산화알루미늄 소재 국산화 기술·연구 동향 ②
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산화알루미늄 소재 국산화 기술·연구 동향 ②
  • 한국산업기술시험원 이동원 선임연구원
  • 승인 2020.10.20 08:45
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[테크월드=선연수 기자]

산화알루미늄 소재 국산화 기술·연구 동향 ①과 이어집니다.

 

산화알루미늄 소재 연구동향

산화알루미늄 소결체

소결(Sintering)이란 분말을 원료로 만들어진 성형체를 고온에서 치밀화시키는 과정을 의미한다. 이때 분말성형체의 밀도는 40~60%에서 소결이후 80~99.9%까지 증가하며 부수적인 현상을 동반한다. 산화알루미늄 분말을 성형하는 공정 중에서 분말압축공정은 저비용, 대량생산, 생산 속도 등으로 인해 일반적인 방법으로 널리 사용되고 있으며, 대표적으로 일축 압축 성형법(Uniaxial press)과 냉간 등압성형(Cold isostatical press) 등이 있다.

일축압축 성형법은 2개의 펀치 사이에 배치된 분말을 성형하는 전통적인 기술이다. 그러나 성형 중 몰드 내벽과 분말 간 마찰의 문제점, 성형체의 위치에 따른 압력 분포의 불균형 문제가 발생한다. 이로 인해 성형밀도(Green density)의 불균형이 성형체 내에 존재하게 돼 크랙(Crack)이 발생하고 스프링백(Springback)으로 인한 결함의 원인이 된다.

냉간 등압성형은 등방 압축 성형방법 중 하나로, 성형 몰드 안에서 정수압을 가하면 성형체 모든 표면에 압력이 균일하게 가해지도록 하는 방식을 취한다. 등압성형에 비해 최대인가 압력을 증가시켜 성형밀도를 높일 수 있으며 압축 불균형을 현저하게 낮출 수 있는 장점을 가진다.

소결은 치밀화가 이뤄지는 기술적인 방법에 따라 상압소결(Normal Sintering), 가압소결(Press Sintering), 스파크 플라즈마소결(Spark Plasma Sintering), 반응소결(Reaction Sintering) 등 크게 4가지로 분류된다.

상압소결은 통상의 소결공정으로 성형체를 대기압의 공기 혹은 불활성 분위기에서 열처리를 통해 치밀화하는 방법이다. 가압소결은 소결체의 외부에서 압력을 가해 치밀화하는 방법이다. 스파크 플라즈마소결은 소결체에 압력을 가함과 동시에 고전류의 펄스를 흐르게 함으로써 저온에서 치밀화하는 기술이다. 마지막으로 반응소결은 소결 과정 중에 외부로부터 제품 내로 물질의 이동이 발생해 새로운 소재가 합성되면서 치밀화가 일어나게 하는 방법이다. 4가지 소결방법 모두 소결 과정 중 치밀화를 촉진하기 위한 기술이라고 할 수 있다.

앞서 말했듯 산화알루미늄은 제조 방법에 따라 다양한 상이 얻어지며, 가장 일반적인 산화알루미늄은 커런덤(Corundum)이라고 불리며, 거의 육방정계(Hexagonal) 구조의 안정적인 형태인 α산화알루미늄이다. α산화알루미늄에 대한 연구로는 소결조제로써 Mg, Si, Ca, Y 등의 도편트 첨가의 영향 연구, 그래핀(Graphene), 탄소 나노튜브(Carbon nanotube), SiC 첨가제에 의한 기계적 향상 등의 연구가 진행돼 왔다.

 

 

[그림 4] 하이브리드 CNT/Al₂O₃ 복합소재 제조 모식도와 복합소재의 특성

Wang 등은 다른 전하를 갖는 기지상의 조합(Heterocoagulation)을 이용해 잘 분산된 그래핀-산화알루미늄 복합체를 제조했다. Mukherjee 등은 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)를 알루미나와 혼합해 방전플라즈마소결(SPS, Spark Plasma Sintering)방법으로 CNT를 강화한 세라믹 기지 나노복합체를 제조했다[그림 4].

이 복합재료의 항복강도(Yield strength)는 순수 산화알루미늄의 약 5배 정도, 전기전도도는 나노튜브를 이용한 세라믹들보다 7배 높다고 보고한 바 있다. Al₂O₃-SiC 세라믹 복합소재는 1㎛ 미만의 미세한 SiC를 첨가함으로써 단상 Al₂O₃ 세라믹의 기계적 물성을 증진시켜 그 응용 폭을 넓히고자 하는 목적으로, 30여 년 전부터 연구돼 온 소재다. 공정에 따라 다소 차이는 있으나 약 5vol% 소량의 SiC만을 첨가해도 상온에서 굽힘강도가 500MPa~1GPa를 상회해 제조할 수 있다. 또한, 고온에서 크립 저항성이 최대 2배가량 상향되는 것으로 알려져 있다.

 

산화알루미늄 코팅 분리막

최근 배터리의 안전에 관련한 사고 사례가 늘고 있어 오작동, 발화, 폭발 안정성에 대한 관심이 고조되고 있다. 현재 폴리올리핀계열의 다공성 구조를 가진 폴리에틸렌(PE)와 폴리프로필렌(PP) 소재의 고분자 필름이 리튬이차 전지의 분리막으로 많이 사용되고 있으나, 이런 분리막은 열안정성과 기계적 파손에 취약해 내열성을 높이려는 연구가 활발히 진행되고 있다.

 

 

[그림 5] PE 분리막 양면에 코팅된 Al₂O₃-coated 분리막 구조와 SEM 이미지

대표적인 방법으로 PE 분리막에 내열성이 좋은 PP 분리막을 중첩해 제조하는 방법, 고내열 특성을 지니는 유기물이나 무기물을 코팅하는 방법, PE에 감마선과 전자선과 같은 방사선을 조사해 가교구조를 형성시킴으로써 내열성이 향상된 분리막을 제조하는 방법이 있다. 3가지 방법 중에서 PE나 PP 소재에 무기물을 코팅하는 방법이 상용 내열성강화 분리막 제조에 가장 많이 적용되고 있다[그림 5].

일반적으로 비수성 전해질은 폴리올리핀계 분리막에 젖지 않는 성질을 가지지만, 산화알루미늄과 같은 무기 입자의 첨가로 인해 EC(Ethylene Carbonate), PC(Propylene Carbo nate) 등과 같은 액체 전해질에 상당한 습윤성을 가진다. 이는 비수성 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 이차전지에 좋은 열 내구성과 안정성을 제공한다.

 

AD법을 이용한 산화알루미늄 코팅

에어로졸 데포지션(AD, Aerosol deposition) 공정은 200~400m/s의 분사속도로 미세한 세라믹 입자를 노즐로 가속시켜 기판에 충돌해 코팅층을 형성하는 것이다. 현재까지 보고된 AD법에 의한 코팅막의 형성 메커니즘을 정리해 보면 분사된 세라믹 입자들이 기판이나 형성된 코팅 층에 충돌하면서 미세하게 분쇄돼 수~수십 nm 수준의 입자가 생성된다. 충돌 시 입자의 기계적인 운동에너지가 열에너지로 소산되면서 발생하는 수백 도 수준의 온도로 인해 입자들이 결합을 반복해 치밀화가 이뤄진다고 보고되고 있다.

AD 공정은 화학량론비의 제어와 저 융점 재료와의 혼합막 형성이 상당히 용이해 마이크로액츄에이터, 내장형 수동소자, 광학소자, 광촉매, 리튬이온전지, 연료전지 등과 같은 전자세라믹스 분야뿐만 아니라 내마모/내부식성 코팅, 생체적합물질 코팅, 초소수성 코팅 등과 같은 표면 처리 분야로의 응용연구도 활발히 진행되고 있다.

 

 

[그림 6] AD법을 이용해 상온에서 산화알루미늄 단일막과 복합막 제조

최근에는 유전체와 박막저항 등을 제조하기 위해 세라믹(Al₂O₃, BaTiO₃, TiO₂ 등)과 금속(Ag, Cu 등)을 혼합한 세라믹/금속 복합체에 대한 연구, 산화알루미늄과 PTFE(Poly-tetra-fluoro-ethylene)를 혼합한 세라믹/고분자 복합체를 제조해 소수성과 투명성을 향상시킨 연구가 보고되고 있다. AD법은 상온에서 치밀한 산화알루미늄 코팅을 형성할 수 있고 다양한 세라믹, 금속, 고분자 분말과 혼합해 복합막을 형성할 수 있기에 [그림 6]과 같이 응용분야가 넓게 나타난다.

 

결론

산화알루미늄은 소재는 거의 일본 등 해외 수입에 의존하고 있다. 난이도와 기술 수준에 따라 3~5년 기술격차를 가지고서 국내 업체들이 개발에 착수했으나 아직 초기단계에 머물고 있다. 조기 상용화를 위해서는 수요기업(반도체, 전자산업 등)의 리스크를 최소화하고 생산기업의 관련역량을 극대화하기 위한 생산과 응용관련 실증기술 개발이 요구된다.

이번 글에서는 국내 산화알루미늄 소재개발 현황, 일본 수출규제 등에 따른 산화알루미늄원료 국산화의 필요성, 국산 산화알루미늄 소재의 상용화를 촉진하기 위한 표준의 역할, 산화알루미늄 소재 관련 연구동향을 살펴봤다.

첫 번째로, 일본의 수출규제와 화이트리스트 배제로 인해 세라믹 원료·소재의 안정적인 수급이 심각한 문제로 부상했고, 그에 대한 대응책으로 재고물량 확보, 수입국 다변화, 국산화 등을 진행하고 있다. 근본적인 해결책은 세라믹 원료·소재의 국산화이나 수요기업의 회피 성향, 높인 진입 장벽 등으로 인해 상용화에 성공한 원료·소재는 많지 않은 편이다. 따라서 국산화를 위한 실증기술인 제품생산표준공정기술, 소재·부품·제품연계 평가기술, 표준화 개발이 필요하다.

두 번째로 국산 원료·소재의 신뢰도를 제고시키고 수요기업-공급기업 간 긴밀한 협력관계를 강화시키는 방법으로 실증·양산 테스트 등 수요기업의 요구를 반영한 표준과 인증을 활용할 수 있을 것이다. 현재 산화알루미늄 분체 특성, 성능 평가기술과 관련해서는 JIS를 토대로 ISO, KS 표준들이 제정돼 활용되고 있다. 기보유 표준을 적용해 산화알루미늄 분말의 물성평가 기술을 표준화하고, 응용제품별 핵심 특성 실증평가를 위한 표준을 개발할 필요가 있다.

마지막으로 산화알루미늄 소재의 국내외 연구동향은 고품위의 산화알루미늄 제조, 우수한 기계적·화학적 내구성 향상을 위한 산화알루미늄 기반 복합세라믹 소결체 제조, 이차전지 세라믹 코팅 제조, AD법을 산화알루미늄 단일·복합막 제조 등 다양한 분야에서 연구개발되고 있다.

향후 산화알루미늄 소재의 국가 경쟁력 확보를 위해서는 산화알루미늄 소재·응용부품에 대한 체계적인 실증평가를 통해 산·학·연이 긴밀히 연결된 기술개발 네트워크가 필요하다. 또한, 작은 규모의 내수시장을 보유한 우리나라는 해외시장으로 진출하기 위해 국제표준의 뒷받침이 반드시 필요하다.

 

글: 한국산업기술시험원 재료기술센터 이동원 선임연구원
자료제공: 한국전기전자재료학회

- 이 글은 테크월드가 발행하는 월간 <EPNC 電子部品> 2020년 10월 호에 게재된 기사입니다.


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