알루미나 세라믹과 지르코니아 세라믹
파인 세라믹스라고도 불리는 특수 세라믹스는 고순도 무기 비금속 원료를 정밀한 성형 및 소결 공정을 거쳐 제조한 무기 비금속 재료입니다. 기존 세라믹스와 달리 점토와 같은 천연 광물을 주원료로 사용하지 않습니다. 인공적으로 합성된 고순도 원료와 첨단 제조 기술을 활용하여 현대 산업 및 과학기술 분야에서 대체할 수 없는 중요한 위치를 차지하고 있습니다.
특수 세라믹은 화학적 조성에 따라 산화물 세라믹(알루미나, 지르코니아 등), 질화 세라믹(질화규소, 질화알루미늄 등), 탄화 세라믹(탄화규소, 탄화붕소 등), 붕소화물 세라믹(붕소지르코늄, 붕소란탄 등)뿐만 아니라, 여러 화합물로 구성된 복합 세라믹과 금속이 첨가된 서멧(도성 합금) 등 다양한 종류로 구분됩니다. 응용 기능에 따라 크게 고강도, 고온 내열 복합 구조용 세라믹과 전기·전자용 기능성 세라믹으로 나눌 수 있습니다.
항공우주 분야의 고온 내성 부품부터 전자 산업의 칩 패키징 및 센서 소자, 에너지 분야의 연료 전지 부품부터 생체 의학 분야의 인공 관절 및 치과 보철재에 이르기까지 특수 세라믹은 어디에나 존재합니다. 마치 숨은 영웅처럼 현대 과학기술의 발전을 조용히 이끌며 우리의 삶을 변화시키고 있습니다.
알루미나 세라믹: 특성 및 응용 분야
(1) 성능 특성
알루미나(알₂O₃)를 주성분으로 하는 알루미나 세라믹은 뛰어난 성능으로 특수 세라믹 분야에서 중요한 위치를 차지하고 있습니다. 로크웰 경도 HRA80~90으로 다이아몬드에 이어 두 번째로 높은 경도를 가지고 있어 내마모성 분야에서 탁월한 성능을 발휘합니다. 내마모성 시험 결과, 알루미나 세라믹의 내마모성은 망간강의 266배, 고크롬 주철의 171.5배에 달합니다. 동일한 작업 조건에서 장비의 수명을 최소 10배 이상 연장할 수 있습니다.
알루미나 세라믹의 밀도는 약 3.8g/센티미터³로 강철의 절반에 불과하여 장비의 부하를 효과적으로 줄여줍니다. 또한, 뛰어난 화학적 안정성을 지니고 있어 강산 및 강알칼리와 같은 화학 물질에 대한 부식 저항성이 뛰어나 화학 산업과 같은 부식성 환경에서 널리 사용됩니다. 고온 내성 또한 매우 뛰어나 최대 1600℃ 이상의 고온을 견딜 수 있으며, 고온로 및 내화재의 라이닝으로 사용될 수 있습니다.
(2) 적용분야
기계 분야에서 알루미나 세라믹은 높은 경도와 내마모성으로 인해 절삭 공구, 베어링, 씰 등의 제조에 사용됩니다. 알루미나 세라믹 절삭 공구는 일반 초경 절삭 공구보다 절삭 속도가 빨라 절삭 효율을 크게 향상시킬 수 있습니다. 복합 알₂O₃ 세라믹 절삭 공구는 경화강 및 합금강과 같은 다양한 소재를 가공할 수 있습니다.
전자 및 전력 분야에서 알루미나 세라믹은 널리 사용됩니다. 알루미나 세라믹은 우수한 절연성과 열전도도를 가지고 있어 세라믹 기판, 웨이퍼, 세라믹 필름, 투명 세라믹, 절연 소자 등으로 제작될 수 있습니다. 예를 들어, 높은 기계적 강도, 우수한 절연성, 그리고 높은 차광성을 가진 알루미나 세라믹 기판은 다층 배선 세라믹 기판, 전자 패키징 및 고밀도 패키징 기판에 자주 사용됩니다.
화학 산업에서 알루미나 세라믹은 반응솥, 파이프라인, 밸브 등의 라이닝을 만드는 데 사용될 수 있습니다. 화학적 안정성과 내식성으로 다양한 화학 매체에 의한 침식을 방지하여 화학 생산의 안전하고 안정적인 운영을 보장합니다.
지르코니아 세라믹: 특성 및 응용 분야
(1)성능 특성
지르코니아(지르코니아₂)를 주성분으로 하는 지르코니아 세라믹은 우수한 성능을 자랑합니다. 모스 경도가 7~8에 달하는 비교적 높은 경도를 가지고 있으며, 내마모성이 요구되는 분야에서 탁월한 성능을 발휘합니다. 동일한 마찰 조건에서 지르코니아 세라믹의 마모 손실은 일반 금속 재료의 10분의 1에 불과합니다.
인성 또한 매우 뛰어나며, 파괴인성이 7~15 엠파·m¹/²로 일반 세라믹보다 훨씬 높습니다. 균열 전파를 효과적으로 억제하고 쉽게 파손되지 않습니다. 내마모성도 스테인리스강의 200배 이상으로 매우 뛰어나며, 고마모 환경에서도 탁월한 성능을 발휘합니다.
지르코니아 세라믹은 우수한 절연성을 가지고 있습니다. 실온에서 우수한 절연체로서 전자 및 전기 분야의 절연 요건을 충족할 수 있습니다. 또한, 융점이 2700℃에 달하는 고온 저항성도 뛰어나 고온 환경에서 안정적으로 사용할 수 있습니다.
(2) 적용범위
구조용 세라믹 분야에서 지르코니아 세라믹은 절삭 공구, 베어링, 밸브 등의 제작에 자주 사용됩니다. 지르코니아 세라믹 절삭 공구는 날카롭고 내구성이 뛰어나며 절삭 성능이 뛰어납니다. 다양한 난삭재 가공에 적합하며 식품과 반응하지 않아 테이블 나이프, 수술용 나이프 등을 제작하는 데 사용할 수 있습니다. 지르코니아 세라믹 베어링은 고온 내성, 내식성, 내마모성이 뛰어나 고속 및 고정밀 장비에 널리 사용됩니다.
기능성 세라믹 측면에서, 지르코니아 세라믹은 산소 센서, 고체 산화물 연료 전지 전극 등으로 제작될 수 있습니다. 산소 센서는 산소 이온에 대한 전도 특성을 활용하여 주변 환경의 산소 함량을 빠르고 정확하게 감지할 수 있으며 자동차 배기 가스 감지 및 산업용 연소 제어와 같은 분야에서 널리 사용됩니다.