탄화규소(SiC) 세라믹은 높은 경도, 고강도, 낮은 열팽창 계수, 높은 열전도율, 우수한 화학적 안정성, 뛰어난 열충격 저항성 및 산화 저항성으로 인해 다양한 첨단 제조 분야에서 오랫동안 널리 사용되어 왔습니다. 이러한 탄화규소 세라믹의 특성 외에도, 독특한 미세 다공성 구조를 가진 다공성 탄화규소 세라믹은 야금, 화학 공학, 환경 보호 및 에너지와 같은 분야에서 폭넓은 응용 가능성을 보여주며 탄화규소 세라믹의 활용 범위를 크게 확장하고 있습니다.
특별한 속성다공성 탄화규소 세라믹다공성 탄화규소 세라믹은 주로 기공률, 기공 크기 및 분포, 기공 형상 등을 포함하는 독특한 다공성 구조로부터 이점을 얻습니다. 따라서 원하는 다공성 구조를 얻기 위해서는 제조 방법을 통해 기공률, 기공 크기 및 분포, 그리고 기공 형상을 조절하는 것이 필수적입니다. 이러한 이유로 다공성 탄화규소 세라믹의 제조 방법은 항상 연구의 주요 관심사였습니다. 본 논문에서는 최근 국내외 다공성 탄화규소 세라믹의 제조 방법 연구 동향을 주로 고찰합니다.
1. 물리적 방법
물리적 방법이란 다공성 탄화규소 세라믹의 기공이 화학 반응이나 새로운 물질의 생성 없이 제조 과정 중 일련의 물리적 현상에 의해 형성된다는 사실을 말합니다. 주요 메커니즘은 고체 물질의 열 수축, 액상 증발, 고체상의 직접 승화로 인해 남겨진 기공을 이용하여 다공성 구조를 형성하는 것입니다. 일반적인 방법으로는 입자 적층법, 동결 건조법, 졸-겔법 등이 있습니다. 최근 등장한 3D 프린팅 기술을 이용하여 다공성 구조를 직접 인쇄하고 제조할 수도 있습니다.
1.1 입자 적층 방법
입자 충진 소결법은 다공성 탄화규소 세라믹을 제조하는 가장 간단한 방법입니다. 이 방법의 원리는 세라믹 입자 자체의 소결 특성을 이용하여 서로 다른 SiC 입자 사이에 소결 넥을 형성함으로써 입자들이 모여 다공성 세라믹을 형성하는 것입니다. 소결 온도를 낮추기 위해 일반적으로 융점이 낮은 바인더를 일정량 첨가하여 서로 다른 SiC 입자 사이의 연결을 만듭니다. 입자 충진 소결법에서는 모든 기공이 SiC 입자 사이의 충진 틈에서 형성되므로, 분말 크기, 바인더의 종류 및 첨가량, 소결 조건을 조절함으로써 완성된 다공성 세라믹의 기공률과 기공 크기를 제어할 수 있습니다.
입자 적층법을 이용한 다공성 탄화규소 세라믹 제조는 추가적인 기공 형성제를 첨가할 필요가 없으며, 공정이 간단하고 비교적 제어가 용이하다. 그러나 이 방법으로 제조된 다공성 세라믹의 기공률은 일반적으로 낮다. 기공의 형상, 크기 및 기공률은 주로 원료 입자의 형상, 크기 및 분포, 그리고 소결 정도에 의해 결정된다.
1.2 동결건조법
동결건조는 세라믹 골재를 적절한 양의 분산제 또는 결합제 존재 하에 물 또는 유기 용매와 균일하게 혼합하여 슬러리를 형성하는 방법입니다. 잘 혼합된 슬러리를 주형에 붓고 저온에서 급속 동결시켜 액상 기질이 빠르게 고체로 고화되도록 합니다. 이후, 고화된 고체상을 감압 또는 진공 건조 처리를 통해 승화시켜 제거합니다. 이 방법을 통해 슬러리 내부에 방향성 기공 구조가 남아 있는 성형체를 얻고, 최종적으로 소결하여 다공성 탄화규소 세라믹을 제조할 수 있습니다.
1.3 3D 프린팅 방식
다공성 탄화규소 세라믹을 제조하는 3D 프린팅 방식은 최근 개발된 새로운 제조 공정입니다. 이 공정은 컴퓨터 지원을 통해 설계된 3차원 데이터 모델을 기반으로 합니다. 프린팅 헤드를 통해 바인더가 분사되어 원료 분말이 층층이 쌓여 3차원 네트워크 구조를 형성합니다. 3D 프린팅과 반응 소결 공정을 결합함으로써 금형 없이 복잡한 형상의 세라믹을 거의 최종 크기에 가깝게 성형할 수 있습니다.
다공성 탄화규소 세라믹을 제조하는 3D 프린팅 방법은 성형 공정이 간단하고, 제조 및 가공 효율이 높으며, 금형이 필요 없다는 특징이 있습니다. 이 방법을 이용하면 복잡한 형상, 균일한 미세 구조, 우수한 기공 연결성을 갖는 다공성 탄화규소 세라믹을 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 다공성 세라믹의 기공률과 기공 크기를 제어하고 조절할 수 있습니다. 그러나 이 방법은 현재 탐색적 연구 단계에 머물러 있으며, 공정 변수 최적화가 더욱 필요합니다. 또한, 이 방법으로는 고강도 다공성 탄화규소 세라믹을 한 번에 제조하기 어렵고, 원하는 제품을 생산하기 위해 다른 공정을 거쳐야 하므로 상대적으로 비용이 많이 듭니다.
1.4 거품 발생
발포 성형법은 세라믹 성형체 또는 전구체에 가스 또는 후속 공정을 통해 가스를 발생시킬 수 있는 물질을 첨가한 후 소결하여 다공성 탄화규소 세라믹을 얻는 방법입니다. 다른 제조 방법과 달리 발포법은 폐쇄형 기공 세라믹을 제조하는 데 효과적인 공정입니다.
2. 화학적 방법
화학적 방법이란 다공성 탄화규소 세라믹의 다공성 구조가 무기염 또는 첨가된 유기물질의 분해 또는 반응에 의해 형성되고, 원래 위치에 빈자리가 남는 것을 말합니다. 다공성 탄화규소 세라믹을 제조하는 일반적인 화학적 방법에는 기공 형성제 첨가법, 유기 발포 함침법, 생체 주형법 등이 있습니다.
2.1 유기 발포 함침
유기 폼 함침법은 유기 폼을 템플레이트로 사용하여, 제조된 세라믹 슬러리를 템플레이트에 고르게 코팅하거나 템플레이트를 슬러리에 담가 공기를 제거함으로써 슬러리가 유기 폼 템플레이트에 고르게 부착되도록 하는 방법입니다. 그 후, 건조 및 고온 소결을 통해 유기 템플레이트를 제거하여 다공성 세라믹을 얻습니다.
이 방법의 가장 큰 단점은 미세 기공을 가진 폐쇄형 다공성 제품을 생산할 수 없다는 것입니다. 형상에 제약이 있고, 원료에 따라 프리폼의 성능이 크게 영향을 받습니다. 또한 제조된 다공성 세라믹 재료의 밀도와 강도를 제어하기 어렵습니다.
2.2 기공 형성제 첨가 방법
기공 형성제를 첨가하여 다공성 탄화규소 세라믹을 제조하는 방법은 탄화규소 분말 또는 전구체에 기공 형성제를 첨가한 후, 후속 공정을 통해 기공 형성제를 제거하는 것을 포함합니다. 그 결과, 기공 형성제가 원래 차지했던 위치에 기공이 형성되고, 이후 가열 및 소결을 통해 다공성 세라믹이 형성됩니다. 따라서 기공 형성제의 종류와 첨가량을 조절함으로써 완성된 다공성 세라믹의 기공률, 기공 형태, 기공 크기 및 분포를 편리하게 제어할 수 있습니다. 기공 형성제의 종류는 천연 또는 합성 유기 고분자, 액체, 염, 세라믹 또는 기타 분말 등 매우 다양합니다. 각 기공 형성제의 제거 공정은 다릅니다. 유기 고분자 기공 형성제는 일반적으로 가열 및 분해를 통해 제거하고, 액체 기공 형성제는 결정화 및 승화를 통해 제거할 수 있으며, 염은 물 여과를 통해, 세라믹 분말은 적절한 용액 여과를 통해 제거할 수 있습니다.
2.3 생물학적 템플릿 방법
생체재료의 미세 기공 구조는 합성재료의 미세 기공 구조와 현저히 다릅니다. 이러한 독특한 구조 때문에 유기체를 주형으로 사용하여 유사한 구조를 가진 다공성 세라믹 재료를 제조하는 연구가 널리 주목받고 있습니다[10]. 생물학적 주형법과 유기 발포 함침법은 유사점을 공유합니다. 유기 발포 함침법은 인공 스펀지를 주형으로 사용하는 반면, 생물학적 주형법은 천연 유기체를 주형으로 사용합니다.
생체 주형법을 이용한 다공성 탄화규소 세라믹 제조는 공정이 간단하고 비용이 저렴하다는 장점이 있습니다. 또한 복잡한 형상의 세라믹을 제조할 수 있으며, 천연 생체 재료의 구조를 최대한 모방할 수 있습니다. 그러나 생체 주형은 고온 탄화 공정 중 균열이 발생하기 쉬우며, 이는 다공성 탄화규소 세라믹의 기계적 특성에 상당한 영향을 미칩니다. 더욱이, 제조된 다공성 탄화규소 세라믹의 기공 구조는 주로 생체 주형 자체의 미세 구조에 의존하기 때문에 설계 가능성이 낮습니다. 이 밖에도, 이 방법은 탄화규소의 전환 효율이 상대적으로 낮고, 탄화규소 반응층이 쉽게 탈락하며, 제조 공정이 길다는 단점도 가지고 있습니다.
게시 시간: 2025년 7월 22일