Fig. 1. Blastoff of the space shuttle Columbia.
아담과 이브가 천연재료인 나뭇잎으로 몸을 가린 이래, 우리 인류는 거의 숙명적으로 새로운 재료의 개발에 끊임없는 노력을 하고 있다. 특히, 요즈음의 새로운 재료개발과 이에 따른 기술의 변화속도는 놀라울 정도이다. 1903년 12월 17일, Wright 형제에 의해 이루어진 첫 비행이 겨우 12초 동안이었다는 것을 지금 생각해보면 우습기조차 하다. 요즈음은 우주왕복선(Fig. 1)이 발사되어도 신문 한 구석에 조그마하게 보도될 뿐이니 그럴 수밖에 없다. 그러나, 그 때 비행기 날개를 만들 수 있는 가장 좋은 재료는 가볍고 질긴 공단 (貢緞, satin) 뿐이었다는 사실을 돌이켜 볼 때, 그 첫 비행은 오늘날의 우주왕복선 발사보다 훨씬 더 역사적인 사건일지도 모른다. 어느 것이 더 굉장한 사건이던, 한 가지 뚜렷한 것은 구조를 이루는 재료의 발달이 과학문명의 주춧돌이 되었다는 사실이다.
Fig. 1. Blastoff of the space shuttle Columbia.
세라믹스 분야에도 Table 1에서 보는 것처럼 지난 10여 년 간 많은 기술의 진보가 이루어져, 소위 뉴 세라믹스 (new ceramics) 시대를 맞고있다. 이 뉴 세라믹스의 특징은 전통 세라믹스에 비해 세라믹스가 나타내는 여러 특성들을 최대로 살렸다는 점이다. 특히, `강하다', `딱딱하다', `질기다' 등으로 흔히 표현되는 기계적 특성은 옛날과는 비교가 되지 않을 정도로 좋아졌다. 예로서, 접시나 찻잔과 같은 전통 세라믹스를 보면, 이들은 주로 점토, 고령토, 규석, 장석 등과 같은 천연원료로 만들기 때문에, 그 강도가 별로 높지 않고 잘 깨어진다. 따라서, 이와 같은 전통 세라믹스들은 그 쓰이는 온도가 높지 않고 별로 큰 힘을 받지 않는 응용에만 많이 쓰여왔다. 창문의 유리나 화장실의 타일 등이 그 좋은 예가 될 것이다.
반면에, 오늘날의 구조 세라믹스 (構造 세라믹스, structural ceramics; 힘에 버티고 열과 환경에 견뎌야 하는 어떤 구조물 또는 그 부품으로 쓰이는 세라믹스)를 보면, 이들은 천연원료를 쓰는 것이 아니라 질화규소 (窒化硅素, silicon nitride, Si3N4), 탄화규소 (炭化硅素, silicon carbide, SiC), 질코니아 (zirconia, ZrO2), 알루미나 (alumina, Al2O3) 등과 같은 고순도의 합성원료로 만들어진다. 뿐만 아니라, 지난 10여년 사이에 이 구조 세라믹스를 합성하거나, 원하는 모양으로 성형하거나, 고온으로 가열하여 치밀화 (緻密化, densification)하는 기술이 눈에 뜨이게 발달하여, 세라믹스만이 지니는 여러 장점들 (즉, 열에 잘 견디고, 강하며 가볍다는 등)을 최대한으로 살릴 수 있게되었다.
이제 세라믹스는 Fig. 2에서 보는 것처럼 전에는 도저히 생각도 못하던 고속용 절삭공구 (切削工具, cutting tools; 금속 등과 같은 재료를 깎고 다듬는 데 쓰이는 공구), 자동차용 터보차저 (turbocharger; 자동차의 배기로 로터를 돌려 공기를 압축해서 연소실에 넣어주는 장치)의 로터 (rotor) 등으로 그 응용범위를 넓혀가게 되었다.
| Function | Applications | Materials |
|---|---|---|
| Electrical | Substrate for IC | Al2O3, AlN, BeO, SiC |
| Capacitor | BaTiO3, SrTiO3 Piezoelectric Ceramics PZT, PLZT | |
| Fast Ion Conductor | β-Al2O3 | |
| Superconductor | Y-Ba-Cu-O, etc. | |
| Magnetic | Soft Ferrite | Mn0.4Zn0.6Fe2O4 |
| Hard Ferrite | BaFe12O19, SrFe12O19 | |
| Chemical | Sensor | ZrO2, SnO2, ZnO |
| Substrate for Catalyst | Al2O3, Cordierite | |
| Mechanical | Cutting Tools | Al2O3, Si3N4, TiC, TiN, WC, CBN, Diamond |
| Mechanical Seals | Al2O3, SiC, WC, C | |
| Armor | B4C, SiC, Al2O3 | |
| Engine Parts | SiC, Si3N4, ZrO2 | |
| Optical | Translucent Ceramics | Al2O3, MgAl2O4 |
| Laser Materials | Y2O3, ThO2 | |
| Light Memory | PLZT | |
| Optical Fiber | SiO2 | |
| Biological | Artificial Bone & Joint | Al2O3 |
| Artificial Tooth | Apatite Hydroxide |
Table 1. Functions of new ceramics
Fig. 2. Various ceramic cutting tools(쌍용양회).Fi
그리고, 엔진의 운전온도를 높임으로서 그 효율을 높일 수 있는 세라믹 가스 터빈 (ceramic gas turbine)의 개발연구도 활발히 진행되고 있다. 예로써 일본에서는 300 kW급 세라믹 가스터빈으로 세계 최고의 열효율을 97년 초에 달성하였다. 川崎重工業은 교세라, 佳友精密工業과 공동으로 NEDO의 프로젝트를 받아 88년 10월부터 300 kW급 세라믹 가스터빈 개발을 수행하고 있는데, 소형 가스터빈으로써는 세계 최고의 열효율 36%를 얻었다. 이제까지 냉각을 하지 않는 금속제의 소형 가스터빈의 입구온도는 약 950℃가 한계였기 때문에 열효율은 15-20% 정도였다. 그러나 이번의 세라믹 가스터빈에서는 입구온도 1,250℃로써 열효율 36%를 달성했다. 이 36%의 열효율은 현재 2만 kW급 가스터빈으로 실현하고 있는 수준이다. 이번에 개발한 세라믹 터빈은 터빈 블레이드와 연소실을 질화규소로 만들었기 때문에 냉각이 필요하지 않고, 또한 예혼합연소방식의 채용으로 연소조건을 향상했다. 그 때문에 질소산화물의 배출량이 종래의 1/10로 줄일 수 있었다. 3사는 앞으로 6만 kW급에서 실현하고 있는 열효율 42%의 개발을 진행하고, 병원과 호텔 등의 코제네레이터용 가스터빈의 개발을 서두르고 있다.
1997년 9월 25일 이준근