합성할 때 사용하는 이 온을 기본구조 물질로 하고 여기에 무기 양이 온을 추가해 한 단계 큰 제올라이트를 만드는 데 필요한 특정 구조체를 형성하는 방법으로 새로운 구조를 만들었다. 홍석봉 교수는 현재 제약분야에서 분자 설 계를 통해 신약을 개발하는 것처럼 우연이 아 닌 특정 용도에 필요한 제올라이트 구조를 예 측한 후 설계를 통한 타깃 제올라이트 합성이 가능함을 보여준 첫 사례 라며 나노다공성 재료분야에 새로운 패러다임을 제시했다 고 밝혔다. 소재부품산업 성과발표회 개최 산업통상자원부(장관 윤상직)와 한국산업기 술진흥원(KIAT 원장 정재훈)은 지난달 7일, 서울 양재동 더케이서울호텔에서 소재부품 산업:새로운 도전과 혁신 을 주제로 이 같은 과제 극복을 위한 소재부품혁신연구 성과발 표회를 개최했다. 산업연구원과 현대경제연구원, 능률협회컨설 팅, 세라믹기술원, 재료연구소, 디스플레이산 업협회 등 소재와 산업 분야별 연구기관과 협 회 단체에서 진행한 연구를 바탕으로 10개 주제발표가 이뤄졌다. August

42 Ceramic & Advanced Material News 이원복 산업연구원 연구위원은 소재부품 무 역흑자 1000억달러 달성 원인 분석과 시사 점 을 주제로 발표하며 중국 부품산업 성장과 성장전략 변화 등에 맞춰 대중 소재부품 교역 을 재정립할 필요가 있다고 강조했다. 특정 품목에 편중된 수출 불균형 구조 개선을 위해 육성정책 방향성과 대상도 재정립이 필요하 다는 분석이다. 디스플레이산업협회는 중국디스플레이산업 육성 법 제도 분석 연구 결과를 소개했다. 원자재와 소모품 구입을 위한 수입관세 면제 등 세수 우대 정책과 패널기업, 부품 장비 기업 육성을 위한 중국 정부 재정 지원 등이 다. 협회는 관련 내용을 책자로 제본해 회원 사 등에 배포 계획이다. 한재진 현대경제연구원 연구위원은 한국, 중 국, 일본 동북아 3국 분업구조 재편을 통한 제조업 협력 시스템 구축 필요성을 설파했다. 일본과는 소재분야에서, 중국과는 부품분야 에서 경합이 확대되는 가운데 중장기적 산업 고도화 전략과 함께 가치사슬 측면에서 대중 수출 전략 마련이 이뤄져야 한다는 것이다. 이외에 첨단세라믹 산업 발전을 위한 권역별 특화 육성 방안과 금속소재산업-글로벌 일류 수요기업 간 네트워크 구축방안, 외국인유학 생 뿌리산업 취업제도 도입방안 등에 대한 발 표와 논의도 이어졌다. 최근 시장 관심이 늘 고 있는 전기자동차용 소재 국산화도 물망에 올랐다. 산학연 연계를 바탕으로 소재개발부 터 부품 제조와 성능평가에 이르는 통합형 연 구개발이 필요하다는 분석이다. 한유동 재료연구원 책임연구원은 영구자석용 모터 핵심소재인 희토류298 소재 추출기술 과 재활용 대체소재 개발 연구지원, 전극용 신소재개발과 소재 부품 신뢰성 확보를 위 한 정부지원 공공세터 설립 등을 제안했다. 정재훈 KIAT 원장은 소재부품 사업은 우리 나라 산업 고부가가치화와 체질 개선을 위해 지속적으로 경쟁력 강화가 필요한 분야 라며 논의된 내용을 바탕으로 업계에 도움이 될 만한 실질적 지원책을 발굴하겠다 고 밝혔다. KAIST 출신 미국 스탠퍼드대 연구진 실리콘 2차전지 입자 파괴비밀 밝혀 미국 연수 중인 KAIST 출신 연구원들이 실리 콘 이차전지 입자 부피 팽창과 파괴현상을 규 명했다. 이 문제를 완전 히 해결하면, 기존 흑연 음극보다 용량이 10배 큰 실리콘 물질을 나 노입자로 만들지 않고 이차전지에 활용할 수 있게 된다. 한구연구재단은 스탠퍼드대 이석우 선임연구 원과 이현욱 박사후연구원(이상 공동 제1저 자), 이추이(Yi Cui, 교신저자) 교수가 실리콘 물질이 충전 방전 때 입자가 크게 부풀어 깨 지는 현상을 규명했다고 밝혔다. 이 연구결과 는 네이처 커뮤니케이션즈 온라인판에 게재 됐다. 연구진은 실리콘 물질 간 상호작용에 주목했 다. 이를 여러개 나노 필라(기둥)로 만들어 시 뮬레이션과 인시츄(in-situ) 투과전자현미경 으로 관찰했다. 이 결과 실리콘 입자가 서로 영향을 주고받아 단일 입자 때와는 다르게 부 풀고 깨지는 것을 발견했다. 연구진은 이차전지와 같이 제한된 공간에서 실리콘 입자들이 그간 알려진 것과 달리 입자 간 영향에 의해 파괴된다는 것을 밝혀낸 데 의미가 있다 고 전했다. 한국에너지 기술 연구원, 연료정지 내구성 높이는 신소재 개발 한국에너지기술연구원(원장 이기우 ) 김희연 에너지소재연구실 박사가 KAIST 옥스퍼드 대학 연구팀과 연료전지 내구성을 높일 수 있 는 신 구조의 촉매 개발에 성공했다. 연료전지는 높은 효율과 큰 출력 밀도를 갖고 있으며, 발전 시 온실가스를 배출하지 않는 친환경에너지원으로 각광받고 있다. 그러나 제조 시 백금을 포함한 고가의 귀금속 촉매가 사용되고, 사용 중 촉매의 심각한 내구성 저 하가 일어나 상용화에 어려움을 겪고 있는 상 황이었다. 김 박사팀이 개발한 촉매는 백금 코어와 다공 성 그래핀쉘로 구성된 새로운 구조를 지니고 있다. 이 촉매는 기존 상용 촉매와 유사한 성 능에서 150% 이상의 내구성을 나타냈으며, 다공성 그래핀쉘의 영향으로 연료전지의 주 된 비활성화 원인인 부식, 탈락, 응집 등의 현 상을 크게 개선했다. 또 김 박사팀은 동시기 화공정을 최초로 개발해 촉매 합성 공정을 대 폭 축소하는 데 성공했다. 기존에는 촉매를 제조하기 위해 담지, 건조, 소성, 환원 등 여러 단계의 복잡한 과정을 거 쳐야 했다. 하지만 동시기화공정을 이용하면 원하는 조성과 형상의 구조체를 한 번에 합성 42 ceramic korea

43 Ceramic & Advanced Material News 할 수 있고, 이 과정에서 전극까지 성형할 수 있다. 별도의 전극 제조 공정이 필요없이 코어 쉘 구조체의 합성과 동시에 고르게 분산된 연 료전지용 전극을 제조할 수 있게 된 것이다. 김 박사는 이번 연구 결과로 촉매의 내구성 이 향상되고 제조 공정이 단일화 돼 연료전지 상용화를 앞당길 수 있을 것 이라며, 현재 개 발된 기술을 연료전지 촉매뿐만 아니라 이차 전지 전극소재와 화학반응용 촉매소재에도 응용하기 위한 연구를 진행 중이며, 대량 생 산 기술을 개발 중 이라고 밝혔다. 부천시, 금형산업의 메카 꿈꾼다 부천시는 지난 4월 세라 믹소재기술지원센터를 개소에 이어서 5월 오정 산업단지에서 한국금형 센터 착공식을 갖고 본 격적인 건립에 들어갔 다. 아울러 금형 조명 로봇 패키징 산업 을 특화하여 집중적으로 육성하는 등 부천을 R&D 산업기지로 만들기 위해 박차를 가하고 있다. 오정산업단지 내 몰드밸리에 한국금형센터 건립 부천시 오정일반산업단지 몰드밸리에 한국 금형센터 가 들어선다. 시는 지난 5월 19일 착공식을 갖고 본격적인 건립에 들어갔다. 금 형센터는 국비 270억, 도비 50억, 시비 263 억, 민자 35억 등 총 618억 원을 들여 지하1 층, 지상2층 규모로 조성된다. 금형산업은 붕어빵에서부터 스마트폰까지 거 의 모든 제조업의 뿌리산업이자 핵심 기반 산 업이다. 부천시는 2001년 중소기업청으로부 터 금형 을 특화품목으로 지정받고 금형집적 화단지 기본계획을 마련하여 2009년 오정일 반산업단지(몰드밸리)를 조성하면서 금형센 터 건립 부지를 매입하였다. 올해 한국금형센 터 건립 착공으로 15년간의 숙원사업이 해결 되었다. 우리나라 금형업체의 42%가 경기도에 몰 려 있고, 경기도 금형업체의 25%가 부천에 서 기업 활동을 하고 있다. 우리나라 전체로 보았을 때, 업체 수 (867개 업체)와 매출액 (8,670억 원) 규모면에서는 10% 정도, 종사 자 수(4,729)도 8%를 넘게 차지한다. 한국금형센터는 수도권 금형기업을 비롯한 오정산업단지와 부천지역에 밀집된 금형 관 련 기업을 지원하기 위한 시설로 금형 기술개 발 연구 시험생산 등 금형산업의 포괄적인 지원기능을 수행할 예정이다. 금형센터 건립 은 중소 금형기업의 성장기반을 마련함과 동 시에 대한민국 금형산업이 세계 1위로 도약 하는 허브(Hub) 역할을 부천이 담당하게 되 었다는 데 큰 의미가 있다. 4대 특화산업, 금형 조명 로봇 패키징 육성 부천시는 금형 조명 로봇 패키징 산업을 특화하여 집중적으로 육성하고 있다. 기술 및 제품개발에 취약한 중소기업과 강소기업들에 게 기술지원은 물론 우수인력 양성 및 연구개 발 등을 종합 지원할 계획이다. 아울러 산 학 연 관 협력시스템을 갖추어 R&D 종합 인프라 도시로서의 면모를 갖추어 나갈 예정 이다. 특히 시는 전국 기초자치단체의 최초로 로봇 산업을 지역 전략산업으로 선정 육성하고 있다. 부천시의 로봇기업은 전국 402개 로봇 기업 중 39개로 9.7%를 차지하고 있으며, 로 봇 부품 기업은 18.5%를 점유하고 있다. 그 동안 도와 시의 적극적인 투자에 힘입어 지원 사업 시작단계(2005년)보다 로봇기업 매출 3배, 수출 7배, 고용 1.8배 이상 성장하는 등 양적으로는 괄목할 성과가 있었다. 세라믹소재기술지원센터 개소 지난 4월 부천테크노파크에 세라믹소재기술 지원센터 가 개소했다. 박사급을 포함해 20 여명의 전문 인력이 포진한 이 센터에서는 수도권 세라믹 기업 시험분석 및 기술지원 기술지원을 위한 인프라 구축, 인력양성, 기 술지도 국내 외 표준화 연구, 기타 산학연 기술협력이 이루어진다. 포스코에너지, 포항 연료전지공장에 혁신교육센터 개관 포스코에너지가 연료전지 사업의 경쟁력 향 상을 위해 포항에 위치한 연료전지공장에 혁 신교육센터를 건설했다. 올 하반기 연료전지 셀공장 준공을 앞두고 있 는 포스코에너지는 세계 최대 규모의 연료전 지 사업자로서의 경쟁력 제고를 위해 무엇보 다 인재 육성이 필요하다고 보고 지난해 11 월 혁신교육센터 건설을 시작했다. 약 50억원이 투입된 포항 혁신교육센터는 지 하 1층, 지상 3층의 연면적 3038m2(920평) 규모로 직무별 전문기술을 위한 혁신교육장, 체력단련장, 복리후생시설인 직원식당으로 구성돼 있다. 한편 포스코에너지는 포항시 북구에 연산 100MW 규모의 연료전지공장을 운영하고 있 으며 연료전지의 핵심부품인 셀 제조공장 준 August

44 Ceramic & Advanced Material News 공을 통해 국내 최초의 연료전지 전공정 국산 화를 눈앞에 두고 있다. 미코, 녹색인증 우수기업 산업통상자원부장관표창 수상 소재부품 전문기업 미코가 지난 26일 서울 양재동 더케이호텔에서 개최된 2015년 녹색 인증 5주년 성과보고회 에서 녹색인증 우수 기업으로 선정돼 산업통상자원부장관표창을 수상했다. 녹색인증은 에너지 절감 및 환경오염물질 배 출 최소화 기술을 인증해 민간분야의 일자리 를 창출하고 지속 가능한 경제성장을 유도하 기 위해 2010년 도입된 제도다. 산업통상자 원부 주최로 열린 이번 2015년 녹색인증 성 과보고회는 지난 5년간 성과보고, 미코를 포 함한 3개 우수기업 포상, 제도개선 설명 등의 순으로 진행됐다. 미코는 지난 2008년 고체산화물연료전지 (SOFC) 부품소재 기술 개발을 착수했고, 2011년부터 가정용 mchp 시스템의 핵심부 품인 1kW SOFC 스택 개발을 수행했다. 지 난 2월 테이프캐스팅 기반의 SOFC 단전지 기술과 이를 이용한 1kW 스택 기술 로 건물 용 SOFC 기술분야에서 녹색기술인증을 획 득했다. 미코는 SOFC 스택 기술은 기술적 난이도가 높아 국내에서는 아직까지 개발 단계에 있고, 녹색기술을 획득한 기업이 전무했으나 다년 간 축적된 세라믹 부품 및 공정 기술을 바탕 으로 체계적이고 지속적인 개발과정을 통해 세계적 수준의 SOFC 기술을 확보하는데 성 공, 녹색기술 인증을 받을 수 있었다 고 설명 했다. 차세대 에너지 산업에 관심이 많은 기 업 및 투자자의 주목을 받을 것으로 기대하고 있다. 전선규 미코 대표는 녹색인증을 받은 SOFC 단전지 및 스택 기술을 이용하여 향후 소재 부품 및 시스템 사업을 적극 강화할 예정 이 라며 세라믹 기술을 선도하는 엔지니어링 기 업으로서 녹색기술이 융합된 고부가가치의 차세대 에너지 제품으로 신산업 창출에 이바 지하겠다 고 덧붙였다. 미코는 순수 국내기술로 제조한 스택을 연결 해 5kW 출력을 확보하는데 성공한 것을 바탕 으로 지난해부터 프로토타입 SOFC 시스템 (모델명:TUCY)을 독자 개발 중이라고 밝혔 다. 연내 운전기술을 확보하여 국내 최초로 실 증 가능한 SOFC 시스템을 내놓을 계획이다. LG화학, 배터리업계 처음으로 헥사곤(Hexagon) 배터리 개발 LG화학이 세계 최초로 헥사곤(육각형) 배터 리를 개발해 올해 안으로 양산에 들어간다고 발표했다. 헥사곤 배터리는 말 그대로 육각형 판 형태다. 원형에 가까워 웨어러블 기기에 쓰일 경우 기기 내부 공간을 효율적으로 쓸 수 있게 해준다. 사각형 형태의 배터리를 둥 그런 형태의 손목시계형 웨어러블 기기(스마 트워치)에 쓸 경우 활용하지 못하게 되는 공 간이 생기는데, 헥사곤 배터리 같은 다각형 배터리를 사용할 경우 그 공간에 배터리를 채 워 넣을 수 있기 때문이다. LG화학은 같은 공간을 사용한다고 가정하면 기존 배터리보다 25% 이상 전지 용량이 늘어 나게 됐다 며 스마트워치에 탑재하면 사용 가능 시간을 최대 4시간 늘릴 수 있다 고 설 명했다. LG화학은 이 제품을 올해 스마트워 치 제조업체에 납품할 예정이다. 기존 배터리 제품들은 안정적으로 전기를 얻 을 수 있는 사각형 형태를 유지해왔다. 리튬 이온배터리는 산화 환원 반응을 통해 전자 가 이동하는 양극재와 음극재를 분리막으로 나눈 뒤 그 안에 전해질을 채워넣는 구조다. 배터리를 구성하는 각각의 소형 셀(cell 전 지 역할을 하는 단위 부품)을 효율적으로 배 치하기 적합한 형태가 얇은 사각형 판이다. 다각형의 경우 셀을 배치하고, 가공하기 까다 롭다는 난점이 있다. 이 때문에 웨어러블 기 기 발전의 가장 큰 과제 가운데 하나로 자유 롭게 형태를 만들 수 있고, 용량이 늘어난 배 터리 개발이 꼽혀왔다. LG화학은 양극재, 음극재, 분리막을 층층히 쌓아서 접은 뒤 전해질을 주입하는 스택앤폴 딩(Stack and Folding) 기술을 개발해 디자 인 자유도, 에너지 밀도, 안정성 등을 확보했 다 고 설명했다. LG화학은 이 기술을 이용해 L 자형, ㅁ 자형 등의 배터리도 내놓을 계획 44 ceramic korea

45 Ceramic & Advanced Material News 이다. LG화학은 스마트폰과 노트북 등 IT제 품에서 현재 비어있는 내부 공간에 배터리를 채워 넣으면 같은 크기의 제품이어도 20% 이 상 전력 용량을 늘릴 수 있다 고 설명했다. 포스텍, 차세대 나노선 태양전지 개발 제 2 회 파인세라믹스산업계 인적교류회 파인세라믹스산업계 및 유관기관간의 실질적인 인적정보교류협력체제 구축 다양한 의견 교환을 통한 상생협력방안과 회원간의 친목교류 강화 Ⅰ. 행사개요 포스텍 연구팀이 기존에 상용화된 평판 태양 전지보다 효율을 2배 이상 늘린 차세대 비대 칭형 수직 실리콘 나노선(Nanowire) 태양전 지 기술 개발에 성공했다. 일 정 : (수) 12:00~19:30 *1박2일 일정별도 장 소 : 대호단양CC 주 최 : (사)한국파인세라믹스협회 후 원 : (주)월간세라믹스, 대경파인세라믹협의회, 전남세라믹협의회, 강릉세라믹협의회 등(예정포함) 참석인원 : 50여 명(12팀) Ⅱ. 세부 추진 내용일정 포스텍 창의IT융합공학과 백창기 임태욱 교수, 미래IT융합연구원 김기현 박사 연구 팀은 네이처 자매지인 사이언티픽 리포트 (Scientific Report) 를 통해 상용 평판 태양 전지보다 최대 2.7배, 기존 나노선 태양전지 보다는 최대 1.4배 효율을 끌어 올린 비대칭 형 수직 실리콘 나노선 태양전지 기술을 발표 했다. 수직으로 정렬된 나노선을 이용한 고효율 태 양전지 개발에 학계의 관심이 모이는 것은 양 자효과로 인해 빛의 전력 변환효율이 높아지 1. 친목 골프대회 : 12:00~18:00(참가자단체 중식시간 11:00-12:00) 참가인원 : 12개팀(약 50여 명) 참 가 비 : 100,000원(그린피+카트비 포함 *캐디피, 그늘집 별도) 경기방식 : 아마추어골프대회 규정(신페리어방식) 2. 만찬 및 교류회 : 18:00~20:00 3. 참가신청 : (월)까지 *선착순 접수 성 명 소 속 직 위 연락처 (H/P) 참가 내용(선택) 1일 1박2일 핸디 기 때문이다. 나노선은 수십~수백nm(나노미 터, 10억분의 1m) 굵기를 가지며 반도체 물 질로 이뤄진 머리카락 형태의 나노 구조체를 말한다. 나노선의 이러한 가느다란 구조 특성 때문에 빛의 흡수 효율을 일정 수준 이상 높이 는 것이 쉽지 않았다. 1박2일 참가일 경우 다음날 오전 18홀 라운딩 : 100,000원 추가납부(그린피+카트비+숙박+조식) 4. 참가비 납부 안내 계좌번호 : 신협 예금주 : 대호아이알(대호단양CC계좌) 5. 접수처 및 문의처 : 한국파인세라믹스협회(담당 유성근 전무이사) 전화 , 전송 , H/P August

46 Ceramic & Advanced Material News 포스텍 연구팀은 기존 나노선의 효율을 한층 더 높이는 방법에 집중해 나노선의 상단부 직 경을 넓게 하고 하단부 직경을 좁게 만드는 비 대칭 구조로 설계하면 반사율이 높아져 태양 전지가 빛을 흡수하는 양을 극대화할 수 있다 는 사실을 밝혀냈다. 개발된 기술은 국내 실리콘 반도체 공정 기술 인 하향식(Top-down) 공법을 그대로 적용 할 수 있어 제작 단가를 낮추면서도 대량 생 산이 가능하다는 점이 높이 평가되고 있다. 백창기 교수는 경제적이면서 효율도 높은 태 양전지를 대량생산할 수 있는 기반이 마련돼 향후 태양전지 산업에 다각도로 활용할 수 있 을 것 연구 활용 가능성을 밝혔다. 연구팀은 나노선 태양전지 기술 확보 과정 에서 수직 나노선 어레이 제작기술에 대 한 다양한 원천특허(국내등록 4건, 국제출 원 9건)를 보유하게 돼, 하향식 나노선 기 술을 기반으로 한 저가 차세대 실리콘 열전 소자(Thermoelectric device) 및 광소자 (Photo-detector device) 기술 연구의 기반 을 마련했다. 백색 흑연에 삼각형 구멍 뚫리는 장면 관찰 성공 이종훈 UNIST 신소재공학부 교수팀이 홍석 륜 세종대 교수팀과 공동으로 질화붕소에 전 자빔을 쏘아 삼각형으로 결함이 생기는 장면 을 실시간으로 관찰하는 데 성공했다. 연구진은 백색 흑연 으로 불리는 질화붕소 (hbn)에서 삼각형으로 구멍이 생기는 과정 을 포착했다. 이는 두 원소가 결합된 이차원 재료에서 결함이 만들어지는 과정을 처음부 터 끝까지 파악한 최초의 연구다. 이차원 재 료는 흑연이나 그래핀처럼 얇은 막 구조로 이 뤄진 물질을 말한다. 질화붕소는 질소(Nitride)와 붕소(Boron)가 결합된 물질로 흑연과 구조가 비슷해 백색 흑연 으로도 불린다. 그래핀과 정반대로 전기 절연성이 뛰어나 부도체 소재로 활용 가능성 이 높은 차세대 소자로, 연구에서 원자 한 층 에서 결함이 생기는 과정까지 규명해 주목받 았다. 연구진은 원자분해능 투과전자현미경(TEM) 안에서 원자들을 추적해 결함 형성 장면을 얻 었다. 또 투과전자현미경으로 관찰한 내용을 계산물리학으로도 확증했다. 물리학과 재료 과학의 융합수준을 진일보시켰다는 평이다. 질화붕소는 고분해능 투과전자현미경 안에 서도 원자 수준으로 관찰하기 어려운 소재였 다. 연구진은 질화붕소의 변화 과정을 연속 촬영해 원자 수준의 관찰을 시도했다. 과정에 는 UNIST 연구지원본부에 있는 어드밴스드 투과전자현미경(Advanced TEM)이 활용됐 다. 관찰 결과를 계산과학으로도 해석해 원자 하나의 움직임까지 추적할 수 있었다. 이차원 재료에서 원자가 손상되면서 구조에 구멍이 생기는 전체 과정을 밝혀낸 것이다. 류경희 UNIST 신소재공학부 석박사통합과정 연구원은 이차원 재료에서 결함이 생기면 원 자가 떨어져 나갈 뿐 아니라 재결합되는 현상 이 발생한다는 걸 알아냈다 며 원자 하나가 아닌 여러 개의 원자가 함께 떨어져 나가며, 붕소와 질소 원자들이 단원자 사슬을 만들면 서 떨어진다는 것을 처음 확인했다 고 설명했 다. 이종훈 교수는 이차원 재료에서 원자 수 준에 결함이 생기는 과정을 밝히고 새로운 물 리 현상을 규명했다는 데 의미가 있다 며 이 번 연구는 앞으로 이차원 신소재 개발에 기반 이 될 것 이라고 기대했다. 이 내용이 담긴 논문은 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에서 발간하는 저 널인 나노스케일(Nanoscale) 6월 28일자 표지 논문으로 선정됐다. 46 ceramic korea

47 해외 산업시찰 참가안내 (사)한국파인세라믹스협회에서는 첨단세라믹산업의 활성화와 신규 수요시장 창출 등을 위한 해외 마케팅사업을 매년 실시하고 있습니다. 그 일환으로 독일 뮌헨 Ceramitec 전시회 와 일본 동경 국제세라믹종합전 에 2015년도 하반기 해외 산업시찰로 추진하오니 관심 있는 분의 많은 참여를 바랍니다. 1. 독일 뮌헨 Ceramitec 2015 전시회 참관 안내 뮌헨 세라믹전시회는 1979년부터 독일 뭔헨에서 3년마다 개최되는 세계 최대 규모의 세라믹박람회입니다. 신규 바이어 및 아이템 창출, 유럽 시장의 연구개발 동향 파악 등 새로운 해외시장 진출을 위한 여건을 마련하고자 해외산업시찰단을 모집합니다. 1) 전시회명 독일 뭔헨 Ceramitec 2015( 2) 참가기간 (월) ~ 10.26(월) 6박8일 3) 장 소 독일 뭔헨 외 4) 참관내용 Ceramitec 2015전시회 참관 외 [ 전시품목 ] 파인세라믹 생산기술 및 설비/세라믹 및 파인세라믹 원료와 원료 가공기술/ 첨단 및 파인세라믹 제품, 부품 소재/타일 및 위생도기 생산기술 및 설비/ 생활도자기 생산기술 및 설비/세라믹 산업의 신기술, 특허제품 등 5) 신청기간 (금)까지 2. 일본 동경 국제세라믹종합전 전시회 참관 안내(예정) 국제세라믹스종합전은 2년마다 개최되는 첨단세라믹스관련 종합전시회이며 세라믹원재료, 세라믹제조장치시스템, 세라믹응용분야와 소재제품(전기정보통신, 에너지, 환경, 수송/ 항공우주, 주택/건축, 제조산업, 의료/생활용품) 등이 전시되며, 특히 금년도에는 유리분야가 포함한 전시회로서 전시회 기간 중 센서종합전, 종합시험기기전, 측정계측전과 자동차기술 세션이 신설기획으로 동시에 개최합니다. 1) 전시회명 세라믹&글라스 기술전 2015 ( 2) 참가기간 (화) ~ 9.18(금) 3박4일 3) 장 소 일본 교토, 나고야, 동경지역 4) 참관내용 - 전시회 참관(세라믹스&글라스 기술전 2015) - 공장견학(교세라 전시장 및 파인세라믹스공장) - 연구기관(일본파인세라믹스센터(JFCC), 산업기술종합연구소(AIST) 등) 5) 신청기간 (금)까지 3. 문의처 한국파인세라믹스협회( ) * 자세한 사항은 협회 참조 August

48 Special 전략산업 핵심소재 탄화물 기술 개발 동향 및 산업 전망(1) 사고저항성 핵연료 피복관용 SiC 복합체 연구개발 현황 김 원 주_ 한국원자력연구원 원자력소재개발부 책임연구원 1. 서 론 관으로 적용하여 핵연료의 성능 및 사고 안전성을 크게 향상시키고자 하는 시도도 활발하게 이루어 탄화규소(SiC)계 세라믹스는 열적, 기계적, 화학적 지고 있다 [1]. 그림 1은 SiC 복합체의 적용이 고려되 안정성이 우수하며 중성자 조사에 의한 유도 방사 고 있는 원자로 노형 및 부품의 예를 요약하여 나타 능이 매우 낮기 때문에 고효율 에너지 산업, 우주 낸 것이다. 본 고에서는 SiC 세라믹 복합체를 경수로 항공, 국방 산업뿐만 아니라 원자력 산업 등에도 의 핵연료 피복관으로 적용하기 위한 주요 재료관 두루 활용될 수 있는 소재로 그 파급력이 매우 큰 련 이슈 및 연구현황을 소개하고자 한다. 소재라고 할 수 있다. 원자력 산업 분야에서 C 또 는 SiC 계의 복합체 소재는 현재까지 주로 핵융합 로의 블랭킷 구조물, diverter plate, flow channel insert(fci) 등의 응용을 위해 많은 연구가 이루어 져 왔다. 최근 들어 제 4세대 원자로에 대한 세계적 인 관심이 증대되면서 핵융합로 구조재로의 적용 을 위한 기존의 연구성과를 활용하여 C/C 및 SiC/ SiC 복합체 소재를 초고온가스로의 제어봉 부품과 노내 구조물 부품으로 적용하기 위해 연구가 이루 어지고 있으며 일부 가스냉각 고속로 개념의 경우 그림 1. SiC 복합체의 차세대 원자로 적용부품 핵연료 피복관이나 구조부품으로 활용하고자 시도 하고 있다. 뿐만 아니라 소듐냉각 고속로 및 초장주 기 원자로의 핵연료 피복관 및 노내 구조물로 적용 2. 사고저항성 핵연료 피복관 개념 및 요건 하기 위한 타당성 연구도 이루어지고 있으며 용융 염냉각 고온로(LS-AHTR)의 핵연료 피복관 적용을 기존의 경수로 핵연료 관련 연구는 연소도 제고나 위한 타당성 분석도 이루어진 바 있다. 또한 최근에 출력 증강을 통해 경제성을 향상시키는 방향에 중 는 SiC 복합체를 경수로의 핵연료 피복관이나 안내 점을 두고 진행되어 왔으나 후쿠시마 사고 이후에는 48 ceramic korea

49 중대사고 조건에서도 안전성을 유지할 수 있는 사고 드 피복관, 기존의 Zr 튜브 표면에 세라믹/금속 코 저항성 핵연료(Accident Tolerant Fuel, ATF)의 개 팅을 적용하는 코팅 개념, F/M 합금으로 Zr을 대체 발을 통해 경수로의 안전성을 획기적으로 향상시키 하는 개념, 내외부 Zr 튜브 중간에 Mo과 같은 내열 는 방향으로 패러다임의 변화를 가져오고 있다. 현 합금을 삽입하는 개념 등 다양한 개념이 제안되고 재 사용되고 있는 Zr 합금 피복관은 정상 운전 시에 있다. 이러한 사고저항성 피복관 개념들은 각각 장 는 매우 우수한 성능을 발휘하지만 냉각재가 상실 단점을 갖고 있는데, 예를 들어 SiC 복합체 피복관 되는 중대사고 조건에서는 다음과 같은 고온수증기 의 경우 우수한 고온강도, 고온수증기에 대한 내산 와의 반응에 취약한 단점을 갖는다. 화성 등 중대사고 상황에서 우수한 성능을 가질 것 으로 예측되지만 미세균열이 쉽게 발생할 수 있어 Zr + 2H2O ZrO2 + 2H2 + 열에너지(5.8 MJ/kg) 가스기밀성의 확보 측면에서는 약점을 가지고 있다. 원자로가 정상적으로 정지되더라도 냉각수의 순 환이 지속적으로 이루어지지 않으면 핵연료의 잠열 3. SiC 복합체 피복관 연구개발 현황 에 의해 핵연료의 온도는 지속적으로 증가하며 Zr 합금과 고온수증기의 반응에 의해 피복관의 산화 SiC 복합체 피복관은 기술적 난이도는 높으나 탁월 와 추가적인 온도 상승을 유발한다. 이 반응은 강한 한 고온특성, 고온수증기에 대한 산화저항성을 가 발열반응으로 1200 이상에서는 피복관의 급격한 지고 있어 사고저항성의 관점에서는 가장 우수한 온도 상승을 가져오고 핵연료의 파손과 함께 다량 성능을 나타낼 것으로 기대되고 있다. 냉각재 상실 의 수소를 발생시키게 된다. 과 같은 중대사고 상황에서 Zr 및 SiC 피복관의 온 사고저항성 핵연료는 기존의 UO2-Zircaloy 시스 도변화, 산화에 의한 발열량, 폭발성 가스의 발생량 템과 비교하여 정상운전 상태에서 동등 이상의 성 을 비교, 예측한 바 있다 [2]. Zr 피복관은 냉각재 상 능을 유지하는 동시에 위와 같은 냉각재 상실사고 실 145분 후 피복관의 파손이 일어나지만 SiC 피복 와 같은 중대사고 상황에서도 건전성을 유지할 수 관은 최대 피복관 온도가 1830K로서 피복관의 건 있는 핵연료로 정의된다. 이를 위해 사고저항성 핵 전성을 유지하는 것으로 예측되고 있다. 또한 고온 연료는 냉각재 상실로 인한 고온 환경에서도 향상 수증기와의 산화에 의한 발열량은 Zr 피복관 대비 된 구조적 건전성을 보유함으로써 사고 대응시간을 100배 이하이며 폭발성 가스의 발생량도 수십~수 증가시키고 고온 수증기와의 반응에 대한 산화 저 백 배 이하로 매우 우수한 사고저항성을 갖는 것으 항성이 향상되어 수소 발생량을 현저히 저감시킬 로 계산된다. 수 있어야 한다. 세라믹 복합체를 경수로 핵연료 피복관으로 활용 이와 같은 사고저항성 핵연료의 개발을 위해 미 하기 위한 연구는 1999년 미국에서 처음 제안되었 국, 일본, 유럽, 중국 등에서는 다양한 개념의 사고 으며 당시에는 알루미나 섬유로 강화된 뮬라이트 저항성 핵연료 피복관 개발을 위한 연구 프로그램 계 기지상의 세라믹 복합체를 대상으로 하였다. 그 을 수행 중이다. 미국의 경우 2022년까지 시험 연료 러나 알루미나계의 복합체는 가스 기밀성의 문제와 봉 준비를 완료한다는 매우 도전적인 계획을 수립 중성자 조사특성이 취약한 문제가 있어 연구가 중 하고 연구개발을 진행하고 있다. 사고저항성 핵연료 단되었다. 이후 sintered α-sic 튜브와 외벽에 SiC 피복관의 개발을 위해 피복관 전체가 SiC로 구성된 복합체를 형성시킨 이중관 형태에 대한 연구를 진 SiC 복합체 피복관, 내층은 Zr 합금 튜브로 이루어 행하였으나 sintered SiC는 역시 중성자 조사에 의 지고 외층을 SiC 복합체로 보강한 Zr+SiC 하이브리 한 기계적 특성 감소의 문제가 있어 더 이상 연구 August

50 전략산업 핵심소재 탄화물 기술 개발 동향 및 산업 전망(1) 가 이루어지지 않았다. 이러한 문제로 인해 그림 2 용에 적절한 금속소재의 선정과 복합체층과의 양립 와 같은 3층 구조의 SiC 복합체 피복관 개념이 제안 성에 대한 검토가 요구된다. 되었다. 삼중층 SiC 복합체는 핵분열가스 기밀성 SiC 복합체의 경수로 피복관 적용에는 핵연료 설 및 내조사 특성을 위해 화학기상증착법(CVD)으로 계, 열수력, 기계구조 등 매우 다양한 분야에서 기 제조한 고밀도의 SiC monolith 튜브와 인성 부여를 존 피복관과 차별되는 이슈들이 존재할 것으로 여 위해 SiC 복합체로 이루어진 중간층, 부식저항성 향 겨진다. 다음 절에서는 경수로 피복관용 SiC 복합체 상을 위한 CVD SiC 내환경층 등으로 이루어진 3개 기술개발과 관련된 기술현안에 대해 요약하였다. [1] 층으로 구성된 개념이다. 4. SiC 복합체 피복관 주요 기술현안 SiC는 기존의 Zr 합금 피복관에 비해 중성자 흡수 단면적이 약 20% 가량 작기 때문에 중성자 경제성 측면에서 장점이 있으며, 고온 특성이 우수하여 크 립의 문제가 없으며 보다 고온에서 운전이 가능하 그림 2. 삼중층 SiC 복합체 피복관의 구조 고 핵연료의 연소도 제고 효과 등을 기대할 수 있 다. 또한 우수한 내산화성으로 중대사고 시 수소발 후쿠시마 사고 이후 미국에서는 SiC 복합체 피복 생 저감을 통해 핵연료의 안전성을 크게 향상시킬 관 개발에 본격 착수하였으며 다수의 국립연구소, 수 있을 것으로 여겨지고 있다. 이와 같은 우수한 대학, 산업체 등이 참여하여 연구개발이 이루어지고 특성으로 인해 SiC 복합체는 기존의 Zr 합금 피복 있다. SiC 복합체는 핵연료 피복관 뿐만 아니라 노내 관을 대체할 수 있는 유력한 소재로 기대되고 있다. 구조부품으로 활용하기 위한 연구도 이루어지고 있 CVI 방법으로 제조된 SiC/SiC 복합체는 기공의 는데 단층으로 구성된 SiC 복합체를 비등형 경수로 잔류로 인해 충분한 가스기밀성을 갖지 못하기 때 의 핵연료 channel box로 적용하기 위한 연구도 이 문에 핵연료 피복관으로 적용하기 위해서는 그림 2 루어지고 있다. SiC 복합체 핵연료 피복관 관련 연 에 나타낸 것과 같은 다층 구조로 제조될 필요가 구는 미국뿐만 아니라 일본, 프랑스 등에서도 이루 있다. 가장 안쪽 층은 핵분열 생성물을 담지하기 위 어지고 있다. 일본에서는 INSPIRE 및 SCARLET 프 해 고밀도의 CVD SiC 층으로 이루어지고 기계적 로그램을 통해 2012년부터 경수로용 SiC 복합체 피 특성의 향상과 취성파괴 방지를 위해 SiC/SiC 복 복관 개발에 착수하였는데 NITE 공정이라고 불리 합체로 CVD SiC 층을 감싸게 된다. 가장 외곽층은 는 고온가압소결 공정을 통해 복합체의 기지상을 제 내부식 특성 향상을 위해 다시 CVD SiC 층이 코 조하는 개념이다. 고온가압소결 공정에서는 소결조 팅된 구조를 갖는다. 기존의 원자력 분야 적용을 위 제의 첨가로 인한 중성자 조사 특성과 잔류 입계상 한 SiC 관련 연구는 핵융합로, 초고온가스로와 같 의 부식거동에 대한 검토가 필요하다. 프랑스에서는 은 고온형 원자로에 주로 집중되어 왔기 때문에 경 소듐냉각 및 가스냉각 고속로용 핵연료 피복관 적용 수로 환경에서의 SiC 세라믹스의 특성 및 성능 데 을 목적으로 SiC 복합체 튜브 중간에 Nb, Ta 등의 이터는 많이 부족한 실정이다. SiC 복합체를 경수 내열금속 라이너를 삽입하는 샌드위치 구조의 복합 로용 핵연료 피복관으로 적용하기 위해서는 핵연 체 피복관을 개발하고 있는데 경수로 피복관으로의 료 및 시스템 설계 관점, 열수력 관련 등 매우 다양 활용도 함께 고려하고 있다. 이 경우 내열금속의 매 한 분야에서의 연구 및 검증이 필요할 것으로 예상 우 큰 중성자 흡수단면적이 문제가 되며 경수로 응 되지만 여기서는 재료 관점에서 우선 고려되어야할 50 ceramic korea

51 사항들을 소개하고자 하였다. 통해 SiO2 피막이 수중으로 용해되거나 SiO2의 형 성 대신 Si(OH)4 gel이 형성된 후 용해되기 때문인 가. 부식 및 고온산화 것으로 알려져 있다. SiC 세라믹스는 공기 중에서 산화를 통해 표면에 SiO2 부동태 피막을 형성하게 되며 SiO2를 통한 산 SiO2 + H2O H2SiO3- + H+ SiO H+ 소의 확산이 매우 느리기 때문에 일반적으로 매우 Si(OH)4 H3SiO4- + H+ H2SiO H+ 우수한 내부식성(내산화성) 및 내화학성을 갖는 것 으로 알려져 있다. 그러나 SiC의 내부식성은 제조 그러나 최근의 연구에 따르면 경수로 수화학 환경 공정 및 환경조건에 따라 크게 영향을 받는데 예를 에서 용존수소를 주입할 경우 CVD SiC의 내부식 들어 고온, 고압수 분위기나 수증기가 존재하는 환 특성이 매우 우수한 것으로 밝혀졌다 [4]. 반면 방사 경에서는 SiO2 피막의 안정성이 저해됨으로써 내부 선 조사가 존재하는 실제 경수로 환경에서는 물의 식성의 감소가 일어나게 된다. 방사선 분해와 소재의 손상으로 인해 부식이 가속 그림 3은 SiC의 제조공정에 따른 고온, 고압수 분 될 수 있으므로 이에 대한 검증이 필요하다. SiC의 위기에서의 내부식성의 차이에 대한 예를 나타낸 부식에 관한 kinetics는 연소도 증진, 경제성, 사용 것이다. Free Si이 다량 존재하는 Reaction-bonded 수명 등에 영향을 미치는 중요한 요소이기 때문에 SiC의 경우(그림 3의 a) free Si이 심하게 부식되어 이에 대한 검증이 선행될 필요가 있다. 또한 미세원 가장 나쁜 내부식 특성을 갖는다. B 및 C이 소결조 소 첨가, 미세구조 제어 등을 통한 SiC의 내부식 특 제로 첨가된 sintered SiC는(그림 3의 b) 소결조제 성 향상을 위한 연구도 병행될 필요가 있을 것이다. 의 입계 편석에 따라 입계 부위에서의 선택적인 부 고온의 수증기가 존재하는 환경에서 Zr 합금을 식이 관찰되고 있으며 부식이 진행됨에 따라 SiC 입 비롯한 차세대 피복관 후보 소재들에 대한 산화 저 자가 떨어져 나가는 현상이 나타난다. 반면, 고순도 항성을 평가하는 연구도 활발히 이루어지고 있는데 의 CVD SiC는(그림 3의 c) 가장 우수한 내부식성 1200 에서 CVD SiC는 Zr 합금에 비해 수백배 낮 을 나타내었지만 이 경우도 입계의 선택적인 부식 은 산화율을 보여 매우 우수한 산화 저항성을 나타 현상이 관찰된다. 내는 것으로 보고된 바 있다. 그러나 중대사고 조건 고온, 고압수에서 SiC의 부식은 다음의 반응식을 에서 SiC 복합체 피복관의 성능을 입증하기 위해서 는 고온 수증기 산화 후 기계적 특성의 변화, 핵분 열 생성물의 담지 특성, 열충격 특성 등에 대한 다 양한 평가가 필요할 것으로 여겨진다. 나. SiC 접합 SiC는 용접이 불가능하기 때문에 봉단마개 접합 을 위한 기술개발이 요구된다. 현재까지 원자력 분 야로의 적용을 위한 SiC의 접합은 주로 핵융합 로 적용을 위한 연구개발이 이루어져왔다. 원자력 분야의 응용을 위해 고려되고 있는 접합 방법들 은 diffusion bonding, transient eutectic phase joining, solid-state displacement reactions, glass-ceramic joining, preceramic polymer 그림 3. 고온,고압수에서 SiC 세라믹스의 부식 현상[3] route, laser joining, selective area CVD 등을 들 August

52 전략산업 핵심소재 탄화물 기술 개발 동향 및 산업 전망(1) 표 1. 원자력용 SiC 접합공정 [5] Method Process temp. Pressure needed Typical strength Radiation performance On-going/ recent R&D Metal diffusion bonding ~1400 yes >~150MPa shear Expectedly good NASA, Bettis, EU fusion Transient eutectic phase joining ~1800 yes/no ~200MPa shear Expectedly good Kyoto U., Dresden, etc. Glass-ceramic joining ~1400 no ~100MPa shear Positive results POLITO Brazing various no various unknown Snecma, ENEA, etc. SiC reaction bonding ~1450 yes/no ~200MPa shear Expectedly unstable NASA MAX phase reaction bonding ~1425 yes >50MPa shear unknown PNNL Preceramic polymer joining >~1100 yes 10 s MPa shear Expectedly unstable PNNL, etc. Transient liquid metal joining very high yes/no N/A unknown POLITO, EWI Selective area CVD ~1200 no N/A Expectedly good U. Conn., etc. 수 있다. 표 1은 다양한 SiC 접합방법에 대한 공정조 건 및 주요 특성을 요약한 것이다 [5]. 400 이하의 조사온도에서의 조사 후 강도 변화 에 대한 데이터는 충분치 않지만 300, 6 dpa까지 핵융합로나 고온형 원자로의 적용을 위한 접합공 는 강도 변화가 거의 없는 것으로 보고된 바 있다. 정에 대한 연구는 다양하게 이루어지고 있으나 아 그러나 삼중층 구조를 갖는 SiC 복합체 피복관의 직까지 경수로 환경에 적합한 SiC 복합체 피복관용 경우에는 층간의 조사에 의한 부피변화 정도에 차 접합 방법은 검증된 바가 없다. MITR-II 연구로를 이가 있어 이로 인한 응력 발생의 소지가 있으며 경 이용한 조사시험에서는 solid-state displacement 수로 환경에서는 물분자의 radiolysis에 의해 SiC의 reaction, Ti foil을 이용한 diffusion bonding, 부식속도가 가속화될 수 있다. CaO-Al2O3 glass-ceramic joining 방법을 이용한 실제로, SiC 복합체 튜브에 대한 MITR-II 조사 시 SiC 단미소재에 대한 접합부의 건전성을 평가하였 험에서는 1 dpa 이하의 중성자 조사량에서도 튜 는데 TiC와 Si를 접합소재로 사용한 접합부 중 일부 브의 기계적 특성 감소가 보고된 바 있다 [7]. 중성 만이 기본 특성을 유지하는 것으로 보고된 바 있다. 자 조사는 SiC 복합체의 부피 팽창을 가져오는데 SiC 복합체 피복관용 봉단마개 접합부는 내부식성, 부피팽창의 정도는 의 point-defect 내조사성 뿐만 아니라 봉단마개 접합공정에 손쉽 swelling region에서는 조사온도의 증가에 따라 거 게 적용 가능하여야 한다. 봉단마개의 형상과 접합 의 선형적으로 감소한다 [8]. 또한 부피변화는 1 dpa 공정의 요구조건을 고려할 때 laser joining 과 같이 이하에서 빠르게 포화되며 이후에는 조사량이 증가 고온 또는 고압의 공정조건이 요구되지 않는 방법 하여도 1000 이하의 조사온도에서는 일정한 값 에 대한 우선적인 검토가 필요하며 이의 적용을 위 을 유지한다. SiC/SiC 복합체와 CVD SiC의 부피변 해서는 적절한 filler 소재의 선정이 관건이 될 것으 화는 300 에서 약 1.4%와 2%로서 약간의 차이가 로 판단된다. 있다. 따라서 CVD SiC 층과 SiC 복합체층 간의 부 피변화의 차이는 층간의 박리를 유발할 수 있기 때 다. 중성자 조사 특성 문에 충분한 검토가 필요한 사항이다. SiC/SiC 복합체의 기계적 특성에 대한 중성자 조사 안정성은 의 조사온도 범위에서 충분 라. 열전도도 히 입증되고 있다. 고순도의 CVD SiC는 상온에서의 열전도도가 300 [6] 52 ceramic korea

53 W/m K 이상으로 매우 높은 값을 갖지만 SiC/SiC 도의 편차가 작음을 의미한다. CVD SiC 단미 소재 복합체는 SiC 섬유의 상대적으로 낮은 열전도도, 의 경우 파괴강도의 Weibull 계수는 6-10로 알려져 기공의 존재, 열분해 탄소로 이루어진 계면상의 낮 있으며 단미 소재에 비해 신뢰성이 높은 SiC/SiC 복 은 열전도도 등으로 인해 CVD SiC에 비해 낮은 열 합체는 20 이상의 값을 갖는 것으로 보고되고 있다. 전도도를 갖게 된다. Tyranno SA3와 Hi-Nicalon 반면, SiC 복합체의 SiC 기지상에 미세균열을 야 Type S 섬유로 강화된 SiC/SiC 복합체의 열전도도 기하는 응력 값은 복합체의 인장응력( 는 각각 25 W/m K와 10 W/m K 정도의 값을 갖는 MPa)에 비해 현저히 낮은 값을(< 100 MPa) 가지며 다. 또한 SiC/SiC 복합체의 열전도도는 중성자 조사 응력 값의 편차도 매우 크다. SiC 기지상의 미세균 에 의해 감소되며 감소폭은 조사온도의 증가에 따 열 형성은 저장된 에너지의 전파에 의해 내부 기밀 라 줄어들게 된다. 경수로 환경에서 SiC 복합체 튜 층 및 내환경층으로까지 균열 진전을 야기할 수 있 브의 조사 후 열전도도는 3-5 W/mK 정도의 값을 어 냉각수 내로의 핵분열 생성물 유출을 일으킬 수 가질 것으로 예상된다. 있다. 위의 Weibull 통계식에 따르면 기지상의 미세 SiC 복합체 튜브의 낮은 열전도도는 핵연료 온도 균열 응력에 대한 scale parameter와 Weibull 계수 의 상승을 유발하여 안전 여유도의 감소를 가져올 를 각각 100과 8로 가정하였을 때 기지상의 미세균 수 있다. MIT에서는 FRAPCON 코드를 이용한 계 열 확률을 10-6 이하로 유지하기 위해서는 SiC 복합 산에서 SiC 복합체 피복관을 사용하였을 때 핵연료 체 튜브에 가해지는 응력을 약 20 MPa 이하의 낮은 의 평균온도가 Zr 힙금에 비해 약 280 더 높아질 값으로 제한할 필요가 있게 된다. 따라서 SiC 기지 것으로 예측하였으며 핵연료의 안전 여유도 확보를 상의 기계적 특성에 대한 신뢰성을 증진시킬 수 있 위해 annular pellet 형태의 핵연료를 제안한 바 있 는 방안을 모색하거나 다중 방호벽의 개념을 갖는 다 [7]. SiC 복합체 튜브의 낮은 열전도도로 인해 야 신개념 핵연료의 적용도 검토할 필요가 있다 [9]. 기될 수 있는 또 다른 문제는 튜브의 안쪽과 바깥 층 사이의 열팽창 차이와 부피변화 차이에 의한 이 바. 제조 및 비용 차 응력의 발생이다. SiC 복합체 튜브의 두께 방향 세계적으로 SiC/SiC 복합체를 제조하는 회사는 GE 온도차는 약 100 정도가 될 것으로 예상된다. 이 Energy, BF Goodrich, Hypertherm HTC, Snec- 러한 온도차에 의한 열응력과 부피변화 차이에 의 ma, Coorstek, Saint-Gobain 등의 여러 곳이 있으 한 이차 응력은 복합체 기지상에 미세균열을 유발 나 원자력급의 복합체를 제조할 수 있는 곳은 매우 시켜 핵분열 생성물 담지능력을 떨어뜨릴 수 있으며 제한적이다. 현재의 설비로서는 m 길이의 튜 복잡한 상호작용을 가질 것으로 예상된다. 브를 제조할 수 있는 것으로 알려져 있어 4m의 길 이를 갖는 경수로 핵연료 피복관 제조를 위해서는 마. 기계적 특성의 신뢰성 시설 투자가 필요한 상황이다. 또한 피복관에서 요 SiC 세라믹스와 같은 취성 재료의 강도는 확률적 구하는 치수정밀도나 직진성 등을 만족하기 위한 분포를 가지며 다음과 같은 Weibull 통계식을 통해 공정 개선도 필요하다. 또한 원자력급의 SiC 섬유 해석된다. 는 10,000 $/kg 정도로 아직은 매우 고가이기 때문 에 대량 생산을 통한 섬유 단가의 감소가 필요하다. SiC 복합체 피복관의 높은 제조 단가에도 불구하고 이의 적용을 통한 연소도 및 출력 증진과 안전성 향 여기서, F는 부피가 V인 재료가 σ의 응력에서 파 상 등을 고려하면 충분한 경제적 이득이 있을 것으 괴될 확률, σu는 파괴확률이 0인 임계응력, σ0는 로 예상하는 경우도 있으나 위에서 열거한 여러 이 scale parameter, m은 Weibull 계수로서 클수록 강 슈들을 고려한 보다 면밀한 경제성 분석이 필요할 August

54 전략산업 핵심소재 탄화물 기술 개발 동향 및 산업 전망(1) 것으로 여겨진다. 국내의 경우 세라믹 복합체 제조 참고문헌 를 위한 산업 인프라는 미국, 일본, 프랑스 등의 선 진국에 비해 매우 취약한 실정이다. 현재 원자력급 [1] K. Yueh, D. Carpenter, and H. Feinroth, Nucl. 의 SiC/SiC 복합체를 제조할 수 있는 국내의 산업체 Eng. Int., 55(2010) 14. 는 전무한 실정으로 국내의 연구개발 및 제조 인프 [2] K. Barrett, S. Bragg-Sitton, and D. Galicki, 라를 확충하는 것도 시급하다 할 수 있겠다. Advanced LWR Nuclear Fuel Cladding System Development Trade-off Study, INL/EXT , 결 론 [3] W.-J. Kim, H. S. Hwang, J. Y. Park, and W. -S. Ryu, J. Mater. Sci. Lett., 22(2003) 581. SiC 복합체의 경수로용 핵연료 피복관 적용을 위해 [4] D. Kim, H.-G. Lee, J. Y. Park, J.-Y. Park, 서는 아직은 검증되어야할 여러 현안들이 존재한 W.-J. Kim, Corros. Sci., in press, 다. SiC의 경수로 환경에서의 부식 거동에 대한 정 org/ /j.corsci 확한 이해는 초고연소도 달성 및 정상운전 조건에 [5] Y. Katoh, T. Hinoki, M. Ferraris, and C.H. 서의 성능 검증 관점에서 시급히 이루어져야할 사 Henager, Radiation Stability of Silicon Carbide 항이며 부식 저감을 위한 방안의 모색이 필요하다. Joints Made by Various Bonding Methods, 37th SiC 복합체 기지상의 미세균열 형성에 대한 신뢰도 International Conference & Exposition on 향상 및 핵분열 생성물 가스에 대한 기밀성 보증은 Advanced Ceramics & Composites, January 31, 큰 도전과제 중의 하나이며 소재 특성의 개선뿐만 아니라 핵연료 설계 관점에서의 접근도 필요할 것이 [6] Y. Katoh and L. L. Snead, Fus. Sci. Technol., 다. 봉단마개 접합부는 부식 저항성 및 모재와의 조 56(2009) 사거동 양립성을 갖추어야 하며 봉단마개의 형상과 [7] D. Carpenter, An Assessment of Silicon 공정절차를 고려한 접합방법의 선정이 요구된다. 경 Carbides as a Cladding Material for Light Water 수로 핵연료 피복관용 SiC 복합체는 여러 가지 기술 Reactors, Ph. D. Thesis, Massachusetts Institute of 적 난제에도 불구하고 성공적으로 적용이 이루어질 Technology, 경우 원자로의 경제성 및 사고 안전성을 획기적으 [8] L. L. Snead, Y. Katoh, and S. Connery, J. Nucl. 로 증대시킬 수 있는, 파급효과가 매우 큰 소재이다. Mater., (2007) 677. 또한 SiC 복합체는 초고온가스로의 노내 구조물 및 [9] W.-J. Kim, D. Kim, and J. Y. Park, Nucl. 열교환기 부품, 핵융합로 블랭킷 구조재, 고속증식 Eng. Technol., 45 [4](2013) 565. 로 핵연료 피복관 등 다양한 미래원자력시스템 및 부품에 적용될 수 있는 핵심 소재로서 이와 같은 다양한 활용성을 고려한 연구개발이 필요할 것이다. 뿐만 아니라 SiC 복합체는 고효율 에너지 관련 산 업, 국방, 우주항공 산업 등에서 요구하고 있는 초고 온 소재로 적용이 가능하기 때문에 고성능 핵연료 피복관 제조기술의 spin-off를 통해 이들 산업에서 요구되는 핵심기술을 확보하고 국가 전략소재의 해 외의존성을 극복하는데 기여할 수 있을 것으로 기 대된다. 54 ceramic korea 김원주 박사 - 서울대학교 공과대학 무기재료공학과 학사 - 한국과학기술원 재료공학과 석사 - 한국과학기술원 재료공학과 박사 - 한국원자력연구원 박사후 연수연구원 - 한국원자력연구원 선임연구원 - 현재 한국원자력연구원 책임연구원

55 Special 전략산업 핵심소재 탄화물 기술 개발 동향 및 산업 전망(1) 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체의 소결조제 기술 동향 윤 당 혁_ 영남대학교 신소재공학부 교수 카 티 라 주_ 영남대학교 신소재공학부 연구교수 다. 이러한 취성파괴의 단점을 보완하기 위하여 섬 1. 서 론 유강화를 활용한 복합체의 제조가 제안되었으며, 탄화규소(SiC)는 우수한 열적, 기계적, 화학적 특성 다양한 연구가 진행되어 오고 있다. 특히, 고온에서 으로 인하여 우주항공 및 고온 에너지 관련 부품 안정한 SiC 장섬유의 개발로 가능해진 탄화규소 섬 등과 같은 극한 환경에서의 활용이 가능하다.[1] 특 유강화 탄화규소 복합체(SiCf/SiC)는 SiC의 우수한 히, 중성자 조사조건 하에서의 상대적인 안정성 때 기계적, 화학적, 열적 특성의 유지와 함께 취성의 단 문에 차세대 원자로인 가스냉각 고속로(GFR), 용융 점을 보완하고 인성을 부여하는 것이 가능한 구조 염 원자로(MSR), 나트륨냉각 고속 원자로(SFR) 및 이기 때문에, 원자로의 구조재료에의 적용 등과 같 초고온 원자로(VHTR) 등 핵분열로의 부품 및 미래 이 SiC 기반 세라믹의 활용의 폭을 더욱 확대할 전 형 핵융합로의 블랭킷(blanket) 등으로의 활용이 망이다. 현재까지 개발된 상용 SiC 섬유는 몇 가지 기대되고 있다. 하지만, SiC는 Si와 C간 전체 결합 가 존재하지만, 이들 중 일본 Ube사가 상용화한 력의 88%에 해당하는 강한 공유결합력과 자체의 TyrannoTM SA 섬유는 C/Si의 비가 1.08로 화학양 낮은 고온 확산계수로 인하여 치밀화된 구조를 구 론에 근접하며, 산소가 없는 분위기에서는 2200 현하기 위해서는 2500 의 높은 온도와 50MPa의 까지 열적 안정성을 보유하여 가장 우수한 섬유로 압력 하에서의 열간가압소결(hot pressing)이 필요 알려져 있다.[5] 섬유강화 세라믹 복합체에 인성을 한 것으로 알려져 있다.[3,4] 따라서 소결온도와 압력 부여하기 위해서는 crack을 편향시키기 위한 섬유 을 낮추기 위하여 1970년대부터 소결조제를 사용 (fiber)와 기지상(matrix) 간에 약한 계면을 형성 하여 왔으며, 소결조제의 역할에 따라 고상 소결조 하는 것이 중요하며, 이를 위하여 SiC 섬유에 열분 제와 액상 소결조제로 구분이 된다. 하지만, 첨가한 해 탄소층(PyC)을 코팅하는 것이 일반적이다. SiCf/ 소결조제는 소결을 촉진시키는 반면에 SiC의 열적, SiC 복합체를 형성하기 위해서는 직조된 SiC 섬유 기계적 특성을 감소시키기 때문에 그 첨가량을 최 사이에 존재하는 기공을 SiC 기반 기지상으로 침착 소화하는 것이 바람직하다. 하여야 하며, 현재까지 시도된 주요 방법으로는 화 [2] SiC는 소결의 어려움 이외에도, 일반 세라믹 단미 학침착법(CVI: chemical vapor infiltration), 고분 체의 보편적인 약점인 취성파괴의 문제점이 존재한 자 함침 열분해법(PIP: polymer impregnation and August

56 전략산업 핵심소재 탄화물 기술 개발 동향 및 산업 전망(1) pyrolysis), 용융함침법(melt infiltration), NITE 으로는 가스압력소결법(gas pressure sintering) 법(nano-infiltrated transient eutectoid), 진공함 이 있는데, 이 방법은 개기공이 없어지고 폐기공 만 침법(vacuum infiltration) 및 전기영동법(elec- 이 존재할 때까지 진행하는 1차 소결 이후에 가스 trophoretic infiltration) 등이 있다.[6] 압을 인가하여 더욱 치밀화시키는 2차 소결을 진 고밀도 SiCf/SiC 복합체의 제조에 있어서 SiC 섬유 행함으로써 기공을 제거하는 방법이다.[9] 가스압력 의 손상을 최소화하기 위해서는 1800 이하의 온 소결법은 열간가압소결법에 비하여 다양한 형상의 도에서 소결하는 것이 바람직하기 때문에, 2000 소결이 가능한 장점을 보유하고 있지만, 복잡한 소 이상의 소결온도를 필요로 하는 고상 소결조제보다 결방법이 그 단점으로 지적된다. 고온등가압소결법 는 1800 내외의 온도에서 치밀화가 가능한 액상 (hot-isostatic sintering)은 유리나 금속용기에 밀 소결조제를 첨가하여 열간가압소결을 진행하는 것 봉한 소결체를 고온 가압 분위기에서 소결하는 방 이 일반적인 방법이다. 본 고에서는 현재까지 제안 법으로, 수 MPa의 압력을 이용하는 가스압력소결 된 SiC 소결법과 고상 및 액상 소결조제에 대한 설 법보다 높은 수 백 MPa의 가스압력을 이용하는 점 명을 하고자 한다. 특히, 다양한 금속 전형원소와 이 이 다르다.[10] 이외에도 수 GPa의 압력을 소결과정 들의 산화물 및 희토류 원소를 이용하여 효율적인 중에 이용하는 초고압소결법(ultra-high pressure SiC의 액상 소결조제를 선정하기 위한 열역학적 접 sintering), 전도성이 있는 몰드 내에 위치한 SiC에 근법과 실험결과를 소개하였다. 순간 전류 펄스를 인가함으로써 소결하는 방전플라 즈마소결법(spark plasma sintering)과 고온의 소 결과정 중에 전압을 인가함으로써 소결을 진행하는 플래시소결법(flash sintering)법 등이 있다. 하지만 2. 본론 위에서 언급한 모든 소결법을 사용함에 있어서 SiC 의 소결을 촉진하기 위해서는 소결조제의 사용이 1-1. SiC 소결법 필수적이므로, 효율적인 소결조제를 모색하기 위한 SiC는 고온재료로써의 활용가능성이 매우 높기 때 다양한 노력이 이루어졌다. 문에, 강한 공유결합력과 낮은 자체 확산계수로 인 한 난소결성을 해결하기 위한 다양한 소결방법이 1-2. 고상 및 액상 소결조제 제안되었다. 첫 번째가 무가압소결법(pressureless sintering)으로서, 소결과정 중에 압력을 가하지 않 대표적인 고상 소결조제로는 B와 C 그리고 이들의 기 때문에 성형된 어떠한 형상도 소결이 가능한 장 화합물인 B4C가 있으며, 이들 소결조제는 소결과 점이 있지만, 높은 밀도를 구현하기 위해서는 높은 정 중에 고상으로 존재하면서 SiC의 소결을 촉진하 소결온도와 압력, 그리고 많은 양의 소결조제를 첨 기 때문에 98% 이상의 밀도를 구현하기 위해서는 가하여야만 하는 문제점이 있다.[7] SiC의 소결에 가 2000 이상의 온도가 필요하다.[11] 또한 B와 C가 장 많이 활용되고 있는 열간가압소결법(hot press- 동시에 첨가된 경우에만 소결조제로서 역할을 하는 ing)은 소결과정 중에 상하방향으로 수십 MPa의 것으로 알려져 있다. Coble에 의하면 SiC의 고상소 압력을 인가함으로써 소결을 촉진하는 방법이지만, 결은 1) 입자간 결합이 일어나면서 입자성장이 나 일방향 압력의 인가 및 몰드의 사용으로 인하여 복 타나는 단계, 2) 폐기공이 입계간 교차하면서 수축 잡한 형상의 구현이 어려운 문제점이 있다. 열간가 을 보여주는 단계 및 3) 내부의 기공이 구형으로 고 압소결법을 적용하는 경우에 소결온도를 1650 립되어 사라지면서 밀도를 높여주는 3단계로 구성 까지 낮출 수 있음이 보고되었다. 또 다른 소결법 된다.[12] [8] 56 ceramic korea

57 한편, 1980년대 초반 Omori 등에 의하여 제안된 asic(s) + bm(s,l) cmxcy(s,l) + asi(s,l) (1) Y2O3와 Al2O3 는 고온 소결과정 중에 액상으로 변 asic(s) + bm(s,l) dmpsiq(s,l) + ac(s,l) (2) 화되어 SiC의 소결을 촉진하는 대표적인 액상 소결 asi(s,l) + ac(s) asic(s) (3) 조제이다.[13] 액상 소결조제는 SiC의 입계에 액상으 bm(s,l) + ac(s) cmxcy(s,l) (4) 로 존재함으로써 Si와 C의 확산을 촉진시키기 때문 bm(s,l) + asi(s) dmpsiq(s,l) (5) 에 1800 내외의 온도에서도 98% 이상의 소결밀 도를 구현하는 것이 가능하다. 액상소결법은 고상소 상기 반응식 (1)과(2)에 나타난 바와 같이 금속 결법에 비하여 낮은 온도에서 소결이 가능하기 때 (M)이 소결조제로 첨가되었을 때 SiC를 분해시킨 문에 산업계에서 널리 사용되고 있다. 첨가한 액상 다면, 각각 금속탄화물(MxCy)과 Si 또는 금속규화 소결조제에 의해서, 또는 소결조제와 SiC 표면에 필 물(MpSiq)과 C을 생성하게 됨으로써, SiC의 소결조 수적으로 존재하는 산화층인 SiO2간의 공융반응으 제로 사용할 수 없게 된다. 위의 반응식 (1)과 (2)는 로 인하여 액상이 형성된다. German에 의하면 액 각각 반응식 (4)-(3), (5)-(3)으로 표시할 수 있기 상 소결기능은, 1) 형성된 액상 내에서 SiC입자가 재 때문에, 이들의 자유에너지는 각각 G04- G03과 배열하는 단계, 2) 용액-재석출 현상에 의하여 SiC G05- G03으로 파악할 수 있다. 그림 1은 다양한 금 의 조대화가 일어나는 Ostwald 숙성 단계 및 3) 최 속원소의 금속탄화물과 규화물 형성에 대한 깁스 종적으로 매우 느린 고상소결이 일어나는 3단계로 자유에너지를 도표화한 것으로, 빗금친 영역은 일 구성이 된다. 하지만 액상 소결조제는 소결 후 반적인 액상 소결온도인 1700 ~ 1850 를 표시한 SiC의 입계에 유리질로 편석되어 고온에서 우선적 것이다.[15] 일반적으로 알려진 Al과 Mg 외에도, 중 으로 용융이 됨으로써 SiC의 고온특성을 저하시키 성자 조사조건 하에서 상대적을 안정하다고 알려진 기 때문에, 그 첨가량을 최소화할 필요가 있다. 효 금속인 Cr, Fe, Ta, Ti, V 및 W을 포함하였다. 그림 율적인 액상 소결조제로 사용되기 위해서는 첨가된 1에서 G03 위에 위치하는 화합물들은 SiC보다 안 소결조제가 1) 고온에서 SiC를 분해시키지 않으며, 정하지 않기 때문에 열역학적으로 생성이 어렵다는 2) 소결온도에서 액상을 형성하고, 3) 형성된 액상 것을 의미하며, 따라서 이들 금속들이 소결과정 중 이 SiC의 입계에 고르게 분포할 수 있도록 젖음성 에 SiC를 분해시키지 않게 되는데, 전형원소 중에는 이 좋을 것, 그리고 4) 고온 소결조건에서 액상의 기 Al과 Mg만이 이에 해당됨을 알 수 있다. 즉, 이외의 화를 최소화하기 위하여 낮은 증기압을 보여줄 필 모든 금속들은 소결과정 중에 SiC를 분해시켜 금속 요가 있다.[15] 탄화물 또는 규화물을 형성하기 때문에 SiC의 소결 [14] 조제로 사용이 어렵다. 거의 모든 금속 전형원소는 1-3. 금속 전형원소를 이용한 SiC 액상 소결조제 1850 까지의 증기압이 1기압보다 낮기 때문에 소 결조제의 휘발 문제는 크지 않음을 열역학적 계산 일반적인 금속 전형원소들은 SiCf/SiC의 소결온도 을 통하여 확인하였다.[15] 인 1700 ~ 1800 에서 용융되기 때문에 액상을 형 이러한 결과를 바탕으로 다양한 금속 전형원소를 성하지만, 고온 소결조건에서 첨가한 금속에 의한 SiC의 액상 소결조제로 첨가하여 소결한 결과, 그림 SiC 분해여부는 깁스 자유에너지를 바탕으로 하는 2의 (a)에 나타난 바와 같이 열역학적 시뮬레이션에 열역학적인 고찰이 필요하다. 아래의 화학반응식을 서 예상한 대로 Al과 Mg를 제외한 모든 원소는 금 바탕으로 하는 깁스 자유에너지 계산을 통하여 금 속 탄화물 또는 규화물을 형성함을 알 수 있다. 또 속원소들의 소결조건 하에서의 안정성을 파악할 수 한, 그림 2의 (b)에 나타난 바와 같이, Al과 Mg이외 있다. 의 금속원소들은 SiC의 소결밀도 증진에 크게 기여 [15] August

58 전략산업 핵심소재 탄화물 기술 개발 동향 및 산업 전망(1) 그림 1. 소결조제로 첨가된 금속 전형원소의 SiC와의 반응을 통한(a) 금속 탄화물 및 (b) 규화물 형성 여부를 파악할 수 있는 깁스 자유에너지 도표. 빗금 친 부분은 SiC의 액상소결 온도구간인 1700 ~ 1850.[15] 그림 2. (a) 다양한 금속원소를 소결조제로 사용한 경우의 XRD상 분석 결과 및 (b) 소결조제 첨가량에 따른 SiC 소결밀도 변화[15] 하지 않음을 1750, 20 MPa 하에서의 열간가압소 한 경우가 대부분이며, 특히 Al2O3, Y2O3 및 MgO 결을 통하여 확인하였다. 그림 2의 (b)에 점선으로 의 혼합물을 주로 사용하였다. 이외에도 Lu2O3 및 표시된 선은 소결조제를 첨가하지 않은 경우의 SiC Al2O3-Y2O3-CaO, Al2O3-Y2O3-SiO2 등의 혼합물 소결밀도이다. 과 Y-Mg-Si-Al-O-N 글래스 계열을 사용한 보고 도 있다. 소결조제인 산화물과 SiC가 고온 소결조 1-4. 금속산화물을 이용한 SiC 액상 소결조제 건에서 반응이 일어나는 경우에 SiC 분해 생성물 로 금속(M), 금속 탄화물(MxCy) 또는 금속 규화물 기존의 연구보고에 따르면 SiC의 액상소결에서 (MpSiq)을 생성하게 되며, 이를 아래의 화학반응식 는 금속보다는 금속산화물을 소결조제로 사용 (6) ~ (8)에 나타내었다.[16] 58 ceramic korea

59 SiC(s) + bmvow(s,l) 2/3SiO2(s,l) + 응을 표기한 (12)의 반응식에서 각각 반응식 (9), 2/ 3 am(s,l) + CO(g) (6) 2/ 3 SiC(s) + dmvow(s,l) 2/3SiO2(s,l) + 속의 경우와 유사한 이들 반응에 대한 깁스 자유 2/ 3 cmxcy(s,l) + hco(g) (10) 및 (11)을 빼줌으로써 얻을 수 있다. 앞의 금 (7) SiC(s) + mmvow(s,l) rsio2(s,l) + 에너지 계산을 바탕으로, 아래 그림 3의 산화물의 1700 에서의 SiC 분해 가능 여부에 대한 결과를 2/ 3 kmpsiq(s,l) + CO(g) (8) 얻을 수 있다. 그림 3에서 빗금 친 영역에 나타난 산 am(s,l) + O2(g) bmvow(s,l) (9) 화물들이 고온에서 안정하여 SiC를 분해시키지 않 (10) 으며, 이외의 영역에 위치한 산화물들은 고온 소결 kmpsiq(s,l) + O2(g) mmvow(s,l) + nsio2(s,l) (11) 과정에서 SiC를 분해시키면서 (a) 금속 탄화물 또 2/ 3 cmxcy(s,l) + O2(g) dmvow(s,l) + eco(g) SiC(s) + O2(g) SiO2(s,l) + CO(g) 2/ 3 2/ 3 2/ 3 (12) 는 (b) 금속 규화물을 생성하게 된다. 따라서 Al2O3, Y2O3 및 MgO 만이 열역학적인 안정성 측면에서 SiC 분해에 따라 금속, 금속 탄화물 또는 규화물 SiC의 소결조제로 활용이 가능하며, 그 외의 산화 을 생성하는 화학반응식 (6), (7), (8)은 SiC 산화반 물들은 소결조제로 사용이 어렵다는 결론을 도출 그림 3. 깁스 자유에너지 계산을 바탕으로 액상 소결조제로 첨가한 금속 산화물의 1700 에서의 (a) 금속 및 금속 탄화물 또는 (b) 금속 및 금속 규화물 형성 여부를 파악하는 계산 결과[16] 그림 4. (a) 다양한 금속 산화물을 SiC 액상 소결조제로 사용한 경우의 XRD 패턴을 바탕으로 하는 상 분석 및 (b) 소결조제 첨가량에 따른 SiC 소결밀도 변화[16] August

60 전략산업 핵심소재 탄화물 기술 개발 동향 및 산업 전망(1) 하게 된다. 그림 3을 바탕으로 판단할 때, Cr2O3, 결조제로 활용할 수 있는 재료는 Al과 Mg 및 이들 Fe2O3, Ta2O5, V2O5 및 WO3 등은 해당 금속이나 금 의 산화물로 매우 제한적이다. 따라서 사용 가능한 속탄화물 또는 규화물을 형성하게 되며, TiO2의 경 액상 소결조제를 보다 넓은 범위에서 모색하기 위 우에는 금속 Ti을 생성하지는 않으나 Ti-탄화물 또 하여 희토류 산화물 및 희토류 질산염을 포함하여 는 Ti 규화물을 생성하게 된다. SiC의 액상 소결조제로써의 활용가능성을 살펴보 다양한 금속 산화물을 SiC의 액상 소결조제로 첨 았다.[17-19] 희토류 원소는 지구상에 존재하는 희귀 가하여 소결한 결과, 그림 4의 (a)에 나타난 바와 한 원소를 지칭하는 말로써, 15종의 란탄계 원소들 같이 열역학적 시뮬레이션 결과와 동일하게 Al2O3, (La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Y2O3 및 MgO를 제외한 모든 산화물은 금속 탄화 Tm, Yb 및 Lu) 및 Sc과Y을 포함하는 17종으로 구 물 또는 규화물을 형성함을 알 수 있다. 또한, 그림 성되며, 이중 Pm은 방사능 원소이기 때문에 SiC의 4의 (b)에 나타난 바와 같이, Al2O3, Y2O3 및 MgO 소결조제로의 활용가능성은 매우 낮다. Pm을 제외 이외의 산화물들은 SiC의 소결밀도 증진에 크게 한 16종의 희토류 산화물의 고온 소결조건에서의 기여하지 않음을 열간가압소결을 통하여 확인하였 액상의 형성가능성을 앞에서 설명한 깁스 자유에너 다. 이상에서 살펴본 바와 같이 깁스 자유에너지를 지를 바탕으로 살펴본 결과, SiC의 표면에 필연적으 이용하여 살펴본 고온 소결조건에서의 소결조제의 로 존재하는 SiO2와 1700 이하의 온도에서 공융 안정성 시뮬레이션 결과는 실제 실험결과와 정확 이 일어나 액상을 형성함을 확인하였다. 실온의 공 하게 일치하기 때문에, 이러한 접근이 SiC 소결조 기분위기에서의 SiC 표면에 SiO2형성에 대한 깁스 제의 선정에 매우 효과적으로 활용할 수 있음을 알 자유에너지는 -785 kj/mol이며, 이러한 큰 깁스 자 수 있다. 유에너지 음의 값은 SiO2 층의 형성이 매우 자발적 임을 의미한다.[17] 또한 투과전자현미경과 상 분석 1-5. 희토류 산화물 및 질산염을 이용한 SiC 액상 을 통하여 SiC 표면에 두께 약 2nm의 SiO2 층이 존 소결조제 위에서 언급한 바와 같이 금속 전형원소 및 이들의 재함을 확인하였다. 그림 5에는 앞에서 설명한 화학 산화물 중에서 SiC를 분해시키지 않으면서 액상 소 바탕으로 희토류 산화물에 대한 (a) 1700 및 (b) 반응식 (6) ~ (12)에 대한 깁스 자유에너지 계산을 그림 5. 깁스 자유에너지 계산을 바탕으로 액상 소결조제로 첨가한 희토류 산화물의 (a) 1700 와(b) 1850 에서의 안정성 여부를 보여주는 그림[17] 60 ceramic korea

61 1850 에서의 열역학적 안정성을 보여주는 그림이 6의 (b)에는 수 마이크로미터의 조대한 희토류 산 나타나 있다. 그림 5에서 빗금 친 영역에 존재하는 화물을 소결조제로 사용한 경우와, 이들의 SiC 내에 희토류 산화물들이 SiC를 분해시키지 않을 액상 소 서의 균일한 분포를 얻기 위하여 고 에너지 밀링을 결조제 조건이며, 실험에 사용한 모든 희토류 산화 통하여 200nm 이하로 분쇄한 희토류 산화물을 첨 물들이 안정하기 때문에 소결조제로 활용 가능함 가한 경우의 SiC 소결밀도가 비교되어 나타나 있다. 을 파악할 수 있다. 또한, 그림 3에서 설명한 바와 미립의 희토류 산화물을 첨가하여 고른 소결조제 같이 Y2O3 또한 안정한 소결조제이므로 17종의 희 의 분포를 이룬 경우가 조대한 희토류 산화물을 첨 토류 산화물들은 SiC 표면의 SiO2와 액상을 형성하 가한 경우보다 모든 경우에 소결밀도를 증진시킴을 여 액상 소결조제로 활용 가능하다는 결론에 도달 확인할 수 있다. 점선으로 나타난 소결밀도(54%) 한다. 는 소결조제를 첨가하지 않고 소결한 SiC의 소결밀 그림 6의 (a)에는 다양한 희토류 산화물 소결조제 도이므로, 모든 경우에 희토류 산화물의 첨가를 통 를 첨가하여 1750, 20 MPa의 압력에서 1시간 동 하여 SiC의 소결밀도를 증진시킬 수 있으며 또한 소 안 열간가압소결을 실시한 SiC의 XRD 패턴이 나타 결조제의 입도를 감소시켜 균일한 분포를 이룬 경 나 있다. SiC를 분해함으로써 생성되는 희토류 금속, 우에 더욱 더 소결밀도를 증가시킬 수 있음을 알 수 탄화물 또는 규화물의 존재를 발견할 수 없으며, 이 있다. 는 열역학적인 계산을 바탕으로 앞에서 설명한 모 그림 6의 (b)에 나타난 바와 같이, 첨가하는 희토 든 희토류 산화물들이 고온에서 안정하다는 결과 류 산화물의 입도를 줄여 분포를 균일하게 함으로 와 일치한다. 그림 6 (a)의 괄호 안에 표시된 값들은 써 SiC 소결밀도 증진이 가능함을 파악할 수 있었 출발물질로 β-sic를 사용한 경우에 열간가압소결 다. 보다 균일한 소결조제의 분포는 고상 물질보다 을 통하여 생성된 α-sic의 분율을 Rietveld 시뮬레 는 액상의 형태로 첨가함으로써 구현할 수 있기 때 이션을 통하여 계산한 값으로, 고온에서의 α-sic에 문에, 희토류 산화물 대신에 희토류 질산염을 에탄 서의 β-sic로의 상전이는 잘 알려진 현상이다. 그림 올에 용해시켜 첨가시키고 동일 조건에서 열간가압 그림 6. (a) 다양한 희토류 산화물을 SiC 액상 소결조제로 사용한 경우의 XRD 패턴을 바탕으로 한 상 분석 결과 및 (b) 조대한 희토류 산화물과 이를 고 에너지 밀로 분쇄하여 미립으로 첨가한 경우의 SiC 소결밀도 변화[17] August

62 전략산업 핵심소재 탄화물 기술 개발 동향 및 산업 전망(1) 그림 7. 다양한 희토류 질산염을 SiC 액상 소결조제로 사용한 경우의 (a) 이온반경과 SiC 소결밀도 및 (b) SiC 평균입경과의 관계[18] 소결을 실시한 후 결과를 분석하였다. 사용한 희토 류 질산염이 고온 소결과정에서 희토류 산화물로 전이됨을 확인하였으며, 이는 SiC의 표면에 존재하 는 SiO2와의 반응에 의하여 나타나는 자발적인 현 상임을 열역학적으로 설명할 수 있다.[18] 그림 7의 (a)에는 사용된 희토류 질산염을 첨가한 경우의 희토류 이온반경과 SiC 소결밀도와의 관계 를 표시하였으며, (b)에는 소결 후에 얻어진 SiC의 평균입경을 나타내었다. SiC 대비 5 wt. %의 희토류 원소를 첨가한 경우에도 SiC의 소결밀도 향상을 살 그림 8. (a) Sc-nitrate 및 (b) Tm-nitrate를 첨가하여 고온가압소결을 실시한 SiC의 입계에 대한 고배율 투과전자현미경 사진[19] 펴볼 수 있으며, 특히 Sc, Yb, Tm, Er 및 Ho을 첨가 한 경우에는 이론밀도에 근접한 SiC 단미체 밀도를 구현할 수 있었다. 그림 (b)에 나타난 희토류 원소별 SiC의 평균입경 결과에서 볼 수 있듯이, Sc의 첨가 의 경우에는 평균 150nm의 미세한 SiC 입경을 구 현할 수 있었다.[18] 이러한 미세한 입경의 구현은 SiC 의 기계적 특성을 향상시킬 수 있기 때문에 매우 바 람직하다. 이러한 Sc 첨가에 따른 입경 감소의 이유를 그림 8에 나타난(a) Sc- 및 (b) Tm-질산염을 첨가하여 열간가압소결을 실시한 SiC 입계의 미세구조를 이 용하여 설명할 수 있다. Sc를 첨가한 경우에는 입계 의 두께가 1nm 이내임에 반하여, Tm을 첨가한 경 우에는 일반적인 용액-재석출 현상에 의한 액상소 결에서 나타나는 5nm 두께의 입계를 보여준다.[19] 따라서 1nm 이내의 입계를 보여주는 Sc 첨가의 경 62 ceramic korea 그림 9. SiCf/SiC의 제작에 사용된 (a) 2차원으로 직조된 Tyranno SA3 SiC 섬유, (b) SiC 섬유표면에 형성된 열분해 탄소층, (c) SiC 분말과 소결조제로 함침한 직조섬유 및 (d) 열간가압소결 후에 섬유 사이에 존재하는 액상 소결조제 사진

63 우에는 용액-재석출 현상이 아닌 contact flatten- 조제의 사용이 바람직하다. 효율적인 SiC의 액상 소 ing 기능에 의한 현상으로 파악할 수 있다. Contact 결조제로 활용되기 위해서는 고온의 소결분위기에 flattening 기능에 의하여 소결된 세라믹의 미세구 서 SiC를 분해시키지 않는 열역학적 안정성과 충분 조는 직선의 입계와 입자성장이 억제되어 미세한 한 액상의 젖음성 및 낮은 증기압 등의 조건이 필 입자크기를 보여주는 것으로 알려져 있다. 요하다. 깁스 자유에너지를 바탕으로 하는 열역학 SiC 섬유강화 SiC 복합체(SiCf/SiC)에서도 SiC단미 적 시뮬레이션과 실험결과를 바탕으로 전형원소 금 체에서와 같은 난소결의 문제점이 존재하기 때문에 속과 금속산화물은 Al과 Mg및 이들의 산화물만이 효율적인 액상 소결조제의 사용이 필수적이며, 이 고온 소결조건에서 SiC 분해시키지 않으며 액상 소 를 위하여 위에서 언급한 바와 같은 접근을 통하여 결조제로 사용이 가능함을 설명하였다. 반면, 거의 1차적으로 SiC에 효율적인 소결조제를 모색할 필요 모든 종류의 희토류 산화물들은 소결조건에서 SiC 가 있다. SiCf/SiC의 제작은 그림 9의 (a)에 나타난 를 분해시키지 않으면서 SiC 표면에 필연적으로 존 2차원으로 직조된 SiC 섬유의 표면에 (b)와 같이 열 재하는 SiO2와의 반응을 통하여 액상을 형성함으 분해 탄소층을 형성하고, 여기에 (c)에 나타난 바와 로써, 효율적인 소결조제로 작용함을 파악할 수 있 같이 SiC와 소결조제를 포함한 기지상을 침착시킨 었다. 또한 SiC 입자들 사이에 첨가되는 희토류 산 후에 열간가압소결을 통하여 구현할 수 있다. 하지 화물의 분포를 보다 균일하게 함으로써 소결밀도 만, 첨가한 액상 소결조제가 그림 8의 (d)에 나타난 를 증진시킬 수 있으며, 희토류 질산염을 용해시켜 바와 같이 SiC의 입계나 섬유 간에 존재함으로써, 액상형태로 첨가하여 보다 균일한 분포를 얻음으로 기계적 특성과 고온 특성을 저하시킬 수 있기 때문 써 소결밀도의 증진을 이룰 수 있었다. 아울러 상대 에 그 첨가량을 최소화할 필요가 있다.[20] 적으로 이온반경이 작은 희토류 원소들이 효율적인 SiC의 소결조제로 작용함을 설명하였으며, 특히 Sc 의 경우에는 SiC의 평균입경을 150nm 내외로 작게 3. 결 론 유지함으로써 기계적인 특성의 향상을 도모할 수 있음을 설명하였다. 이러한 연구결과를 바탕으로 선 탄화규소의 우수한 고온 특성으로 인하여 차세대 정된 희토류 원소를 활용하여, 파괴인성을 보유하면 원자로 및 우주항공용 부품으로 활용가능성이 매 서 우수한 기계적 특성을 보여주는 치밀한 구조의 우 높은 반면, 강한 공유결합성과 낮은 고온 확산계 SiCf/SiC 제작을 위한 노력들이 수행되고 있다. 수 때문에 소결이 어려운 문제점이 있다. 이를 해결 하기 위하여 B, C 및 B4C를 고상 소결조제로 사용 하거나, Al2O3, Y2O3 및 MgO를 액상 소결조제로 첨 참고문헌 가함으로써 SiC 소결을 증진시키고자 하는 노력이 있어 왔다. SiC 단미체의 취성파괴의 약점을 보완하 1. R. Naslain, A. Guette, F. Rebillat, R. Pailler, 기 위하여 제안된 SiC 섬유강화 SiC 복합체(SiCf/ F. Langlais, X. Bourrat, Boron-bearing species in SiC)의 제작에 있어서도 소결성 증진을 위한 소결 ceramic matrix composites for long-term aerospace 조제의 사용이 필수적인데, SiC 섬유의 손상을 최소 application, J. Solid State Chem. 177(2004) 449. 화하는 소결을 위하여 소결온도를 낮추는 것이 바 2. B. Riccardi, P. Fenici, A.F. Rebelo, L. Giancarli, 람직하기 때문에 2000 내외의 온도를 필요로 하 G. L. Marois, E. Philippe, Status of the European 는 고상 소결조제보다는 1800 이하의 온도에서 R&D activities on SiCf/SiC composites for fusion 도 치밀화된 미세구조를 구현할 수 있는 액상 소결 reactors, Fusion Eng. Des (2000) 11. August

64 전략산업 핵심소재 탄화물 기술 개발 동향 및 산업 전망(1) 3. G. L. Haris, Properties of silicon carbide, Ed. G. observations, Mater. Res. Bull. 46(2011) L. Haris, INSPEC, London, (1995). 16. A. Noviyanto, D.H. Yoon, Metal oxide 4. J. S. Nadeau, Very high pressure hot pressing of additives for the sintering of silicon carbide: silicon carbide, Am. Ceram. Soc. Bull. 52(1973) Reactivity and densification, Curr. Appl. Phys (2013) T. Ishikawa, Y. Kohtoku, K. Kumagawa, T. 17. A. Noviyanto, D.H. Yoon, Rare-earth oxide Yamamura, T. Nagasawa, High-strength alkali- additives for the sintering of silicon carbide, Diam. resistant sintered SiC fibre stable to 2,200, Nature, Relat. Mater. 38(2013) (1998) A. Noviyanto, S. W. Han, H. W. Yu, D. H. 6. P. Yonathan, J. H. Lee, D. H. Yoon, W. J. Kim, Yoon, Rare-earth nitrate additives for the sintering J. Y. Park, Improvement of SiCf/SiC density by of silicon carbide, J. Eur. Ceram. Soc. 33(2013) slurry infiltration and tape stacking, Mater. Res Bull. 44(2009) A. Noviyanto, B. K. Min, H. W. Yu, D. H. 7. A. Malinge, A. Coupe, Y. L. Petitcorps, R. Yoon, Highly dense and fine-grained SiC with a Pailler, Pressureless sintering of beta silicon carbide Sc-nitrate sintering additive, J. Eur. Ceram. Soc. nanoparticles, J. Eur. Ceram. Soc. 32(2012) (2014) B. W. Lin, M. Imai, T. Yano, T. Iseki, Hot- 20. P. Yonathan, J. H. Lee, H. T. Kim, D. H. pressing of β-sic with Al-B-C additives, J. Am. Yoon, Properties of SiCf/SiC composites fabricated Ceram. Soc. 69(1986) C67. by slurry infiltration and hot pressing, Mater. Sci. 9. S. Mandal, K. K. Dhargupta, S. Ghatak, Gas Tech., 27(2011) 257. pressure sintering of SiC AlN composites in nitrogen atmosphere, Ceram. Int. 28(2002) S. Jihong, G. Jingkun, J. Dongliang, Hot isostatic pressing of α-silicon carbide ceramics, Ceram. Int.19(1993) S. Prochazka, R. M. Scanlan, Effect of boron and carbon on sintering of SiC, J. Am. Ceram. Soc. 58(1975) 72. 윤당혁 교수 - KAIST 전자재료공학과 학사 - POSTECH 재료공학과 석사 - Clemson대학 재료공학과 박사 - 삼성전기 책임연구원 - 영남대학교 신소재공학부 교수 12. R. L. Coble, Sintering crystalline solids I. intermediate and final state diffusion models, J. Appl. Phys. 32(1961) M. Omori and H. Takei, Pressureless sintering of SiC, J. Am. Ceram. Soc. 65(1982) C R. M. German, Liquid phase sintering, Plenum Press, New York, (1985). 15. A. Noviyanto, D.H. Yoon, One component metal sintering additives for β-sic based on the thermodynamic calculation and experimental 64 ceramic korea 카티 라주 연구교수 - 인도 Kakatiya대학 물리학과 학사 - 인도 Osmania대학 물리학과 석사, 박사 - 영남대학교 신소재공학부 연구교수