세라믹 제품의 미래 발전을 위한 5대 중점 산업

전기 자동차 산업

 

중국자동차공업협회(CAAM)의 최근 자료에 따르면, 중국은 1월부터 11월까지 신에너지 자동차를 각각 625만 3천 대와 606만 7천 대 생산 및 판매하여 전년 대비 약 100% 증가했으며, 시장 점유율은 25%에 달했습니다. 같은 기간 동안 시장을 크게 앞지른 생산 및 판매 성장률과 더불어, 신에너지 자동차 보급률은 36%를 돌파했으며 계속해서 증가하고 있습니다. 전기차 기술은 끊임없이 발전하고 있으며, 부품 설계 및 소재 교체도 가속화되고 있습니다. 신에너지 전기차는 첨단 기술을 완전히 수용하고 있습니다. 세라믹 소재 고유한 성능상의 이점 때문입니다.

그 중에서도 HIP 질화규소 베어링 볼과 고열전도도 질화규소 기판이 널리 쓰이고 있다.

 

 

01 실리콘 질화물 베어링용 HIP 볼

신에너지 자동차용 모터 베어링은 일반 베어링보다 회전 속도가 빠르기 때문에 밀도가 낮고 내마모성이 비교적 우수한 소재가 필요합니다. 질화규소 세라믹 베어링은 볼이 베어링 시스템 내에서 열과 마찰을 덜 발생시킵니다. 특히 질화규소는 천연 전기 절연체로, 베어링 방전으로 인한 전기 부식을 방지하고 윤활제와 베어링의 수명을 연장하며 궁극적으로 베어링 고장을 유발합니다. 따라서 전기 자동차를 포함한 다양한 산업 분야에 사용하기에 이상적입니다.

 

전기 구동 시대에는 세라믹 베어링이 스틸 볼 베어링을 대체하는 경우가 점차 늘고 있습니다. 질화규소 세라믹 볼 절연 베어링은 국내 샤오펑 P7, G9, 웨이라이 ET7 등의 모델에 사용됩니다. 예를 들어, 테슬라 모터의 출력축에는 세라믹 베어링, NSK가 설계한 하이브리드 세라믹 베어링, 그리고 50개의 질화규소 볼로 제작된 베어링 볼이 사용됩니다.

열간 등방성 압축(HIP) 및 가스 압력 소결 (GPS)는 질화규소 세라믹 볼 소결에 가장 널리 사용되는 두 가지 준비 기술입니다. 이 두 가지 방법을 통해 다양한 환경에서 자주 사용되는 세라믹 볼을 얻을 수 있습니다. HIP 질화규소는 GPS 질화규소보다 우수한 기계적 특성과 더 긴 피로 수명을 제공합니다.

현재, 잘 알려진 외국 기업들이 국제 시장 점유율을 계속 장악하고 있으며 개발 중입니다.오후일본, 유럽, 미국 기업이 고급 세라믹 베어링 제품 제조를 계속 주도하는 가운데, 우리 나라는 첨단 방향으로 발전하고 있습니다. 2015년에는 내셔널 머티리얼즈 하이테크 질화 세라믹스 주식회사가 우리나라에 설립되었습니다.

열간 등압 성형 질화규소 세라믹 볼의 대량 생산 기술에 상당한 진전을 이루어, 중국 최초로 이 소재의 대량 생산을 시작한 기업이자, 일본의 도시바와 미국의 쿠스텍에 이어 세계 3위의 기업이 되었습니다. 스웨덴의 SKF, 미국의 팀켄, 독일의 GMN, 스페인의 포르사 등에 제품이 수출되고 있습니다. 또한, 시노세라믹 진성(Sinoceramic Jinsheng) 등에서도 유사한 공법을 사용하여 1000MPa의 굽힘 강도를 가진 질화규소 베어링 볼을 생산하고 있습니다.

 

 

02 고열전도도 실리콘 질화물 세라믹 기판

질화규소 세라믹 기판은 주로 순수 전기 자동차(EV)와 하이브리드 전기 자동차(HEV)의 전원 장치, 반도체 소자 및 인버터에 사용되며, 엄청난 시장 잠재력과 응용 전망을 가지고 있습니다.

현재 고열전도도 질화규소 세라믹 기판 소재의 상업적 사용을 위해서는 650MPa의 굽힘 강도, 5~7MPa·m1/2의 파괴 인성, 그리고 85W/(m·K)의 열전도도가 요구됩니다. 도시바 그룹, 히타치 금속, 닛폰 전기 화학, 마루와, 닛폰 파인 세라믹스는 고열전도도 질화규소 세라믹 기판의 양산 능력을 보유한 주요 기업입니다.

 

또한, 국내에서는 질화규소 세라믹 기판 소재에 대한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 베이징 시노마 인공결정연구소(Beijing Sinoma Artificial Crystal Research Institute Co., Ltd.)는 소결법 및 공정 최적화를 통해 700~800MPa의 굽힘 강도, ≥8MPa·m1/2의 파괴 인성, 그리고 ≥80W/(m·K)의 열전도도를 갖는 질화규소 세라믹 기판을 성공적으로 개발했습니다. 시노마 하이테크 질화 세라믹스(Sinoma High-Tech Nitride Ceramics Co., Ltd.) 베이징 지사에서 테이프 캐스팅 공정을 사용하여 제조한 질화규소 세라믹 기판의 열전도도는 100 W/(m·K)입니다.

 

신에너지 자동차의 대중화와 인공지능(AI)의 발전으로 전기 자동차는 지능화에 한 걸음 더 다가가고 있습니다. 자동차 제조업체들은 라이더 패킹재, 탄소 세라믹 브레이크, 고용량 MLCC, 세라믹 방열재 등 다양한 세라믹 소재에도 관심을 보이고 있습니다.

 

반도체 제조

"기술 한 세대, 공정 한 세대, 장비 한 세대"라는 산업 법칙이 반도체 산업을 지배하며, 정밀 부품 기술의 발전은 반도체 장비의 현대화와 개선에 매우 중요합니다. 그중 정밀 세라믹 부품은 반도체 정밀 부품의 가장 대표적인 소재입니다. 정밀 세라믹 부품은 에칭, 화학 기상 증착, 물리 기상 증착, 이온 주입 등 여러 주요 반도체 제조 공정에 사용됩니다. 기계식 핸들링 암, 정전 척, 라이너, 가이드 레일, 베어링 등 다양한 부품에 사용됩니다. 특히 장비 캐비티 내에서 안정화, 방어, 그리고 방해 역할을 수행합니다.

 

반도체 생산 반도체 산업은 "기술 1세대, 공정 1세대, 장비 1세대"라는 산업 법칙에 따라 운영되며, 정밀 부품 기술의 향상은 반도체 장비의 현대화 및 개선에 필수적입니다. 반도체 정밀 부품에 사용되는 모든 소재 중 정밀 세라믹 부품이 가장 대표적입니다. 정밀 세라믹 부품은 에칭, 화학 기상 증착, 물리 기상 증착, 이온 주입 등 중요한 반도체 제조 공정에 사용됩니다. 베어링, 라이너, 가이드 레일, 정전 척, 기계식 핸들링 암 등 다양한 부품에 사용됩니다. 특히 장비 캐비티 내부에서 우회, 방어, 안정화 역할을 합니다.

 

 

에너지 절약 및 환경 보호 산업

국가 "이중 탄소" 정책의 지침 아래 모든 산업은 에너지 절약, 탄소 감축, 오염 저감, 그리고 효율 향상을 목표로 점진적으로 발전하고 있습니다. 이러한 배경 하에 세라믹 산업은 에너지 소비 및 환경 보호라는 압력에 직면해 있지만, 동시에 세라믹 소재에 새로운 발전 기회를 제공합니다.

 

 

01 세라믹 멤브레인

기존의 여과 분리 기술을 대체하기 위해 세라믹 막을 핵심으로 하는 막 분리 기술은 현재 주로 여과 분리, 농축 및 정제, 정제 및 불순물 제거를 위한 공정 산업 및 특수 수처리 분야에서 고효율 분리 공정으로 활용되고 있습니다.

세라믹 플랫 멤브레인

고성능 세라믹 평막은 복잡한 환경의 유체를 여과, 분리 및 정제할 수 있습니다. 고온 및 고압 저항성, 강력한 화학적 안정성, 높은 여과 효율, 우수한 신뢰성, 낮은 운영 및 유지보수 비용, 긴 수명, 그리고 수명 주기 전반에 걸친 환경 친화성 등이 이러한 특징의 일부입니다. 도시 하수, 분산형 정수 처리, 오수 및 악취수 처리, 재생수 재이용, 산업 단지 폐수 처리 분야에서 널리 사용되고 홍보되어 왔습니다. 이는 국제 고성능 세라믹 분리막 분야의 주요 개발 방향이며, 광범위한 시장 전망을 가지고 있습니다.

수처리와 더불어 우리나라의 대기 오염 관리 또한 중요한 과제로 떠오르고 있습니다. 친환경 희토류 금속 산화물 시스템 나노 탈질 촉매를 세라믹 섬유 복합막 소재에 담지하여 탈질 및 먼지 제거용 고온 섬유막을 형성합니다. 이 필터는 탈질 및 먼지 제거 기능이 통합된 필터 요소로, 고온 조건에서도 가스를 직접 정화할 수 있습니다.

 

 

02 에어로젤

초절연 소재인 에어로젤의 광범위한 친환경 저탄소 개발은 에어로젤 분야의 성장에 전례 없는 잠재력을 창출했습니다. 이 새로운 에어로젤 기술은 친환경 제조 산업의 성장과 접목되어 친환경 산업의 급속한 발전 추세에 발맞춰 더 많은 신제품을 개발할 것으로 예상됩니다.

 

에어로젤은 매우 낮은 밀도, 매우 높은 기공률, 낮은 굴절률, 낮은 열전도도, 낮은 음향 임피던스 등 일반적인 고체 재료에는 없는 다양한 특성을 가지고 있습니다. 이러한 특성 덕분에 단열, 생체 의학, 방음, 흡착 등 다양한 분야에서 뛰어난 응용 가능성을 가지고 있으며, 시장 수요 잠재력 또한 매우 큽니다.

 

 

생물의학 산업

사회가 발전하고 사람들의 삶이 향상됨에 따라 인공 임플란트와 장기가 치료 환경에서 점점 더 많이 사용될 것입니다. 우리나라에서는 스테인리스강이나 코발트 합금과 같은 금속이 우수한 기계적 특성과 제어력 덕분에 오랫동안 정형외과적 치유 및 복구에 사용되어 왔습니다. 하지만 생체적합성은 아직 부족합니다. 따라서 더욱 건강하고 생체적합성이 뛰어난 코팅 소재나 바이오세라믹에 대한 시장과 연구가 빠르게 확대되고 있습니다.

Al2O3, ZrO2, ZTA, Si3N4와 같은 생체 의료용 세라믹 및 관련 복합 세라믹 재료는 뛰어난 파괴인성과 내마모성으로 인해 외과용 하중 지지 보철물, 치과 임플란트, 골 대체재 등에 자주 사용됩니다. 지르코늄 산화물은 우수한 성능과 심미성으로 치과 보철재에 자주 사용되지만, 그 강도는 유리 세라믹에 기인합니다. 그중 질화규소는 살균 효과와 자가 윤활 특성을 결합하여 임플란트가 장기간 안정적인 생물학적 안정성을 유지합니다.

2022년 전 세계 의료용 세라믹 재료 시장 규모는 약 150억 달러로 예상됩니다. 2022년 중국의 의료용 세라믹 재료 시장 규모는 약 45억 달러에 이를 것으로 예상됩니다. 이 중 알루미나 세라믹이 대부분(약 60%)을 차지합니다. 질화규소 세라믹은 정형외과 임플란트에 사용되는 반면, 지르코니아 세라믹은 주로 치과에서 사용됩니다.

 

 

항공우주 부문

세라믹은 다양한 가혹한 적용 환경에서 탁월한 성능을 꾸준히 입증해 왔습니다. 군사 및 항공우주 산업은 첨단 세라믹이 가장 선호되는 두 가지 적용 시장입니다. "고온 내성"과 "스텔스"는 항공우주 산업의 두 가지 주요 세라믹 개발 분야입니다.

 

차세대 군용 항공 엔진은 단결정, 열 차단 코팅, 그리고 능동 공기 냉각의 잠재력이 점차 고갈됨에 따라 새로운 고온 내성 구조 재료에 대한 수요가 증가하고 있습니다. SiC/SiC-CMC는 고온 내성 구조 재료의 주요 선택지 중 하나로 부상했습니다. SiC/SiC-CMC는 대부분 탄화규소 섬유로 강화 및 인성을 강화합니다. SiC/SiC-CMC의 가장 중요한 원료는 1200°C 이상의 내열성을 가진 탄화규소 섬유로, 연구 경진 대회에서 항공 강국들의 주목을 받았습니다.

 

 

일반적으로 흡수 매질(흡수제)과 매트릭스 재료(때로는 바인더라고도 함)로 구성된 흡수 재료는 가장 중요한 스텔스 재료 중 하나입니다. 탄화규소는 다중 대역 흡수 세라믹 재료를 만드는 데 사용되는 주요 성분이며, 무기 세라믹 나노입자와 무기 고분자 재료가 결합하여 일종의 코팅인 세라믹 적외선 스텔스 재료를 형성합니다. 효과적인 광대역 전자파 흡수를 위해 무기 세라믹 나노입자는 무기 고분자 매트릭스에 균일하게 분산되고 세심하게 제어됩니다.