주요 원료 물성 비교 (Y₂O₃ · ZrO₂ · Al₂O₃ · BN · TiN)

녹는점 · 열전도율 · 열팽창 · 전기 저항 · 경도 · 내화학성으로 보는 코팅 원료 5가지

세라믹 코팅의 주원료 5가지를 비교합니다.⁠‌‌‌‌‌‌⁠ 이트리아는 열역학적 안정성이 가장 높고, 지르코니아는 칠해서 쓰는 코팅 가운데 사용 온도가 가장 높고 열전도율이 가장 낮으며, 알루미나는 전기 저항이 매우 높고, 질화붕소(BN)는 열전도율이 높고 알루미늄 · 마그네슘 용탕에 젖지 않으며 윤활성이 있고, 질화티타늄(TiN)은 칠해서 쓰는 코팅 가운데 유일하게 전기가 통하는 코팅입니다. 아래 표는 순수 · 완전 치밀한 원료의 값이며, 코팅의 물성은 이와 다를 수 있습니다.

1. 기본 물성 비교표

물성	Y₂O₃	ZrO₂	Al₂O₃	BN	TiN
화학식량 (g)⁠‌‌‌‌‌‌⁠	225.8	123.2	102.0	24.8	61.9
밀도 (g/cc)	5.0	5.6	4.0	2.3	5.4
결정 구조	체심입방(b.c.c.)	입방정 / 단사정	육방정	육방정	면심입방(f.c.c.)
열팽창 (25~1000℃, ×10⁻⁶/℃)	8.2	8~10.5	8.5	0.8~7.5 (방향에 따라 다름)	8.7
녹는점 (℃)	2400	2600	2050	2400 초과 (승화)	2950
비열 (293K, cal/g-K)	0.109	0.109	0.184	0.117	0.179
열전도율 @100℃ (cal/cm-sec-K)	0.034	0.005	0.072	0.075 (평균)	0.069
열전도율 @1400℃ (cal/cm-sec-K)	0.007	0.006	0.013	0.050 (평균, 방향에 따라 다름)	0.018 (추정)
전기 저항 (293K, ohm-cm)	10⁸ 이상	10⁷~10⁸	10¹⁶	1.7 × 10¹³	22 × 10⁻⁶
방사율 @1300K	0.3	0.45	0.45	0.6	0.7
내화학성 (용융 금속 · 슬래그)	최상	우수	양호	우수	양호
색	흰색	크림색	흰색	흰색	황갈색(금빛 갈색)
누프 미소경도 (kg/mm², 100g 하중)	700	1300	2100	200	1800
절연 내력 (volts/mil)	자료 없음	230	400	약 1000 (800~1000)	자료 없음
유전율	약 12	17~26	약 9 (1 MHz)	약 4	자료 없음
마찰계수	자료 없음	0.85	0.7	0.2 (350℃ 까지) 0.7 (600℃)	자료 없음

순수 · 완전 치밀한 재료의 값이며 코팅의 물성은 다를 수 있습니다. 일반 참고용입니다. PDF 표의 다른 값 : Y₂O₃ 녹는점 2415℃, Y₂O₃ 유전율 13~18, ZrO₂ 열팽창 10.5, Al₂O₃ 유전율 10.

2. 이트리아(Y₂O₃, 산화이트륨)

사용 온도 — 산화이트륨 함량을 최대로 높여 열역학적 안정성이 가장 높습니다(ΔH°298 −455.5 kcal/mol). 녹는점이 2400℃ 라서 대부분의 분위기에서 2000℃ 가까이 쓰는 것이 보통입니다(제품마다 다르므로 제품 자료 참고). 흑연과 닿는 환원 조건에서는 사용 온도가 약 1500℃ 로 낮아집니다.⁠‌‌‌‌‌‌⁠

단열 성능 — 고온에서 열전도율이 가장 낮은 내화 산화물 가운데 하나입니다(1400℃ 에서 0.007 cal/cm-sec-K). 그래서 여러 기재로 들어가는 열의 흐름을 줄이는 데 쓰입니다. 열팽창은 알루미나처럼 중간 정도입니다.

전기 성질 — 상온 전기 저항이 10⁸ ohm-cm 이상이며, 2000℃ 에서도 다른 내화 재료보다 절연성이 더 좋다고 알려져 있습니다. 유전율은 10²~10⁶ Hz 에서 약 12 입니다. 마이크로파를 그대로 통과시킵니다.

내화학성 — 첨가물을 거의 넣지 않아 이트리아 본래의 고온 안정성을 살렸습니다. 그래서 고온에서 강한 화학적 침식과 열에 매우 잘 견딥니다. 용융 금속 · 유리 · 슬래그 · 염에 대한 저항이 뛰어나, 우라늄 · 티타늄 · 크롬 · 베릴륨과 그 합금처럼 반응성이 가장 큰 용탕을 다루는 도가니 · 몰드 코팅에 쓰입니다. 반응성 금속의 확산 접합이나 브레이징 Stop-off 같은 반응 차단 코팅으로도 많이 쓰입니다.

윤활성 — 고순도 이트리아는 체심입방 구조로 상온에서 꽤 무르며(미소경도 700 kg/mm²), 1000℃ 로 올라가면 200 kg/mm² 까지 떨어집니다. 고온에서 아주 무르고 잘 변형되는 윤활성 산화물이 되므로, 티타늄 · 특수강의 초소성 성형(SPF) 윤활, 우라늄의 후방 압출(Back-extrusion) 등 성형 작업에 쓰입니다.

참고 — 이트리아 제품 목록 : 이트리아(Y₂O₃) 제품군

3. 지르코니아(ZrO₂, 산화지르코늄)

사용 온도 — 칠해서 쓰는 내화 · 세라믹 코팅 가운데 사용 온도가 가장 높아 2000℃(3632℉) 넘게 쓸 수 있습니다.⁠‌‌‌‌‌‌⁠ 대부분의 분위기에서 쓸 수 있지만(제품 자료 참고), 진공 · 환원 분위기에서 탄소 · 흑연과 닿으면 약 1350~1500℃ 부근에서 사용이 제한되거나 반응 · 탄소 오염이 생길 수 있습니다.

단열 성능 — 지르코니아는 열전도율이 가장 낮은 산화물이어서, 지르코니아 코팅은 내화 · 세라믹 코팅 가운데 단열 성능이 가장 좋습니다. 치밀한 지르코니아의 열전도율은 상온~1400℃ 에서 0.005~0.006 cal/cm-sec-K (2.09~2.51 W/m-K) 입니다. 열팽창은 다소 높은 편으로, 안정화 여부에 따라 보통 8~10.5 × 10⁻⁶/℃ (25~1000℃) 입니다.

전기 성질 — 상온 전기 저항은 10⁷~10⁸ ohm-cm 이지만 1000℃ 에서는 약 10²~10³ ohm-cm 로 떨어져, 고온에서는 어느 정도 전기가 통합니다. 마이크로파를 흡수해 쉽게 가열됩니다.

다른 쓰임 — 티타늄 · 하프늄 같은 반응성 금속 성분이 든 합금을 녹일 때 많이 쓰입니다. 안정화 지르코니아 코팅은 백금과 백금 합금을 녹이는 데 아주 좋습니다. 구리 합금에도 쓸 수 있습니다(다만 비젖음은 아님).

부분 안정화 — 칼시아(CaO) 4 wt% 를 결정 구조에 넣어 “단사정” 대신 주로 “입방정” 쪽으로 바꾼 것. 칼시아가 산화물의 열역학적 안정성도 조금 높여 주어, 강(steel) · 귀금속 용해 같은 경우에 더 낫습니다. 이름에 “ZO” 가 붙은 코팅과 Z Aerosol 에 쓰입니다.
미안정화 — 결정을 입방정으로 만드는 안정화제를 넣지 않은 “자연 그대로” 의 지르코니아로, “단사정” 입니다. (안정화제를 넣으면 열팽창이 더 직선적으로 됩니다.) 대부분의 산업 용도에는 미안정화로 충분하며, 페인트(코팅) 안에서는 열팽창과 그 변화 때문에 박리 · 벗겨짐이 생기지 않습니다. 대표 제품은 Zircwash 입니다.

원문에 나오는 제품 — Type ZO 등 “ZO” 코팅, Z Aerosol, Zircwash. 전체 제품은 지르코니아(ZrO₂) 제품군 참고.

주의 — 지르코니아(ZrO₂, 산화지르코늄)는 지르콘(규산지르코늄)과 다릅니다. 이름이 비슷해 혼동하기 쉽지만, 지르콘은 지르코니아보다 화학적으로 덜 안정해서 용해 작업에서 규소(Si) 오염을 크게 일으킬 수 있습니다. 지르코니아는 용융 금속과의 안정성이 높아 이트리아 다음으로 좋습니다.

4. 알루미나(Al₂O₃, 산화알루미늄)

사용 온도 — 1550~1800℃(2825~3275℉) 까지 쓸 수 있습니다.⁠‌‌‌‌‌‌⁠ 대부분의 분위기에서 쓸 수 있지만(제품 자료 참고), 진공 · 환원 분위기에서 탄소 · 흑연과 닿으면 약 1500℃ 부근에서 사용이 제한되거나 반응 · 탄소 오염이 생길 수 있습니다.

열 성질 — 열전도율이 스테인리스강과 비슷하게 꽤 높습니다. 치밀한 알루미나는 100~1400℃ 에서 0.072~0.013 cal/cm-sec-K (30.1~5.4 W/m-K) 입니다. 열팽창은 중간 정도로 보통 8.5 × 10⁻⁶/℃ (25~1000℃) 입니다.

전기 성질 — 상온 전기 저항이 10¹⁶ ohm-cm 로 절연체로 아주 좋습니다. 유전율은 약 9 (1 MHz), 절연 내력은 400 volts/mil 로 알려져 있습니다. 마이크로파를 그대로 통과시킵니다.

내화학성 — 알루미나 코팅은 화학적으로 강하고 순도가 높습니다. Type A1 은 600℃(1112℉) 로 가열하면 100% 알루미나가 됩니다. 여러 금속을 녹이는 데 아주 좋습니다.

다른 쓰임 — 알루미나 “Traycoat” 코팅은 코발트 함량이 높은(최대 25~27% Co) 초경합금(Hard Metal)을 소결하는 흑연 트레이 코팅에 알맞습니다.

원문에 나오는 제품 — Type A1, 알루미나 Traycoat(Traycoat AW, Traycoat A Aerosol). 전체 제품은 알루미나(Al₂O₃) 제품군 참고.

5. 질화붕소(BN)

사용 온도 — 매우 높은 온도에 견딥니다.⁠‌‌‌‌‌‌⁠ 불활성 · 환원 분위기에서 1800℃(3300℉), 진공에서는 승화가 시작되기 전인 약 1400℃(2550℉), 산화 분위기(대기)에서는 약 1000℃(1832℉) 까지 쓸 수 있습니다.

열 성질 — 대부분의 세라믹보다 열전도율이 매우 높습니다. 상온 열전도율이 약 0.08 cal/cm-sec-K 로, 산화지르코늄(0.0046 cal/cm-sec-K)보다 훨씬 높습니다. 그래서 방열판(히트 싱크), 그리고 오일 · 냉각액 · 포팅 재료 · 마찰판 · 이형제의 열전도를 높이는 첨가제로 알맞습니다.

전기 성질 — 치밀한 알루미나 세라믹보다 유전 특성이 좋은, 손실이 적은 절연체입니다. 유전율은 약 4 (Al₂O₃ 의 절반), 절연 내력은 1000 volts/mil 가까이로 알루미나의 2배가 넘습니다. 마이크로파를 그대로 통과시킵니다.

내화학성 — 완전한 무기물이고 반응하지 않으며, 용융 알루미늄 · 마그네슘과 그 드로스에 전혀 젖지 않습니다. 대부분의 용융 금속 · 슬래그와도 거의 반응하지 않습니다. 용융 염, 빙정석(Cryolite), 알루미늄, 마그네슘, 실리콘, 철, 강, 구리, 무연 유리, 게르마늄, 인듐, 안티몬, 주석, 카드뮴, 금속 산화물 등의 이형제 · 용기 재료로 흔히 쓰입니다. 브레이징 Stop-off 와 용접 스패터 방지 코팅으로도 알맞습니다.

윤활성 — 결정이 흑연처럼 육방정 판상이라 흑연과 비슷한 윤활성을 내면서도 훨씬 높은 온도까지 쓸 수 있어 “하얀 흑연” 이라고 불립니다. 흑연과 달리 진공에서도 윤활성이 유지되어, 초내열합금의 핫프레스 · 등온 성형용 고온 윤활제로 알맞습니다.

참고 자료 — BN 제품군 한눈에 보기, BN 이 다 같은 BN 이 아닌 이유

6. 질화티타늄(TiN)

사용 온도 — TiN 은 산화되기 쉬워 대기 중 350℃ 넘게는 쓸 수 없습니다. 공기가 새어 들어오는 로에서도 이 산화 때문에 문제가 생길 수 있습니다(산화와 함께 휘발성 물질이 생기기도 함). 불활성 · 질소 분위기에서는 매우 높은 온도까지 안정해 1900℃(3450℉) 넘게 쓸 수 있고, 진공에서는 약 1600℃ 까지 쓸 수 있으며 탄소 · 흑연과 닿아도 매우 안정합니다.⁠‌‌‌‌‌‌⁠

열 성질 — 열전도율이 스테인리스강과 비슷하게 높습니다. 치밀한 TiN 은 100~1400℃ 에서 0.069~0.018 cal/cm-sec-K (28.9~7.53 W/m-K) 입니다. 열팽창은 중간 정도로 보통 8.7 × 10⁻⁶/℃ (25~1000℃) 입니다.

전기 성질 — 전기가 통하며 상온 전기 저항은 22 × 10⁻⁶ ohm-cm 입니다. TiN 코팅은 건조 후 기공률이 보통 40~60% 이고 바인더도 들어 있어 전도성이 꽤 줄어들지만, 바른 코팅도 여전히 중간 정도의 전기 전도체이며 칠해서 쓰는 코팅 가운데 이런 성질을 가진 유일한 제품입니다.

내화학성 — 화학적 저항이 좋으며 특히 슬래그에 강하고, 반응성이 큰 빙정석(Cryolite)과도 꽤 안정하다고 알려져 있습니다.

다른 쓰임 — TiN “Traycoat” 코팅은 코발트 함량이 낮은(최대 8% Co) 초경합금을 소결하는 흑연 트레이 코팅에 알맞습니다. TiN 이 흑연 트레이의 탄소가 텅스텐 카바이드 부품으로 확산되는 것을 막아 줍니다. 또 희토류 자석 합금, 몰리브덴 금속과도 안정하며 여러 용융 금속에 잘 견딥니다.

원문에 나오는 제품 — TiN Traycoat(Traycoat TW, Traycoat T Aerosol Brushable). 다른 재질과 용도별 비교는 사용 부위 · 호환성 가이드 참고.

주의 — TiN 코팅은 대기 중 350℃ 를 넘으면 쓸 수 없으며, 공기가 새어 들어오는 로에서도 산화로 문제가 생길 수 있습니다.