1. 세라믹 재료의 기본 개념

세라믹 재료는 일반적으로 금속 원소와 비금속 원소가 이온결합 또는 공유결합으로 결합한 무기 비금속 재료이다.

대표적인 구성원소는 다음과 같다.

• 알루미늄

• 규소

• 지르코늄

• 마그네슘

• 칼슘

• 티타늄

• 붕소

• 탄소

• 질소

• 산소

세라믹 재료는 산화물, 질화물, 탄화물, 붕화물, 규산염 등의 형태로 존재한다.

대표적인 화합물:

• Al₂O₃: 알루미나

• ZrO₂: 지르코니아

• SiC: 탄화규소

• Si₃N₄: 질화규소

• AlN: 질화알루미늄

• BN: 질화붕소

• TiC: 탄화티타늄

• B₄C: 탄화붕소

• MgO: 산화마그네슘

• SiO₂: 이산화규소

세라믹 재료는 금속과 비교하여 일반적으로 다음 특징을 가진다.

• 높은 경도

• 높은 압축강도

• 우수한 내마모성

• 우수한 내열성

• 높은 화학적 안정성

• 낮은 밀도

• 높은 전기절연성

• 낮은 연성

• 낮은 파괴인성

• 충격과 인장하중에 대한 취약성

• 표면결함에 대한 높은 민감도

따라서 세라믹은 단순히 금속보다 단단한 재료가 아니라, 고온, 마모, 부식, 절연, 열전도 또는 특정 전기적 기능이 요구되는 부품에 적용되는 특수 설계재료이다.

2. 세라믹 재료의 결합구조

2.1 이온결합

이온결합은 양이온과 음이온 사이의 정전기적 인력에 의해 형성된다.

대표적인 재료:

• Al₂O₃

• MgO

• ZrO₂

• CaO

이온결합의 특징:

• 높은 결합에너지

• 높은 용융점

• 높은 경도

• 낮은 전기전도성

• 높은 취성

이온결정에서는 원자층이 미끄러질 때 같은 전하를 가진 이온이 가까워지면서 강한 반발력이 발생한다.

이 때문에 금속처럼 전위가 쉽게 이동하지 못하며, 소성변형이 제한된다.

2.2 공유결합

공유결합은 원자들이 전자를 공유해 형성되는 결합이다.

대표적인 재료:

• SiC

• Si₃N₄

• BN

• B₄C

• 다이아몬드

공유결합의 특징:

• 매우 높은 결합강도

• 높은 경도

• 높은 내열성

• 낮은 열팽창

• 우수한 화학적 안정성

• 낮은 연성

공유결합의 방향성이 강하기 때문에 결정 내 원자 이동이 어렵고, 변형보다는 균열이 발생하기 쉽다.

2.3 혼합결합

대부분의 실제 세라믹은 순수한 이온결합 또는 순수한 공유결합만을 갖지 않는다.

예를 들어 알루미나는 이온결합과 공유결합 성격을 동시에 가진다.

결합형태의 비율에 따라 다음 특성이 달라진다.

• 경도

• 열전도성

• 전기절연성

• 파괴인성

• 화학적 안정성

• 소결성

3. 세라믹 재료의 기본 분류

세라믹 재료는 일반적으로 다음과 같이 구분할 수 있다.

3.1 전통 세라믹

천연 광물이나 규산염을 주요 원료로 사용하는 재료이다.

대표 재료:

• 점토

• 도자기

• 벽돌

• 타일

• 내화물

• 유리

• 시멘트

3.2 구조용 파인세라믹

기계적 강도, 경도, 내마모성, 내열성이 요구되는 부품에 사용하는 고순도 세라믹이다.

대표 재료:

• 알루미나

• 지르코니아

• 탄화규소

• 질화규소

• 탄화붕소

• 질화붕소

• 탄화티타늄

3.3 기능성 세라믹

전기, 자기, 광학, 압전, 유전, 열전도 기능을 이용하는 세라믹이다.

대표 재료:

• 티탄산바륨

• PZT

• 페라이트

• 질화알루미늄

• 산화아연

• 투명 세라믹

• 고체전해질

3.4 세라믹 복합재료

두 종류 이상의 세라믹 또는 세라믹과 다른 재료를 조합한 재료이다.

대표 유형:

• 지르코니아 강화 알루미나

• 알루미나 강화 지르코니아

• 탄화규소 섬유 강화 세라믹

• 탄소섬유 강화 탄화규소

• 금속-세라믹 복합재

• 초경합금

4. 세라믹 재료의 일반적인 구성

세라믹 제품은 주성분만으로 구성되지 않는다.

일반적으로 다음 성분이 포함된다.

1. 주원료 분말

2. 소결조제

3. 결합제

4. 분산제

5. 가소제

6. 윤활제

7. 기공형성제

8. 안정화제

9. 강화상

10. 불순물

4.1 대표적인 구성비

결합제와 가소제는 성형 후 탈지공정에서 대부분 제거된다.

5. 세라믹 미세조직과 물성의 관계

5.1 결정립

세라믹은 다수의 결정립으로 구성되는 경우가 많다.

결정립 크기가 작아지면 일반적으로:

• 강도 증가

• 경도 증가

• 균열전파 억제

• 표면마감 개선

• 소결밀도 증가 가능

그러나 결정립이 지나치게 미세하면:

• 소결 중 비정상 입성장 가능

• 입계상 증가

• 고온 크리프 증가 가능

• 열전도성 감소 가능

5.2 입계

입계는 서로 다른 결정립이 만나는 경계이다.

입계에는 다음 성분이 존재할 수 있다.

• 불순물

• 유리상

• 소결조제

• 제2상

• 미세기공

입계가 약하면 균열이 입계를 따라 전파될 수 있다.

입계 유리상이 많으면:

• 소결성 향상

• 고온강도 저하

• 크리프 증가

• 열전도성 감소

• 화학적 안정성 저하

5.3 기공

기공은 세라믹 강도를 저하시키는 주요 결함이다.

기공률이 증가하면 일반적으로:

• 강도 감소

• 탄성계수 감소

• 열전도성 감소

• 밀도 감소

• 내충격성 감소

• 유체 투과성 증가

그러나 필터, 단열재, 촉매담체에서는 의도적으로 높은 기공률을 사용한다.

5.4 제2상

세라믹 내부에 다른 상을 분산시키면 물성을 조정할 수 있다.

예:

• 알루미나에 지르코니아 분산

• 질화규소에 유리상 소결조제 첨가

• 탄화규소에 붕소와 탄소 첨가

• 세라믹에 금속입자 분산

제2상은 다음 역할을 할 수 있다.

• 균열편향

• 균열가교

• 상변태 강화

• 입성장 억제

• 열전도성 조절

• 전기전도성 부여

6. 알루미나 — Al₂O₃

6.1 기본 구성

알루미나는 산화알루미늄으로 이루어진 대표적인 산화물 세라믹이다.

이론적 원소 질량비:

• 알루미늄: 약 52.9%

• 산소: 약 47.1%

6.2 등급별 대표 조성

85~92% 알루미나

특징:

• 비교적 낮은 원가

• 소결이 쉬움

• 절연부품과 내마모 부품에 사용

• 고순도 알루미나보다 강도와 내식성이 낮음

95~96% 알루미나

특징:

• 기계적 강도와 경제성의 균형

• 전기절연부품

• 내마모 타일

• 일반 산업용 세라믹

99% 이상 알루미나

특징:

• 높은 내식성

• 높은 전기절연성

• 높은 내열성

• 고순도 공정에 적합

• 소결과 가공비가 높음

6.3 특성

장점:

• 높은 경도

• 높은 압축강도

• 우수한 내마모성

• 우수한 전기절연성

• 비교적 높은 열전도성

• 우수한 화학적 안정성

• 원료 공급이 안정적

• 파인세라믹 중 비교적 경제적

한계:

• 낮은 파괴인성

• 충격에 취약

• 인장강도가 낮음

• 열충격에 제한

• 기계가공이 어려움

• 모서리 깨짐에 민감

6.4 주요 용도

• 전기절연체

• 세라믹 기판

• 펌프 씰

• 밸브 시트

• 노즐

• 내마모 라이너

• 베어링 부품

• 반도체 장비 부품

• 의료용 부품

• 식품기계용 내마모 부품

7. 지르코니아 — ZrO₂

7.1 기본 구성

지르코니아는 산화지르코늄을 주성분으로 하는 고인성 산화물 세라믹이다.

순수 지르코니아는 온도에 따라 결정상이 변화한다.

• 단사정상

• 정방정상

• 입방정상

상변화에 따른 체적변화가 크기 때문에 안정화제가 필요하다.

7.2 대표 안정화 조성

3Y-TZP

3Y-TZP는 이트리아 안정화 정방정 지르코니아 다결정체이다.

8YSZ

8YSZ는 입방정상이 안정화되며 산소이온 전도체로 사용된다.

Mg-PSZ

7.3 상변태 강화

정방정 지르코니아 결정립은 균열 끝의 응력에 의해 단사정상으로 변할 수 있다.

이 과정에서 체적이 증가하며 균열 끝에 압축응력이 발생한다.

그 결과:

• 균열진전 억제

• 파괴인성 증가

• 굽힘강도 증가

• 충격저항 향상

이 현상을 상변태 강화라고 한다.

7.4 특성

장점:

• 세라믹 중 높은 파괴인성

• 높은 굽힘강도

• 우수한 내마모성

• 낮은 열전도성

• 매끄러운 표면가공 가능

• 생체적합성

• 높은 산소이온 전도성 등급 존재

한계:

• 알루미나보다 낮은 경도

• 고온에서 상안정성 문제

• 저온열화 가능성

• 수분과 응력에 의한 열화

• 열전도성이 낮아 열집중 가능

• 가격이 비교적 높음

7.5 주요 용도

• 세라믹 베어링

• 정밀밸브

• 절단날

• 펌프부품

• 치과재료

• 산소센서

• 연료전지

• 정밀가이드

• 내마모 부품

8. 지르코니아 강화 알루미나 — ZTA

8.1 기본 구성

ZTA는 알루미나 기지에 지르코니아 입자를 분산시킨 복합세라믹이다.

대표 조성:

8.2 특성

• 알루미나보다 높은 파괴인성

• 높은 경도 유지

• 우수한 내마모성

• 지르코니아보다 높은 치수안정성

• 균열편향과 상변태 강화

• 높은 원가

• 복잡한 소결제어 필요

8.3 주요 용도

• 의료용 부품

• 내마모 라이너

• 절삭부품

• 밸브

• 펌프 씰

• 고하중 세라믹 부품

9. 탄화규소 — SiC

9.1 기본 구성

탄화규소는 규소와 탄소가 강한 공유결합으로 결합한 비산화물 세라믹이다.

9.2 대표 등급

반응소결 탄화규소

대표 구성:

• SiC: 약 80~95 wt.%

• 잔류 Si: 약 5~20 wt.%

특징:

• 치수변화가 작음

• 복잡형상 제작 가능

• 비교적 낮은 제조비

• 잔류 실리콘으로 고온·부식성 제한 가능

상압소결 탄화규소

대표 구성:

• SiC: 약 98~99.5 wt.% 이상

• B, C 소결조제: 약 0.1~2 wt.%

특징:

• 높은 내식성

• 높은 내열성

• 높은 경도

• 소결이 어려움

재결정 탄화규소

특징:

• 높은 기공률

• 우수한 열충격저항

• 고온구조재와 가마재에 사용

9.3 특성

장점:

• 매우 높은 경도

• 높은 열전도성

• 낮은 열팽창

• 우수한 열충격저항

• 높은 내마모성

• 높은 내식성

• 고온강도 유지

• 낮은 밀도

한계:

• 낮은 파괴인성

• 기계가공이 매우 어려움

• 충격에 취약

• 소결이 어려움

• 복잡형상 제조비가 높음

• 산화환경에서 표면 산화막 형성

9.4 주요 용도

• 메커니컬 씰

• 펌프 베어링

• 열교환기

• 반도체 장비 부품

• 히터 부품

• 고온노즐

• 내마모 라이너

• 방탄재

• 연마재

• 가마 구조물

10. 질화규소 — Si₃N₄

10.1 기본 구성

질화규소는 규소와 질소로 구성된 비산화물 세라믹이다.

10.2 대표 구성

질화규소는 소결성이 낮아 소결조제를 사용한다.

소결조제는 입계 유리상을 형성해 치밀화를 촉진한다.

10.3 미세조직

소결 중 α상은 길게 성장한 β상으로 변할 수 있다.

길쭉한 β-Si₃N₄ 결정립은 다음 역할을 한다.

• 균열편향

• 균열가교

• 균열인출

• 파괴인성 증가

10.4 특성

장점:

• 높은 파괴인성

• 높은 굽힘강도

• 우수한 열충격저항

• 낮은 열팽창

• 낮은 밀도

• 우수한 내피로성

• 높은 고온강도

• 양호한 내마모성

한계:

• 제조비가 높음

• 입계 유리상에 따른 고온크리프

• 가공이 어려움

• 산화환경에서 장기열화 가능

• 복잡한 소결공정 필요

10.5 주요 용도

• 세라믹 베어링 볼

• 터보차저 로터

• 엔진 부품

• 절삭공구

• 고온 롤러

• 용접 지그

• 반도체 부품

• 고속 회전체

11. 질화알루미늄 — AlN

11.1 기본 구성

질화알루미늄은 높은 열전도성과 전기절연성을 동시에 가진 세라믹이다.

11.2 대표 구성

산소 불순물은 열전도성을 크게 저하시킬 수 있다.

11.3 특성

장점:

• 매우 높은 열전도성

• 우수한 전기절연성

• 실리콘과 유사한 열팽창계수

• 높은 내열성

• 낮은 유전손실

• 반도체 기판에 적합

한계:

• 수분과 반응 가능

• 가수분해 주의

• 높은 원료비

• 소결공정이 복잡

• 기계가공이 어려움

• 표면산화 가능

11.4 주요 용도

• 반도체 방열기판

• 파워모듈 기판

• LED 방열기판

• 절연 히트싱크

• 고주파 전자부품

• 진공장비 부품

12. 질화붕소 — BN

12.1 기본 구성

질화붕소는 붕소와 질소로 구성된 세라믹이다.

대표 구조:

• 육방정 질화붕소

• 입방정 질화붕소

12.2 육방정 질화붕소

구조가 흑연과 유사해 층상구조를 가진다.

특성:

• 낮은 마찰계수

• 우수한 고온윤활성

• 높은 전기절연성

• 양호한 열전도성

• 용융금속에 대한 낮은 젖음성

• 기계가공 가능

• 낮은 강도

• 산화분위기 고온에서 제한

주요 용도:

• 고온 윤활제

• 용융금속 노즐

• 절연부품

• 고온 지그

• 금형이형재

• 반도체 부품

12.3 입방정 질화붕소

특성:

• 다이아몬드 다음 수준의 높은 경도

• 철계 금속 절삭에 적합

• 높은 열적 안정성

• 높은 내마모성

주요 용도:

• 절삭공구

• 연마재

• 고경도 가공

• 초정밀 가공

13. 탄화붕소 — B₄C

13.1 기본 구성

탄화붕소는 붕소와 탄소로 구성된 초고경도 세라믹이다.

13.2 특성

• 매우 높은 경도

• 매우 낮은 밀도

• 높은 내마모성

• 우수한 중성자 흡수능

• 높은 화학적 안정성

• 매우 낮은 파괴인성

• 충격에 취약

• 가공이 매우 어려움

• 소결이 어려움

13.3 주요 용도

• 방탄재

• 노즐

• 블라스팅 부품

• 연마재

• 원자로 제어재

• 내마모 라이너

14. 티탄산바륨 — BaTiO₃

14.1 기본 구성

티탄산바륨은 대표적인 유전체 및 강유전체 세라믹이다.

14.2 특성

• 높은 유전율

• 강유전성

• 압전성

• 온도에 따른 상변화

• 조성에 따른 유전특성 조절 가능

• 기계적 충격에는 취약

14.3 주요 용도

• 적층 세라믹 콘덴서

• 유전체 부품

• 압전소자

• 센서

• 액추에이터

• 온도보상소자

15. PZT 압전세라믹

15.1 기본 구성

PZT는 납, 지르코늄, 티타늄으로 구성된 압전세라믹이다.

대표 화학식:

• Pb(Zr,Ti)O₃

대표 조성:

Zr과 Ti의 비율에 따라 압전성과 유전특성이 달라진다.

15.2 특성

• 높은 압전계수

• 높은 전기기계 결합계수

• 높은 유전율

• 작동응답이 빠름

• 취성

• 온도 안정성 제한

• 납 함유에 따른 환경규제 검토 필요

15.3 주요 용도

• 초음파 진동자

• 압전액추에이터

• 압력센서

• 가속도센서

• 정밀 위치제어

• 초음파 세척기

• 의료용 초음파 소자

16. 페라이트

16.1 기본 구성

페라이트는 산화철과 다른 금속산화물로 이루어진 자성 세라믹이다.

대표 유형:

• Mn-Zn 페라이트

• Ni-Zn 페라이트

• Ba 페라이트

• Sr 페라이트

16.2 대표 조성

Mn-Zn 페라이트

• Fe₂O₃

• MnO

• ZnO

대표적인 조성 범위:

Ni-Zn 페라이트

16.3 특성

• 높은 전기저항

• 낮은 와전류 손실

• 자성 기능

• 고주파 특성

• 취성

• 낮은 인장강도

• 충격에 민감

16.4 주요 용도

• 변압기 코어

• 인덕터

• EMI 필터

• 안테나 코어

• 영구자석

• 센서

• 모터 자석

17. 유리

17.1 기본 구성

유리는 장거리 규칙성이 없는 비정질 무기재료이다.

대표적인 소다석회 유리 조성:

붕규산유리 조성:

17.2 특성

• 투명성

• 전기절연성

• 내식성

• 표면평활성

• 낮은 인장강도

• 표면흠집에 민감

• 취성

• 열충격은 조성별 차이

17.3 주요 용도

• 보호창

• 관찰창

• 광학부품

• 실험기구

• 센서커버

• 식품설비 관찰창

• 전기절연부품

18. 내화물 세라믹

내화물은 고온에서 형상과 강도를 유지하는 재료이다.

대표 유형:

• 알루미나질 내화물

• 실리카질 내화물

• 마그네시아질 내화물

• 탄화규소 내화물

• 지르코니아 내화물

18.1 알루미나질 내화물

대표 구성:

• Al₂O₃: 약 45~99 wt.%

• SiO₂: 나머지

• 기타 산화물: 소량

적용:

• 가마

• 로

• 고온 배관

• 버너부품

18.2 마그네시아질 내화물

대표 구성:

• MgO: 약 80~98 wt.%

• CaO, SiO₂, Fe₂O₃: 소량

특성:

• 염기성 슬래그에 강함

• 고온 안정성

• 열충격에는 제한

19. 다공성 세라믹

다공성 세라믹은 내부에 의도적으로 기공을 형성한 재료이다.

기공률:

• 약 10~90%

기공형성 방법:

• 기공형성제 첨가

• 발포

• 동결주조

• 부분소결

• 템플릿법

특성:

• 낮은 밀도

• 낮은 열전도성

• 높은 비표면적

• 유체 투과성

• 낮은 기계적 강도

주요 용도:

• 필터

• 촉매담체

• 단열재

• 흡음재

• 진공척

• 기체분산기

• 용융금속 필터

20. 세라믹 복합재료

20.1 세라믹 기지 복합재료

세라믹 기지에 섬유 또는 입자를 분산시킨 재료이다.

대표 구성:

• SiC 섬유/SiC 기지

• C섬유/SiC 기지

• Al₂O₃ 섬유/Al₂O₃ 기지

특성:

• 균열가교

• 균열편향

• 파괴인성 향상

• 열충격저항 향상

• 고온강도

• 높은 제조비

20.2 서멧

서멧은 세라믹과 금속을 결합한 복합재료이다.

대표 예:

• TiC-Ni

• TiCN-Ni

• WC-Co

세라믹상은 경도와 내마모성을 제공하고, 금속상은 인성과 결합력을 제공한다.

21. 초경합금 — WC-Co

21.1 기본 구성

초경합금은 탄화텅스텐 입자를 코발트 결합상으로 결합한 재료이다.

대표 조성:

21.2 성분과 특성

WC 함량 증가

• 경도 증가

• 내마모성 증가

• 압축강도 증가

• 인성 감소 가능

Co 함량 증가

• 파괴인성 증가

• 충격저항 증가

• 경도 감소

• 내마모성 감소

TiC·TaC·NbC

• 고온경도 향상

• 확산마모 억제

• 절삭성능 조절

• 열충격성 변화

21.3 주요 용도

• 절삭공구

• 금형

• 드릴

• 내마모 노즐

• 펀치

• 롤

• 광산공구

• 고압 부품

22. 세라믹의 기계적 특성

22.1 경도

세라믹은 원자결합이 강하고 전위이동이 어렵기 때문에 높은 경도를 가진다.

경도가 높을수록 일반적으로:

• 마모저항 증가

• 절삭공구 수명 증가

• 연마성 증가

• 가공비 증가

• 취성파손 위험 증가

22.2 압축강도

세라믹은 압축하중에 매우 강하다.

이유:

• 균열이 압축응력에 의해 닫힘

• 원자결합이 강함

• 소성변형 없이 큰 압축응력 지지

그러나 인장과 굽힘에서는 균열이 열리면서 쉽게 파손된다.

22.3 인장강도와 굽힘강도

세라믹은 직접 인장시험이 어렵기 때문에 굽힘강도로 평가하는 경우가 많다.

굽힘강도에 영향을 주는 요소:

• 표면거칠기

• 표면균열

• 내부기공

• 결정립 크기

• 시편 크기

• 가공방향

• 시험속도

• 온도

22.4 파괴인성

파괴인성은 균열이 성장하는 것에 대한 저항성을 나타낸다.

일반적으로:

• 지르코니아: 비교적 높음

• 질화규소: 중간~높음

• 알루미나: 중간 이하

• 탄화규소: 낮음

• 탄화붕소: 매우 낮음

세라믹에서는 강도보다 파괴인성이 실제 충격과 결함 민감성을 판단하는 데 더 중요할 수 있다.

22.5 웨이블 통계

세라믹 강도는 결함의 크기와 분포에 영향을 받기 때문에 통계적으로 변동한다.

웨이블 계수는 강도의 분산 정도를 나타낸다.

• 웨이블 계수가 높음: 강도 편차가 작음

• 웨이블 계수가 낮음: 강도 편차가 큼

설계 시 평균강도만 사용하지 말고 신뢰도와 파손확률을 고려해야 한다.

22.6 피로

세라믹도 반복하중에서 피로파괴가 발생할 수 있다.

특히 다음 환경에서 피로가 가속된다.

• 수분

• 고온

• 반복인장

• 표면결함

• 부식성 유체

수분이 균열 끝에서 결합을 약화시키면 느린 균열성장이 발생할 수 있다.

23. 열적 특성

23.1 내열성

세라믹은 일반적으로 금속과 고분자보다 높은 내열성을 가진다.

그러나 실제 사용온도는 다음에 의해 제한된다.

• 산화

• 상변화

• 입계 유리상

• 열충격

• 고온크리프

• 화학반응

• 금속 접합부

23.2 열전도성

세라믹의 열전도성은 종류에 따라 크게 다르다.

높은 열전도성 재료:

• AlN

• SiC

• BeO

• 고순도 Al₂O₃

낮은 열전도성 재료:

• ZrO₂

• 다공성 세라믹

• 유리

• 내화물

23.3 열팽창

열팽창계수가 낮은 세라믹은 열변형이 작다.

그러나 금속과 접합할 경우 열팽창 차이로 응력이 발생할 수 있다.

문제:

• 접합부 균열

• 박리

• 휨

• 냉각 중 파손

• 열사이클 피로

23.4 열충격

열충격은 급격한 온도변화로 인해 균열이 발생하는 현상이다.

열충격저항은 다음 조건에서 향상된다.

• 낮은 열팽창계수

• 높은 열전도성

• 높은 파괴인성

• 낮은 탄성계수

• 작은 부품 두께

• 완만한 형상변화

열충격에 강한 재료:

• SiC

• Si₃N₄

• 일부 BN

• 코디어라이트

열충격에 약한 재료:

• 일반 알루미나

• 일부 지르코니아

• 일반 유리

24. 전기적 특성

24.1 전기절연성

많은 세라믹은 자유전자가 적어 전기절연성이 높다.

대표 절연재:

• Al₂O₃

• AlN

• Si₃N₄

• 유리

• BN

24.2 유전특성

유전체 세라믹은 전기장을 저장할 수 있다.

대표 재료:

• BaTiO₃

• TiO₂

• Al₂O₃

• 유리세라믹

주요 평가항목:

• 유전율

• 유전손실

• 절연파괴강도

• 온도계수

• 주파수 특성

24.3 이온전도성

일부 세라믹은 전자보다 이온이 이동한다.

대표 재료:

• 안정화 지르코니아

• 리튬계 고체전해질

• β-알루미나

주요 용도:

• 산소센서

• 연료전지

• 고체전지

• 나트륨이온 전도체

25. 세라믹 제조공정

25.1 원료분말 제조

주요 방법:

• 분쇄

• 침전

• 졸-겔

• 열분해

• 기상합성

• 연소합성

중요한 분말 특성:

• 입자크기

• 입도분포

• 입자형상

• 순도

• 표면적

• 응집상태

25.2 혼합과 분산

세라믹 분말에 다음을 첨가한다.

• 결합제

• 가소제

• 분산제

• 소결조제

• 윤활제

• 용매

분산이 불균일하면:

• 기공

• 강도편차

• 뒤틀림

• 밀도차

• 균열

• 비정상 입성장

25.3 성형

대표 성형법:

• 일축가압성형

• 냉간정수압성형

• 슬립캐스팅

• 테이프캐스팅

• 압출성형

• 사출성형

• 겔캐스팅

• 적층제조

25.4 탈지

성형체에 포함된 유기결합제와 가소제를 제거하는 공정이다.

탈지가 너무 빠르면:

• 내부압력 증가

• 균열

• 팽창

• 박리

• 기공

25.5 소결

소결은 분말을 용융점 이하에서 가열해 입자 간 결합과 치밀화를 진행하는 공정이다.

소결 중 발생하는 현상:

• 입자접촉부 성장

• 기공수축

• 밀도증가

• 결정립 성장

• 수축

• 상변화

대표 소결법:

• 상압소결

• 반응소결

• 열간가압소결

• 열간정수압소결

• 방전플라즈마소결

• 액상소결

25.6 후가공

소결 후 세라믹은 매우 단단하기 때문에 다이아몬드 공구를 사용한다.

후가공 방법:

• 다이아몬드 연삭

• 래핑

• 폴리싱

• 레이저가공

• 초음파가공

• 방전가공

• 워터젯

26. 세라믹 가공과 설계 원칙

26.1 날카로운 모서리 회피

세라믹은 응력집중에 민감하다.

대책:

• 충분한 필렛

• 모따기

• 급격한 단면변화 방지

• 홈 끝부분 곡률 적용

26.2 인장보다 압축하중 사용

가능하면 세라믹 부품에 압축응력이 작용하도록 설계한다.

피해야 할 구조:

• 얇은 캔틸레버

• 편심인장

• 국부 굽힘

• 점접촉

• 강제 끼워맞춤

26.3 균일한 두께

두께가 급격히 변하면 소결수축과 열응력에 의해 균열이 발생할 수 있다.

26.4 체결부 설계

세라믹에 직접 나사를 가공하는 것은 제한적이다.

대안:

• 금속 인서트

• 접착

• 클램프

• 압축체결

• 브레이징

• 메탈라이징 후 납땜

• 플랜지 구조

26.5 접촉응력

세라믹은 점접촉에 의한 높은 접촉응력에 취약하다.

대책:

• 접촉면 확대

• 탄성중간층

• 정렬오차 감소

• 표면조도 개선

• 모서리 접촉 방지

27. 세라믹과 금속의 접합

27.1 기계적 체결

• 볼트

• 클램프

• 수축끼움

• 플랜지

주의사항:

• 열팽창 차이

• 국부응력

• 조립공차

• 금속의 소성변형

27.2 접착

장점:

• 응력분산

• 이종재료 접합

• 복잡형상 대응

한계:

• 온도제한

• 화학약품

• 장기크리프

• 표면처리 필요

27.3 브레이징

세라믹 표면에 금속층을 형성하거나 활성금속 브레이즈를 사용한다.

대표 활성금속:

• Ti

• Zr

적용:

• 진공부품

• 전자패키지

• 센서

• 전극

27.4 메탈라이징

세라믹 표면에 금속층을 형성한다.

대표 방식:

• Mo-Mn 메탈라이징

• 박막증착

• 후막인쇄

• 무전해도금

• 스퍼터링

28. 마찰과 마모

세라믹은 높은 경도로 인해 내마모성이 우수하지만, 항상 마찰부품에 적합한 것은 아니다.

검토항목:

• 상대재

• 윤활

• 표면조도

• 접촉압력

• 속도

• 온도

• 입자오염

• 열충격

• 미세균열

대표 마찰재:

• SiC

• Al₂O₃

• Si₃N₄

• ZrO₂

• BN

29. 부식과 화학적 안정성

세라믹은 일반적으로 부식에 강하지만 모든 화학환경에 안정한 것은 아니다.

예:

• 알루미나는 강산과 강알칼리에 장기간 노출 시 손상 가능

• SiC는 일부 고온 산화환경에서 산화

• AlN은 수분에 민감

• 지르코니아는 수분과 응력에 의해 저온열화 가능

• 유리는 불산에 취약

• 질화규소는 고온 산화 가능

따라서 정확한 화학약품 농도와 온도를 기준으로 평가해야 한다.

30. 식품기계에서의 세라믹 재료

30.1 적용 가능한 재료

• 알루미나

• 지르코니아

• 탄화규소

• 질화규소

• 유리

• 세라믹 코팅

30.2 주요 적용 부품

• 메커니컬 씰

• 밸브 시트

• 절단날

• 펌프부품

• 내마모 노즐

• 분쇄부품

• 정밀가이드

• 관찰창

• 마모 라이너

30.3 장점

• 부식 저항성

• 낮은 금속이온 용출

• 높은 내마모성

• 세척약품 대응

• 고온세척 대응

• 비점착성 표면 구현 가능

• 위생적인 표면마감 가능

30.4 주의사항

• 파손 시 날카로운 조각 발생

• 금속검출이 어려움

• 충격하중 주의

• 미세균열 검사 필요

• 식품접촉 적합성 확인

• 표면기공 관리

• 세척열충격 검토

• 코팅 박리 위험

31. 반도체 및 전기장비에서의 세라믹

31.1 대표 재료

• Al₂O₃

• AlN

• SiC

• Si₃N₄

• 석영

• BN

31.2 주요 적용

• 절연기판

• 정전척

• 히터

• 웨이퍼 지지대

• 절연부싱

• 진공부품

• 방열부품

• 센서 하우징

31.3 주요 요구사항

• 고순도

• 낮은 입자발생

• 낮은 아웃가스

• 높은 절연성

• 높은 열전도성

• 플라즈마 내성

• 치수안정성

• 정밀표면

32. 주요 세라믹 재료 비교

33. 부품별 세라믹 선정

33.1 메커니컬 씰

권장 재료:

• SiC

• Al₂O₃

• ZrO₂

선정 기준:

• 고마모·고속: SiC

• 일반 내식용: Al₂O₃

• 충격과 정밀접촉: ZrO₂

33.2 세라믹 베어링

권장 재료:

• Si₃N₄

• ZrO₂

• Al₂O₃

선정 기준:

• 고속·저중량: Si₃N₄

• 높은 인성과 정숙성: ZrO₂

• 경제성과 절연: Al₂O₃

33.3 절연부품

권장 재료:

• Al₂O₃

• AlN

• BN

• 유리

선정 기준:

• 일반 절연: Al₂O₃

• 방열과 절연: AlN

• 고온·가공성: BN

• 투명절연: 유리

33.4 고온구조부품

권장 재료:

• SiC

• Si₃N₄

• Al₂O₃

• 지르코니아

선정 기준:

• 최고 열전도와 내산화: SiC

• 열충격과 인성: Si₃N₄

• 경제적 고온절연: Al₂O₃

• 단열과 인성: ZrO₂

33.5 절삭공구

권장 재료:

• Al₂O₃

• Si₃N₄

• cBN

• WC-Co

• TiCN 서멧

34. 도면과 재료사양서의 표기방법

단순히 “세라믹” 또는 “알루미나”라고만 표기하는 것은 충분하지 않다.

다음 항목을 함께 지정해야 한다.

34.1 재료명과 순도

예:

• Al₂O₃ 99.5%

• 3Y-TZP

• Si₃N₄, gas-pressure sintered

• SiC, pressureless sintered

• AlN 99%

34.2 소결방법

• 상압소결

• 반응소결

• 열간가압소결

• 열간정수압소결

• 재결정

• 액상소결

34.3 밀도와 기공률

예:

• 상대밀도 98% 이상

• 개기공률 0.1% 이하

• 기공률 30±5%

34.4 기계적 특성

• 굽힘강도

• 압축강도

• 파괴인성

• 경도

• 탄성계수

• 웨이블 계수

34.5 열적 특성

• 열전도율

• 열팽창계수

• 최고사용온도

• 열충격 조건

34.6 표면과 치수

• 표면조도

• 평면도

• 평행도

• 모서리 모따기

• 균열 허용기준

• 표면결함 기준

34.7 검사요구

• 형광침투검사

• 초음파검사

• X선검사

• 현미경검사

• 치수검사

• 누설검사

35. 세라믹 재료 선정 절차

35.1 기능 확인

• 내마모부품인가?

• 절연부품인가?

• 방열부품인가?

• 고온구조물인가?

• 압전 또는 자기기능이 필요한가?

• 화학부식 환경인가?

• 식품과 접촉하는가?

35.2 하중 확인

• 압축

• 인장

• 굽힘

• 충격

• 반복하중

• 접촉하중

• 열응력

35.3 온도 확인

• 연속사용온도

• 최고온도

• 온도변화속도

• 열충격

• 산화분위기

• 진공

• 열사이클

35.4 환경 확인

• 물

• 증기

• 산

• 알칼리

• 용융금속

• 플라즈마

• 진공

• 방사선

• 마모입자

35.5 제조성과 비용 확인

• 성형방법

• 소결수축

• 후가공

• 정밀도

• 공급형상

• 최소주문량

• 검사비

• 파손률

35.6 신뢰성 확인

• 결함분포

• 웨이블 계수

• 표면손상

• 느린 균열성장

• 피로

• 열사이클

• 수명시험

36. 최종 정리

세라믹 재료는 단순히 단단하고 깨지기 쉬운 재료가 아니다.

실제 성능은 다음 요소의 조합에 의해 결정된다.

• 화학조성

• 이온결합과 공유결합의 비율

• 원료순도

• 입자크기

• 결정립 크기

• 기공률

• 소결조제

• 입계상

• 소결방법

• 표면가공

• 결함분포

• 사용온도와 환경

알루미나는 높은 경도, 내마모성, 전기절연성과 경제성의 균형이 우수한 대표적인 구조용 세라믹이다.

지르코니아는 상변태 강화를 통해 높은 파괴인성과 굽힘강도를 확보하며, 정밀기계와 의료부품에 적합하다.

탄화규소는 매우 높은 경도, 열전도성, 낮은 열팽창 및 우수한 내식성을 가지며, 메커니컬 씰과 고온부품에 널리 사용된다.

질화규소는 길쭉한 결정립 구조에 의해 높은 인성과 열충격저항을 확보하며, 고속 베어링과 고온 회전체에 적합하다.

질화알루미늄은 높은 열전도성과 전기절연성을 동시에 제공해 반도체 방열기판에 적합하다.

질화붕소는 층상구조에 의해 고온 윤활성과 기계가공성을 제공하며, 입방정 질화붕소는 초고경도 절삭공구에 사용된다.

탄화붕소는 매우 높은 경도와 낮은 밀도를 가지지만 파괴인성이 낮아 방탄재와 내마모 노즐에 제한적으로 사용된다.

티탄산바륨과 PZT는 전기장에 반응하는 기능성 세라믹으로 콘덴서, 센서, 초음파소자와 액추에이터에 사용된다.

페라이트는 높은 전기저항과 자성특성으로 고주파 코어와 전자부품에 사용된다.

세라믹 복합재는 균열편향, 균열가교, 상변태 강화를 통해 단일 세라믹의 취성을 개선한다.

따라서 세라믹 재료 선정에서는 재료명만 확인해서는 안 된다.

반드시 다음 항목을 함께 검토해야 한다.

• 순도와 화학조성

• 결정상

• 안정화제와 소결조제

• 밀도와 기공률

• 파괴인성

• 굽힘강도

• 열전도성과 열팽창

• 열충격

• 표면조도와 결함

• 제조공정

• 접합방법

• 유체와 화학환경

• 신뢰성과 파손확률

• 공급사 등급

세라믹 재료의 선정은 가장 단단한 재료를 고르는 과정이 아니다.

하중, 온도, 마모, 화학환경, 전기적 기능, 열적 기능 및 파손신뢰성에 적합한 조성과 미세조직을 선택하는 설계 과정이다.