1. SiC 소재의 개요
SiC는 전기적으로는 반도체적 특성을 나타내는 재료로서 Si와 C의 강한 공유결합으로 이루어진 세라믹 재료이다. SiC 재료는 분말형태, 박막형태, 소결체 형태 그리고 섬유 형태로 만들어질 수 있으며, 열전도도가 높고 강도 경도 등 기계적 물성이 뛰어나기 때문에 반도체 소자재료로부터 원자로용 재료에 이르기까지 다양한 응용도를 갖고 있는 물질이다. 최근에는 반도체 가공용 소재로서 범용적으로 사용되고 있으며 반도체적 특성을 이용하여 고온 발열체로서 사용되기도 한다. 일반인들에게는 샌드페이퍼(사포)에 이용되는 재료로 널리 알려져 있다.
SiC는 높은 내열성과 초고온 특성이 우수하기 때문에 고온에서의 응용분야가 다양하다. 우주왕복선의 내열타일소재로부터 미라쥐 전투기의 제트엔진 플랩, 고온가스터어빈의 연소실 소재, 고온 부식성 가스용 필터소재, 적외선 방열판 소재등으로 우주항공산업에서부터 환경산업소재에 이르기 까지 그 용도가 아주 광범위한 우수한 소재이다.
2. SiC 섬유의 개발과 응용
일반적으로 섬유를 분류할 때 유기섬유와 무기섬유로 구분을 하는데 무기섬유 가운데에는 광통신용 유리섬유를 비롯하여, 광물섬유, FRP용 유리섬유, 내화단열재용 단열 내화물 섬유, 탄소섬유 그리고 세라믹섬유가 포함된다. 흙으로부터 섬유를 만든다고 하면 믿는 사람이 얼마나 될 수 있을까만은 실제로 흙으로부터 섬유가 생산되고 있으며 이 섬유는 우주정거장건설에 사용되고 있다. 바잘트 섬유라는 섬유가 있다. 러시아의 우주정거장 미르호에 사용하기 위해서 러시아에서 개발추진된 흙으로부터 만든 섬유이다. 현무암을 주성분으로 하는 흙으로부터 용융방사하여 만들어지는 이 섬유는 유리섬유보다도 훨씬 더 우수한 방열 내열 특성을 지니고 있으며 구조재용 보강재, 흠음 단열재, 필터용 소재등으로 광범위한 응용처를 갖고 있다.
이처럼 인류의 섬유만들기는 누에고치에서부터 시작하여 흙에까지 이르고 있으며 최근에는 다이아몬드 섬유의 개발에까지 이르고 있다. SiC 섬유의 개발도 이러한 다양한 인류의 섬유 만들기 노력의 산물중의 하나이다.
SiC 는 녹는점이 유리와는 달리 3000oC에 달하기 때문에 녹여서 뽑아내는 유리섬유와는 그 제법을 달리할 수 밖에 없다. 3000oC 이상을 견디는 도가니소재를 구하기도 어렵거니와 엄청난 제조비용을 감당해내기 어려울 것이며 초고온에서 뽑아내는 섬유를 다루기도 어려울 것이다. 따라서 SiC 섬유는 Si와 C를 포함하고 있는 폴리머 전구체로부터 만들어진다.
1970년대 중반 일본 동북대학교의 야지마 교수는 폴리카르보실란이라는 유기규소 폴리머를 합성하고 이로부터 PCS fiber를 용융방사하고 이를 소성하여 SiC 섬유를 제조하는 공정을 발명하였다. 이 SiC 섬유는 지름 약 10 μm의 부드럽고 가는 섬유로서 1980년대 전반에 Nippon carbon사에 의해 상업생산에 성공하여 Nicalon 이라는 상품명으로 연산 15톤 정도 생산되고 있다. 한편 일본의 Ube사에서는 유사한 공정으로 폴리티타노카르보실란에서 Si-Ti-C-O계 섬유 Tyranno를 개발하였으며 현재 생산량은 연산 7톤 정도이다.
무기화되기전의 전구체 섬유인 폴리카르보실란 섬유는 불융화 공정을 거쳐야만 섬유의 형상이 유지된다. 불융화 공정은 열산화법, 전자선 조사법, 방사선 조사법에 의한 불융화로 나뉘어진다. 열산화법에 의해 제조되는 SiC 섬유는 섬유내부에 열산화공정에서 기인하는 다량의 O를 포함하고 있어서 1200oC 이상의 고온에서는 열분해가 일어나 섬유의 물성이 극도로 저하되는 문제점을 안고 있었다. 이러한 문제점을 해결하기위하여 산소를 필요로하지 않는 불융화 방법이 개발되었으며 전자선조사 또는 방사선 조사에 의한 불융화 공정이 그것이다. 이들 방법에 의해 제조되는 SiC 섬유는 산소의 함량이 적고 고온에서도 인장강도가 저하하지 않는 우수한 특성을 보이며 Hi-Nicalon이라는 상품으로 제조되었고, 또한 불융화 폴리머 섬유를 SiC화 할 때 소성상태의 분위기를 수소가스로 함으로써 고순도의 SiC 섬유가 개발되어 Hi-Nicalon-S로서 생산되고 있다. 이러한 섬유의 특성 향상에 힘입어 현재 Nicalon의 경우 1600oC 이상에서도 강도의 저하가 없는 제품이 개발되었고, Ube의 Tyranno 섬유의 경우 2000oC 이상의 온도에서도 강도의 저하가 없는 섬유가 실험실적으로 생산되고 있다.
Nicalon의 경우 kg당 가격이 160만원정도이며, Hi-Nicalon S의 경우 kg당 가격이 1,200만원을 능가한다. 이처럼 가격이 높기 때문에 그 응용분야 또한 제한적인 특수 고기능 제품에 한하게 되어 우주항공용 소재로서 주로 이용되고 있을 뿐이다. 그러나 제한적이나마 민수용으로의 응용확대를 모색하기위한 연구노력이 지속적으로 이루어지고 있고, 또 carbon 섬유가 갖지 못하는 우수한 고온 내산화성을 유용하게 이용하는 쪽으로 응용의 폭을 넓혀 가고 있다.
SiC는 전기적으로는 반도체적 특성을 나타내는 재료로서 Si와 C의 강한 공유결합으로 이루어진 세라믹 재료이다. SiC 재료는 분말형태, 박막형태, 소결체 형태 그리고 섬유 형태로 만들어질 수 있으며, 열전도도가 높고 강도 경도 등 기계적 물성이 뛰어나기 때문에 반도체 소자재료로부터 원자로용 재료에 이르기까지 다양한 응용도를 갖고 있는 물질이다. 최근에는 반도체 가공용 소재로서 범용적으로 사용되고 있으며 반도체적 특성을 이용하여 고온 발열체로서 사용되기도 한다. 일반인들에게는 샌드페이퍼(사포)에 이용되는 재료로 널리 알려져 있다.
SiC는 높은 내열성과 초고온 특성이 우수하기 때문에 고온에서의 응용분야가 다양하다. 우주왕복선의 내열타일소재로부터 미라쥐 전투기의 제트엔진 플랩, 고온가스터어빈의 연소실 소재, 고온 부식성 가스용 필터소재, 적외선 방열판 소재등으로 우주항공산업에서부터 환경산업소재에 이르기 까지 그 용도가 아주 광범위한 우수한 소재이다.
2. SiC 섬유의 개발과 응용
일반적으로 섬유를 분류할 때 유기섬유와 무기섬유로 구분을 하는데 무기섬유 가운데에는 광통신용 유리섬유를 비롯하여, 광물섬유, FRP용 유리섬유, 내화단열재용 단열 내화물 섬유, 탄소섬유 그리고 세라믹섬유가 포함된다. 흙으로부터 섬유를 만든다고 하면 믿는 사람이 얼마나 될 수 있을까만은 실제로 흙으로부터 섬유가 생산되고 있으며 이 섬유는 우주정거장건설에 사용되고 있다. 바잘트 섬유라는 섬유가 있다. 러시아의 우주정거장 미르호에 사용하기 위해서 러시아에서 개발추진된 흙으로부터 만든 섬유이다. 현무암을 주성분으로 하는 흙으로부터 용융방사하여 만들어지는 이 섬유는 유리섬유보다도 훨씬 더 우수한 방열 내열 특성을 지니고 있으며 구조재용 보강재, 흠음 단열재, 필터용 소재등으로 광범위한 응용처를 갖고 있다.
이처럼 인류의 섬유만들기는 누에고치에서부터 시작하여 흙에까지 이르고 있으며 최근에는 다이아몬드 섬유의 개발에까지 이르고 있다. SiC 섬유의 개발도 이러한 다양한 인류의 섬유 만들기 노력의 산물중의 하나이다.
SiC 는 녹는점이 유리와는 달리 3000oC에 달하기 때문에 녹여서 뽑아내는 유리섬유와는 그 제법을 달리할 수 밖에 없다. 3000oC 이상을 견디는 도가니소재를 구하기도 어렵거니와 엄청난 제조비용을 감당해내기 어려울 것이며 초고온에서 뽑아내는 섬유를 다루기도 어려울 것이다. 따라서 SiC 섬유는 Si와 C를 포함하고 있는 폴리머 전구체로부터 만들어진다.
1970년대 중반 일본 동북대학교의 야지마 교수는 폴리카르보실란이라는 유기규소 폴리머를 합성하고 이로부터 PCS fiber를 용융방사하고 이를 소성하여 SiC 섬유를 제조하는 공정을 발명하였다. 이 SiC 섬유는 지름 약 10 μm의 부드럽고 가는 섬유로서 1980년대 전반에 Nippon carbon사에 의해 상업생산에 성공하여 Nicalon 이라는 상품명으로 연산 15톤 정도 생산되고 있다. 한편 일본의 Ube사에서는 유사한 공정으로 폴리티타노카르보실란에서 Si-Ti-C-O계 섬유 Tyranno를 개발하였으며 현재 생산량은 연산 7톤 정도이다.
무기화되기전의 전구체 섬유인 폴리카르보실란 섬유는 불융화 공정을 거쳐야만 섬유의 형상이 유지된다. 불융화 공정은 열산화법, 전자선 조사법, 방사선 조사법에 의한 불융화로 나뉘어진다. 열산화법에 의해 제조되는 SiC 섬유는 섬유내부에 열산화공정에서 기인하는 다량의 O를 포함하고 있어서 1200oC 이상의 고온에서는 열분해가 일어나 섬유의 물성이 극도로 저하되는 문제점을 안고 있었다. 이러한 문제점을 해결하기위하여 산소를 필요로하지 않는 불융화 방법이 개발되었으며 전자선조사 또는 방사선 조사에 의한 불융화 공정이 그것이다. 이들 방법에 의해 제조되는 SiC 섬유는 산소의 함량이 적고 고온에서도 인장강도가 저하하지 않는 우수한 특성을 보이며 Hi-Nicalon이라는 상품으로 제조되었고, 또한 불융화 폴리머 섬유를 SiC화 할 때 소성상태의 분위기를 수소가스로 함으로써 고순도의 SiC 섬유가 개발되어 Hi-Nicalon-S로서 생산되고 있다. 이러한 섬유의 특성 향상에 힘입어 현재 Nicalon의 경우 1600oC 이상에서도 강도의 저하가 없는 제품이 개발되었고, Ube의 Tyranno 섬유의 경우 2000oC 이상의 온도에서도 강도의 저하가 없는 섬유가 실험실적으로 생산되고 있다.
Nicalon의 경우 kg당 가격이 160만원정도이며, Hi-Nicalon S의 경우 kg당 가격이 1,200만원을 능가한다. 이처럼 가격이 높기 때문에 그 응용분야 또한 제한적인 특수 고기능 제품에 한하게 되어 우주항공용 소재로서 주로 이용되고 있을 뿐이다. 그러나 제한적이나마 민수용으로의 응용확대를 모색하기위한 연구노력이 지속적으로 이루어지고 있고, 또 carbon 섬유가 갖지 못하는 우수한 고온 내산화성을 유용하게 이용하는 쪽으로 응용의 폭을 넓혀 가고 있다.
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