[TECH REPORT] 반도체 기술 혁신의 조력자 테크니컬 세라믹의 3가지 공정법 ③

[쿠어스텍=정동준 생산기술팀장] 세라믹 재료는 다양한 전자기적 및 물리적 특징을 갖고 있다. 또 우수한 내열성을 가지고 있고 내화학성이 높아 반응성이 높은 화학약품 또는 화학물질에 의한 부식을 막아주는 소재로 사용된다. 구성 성분에 따라 절연성을 가지는 소재부터 초전도성을 가지는 소재까지 다양한 전자기적 특징을 갖고 있다. 

필자는 이번 기고를 통해서 그 중에서도 활용성이 높은 테크니컬 세라믹의 특징과 그 가공법에 대해 3회에 걸쳐 소개한다.

지난 회차에서는 방탄복, 세라믹 튜브, 점화기 등 실생활에서 자주 사용되는 세라믹 재료 특성과 그 성형법에 대해 알아보았다. 이번에는 세라믹 가공 마지막 단계 공정인 소성법에 대해 알아보려고 한다. 

소성(Firing)

소성은 400가지 이상의 재료 제형과 다양한 성형 및 마감 방법을 결합해 요구 사항에 맞게 세라믹을 가공하는 방법이다. 소성법은 고온으로 화학·물리적 반응을 발생시켜 물질 성분을 영구적으로 변화시키거나 유지하기 위해 사용된다.

재료 제형과 생산량, 밀도, 비용과 같은 요구 조건에 따라 적합한 가마(kiln) 유형이 다르다. 쿠어스텍은 전 세계에 수백 개의 가마를 보유하고 있으며 다양한 제조 옵션과 기능을 제공한다. 

연속 가마 (Continuous Kiln) 

터널 가마라고도 하는 연속 가마는 대량 생산을 위한 가장 경제적 방법이다. 이 가마는 열차와 같은 차량을 연속적인 챔버(또는 터널)를 통해 트랙에서 운행하며 제품을 장시간 소결한다. 일반적으로 고용량 산화물 세라믹에 사용되지만 비산화물을 위해 가마 내에서 대기 연소를 제어하는 것도 가능하다. 

주기적 가마(Periodic Kiln) 

주기적 가마는 소량 생산에 더 적합하다. 이 가마에서 소성된 제품은 공정 내내 정지 상태를 유지하며 가마가 생산 위치로 이동하여 소성하고 가열한다. 각 사이클에 따라 가마 온도와 소성 시간을 변경할 수 있기 때문에 여러 제품을 소성하는 데 유리하다. 주기적 가마에는 열간 등압 프레스(hot isostatic press), 대기식 또는 진공식 용해로 등을 포함한 여러 가지 유형이 있다. 

열간 가압 및 열간 등압 가압

일부 재료 구성은 내화성이 너무 강해 고온으로만 연소할 수 있다. 이러한 재료는 온도와 압력이 동시에 적용되는 압력 보조 옵션을 사용해 연소할 수 있다. 이러한 방법은 소성 과정에서 내화재가 의도된 형태와 재료 밀도를 유지하도록 도와준다. 쿠어스텍은 열간 가압과 열간 등압 가압두 가지의 압력 보조 점화 옵션을 제공한다.

열간 가압(Hot Pressing) 

열간 가압 가마는 건식 압착과 유사하게 한 방양으로 압력을 가한다. 열간 가압은 밀도를 높이기 위해 압력 보조가 필요한 모든 재료 구성에 사용된다. 플레이트 및 링과 같이 곡률이 최소화된 단순화된 형상과 같은 기하학적 요구 사항에 적합하다.
 
이 공정은 흑연 몰드에 건조 분말을 공급하는 것으로 시작한다. 흑연 공구는 높은 열 환경에서 살아남을 수 있는 몇 안 되는 재료 중 하나다. 그런 다음 펀치가 축압을 가하는 동안 열이 가해진다. 그 후에 밀도가 높아진 부품을 가마에서 제거한다. 

대량 생산의 경우 여러 부품을 간격을 두고 배치한 후 동일한 프레스 내에서 여러 열간 가압 도구를 사용해 동시에 압축해 진행된다. 쿠어스텍은 대량 생산을 위해 가장 최적화된 프레스 기능을 제공한다. 

열간 등압 가압(Hot Isostatic Pressing) 

열간 등압 가압법은 등압 성형과 유사하게 상온에서 가압된 가스 매체를 통해 모든 방향으로 압력을 사용한다. 세라믹 분말 또는 미리 소결된 세라믹 본체를 강철 용기에 삽입하면 용기는 아르곤 또는 질소와 같은 불활성 가스로 채워진다. 챔버 내부에서 열과 압력이 동시에 작용해 부품을 모든 방향에서 가압한다. 그 후에 밀도가 높아지고 소결된 부분이 챔버에서 제거된다. 

대기 및 진공 가마 (Atmospheric and Vacuum Kiln) 

질화물 및 탄화물과 같은 비산화물 세라믹은 특수한 소성 환경을 필요로 한다. 이러한 재료에 안정적인 소결 환경을 제공하기 위해 쿠어스텍은 대기 및 진공 가마를 운영한다. 산화물 물질은 이미 산화돼 공기 중에서 연소될 때 치명적으로 반응하지 않는다. 하지만 비산화물은 진공 또는 불활성 환경에서 소성해야 한다. 그렇지 않으면, 그들은 또 다른 구성물을 형성하기 위해 반응을 지속할 것이다. 

진공 및 대기 가마는 소성 과정에서 대기가 물질과 상호 작용하고 물질의 특성이 변화하는 것을 방지한다. 공기 중에서 소성이 될 경우 질화규소(Si3N4)는 유리(SiO2)로, 알루미늄 질화물(AlN)은 알루미늄 산화물로 바뀐다. 

이번 기고를 통해 총 3회에 걸쳐 테크니컬 세라믹의 재료적 특성과 다양한 공정 과정에 대해 이야기했다. 

테크니컬 세라믹은 내열성, 광범위한 열 전도성, 낮은 상호효율성, 특유의 전기적 특성으로 다양한 산업에서 필수적인 소재로 떠오르고 있으며 2021년부터 2028년 1억 2300만 달러의 수익을 창출하고 6.8%의 주목할 만한 연평균 성장률(CAGR)을 기록할 것으로 예상된다. 따라서 테크니컬 세라믹의 재료와 특성을 올바르게 이해하고 적합한 공정을 선택하는 것은 매우 중요하다. 

쿠어스텍은 현재 전 세계에서 다양한 산업과 규모에 적합한 테크니컬 세라믹을 생산 중이다.  앞으로도 테크니컬 세라믹 공정 혁신의 최전선에서 제조공정을 개선하고 혁신적인 테크니컬 세라믹 제품 생산을 위해 노력을 아끼지 않을 것이다.