Y2O3 첨가 탄소 프리폼에 Si 용융 침투에 의해 제조한 반응 소결 탄화규소
RBSC Prepared by Si Melt Infiltration into the Y2O3 Added Carbon Preform
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Abstract
The conversion of carbon preforms to dense SiC by liquid infiltration is a prospectively low-cost and reliable method of forming SiC-Si composites with complex shapes and high densities. Si powder was coated on top of a 2.0wt .% Y2O3-added carbon preform, and reaction bonded silicon carbide (RBSC) was prepared by infiltrating molten Si at 1,450°C for 1-8 h. Reactive sintering of the Y2O3-free carbon preform caused Si to be pushed to one side, thereby forming cracking defects. However, when prepared from the Y2O3-added carbon preform, a SiC-Si composite in which Si is homogeneously distributed in the SiC matrix without cracking can be produced. Using the Si + C → SiC reaction at 1,450°C, 3C and 6H SiC phases, crystalline Si, and Y2O3 were generated based on XRD analysis, without the appearance of graphite. The RBSC prepared from the Y2O3-added carbon preform was densified by increasing the density and decreasing the porosity as the holding time increased at 1,450°C. Dense RBSC, which was reaction sintered at 1,450°C for 4 h from the 2.0wt.% Y2O3-added carbon preform, had an apparent porosity of 0.11% and a relative density of 96.8%.
1. 서 론
반사 광학계의 반사경은 세라믹 또는 금속의 표면을 연 마하여 빛이 반사되게 만든 광학 소재이며, 반사 광학계는 여러 개의 반사경을 조합하여 빛을 필름에 해당되는 검출 기에 모으는 광학 시스템이다. 반사 광학계 망원경은 렌즈 를 통과하는 영상 신호가 매질이 가지는 분산 특성으로 발 생하는 렌즈의 색 수차를 제거하기 위하여 대물 렌즈 대신 에 오목 거울인 반사경을 이용한다. 그리고 구면 수차를 줄 이기 위하여 구면이 아닌 비구면 반사경을 사용한다. 반사 경에 주로 사용되고 있는 소재는 Table 1과 같다[1, 2, 4, 5].
리튬알루미늄규산염계 Zerodure 결정화유리와 티타늄규 산염계 초저팽창(ULE: ultra-low expansion) 유리는 밀도 가 낮고 열팽창계수가 낮아서 많이 사용되고 있으나, 낮은 비강성으로 구조적 특성이 낮다. 베릴륨 금속은 광학 유리 에 비해 구조적으로 우수하나 열팽창계수가 높은 단점을 가지고 있다. 이에 비해 SiC는 열팽창계수가 약간 높음에 도 높은 비강성도와 낮은 열 왜곡 민감성을 동시에 충족 시키는 구조적, 열적 특성이 우수한 재료로서 우주항공 반 사경에 각광을 받고 있다[1-6].
경량화 SiC 반사경을 제작하기 위한 S-SiC, RB-SiC, CVD-SiC, C/SiC 프로세스 중에서 반사경의 크기를 키우 고 복잡한 형상과 제조 비용을 고려하여 RBSC(reaction bonded silicon carbide) 공정을 가장 선호하고 있다. 반응 소결 탄화규소 제조 공정은 SiC 분말만의 성형체를 2,000°C 이상으로 열처리하여 부분적으로 결합시킨 재결 정화 SiC 골격에 액상의 Si를 함침하는 실리콘화 SiC(siliconized silicon carbide) 제조법이다. 용융 Si 침투를 이용 한 RBSC 공정은 SiC 분말과 탄소질 결합제의 혼합물로 이루어진 예비 성형체를 Si의 융점(1,414°C) 이상으로 가 열하면서 결합제를 탄화시키고 액상 Si를 침투시켜 성형 체 내의 탄소질과 액상 Si가 반응하여 새롭게 SiC를 생성 시켜 탄화규소 입자를 결합하는 방법으로 기존 실리콘화 SiC 제조법과는 구별된다[7-14]. SiC 반응 소결은 용융 Si 가 고체 프리폼에 젖음성이 좋아야 하며, 반응 결합이 계 속되도록 프리폼의 모세관 채널이 새로 형성되는 SiC 입 자에 의해 막혀서는 안되지만, 공정에서 Si 침투의 불균질 성, SiC화 반응의 불균질성 및 Si의 증발로 문제점을 앉고 있다[7, 9, 10, 13]. 이와 같은 이유로 RBSC 생성물은 내 부 공간을 완전히 충진하여 치밀화 시키는데 어려움으로 결과적인 RBSC 생성물은 다공체로 만들어지는 경우가 많 고, RBSC 치밀체를 만든다 하더라도 기계적 특성이 저하 된다[11, 12].
본 연구에서는 SiC 없는 완전 탄소 프리폼(all-carbon preform)을 사용하여 치밀한 벌크 RBSC 소재를 만들고자 하였는데, 반응성을 향상시키기 위해 탄소 프리폼에 SiC 의 액상 소결 조제로 알려진 Y2O3를 2.0 wt.% 첨가하였다. 소결 조제의 균질 분산성과 성형성을 향상시키기 위하여 Y2O3 첨가한 탄소 분말 슬러리를 분무 건조하고 냉간 정 수압 성형하여 프리폼을 제조하였다. 탄소 프리폼에 상온 에서 Si 금속 분말을 적재하고 1,450°C로 가열, Si를 용융 하여 프리폼에 침투 및 반응을 유발시켜 RBSC를 제조하 고 Si로 결합하여 고밀도 SiC-Si 복합체를 제조하고자 하 였다.
SiC/C 프리폼에 실리콘을 용융 침투시켜 RBSC를 만드 는 공정의 장점은 낮은 원자재 비용과 near-net-shape의 정 교한 성형성 및 저수축 제조성이다[14]. 이와 같은 장점에 더하여 SiC 없이 탄소질 만의 프리폼을 사용한 RBSC 제 조 공정은 탄소질이 SiC보다 가공성이 훨씬 쉬워 제조 비 용을 줄일 수 있으며, 공정 온도도 낮출 수 있다[15-18].
2. 실험방법
SiC 없는 완전 탄소 프리폼을 사용하여 RBSC 복합 세 라믹스의 반응성에 미치는 Y2O3 첨가의 효과를 알아보기 위하여 반응 소결을 이용하여 치밀화 소재를 제조하였다. 상업용 탄소 분말(Amorphous Carbon Powder, 3~5 μm, Bio-cam, Korea)에 2.0 wt.% Y2O3(99.9%, Yttrium Oxide, NYC, Japan)를 첨가한 분말 배치를 준비했다. 일정량의 분말 혼합물, PVA 결합제 그리고 메틸알코올을 볼밀 용기 에 넣고 구석으로 SiC ball을 채우고 150 rpm으로 24시간 습식 혼합하여 슬러리를 제조하였다. Spinning disc 타입 의 분무 건조 장치(HCPR-03, Hwachang Engineering Co., Korea)를 이용하여 N2 분위기에서 90°C로 분무 건조시켜 100 μm 이하의 구형 과립으로 만들었다. 출발 과립 분말 은 원형 몰드에서 12MPa로 일축 가압하여 직경 90 mm, 높이 10mm의 원판형으로 1차 성형하고, 실리콘 러버로 밀봉하고 150MPa에서 5분간 냉간 정수압 성형하였다. 성 형체는 잔류 알코올을 제거하고 산화를 방지하기 위하여 질소 분위기로 900°C에서 4시간 열처리하여 탄소 프리폼 (carbon preform)을 준비하였다.
탄소 프리폼은 그라파이트 받침 판에 올려 입경 1~4 mm의 실리콘 분말(99.999%, Polysilicon, Han-Hwa, Korea) 을 10 mm 두께로 덮고 흑연 도가니로 덮은 후 반응 소결 로(KHP-350, KOVAKO, Korea)에 Fig. 1과 같이 장입 하 였다. 반응 소결은 10-1 torr 이하 진공에서 0.5°C/min으로 승온하여 1,450°C에서 1~8 시간 유지하고 자연 냉각하였 다. 이와 같이 탄소 프리폼에 실리콘 분말을 덮고 반응 소 결하는 간단한 저비용 공정으로 치밀한 구조의 RBSC 소 재를 제조하고자 하였다.
반응 소결의 온도 및 유지 시간별 반응 소결 시편의 특 성 분석으로 외관 관찰, 상 반응성, 소결성 및 미세구조를 평가하였다. 반응 소결한 소재의 표면에 과잉으로 부착된 Si 층을 제거하기 위하여 다이아몬드 휠을 사용하여 절단 하여 0.3 μm 수준까지 연마하였다. 이후 시편은 알루미나 100 mmØ 원형 플레이트에 레진으로 접합하여, Fig. 2와 같 은 Polishing Machine(LAPMASTER 15, Lapmaster International, U.S.A.)에 올려놓고 1 μm의 다이아몬드 연마재를 뿌려주면서 미세 연마하였다.
반응 소결체의 반응 생성 상(phase)은 X-선 회절 분석기 (D/MAX-2500, Rigaku Co., Japan)로 CuKα 방사선을 이 용하여 20°~80°의 2θ 범위에서 분석하였다. 반응 소결체 내의 SiC와 Si 결정상의 상대적 함량은 XRD 패턴에서 결 정상의 상대적 함량을 준 정량적으로 측정하는 기준 강도 비(RIR, reference intensity ratio) 방법으로 구하였다[12, 19].
소결성을 알아보기 위한 시편은 10×10×5 mm로 절단하 여 1 μm 수준으로 표면 가공하고, 아르키메데스 원리에 의한 부피 밀도(bulk density)와 겉보기 기공률(apparent porosity)을 분석하였다. 각각의 조건으로 제조한 시험편을 110°C에서 건조 후 건조 무게, 물에 넣고 끓여 식힌 후 수 중 무게 및 함수 무게를 측정하였다. 부피 밀도와 겉보기 기공률은 다음 식에 따라 소수점 이하 2자리까지 계산하 였고 조성 별로 5개의 시편의 평균과 표준편차를 산출하 였다.
여기서, ρ0는 부피 밀도, Ps는 겉보기 기공률, m1은 건조 무게, m2는 수중 무게 및 m3는 함수 무게이다. 그리고 SiC-Si 복합체에 대한 이론 밀도는 SiC, Si 및 Y2O3의 양 을 환산하여 복합법칙으로 계산하고 상대 밀도를 구했다.
반응 소결 시편의 연마면 미세구조는 광학현미경(KH- 7700, Hirox, Japan)을 이용하거나 전도성 물질인 Pt로 표 면 코팅하여 FE-SEM(MAIA 3, TESCAN, Czech Republic) 으로 관찰하였다.
3. 결과 및 고찰
Fig. 3은 Y2O3 무첨가 탄소 프리폼을 1,450°C에서 2시간 및 Y2O3 첨가 탄소 프리폼을 1,450°C에서 유지 시간을 변 화시키며 반응 소결한 직후 RBSC 시편의 하부 사진이다. 시편의 상부는 탄소 프리폼이 Si 분말과 바로 접해 있던 부위이고, 하부는 탄소 프리폼이 그라파이트 받침에 놓여 있던 반대편 부위이다. 과잉의 용융 Si가 탄소 프리폼 밖 으로 용출되는 현상은 Y2O3를 첨가 유무에 따라 다른 양 상이 나타난 것을 알 수 있다. Y2O3를 첨가하지 않는 탄 소 프리폼을 반응 소결하면 Fig. 3(a)에서 보이는 바와 같 이 용출된 Si가 한쪽 부위로 치우쳐 있고 균열까지 발생 하였다. 용융 침투 공정에서 액상의 Si가 탄소 프리폼과 반응하면 견고한 결정질 SiC 반응물을 형성하지만, 미반 응한 Si가 남게 되면 RBSC 소재는 결정질 SiC와 잔류 결 정질 Si의 2상 복합체가 된다. 액상의 Si는 밀하게 채워진 액체(2.57 g/cm3)이지만, 결정질 Si는 밀도가 낮은 고체 (2.32 g/cm3)이다. 따라서 응고 중에 액상과 결정질 Si 사 이의 밀도 차에 기인한 ≒10.8% 부피 팽창인 결정화 팽창 변형(CES, crystallization expansion strain)을 일으킨다. 따 라서 RBSC 소재의 결정질 SiC 네트워크는 견고하기 때 문에 잔류하는 Si의 결정화는 반응 소결체 내에서 액체 Si 를 배출시키거나 반응 소결체에 잔류 응력을 남겨 균열을 일으키게 한다고 보고되었으며[12], 이러한 이유로 균열이 발생한 것으로 생각된다. Y2O3 첨가한 탄소 프리폼을 반 응 소결한 경우는 Fig. 3(b-d)에서 보이는 바와 같이 용출 Si가 감소하여 시험 편 표면에 작은 구상으로 분포한다. 1시간 유지한 시편은 하단부 표면에 이슬처럼 맺혀 있는 Si 융체의 굳은 형태가 중심부와 외곽으로 불균질하게 분 포되어 있었다. 반응 소결 시간이 2~4시간으로 증가되면 시편에서 배출된 Si의 굳은 형태 분포가 상대적으로 균질 성을 보였다. Y2O3가 첨가되어 용융 Si의 조성 변동으로 젖음성이 증진으로 반응 소결이 원활한 것으로 판단된다 [9]. 그러나 반응 소결 시간이 8시간으로 장시간 고온에 노 출되면 Fig. 3(e)에서 보이는 바와 같이 표면에 구 형태로 맺혀 있던 Si도 기화되어 거의 없어진 것을 확인할 수 있 었다[10].
Y2O3 첨가한 탄소 프리폼을 1,450°C에서 유지 시간을 1~8시간으로 변화시키며 용융 Si로 반응 소결한 소재의 XRD 상분석 결과를 Fig. 4에 나타내었다. 주 결정상으로 는 α-SiC의 6H(Card No.: 1011053, 35.34°(101), 38.38° (103), 60.21°(110).), β-SiC의 3C(Card No.: 1010995, 35.47°(111), 41.63°(200), 60.22°(220)), 입방정 Si(Card No.: 1526655, 28.75°(111), 47.60°(220))가 관찰되었으며, 입방정 Y2O3(Card No. 41-1105, 30.5°(222), 60.44°(444)) 도 미량으로 존재하였다. 이와 같이 SiC 없이 Y2O3 첨가 탄소 프리폼(all-carbon preform)을 사용한 반응 소결에서 미반응의 탄소 성분 없이 반응 소결이 원활하게 진행되었 음을 확인했다. 반응 소결의 시간이 증가할수록 반응 소결 체에서 상대적으로 Si 상이 감소하고, SiC 상이 많게 나타 나는데, 이것은 반응 시간이 증가할수록 C + Si → SiC 반 응이 상대적으로 원활히 진행된 것으로 판단된다.
RBSC 반응 생성물은 출발 원료 및 반응 조건에 따라 달라지지만, 일반적으로 1,500°C 부근의 저온 반응으로는 β-SiC인 3C 상 그리고 고온 반응으로는 α-SiC인 4H, 6H, 15R 상이 생성되며, 미반응물은 Si 상과 graphite 상이다. 여기서 graphite 상은 잔류하는 양이 소량이거나 X-선 회 절기가 충분한 정밀도를 가지지 않으면 검출되지 않는 경 우가 많다[9, 13]. SiC-C 혼합 프리폼의 반응 소결에서 Si 용융 시 C의 용해에 따른 반응 생성열로 Si-C계 융액에서 의 국부적 온도 분포 변화와 용융 Si-C계 열전달 및 물질 이동 속도 차이로 Si 내 C 과포화 영역이 발생되어 원래의 SiC 골격 표면에 새롭게 β-SiC가 반응 석출 및 성장하고 미반응 Si가 잔류하는 것으로 보고되었다[9, 14]. 이러한 용해 반응 사이트에서 2,200°C까지 국부적인 온도 상승을 일으킬 수 있으며, 이러한 국부적인 온도 상승은 흑연의 용해도를 증가시킬 수 있다고 하였다[7, 13]. SiC 없는 완 전 탄소 성분만의 프리폼으로부터의 SiC 생성 반응은 발 열성이 훨씬 높고, 작은 시편에서는 빠른 시간에 온도 상 승이 훨씬 크기 때문에 SiC의 고온 결정상 생성도 높아진 다[15]. 용융 Si에 용해된 탄소 성분 중에 불순물은 국부 적인 온도 상승뿐만 아니라 용융 Si 내에서 빠른 속도로 이동하여 SiC 석출이 촉진된다고 하였다[9]. 본 연구에서 도 탄소 프리폼에 첨가한 Y2O3에 의해 미반응의 graphite 생성없이 탄소 프리폼은 전부 SiC화 반응이 우세하게 진 행되고 과잉의 Si 결정상이 혼재된 것으로 생각된다. SiC 화 생성물은 β-SiC의 저온 결정상 뿐만 아니라 고온 발열 반응열에 의해 α-SiC로의 고온 결정상도 관찰되었다.
2.0 wt.% Y2O3 첨가 탄소 프리폼을 1,450°C에서 유지 시 간에 따라 반응 소결한 RBSC 소재의 SiC, Si 상 분율을 Fig. 5에 나타내었다. 1시간 유지했을 때 Si 상은 12.2%이 고 SiC 상은 87.8%이나, 유지 시간이 길어지면 SiC화 반 응이 증가하여 4~8시간의 반응으로 SiC 상은 89.9%에 이 르렀고, 잔류 Si 상은 10.1%이었다.
2.0 wt.% Y2O3 함유 탄소 프리폼을 1,450°C에서 유지 시 간 변화에 따른 반응 소결 시편의 SiC와 Si 상 분률, 겉보 기 기공률 및 상대 밀도를 Table 2에 나타내었다. 여기서 RBSC의 이론 밀도는 초기 첨가한 Y2O3 양, 탄소 프리폼 C가 완전히 SiC로 반응되는 양, 그리고 XRD에 의거한 SiC와 Si의 양의 비율로 환산한 Si 양을 기준으로 복합법 칙으로 계산한 값이다. 1,450°C에서 1시간의 반응 소결에 서는 상대 밀도가 94.9%이고 겉보기 기공률은 0.88%이지 만, 유지 시간이 2~4시간으로 증가하면 밀도가 96.8%로 증가하고 겉보기 기공률도 0.2% 이하로 감소하였다. 그러 나 장시간 반응 소결하면 미량의 밀도 감소와 겉보기 기 공률 증가 경향이 나타나는 것을 확인하였다.
2.0 wt.% Y2O3를 첨가한 탄소 프리폼에 1,450°C에서 2 시간 용융 Si로 반응 소결한 RBSC 단면 광학현미경 사진 을 Fig. 6에 나타내었다. RBSC는 수~20 μm 크기의 흐린 회색(light grey) SiC 입자가 기지를 이루며, 기지 입자 틈 새 공간에 수~20 μm 크기의 밝은색(bright) 잔류 Si로 SiC-Si 복합 미세구조를 이루고 있고, 수~30 μm 크기의 검 은색 반점(dark spot)의 내부 기공이 관찰된다. 탄소 분말 프리폼이 금속 Si와 반응 소결하면, 가열 중에 금속 Si 융 체에 C가 용해되고 융액의 과포화 영역에서 SiC가 생성되 고, 탄소 프리폼에 과잉으로 공급되는 미반응 Si를 남기면 서 SiC-Si 복합체가 만들어진다. 이때 원래의 탄소 프리폼 내부 기공에 Si 융액 공급이 원활하지 못하면 다공성을 갖 게 된다. 탄소 프리폼에 첨가된 Y2O3는 액상의 양을 증진 시켜 C의 용해도를 증진시키고, 국부적인 온도 상승과 더 불어 Si-C 융액의 탄소 프리폼으로의 젖음성을 향상시킴 으로 SiC화 반응을 촉진하여[9], 비교적 낮은 온도인 1,450°C의 반응 소결에서 치밀화 되었다. 용융 Si-C 계의 프리폼으로의 젖음성은 온도가 높을수록, 진공도가 높을 수록 우수하며[20], 프리폼 영향으로는 SiC에 비해 C가 젖 음성이 좋고(1,500°C에서 SiC에는 40º이고, 비정질 C에는 35º)[21], C는 결정질에 비해 비정질이 젖음성이 좋은 것 (1,424°C에서 결정화도 0.39의 C에는 43.8º이고, 결정화도 0.36의 C에는 23.6º)[22]으로 알려져 있다.
2.0 wt.% Y2O3 첨가한 탄소 프리폼으로부터 1,450°C에 서 유지 시간을 1~8시간으로 변화시키며 용융 Si로 반응 소결한 RBSC 소재의 SEM 미세구조를 Fig. 7에 나타내었 다. 반응된 SiC 상(짙은 회색) 기지에 잔류 Si 상(밝은색) 과 기공(검은색)이 각각 관찰된다. 1,450°C에서 1시간으로 짧게 반응 소결한 RBSC는 XRD 분석에서 graphite가 검 출되지 않았지만, 미세구조에는 잔류 탄소로 보이는 검은 색 입자(Fig. 7(a)의 중앙 부분)가 보인다. 탄소 프리폼을 구성하는 탄소 입자는 크기 분포를 가지고 있기 마련인데, 상대적으로 큰 입자는 비표면적이 작기 때문에 탄화규소 반응에 소비되는 것은 상대적으로 어려울 것이다. 따라서 제조된 RBSC에는 약 20 μm의 탄소 상이 포함된 것으로 생각된다.
반응 소결 유지 시간 별 RBSC 시편의 내부 미세구조에 대한 SEM 사진에서 측정한 밀도 데이터 결과보다 상대적 으로 차이가 크게 보이는 것은 포함된 탄소 상과 SiC/Si 상분률에 따른 것으로 생각되지만, 추가적인 연구에서 이 에 대한 정확한 분석고찰이 요구된다. Si + C→ SiC 반응 소결 일어나는 과정에서 용융 Si가 접하는 고체 표면은 탄 소 프리폼 뿐만 아니라 생성되는 SiC인데, 용융 Si가 이들 고체와의 젖음성은 탄소 고체가 좋은 것으로 알려져 있다 [7, 10, 13]. 또한 활성 반응이 일어나는 계에서는 동일한 온도에서 반응 시간이 증가될수록 접촉각이 감소되고, SiC 생성열로 국부적인 온도 증가로 용융 Si의 점도가 감 소되어 Si의 침윤이 균일하게 일어나게 된다[10]. 따라서 본 연구에서도 반응 시간이 길어질수록 Si 분포가 더 균 질해진 것으로 생각된다.
4. 결 론
2.0 wt.% Y2O3 첨가 탄소 프리폼의 상부에 Si 분말을 덮 어 1,450°C에서 1~8시간동안 Si 용융 침투로 반응 소결 탄화규소(RBSC: reaction bonded silicon carbide)를 제조 하였다. Y2O3 무첨가 탄소 프리폼으로부터 반응 소결하면 Si가 한쪽으로 몰리고 균열 결함이 발생하나, Y2O3 첨가 탄소 프리폼으로부터 제조하면 균열 없고 SiC 기지 입자 에 Si가 균질하게 분포하는 SiC-Si 복합체를 제조할 수 있 었다. 1,450°C에서 Si + C = SiC 반응에 의해 graphite 출현 없이 3C와 6H의 SiC, 결정질 Si 및 Y2O3상이 XRD 분석 으로 검출되었다. Y2O3 첨가 탄소 프리폼으로부터 제조한 RBSC는 1,450°C에서 유지 시간이 길어지면 밀도가 증가 하고 기공은 감소하여 치밀화 되었다. 2.0 wt.% Y2O3 첨가 한 탄소 프리폼으로부터 1,450°C에서 4시간 반응 소결하 여 치밀한 RBSC는 0.11% 겉보기 기공률과 96.8% 상대 밀도를 가졌다.
감사의 글
이 연구는 금오공과대학교 학술연구비(2018-104-126)로 지원되었고 이에 감사드립니다.